ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ ТРАКТ НЕПРЕРЫВНОГО ХИМИЧЕСКОГО ЛАЗЕРА С АКТИВНЫМ ДИФФУЗОРОМ В СИСТЕМЕ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
GAS-DYNAMIC CHANNEL FOR CONTINUOUS CHEMICAL LASER HAVING ACTIVE DIFFUSER IN PRESSURE RECOVERY SYSTEM

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при создании газодинамического тракта непрерывного химического лазера с выхлопом лазерного газа в атмосферу, а также элементов системы восстановления давления (СВД) этих лазеров.
Известно, что для эффективной работы сверхзвукового химического лазера (СХЛ) в зоне резонатора необходимо создать сверхзвуковой поток при низком статическом давлении (например, для химического кислород-йодного лазера (ХКЙЛ) давление должно быть менее 5 Торр при числах Маха около 2). Использование вакуумных емкостей, как это делается в небольших лабораторных установках, для выхлопа мощных СХЛ с большим расходом и достаточно продолжительным временем работы (10-100 сек) требует огромных объемов. Более эффективным, особенно при проектировании мобильных лазерных комплексов на базе СХЛ, является применение СВД эжекторного типа, содержащих сверхзвуковой диффузор и сверхзвуковой эжектор с газогенератором и системами подачи компонент. Основным недостатком таких систем является большая общая длина, обусловленная газодинамическими процессами, протекающими в диффузоре и эжекторе. В случае ХКЙЛ общая степень сжатия ε (отношение давления в окружающем пространстве (атмосфере) к давлению в лазерной камере) достигает значений 100-120, и для восстановления давления требуется двухступенчатая эжекторная станция, что приводит к резкому снижению общего коэффициента эжекции n (отношения расходов пассивного и активного газов) и еще больше увеличивает длину СВД.
Степень сжатия в эжекторах, как правило, относительно невысока вследствие нарастания толстых вязких слоев вдоль границы сверхзвуковой струи, истекающей из сопел. При взаимодействии струи со стенками канала образуются обратные токи, вследствие чего давление в камере смешения возрастает, и степень сжатия уменьшается. Известен газовый эжектор (Патент RU 2003846), в котором во входном участке диффузора эжектора установлено сверхзвуковое кольцевое сопло, через которое происходит тангенциальный вдув дополнительного активного газа вдоль стенки эжектора. Истекающие из сопел струи препятствуют нарастанию пограничного слоя и проникновению обратных токов в камеру смешения, степень сжатия при этом увеличивается. Однако в случае двухступенчатого эжектора вдув дополнительного газа в первую ступень значительно повышает требуемый расход эжектирующего газа на второй ступени и снижает эффективность всей системы.
В компактном диффузоре для СВД химических лазеров, представленном в (Патент US 5,735,469), для сдува пограничного слоя предложено использовать серию мелкомасштабных сопел, оси которых направлены параллельно внешним стенкам и оси потока. Пристеночный поток при этом отделяется от основного специальными экранами. В результате в поле течения на границе лазерной камеры должен формироваться λ-образный скачок уплотнения. Газ, прошедший через этот (близкий к прямому) скачок, имеет дозвуковую скорость и повышенное статическое давление. Недостатком такой конструкции является то, что такая схема течения с λ-скачком может реализоваться только при низких числах Маха (меньше 1,3) в лазерной камере, что недостаточно для эффективной работы лазера. Кроме того, такая конструктивная схема чувствительна к величине противодавления, которое обеспечивает эжектор, установленный за диффузором. Любое возмущение будет передаваться вверх по дозвуковому потоку, что приведет к сдвигу прямого скачка уплотнения в сторону лазерной камеры и, в конечном итоге, к срыву сверхзвукового течения в области резонатора, что подтверждается проведенными исследованиями - В.Г.Гурылев, А.К.Трифонов. Псевдоскачок в простейшем воздухозаборнике в виде цилиндрической трубы // Учебные записки ЦАГИ, 1976, Том VII, № 1, С.130.
В патенте (US Patent 4,379,679) предлагается отказаться от использования пассивного диффузора за счет применения эжектора специального вида. В этом эжекторе на выходе лазерной камеры вдоль широкой стороны сужающейся камеры смешения устанавливаются плоские сверхзвуковые сопла. При взаимодействии сверхзвукового потока, истекающего из этих сопел, с потоком лазерного газа должна сформироваться система слабых скачков, в которой и будет происходить торможение сверхзвукового потока лазерного газа до дозвуковых скоростей. Недостатком данной системы является трудность запуска газодинамического тракта с выхлопом в атмосферу.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является система восстановления давления для лазера на молекулах DF/HF, представленная в работе P.J.Ortwerth. On the rational design of compressible flow ejectors // AIAA-paper 1978-1217. Газодинамический тракт сверхзвукового химического лазера содержит: генератор активной среды, многосопловой блок, лазерную камеру, сверхзвуковой диффузор, эжектор, газогенератор активного газа эжектора. Пассивный сверхзвуковой диффузор прямоугольного сечения поделен пилонами на несколько отдельных каналов. В них сверхзвуковой поток из лазерной камеры тормозится в системе косых скачков (которую принято называть псевдоскачком) до дозвуковой скорости, при этом частично восстанавливается его давление. Уровень давления потока после диффузора остается гораздо меньше атмосферного. Для обеспечения выхлопа такого потока в атмосферу к диффузору стыкуется эжектор с газогенератором. Газогенератор вырабатывает высоконапорный газ, который смешивается в эжекторе с низконапорным потоком из лазера. Происходит обмен импульсами и энергией между этими потоками, в результате которого перемешанный поток обладает энергией, достаточной для выхлопа в атмосферу.
Недостатками этого устройства применительно к ХКЙЛ являются большие габариты из-за многоступенчатого эжектора, невысокий коэффициент эжекции, трудности при запуске газодинамического тракта, связанные с согласованием газодинамических характеристик ступеней, которые возрастают при увеличении количества ступеней.
3
4
Особенностью эвакуации газа из ХКЙЛ является наличие интенсивного тепловыделения вдоль всего тракта пассивного диффузора и низкие характерные числа Рейнольдса лазерного потока (10-10). Тепловыделение приводит к сокращению области псевдоскачка и торможению сверхзвукового потока уже в лазерной камере, что может привести к срыву течения лазерного газа в сверхзвуковом диффузоре и лазерной камере. Кроме того, тепловыделение приводит к снижению полного давления в потоке, что снижает эффективность работы системы восстановления давления.
Отмеченный в диффузоре СВД ХКЙЛ сдвиг псевдоскачка в сторону лазерной камеры и рост давления в лазерной камере по мере роста противодавления на выходе диффузора связан с наличием толстых пограничных слоев вдоль стенок канала, по которым возмущения передаются вверх по потоку. Предлагаемый газодинамический тракт не обеспечивает успешную работу ХКЙЛ, так как течение смеси газа в лазерной камере не полностью изолировано от влияния внешних условий на выходе диффузора областью сверхзвукового течения.
Задача изобретения - повышение степени сжатия и коэффициента эжекции СВД, получение стабильных параметров газа в лазерной камере, снижение массогабаритных характеристик лазерного комплекса.
Поставленная задача решается в газодинамическом тракте сверхзвукового химического лазера, включающем последовательно соединенные между собой генератор лазерного газа, смесительный блок, лазерную камеру с резонаторной полостью, боковыми камерами для размещения зеркал резонатора. Газодинамический тракт снабжен системой восстановления давления, состоящей из сверхзвукового диффузора, поделенного пилонами на несколько каналов, и эжектора; в соответствии с изобретением сверхзвуковой диффузор выполнен активным с возможностью эжекции активной газовой смеси. Сверхзвуковой активный диффузор состоит из пассивной части с размещенными внутри пилонами, соединенной с помощью соплового блока с камерой смешения активной части, при этом сопловой блок активной части выполнен в виде рамы. Внутренние поверхности стенок соплового блока находятся в одной плоскости с внутренними поверхностями стенок пассивной части. Пилоны и сопловой блок имеют внутренние полости, соединяющиеся с соплами, расположенными в тыльной части стенок соплового блока и пилонов, выходные отверстия сопел пилонов и соплового блока расположены в одной плоскости.
Пилоны и внешние поверхности стенок рамы соплового блока имеют отверстия, сообщающиеся с их внутренними полостями, к которым подсоединены трубопроводы для подачи активной смеси от не менее чем одного коллектора. Рама соплового блока соединена с камерой смешения фланцевым соединением, при этом оси сопел пилонов и соплового блока направлены параллельно направлению потока течения лазерного газа с возможностью создания спутных струй активной газовой смеси в камере смешения.
Указанный технический результат достигается также тем, что каналы, образованные пилонами в пассивной части сверхзвукового диффузора, имеют прямоугольное поперечное сечение.
Указанный технический результат достигается также тем, что каналы пассивной части сверхзвукового диффузора с прямоугольным поперечным сечением образованы решеткой пилонов. Решетка пилонов может быть эффективно использована для разделения прямоугольного газодинамического тракта большого сечения на каналы, близкие по форме к квадрату.
Указанный технический результат достигается также тем, что рама соплового блока соединена с камерой смешения фланцевым соединением с образованием по периферии уступа, расширяющего за сопловым блоком газодинамический тракт. Наличие уступа позволят организовать вдув газовой смеси в пограничный слой вдоль стенок активной части сверхзвукового диффузора спутно потоку течения лазерного газа с минимальным влиянием на характер течения лазерной газовой смеси в пассивной части лазерной камеры.
Указанный технический результат достигается также тем, что сопла блока и пилонов выполнены малоразмерными. Использование в камере смешения мелкомасштабных струй обеспечивает эффективное смешение низко- и высоконапорного сверхзвуковых потоков и сдув пограничного слоя со стенок диффузора.
Указанный технический результат достигается также тем, что ширина сопел соплового блока и пилонов меньше или равна толщине пограничного слоя, образующегося на боковых стенках в выходном сечении пассивной части сверхзвукового диффузора.
Указанный технический результат достигается также тем, что сверхзвуковые сопла, выполненные в виде отверстий, расположенные с тыльной стороны стенок соплового блока и пилонов, имеют профилированную форму.
Указанный технический результат достигается также тем, что активная часть разделена на каналы, по меньшей мере, одной продольной вертикальной стенкой, при этом торец стенки примыкает вплотную к заднему торцу пилона, а пилон снабжен, по меньшей мере, двумя соплами, выходные отверстия которых расположены с двух сторон от примыкающей к пилону вертикальной стенки. Наличие продольной вертикальной стенки позволяет эффективно использовать предлагаемую конструкцию для газодинамических трактов химических лазеров с большими поперечными размерами.
Указанный технический результат достигается также тем, что активная часть сверхзвукового диффузора имеет горло и дозвуковой диффузор. Использование активной части диффузора с поджатыми стенками, образующими горло и дозвуковой диффузор, позволяет дополнительно увеличить эффективность системы.
Указанный технический результат достигается также тем, что лазерная камера с резонаторной полостью выполнена в отдельном корпусе, соединенном фланцевым соединением с корпусом переходной камеры.
Указанный технический результат достигается также тем, что система подачи активной газовой смеси имеет два коллектора для раздельной подачи активной газовой смеси в сопла пилонов и сопловой блок, что позволяет улучшить управление запуском лазера.
Таким образом, в заявляемом газодинамическом тракте сверхзвукового химического лазера с активным диффузором, который используется в качестве первой ступени системы восстановления давления, достигаются следующие преимущества:
- в пассивной части с помощью пилонов образуются каналы для течения отработавшей лазерной смеси, на выходе которых струи активной смеси, истекающей из сопел пилонов и рамы соплового блока, формируют в камере смешения сверхзвукового активного диффузора газодинамическое течение, обеспечивающее эффективную эжекцию лазерного газа;
- течение в лазерной камере надежно изолируется от влияния параметров на выходе из диффузора за счет вдува активного газа через сопла пилонов и соплового блока в спутном направлении к протекающему лазерному газу, что препятствует образованию толстых пограничных слоев и снижает возможность передачи возмущений вверх по потоку вдоль стенок, при этом течение лазерного газа в лазерной камере надежно изолируется от влияния параметров в зоне выхлопа;
- значительно снижается влияние тепловыделения за счет подмешивания к лазерному газу высоконапорного активного газа в самом начале системы восстановления давления;
- так как активный диффузор используется одновременно в качестве пассивного диффузора и первой ступени эжектора, это позволяет сократить количество ступеней СВД, уменьшив общую длину газодинамического тракта;
- при заданной степени сжатия повышается коэффициент эжекции, т.е. возрастает эффективность системы восстановления давления СХЛ.
Конструкция активного диффузора за счет использования коротких пилонов в его пассивной части обеспечивает формирование каналов прохождения отработавшей лазерной смеси, последующее эффективное торможение в камере смешения происходит в каналах с жидкими стенками, образованных струями, истекающими из сопел пилонов и соплового блока. Система восстановления давления с активным диффузором позволяет управлять пограничным слоем, используя периферийный вдув вдоль стенок каналов активного газа.
На фиг.1 изображена обобщенная схема газодинамического тракта СХЛ.
На фиг.2 изображена аксонометрическая проекция первой ступени системы восстановления давления с активным диффузором с прямоугольным вырезом по всей длине первой ступени.
На фиг.3 представлен график изменения параметров во время пуска ХКЙЛ с активным диффузором.
На фиг.4 представлено распределение концентраций лазерного газа в первой ступени СВД.
На фиг.5 представлен внешний вид экспериментальной установки системы восстановления давления ХКЙЛ с активным диффузором.
Газодинамический тракт сверхзвукового химического лазера включает (фиг.1) последовательно соединенные между собой генератор лазерного газа 1, смесительный блок 2, лазерную камеру 3 с резонаторной полостью Г и расположенными по бокам полостями для размещения зеркал 4 резонатора. К выходу лазерной камеры 3 присоединена двухступенчатая система восстановления давления, содержащая активный сверхзвуковой многоканальный диффузор 5, систему подачи активной газовой смеси 6 и одноступенчатый эжектор 7 с газогенератором 8.
Активный сверхзвуковой диффузор 5 первой ступени системы восстановления давления (фиг.2) имеет пассивную часть 9 и активную часть 10. Пассивная часть 9 примыкает к области генерации Г лазерной камеры 3 и выполнена в одном с ней корпусе 11. Внутри пассивной части 9 размещены пилоны 12, соединенные с корпусом 11 с помощью болтовых соединений, образующие каналы для прохождения отработавшей рабочей среды Р. К корпусу 11 на выходе пассивной части 9 с помощью фланцевого соединения подсоединен сопловой блок 13 активной части 10, выполненный в виде рамы прямоугольного сечения и подробно показанный на фиг.3. Стенки соплового блока 13 и пилоны 12 имеют внутренние полости 14, являющиеся общими форкамерами для расположенных в тыльной части соплового блока 13 и пилонов 12 сопел 16 (фиг.1). Оси сопел N', N'' соплового блока 13 и пилонов 12 расположены параллельно направлению потока отработавшей рабочей среды Р (фиг.1). Выходные малоразмерные сопла 15 соплового блока 13 и пилонов 12 расположены в одной плоскости.
Камера смешения 16 активного сверхзвукового диффузора 5 представляет собой прямоугольный канал с поджатием стенок. Камера смешения 16 соединяется с тыльной поверхностью соплового блока 13 с помощью фланца с образованием уступа 17, примерно равного ширине малоразмерного сопла 15. При этом внутренние размеры входного сечения камеры смешения 10 больше внутренних размеров рамы соплового блока 13 на величину диаметра выходного сечения сопла 15 в каждую сторону. Активная часть 10 разделена продольной вертикальной стенкой 18, при этом торец стенки 18 примыкает вплотную к заднему торцу пилона 12, а пилон 12 снабжен двумя соплами 15, расположенными с двух сторон от примыкающей к пилону вертикальной стенки 18 камеры смешения 16.
Подача активного газа A (см. фиг.1) осуществляется через малоразмерные сопла 15. Выход прямоугольного канала камеры смешения 16 соединен с эжектором 7 с помощью фланцевого соединения.
С помощью системы подачи активной газовой смеси 6 осуществляется снабжение камеры смешения 16 высоконапорной смесью газа А в следующем порядке: активная смесь A из общего коллектора 19 по трубопроводам 20 через подводящие штуцеры 21 (см. фиг.2) подается во внутренние полости 14 пилонов 12 и стенок соплового блока 13. А оттуда, через сопла 15, подается в камеру смешения 16, где смешивается с низконапорным лазерным потоком Р. В полостях 14 поддерживается постоянное давление 5-10 атмосфер за счет распределенной подачи по нескольким трубопроводам 20.
Газодинамический тракт непрерывного химического лазера с активным сверхзвуковым диффузором в составе первой ступени СВД работает следующим образом. В генераторе лазерного газа 1 осуществляется подготовка лазерного газа, откуда он подается в смесительный блок 2. Из смесительного блока 2 лазерный газ попадет в лазерную камеру 3, где в резонаторной полости Г осуществляется генерация лазерного излучения. Отработавший пассивный низконапорный сверхзвуковой поток лазерного газа Р из резонаторной полости Г подается в пассивную часть 9 активного сверхзвукового диффузора 5, где предварительно тормозится в каналах, образованных стенками корпуса 11 и пилонами 12. Далее поток отработавшего лазерного газа Р попадает в камеру смешения 10, где происходит его эжектирование в газодинамических каналах, образованных струями газа активной смеси А. В качестве активной смеси используется холодный воздух, что позволяет снизить отрицательное влияние тепловыделения на параметры течения в канале диффузора. В результате торможения лазерного газа Р в газодинамических каналах, образованных мелкомасштабными струями активного газа A, к выходу из камеры смешения 16 давление газовой смеси достигает значения, необходимого для обеспечения работы второй ступени СВД. На выходе из эжектора 7 второй ступени СВД давление газовой смеси в газодинамическом тракте непрерывного химического лазера восстанавливается до атмосферного.
Пример трехмерных численных расчетов, выполненных с помощью стандартного пакета программ ANSYS/CFX в канале активного сверхзвукового диффузора системы восстановления давления ХКЙЛ лазера, приведен на фиг.3, где показано распределение концентрации активного газа в продольной плоскости симметрии и звуковая линия для давления на выходе из диффузора порядка 50 Торр. В предложенном устройстве торможение пассивного потока происходит в газодинамических каналах, образованных струями высоконапорного газа; на фиг.3 видно газодинамическое горло, образованное этими струями, которое достигает расширяющейся выходной части первой ступени системы восстановления давления. Течение в пассивной и в начале активной части сверхзвуковое, передача возмущений вверх по течению по пограничному слою отсутствует, и течение в лазерной камере остается невозмущенным в процессе работы СВД.
ГЛ
С1
Г1
Г2
ВАД
С помощью лабораторной установки, показанной на фиг.4, заявителем была подтверждена высокая эффективность работы газодинамического тракта ХКЙЛ с активным диффузором в качестве первой ступени СВД. Лабораторная установка включает СВД, где одноступенчатый эжектор 7 с газогенератором 8 (фиг.1) заменен вакуумной камерой. На фиг.5 представлены совмещенные графики изменения мощности лазерного излучения L и давления в пяти различных местах газодинамического тракта в зависимости от времени. Давление измеряется в следующих местах газодинамического тракта: давление в генераторе Р лазерного газа 1, полное давление Р на входе смесительного блока 2, статическое давление Р, Р в области генерации Г лазерной камеры 3 и противодавление Р на выходе из активного диффузора 5. Установка работает следующим образом: лазерный газ из генератора лазерного газа 1 начинает подаваться через газодинамический тракт лазера в лазерную камеру 3, в которой в момент времени t=1,7 сек давление начинает постепенно возрастать. При t=3,0 сек в смесительный блок 2 начинает подаваться хлор и йод, после чего происходит резкое возрастание давления в генераторе лазерного газа 1 и перед смесительным блоком 2. При t=4,2 сек начинается генерация лазерного излучения, а активный диффузор работает в пассивном режиме, поэтому давление в лазерной камере растет и достигает 5 Торр, что приводит к снижению мощности лазера, которое достигает минимума на t=5,2 сек. При t=6 сек в смесительную камеру 16 подается активный газ и начинает работать активная часть 10 сверхзвукового активного диффузора. После чего давление в лазерной камере 3 стабилизируется и не зависит от роста давления на выходе сверхзвукового активного диффузора в вакуумную камеру, благодаря этому мощность лазерного излучения возрастает. Таким образом, было экспериментально подтверждено, что предлагаемое изобретение обеспечивает получение стабильных параметров лазерного газа в лазерной камере 3, не зависящих от параметров газа в вакуумной камере, или следующих ступенях системы восстановления давления газодинамического тракта.
В предлагаемом изобретении удалось добиться существенного увеличения коэффициента эжекции n. В конструкции газодинамического тракта ХКЙЛ с активным диффузором, реализованной авторами, эта величина достигала n=0,03. Для сравнения представленная в работе (G.Singhal, R.Rajesh, Mainuddin, R.K.Tyagi, A.L.Dawar, P.M.V.Subbarao, M.Endo. Two-stage ejector based pressure recovery system for small scale SCOIL // AIAA-paper 2005-5171, 2005) СВД для ХКЙЛ с двухступенчатым эжектором имела n=0,001.