Способ запуска газодинамического лазера и устройство для его реализации

 

Изобретение относится к квантовой электронике и предназначено для создания мощной лазерной установки, работающей на продуктах сгорания. Сущность: для осуществления запуска лазера компоненты рабочего тела подают в газогенератор, смешивают части компонентов топлива и сжигают их во вспомогательном газогенераторе с последующим подмешиванием части расхода балластного компонента на выходе вспомогательного газогенератора. Затем осуществляют смешение оставшейся основной части расхода всех компонентов рабочего тела при подаче в основной газогенератор. Продукты сгорания из вспомогательного газогенератора смешивают с основной частью расхода всех компонентов рабочего тела и воспламеняют горючую смесь. При этом после воспламенения горючей смеси прекращают подачу горючего во вспомогательный газогенератор с задержкой по времени, превышающей время установления рабочего режима в газодинамическом лазере. Лазер содержит основной и вспомогательный газогенераторы, источники компонентов рабочего тела и систему управления с блоком автоматики подачи вспомогательного и основного горючего. Блоки автоматики снабжены отсечными клапанами с цепями включения и выключения и датчиками давления, установленными на вспомогательном и основном газогенераторах и связанными с цепями включения и выключения отсечных клапанов через систему управления. Кроме того, в состав системы управления введен блок программного отключения подачи вспомогательного горючего, включающий регулируемое устройство задержки времени с цепью включения и выходом. При этом цепь включения устройства задержки времени связана с датчиком давления, установленным на основном газогенераторе, через сигнализатор давления. Выход устройства задержки времени подключен к цепи подключения отсечного клапана подачи горючего к вспомогательному газогенератору. Цепь включения устройства задержки времени сблокирована с цепью включения отсечного клапана подачи горючего к основному газогенератору. Технический результат: повышение удельного энергосъема. 2 н.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при эксплуатации мощного газодинамического лазера, работающего 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, для запуска которого компоненты рабочего тела подают в газогенератор, смешивают компоненты топлива и сжигают их в камере сгорания газогенератора, а продукты сгорания разбавляют (балластируют) азотом, что позволяет получить температуру торможения Т₀≤1500 К при составе продуктов сгорания (мольные доли): остальное - азот.

Однако состав рабочего тела при использовании горения окиси углерода или иного широко распространенного горючего не оптимален (в продуктах сгорания велика доля углекислого газа и/или 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 большой мощности, включающий подачу компонентов рабочего тела в газогенератор с предварительным нагревом балластного компонента и окислителя в регенеративных теплообменниках, смешение части компонентов топлива и их сжигание во вспомогательном газогенераторе с последующим подмешиванием части расхода балластного компонента на выходе вспомогательного газогенератора, смешение оставшейся основной части расхода всех компонентов рабочего тела при подаче в основной газогенератор, смешение продуктов сгорания из вспомогательного газогенератора с основной частью расхода всех компонентов рабочего тела и воспламенение горючей смеси (авт. св. СССР №1839953, МКИ Н 01 S 3/22, 2006, прототип).

Известный способ позволяет наряду с увеличением удельного энергосъема (за счет уменьшения доли углекислого газа и воды в продуктах сгорания) повысить надежность при эксплуатации лазера. Однако ему присущ один крупный недостаток. Из-за большого суммарного расхода рабочей смеси газов возникают специфические требования к экологической чистоте процесса запуска лазера с выхлопом использованного рабочего тела в атмосферу. Поэтому в качестве горючего, подаваемого во вспомогательный газогенератор, используют экологически чистое горючее, например этанол. Однако этанол при сжигании дает большое количество воды в продуктах сгорания, что ухудшает суммарный состав рабочего тела и в итоге приводит к снижению удельного энергосъема.

Целью настоящего изобретения является повышение удельного энергосъема.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе запуска газодинамического лазера, включающем подачу компонентов рабочего тела в газогенератор, смешение части компонентов топлива и их сжигание во вспомогательном газогенераторе с последующим подмешиванием части расхода балластного компонента на выходе вспомогательного газогенератора, смешение оставшейся основной части расхода всех компонентов рабочего тела при подаче в основной газогенератор, смешение продуктов сгорания из вспомогательного газогенератора с основной частью расхода всех компонентов рабочего тела и воспламенение горючей смеси, после воспламенения горючей смеси прекращают подачу горючего во вспомогательный газогенератор с задержкой по времени, превышающей время установления рабочего режима в газодинамическом лазере.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 схематически показана проточная часть газодинамического лазера для реализации заявляемого способа, на фиг.2 представлена зависимость максимального удельного энергосъема W/G_max от состава рабочего тела, на фиг.3 - зависимость W/G_max от давления торможения, на фиг.4 - зависимость W/G_max от мощности акустических колебаний давления в ресивере газодинамического лазера, фиг.5 дает зависимость по времени мольной доли примесей (воды и углекислого газа и ) в продуктах сгорания в процессе запуска газодинамического лазера, фиг.6 - зависимость отношения от времени при запуске, фиг.7 - изменение W/G _max по времени при запуске лазера, а на фиг.8 приведен в продольном разрезе общий вид газодинамического лазера, предназначенного для осуществления описанного способа.

Запуск газодинамического лазера осуществляют следующим образом (см. фиг.1). Основные компоненты рабочего тела, окислитель А и балластный компонент Б подают во вспомогательные 1 и основной 2 газогенераторы, причем расход через основной газогенератор задают примерно в 5 раз больше расхода через вспомогательные газогенераторы. Для повышения эффективности преобразования тепловой энергии в энергию лазерного излучения окислитель и балластный компонент предварительно подогревают до 600-800 К. После установления стационарных значений расходов окислителя и балластного компонента включают подачу вспомогательного горючего В во вспомогательный газогенератор 1. В качестве вспомогательного горючего из соображений экологической чистоты и безопасности используют этанол или иное экологически частое горючее (например, водород).

Во вспомогательном газогенераторе горючее (этанол) смешивают с окислителем (воздухом) и сжигают. К продуктам сгорания на выходе вспомогательного газогенератора подмешивают балластный компонент (например, азот) с помощью балластировочных патрубков 3.

После установления режима горения во вспомогательном газогенераторе включают подачу основного горючего Г в основной газогенератор 2. При подаче в основной газогенератор 2 перемешивают оставшуюся (основную)часть расхода всех компонентов рабочего тела (А, Б, Г), полученную топливную смесь перемешивают с продуктами сгорания из вспомогательного газогенератора, при этом температуру топливной смеси до смешения с продуктами сгорания выдерживают ниже температуры самовоспламенения, а расход продуктов сгорания из вспомогательного газогенератора задают из условия превышения температуры суммарной смеси над температурой самовоспламенения, что гарантирует полное сгорание топливной смеси.

Продукты сгорания направляют в газодинамический тракт 4, в состав которого входит кольцевой блок сопел 5, образованный набором кольцевых лопаток 6, рабочая часть 7 с резонатором, образованным набором зеркал 8, 9 и диффузор кольцевой схемы 10. После установления рабочего режима в газодинамическом лазере, который контролируют по мощности излучения или какому-либо иному параметру, заданному программой испытания, подачу горючего во вспомогательный газогенератор прекращают.

Горение основного горючего продолжается устойчиво, так как основной газогенератор полноразмерного газодинамического лазера создается с многократным запасом по устойчивости горения. При прекращении подачи горючего во вспомогательный газогенератор, во-первых, улучшается состав рабочего тела, а именно уменьшается относительное содержание воды; во-вторых, снижается давление торможения за счет уменьшения количества сжигаемого горючего; в-третьих, снижается мощность акустических колебаний давления в газогенераторе 2.

Все эти факторы и обеспечивают повышение удельного энергосхема в сравнении с прототипом. Для количественной оценки положительного эффекта рассмотрим данные на фиг.2-7, полученные как расчетом, так и экспериментом.

На фиг.2 представлена зависимость (кривая Д) максимального удельного энергосъема W/G _maxl=0,2 (в кДж/кг) от состава рабочего тела, полученная для протяженности резонатора по потоку l=0,2 м, температуре торможения Т₀=1500 К и величине параметра бинарного подобия Р ₀h*=2·10³ Па·м, где Р₀ - давление торможения, h* - высота критического сечения единичного сопла в блоке. Мольная доля азота остальное - СО₂ и H₂O. Величина отложена до оси абсцисс на фиг.2. соответствует использованию в качестве горючего керосина; соответствует горючему типа бензола (C₆ H₆); - сжиганию окиси углерода СО с примесью этанола.

При использовании в качестве основного горючего толуола (С ₇Н₈), а в качестве вспомогательного горючего этанола (С₂Н₅ОН) отключение подачи вспомогательного горючего приводит к уменьшению с 0,70 до 0,57 и повышению W/G_maxl=0,2 с 16,5 до 17 кДж/кг, т.е. на 3%.

На фиг.3 приведена зависимость W/G_maxl=0,2 при Т₀=1500 К, Z_N2 =0,9, от параметра Р₀h* (кривая Е). Расчет проведен для сопла с числом Маха на выходе М=5. Из представленной зависимости видно, что снижение параметра Р₀h* с 2,15·10 ³ до 2·10³ Па·м при отключении подачи вспомогательного горючего позволяет повысить W/G_max l=0,2 с 16,8 до 17,3 кДж/кг, т.е. на 3%. Физически возможность уменьшения параметра Р₀h* без срыва режима течения в газодинамическом тракте лазера обусловлена хорошо известным явлением гистерезиса диффузора, заключающимся в том, что срыв течения происходит при давлении, меньшем давления запуска примерно на 20%, поэтому снижение давления на 8,5% при прекращении подачи вспомогательного горючего не выйдет за пределы, обусловленные гистерезисом.

Зависимость относительного удельного энергосъема , равного отношению измеренного удельного энергосъема к теоретически возможному удельному энергосъему, от акустической мощности, обусловленной колебаниями давления в ресивере, полученная в экспериментах на различных установках, представлена на фиг.4 (кривая Ж). По оси абсцисс отложена величина акустической мощности N. Так как патрубки 3 вспомогательных газогенераторов 1 обычно выполняются сверхзвуковыми (из условия стабилизации горения независимо от горения в основном газогенераторе), а следовательно, высоконапорными, прекращение подачи вспомогательного горючего приведет к снижению акустической мощности лазера в целом примерно в 3 раза, что эквивалентно увеличению удельного энергосъема по крайней мере на 17%.

Изменение по времени мольной доли примесей воды и углекислого газа в продуктах сгорания в процессе запуска представлено на фиг.5 (кривые З, И соответственно), изменение их соотношения - на фиг.6 (кривая К), а изменение максимального удельного энергосъема W/G_maxl=0,2 - на фиг.7 (кривая Л). Характерные моменты времени на фиг.5-7: М - подача вспомогательного горючего во вспомогательные газогенераторы 1, Н - подача основного горючего в основной газогенератор 2, О - отключение подачи вспомогательного горючего.

Из фиг.7 видно, что благодаря прекращению подачи вспомогательного горючего из-за влияния указанных выше благоприятных факторов следует ожидать повышения удельного энергосъема не менее чем на 24%. Наряду с отмеченными факторами повышению удельного энергосъема будет способствовать и увеличение кпд резонатора вследствие роста коэффициента усиления при уменьшении доли воды в составе рабочего тела.

Ввиду того, что известные технические решения не пригодны для реализации заявляемого способа, рассмотрим один из возможных новых вариантов газодинамического лазера, предназначенный для осуществления предложенного способа (см. фиг.8).

Газодинамический лазер содержит вспомогательный газогенератор 1 и основной газогенератор 2, соединенные между собой патрубками 3, газодинамический тракт 4 для прокачки рабочего тела с кольцевым блоком сопел 5, образованным набором лопаток 6, с рабочей частью 7, снабженной резонатором, образованным набором зеркал 8, 9 и с диффузором кольцевой схемы 10.

Лазер содержит также источники компонентов рабочего тела: окислителя (воздуха) 11, балластного компонента (азота) 12, вспомогательного горючего (этанола) 13 к основного горючего (например, толуола) 14.

Основной газогенератор 2 состоит из камеры сгорания 15 и форсуночного блока 16, выполненного в виде соосной с камерой сгорания трубы 17, к которой пристыкованы трубопроводы основных компонентов рабочего тела: окислителя 18, балластного компонента 19, основного горючего 20 со стабилизирующими патрубками (сверхзвуковыми расходомерными соплами Вентури или форсунками) окислителя 21, балластного компонента 22 и основного горючего 23.

Вспомогательный газогенератор 1 содержит камеру сгорания 24, форсуночный блок 25, состыкованный с трубопроводами 26 и 27 окислителя и вспомогательного горючего соответственно, а также патрубки 3, установленные в коллекторе балластного компонента 28. Трубопровод окислителя 26 снабжен сверхзвуковым стабилизирующим патрубком 29 (сверхзвуковым расходомерным соплом Вентури) и подсоединен к регенеративному теплообменнику окислителя 30, а коллектор балластного компонента 28 подсоединен к регенеративному теплообменнику 31 балластного компонента трубопроводом 32 со сверхзвуковым стабилизирующим патрубком 33.

Газодинамический лазер снабжен также системой управления 34, в состав которой входят блоки автоматики подачи вспомогательного горючего 35 и основного горючего 36, содержащие отсечные клапаны 37, 38, установленные на трубопроводах вспомогательного горючего 27 и основного горючего 20 соответственно, датчики давления 39, 40, установленные на вспомогательном 1 и основном 2 газогенераторах, связанные с цепями включения 41, 42 и выключения 43, 44 отсечных клапанов 37, 38 соответственно через систему управления 34.

В состав системы управления входит также блок программного отключения 45 подачи вспомогательного горючего, содержащий регулируемое устройство 46 задержки времени с цепью включения 47 и выходом 48.

Цепь включения 47 устройства задержки времени 46 связана с датчиком давления 40, установленным на основном газогенераторе 2, через сигнализатор давления 49, а выход 48 устройства задержки времени 46 подключен к цепи выключения 43 отсечного клапана 37 подачи горючего к вспомогательному газогенератору 1. Цепь включения 47 устройства задержки времени 46 сблокирована с цепью включения 42 отсечного клапана 38 подачи горючего к основному газогенератору 2, например, с помощью реле 50.

В состав блока автоматики 35 подачи горючего к вспомогательному газогенератору 1 входят также датчики давления 51, 52, связанные через систему управления с цепью включения 41 отсечного клапана 37.

Вспомогательный газогенератор 1 снабжен поджигающими устройствами 53.

Лазер работает следующим образом. По команде ПУСК включают поджигающие устройства 53 и после их срабатывания начинают заполнение предварительно разогретых регенеративных теплообменников окислителя 30 и балластного компонента 31 из источников 11 и 12. (Некоторые вспомогательные отсечные клапаны, приборы контроля и управления не показаны на фиг.8, чтобы не загромождать чертеж).

При течении через теплообменники 30, 31 окислитель и балластный компонент нагреваются и по трубопроводам 18, 19, 26, 32 подаются в основной 2 и вспомогательный 1 газогенераторы. При достижении требуемого уровня давлений на выходе регенеративных теплообменников датчики 51, 52 вырабатывают разрешающий сигнал в блоке автоматики 35 подачи вспомогательного горючего, после чего включают подачу вспомогательного горючего открытием отсечного клапана 37.

Вспомогательное горючее из источника 13 поступает в форсуночный блок 25 и перемешивается с окислителем (подогретым воздухом), подаваемым по трубопроводу 26. Образовавшаяся топливная смесь воспламеняется поджигающими устройствами 53. Продукты сгорания смешиваются на выходе газогенератора 1 с балластным газом (азотом), подаваемым к патрубкам 3 по трубопроводу 32 и далее через коллектор 28.

По достижении заданного давления в камере сгорания 24 вспомогательного газогенератора 1 датчик давления 39 вырабатывает разрешающий сигнал в блоке автоматики 36 подачи основного горючего, после чего включают подачу основного горючего открытием отсечного клапана 38.

Основное горючее из источника 14 поступает по трубопроводу 20 в форсуночный блок 16, где смешивается на выходе трубы 17 с остальными компонентами, образуя топливную смесь, которая подается в камеру сгорания 15 основного газогенератора 2. В камере сгорания 15 топливная смесь закручивается потоками сгоревшего газа, создаваемыми вспомогательным газогенератором (газогенераторами) 1, и, сгорая, поступает в газодинамический тракт 4. После расширения в блоке сопел 5 рабочее тело поступает в рабочую часть 7. Резонатор, образованный зеркалами 8, 9, обеспечивает съем лазерного излучения. Отработанный поток выбрасывается через диффузор 10.

При открытии отсечного клапана 38 с помощью реле 50 разблокируется цепь включения 47 устройства задержки времени 46.

При достижении рабочего режима по давлению после воспламенения основного горючего датчик давления 40, установленный на основном газогенераторе 2, с помощью сигнализатора давления 49 вырабатывает команду на включение устройства задержки времени 46. Задержку по времени с помощью устройства 46 задают большей, чем время установления рабочего режима в газодинамическом лазере (например, определив это время по измерениям мощности лазерного излучения в отладочных опытах). По истечении времени, заданного устройством 46, закрывают отсечной клапан 37.

Горение в основном газогенераторе продолжается вследствие достаточных запасов по устойчивости, обусловленных его конструкцией. При этом вследствие указанных выше благоприятных факторов: улучшения состава рабочего тела (уменьшения доли воды), снижения акустической мощности, уменьшения давления торможения рабочего тела, повышения коэффициента усиления, происходит увеличение как удельного энергосъема, так и выходной мощности излучения.

Введение в состав системы управления блока программного выключения подачи вспомогательного горючего позволяет свести к достаточному минимуму разрыв по времени между воспламенением топливной смеси в основном газогенераторе и отключением подачи вспомогательного горючего, а применение регулируемого устройства задержки времени позволяет заранее установить необходимое время по результатам отладочных испытаний, что гарантирует выбор оптимального времени запаздывания отключения подачи вспомогательного горючего. Блокирование цепи включения устройства задержки времени цепью включения отсечного клапана подачи горючего к основному газогенератору безусловно необходимо для получения лазерного излучения и предотвращения аварийной ситуации: отключение подачи вспомогательного горючего до начала подачи основного горючего не позволит осуществить сжигание основного горючего, что приведет к невозможности осуществить генерацию лазерного излучения и создаст опасность выброса несгоревшей токсичной смеси в газодинамический тракт, а затем и в окружающую среду.

Таким образом, заявляемый способ запуска газодинамического лазера и устройство для его осуществления позволит повысить удельный энергосъем, увеличение которого, на основании приведенных выше расчетов, составит не менее 24%.

Формула изобретения

1. Способ запуска газодинамического лазера, включающий подачу компонентов рабочего тела в газогенератор, смешение части компонентов топлива и их сжигание во вспомогательном газогенераторе с последующим подмешиванием части расхода балластного компонента на выходе вспомогательного газогенератора, смешение оставшейся основной части расхода всех компонентов рабочего тела при подаче в основной газогенератор, смешение продуктов сгорания из вспомогательного газогенератора с основной частью расхода всех компонентов рабочего тела и воспламенение горючей смеси, отличающийся тем, что, с целью повышения удельного энергосъема, после воспламенения горючей смеси прекращают подачу горючего во вспомогательный газогенератор с задержкой по времени, превышающей время установления рабочего режима в газодинамическом лазере.

2. Газодинамический лазер, содержащий основной и вспомогательный газогенераторы, источники компонентов рабочего тела и систему управления с блоками автоматики подачи вспомогательного и основного горючего, снабженными отсечными клапанами с цепями включения и выключения и датчиками давления, установленными на вспомогательном и основном газогенераторах, связанными с цепями включения и выключения отсечных клапанов через систему управления, отличающийся тем, что в состав системы управления введен блок программного отключения подачи вспомогательного горючего, включающий регулируемое устройство задержки времени с цепью включения и выходом, при этом цепь включения устройства задержки времени связана с датчиком давления, установленным на основном газогенераторе, через сигнализатор давления, а выход устройства задержки времени подключен к цепи выключения отсечного клапана подачи горючего к вспомогательному газогенератору, причем цепь включения устройства задержки времени сблокирована с цепью включения отсечного клапана подачи горючего к основному газогенератору.

РИСУНКИ