DE19846688A1 - Überschalldiffusor insbesondere für gasdynamische CO¶2¶-Hochenergielaser - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Überschalldiffusor, insbesondere für einen gasdynamischen Hochleistungslaser, dem zur Beseitigung bisheriger Anspring- bzw. Startprobleme besonders bei ungünstigen räumlichen Verhältnissen im Bereich des optischen Resonators ein dicht umschließendes Nachmischrohr zugeordnet wird, das die kritische Startphase optimiert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Überschalldiffusor gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Überschalldiffusoren sind in den verschiedensten Ausführungsformen auch durch die Anmelde­ rin bekannt geworden. Sie dienen der Rückverdichtung des entleerten Lasergases auf den atmo­ sphärischen Druck. Bekanntlich befindet sich das Generatorgas nach der Extraktion der Laser­ strahlung in einem solchen Zustand, bei dem der Druck ca. 50 mbar beträgt, die Temperatur etwa bei Raumtemperatur liegt und die Geschwindigkeit des Gases mit nahezu 6 Mach gemes­ sen wird. Das Gas wird entlang eines Überschalldiffusors über eine Serie von Verdichtungsstö­ ßen auf atmosphärischen Druck rückverdichtet und in die Atmosphäre entlassen. Dieses be­ kannte Prinzip wird technisch beispielsweise in aerodynamischen Überschall-Windkanälen oder zur Simulation großer aerostatischer Höhen beim Test von Raketentriebwerken verwendet.

In beiden vorgenannten Fällen handelt es sich immer um hochgradig glatte Strömungskanäle ohne größere "Vor- und Rücksprünge" in der Wandung. Solche Konditionen sind allerdings bei einem Überschalldiffusor eines gasdynamischen CO₂-Hochleistungslasers (GDL) nicht annähernd gegeben, so daß hier diverse Probleme auftreten:
Einmal sind - bedingt durch die typische Bauweise eines optischen Resonators - dessen Ab­ messungen nicht zwingend mit den Abmessungen des Gasstromes gekoppelt. So dürfen bei­ spielsweise die optischen Spiegel nicht vom Heißgasstrom umspült werden. Zum anderen erge­ ben sich gerade nach dem Gasaustritt aus den charakteristischen Expansionsdüsen des gasdy­ namischen CO₂-Hochleistungslasers in das Spiegel-Plenum große seitliche Kavernen, die sich als äußerst hinderlich für die Ausbildung einer glatten Strömung - vor allem in der Startphase - er­ wiesen haben. Es kann beispielsweise eine Wirbelbildung, ein Strömungsaufstau, Totwasserräu­ me (mangelnde Laserleistung), Temperaturanhebung, usw. und eine damit einhergehende nega­ tive Beeinflussung des Grenzschichtprofils der auf den Seiten der optischen Kavernen anliegen­ den Strömungskanäle des Überschalldiffusors und somit Abnahme des Totaldruckes, Abnahme der Totalenthalpie, Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit sowie nicht mehr einheitlicher und gleichverteilter Massendurchsatz über die Kanäle auftreten. Eine zuverlässige Lösung dieses Problems ist nicht bekannt.

Ein weiteres Problem bilden die bisher erforderlichen großen Abmessungen der typischen Über­ schalldiffusoren, die aus einem runden Rohr mit einer Länge von etwa 15-mal dem Durchmesser dieses Rohres bestehen. Dies führt bei größeren Anlagen zu Längen von ≧ 10 m. Von einer opti­ malen Konzeption - vor allem für Prüfstände und mobile Anlagen - kann hier nicht mehr gespro­ chen werden.

Durch die DE 22 41 428 der Anmelderin ist ein Überschalldiffusor eines gasdynamischen CO₂- Hochleistungslasers bekannt, bei dem der Druck- und Enthalpieausgleich zwischen Rand- und Mittelkanälen des eigentlichen Überschalldiffusors durch Mischvorgänge bewirkt wird.

Durch die DE 26 05 536 A1 ist eine typische Anordnung mit Sekundärinjektion der zweiten Me­ diumskomponente bekannt, die mit einem einkanaligen rohrförmigen Überschalldiffusor, wie sie beispielsweise bei der Höhenerprobung von Raketentriebwerken verwendet wird, versehen ist. Ändern sich jedoch die Abmessungen des vorgeschlagenen Rohrquerschnitts in die Größenord­ nungen, wie sie für gasdynamische CO₂-Hochleistungslaser großer Leistung (< 1000 kW) erfor­ derlich sind, so werden Längen von 5 bis 15 m erforderlich, was - insbesondere für mobile Anla­ gen - absolut untragbar ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Überschalldiffusor für einen gasdynamischen Hochleistungslaser der eingangs genannten Art aufzuzeigen, mit dem auch bei räumlich ungünstigen Verhältnissen im Bereich des optischen Resonators die kritische Startpha­ se zuverlässig und problemlos überbrückt wird, ein gemeinsames Anspringen aller Überschalldif­ fusor-Einzelkanäle gewährleistet ist und gleichzeitig die Abmessungen so minimiert sind, daß dadurch mobile Anlagen akzeptabler Größen konzipierbar sind.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In den Unteran­ sprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden detail­ lierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung offen­ sichtlich.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Überschalldif­ fusors mit Nachmischrohr,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Überschalldiffusor mit Nach­ mischrohr,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Röhren-Überschalldiffusor und Unterschall-Umlenkschurre mit Wärmetauscher,

Fig. 4 Möglichkeiten zur Strömungsabzweigung im Bereich der Austrittskeile und

Fig. 5 eine Darstellung verschiedener Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Überschall­ diffusors mit Nachmischrohr.

Ein herkömmlicher gasdynamischer CO₂-Hochleistungslaser ist im Bereich der Strömungsseite vor den Spiegeln mit einer Art optischem Verschluß versehen. Dieser Verschluß ist unbedingt nötig zum Schutz der Spiegel gegen den beim Start des Gasgenerators anfallenden körnigen und sehr haftfähigen Ruß. Eine CH₆-(Benzol)-Verbrennung ist nämlich äußerst rußträchtig, wenn die Mischungsverhältnisse nicht stimmen, und diese sind in der instationären Startphase nie per­ fekt.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wurde nun der bekannte Verschluß derart weitergebildet, daß - neben dem Schutz der Spiegel - ein einigermaßen glatter, ohne allzu große Einsprünge laufender Strömungskanal entstand. Diese optischen Schiebetore sind in der Startphase von Gasgenerator und Überschalldiffusor geschlossen und werden erst nach dem Erreichen des sta­ tionären Betriebszustands in ca. 0,3 s geöffnet.

Als weitere vorteilhafte Ausgestaltung wurden die Einheit Tore und Strömungskanal zu einem praktisch glatten durchlaufenden Kanal gestaltet.

Dabei schließt ein rechtes optisches Tor den Strömungskanal in der Startphase völlig glatt ab, ein linkes Tor schließt ebenfalls den Strömungskanal glatt ab, ermöglicht aber im späteren Be­ trieb eine Aufweitung der Strömung und bei den seitlichen Randkanälen eine symmetrische Ge­ staltung des Keil-Einlaufgebietes.

Fig. 1 veranschaulicht den Aufbau eines erfindungsgemäßen Überschalldiffusors ÜSD bzw. ÜD mit Nachmischrohr R sowie das typische Kavernenmaß "K". Das typische Kavernenmaß "K" liegt bei Hochenergielasern schon in der Größenordnung von ca. 0,5 m und vergrößert sich noch bei Anwendung von zwei oder mehr Spiegeln in Strömungsrichtung. Es stört dadurch die Strömung des Randkanals, so daß ein Anspringen des Überschalldiffusors ÜSD insgesamt nicht mehr mög­ lich ist. In den Zentralkanälen liegt eine "gesunde" Strömung vor, in den Randkanälen dagegen eine "abgerissene". Physikalisch drückt sich dies in der Lage des atmosphärischen Druckes tief im Inneren des Randkanales und einer einigermaßen sicheren Lage des atmosphärischen Druc­ kes am Kanalaustritt der Zentralkanäle aus. Dieser Zustand geht einher mit einer größeren Aus­ trittsgeschwindigkeit und einem größeren Impuls der Zentralkanäle gegenüber den Randkanälen.

Um nun einen zuverlässigen, sicheren Impuls- und damit Druckausgleich zwischen den Zentral- und Randkanälen des Überschalldiffusors ÜSD zu gewährleisten, wird diesem ein offenes, in Form und Durchmesser angepaßtes Rohrstück bzw. Nachmischrohr R entsprechender Länge nachgeschaltet. Damit wird ein Ausgleich der Totaldrucke (Impuls) und Totalenthalpien (Tempe­ raturen) zwischen Zentral-Kanälen und Randkanälen bewirkt und eine gleichmäßige Anpassung an den atmosphärischen Außendruck erreicht. Die für das Anspringen aller Überschalldiffusor- Einzelkanäle so wichtige Anpassung der statischen Röhrendrücke an den atmosphärischen Druck ist damit erreicht.

Um nun die gestellte Aufgabe in Bezug auf reale und für mobile Anlagen speziell geeignete Ab­ messungen zu erfüllen, umfaßt die erfindungsgemäße Anordnung die folgenden Elemente: einen Gasgenerator GD, ein Düsensystem DÜ, ein optisches Plenum OP, das boden- und deckenseitig völlig glatt ist, Spiegel SP in ihren Kavernen KA und den eigentlichen Überschalldiffusor ÜD, der aus rechteckigen/quadratischen Zellen RQ besteht, die in der einfachsten Form aus einer Reihe bestehen, im aktuellen Fall aus vier Reihen, die zu vier Stockwerken gestapelt sind.

Die Stirnseite jeder Zelle ist auf der Seite zur Mach 6-Strömung hin als keilförmige Stoßschneide ausgebildet, wobei in Fig. 1 EK Einlaufkeile bezeichnet.

In der Anwendung gemäß Fig. 1 wird der Gasstromquerschnitt RQ des nachgeschalteten Rohr­ stücks R in quadratische oder nahezu quadratische Querschnitte (Seitenverhältnis a/b = 1-1,5) aufgeteilt und so die größte Nähe zu einem Kreisrohrquerschnitt gewahrt und dessen symmetri­ schem Bild der Verdichtungsstöße (symmetrische räumliche Strömung). Durch die Konstanz des Verhältnisses von Länge zu hydraulischem Durchmesser - auch bei einer kleinen Zelle wie bei­ spielsweise 150 mm × 150 mm bis hinunter zu 50 mm × 50 mm - werden auf diese Weise (bei Plenumsdrücken von 80-50 bar) Längen des Überschalldiffusors ÜSD von 2,5 bis 0,75 m er­ zielt. Dies sind Abmessungen, wie sie bisher nicht erzielbar waren und nunmehr insbesondere mobile Anlagen enorm optimieren. Dieser erfindungsgemäße Überschalldiffusor mit nachge­ schaltetem glatten, geraden Nachmischrohr ist in Fig. 5a schematisch gezeigt.

Fig. 2 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem mit Rücksicht auf Staubbil­ dung, Entzündung der Umgebung und Reaktionsschub der Abgasstrahl - der prinzipiell horizon­ tal in die Atmosphäre ausgestoßen werden kann - unter einem Winkel von beispielsweise 45° abgelenkt und ausgestoßen wird. Die hierfür nötige Umlenkung wird zweckmäßig im Unter­ schallgebiet durchgeführt, da eine starke Krümmung einer Überschallströmung im Verdich­ tungsgebiet des Überschalldiffusors ÜSD zu einem instabilen Betrieb desselben führen würde, besonders da die Umlenkung auf kürzeste Länge mit starker Krümmung (45°) realisiert werden muß, um Baulänge, Platzbedarf etc. einzusparen. Erprobungen zeigten, daß solche "Umlenk­ schurren" die gestellte Aufgabe optimal lösen. Die Schurre ist hierbei ein Umlenkrohr und be­ sitzt einen deutlichen Luftspalt zwischen dem Austritt des Nachmischrohrs und dem Eintritt in den Krümmer. Damit ist gesichert, daß der atmosphärische Druck als funktionelle Randbedin­ gung gleichmäßig am Austritt des Mischrohres herrscht und diese Druckbedingung durch die nun einsetzenden Fliehkräfte nicht rückwirkend beeinflußt wird. Gerade eine hohe Gleichmäßig­ keit der Druckverteilung am Strahlende der Kombination Überschalldiffusor und Nachmischrohr ist anzustreben.

Nichtsdestotrotz kann ein gekrümmter Abschnitt unmittelbar, wie in Fig. 5d gezeigt, mit integral zusammenhängendem Nachmischrohr und Umlenkschure - d. h. ohne Zwischen-Luftspalt - an den Austritt des Mischrohres R angeschlossen werden, die nun - da deutlich im Unterschall be­ trieben - mit Umlenkprofilen ausgestattet werden kann.

Eine solche Maßnahme dient ausschließlich dazu, eine kurze Baulänge zu erzielen bzw. eine gro­ ße Menge heißer und sehr schneller Abgase schräg nach oben in die Atmosphäre zu entlassen - auf dem schnellstmöglichen Wege. Eine Verbesserung des Startverhaltens des Überschalldiffu­ sors ÜSD ist damit nicht verbunden.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das eine technische Variante des aus z. B. Alu- Platten aufgebauten Überschalldiffusors ÜSD gemäß Fig. 1 darstellt und in Bezug auf die Küh­ lung des Überschalldiffusors ÜSD optimiert ist, was speziell für verschiedene mobile Anlagen von Bedeutung ist, aber auch für eine serielle Fertigung. Im folgenden werden lediglich Unter­ schiede zum unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel erläutert. Hierfür besteht der in Fig. 3 gezeigte Überschalldiffusor ÜSD aus einem rechteckigen oder quadrati­ schen Einlaufteil aus einem hochleitfähigen Material, beispielsweise Cu, mit einer quadratischen oder runden Verdichtungsröhre, die einen deutlich geringeren Querschnitt und dünnste Wand­ stärken aufweist, kombiniert. Empfohlen werden als Material rostfreie Stahlbleche wie Ni oder Mo. Insbesondere besteht der Überschalldiffusor ÜSD aus rechteckigen Zellen, er kann jedoch auch einen gewöhnlich kreisförmigen Querschnitt besitzen. Damit ist der Überschalldiffusor ÜSD gemäß Fig. 3 in nahezu quadratische Querschnitte aufgeteilt. Bei der Zusammensetzung bzw. Stapelung der einzelnen Zellen entsteht zwischen Röhren RQ - die von den jeweiligen quadrati­ schen/rechteckigen Querschnitten in zylindrische Querschnitte übergehen - Freiräume FR, die eine technisch einfach durchführbare Kühlung mit Flüssigkeit oder Luft erlauben. Eine rechtec­ kige Fangfläche jeder Zelle, die von scharfen Keilschneiden aufgespannt wird, verjüngt sich er­ heblich bis den Querschnitt des eigentlichen Überschalldiffusor-Leitkanals. Am atmosphärischen Ende dieser Leitkanäle liegen den Einlaufkanälen entsprechende, maßgleiche Auslauf-Keile AK, wie in Fig. 1 gezeigt, die nun aber einen rechteckigen Unterschalldiffusor bilden. Sie bilden - pro Zelle - deren Austrittsfläche zur Atmosphäre. Der gesamte Kanalverlauf vom Eintrittsquerschnitt EK bis zu dem Austrittskeilen Ak ist völlig glatt.

Die Ebene AK war bisher die Austrittsfläche zur Atmosphäre hin. An diese Austrittsfläche schließt nun das in seinem Inneren völlig glatte Nachmischrohr R an. Es folgt die Umlenkschurre US als eigenständiges Bauteil mit deutlichem Luftspalt LSP zwischen Nachmischrohr R und Umlenkschurre US. In der Praxis kann dabei das Nachmischrohr R mit der Umlenkschurre US durch eine luftdurchlässige Gitterkonstruktion verbunden sein, wie in Fig. 5b) gezeigt. Diese luft­ durchlässige Gitterkonstruktion kann auch eine integrierte Luftspalt-Konstruktion sein, wie in Fig. 5c) dargestellt.

Die anschließende Umlenkschurre R ist als Wärmetauscher für den Wärmebedarf der Druckgas- Treibstoff-Förderung konzipierbar.

Wenn die Anpassung der Impulsströme (Druckverteilung) und der Enthalpieströme (Energie und Temperaturverteilung) dem freien Spiel der Turbulenzen überlassen wird, kann so ein Nach­ mischrohr R eine beträchtliche Länge annehmen, nämlich einige Meter. Eine Minimierung der Impulsstrom-Ausgleichslänge ist also angebracht. Dazu genügt bereits eine einfache Umlenkvor­ richtung US im Unterschallstrom des Überschalldiffusor-Austritts.

Prinzipiell kann dies bereits im Gebiet der Überschalldiffusor-Austrittskeile AK geschehen. Zweckmäßigerweise ist es jedoch, im Eintrittsgebiet des Nachmischrohres R passende Hilfsmit­ tel wie Umlenkbleche oder Umlenkprofile US zu arrangieren. Diese bewirken die Umlenkung bzw. Abtrennung eines Teilstromes eines randnahen Einzelkanales. Verschiedene Möglichkeiten zur Strömungsabzweigung im Bereich des Austrittskeils AK sind in Fig. 4 veranschaulicht.

Diese Teilmenge wird gezielt in die gestörte Strömung des Randkanales injiziert und damit der Nachmischvorgang erheblich beschleunigt und die Länge des Nachmischrohres R verkürzt.

Somit ist aufgezeigt, einen Überschalldiffusor ÜSD eines gasdynamischen Lasers GDL durch ein die Abgasströmung dicht umschließendes Nachmischrohr R in die Lage zu versetzen, auch bei ungünstigen räumlichen Verhältnissen K im Gebiet des optischen Resonators die kritische Start­ phase optimal zu überbrücken und seinen stationären Betriebszustand zu erreichen, wobei gleichzeitig eine Minimierung der Baugrößen erzielt wird.

Die erfindungsgemäße Einrichtung kann auch verwendet werden, um Gasströme abzusaugen, die aus erheblich turbulent gestörten Räumen entströmen und damit dem Fall des gasdynami­ schen Lasers entsprechen.

Claims (11)

1. Überschalldiffusor bestehend aus einem Überschallabschnitt mit nachgeschaltetem Unter­ schall-Nachmischrohr, dadurch gekennzeichnet, daß einem zellenförmigen Teil des Überschallabschnitts (ÜD) ein einseitig offenes Nachmischrohr (R) ausreichender Länge nachgeschaltet wird, wobei das Nachmischrohr (R) den aus dem Überschallabschnitt (ÜD) austretenden Gasstrom so eng wie möglich umschließt.

2. Überschalldiffusor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zellenförmige Teil rechteckige oder quadratische Zellen (RQ) umfaßt, die zumindest aus einer Reihe bestehen.

3. Überschalldiffusor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Reihen der Zellen (RQ) zu Stockwerken gestapelt sind.

4. Überschalldiffusor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Überschalldiffusor aus Zellen mit einem quadratischen/rechteckigen Einlaufteil aus hochleitfähigem Material und einer runden oder quadratischen Verdichtungsröhre geringeren Querschnitts und dünnster Wandstärke gebildet ist.

5. Überschalldiffusor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Nachmischrohr (R) rechteckig ist.

6. Überschalldiffusor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Nachmischrohr (R) an seinem offenen Ende eine Krümmung von mindestens 45° auf­ weist und als Umlenkschurre (US) ausgebildet ist.

7. Überschalldiffusor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkschurre (US) als Wärmetauscher ausgebildet ist.

8. Überschalldiffusor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Nachmischrohr (R) und seinem als Umlenkschurre (US) ausgebildeten Ende ein Luftspaltgitter ausgebildet ist.

9. Überschalldiffusor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Nachmischrohr (R) und seinem als Umlenkschurre (US) ausgebildeten Ende eine integrierte Luftspaltkonstruktion vorgesehen ist.

10. Überschalldiffusor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtgasquerschnitt in quadratische oder rechteckige Querschnitte aufgeteilt wird, wobei das Verhältnis der Seiten dieser Querschnitte ein Verhältnis von a : b die Werte 1 : 1,5 nicht überschreitet.

11. Überschalldiffusor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen (RQ) aus dünnen Blechen aus Ni oder Mo bestehen.