ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР Советский патент 2006 года по МПК H01S3/22 

Изобретение относится к квантовой электронике и предназначено для создания мощной лазерной установки, работающей на продуктах сгорания.

В настоящее время газовые лазеры на продуктах сгорания широко используются в качестве источников мощного излучения в непрерывном режиме. Среди известных типов лазеров для практических приложений наиболее интересен газодинамический лазер на двуокиси углерода, в котором для получения рабочей смеси газов обычно используют горение окиси углерода в воздухе с последующим разбавлением (балластированием) азотом, что позволяет получить температуру торможения T_O≤1500 К при составе продуктов сгорания (мольные доли): остальное - азот.

Однако состав рабочего тела при использовании горения окиси углерода не оптимален (в продуктах сгорания велика доля углекислого газа), вследствие чего удельный энергосъем превышает 10-12 кДж/кг (см., например, Лосев С.А. Газодинамические лазеры, М.: Наука, 1977). Малая величина удельного энергосъема приводит к необходимости увеличивать расход рабочего тела для получения требуемого уровня мощности.

Известен газодинамический лазер, содержащий регенеративные теплообменники, систему подачи компонентов рабочего тела с источниками компонентов, в том числе горючего, основной газогенератор, вспомогательный газогенератор и поджигающие устройства, соединенные с источниками компонентов рабочего тела индивидуальными трубопроводами со стабилизирующими патрубками, а также систему управления.

Известный лазер отличается существенной конструктивной простотой и позволяет получить солее высокий удельный энергосъем путем оптимизации состава рабочего тела за счет предварительного нагрева балластного газа (азота) и окислителя (воздуха) в регенеративных теплообменниках, однако ему присущ и ряд недостатков: надежность поджигающих устройств хотя и высока, но все-таки меньше 1 (наблюдались отказы при испытаниях опытного образца, так как наиболее распространенные горючие - керосин, окись углерода - горят сравнительно плохо), поэтому возможно невоспламенение вспомогательного газогенератора, а следовательно, и бесполезный расход рабочих компонентов, который измеряется за один пуск сотнями килограммов, что может резко увеличить эксплуатационные расходы, особенно в период доводки.

Известен также газодинамический лазер, содержащий регенеративные теплообменники, систему подачи компонентов рабочего тела с источниками компонентов, в том числе горючего, основной газогенератор, вспомогательный газогенератор и поджигающие устройства, соединенные с источниками компонентов рабочего тела индивидуальными трубопроводами со стабилизирующими патрубками, а также систему управления, в состав которой введены, во-первых, блок автоматики подачи компонентов к регенеративным теплообменникам, содержащий отсечные клапаны и датчики воспламенения, установленные на поджигающих устройствах, причем датчики воспламенения функционально связаны с цепями включения отсечных клапанов через систему управления, во-вторых, блок автоматики подачи горючего, содержащий отсечные клапаны, установленные на выходе регенеративных теплообменников, на вспомогательном и основном газогенераторах, причем система подачи компонентов рабочего тела содержит, по крайней мере, три независимых источника горючего, первый из которых подключен к поджигающим устройствам, второй к вспомогательному газогенератору, а третий - к основному газогенератору, при этом датчики давления, установленные на выходе регенеративных теплообменников, функционально связаны через систему управления с целью включения отсечного клапана, установленного на трубопроводе подачи горючего к вспомогательному газогенератору, датчик давления, установленный на вспомогательном газогенераторе, функционально связан через систему управления с цепью включения отсечного клапан, установленного на трубопроводе подачи горючего к основному газогенератору, а датчик давления, установленный на основном газогенераторе, функционально связан с цепью выключения отсечных клапанов подачи компонентов рабочего тела (авт.св. СССР № по выданной заявке №3152084, 12.09.1986).

Известный лазер обладает повышенной эксплуатационной надежностью и более высокой экономичностью, однако у него есть два недостатка. Во-первых, он является по сути дела однорежимным при работе с выбросом использованной рабочей смеси в атмосферу, так как изменение мощности в несколько раз путем увеличения (уменьшения) расхода в нем невозможно, потому что увеличение расхода при выбранном горючем основного газогенератора означает соответствующее увеличение давления, что, как правило, недопустимо по соображениям безопасности и ограничений по прочности, а уменьшение расхода приведет к срыву течения в газодинамическом тракте, то есть к прекращению генерации. Во-вторых, время выхода лазера на рабочий режим после заполнения регенеративных теплообменников является отнюдь не малым и складывается из времени установления подачи горючего в основной газогенератор, времени установления устойчивого горения в нем, а также времени установления течения в газодинамическом тракте. За это время расходуются рабочие компоненты, из которых наиболее дорогим является горючее основного газогенератора, что приводит к увеличенным эксплуатационным расходам. Существенное изменение выходной мощности в прототипе возможно в основном в сторону уменьшения путем замены зеркал резонатора, например, установкой выходных зеркал с измененным коэффициентом прозрачности. Такая замена сопряжена с частичной разборкой рабочей части, что также ведет к увеличению эксплуатационных расходов.

Целью настоящего изобретения является расширение диапазона рабочих параметров и снижение эксплуатационных расходов.

Поставленная цель достигается тем, что в газодинамическом лазере по авт.св. №1839955 в систему подачи компонентов рабочего тела введен дополнительный источник горючего, соединенный трубопроводом подачи, снабженным отсечным клапаном и стабилизирующим патрубком, с основным газогенератором, а в систему управления введен сигнализатор выхода лазера на рабочий режим, функционально связанный с цепью включения отсечного клапана подачи дополнительного горючего, при этом источник балластного компонента соединен с трубопроводом подачи дополнительного горючего с помощью трубопровода, выход которого расположен между отсечным клапаном и основным газогенератором.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематически изображен общий вид газодинамического лазера в продольном разрезе.

Газодинамический лазер содержит регенеративные теплообменники окислителя (воздуха) 1 и балластного компонента (азота) 2, систему подачи компонентов рабочего тела 3 с источниками горючего 4-7, окислителя 8 и балластного компонента 9, основной газогенератор 10, вспомогательный газогенератор 11 и поджигающие устройства 12, газодинамический тракт 13 для прокачки рабочего тела, а также систему управления 14.

В качестве поджигающих устройств использованы малоразмерные камеры сгорания 12, соединенные трубопроводами 15, 16 со стабилизирующими патрубками 17, 18 с источником поджигающего горючего 4 и окислителя 8.

На чертеже, чтобы не загромождать его, показано подключение к источникам горючего и окислителя лишь одного из поджигающих устройств 12, другие поджигающие устройства подключаются аналогично.

Основной газогенератор 10 состоит из камеры сгорания 19 и форсуночного блока 20, выполненного в виде соосной с камерой сгорания трубы 21, к которой пристыкованы трубопроводы основных компонентов рабочего тела: основного горючего 22, дополнительного горючего 23, балласта 24, окислителя 25 со стабилизирующими патрубками (сверхзвуковыми расходомерными соплами Вентури или форсунками), основного горючего 26, дополнительного горючего 27, балласта 28 и окислителя 29.

Вспомогательный газогенератор 11 содержит камеру сгорания 30, форсуночный блок 31, состыкованный с трубопроводами 32 и 33 окислителя и горючего соответственно, а также стабилизирующие патрубки 34, установленные в коллекторе балластного компонента 35. Трубопровод окислителя снабжен сверхзвуковым стабилизирующим патрубком 36 (сверхзвуковым расходомерным соплом Вентури) и подсоединен к регенеративному теплообменнику окислителя 1, а коллектор балластного компонента 35 подсоединена к регенеративному теплообменнику 2 балластного компонента трубопроводом 37 со сверхзвуковым стабилизирующим патрубком 38.

Газодинамический тракт 13 образован ресивером 39, цилиндрическим сопловым блоком 40, рабочей частью 41 с резонаторными зеркалами 42, 43 и выхлопным коллектором 44.

В состав системы управления входит блок автоматики подачи компонентов к регенеративным теплообменникам, содержащий отсечные клапаны 45, 46, установленные на трубопроводах окислителя 47 и горючего 48, и датчики воспламенения 49, установленные на поджигающих устройствах 12. Датчики воспламенения (в качестве которых могут быть использованы термопары, зачеканенные в наружные части корпусов поджигающих устройств) функционально связаны с цепями включения 50, 51 отсечных клапанов 45, 46 через систему управления 14 (блок автоматики подачи компонентов и иные блоки, описанные далее, не обведены пунктиром на чертеже, чтобы не загромождать его).

В состав системы управления входит также блок автоматики подачи горючего, содержащий отсечные клапаны 52-55, установленные на трубопроводах горючего 15, 33, 22 и 23 соответственно и датчики давления 56-59, установленные на выходе регенеративных теплообменников балластного компонента, окислителя, на вспомогательном газогенераторе и на основном газогенераторе, при этом датчики давления 56, 57, установленные на выходе регенеративных теплообменников, функционально связаны через систему управления с цепью включения 60 отсечного клапана 53, датчик давления 58, установленный на вспомогательном газогенераторе 11, функционально связан через систему управления с цепью включения 61 отсечного клапана 54, а датчик давления 59, установленный на основном газогенераторе, функционально связан с цепями выключения 62-66 отсечных клапанов 53, 54, 45, 46, 55.

В состав системы управления введен также и сигнализатор выхода лазера на рабочий режим 67, в качестве чувствительного элемента которого может быть использован либо датчик давления 59, установленный на основном газогенераторе, либо датчик давления 68 с приемником статического давления 69, установленным в рабочей части 41, либо измеритель мощности лазерного излучения 70, либо иное устройство. Сигнализатор 67 функционально связан с цепью включения 71 отсечного клапана 55.

Источник балластного компонента 9 соединен трубопроводом 72 с трубопроводом 23 подачи дополнительного горючего. Выход трубопровода 72 расположен между отсечным клапаном 55 и основным газогенератором 10 (а точнее его форсуночным блоком 20). Трубопровод 72 может быть подключен к источнику 9 либо через отсечной клапан 46, либо через индивидуальный отсечный клапан 73.

На трубопроводе 16 установлен отсечный клапан 74 для подачи окислителя к поджигающим устройствам 12.

Газодинамический лазер работает следующим образом. Система управления выдает команду на открытие отсечного клапана 74 для подачи окислителя (воздуха), отсечного клапана 52 для подачи пускового горючего к поджигающим устройствам 12 и включает зажигание (электрические свечи или иные устройства). При работе поджигающих устройств их корпуса нагреваются, и датчики воспламенения 49 (термопары), установленные на поджигающих устройствах, выдают сигнал в систему управления, которая, по получении сигналов о срабатывании всех поджигающих устройств, выдает команду на открытие отсечных клапанов 45 и 46 для подачи рабочих компонентов к регенеративным теплообменникам 1, 2 (теплообменники к моменту запуска разогреты до заданной температуры), а также на открытие отсечного клапана 73 для продувки балластным компонентом трубопровода 23.

При течении через теплообменники 1, 2 окислитель и балластный компонент прогреваются и по трубопроводам 25, 32, 24, 37 подаются в основной 10 и вспомогательный 11 газогенераторы. По достижении заданных давлений на выходе регенеративных теплообменников датчики давления 56 и 57 выдают сигналы в систему управления, которая вырабатывает команду на включение отсечного клапана 53, установленного на трубопроводе 33. Горючее из источника 5 поступает в форсуночный блок 31 и перемешивается с окислителем (подогретым воздухом), подаваемым по трубопроводу 32. Образовавшаяся топливная смесь воспламеняется дежурными факелами, создаваемыми поджигающими устройствами 12. Продукты сгорания смешиваются на выходе газогенератора 11 с балластным газом (азотом), подаваемым к выходным стабилизирующим патрубкам 34 по трубопроводу 37 со стабилизирующим патрубком 38 и далее через коллектор 35.

По достижении заданного давления в камере сгорания 30 вспомогательного газогенератора 11 датчик давления 58 выдает сигнал в систему управления 14, которая вырабатывает команду на включение отсечного клапана 54, и основное горючее из источника 6 поступает по трубопроводу 22 в форсуночный блок 20, где смешивается с остальными компонентами, образуя топливную смесь, которая по трубе 21 подается в камеру сгорания 19 основного газогенератора 10. В камере сгорания 19 топливная смесь закручивается потоками сгоревшего газа, создаваемыми вспомогательным газогенератором (газогенераторами), и, сгорая, поступает в ресивер 39 газодинамического тракта 13, откуда направляется с помощью цилиндрического соплового блока 40 в рабочую часть 41. Резонатор, образованный зеркалами 42, 43 обеспечивает съем лазерного излучения. Отработанный поток выбрасывается в выхлопной коллектор 44.

При выходе лазера на рабочий режим по сигналу чувствительного элемента (датчика давления 59, установленного на основном газогенераторе, либо датчика давления 68, соединенного с приемником статического давления 69, либо измерителя мощности лазерного излучения 70, либо иного устройства) сигнализатор выхода лазера на рабочий режим 67 выдает через систему управления 14 и цепь включения 71 сигнал на включение отсечного клапана 55, и дополнительное горючее из источника 7 поступает по трубопроводу 23 со стабилизирующим патрубком 27 в форсуночный блок 20, а затем и в камеру сгорания 19 основного газогенератора 10. При сгорании дополнительного горючего происходит изменение состава рабочей смеси газов, что приводит к изменению мощности выводимого лазерного излучения.

Режим горения в основном газогенераторе контролируется датчиком давления 59. В случае невыхода основного газогенератора 10 на заданный режим по давлению в течение заданного времени (например, в результате невозгорания топлива) или срыва горения (определяемого по уменьшению давления ниже допустимого уровня) система управления 14 выдает команды на выключение (закрытие) отсечных клапанов подачи основных компонентов рабочего тела (53, 54, 45, 46, 55) и газодинамический лазер выключается.

В сравнении с прототипом благодаря применению в системе подачи компонентов рабочего тела дополнительного источника горючего, соединенного трубопроводом подачи, снабженным отсечным клапаном и стабилизирующим патрубком, с основным газогенератором обеспечивается возможность изменить не только расход горючего, подаваемого в основной газогенератор, но и состав рабочего тела, что позволяет в несколько раз варьировать выходную мощность лазерного излучения, сохраняя в заданных пределах режим работы лазерной установки по давлению и температуре.

Применение в системе управления сигнализатора выхода лазера на рабочий режим, функционально связанного с цепью включения отсечного клапана подачи дополнительного горючего, позволяет осуществить подачу дополнительного горючего, которое может быть весьма дорогим и дефицитным, после выхода лазера на рабочий режим, то есть существенно сократить эксплуатационные расходы.

Соединение источника балластного компонента с трубопроводом подачи дополнительного горючего с помощью трубопровода, выход которого расположен между отсечным клапаном и основным газогенератором, необходимо для обеспечения безопасной эксплуатации лазерной установки, чтобы исключить возможность воспламенения дополнительного горючего в трубопроводе подачи или форсуночном блоке, так как при отсутствии поддува балластного компонента до подачи дополнительного горючего возможно накопление топливной смеси в трубопроводе подачи дополнительного горючего.

Кроме указанных преимуществ заявляемого изобретения следует отметить экономию рабочего времени за счет отказа от замены элементов оптической системы (зеркал резонатора) при переходе на испытания с измененной по сравнению с номинальной выходной мощностью лазерного излучения.

Принцип работы заявляемого лазера был проверен на модельных лазерных установках с расходом 1/500 и 1/50 от номинального. Было получено устойчивое горение топливной смеси, генерация лазерного излучения, и была продемонстрирована возможность варьировать выходную мощность излучения.

В настоящее время выпущен рабочий проект полноразмерной лазерной установки и завершается изготовление ее материальной части.

Изобретение относится к квантовой электронике и предназначено для создания мощной лазерной установки, работающей на продуктах сгорания. Сущность: лазер содержит систему подачи компонентов рабочего тела с источниками компонентов, газогенератор и систему управления. При этом система подачи компонентов рабочего тела содержит дополнительный источник горючего, соединенный с газогенератором трубопроводом подачи, который снабжен отсечным клапаном и стабилизирующим патрубком. Технический результат: повышение надежности и снижение эксплуатационных расходов. Кроме того, в систему управления введен сигнализатор выхода лазера на рабочий режим, функционально связанный с цепью включения отсечного клапана. Источник балластного компонента соединен с трубопроводом подачи дополнительного горючего с помощью газовода, выход которого расположен между отсечным клапаном и газоводом. 1 ил.

Газодинамический лазер, содержащий источники и систему подачи компонентов рабочего тела, газогенератор и систему управления, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона рабочих параметров и снижения эксплуатационных расходов, в систему подачи компонентов рабочего тела введен дополнительный источник горючего, соединенный с газогенератором трубопроводом подачи, снабженным отсечным клапаном и стабилизирующим патрубком, а в систему управления введен сигнализатор выхода лазера на рабочий режим, функционально связанный с цепью включения отсечного клапана, при этом источник балластного компонента соединен с трубопроводом подачи дополнительного горючего с помощью газовода, выход которого расположен между отсечным клапаном и газогенератором.