Газодинамический лазер

 

Изобретение относится к квантовой электронике и предназначено для создания мощной лазерной установки, работающей на продуктах сгорания. Сущность: лазер содержит регенеративные теплообменники, систему подачи компонентов рабочего тела с источниками компонентов, в том числе горючего, основной и вспомогательный газогенераторы и поджигающие устройства и систему управления. Система управления включает блок автоматики подачи компонентов к регенеративным теплообменникам, блок автоматики подачи горючего. При этом система подачи компонентов рабочего тела содержит, по крайней мере, три независимых источника горючего, подключенных соответственно к поджигающим устройствам, к вспомогательному газогенератору и к основному газогенератору. Кроме того, в систему управления введен блок автоматики выключения, содержащий устройство контроля времени работы и устройство программного выключения, содержащее, по крайней мере, четыре устройства задержки времени. Система управления может содержать блок аварийного выключения, а также систему охлаждения вспомогательного газогенератора, снабженную индивидуальными трубопроводами подачи охладителя. Технический результат: повышение безопасности, надежности и исключения возможности выброса в атмосферу несгоревшей топливной смеси. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике и предназначено для создания мощной лазерной установки, работающей 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, в котором для получения рабочей смеси газов обычно используют горение окиси углерода в воздухе с последующим разбавлением (балластированием) азотом, что позволяет получить температуру торможения То≤1500 К при составе продуктов сгорания (мольные доли) остальное азот.

Однако состав рабочего тела при использовании горения окиси углерода не оптимален (в продуктах сгорания велика доля углекислого газа), 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 газодинамический лазер, содержащий регенеративные теплообменники, систему подачи компонентов рабочего тела с источниками компонентов, в том числе горючего, основной газогенератор, вспомогательный газогенератор и поджигающие устройства, соединенные с источниками компонентов рабочего тела индивидуальными трубопроводами со стабилизирующими патрубками, а также систему управления (авт.св. СССР №1839953, МКИ Н 01 S 3/22).

Известный лазер позволяет уменьшить расход балластного и рабочего газов за счет сокращения времени выхода лазера на рабочий режим, повысить удельный энергосъем путем оптимизации состава рабочего тела за счет предварительного нагрева балластного газа (азота) и окислителя (воздуха) в регенеративных теплообменниках и отличается существенной конструктивной простотой, однако обладает и рядом недостатков: надежность поджигающих устройств хотя и высока, но все таки меньше 1 (наблюдались отказы при испытаниях опытного образца, так как наиболее распространенные горючие - керосин, окись углерода - горят сравнительно плохо), поэтому возможно невоспламенение вспомогательного газогенератора, а следовательно, и бесполезный расход рабочих компонентов, который измеряется за один пуск сотнями килограммов, что может резко увеличить эксплуатационные расходы, особенно в период доводки.

Известен также газодинамический лазер, содержащий регенеративные теплообменники, систему подачи компонентов рабочего тела с источниками компонентов, в том числе горючего, основной газогенератор, вспомогательный газогенератор и поджигающие устройства, соединенные с источниками компонентов рабочего тела индивидуальными трубопроводами со стабилизирующими патрубками, а также систему управления, в состав которой введены, во-первых, блок автоматики подачи компонентов к регенеративным теплообменникам, содержащий отсечные клапаны и датчики воспламенения, установленные на поджигающих устройствах, причем датчики воспламенения функционально связаны с цепями включения отсечных клапанов через систему управления, во-вторых, блок автоматики подачи горючего, содержащий отсечные клапаны, установленные на трубопроводах горючего, и датчики давления, установленные на выходе регенеративных теплообменников, на вспомогательном и основном газогенераторах, причем система подачи компонентов рабочего тела содержит, по крайней мере, три независимых источника горючего, первый из которых подключен к поджигающим устройствам, второй - к вспомогательному газогенератору, а третий - к основному газогенератору, при этом датчики давления, установленные на выходе регенеративных теплообменников, функционально связаны через систему управления с цепью включения отсечного клапана, установленного на трубопроводе подачи горючего к вспомогательному газогенератору, датчик давления, установленный на вспомогательном газогенераторе, функционально связан через систему управления с цепью включения отсечного клапана, установленного на трубопроводе подачи горючего к основному газогенератору, а датчик давления, установленный на основном газогенераторе, функционально связан с цепью выключения отсечных клапанов подачи компонентов рабочего тела (авт.св. СССР №1839955 МКИ Н 01 S 3/22, прототип).

Известный лазер надежно обеспечивает выход на рабочий режим и достаточно экономичен в эксплуатации, однако ему присущи и некоторые недостатки: так, например, не полностью решена проблема безопасности при работе на режимах, близких к предельным по температуре и давлению, так как при превышении допустимого времени работы возможен перегрев и выход из строя некоторых элементов газогенератора, что снижает и эксплуатационную надежность лазера. Другим недостатком является возможность систематического загрязнения окружающей среды на режиме выключения лазера из-за наличия определенного количества жидкого горючего, например, в трубопроводе подачи горючего к основному газогенератору на участке между отсечным клапаном и стабилизирующим патрубком, которое может попасть в газогенератор после срыва горения, что снижает безопасность работы лазера. Третьим недостатком является возможность повреждения вспомогательного газогенератора при включении лазера работающими поджигающими устройствами вследствие местного перегрева вспомогательного газогенератора высокотемпературными продуктами сгорания, истекающими из поджигающих устройств, что также снижает эксплуатационную надежность и безопасность работы лазера.

Целью настоящего изобретения является повышение безопасности и эксплуатационной надежности.

Поставленная цель достигается тем, что в газодинамический лазер по авт.св. №1839955 введена система охлаждения вспомогательного газогенератора, снабженная индивидуальным трубопроводом подачи охладителя, отсечным клапаном с цепями включения и выключения и стабилизирующим патрубком, при этом цепь включения отсечного клапана системы охлаждения функционально связана с цепью включения отсечного клапана подачи окислителя к поджигающим устройствам, цепь включения отсечного клапана подачи горючего к поджигающим устройством функционально связана с цепью включения отсечного клапана подачи охладителя через устройство задержки времени, а в систему управления введен, во-первых, блок автоматики выключения, содержащий устройство контроля времени работы с цепью включения и выходом и устройство программного выключения с цепью включения, причем цепь включения устройства контроля времени работы функционально связана с цепью включения отсечного клапана, установленного на трубопроводе подачи горючего к основному газогенератору, выход устройства контроля времени работы функционально связан с цепью включения устройства программного выключения и цепью выключения отсечного клапана, установленного на трубопроводе подачи горючего к основному газогенератору, устройство программного выключения содержит, по крайней мере, четыре устройства задержки времени с цепями включения и выходами, при этом цепь включения первого устройства задержки функционально связана с цепью включения устройства программного отключения, выход первого устройства задержки функционально связан с цепью включения дополнительного отсечного клапана балластного компонента, установленного на трубопроводе, соединяющем источник балластного компонента с трубопроводом подачи горючего к основному газогенератору, и цепью включения второго устройства задержки времени, выход второго устройства задержки времени функционально связан с цепью выключения отсечного клапана, установленного на трубопроводе подачи горючего к вспомогательному газогенератору, и цепью включения третьего устройства задержки времени, выход третьего устройства задержки времени функционально связан с цепями выключения отсечных клапанов подачи компонентов рабочего тела к регенативным теплообменникам, подачи горючего к поджигающим устройствам и цепью включения четвертого устройства задержки времени, выход четвертого устройства задержки времени, выход четвертого устройства задержки времени функционально связан с цепями выключения отсечных клапанов подачи остальных компонентов рабочего тела, в том числе окислителя к поджигающим устройствам и охладителя, и, во-вторых, блок аварийного выключения, вход которого функционально связан с датчиком давления, установленным на вспомогательном газогенераторе через индивидуальное устройство задержки времени, а выход - с цепями выключения отсечных клапанов подачи всех компонентов рабочего тела.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 схематически изображен общий вид газодинамического лазера в продольном разрезе, а на фиг.2 показано подключение блоков автоматики выключения и аварийного выключения к системе управления лазером.

Газодинамический лазер содержит регенеративные теплообменники окислителя (воздуха) 1 и балластного компонента (азота) 2, систему подачи компонентов рабочего тела 3 с источниками горючего 4, 5, 6, окислителя 7 и балластного компонента 8, основной газогенератор 9, вспомогательный газогенератор 10 и поджигающие устройства 11, газодинамический тракт 12 для прокачки рабочего тела, а также систему управления 13.

В качестве поджигающих устройств использованы малоразмерные камеры сгорания 11, соединенные трубопроводами 14, 15 со стабилизирующими патрубками 16, 17 с источником поджигающего горючего 4 и окислителя 7.

На фиг.1, чтобы не загромождать чертеж, показано подключение к источникам горючего и окислителя лишь одного из поджигающих устройств 11, другие поджигающие устройства подключаются аналогично.

Основной газогенератор 9 состоит из камеры сгорания 18 и форсуночного блока 19, выполненного в виде соосной с камерой сгорания трубы 20, к которой пристыкованы трубопроводы основных компонентов рабочего тела: горючего 21, балласта 22, окислителя 23 со стабилизирующими сверхзвуковыми патрубками горючего 24, балласта 25 и окислителя 26.

Вспомогательный газогенератор 10 содержит камеру сгорания 27, форсуночный блок 28, состыкованный с трубовроводами 29 и 30 окислителя и горючего соответственно, а также стабилизирующие патрубки 31, установленные в коллекторе балластного компонента 32. Трубопровод окислителя 29 снабжен сверхзвуковым стабилизирующим патрубком 33 и подсоединен к регенеративному теплообменнику окислителя 1, а коллектор балластного компонента 32 подсоединен к регенеративному теплообменнику 2 балластного компонента трубопроводом 34 со сверхзвуковым стабилизирующим патрубком 35.

Газодинамический тракт 12 образован ресивером 36, цилиндрическим сопловым блоком 37, рабочей частью 38 с резонаторными зеркалами 39, 40 и выхлопным коллектором 41.

Система управления снабжена блоком автоматики подачи компонентов к регенеративным теплообменникам, содержащим отсечные клапаны 42, 43, установленные на трубопроводах окислителя 44 и горючего 45, и датчики воспламенения 46, установленные на поджигающих устройствах 11. Датчики воспламенения (в качестве которых могут быть использованы термопары, зачеканенные в наружные части корпусов поджигающих устройств) функционально связаны с цепями включения 47, 48 отсечных клапанов 42, 43 через систему управления 13. (Блок автоматики подачи компонентов к теплообменникам и иные блоки, описанные далее, не обведены пунктиром на фиг.1, чтобы не загромождать чертеж).

Система управления снабжена также блоком автоматики подачи горючего, содержащим отсечные клапаны 49, 50 и 51, установленные на трубопроводах горючего 14, 30 и 21 соответственно, и датчики давления 52-55, установленные на выходе регенеративных теплообменников балластного компонента, окислителя, на вспомогательном газогенераторе и на основном газогенераторе, при этом датчики давления 52, 53, установленные на выходе регенеративных теплообменников, функционально связаны через систему управления с цепью включения 56 отсечного клапана 50, датчик давления 54, установленный на вспомогательном газогенераторе 10, функционально связан через систему управления с цепью включения 57 отсечного клапана 51, а датчик давления 55, установленный на основном газогенераторе, функционально связан с цепями выключения 58-61 отсечных клапанов 50, 51, 42, 43.

На трубопроводе 15 установлен отсечной клапан 62 для подачи окислителя к подвигающим устройствам.

Газодинамический лазер содержит систему охлаждения вспомогательного газогенератора 10, снабженную индивидуальным трубопроводом 63 подачи охладителя (например, воздуха), отсечным клапаном 64 с цепями включения 65 и выключения 66, а также стабилизирующим патрубком охладителя 67. Цепь включения 65 отсечного клапана 64 системы охлаждения функционально связана с цепью включения 68 отсечного клапана 62 подачи окислителя к поджигающим устройствам 11. Цепь включения 69 отсечного клапана 49 подачи горючего к поджигающим устройствам функционально связана с цепью включения 65 отсечного клапана 64 подачи охладителя через устройство задержки времени 70.

В систему управления введен блок автоматики выключения 71, содержащий устройство контроля времени работы 72 с цепью включения 73 и выходом 74 и устройство программного выключения 75 с цепью включения 76. Цепь включения 73 устройства контроля времени работы 72 функционально связана с цепью включения 57 отсечного клапана 51, установленного на трубопроводе 21 подачи горючего к основному газогенератору 9. Выход 74 устройства 72 функционально связан с цепью включения 76 устройства программного выключения 75 и целью выключения 59 отсечного клапана 51.

Устройство программного выключения 75 содержит, по крайней мере, четыре устройства задержки времени 77-80 с цепями включения 81-84 и выходами 85-88. Цепь включения 81 первого устройства задержки времени 77 функционально связана с цепью включения 76 устройства программного выключения 75, выход 85 устройства 77 функционально связан с цепью включения 89 дополнительного отсечного клапана 90 балластного компонента, установленного на трубопроводе 91, соединяющем источник балластного компонента 2 с трубопроводом подачи горючего к основному газогенератору 9, и цепью включения 82 второго устройства задержки времени 78. Выход 86 устройства 78 функционально связан с цепью выключения 58 отсечного клапана 50, установленного на трубопроводе 30 подачи горючего к вспомогательному газогенератору 10, и цепью включения 83 третьего устройства задержки времени 79. Выход 87 устройства 79 функционально связан с цепями выключения 60, 61, 92 отсечных клапанов 42, 43, 49 подачи компонентов рабочего тела к регенеративным теплообменникам, горючего к поджигающим устройствам и цепью включения 84 четвертого устройства задержки времени 80. Выход 88 устройства 80 функционально связан с цепями выключения 93, 66 отсечных клапанов 62 и 64.

В систему управления введен также блок аварийного отключения 94, вход которого 95 функционально связан с датчиком давления 54, установленным на вспомогательном газогенераторе 10 через индивидуальное устройство задержки времени 96, а выход 97 блока 94 функционально связан с цепями выключения 58-61, 66, 92, 93 отсечных клапанов 50, 51, 42, 43, 64, 49, 62 подачи всех компонентов рабочего тела.

Вспомогательный газогенератор снабжен жаровой рубашкой 98 с внутренней полостью А, соединенной каналами с камерой сгорания 27. Каналы не показаны, чтобы не загромождать чертеж.

Газодинамический лазер работает следующим образом. Система управления 13 выдает команду на открытие отсечных клапанов 64 и 62 для подачи охладителя (воздуха) к вспомогательному газогенератору 10 и окислителя (воздуха) к поджигающим устройствам и включает устройство задержки времени 70, которое через заданное время вырабатывает команду на открытие отсечного клапана 49 для подачи пускового горючего к поджигающим устройствам 11 и включает зажигание (электрические свечи или иные устройства). При работе поджигающих устройств их корпуса нагреваются, и датчики воспламенения 46 (термопары), установленные на поджигающих устройствах, выдают сигнал в систему управления, которая по получении сигналов о срабатывании всех поджигающих устройств выдает команду на открытие отсечных клапанов 42 и 43 для подачи рабочих компонентов к регенеративным теплообменникам 1, 2 (теплообменники к моменту запуска лазера разогреты до заданной температуры).

При течении через теплообменники 1, 2 окислитель и балластный компонент прогреваются и по трубопроводам 23, 29, 22, 34 подаются в основной 9 и вспомогательный 10 газогенераторы. По достижении заданных давлений на выходе регенеративных теплообменников датчики давления 52 и 53 выдают сигналы в систему управления, которая вырабатывает команду на включение отсечного клапана 50, установленного на трубопроводе 30. Горючее из источника 5 поступает в форсуночный блок 28 и перемешивается с окислителем (подогретым воздухом), подаваемым по трубопроводу 29. Образовавшаяся топливная смесь воспламеняется дежурными факелами, создаваемыми поджигающими устройствами 11. Продукты сгорания смешиваются в камере сгорания с охладителем, истекающим из внутренней полости А жаровой рубашки 98, а затем на выходе газогенератора 10 - с балластным газом (азотом), подаваемым к выходным стабилизирующим патрубкам 31 по трубопроводу 34 со стабилизирующим патрубком 35 и далее через коллектор 32.

По достижении заданного давления в камере сгорания 27 вспомогательного газогенератора 10, датчик давления 54 выдает сигнал в систему управления 13, которая вырабатывает команду на включение отсечного клапана 51, и основное горючее из источника 6 поступает по трубопроводу 21 в форсуночный блок 19, где смешивается с остальными компонентами, образуя топливную смесь, которая по трубе 20 подается в камеру сгорания 18 основного газогенератора 9. В камере сгорания 18 топливная смесь закручивается потоками сгоревшего газа, создаваемыми вспомогательным газогенератором (газогенераторами), и, сгорая, поступает в ресивер 36 газодинамического тракта 12, откуда направляется с помощью цилиндрического соплового блока 37 в рабочую часть 38. Резонатор, образованный зеркалами 39, 40, обеспечивает съем лазерного излучения. Отработанный поток выбрасывается в выхлопные трубы 41.

При включении (открытии) отсечного клапана 51 включается устройство 72 контроля времени работы лазера. По истечении заданного времени работы устройство 72 вырабатывает команду, которая через цепь включения 76 подается в устройство программного отключения лазера 75, а через систему управления 13 и на цепь выключения 59 отсечного клапана 51. При этом отсечной клапан 51 закрывается и прекращается подача горючего в основной газогенератор 9.

При поступлении команды в цепь включения 76 по цепи 81 подается команда на включение первого устройства задержки времени 77. По истечении заданного времени устройство 77 выдает команду на открытие (включение) дополнительного отсечного клапана 90 балластного компонента. При этом балластный компонент поступает по трубопроводу 91 в трубопровод 21 и вытесняет из него остатки горючего.

Одновременно с включением отсечного клапана 90 включается второе устройство 78 задержки времени. По истечении заданного времени устройство 78 выдает команду на закрытие (выключение) отсечного клапана 50 и включение третьего устройства задержки времени 79. При закрытии отсечного клапана 50 прекращается подача горючего во вспомогательный газогенератор 10, и остатки продуктов сгорания выбрасываются из газогенератора и газодинамического тракта 12.

По истечении заданного времени устройство 79 выдает команду на выключение (закрытие) отсечных клапанов 42, 43, 49 и включение четвертого устройства 80 задержки времени. При этом прекращается подача компонентов рабочего тела к регенеративным теплообменникам и горючего к поджигающим устройствам.

По истечении заданного времени устройство 80 выдает команду на выключение отсечных клапанов 62, 64. При этом прекращается подача окислителя к поджигающим устройствам и охладителя.

Режим горения во вспомогательном газогенераторе 10 контролируется датчиком давления 54. В случае срыва горения после истечения времени, заданного устройством 96, блок 94 аварийного отключения дает команду на выключение (закрытие) отсечных клапанов 50, 51, 42, 43, 64, 49, 62 и газодинамический лазер выключается.

В сравнении с прототипом, благодаря применению системы охлаждения вспомогательного газогенератора существенно повышается надежность и эксплуатационная безопасность вспомогательного газогенератора, а следовательно, и лазера в целом. При этом использование индивидуального трубопровода подачи охладителя с отсечным клапаном и стабилизирующим патрубком гарантирует подачу заданного расхода охладителя, а функциональные связи цепей включения отсечных клапанов подачи охладителя и подачи горючего через устройство задержки времени обеспечивают создание охлаждающего потока до начала горения, что исключает возможность теплового повреждения на режиме включения.

Использование в составе системы управления блока автоматики выключения, содержащего устройство контроля времени работы, исключает возможность перегрева конструкции и тем самым повышает эксплуатационную надежность и безопасность лазера.

Устройство программного выключения с четырьмя устройствами задержки времени необходимо для поэтапного отключения газодинамического лазера, что позволит прежде всего удалить остатки горючего из трубопровода подачи горючего к основному газогенератору и дожечь их, затем удалить остатки горючего из вспомогательного газогенератора и дожечь их, а затем продуть газодинамический тракт чистыми подогретыми газами (воздухом и азотом), тем самым удалив остатки вредных веществ и исключив возможность накопления пожароопасных выбросов.

Использование блока аварийного выключения, функционально связанного с датчиком давления, установленным на вспомогательном газогенераторе через индивидуальное устройство задержки времени с цепями выключения отсечных клапанов подачи всех компонентов рабочего тела, позволяет выключить лазер при отказе вспомогательного газогенератора, что исключает возможность выброса в атмосферу несгоревшей топливной смеси.

Формула изобретения

1. Газодинамический лазер по авт. св. №1839955, отличающийся тем, что, с целью повышения безопасности, в систему управления введен блок автоматики выключения, содержащий устройство контроля времени работы с цепью включения и выходом и устройство программного выключения с цепью включения, причем цепь включения устройства контроля времени работы подключена к цепи включения отсечного клапана, установленного на трубопроводе подачи горючего к основному газогенератору, выход устройства контроля времени работы соединен с цепью включения устройства программного выключения и цепью выключения отсечного клапана, установленного на трубопроводе подачи горючего к основному газогенератору, устройство программного выключения содержит, по крайней мере, четыре устройства задержки времени c цепями включения и выходами, при этом цепь включения первого устройства задержки соединена с цепью включения устройства программного отключения, выход первого устройства задержки соединен с цепью включения дополнительного отсечного клапана балластного компонента, установленного на трубопроводе, соединяющем источник балластного компонента с трубопроводом подачи горючего к основному газогенератору, и цепью включения второго устройства задержки времени, выход которого соединен с цепью выключения отсечного клапана, установленного на трубопроводе подачи горючего к вспомогательному газогенератору, и цепью включения третьего устройства задержки времени, выход которого соединен с цепями выключения отсечных клапанов подачи компонентов рабочего тела к регенеративным теплообменникам, подачи горючего к поджигающим устройствам и цепью включения четвертого устройства задержки времени, выход которого соединен с цепями выключения отсечных клапанов подачи остальных компонентов рабочего тела.

2. Газодинамический лазер по п.1, отличающийся тем, что, с целью исключения возможности выброса в атмосферу несгоревшей топливной смеси, в систему управления введен блок аварийного выключения, вход которого соединен с датчиком давления, установленным на вспомогательном газогенераторе, через индивидуальное устройство задержки времени, а выход - с цепями выключения отсечных клапанов подачи всех компонентов рабочего тела.

3. Газодинамический лазер по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, в него введена система охлаждения вспомогательного газогенератора, снабженная индивидуальным трубопроводом подачи охладителя отсечным клапаном с цепями включения и выключения и стабилизирующим патрубком, при этом цепь включения отсечного клапана системы охлаждения соединена с цепью включения отсечного клапана подачи окислителя к поджигающим устройствам, а цепь включения отсечного клапана подачи горючего к поджигающим устройствам соединена с цепью включения отсечного клапана подачи охладителя через устройство задержки времени.

РИСУНКИ