Газодинамический лазер

 

Изобретение относится к квантовой электронике и предназначено для создания мощной лазерной установки, работающей на продуктах сгорания. Сущность: лазер содержит газодинамический тракт для прокачки рабочего тела с кольцевым блоком сопел, систему подачи компонентов рабочего тела и систему управления. При этом в качестве блока сопел служит сменное сопло-имитатор, образованное набором по крайней мере из четырех кольцевых обечаек. Обечайки установлены с равновеликими зазорами. Плоскость симметрии каждого зазора перпендикулярна оси блока сопел. Зазоры образованы посредством распорок, установленных между обечайками. Блок сопел снабжен сигнализатором предельного положения, функционально связанным с системой подачи компонентов рабочего тела через систему управления. Технический результат: снижение расходов при отработке лазера. 1 ил.

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

В настоящее время газовые лазеры, работающие на продуктах сгорания, широко используются в качестве источников излучения в непрерывном режиме. Среда 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 или керосина в воздухе с последующим разбавлением (балластированием) азотом, что позволяет получить температуру торможения Т₀≤1500 К при составе продуктов сгорания (мольные доли) остальное - азот. Газодинамический лазер содержит газодинамический тракт для прокачки рабочего тела о блоком сопел, систему подачи компонентов рабочего тела и систему управления, причем блок сопел набирается из пакета плоских единичных сопел малого размера (см., например, Лосев С.А. Газодинамические лазеры. - М.: Наука, 1977).

Как известно, мощность излучения газодинамических лазеров пропорциональна расходу рабочей смеси газов через блок сопел. Современные требования к мощности излучения газодинамических лазеров обуславливают расход газа через них, определяемый сотнями килограммов в секунду. Создание таких газодинамических лазеров потребует сопловых блоков длиной порядка 50-100 м при высоте единичной лопатки сопла ≈0,1 м. Соответствующие размеры будут иметь и все другие элементы лазера. В целом такой газодинамический лазер будет представлять собой сложную многотонную крупногабаритную конструкцию с большим (несколько тысяч) числом единичных сопел.

Более совершенным в конструктивном отношения является газодинамический лазер так называемой кольцевой схемы, содержащий газодинамический тракт для прокачки рабочего тела с кольцевым блоком сопел, установленным на несущем каркасе, систему подачи компонентов рабочего тела и систему управления (авт. св. СССР №1839955, МКИ H 01 S 3/22, 2006, прототип).

Однако известный лазер не свободен от недостатков: для вывода его на проектную мощность необходимо выполнять большой объем экспериментов по отработке важнейших элементов, таких, например, как система подачи компонентов рабочего тела (которая содержит сложный газогенератор с основной камерой сгорания, вспомогательной камерой сгорания и поджигающими устройствами) и газодинамический тракт (который содержит блок сопел, диффузор, выхлопную систему).

Особенностью отладочных испытаний такого мощного лазера является противоречивость требований, предъявляемых к испытаниям разных его элементов: испытания газодинамического тракта можно проводить только с хорошо отлаженным газогенератором, обеспечивающим высокую полноту сгорания и отсутствие пульсаций давления в потоке нагретого рабочего тела, а отладочные испытания газогенератора требуют нахождения режимов со срывом горения, с пульсациями давления и т.д., т.е. таких режимов, которые неприемлемы для блока сопел.

Отладка же полноразмерного газогенератора на специальном стенде потребует больших дополнительных расходов и породит проблемы пересчета полученных результатов на натурный газодинамический тракт изготовленного лазера. Кроме того, наладка газодинамического тракта с кольцевым блоком сопел требует непременно номинального расхода рабочего тела, так как при уменьшенном расходе возможен выход блока из строя вследствие увеличенных тепловых и силовых нагрузок на профилированные сопла при незапущенном газодинамическом тракте.

Стоимость компонентов рабочего тела на программу наладочных испытаний оценивается в десятки тысяч рублей, не меньше стоит и блок сопел, который может быть выведен из строя при неудачном исходе испытания.

Целью настоящего изобретения является снижение расходов при отработке лазера.

Поставленная цель достигается тем, что в газодинамическом лазере, содержащем газодинамический тракт для прокачки рабочего тела с кольцевым блоком сопел, систему подачи компонентов рабочего тела и систему управления, в качестве блока сопел служит сменное сопло-имитатор, образованное набором по крайней мере из четырех кольцевых обечаек, установленных по крайней мере с тремя равновеликими зазорами, причем плоскость симметрии каждого зазора перпендикулярна оси блока сопел, а зазоры образованы посредством распорок, установленных между обечайками, при этом блок сопел снабжен сигнализатором предельного положения, функционально связанным с системой подачи компонентов рабочего тела через систему управления.

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

Лазер содержит газодинамический тракт 1 для прокачки рабочего тела, систему подачи 2 компонентов рабочего тела и систему управления 3.

Газодинамический тракт включает кольцевой блок сопел 4 и диффузор 5, расположенные внутри корпуса 6, и систему выхлопа 7.

В качестве блока сопел 4 служит сменное сопло-имитатор, образованное набором по крайней мере из четырех кольцевых обечаек 8, надетых на обойму (каркас) 9, и отделяющее полость высокого давления (ресивер) А от полости низкого давления Б.

Обойма 9 представляет собой узел, состоящий из сваренных глухого фланца 10, опорного элемента 11, силовых ребер 12 с отверстиями 13 и корпуса 14 с проходным фланцем 15. Корпус 14 снабжен наружным кольцевым приливом 16, соосным с блоком сопел 4, и упором 17 с уплотнением 18.

На глухом фланце 10 смонтировано прижимное устройство 19, состоящее из кольцевого опорного элемента (фланца) 20, зацентрированного на фланце 10 обоймы 9 посредством кольцевой втулки 21, снабженной кольцевым уплотнением 22, и прикрепленного к фланцу 10 с помощью шпилек 23, на которые надеты тарельчатые пружины 24. Тарельчатые пружины поджаты гайками 25 через кольцевые прокладки 26 и зафиксированы контргайками 27. Фланец 10 снабжен кольцевым уплотнением 28 и скобой 29. Кольцевой опорный элемент 20 прижимного устройства примыкает к кольцевому выступу 30 кольца, 31, обращенного к опорному элементу 20. Кольцевой выступ 30 и опорный элемент 20 зацентрированы посредством кольцевой втулки 21 таким образом, что уплотнение 22 находится в контакте с кольцевым выступом 30.

Последняя из обечаек 8 блока сопел 4 примыкает к упору 17. Обечайки 8 установлены по крайней мере с тремя равновеликими зазорами В, причем плоскость симметрии Г каждого зазора перпендикулярна оси Д-Д блока сопел 4. Взаимное расположение обечаек 8 (величина зазоров В) обеспечивается посредством распорок 32, установленных между обечайками 8 и зафиксированными (прижатыми) к обечайкам болтами 33, расположенными с наружной стороны обечаек 8.

Система подачи компонентов рабочего тела содержит источники основных компонентов рабочего тела: горючего 34, окислителя 35, балластного компонента 36, соединенные трубопроводами 37-39 с отсечными клапанами 40-42 с газогенератором 43, пристыкованным к проходному фланцу 15 каркаса 7. Блок сопел 4 снабжен сигнализатором предельного положения 44, например концевым выключателем, установленным между глухим фланцем 10 и кольцевым опорным элементом 20. Сигнализатор предельного положения 44 функционально связан с системой подачи компонентов рабочего тела 2 (цепями выключения 45-47 отсечных клапанов 40-43) через систему управления 3. В полости Б могут быть при необходимости размещены зеркала 48, 49, образующие оптический резонатор 50. Некоторые несущественные детали крепежа блока, сопел и резонатора, а также конструкция системы выхлопа 7 не показаны, чтобы не загромождать чертеж.

Газодинамический лазер работает следующим образом. По команде ПУСК система управления обеспечивает открытие отсечных клапанов 40-42, и горючее, окислитель и балластный компонент из источников 34-36 по трубопроводам 37-39 подаются в газогенератор 43, где происходит сжигание топливной смеси, обеспечивающее получение нагретой рабочей смеси газов СО₂, N₂ и Н₂О.

Рабочий газ поступает в полость высокого давления А и истекает через зазоры В в полость низкого давления Б, а затем через диффузор 5 выбрасывается в систему выхлопа 7.

При подаче нагретого рабочего тела корпус 14 обоймы (каркаса) 9, ребра 12 и кольцевые обечайки 8 нагреваются я удлиняются. Прижимное устройство 19 обеспечивает поджатие обечаек 8 к упору 17. Уплотнение 18 герметизирует стык последней обечайки 8 с упором 17. Уплотнения 22 и 28 обеспечивают герметизацию прижимного устройства 19 от высокотемпературного рабочего газа, находящегося в полости высокого давления А.

Кольцевой опорный элемент 20, примыкающий к кольцевому выступу 30 кольца 31, позволяет создать распределенную силу, пропорциональную давлению в полости А, направленную на сжатие блока сопел 4. При этом распорки 32 гарантируют сохранение ширины зазоров В в процессе огневого испытания. Болты 33 предохраняют распорки 32 от выпадения.

Тарельчатые пружины 24 обеспечивают в совокупности со шпильками 23, прокладками 26, гайками 25 и контргайками 27 предварительное поджатие обечаек 8 до начала рабочего процесса.

Кольцевая втулка 21 обеспечивает центровку опорного элемента 20 при его совместном движении с обечайками 8. При нагреве блока сопел, например, в результате продолжительного испытания или нештатного режима работы газогенератора 43 тепловое удлинение обечаек 8 блока сопел 4 приведет к срабатыванию сигнализатора, предельного положения 44, который выдаст сигнал в систему управления 3 на закрытие отсечных клапанов 40-42 горючего, окислителя и балластного компонента.

По завершении серии экспериментов по отработке газогенератора вместо сопла-имитатора, образованного обечайками 8, устанавливается штатный блок кольцевых сопел, образованных профилированными лопатками (на чертеже не показаны, чтобы не загромождать его), и резонатор 50, что обеспечивает получение лазерного излучения.

В сравнении с прототипом, благодаря использованию сменного сопла-имитатора, обеспечивается возможность отладки газогенератора во всем представляющим практический интерес диапазоне рабочих параметров, не опасаясь режимов со срывом горения, вибрационного горения и т.п., так как, во-первых, обечайки намного дешевле (в 1000 раз), чем штатный блок сопел, во-вторых, испытания с соплом-имитатором могут быть выполнены при уменьшенном давлении (до 30 раз по сравнению со штатным режимом), поскольку большинство из необходимых доводочных испытаний не требует штатного режима по давлению.

Использование набора по крайней мере четырех кольцевых обечаек, установленных по крайней мере с тремя равновеликими зазорами, позволит воспроизвести время пребывания рабочей смеси газов в полости высокого давления блока сопел с точностью по крайней мере не хуже 17%, что вполне приемлемо при отработке системы подачи компонентов рабочего тела, а именно газогенератора. Требование перпендикулярности плоскости симметрии каждого зазора к оси блока сопел обеспечивает отсутствие моментов сил давления, стремящихся повернуть обечайку, что важно для обеспечения свободного скольжения обечайки по силовым ребрам 12 при термическом расширении.

Использование распорок обеспечивает стабильность зазоров, а следовательно, и времени пребывания рабочей смеси газов в полости высокого давления блока сопел.

Благодаря применению сигнализатора предельного положения, функционально связанного с системой подачи компонентов рабочего тела через систему управления, обеспечивается в сравнении с прототипом не только высокая эксплуатационная надежность, но и возможность выполнения нескольких последовательных испытаний в течение рабочей смены, так как можно не опасаться выхода блока сопел из строя вследствие перегрева. Это обстоятельство позволит сократить эксплуатационные расходы при отработке лазера и за счет сокращения сроков отработки.

Формула изобретения

Газодинамический лазер, содержащий газодинамический тракт для прокачки рабочего тела с кольцевым блоком сопел, систему подачи компонентов рабочего тела и систему управления, отличающийся тем, что, с целью снижения расходов при отработке лазера, в качестве блока сопел служит сменное сопло-имитатор, образованное набором по крайней мере из четырех кольцевых обечаек, установленных по крайней мере с тремя равновеликими зазорами, причем плоскость симметрии каждого зазора перпендикулярна оси блока сопел, а зазоры образованы посредством распорок, установленных между обечайками, при этом блок сопел снабжен сигнализатором предельного положения, функционально связанным с системой подачи компонентов рабочего тела через систему управления.

РИСУНКИ