Газовый проточный лазер

 

Изобретение относится к квантовой электронике и предназначено для использования при создании лазерной установки непрерывного действия с активной средой в виде газового потока. Сущность: газовый проточный лазер содержит блок сверхзвуковых сопл и патрубки для подачи рабочей смеси к блоку сверхзвуковых сопл. При этом патрубки выполнены и расположены таким образом, что длина l патрубка, расстояние L от входа патрубка до ближайшего критического сечения сопла и суммарная площадь выходных сечений патрубков F удовлетворяют следующим соотношениям: 1≥D; L≥5D; F≥2,8F_*, где D - калибр патрубка, F_* - суммарная площадь критических сечений блока сверхзвуковых сопл. Технический результат: повышение термической устойчивости камеры сгорания. 6 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике и предназначено для использования при создании лазерной установки непрерывного действия с активной средой в виде газового потока.

В настоящее время газовые проточные лазеры непрерывного действия широко используются в качестве источников мощного излучения в непрерывном режиме. Характерным примером газового проточного лазера является газодинамический лазер на двуокиси углерода, в котором для получения рабочей смеси газов обычно используют горение окиси углерода или толуола в воздухе с последующим разбавлением (балластированием) азотом, что позволяет получить температуру торможения Т_о≤1500K при составе продуктов сгорания (мольные доли): остальное - азот. Рабочую смесь компонентов прокачивают через сверхзвуковой блок сопл, что обеспечивает получение активной среды и генерацию излучения, например, при помощи оптического резонатора (см. С.А.Лосев, Газодинамические лазеры, М., Наука, 1977).

Как показал опыт эксплуатации первых опытных образцов таких лазеров, их параметры существенным образом зависят от стабильности параметров рабочего тела (в особенности от состава рабочей смеси). Так, в частности, при балластировании азотом были выявлены режимы работы, при которых срывался процесс горения, что вообще не позволяло получить необходимого состава рабочей смеси. Поэтому был проведен поиск наиболее рациональных способов приготовления смеси и устройств для его реализации.

Известен газовый проточный лазер (реализованный в варианте газодинамического СО₂-лазера), содержащий сверхзвуковой блок сопл и патрубки для подачи смеси компонентов рабочего тела к блоку сопл, снабженные на входе кольцевыми щелями, соединенными с трактом подвода одного из компонентов рабочего тела.

Испытания устройства, выполненного в соответствии с известным техническим решением, показали, что оно обеспечивает устойчивость горения и теплостойкость патрубков при удовлетворительной равномерности смешения подмешиваемого (балластного) газа с продуктами сгорания. Вместе с тем стабильность параметров рабочего тела в известном лазере недостаточно высока, что не позволяет достичь расчетных значений удельного энергосъема. Так, вследствие пульсаций давления на выходе патрубков потери удельного энергосъема составляют не менее 30% от расчетной величины. Недостаточно равномерным является и профиль концентрации на выходе патрубка, что также может способствовать снижению удельного энергосъема.

Целью настоящего изобретения является повышение удельного энергосъема.

Поставленная цель достигается тем, что в газовом проточном лазере, содержащем сверхзвуковой блок сопл и патрубки для подачи смеси компонентов рабочего тела к блоку сопл, длина патрубка составляет не менее 1 калибра, а расстояние от входа патрубка до ближайшего критического сечения - не менее 5 калибров, при этом суммарная площадь выходных сечений патрубков не менее чем в 2,8 раза превышает суммарную площадь критических сечений блока сопл.

На фиг.1 схематически изображен общий вид газового проточного лазера в продольном разрезе; на фиг.2 и 3 показаны другие возможные варианты выполнения лазера; на фиг.4 представлена зависимость неравномерности профиля концентрации δZ/Z_мах одного из компонентов рабочего тела в зависимости от длины патрубка Х/Д; на фиг.5 дана зависимость относительного удельного энергосъема от неравномерности профиля концентрации δZ/Z_мах на входе блока сопл; на фиг.6 - зависимость относительного удельного энергосъема от соотношения суммарной площади выходного сечения патрубков F и суммарной площади критических сечений блока сопл F_*.

Газовый проточный лазер, представленный на фиг.1-3 в варианте газодинамического СО₂-лазера, содержит сверхзвуковой блок сопл 1, соединенный о ресивером 2 и рабочей частью 3. Ресивер 2 сообщается с источником рабочего тела 4 посредством патрубков 5. В качестве источника рабочего тела может быть использована либо камера сгорания либо иной подогреватель (высокотемпературный теплообменник, плазмотрон и т.п.). На входе патрубков могут быть выполнены кольцевые щели 6, соединенные через внутреннюю полость А с источником одного из компонентов рабочего тела (например, балластным компонентом, азотом). Представленная на фиг.1 компоновка характерна для лазера с высокой мощностью излучения (от 0,1 до 1 МВт) с блоком сопл плоской (линейной) схемы. Для него в качестве калибра берется входной диаметр D патрубка при использовании патрубка 5 постоянного сечения либо текущий диаметр D(x) (в этом случае длина патрубка, выраженная в калибрах, равна где x - текущая длина, отсчитанная от входного сечения патрубка).

На фиг.2 представлена компоновка лазера сверхвысокой мощности (более 1 МВт) с блоком сопл кольцевой схемы. У такого лазера патрубком является ресивер лазера 2 в совокупности с источником рабочего тела - камерой сгорания 4, подвод топливной смеси к которому осуществляется с помощью форсуночного блока 7. Такой лазер имеет, как правило, мощный источник зажигания - вспомогательную камеру (камеры) сгорания 8, сообщающуюся о "патрубком" 2, 4 посредством выходных патрубков 9.

На фиг.3 показан вариант газового лазера средней (от 10 до 100 кВт) либо малой (менее 10 кВт) мощности, используемый, как правило, в научных исследованиях, у которого рабочее тело подводится к блоку сопл 1 через ресивер 2, питаемый от одного или двух источников 4.

В рабочей части лазера установлен оптический резонатор, образованный, например, зеркалами 10, 11. Прочие элементы газового лазера: система управления, пускорегулирующая арматура, некоторые узлы газодинамического тракта не показаны на фиг.1-3, чтобы не загромождать их.

Газовый лазер работает следующим образом. Рабочее тело из источника 4 (нагретую смесь газов СО₂-N₂ -H₂O) подают через патрубки 5 и ресивер 2 к блоку сопл 1.

При быстром расширении рабочей смеси газов в блоке 1 образуется активная среда, которая при истечении через рабочую часть 3 генерирует с помощью резонаторных зеркал 10, 11 лазерное излучение.

В процессе истечения через патрубки 5 происходит перемешивание рабочих компонентов, обеспечивающее приготовление рабочей смеси газов на входе блока сопл 1. Результат процесса смешения представлен на фиг. 4 зависимостью неравномерности профиля концентрации δZ/Z_мах одного из компонентов рабочей смеси, например CO₂, от длины патрубка, выраженной в калибрах (см. выше). Здесь δZ/Z_мах-Z_min; Z_мах, Z _min - максимальная и минимальная концентрации компонента в данном сечении патрубка. Кривая Б соответствует минимальному экспериментальному коэффициенту турбулентной диффузии. Вертикальными отрезками на фиг.4 представлены результаты экспериментов по изучению смешения на модельной лазерной установке, соответствующей варианту лазера, изображенному на фиг.1, 3.

Расчетная кривая В на фиг.4 соответствует максимальному экспериментальному коэффициенту диффузии, характерному для варианта лазера, представленного на фиг.2. Значки - результаты эксперимента на модели. Влияние неравномерности профиля концентрации δZ/Z_мах на относительный удельный энергосъем представлена на фиг.5. Кривая Г относится к модельной установке с ходом луча (шириной активной среды) 0,2 м, а кривая Д - к полноразмерной установке (ход луча равен 4 м). Из фиг.5 видно, что для сохранения по крайней мере 75% от теоретически возможного максимального удельного энергосъема в полноразмерной установке необходимо обеспечить неравномерность не более 70%, что соответствует x/D≥1 в варианте лазера, изображенном на фиг.2 (то есть длина патрубка по крайней мере должна быть равна 1 калибру), либо х/D≥5 в вариантах лазера, изображенных на фиг.1, 3, что соответствует расстоянию между входным сечением патрубка и ближайшим критическим сечением блока сопл 1 не менее 5 калибров.

Характерной особенностью газового проточного лазера в любом из вариантов (фиг.1-3) является наличие пульсаций давления в ресивере, порождаемых струями рабочего тела, истекающими из выходных сечений патрубков. Как показали результаты детальных экспериментальных исследований, с увеличением скоростного напора возрастает и мощность акустических колебаний давления. Под воздействием акустических волн происходит раскачка лопаток блока сопл, сопровождающаяся изменением размеров критических сечений, а следовательно, и перестройкой газового потока на выходе сопл блока, которая, в свою очередь, порождает нестабильность параметров рабочей смеси газов в рабочей части лазера, приводящую, в частности, к рассеянию лазерного излучения на оптических неоднородностях в пульсирующем газовом потоке. Таким образом, нестабильность давления на входе блока сопл приводит к уменьшению удельного энергосъема. Обобщение экспериментальных результатов, выполненных на четырех модельных лазерных установках в диапазоне изменения расходов рабочего тела от 10 до 100 кг/с, представлено на фиг.6 зависимостью относительного удельного энергосъема от отвошения суммарной площади выходного сечения патрубков F к суммарной площади критических сечений блока сопл F_* (Кривая Е обобщает результаты проведенных исследований. Отметим, что каждая экспериментальная точка соответствует серии опытов).

Из результатов этих опытов следует, что для сохранения по крайней мере 75% от теоретически возможного удельного энергосъема необходимо выполнить условие F/F_*≥2,8.

Таким образом, для повышения стабильности параметров рабочего тела и за счет этого повышения удельного энергосъема длина патрубка должна составлять не менее 1 калибра, а расстояние от входа патрубка до ближайшего критического сечения - не менее 5 калибров, при этом суммарная площадь выходных сечений патрубков должна не менее чем в 2, 8 раза превышать суммарную площадь критических сечений блока сопл.

Рекомендуемые области рабочих параметров выделены на осях абсцисс на фиг.4, 6.

Для газодинамического CO₂-лазера кольцевой схемы, разработанного в НИИ тепловых процессов, переход от прототипа к использованию описанного изобретения соответствует увеличению F/F_* с 1,7 до 3,3, что позволит повысить удельный энергосъем не менее чем на 35%. При этом целесообразно использовать патрубки с x/D=5, (т.е. длиной 5 калибров), что соответствует неравномерности состава для лазера с кольцевым блоком сопл заведомо не более 1%.

Формула изобретения

Газовый проточный лазер, содержащий блок сверхзвуковых сопл и патрубки для подачи рабочей смеси к блоку сверхзвуковых сопл, отличающийся тем, что, с целью повышения удельного энергосъема, патрубки выполнены и расположены таким образом, что длина l патрубка, расстояние L от входа патрубка до ближайшего критического сечения сопла и суммарная площадь выходных сечений патрубков F удовлетворяют следующим соотношениям:

l≥Д; L≥5Д и F≥2F_*,

где Д - калибр патрубка;

F _* - суммарная площадь критических сечений блока сверхзвуковых сопел.

РИСУНКИ