ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР Советский патент 2008 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 Т_о≤1500 K при составе продуктов сгорания (мольные доли) ; , остальное азот.

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

Известен газодинамический лазер большой мощности, содержащий регенеративные теплообменники, источники компонентов рабочего тела и газодинамический тракт для прокачки рабочего тела, с входными сверхзвуковыми стабилизирующими патрубками.

Такой лазер позволяет уменьшить расход балластного и рабочего газов за счет сокращения времени выхода лазера на рабочий режим и повышения удельного энергосъема.

Однако в известном лазере не была решена проблема технологичности вследствие сложности конструкции.

Известен также газодинамический лазер, содержащий систему управления, газодинамический тракт для прокачки рабочего тела с входными стабилизирущими патрубками, источники компонентов рабочего тела, с дистанционно управляемыми запорными устройствами, регенеративные теплообменники, расположенные между источниками основных компонентов рабочего тела и стабилизирующими патрубками, соединенные с ними расходными трубопроводами и снабженные системами разогрева с камерами сгорания, выхлопным трактом и запорными устройствами с дистанционным управлением (а.с. СССР №1839955 по заявке №3152084 от 12.09.86, МКИ Н01S 3/22, прототип).

Известный лазер является более технологичным в изготовлении и дешевым в эксплуатации, однако ему свойственны и некоторые недостатки. Так, не решена проблема обеспечения стабильности температуры разогрева насадки теплообменника и охлаждения наиболее теплонапряженных элементов конструкции теплообменника и системы разогрева (участка выхлопного тракта от выхода из теплообменника до запорного устройства). Действительно, при замене сорта горючего, расходуемого на разогрев насадки теплообменника, вследствие изменения теплотворной способности возможно изменение времени прогрева насадки, а следовательно, при отсутствии автоматического контроля за ее состоянием, изменение и ее конечной температуры. Это, в свою очередь, может привести к изменению температуры нагретого газа на выходе теплообменника при запуске газодинамического лазера. Изменение температуры рабочего тела на 10% может не только привести к изменению выходных параметров лазера на 20%, но и снизить эксплуатационную надежность за счет отклонения от предусмотренного проектом номинального режима эксплуатации.

Целью настоящего изобретения является повышение стабильности выходных параметров и эксплуатационной надежности газодинамического лазера.

Поставленная цель достигается тем, что в известном газодинамическом лазере, содержащем систему управления, газодинамический тракт для прокачки рабочего тела с входными стабилизирующими патрубками, источники компонентов рабочего тела с дистанционно управляемыми запорными устройствами, регенеративные теплообменники, расположенные между источниками основных компонентов рабочего тела и стабилизирующими патрубками, соединенные с ними расходными трубопроводами и снабженные системой разогрева с камерами сгорания, выхлопным трактом и запорными устройствами с дистанционным управлением, выхлопные тракты систем разогрева совмещены с трубопроводами подвода основных компонентов рабочего тела на участках между входами в теплообменники и запорными устройствами и снабжены системами охлаждения, содержащими источник хладагента, трубопровод с отсечным клапаном и распылительным устройством и блок автоматики с датчиком температуры, усилителем-преобразователем, снабженным сигнализатором минимальной и максимальной рабочей температуры, причем сигнализатор минимальной температуры функционально связан с цепью включения отсечного клапана через систему управления, а сигнализатор максимальной температуры функционально связан с цепями выключения отсечного клапана системы охлаждения, камер сгорания системы разогрева и цепью закрытия запорного устройства системы разогрева через систему управления, при этом в цепь закрытия запорного устройства введено реле времени.

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

Газодинамический лазер содержит систему управления 1, газодинамический тракт 2 для прокачки рабочего тела, источники основных расходуемых компонентов рабочего тела - окислителя 3 (воздуха), балластного компонента 4 (азота), источник горючего 5, дистанционно управляемые запорные устройства (например, отсечные клапаны) окислителя 6, балластного компонента 7, горючего 8.

Газодинамический тракт содержит входные сверхзвуковые стабилизирующие патрубки окислителя 9, балластного компонента 10, основной газогенератор 11, ресивер 12, цилиндрический блок сопел 13, рабочую часть 14 с резонаторными зеркалами 15, 16 и выхлопной коллектор 17.

Основной газогенератор 11 состоит из камеры сгорания 18 и форсуночного блока 19, выполненного в виде соосной с камерой сгорания трубы 20, к которой с помощью трубопровода 21 пристыкованы трубопроводы основных расходуемых компонентов: окислителя 22 и балластного компонента 23. Трубопровод горючего 24 снабжен выходным стабилизирующим патрубком 25, расположенным на его конце соосно трубопроводу балластного компонента 23.

Источники окислителя 3 и балластного компонента 4 соединены со стабилизирующими патрубками 9, 10 через расходные трубопроводы окислителя 26, балластного компонента 27 и регенеративные теплообменники окислителя 28 и балластного компонента 29.

Теплообменники снабжены индивидуальными системами разогрева 30, 31, содержащими камеры сгорания 32, выхлопные тракты 33, 34 и запорные устройства 35, 36 с дистанционным управлением.

Камеры сгорания 32 систем разогрева соединены через отсечные клапаны 37, 38 и трубопроводы 39, 40 с источником вспомогательного горючего 41 (например, природного газа). Для подачи окислителя (воздуха) к камерам 32 системы разогрева 30, 31 снабжены турбовоздуходувными машинами 42, 43, трубопроводами 44, 45 и отсечными клапанами 46, 47, размещенными в верхних частях корпусов теплообменников 28, 29.

Выхлопные тракты 33, 34 систем разогрева 30, 31 совмещены с расходными трубопроводами окислителя 26 и балластного компонента 27 на участках между входами в теплообменники 28, 29 и запорными устройствами 35, 36 и снабжены системами охлаждения 48, 49, содержащими источник хладагента (воды) 50, трубопроводы 51, 52 с отсечными клапанами 53, 54, распылительные устройства (форсунки) 55, 56 и блоки автоматики 57, 58 с датчиками температуры 59, 60 и усилителями-преобразователями 61, 62, снабженными сигнализаторами минимальной 63, 64 и максимальной температуры 65, 66. Сигнализаторы минимальной температуры 63, 64 функционально связаны с цепями включения 67, 68 отсечных клапанов 53, 54 систем охлаждения через систему управления 1, а сигнализаторы максимальной температуры функционально связаны с цепями выключения 69, 70 отсечных клапанов 53, 54 системы охлаждения, а также с цепями выключения 71, 72 отсечных клапанов 37, 38 (т.е. с цепями выключения камер сгорания 32 систем разогрева 30, 31) и цепями закрытия 73, 74 (включения) запорных устройств 35, 36 выхлопных трактов 33, 34 систем разогрева 30, 31, при этом в цепи закрытия 73, 74 введены реле времени 75, 76.

На выходе теплообменников 28, 29 установлены отсечные клапаны 77, 78, а на выходе камер сгорания 32 - выравнивающие решетки 79 и гребенки термопар 80, 81, а внутри теплообменников 28, 29 размещена теплоаккумулирующая насадка 82.

Трубопроводы сброса продуктов сгорания после запорных устройств 35, 36 и стандартная автоматика безопасности и арматура для работы с природным газом не показаны, чтобы не загромождать чертеж.

К основному газогенератору 11 подключен вспомогательный газогенератор 83 с камерой сгорания 84, форсуночным блоком 85, состыкованным с трубопроводами 86 и 87 окислителя и горючего соответственно, а также стабилизирующими патрубками 88, установленными в коллекторе 89 балластного компонента. Трубопровод окислителя 86 снабжен сверхзвуковым стабилизирующим патрубком 90 и подсоединен к регенеративному теплообменнику 28 окислителя, а коллектор 89 балластного компонента подсоединен к регенеративному теплообменнику 29 балластного компонента трубопроводом 9 со сверхзвуковым стабилизирующим патрубком 92.

Вспомогательный газогенератор снабжен поджигающими устройствами 93 - малоразмерными камерами сгорания, соединенными трубопроводами 94, 95 со стабилизирующими патрубками 96, 97 с источниками поджигающего горючего 98 и окислителя 3. Отсечные клапаны вспомогательного газогенератора и поджигающих устройств, а также цепи управления ими и датчики не показаны на чертеже, чтобы не загромождать; по этой же причине показано подключение к источникам горючего и окислителя лишь одного из поджигающих устройств 93.

Газодинамический лазер работает следующим образом. Сначала система управления выдает команду на разогрев регенеративных теплообменников.

При этом закрываются клапаны 77, 78, открываются запорные устройства 35, 36, отсечные клапаны 46, 47 и включаются турбовоздуходувные машины 42, 43. После выхода машин 42, 43 на номинальный режим и продувки воздухом теплообменников 28, 29 включается зажигание и открываются отсечные клапаны 37, 38 подачи природного газа от источника 41 в трубопроводы 39, 40.

После воспламенения смеси природного газа с воздухом в камерах сгорания 32 начинается прогрев насадки 82. Контроль параметров продуктов сгорания и работоспособность всех камер сгорания 32 осуществляется с помощью гребенок термопар 80, 81. При необходимости осуществляется коррекция режимов подачи природного газа.

Разогрев насадки 82 происходит по типу "тепловой волны": сначала прогреваются ближайшие к камерам 32 слои насадки, а затем по мере прогрева тепловая волна распространяется к выхлопному тракту 33, 34. Продукты сгорания проходят через запорные устройства 35, 36 и выбрасываются в атмосферу.

Температура продуктов сгорания в выхлопном тракте постоянно контролируется блоками автоматики 57, 58: сигналы с датчиков температуры 59, 60 поступают на входы усилителей-преобразователей 61, 62. По достижении минимальной заданной температуры (в качестве которой может быть взята, например, температура кипения хладагента) сигнализаторы 63, 64 через систему управления 1 подают команды на цепи включения 67, 68 отсечных клапанов 53, 54 систем охлаждения 48, 49.

При открытии клапанов 53, 54 хладагент (вода) из источника 50 (бака с насосом или с системой наддува) по трубопроводам 51, 52 подается к форсункам 55, 56 и распыляется с их помощью в потоке продуктов сгорания. Испарение хладагента обеспечивает охлаждение продуктов сгорания и тем самым защищает от перегрева выхлопные тракты 33, 34 и запорные устройства 35, 36.

По мере прогрева насадки температура продуктов сгорания на выходе из нее продолжает нарастать, и по достижении заданной максимальной температуры сигнализаторы максимальной температуры 65, 66 через систему управления 1 подают команды на цепи выключения 69, 70 отсечных клапанов 53, 54 системы охлаждения, на цепи выключения 71, 72 отсечных клапанов 37, 38 систем разогрева 30, 31 и через реле времени 75, 76 на цепи включения (закрытия) 73, 74 запорных устройств 35, 36 выхлопных трактов 33, 34. При этом прекращается подача природного газа к камерам сгорания 32, впрыск хладагента, и производится выдувание остатков продуктов сгорания и паров хладагента из теплообменников 28, 29 и выхлопных трактов 33, 34. По истечении интервалов времени, заданных реле времени 75, 76, система управления 1 выдает команды на закрытие запорных устройств 35, 36 систем разогрева 30, 31. После закрытия запорных устройств 35, 36 теплообменники готовы к проведению запуска лазера. Воздуходувные машины 42, 43 останавливаются, а клапаны 77, 78 открываются. Отметим, что при разогреве теплообменников отсечные клапаны окислителя 6, балластного компонента 7 и горючего 8 закрыты.

По завершении разогрева теплообменников система управления выдает команды на подачу окислителя и горючего к поджигающим устройствам 93 и включает зажигание (электрические свечи или иные устройства).

После срабатывания поджигающих устройств система управления дает команду на открытие отсечных клапанов 6 и 7 для подачи рабочих компонентов к регенеративным теплообменникам 28, 29.

При течении через насадку 82 теплообменников 28, 29 окислитель (воздух) и балластный компонент (азот) прогреваются и по трубопроводам 22, 23, 86, 91 подаются в основной 11 и вспомогательный 83 газогенераторы.

По достижении заданных давлений на выходе регенеративных теплообменников система управления включает подачу горючего во вспомогательный газогенератор. Горючее из источника 5 по трубопроводу 87 поступает в форсуночный блок 85 и перемешивается с окислителем (подогретым воздухом), подаваемым по трубопроводу 86. Образовавшаяся топливная смесь воспламеняется дежурными факелами, создаваемыми поджигающими устройствами 93. Продукты сгорания смешиваются на выходе газогенератора 83 с балластным газом (азотом), подаваемым к стабилизирующим патрубкам 88 по трубопроводу 91 со стабилизирующим патрубком 92 и далее через коллектор 89.

После выхода вспомогательного газогенератора на рабочий режим система управления вырабатывает команду на открытие отсечного клапана 8, и горючее из источника 5 поступает по трубопроводу 24 к выходному стабилизирующему патрубку 25, смешивается с подогретым азотом в процессе течения по трубопроводу 23, а затем к образовавшейся смеси добавляется подогретый воздух, подаваемый по трубопроводу 22. Компоненты рабочего тела перемешиваются при течении по трубопроводам 21 и 20, образуя топливную смесь, которая истекает в камеру сгорания 18 основного газогенератора 11. В камере сгорания 18 топливная смесь закручивается потоками сгоревшего газа, создаваемыми вспомогательным газогенератором 83, и, сгорая, поступает в ресивер 12 газодинамического тракта, откуда направляется с помощью цилиндрического соплового блока 13 в рабочую часть 14. Резонатор, образованный зеркалами 15, 16, обеспечивает съем лазерного излучения. Отработанный поток выбрасывается в выхлопной коллектор 17.

В сравнении с прототипом, благодаря совмещению выхлопных трактов 33, 34 систем разогрева с трубопроводами подвода 26, 27 основных компонентов рабочего тела на участках между входами в теплообменники 28, 29 и запорными устройствами 35, 36 позволяет упростить конструкцию лазера в целом, так как сводится к минимуму количества вводов в корпус теплообменника и количество запорных устройств индивидуального изготовления. Упрощение конструкции приведет к повышению эксплуатационной надежности. Кроме этого будет обеспечена подача холодных газов при проведении пуска от менее разогретых частей насадки к более разогретым, что позволит улучшить КПД теплообменника.

Использование же систем охлаждения 48, 49 с блоками автоматики 57, 58 позволит осуществить не только надежную защиту выхлопных трактов 33, 34 и запорных устройств 35, 36, но обеспечит разогрев насадки до требуемой температуры (что достигается за счет применения сигнализаторов минимальной 63, 64 и максимальной 65, 66 температуры и их функциональной связью с системами охлаждения 48, 49 и системами разогрева 30, 31 через систему управления 1) и повысит стабильность выходных параметров за счет повышения стабильности температуры разогрева насадки теплообменников.

Введение реле времени 75, 76 в цепи включения 73, 74 запорных устройств 35, 36 позволяет обеспечить удаление паров хладагента и продуктов сгорания из теплообменников, что будет способствовать повышению чистоты нагреваемых компонентов рабочего тела и благодаря этому - надежности лазера.

Таким образом, использование заявляемого изобретения позволит повысить стабильность выходных параметров и эксплуатационную надежность лазера.

Газодинамический лазер содержит систему управления, газодинамический тракт для прокачки рабочего тела с входными стабилизирующими патрубками и источники компонентов рабочего тела с дистанционно управляемыми запорными устройствами. Также он содержит регенеративные теплообменники, расположенные между источниками основных компонентов рабочего тела и стабилизирующими патрубками, соединенные с ними расходными трубопроводами и снабженные системами разогрева с камерами сгорания, выхлопными трактами и запорными устройствами с дистанционным управлением. Выхлопные тракты систем разогрева совмещены с трубопроводами подвода основных компонентов рабочего тела на участках между входами в теплообменники и запорными устройствами и снабжены системами охлаждения, содержащими источник хладагента, трубопровод с отсечным клапаном и распылительным устройством и блок автоматики с датчиком температуры, усилителем-преобразователем, снабженным сигнализаторами минимальной и максимальной рабочей температуры. Причем первый функционально связан с цепью включения отсечного клапана системы охлаждения через систему управления, а последний - с цепями включения отсечного клапана системы охлаждения, камер сгорания системы разогрева и цепью закрытия запорного устройства системы разогрева через систему управления. В цепь закрытия запорного устройства введено реле времени. Технический результат - повышение стабильности выходных параметров и эксплуатационной надежности. 1 ил.

Газодинамический лазер, содержащий систему управления, газодинамический тракт для прокачки рабочего тела с входными стабилизирующими патрубками, источники компонентов рабочего тела с дистанционно управляемыми запорными устройствами, регенеративные теплообменники, расположенные между источниками основных компонентов рабочего тела и стабилизирующими патрубками, соединенные с ними расходными трубопроводами и снабженные системами разогрева с камерами сгорания, выхлопными трактами и запорными устройствами с дистанционным управлением, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности выходных параметров и эксплуатационной надежности, выхлопные тракты систем разогрева совмещены с трубопроводами подвода основных компонентов рабочего тела на участках между входами в теплообменники и запорными устройствами и снабжены системами охлаждения, содержащими источник хладагента, трубопровод с отсечным клапаном и распылительным устройством и блок автоматики с датчиком температуры, усилителем-преобразователем, снабженным сигнализаторами минимальной и максимальной рабочей температуры, причем первый функционально связан с цепью включения отсечного клапана системы охлаждения через систему управления, а последний - с цепями включения отсечного клапана системы охлаждения, камер сгорания системы разогрева и цепью закрытия запорного устройства системы разогрева через систему управления, при этом в цепь закрытия запорного устройства введено реле времени.