Способ запуска газодинамического лазера

 

Изобретение относится к квантовой электронике и предназначено для использования при эксплуатации мощной газодинамической лазерной установки, работающей на продуктах сгорания. Сущность: для запуска газодинамического лазера в газогенератор подают компоненты рабочего тела, в том числе горючее, окислитель и балластный компонент. Окислитель и балластный компонент предварительно нагревают в регенеративных теплообменниках. После перемешивания смесь компонентов воспламеняют. Продукты сгорания прокачивают через газодинамический тракт, в котором при помощи резонатора преобразуют часть тепловой энергии рабочего тела в энергию лазерного излучения. Использованное рабочее тело выбрасывают в атмосферу и прекращают подачу компонентов. При этом подачу компонентов и прокачку продуктов сгорания осуществляют в течение времени, которое превышает время заполнения газодинамического тракта. Расход и время подачи рабочего тела устанавливают такими, чтобы выполнялось соотношение V^1/3·δρ/ρ>10 (в метрах), где V - объем использованного рабочего тела, δρ - разность плотностей атмосферы и выброшенного рабочего тела, ρ - плотность атмосферы. После прекращения подачи горючего прокачивают балластный компонент и окислитель в течение времени, превышающего время заполнения газодинамического тракта. Технический результат: улучшение экологической чистоты окружающей атмосферы. 4 ил.

Изобретение относятся к квантовой электронике и предназначено для использования при эксплуатации мощной газодинамической лазерной установки, работающей на продуктах сгорания.

В настоящее время газовые лазеры на продуктах сгорания широко используют 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 подают в газогенератор компоненты рабочего тела, в том числе горючее (газообразный оксид углерода СО или жидкий толуол С₇Н₈), и окислитель (воздух), воспламеняют горючую смесь, а продукты сгорания смешивают с балластным компонентом (азотом), что позволяет получить температуру торможения Т₀≤1500 K при составе продуктов сгорания (мольные доли) остальное - азот. Продукты сгорания прокачивают через газодинамический тракт, в котором производят преобразование тепловой энергии рабочего тела в энергию лазерного излучения, а использованное рабочее тело в установках высокой мощности выбрасывают в атмосферу. Для прекращения запуска прекращают подачу компонентов рабочего тела.

Однако состав рабочего тела при использовании известного способа не оптимален (в продуктах сгорания велика доля углекислого газа и воды), вследствие чего удельный энергосъем не 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 также способ запуска газодинамического лазера, включающий подачу компонентов рабочего тела, в том числе горючего, окислителя и балластного компонента с предварительным нагревом окислителя и балластного компонента в регенеративных теплообменниках в газогенератор, воспламенение горючей смеси, прокачку продуктов сгорания через газодинамический тракт, выброс использованного рабочего тела в атмосферу и прекращение подачи компонентов рабочего тела (авт. св. СССР №1839953, МКИ H 01 S 3/22, прототип).

Известный способ позволяет повысить удельный энергосъем за счет оптимизации состава рабочего тела, но ему присущ и существенный недостаток: он не является экологически чистым, так как компоненты рабочего тела, применяемые в качестве горючего для газодинамических лазеров - окись углерода, керосин, толуол, бензол, - не только сами являются высокотоксичными веществами, но в продуктах их сгорания также содержатся высокотоксичные вещества - окислы азота, сажа и т.д., кроме того, сгорание никогда не бывает абсолютно полным и поэтому в выбрасываемом рабочем теле присутствует горючее. Облако выброшенных из установки газов может иметь значительные размеры ˜10² м, повышенную температуру ≈500-700 К и быть лишенным кислорода, что усугубляет опасность для среды обитания.

Целью настоящего изобретения является обеспечение экологической чистоты.

Поставленная цель достигается тем, что в способе запуска газодинамического лазера, включающем подачу компонентов рабочего тела, в том числе горючего, окислителя и балластного компонента с предварительным нагревом окислителя и балластного компонента в регенеративных теплообменниках в газогенератор, воспламенение горючей смеси, прокачку продуктов сгорания через газодинамический тракт, выброс использованного рабочего тела в атмосферу и прекращение подачи компонентов рабочего тела, подачу компонентов рабочего тела и прокачку продуктов сгорания осуществляют в течение времени, превышающего время заполнения газодинамического тракта, а расход и время подачи компонентов задают из условия V^1/3 δρ/ρ>10 м, где V - объем использованного рабочего тела, выброшенный в атмосферу,

δρ - разность плотностей атмосферы и выброшенного рабочего тела,

ρ - плотность атмосферы,

причем после прекращения подачи горючего подачу и прокачку балластного компонента и окислителя продолжают в течение времени, превышающего время заполнения газодинамического тракта.

Сущность предложенного способа поясняется чертежом, где на фиг.1 изображена схема газодинамического лазера, предназначенного для использования заявляемого способа, на фиг.2 приведена зависимость высоты подъема облака выброшенного в атмосферу рабочего тела, размера облака и характерной вертикальной скорости подъема облака от параметра V^1/3 δρ/ρ, на фиг.3 - распределение относительной концентрации вредной примеси по сечению облака, а на фиг.4 - зависимость максимальной концентрации примеси в облаке от параметра V^1/3 δρ/ρ.

Газодинамический лазер содержит регенеративные теплообменники окислителя (воздуха) 1 и балластного компонента (азота) 2, газогенератор 3 с камерой сгорания 4 и форсуночным блоком 5, поджигающие устройства 6 и газодинамический тракт 7 для прокачки рабочего тела.

Форсуночный блок выполнен в виде соосной с камерой сгорания трубы 8, к которой пристыкованы трубопроводы всех компонентов рабочего тела: горючего 9, окислителя 10, балластного компонента 11, со стабилизирующими патрубками горючего 12, окислителя 13 и балластного компонента 14.

Газодинамический тракт 7 образован ресивером 15, цилиндрическим блоком сопел 16, рабочей частью 17 с резонаторными зеркалами 18, 19, выхлопным коллектором 20, холодильником 21 и выхлопной шахтой 22 с шумоглушащей насадкой 23.

Конструкция поджигающего устройства, датчики и приборы системы управления и контроля параметров лазера, а также запорно-регулирующая арматура и источники компонентов рабочего тела не показаны на фиг.1, чтобы не загромождать чертеж.

Запуск газодинамического лазера осуществляют следующим образом. Компоненты рабочего тела подают в газогенератор 3, при этом окислитель и балластный компонент прокачивают через теплообменники 1, 2, обеспечивая их нагрев до температуры от 600 до 800 К. Нагретые окислитель и балластный компонент через трубопроводы 10, 11 и стабилизирующие патрубки 13, 14, горючее - через трубопровод 9 и патрубок 12 подают в трубу 8, в которой производят их перемешивание. Затем горючую смесь подают в камеру 4, воспламеняют при помощи поджигающих устройств 6, а продукты сгорания прокачивают через газодинамический тракт 7, в котором при помощи резонатора, образованного зеркалами 18, 19 преобразуют часть тепловой энергии рабочего тела в энергию лазерного излучения.

Использованное рабочее тело выбрасывают в атмосферу через выхлопной коллектор 20, холодильник 21 и шахту 22 с шумоглушащей насадкой 23. Подачу всех компонентов рабочего тела и прокачку продуктов сгорания через газодинамический тракт осуществляют в течение времени, превышающего время заполнения газодинамического тракта, причем расход и время подачи компонентов задают из условия V^1/3 δρ/ρ>10 м, где V - объем использованного рабочего тела, выброшенный в атмосферу, δρ - разность плотностей атмосферы (ρ) и выброшенного рабочего тела.

Для прекращения запуска лазера по истечении заданного времени прекращают подачу горючего, но подачу и прокачку балластного компонента и окислителя продолжают в течение времени, превышающего время заполнения газодинамического тракта.

При кратковременном высокотемпературном выбросе, характерном для газодинамического лазера (температура использованного рабочего тела на срезе шахты от 500 до 1500 K, продолжительность выброса не превышает несколько десятков секунд), образуется нагретое изолированное облако, которое поднимается в атмосферу за счет сил плавучести (Архимедовых сил). В процессе подъема за счет крупномасштабной турбулентности, свойственной такому облаку, происходит быстрое присоединение (вовлечение) к облаку массы окружающего воздуха, сопровождающееся торможением облака, увеличением его размеров с одновременным падением избыточной температуры и концентрации токсичных примесей. Торможение облака происходит не только за счет присоединения массы, но и под действием силы сопротивления, возникающей при движении облака относительно окружающей атмосферы. Характерная высота подъема определяется как высота, на которой средняя плотность газа внутри облака сравнивается с плотностью окружающей атмосферы с точностью до флуктуационных колебаний плотности.

В результате анализа проведенных авторами детальных расчетов подъема и рассеивания облака в атмосфере для различных ее состояний и параметров облака был выявлен определяющий критерий V^1/3 δρ/ρ (см. выше), по которому можно определить, в частности, высоту подъема облака Н, его размер (радиус) R и характерную вертикальную скорость подъема U. Эти результаты представлены на фиг.2. Кривые А, Б, В - зависимость соответственно Н, R и U от параметра V^1/3 δρ/ρ.

Типовое отнормированное распределение концентрации токсичной примеси по сечению облака показано на фиг.3 (кривая Г). Здесь х/R - расстояние х от центра облака до точки, в которой определена концентрация, отнесенное к R - радиусу облака - расстоянию от центра облака до зоны, где концентрация токсичной примеси падает вдвое по сравнению с концентрацией в центре.

На фиг.4 приведена кривая Д - зависимость максимальной концентрации токсичной примеси (в центре облака) С от параметра V^1/3 δρ/ρ для наихудших атмосферных условий (инверсия). Рекомендуемая область параметров выделена на оси абсцисс и отмечена штриховкой. Отметим, что результат на фиг.4 получен для горючего толуола и начального подогрева балластного компонента и окислителя до 800 К в предположении полноты сгорания, равной 0,95 (полученной экспериментально для модельной камеры сгорания с расходом ˜3% от расхода полноразмерной камеры сгорания), и температуры продуктов сгорания 1500 K. Для натурной камеры сгорания полнота сгорания будет выше из-за большего времени пребывания горючей смеси в зоне горения.

Величина максимально разовой предельно допустимой концентрации (ПДК_мр), утвержденной Минздравом СССР (0,6 мг/м³), отмечена пунктиром на фиг.4.

Из представленных результатов видно, что существует резко выраженная (пороговая) зависимость С от определяющего параметра V^1/3 δρ/ρ, что объясняется сильной зависимостью размера облака R от определяющего параметра (зависимость близка к линейной), а концентрация С при заданной массе выброса обратно пропорциональна кубу характерного размера.

Для конкретной полноразмерной газодинамической лазерной установки требуемой величины параметра V^1/3 δρ/ρ можно добиться либо увеличением расхода, либо увеличением начального подогрева балластного компонента и окислителя, либо увеличением продолжительности испытания (при использовании холодильника теплоаккумуляционного типа, что позволяет увеличить температуру рабочего тела на выходе и тем самым увеличить не только V, но и δρ).

Требование производить прокачку продуктов сгорания в течение времени, превышающего время заполнения газодинамического тракта, обеспечивает выход облака как единого целого из шахты при запуске лазера. В противном случае продукты сгорания останутся в шахте и могут рассеяться в примыкающей к установке зоне, создав аварийную ситуацию, и вызвать недопустимое ухудшение экологической обстановки.

Продолжение прокачки балластного компонента и окислителя после прекращения подачи горючего в течение времени, превышающего время заполнения газодинамического тракта, обеспечивает выброс всех продуктов сгорания в атмосферу в виде единого облака. В противном случае, как отмечено выше, также произойдет ухудшение экологической обстановки.

Таким образом, использование заявляемого способа позволит обеспечить экологическую чистоту мощной газодинамической лазерной установки, работающей с выбросом продуктов сгорания в атмосферу.

Формула изобретения

Способ запуска газодинамического лазера, включающий подачу в газогенератор компонентов рабочего тела, в том числе горючего, окислителя и балластного компонента с предварительным нагревом окислителя и балластного компонента в регенеративных теплообменниках, воспламенение смеси компонентов, прокачку продуктов сгорания через газодинамический тракт, выброс использованного рабочего тела в атмосферу и прекращение подачи компонентов рабочего тела, отличающийся тем, что, с целью улучшения экологической чистоты окружающей атмосферы, подачу компонентов рабочего тела и прокачку продуктов сгорания осуществляют в течение времени, превышающего время заполнения газодинамического тракта, при этом расход и время подачи компонентов рабочего тела устанавливают такими, чтобы выполнялось соотношение

V^1/3 δρ/ρ>10, м,

где V - объем использованного рабочего тела;

δρ - разность плотностей атмосферы и выброшенного рабочего тела;

ρ - плотность атмосферы,

а после прекращения подачи горючего осуществляют прокачку балластного компонента и окислителя в течение времени, превышающего время заполнения газодинамического тракта.

РИСУНКИ