Газодинамический лазер

 

Изобретение относится к квантовой электронике и предназначено для создания мощной лазерной установки, работающей на продуктах сгорания. Сущность: лазер содержит газодинамический тракт с входными стабилизирующими патрубками, систему управления, источники компонентов рабочего тела с отсечными клапанами, регенеративные теплообменники. При этом цепи включения и выключения отсечных клапанов соединены с системой управления, а регенеративные теплообменники расположены между источниками основных компонентов рабочего тела и стабилизирующими патрубками. Кроме того, на каждом из источников основных компонентов рабочего тела установлено, по крайней мере, три параллельно соединенных отсечных клапана, каждый из которых снабжен, по крайней мере, четырьмя реле времени с цепями включения и выключения и выходами. При этом цепь включения первого реле соединена с системой управления, а выход - с цепью включения второго реле. Выход второго реле соединен с цепью выключения отсечного клапана и цепью включения третьего реле. Выход третьего реле соединен с цепью включения четвертого реле, а выход четвертого реле соединен с цепью выключения отсечного клапана. Технический результат: повышение надежности и упрощение конструкции. 1 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 (балластированние) азотом, что позволяет получить температуру торможения Т_о≤1500 К при составе продуктов сгорания (мольные доли) остальное азот.

Однако состав рабочего тела, получаемого при использовании горения окиси углерода или иного широко распространенного горючего, например 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 газодинамический лазер большой мощности, содержащий регенеративные теплообменники, источники компонентов рабочего тела и газодинамический тракт для прокачки рабочего тела с входными сверхзвуковыми стабилизирующими патрубками.

Такой лазер позволяет уменьшить расход балластного и рабочего газов за счет сокращения времени выхода лазера на рабочий режим и повышения удельного энергосъема.

Однако в известном лазере не была решена проблема технологичности изготовления.

Известен также газодинамический лазер, содержащий систему управления, газодинамический тракт для прокачки рабочего тела с входными стабилизирующими патрубками, источники компонентов рабочего тела с отсечными клапанами, цепи включения и выключения которых функционально связаны с системой управления, а также регенеративные теплообменники, расположенные между источниками основных компонентов рабочего тела и стабилизирующими патрубками (авт.св. СССР №1839955, МКИ H 01 S 3/22, прототип).

Известный лазер является более технологичным в изготовлении и дешевым в эксплуатации, однако ему свойственны и некоторые недостатки. Так, не решена проблема обеспечения высокой эксплуатационной надежности на режимах работы, близких к предельным по продолжительности запуска, так как в процессе запуска максимальной продолжительности происходит существенное (в 2-3 раза) понижение давления в источниках основных компонентов рабочего тела, что может привести к изменению режимов подачи основных компонентов к регенеративным теплообменникам (уменьшению расхода), а затем к срыву течения в газодинамическом тракте после падения давления в теплообменниках.

Поддержание же требуемых расходов при снижении давления в источниках требует применения регуляторов давления, работающих совместно с отсечными клапанами. Но регуляторы давления, особенно в установках большой размерности, являются конструктивно сложными, громоздкими и нетехнологичными в изготовлении. Кроме того, регуляторы требуют дополнительных фильтров вследствие уязвимости при наличии механических примесей в потоке.

Целью настоящего изобретения является повышение эксплуатационной надежности и упрощение конструкции.

Поставленная цель достигается тем, что в газодинамическом лазере, содержащем систему управления, газодинамический тракт для прокачки рабочего тела с входными стабилизирующими патрубками, источники компонентов рабочего тела с отсечными клапанами, цепи включения и выключения которых функционально связаны с системой управления, а также регенеративные теплообменники, расположенные между источниками основных компонентов рабочего тела и стабилизирующими патрубками, каждый отсечной клапан подачи основных компонентов рабочего тела снабжен, по крайней мере, четырьмя индивидуальными устройствами задержки времени с цепями включения и выходами, причем цепь включения первого устройства задержки времени функционально связана с системой управления, а выход - с цепью включения отсечного клапана и цепью включения второго устройства задержки времени, выход второго устройства задержки времени функционально связан с цепью выключения отсечного клапана и цепью включения третьего устройства задержки времени, выход третьего устройства задержки времени функционально связан с цепью включения отсечного клапана и цепью включения четвертого устройства задержки времени, а выход четвертого устройства задержки времени - с цепью выключения отсечного клапана, при этом на каждом из источников основных компонентов рабочего тела установлено, по крайней мере, три параллельно соединенных отсечных клапана.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематически изображен общий вид газодинамического лазера в продольном разрезе.

Газодинамический лазер содержит систему управления 1, газодинамический тракт 2 для прокачки рабочего тела, источники основных расходуемых компонентов рабочего тела - окислителя 3 (воздух), балластного компонента 4 (азота), а также источник горючего 5.

Газодинамический тракт 2 содержит входные стабилизирующие патрубки окислителя 6, балластного компонента 7, горючего 8, основной газогенератор 9, ресивер 10, цилиндрический блок сопел 11, рабочую часть 12 с резонаторными зеркалами 13, 14 и выхлопной коллектор 15.

Основной газогенератор 9 состоит из камеры сгорания 16, форсуночного блока 17, выполненного в виде соосной с камерой сгорания трубы 18, к которой пристыкованы трубопроводы основных расходуемых компонентов рабочего тела: окислителя 19 и балластного компонента 20, а также трубопровод горючего 21, и снабжен вспомогательным газогенератором 22.

Вспомогательный газогенератор 22 содержит камеру сгорания 23, форсуночный блок 24, состыкованный с трубопроводами 25 и 26 окислителя и горючего соответственно, а также выходные стабилизирующие патрубки 27, установленные в коллекторе балластного компонента 28. Трубопровод окислителя 25 снабжен сверхзвуковым стабилизирующим патрубком 29 и подсоединен к трубопроводу окислителя 19, трубопровод горючего 26 подсоединен к источнику вспомогательного горючего 30, а коллектор балластного компонента 28 подсоединен к трубопроводу балластного компонента 20 трубопроводом 31 со сверхзвуковым стабилизирующим патрубком 32.

Вспомогательный газогенератор 22 снабжен поджигающими устройствами - малоразмерными камерами сгорания 33, соединенными трубопроводами 34, 35 со стабилизирующими патрубками 36, 37 с источниками поджигающего горючего 38 и окислителя 3.

На чертеже, чтобы не загромождать чертеж, показано подключение к источникам горючего и окислителя лишь одного из поджигающих устройств 33, другие поджигающие устройства подключаются аналогично.

Источники компонентов рабочего тела 38, 30, 5, 3, 4 снабжены отсечными клапанами: 39 - подачи поджигающего горючего, 40 - подачи вспомогательного горючего, 41 - подачи горючего, 42 - подачи окислителя к поджигающим устройствам 33, 43-45 - подачи основного расхода окислителя, 46-48 - подачи основного расхода балластного компонента. При этом клапаны 43-45, 46-48 соединены параллельно.

Между источниками основных расходуемых компонентов рабочего тела 3, 4 и входными стабилизирующими патрубками 6, 7 установлены регенеративные теплообменники окислителя 49 и балластного компонента 50 соответственно.

В состав системы управления входят датчики воспламенения 51, установленные на поджигающих устройствах 33. Датчики воспламенения (в качестве которых могут быть использованы термопары, зачеканенные в наружные части корпусов поджигающих устройств, либо датчики давления, подключенные к камерам сгорания 33) функционально связаны с системой управления 1.

Каждый из отсечных клапанов 43-48 подачи основных расходуемых компонентов рабочего тела снабжен, по крайней мере, четырьмя индивидуальными устройствами задержки времени: 52-55 - устройства задержки времени отсечного клапана 43, 56-59 - устройства задержки времени отсечного клапана 44, 60-63 - устройства задержки времени отсечного клапана 45, 64-67 - клапана 46, 66-71 - клапана 47, 72-75 - клапана 48. Каждое из устройств задержки времени имеет цепь включения и выход: 76-99 - цепи включения, 100-123 выходы устройств 52-75 соответственно. Цепи включения 76, 80, 84, 86, 92, 96 первых устройств задержки времени 52, 56, 60, 64, 68, 72 отсечных клапанов 43-48 функционально связаны с системой управления 1 (датчиками воспламенения 51), а выходы 100, 104, 108, 112, 116, 120 - с цепями включения 124-129 отсечных клапанов 43-48 и цепями включения 77, 81, 85, 89, 93, 97 вторых устройств задержки времени 53, 57, 61, 65, 69, 73 отсечных клапанов 43-48. Выходы 101, 105, 109, 113, 117, 121 вторых устройств задержки времени 53, 57, 61, 65, 69, 73 функционально связаны с цепями выключения 130-135 отсечных клапанов 43-48 и цепями включения 78, 82, 86, 90, 94, 98 третьих устройств задержки времени 54, 58, 62, 66, 70, 74 отсечных клапанов 43-48. Выходы 102, 106, 110, 114, 118, 122 третьих устройств задержки времени 54, 58, 62, 66, 70, 74 функционально связаны с цепями включения 124-129 отсечных клапанов 43-48 и цепями включения 79, 83, 87, 91, 95, 99 четвертых устройств задержки времени 55, 59, 63, 67, 71, 75 отсечных клапанов 43-48. Выходы 103, 107, 111, 115, 119, 123 четвертых устройств задержки времени 55, 59, 63, 67, 71, 75 функционально связаны с цепями выключения 130-135 отсечных клапанов 43-48.

В состав системы управления входят также датчики давления 136-139, установленные соответственно на выходе регенеративных теплообменников окислителя 49, балластного компонента 50, на вспомогательном газогенераторе 22 и на основном газогенераторе 9, при этом датчики давления 136, 137, установленные на выходе регенеративных теплообменников, функционально связаны через систему управления с цепью включения 140 отсечного клапана 40, датчик давления 138, установленный на вспомогательном газогенераторе 22, функционально связан через систему управления с цепью включения 141 отсечного клапана 41, а датчик давления 139, установленный на основном газогенераторе, функционально связан с цепями выключения 142, 143, 130-134 отсечных клапанов 40, 41, 43-48.

Газодинамический лазер работает следующим образом. Система управления выдает команды на открытие отсечного клапана 42 для подачи окислителя (воздуха), отсечного клапана 39 для подачи горючего из источника 38 к поджигающим устройствам 33 и включает зажигание (электрические свечи или иные устройства). При работе поджигающих устройств датчики воспламенения 51 выдают сигнал в систему управления, которая по получении сигналов о срабатывании всех поджигающих устройств, выдает команду на включение первых устройств задержки времени 52, 56, 60, 64, 68, 72. (Теплообменники к моменту запуска лазера разогреты до заданной температуры, а устройства задержки времени 52-75 настроены на заданные времена задержки).

По истечении установленных индивидуальных времен задержки устройства 52, 56, 60, 64, 68, 72 выдают команды на открытие соответствующих им отсечных клапанов 43-48 и включают вторые устройства задержки времени 53, 57, 61, 65, 69, 73. По истечении установленных индивидуальных времен задержки устройства 53, 57, 61, 65, 69, 73 выдают команды на закрытие соответствующих им отсечных клапанов 43-48 и включают третьи устройства задержки времени 54, 58, 62, 66, 70, 74. По истечении установленных индивидуальных времен задержки устройства 54, 58, 62, 66, 70, 74 выдают команды на открытие соответствующих им отсечных клапанов 43-48 и включают четвертые устройства задержки времени 55, 59, 63, 67, 71, 75. По истечении установленных индивидуальных времен задержки устройства 55, 59, 63, 67, 71, 75 выдают команды на закрытие соответствующих им отсечных клапанов 43-48.

При течении через теплообменники 49, 50, которое начинается после открытия хотя бы по одному из отсечных клапанов 43-45 и 46-48, окислитель (воздух) и балластный компонент (например, азот) прогреваются и по трубопроводам 19, 20, 25, 31 подаются в основной 9 и вспомогательный 22 газогенераторы. По достижении заданных давлений на выходе регенеративных теплообменников датчики давления 136 и 137 выдают сигналы и система управления вырабатывает команду на включение отсечного клапана 40, установленного на трубопроводе 26. Горючее из источника 30 поступает в форсуночный блок 24 и перемешивается с окислителем (подогретым воздухом), подаваемым по трубопроводу 25. Образовавшаяся топливная смесь воспламеняется факелами, создаваемыми поджигающими устройствами 33. Продукты сгорания смешиваются на выходе вспомогательного газогенератора с балластным газом (азотом), подаваемым к выходным стабилизирующим патрубкам 27 по трубопроводу 31 со стабилизирующим патрубком 32 и далее через коллектор 28.

По достижении заданного давления в камере сгорания 23 вспомогательного газогенератора 22 датчик давления 138 выдает сигнал, и система управления вырабатывает команду на открытие отсечного клапана 41, и горючее (например, толуол) из источника 5 поступает по трубопроводу 21 в форсуночный блок 17, где смешивается с остальными компонентами, образуя топливную смесь, которая по трубе 18 подается в камеру сгорания 16 основного газогенератора 9. В камере сгорания 16 топливная смесь закручивается потоками сгоревшего газа, создаваемыми вспомогательным газогенератором (газогенераторами), и, сгорая, поступает в ресивер 10 газодинамического тракта 2, откуда направляется с помощью цилиндрического блока сопел 11 в рабочую часть 12. Резонатор, образованный зеркалами 13, 14, обеспечивает съем лазерного излучения. Отработанный поток выбрасывается в выхлопной коллектор 15.

Режим горения в основном газогенераторе контролируется датчиком давления 139. В случае невыхода основного газогенератора 9 на заданный режим по давлению в течение заданного времени (например, в результате невозгорания топлива) или срыва горения (определяемого по уменьшению давления ниже допустимого уровня) система управления 1 выдает команды на выключение (закрытие) отсечных клапанов 40, 41, 43-48 и газодинамический лазер выключается.

В сравнении с прототипом, благодаря применению на каждом источнике основных компонентов рабочего тела, по крайней мере, трех параллельно включенных отсечных клапанов, обеспечивается не только существенное упрощение конструкции лазера (вследствие того, что отпадает необходимость проектирования, изготовления и эксплуатации уникальных регуляторов давления, отсечных клапанов и фильтров штучного изготовления), но и обеспечивается качественно новый более высокий уровень эксплуатационной надежности и расширяются возможности лазера.

Это новое качество достигается прежде всего за счет того, что каждый отсечной клапан подачи основных компонентов рабочего тела снабжен, по крайней мере, четырьмя индивидуальными устройствами задержки времени, включенными так, как указано в формуле изобретения. Предлагаемая схема включения позволяет включить отсечные клапаны последовательно через заданные интервалы времени и тем самым полностью открыть проходное сечение для заполнения теплообменника, избежав при этом гидравлического (газового) удара, который возникает обычно при мгновенном открытии проходного сечения на входе длинного трубопровода, соединенного с источником высокого давления.

При этом, во-первых, время открытия отсечного клапана обычно, по крайней мере, в 3-5 раз меньше характерного времени срабатывания регулятора благодаря меньшим массам движущихся частей отсечных клапанов по сравнению с массой движущихся элементов регулятора и, во-вторых, суммарное проходное сечение трех открытых клапанов больше, а их гидравлическое сопротивление меньше, чем у регулятора давления, что позволяет значительно (в 2-3 раза) уменьшить время заполнения теплообменника по сравнению с системой фильтр + отсечной клапан + регулятор индивидуального изготовления.

Использование вторых устройств задержки времени на каждом отсечном клапане позволяет задать ограничение по времени заполнения теплообменника и перекрыть часть клапанов или все клапаны по окончании заполнения теплообменника. Отметим, что регуляторам давления присущ кратковременный "заброс" по давлению на выходе с превышением давления на выходе на 30% по сравнению с заданным давлением, что создавало бы дополнительные нагрузки на теплообменник и трубопроводы.

Использование третьих устройств задержки времени позволяет обеспечить повторное открытие одного или нескольких отсечных клапанов и осуществить подпитку соответствующего теплообменника по мере падения давления в источнике.

Четвертые устройства задержки времени необходимы для прекращения запуска (закрытия отсечных клапанов) в заданный интервал времени, но не одновременно, что позволяет получить "мягкий" режим выключения лазера (без гидравлического удара). Количество отсечных клапанов на каждом из источников основных компонентов рабочего тела не менее трех обусловлено необходимостью обеспечить подачу номинального расхода при падении давления в источнике не менее чем в 3 раза.

Таким образом, все элементы заявляемого газодинамического лазера являются существенными и позволяют в совокупности обеспечить более высокую эксплуатационную надежность и упростить конструкцию газодинамического лазера.

Формула изобретения

Газодинамический лазер, содержащий газодинамический тракт с входными стабилизирующими патрубками, систему управления, источники компонентов рабочего тела с отсечными клапанами, цепи включения и выключения которых соединены с системой управления, регенеративные теплообменники, расположенные между источниками основных компонентов рабочего тела и стабилизирующими патрубками, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и упрощения конструкции, на каждом из источников основных компонентов рабочего тела установлено, по крайней мере, три параллельно соединенных отсечных клапана, каждый из которых снабжен, по крайней мере, четырьмя реле времени с цепями включения и выходами, причем цепь включения первого реле соединена с системой управления, а выход - с цепью включения отсечного клапана и цепью включения второго реле, выход второго реле соединен с цепью выключения отсечного клапана и цепью включения третьего реле, выход третьего реле соединен с цепью включения четвертого реле, а выход четвертого реле соединен с цепью выключения отсечного клапана.

РИСУНКИ