Способ запуска газодинамического лазера

 

Изобретение относится к квантовой электронике и предназначено для использования при эксплуатации мощной газодинамической лазерной установки, работающей на продуктах сгорания с выбросом рабочего тела в атмосферу. Сущность: для осуществления запуска лазера компоненты рабочего тела, в том числе горючее, окислитель и балластный компонент, подают в газогенератор. Балластный компонент и окислитель предварительно нагревают в теплообменниках. Смешивают компоненты рабочего тела и воспламеняют горючую смесь. Продукты сгорания прокачивают через газодинамический тракт и средство выхлопа. После этого отключают подачу компонентов рабочего тела. При этом рабочее тело охлаждают в газодинамическом тракте так, чтобы его температура в средстве выхлопа была меньше температуры самовоспламенения, а расход рабочего тела G устанавливают удовлетворяющим соотношению: G<Vρ/t, где V - объем средства выхлопа, ρ - плотность охлажденного рабочего тела, t - время отключения подачи компонентов рабочего тела. Технический результат: повышение безопасности запуска. 2 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике и предназначено для использования при эксплуатации мощной газодинамической лазерной установки, работающей на продуктах сгорания с выбросом рабочего тела в атмосферу.

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, для запуска которого обычно подают компоненты рабочего тела, в том числе горючее (окись углерода или толуол), окислитель (воздух) и балластный компонент (азот), в газогенератор, смешивают компоненты рабочего тела, воспламеняют горючую смесь, прокачивают продукты сгорания через газодинамический тракт и выхлопное устройство, а затем прекращают подачу компонентов рабочего тела. Известный способ позволяет получить температуру торможения T_о ≤1500К при составе продуктов сгорания (мольные доли) остальное - азот.

Однако состав рабочего тела при использовании горения окиси углерода или 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 также способ запуска газодинамического лазера большой мощности, включающий подачу компонентов рабочего тела, в том числе горючего, окислителя и балластного компонента, в газогенератор с предварительным нагревом балластного компонента и окислителя в регенеративных теплообменниках, смешение компонентов рабочего тала, воспламенение горючей смеси, прокачку продуктов сгорания через газодинамический тракт и выхлопное устройство и отключение подачи компонентов рабочего тела (а.с. СССР №№1839953, МКИ Н 01 S 3/22, прототип).

Известный способ позволяет повысить удельный энергосъем за счет улучшения состава продуктов сгорания, однако ему присущ определенный недостаток: в случае выхода газогенератора из строя возможно не воспламенение горючей смеси с последующим ее накоплением в выхлопном устройстве. Учитывая, что расход рабочего тела в газодинамическом лазере большой мощности может превышать несколько сотен килограммов в секунду, накопление в выхлопном устройстве взрывоопасной смеси может создавать значительную угрозу безопасности при запуске лазера.

Целью настоящего изобретения является обеспечение безопасности при запуске лазера.

Поставленная цель достигается тем, что в способе запуска газодинамического лазера, включающем подачу компонентов рабочего тела, в том числе горючего, окислителя и балластного компонента, в газогенератор с предварительным нагревом балластного компонента и окислителя в регенеративных теплообменниках, смешение компонентов рабочего тела, воспламенение горючей смеси, прокачку продуктов сгорания через газодинамический тракт и выхлопное устройство и отключение подачи компонентов рабочего тела, рабочее тело в газодинамическом тракте охлаждают до температуры в выхлопном устройстве, меньшей температуры самовоспламенения, а расход рабочего тела ограничивают величиной G, удовлетворяющей соотношению G<Vρ/t, где V - объем выхлопного устройства, ρ - плотность охлажденного рабочего тела, t - время отключения подачи компонентов рабочего тела.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 схематически показан в разрезе газодинамический лазер, предназначенный для использования заявляемого способа, а на фиг.2 представлен пример эпюры температуры торможения потока рабочего тела по газодинамическому тракту лазера при использовании описанного способа.

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 выхлопным устройством (выхлопной шахтой) 22, снабженной шумоглушащей насадкой 23, расположенной в верхней ее части, и аварийным вентилятором 24 во взрывоопасном исполнении, подсоединенным к шахте 22 в ее нижней точке, снабженным индивидуальным выхлопным трубопроводом 25, срез которого расположен не ниже среза шахты 22.

Конструкция поджидающего устройства, датчики и приборы системы управления и контроля параметров лазера, а также запорнорегулирующая 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 и 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 выхлопное устройство 22, при этом в холодильнике рабочее тело охлаждают до температуры, меньшей температуры самовоспламенения, уже на входе в выхлопное устройство, а расход рабочего тела ограничивают величиной G, удовлетворяющей соотношению G≤Vρ/t, где V - объем выхлопного устройства, ρ - плотность охлажденного рабочего тела, t - время отключения подачи компонентов рабочего тела.

По истечении требуемого времени запуска, либо при прекращении горения смеси в камере сгорания, либо при отклонении режима сгорания от заданного, подачу компонентов рабочего тела отключают. При аварийном отключении лазера включают аварийный вентилятор 24, на входе в вентилятор разбавляют рабочее тело холодным атмосферным воздухом (открыв для этого отверстия подсоса) в количестве, достаточном для образования заведомо не горючей смеси, и полученную смесь выбрасывают в атмосферу через выхлопной трубопровод 25.

Вентиляцию продолжают до снижения концентрации горючего в выхлопном устройстве 22 ниже предельно допустимой (ПДК) в соответствии с санитарными нормами.

При аварийном отключении возможны два случая: первый - смесь в камере сгорания 4 не воспламенилась, например, из-за отказа поджигающих устройств 6 или нарушения режимов смешения в форсуночном блоке 5; второй - смесь сгорела в камере сгорания 4 частично, в потоке присутствуют зоны с несгоревшей топливной смесью.

Эти случаи хода рабочего процесса заключены в области между кривыми А и Б на фиг.2. Кривая А соответствует невоспламенению топливной смеси, а кривая Б - полному сгоранию. Цифрами у оси абсцисс обозначены номера агрегатов лазера в соответствии с фиг.1, к которым относятся участки кривых А и Б. Заштрихованной линией на фиг.2 показана граница самовоспламенения. Кривые А и Б на фиг.2 соответствуют запуску стенда с использованием в качестве горючего толуола в количестве, соответствующем номинальной температуре торможения в ресивере 1500 K.

Из фиг.2 видно, что, благодаря охлаждению, воспламенения (взрыва) в выхлопной шахте произойти не может.

Ограничение расхода G величиной G<Vρ/t позволяет при аварийной ситуации избежать выброса облака горючей смеси в атмосферу. Смесь, выбрасываемая в атмосферу при помощи аварийного вентилятора, уже не является пожаро- и взрывоопасной, а благодаря ее рассеянию в атмосфере, обеспечивается и выполнение санитарных норм.

Таким образом, заявляемый способ позволяет обеспечить безопасность запуска мощного газодинамического лазера.

Формула изобретения

Способ запуска газодинамического лазера, включающий подачу в газогенератор компонентов рабочего тела, в том числе горючего, окислителя и балластного компонента с предварительным нагревом балластного компонента и окислителя в регенеративных теплообменниках, смешение компонентов рабочего тела, воспламенение горючей смеси, прокачку продуктов сгорания через газодинамический тракт и средство выхлопа и отключение подачи компонентов рабочего тела, отличающийся тем, что, с целью повышения безопасности запуска, рабочее тело в газодинамическом тракте охлаждают так, чтобы его температура в средстве выхлопа была меньше температуры самовоспламенения, а расход рабочего тела G устанавливают удовлетворяющим соотношению

где V - объем средства выхлопа;

ρ - плотность охлажденного рабочего тела;

t - время отключения подачи компонентов рабочего тела.

РИСУНКИ