DE2413349A1

DE2413349A1 - High pressure nozzle system for dynamic gas laser - has nozzle strips between combustion chamber and resonator of porous material

Info

Publication number: DE2413349A1
Application number: DE2413349A
Authority: DE
Inventors: Gunthard Dipl Phys Dr Ing Born; Gerhard Dipl Phys Grosch
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1974-03-20
Filing date: 1974-03-20
Publication date: 1976-01-08
Also published as: DE2413349B2

Abstract

The expansion nozzle arrangement of a dynamic gas laser consists of parallel two- or three-dimensional Laval nozzles. The nozzle strips (12) between the combustion chamber (10) and the resonator (11) consist of a gas permeable, porous part (12a) assembled in a grid or or honeycomb manner. Through this part flows the laser gas mixture at low to medium subsonic velocity. This part transits, when viewed in the flow direction, into Laval nozzles (14) of a given shape and size for the higher subsonic and the ultrasonic region. The contour of the Laval nozzle has a shape, generating a parallel gas flow at the nozzle outlet (15). Preferably the assembled part consists of several identical symmetrical strips with connecting and centering elements.

Description

Hochdruckdüsenanordnung für gasdynamische Laser Die Erfindung bezieht sich auf eine Expansionsdüsenanordnung für gasdynamische Laser, die aus parallel angeordneten zwei-oder dreidimensionalen Lavaldüsen besteht.High pressure nozzle assembly for gas dynamic lasers The invention relates based on an expansion nozzle arrangement for gas dynamic lasers, which are made in parallel arranged two- or three-dimensional Laval nozzles.

Die bisher bekannten gasdynamischen Laser setzen sich mindestens aus einem sogenannten Druck-Reservoir, in dem heißes Lasergasgemisch erzeugt wird, einer Düsenanordnung für die Inversionsarzeugung durch gasdynamische Expansion und einem Resonator- oder Verstärkerraum, in dem Laserleistung ausgekoppelt wird, zusammen. hierbei herrscht in der Brennkammer bzw. dem Druck-Reservoir ein Druck von etwa 20 bar, wahrend die einzelne Lavaldüse ein Expansionsflächenverhältnis von einigen 10 - 102, eine Halshöhe von etwa i mm und eine Länge in Strömungsrichtung zwischen 10 und 50 mm aufweist und die Dicke der Düsenlamellen quer zur Gasstromrichtung annähernd 10 mm beträgt. Um nun eine hohe Leistung zu erzielen, wird der gesamte Querschnitt mit einer Vielzahl solcher parallel angeordneten Einzeldüsen besetzt. Will man nun in solchen Anordnungen die Leistung erhöhen, ohne hierbei das Gerät zu vergrößern, so muß der Gasdurchsatz und somit der Druck in der Brennkammer entsprechend erhöht werden. Dies erfordert eine der Druckerhöhung umgekehrt proportionale Verkleinerung der Düsengeometrie. So erfordert eine Anordnung bei einem Brennkammerdruck von 200 bar eine Düsenanordnung, welche eine Düsenöffnung von etwa 0,1 mm, eine Düsenlänge von cirka 3 mm und einen Düsendurchmesser von 1,5 mm aufweist. Soll hier nun der Druck noch weiter erhöht werden, so ist zwangsläufig damit eine weitere Verkleinerung der Düsen erforderlich. Nun ist dem aber bei den interessierenden Gerätegrößen eine Grenze dadurch gesetzt, daß die mechanische Festigkeit der verkleinerten Düsenlamellen gegenüber dem gesteigerten Brennkammerdruck zu gering ist. Dies gilt vor allem für die kompakten Geräte, beiden die Kanalhöhe in Richtung der Düsenlamellen vergrößert ist, so daß das Verhältnis von IIöhe zu Breite ungefähr 1 : 1 ist. Zahlreiche Versuche zur Verbesserung der Festigkeit der Düsenlamellen - beispielsweise durch Einsatz von versteifenden Strukturen - brachten nur unbedeutende Fortschritte.The previously known gas dynamic lasers are exposed at least a so-called pressure reservoir, in which the hot laser gas mixture is generated, one Nozzle arrangement for the generation of inversion by gas dynamic expansion and a Resonator or amplifier room, in which laser power is coupled out, together. here there is a pressure of approximately in the combustion chamber or the pressure reservoir 20 bar, while the individual Laval nozzle has an expansion area ratio of several 10-102, a neck height of about 1 mm and a length in the direction of flow between 10 and 50 mm and the thickness of the nozzle lamellas transverse to the gas flow direction is approximately 10 mm. In order to achieve high performance now, the entire cross-section with a large number of such individual nozzles arranged in parallel occupied. If you want to increase the performance in such arrangements without doing this To enlarge the device, the gas throughput and thus the pressure in the combustion chamber must be be increased accordingly. This requires that the pressure increase is inversely proportional Reduction of the nozzle geometry. So requires placement at combustor pressure of 200 bar a nozzle arrangement, which has a nozzle opening of about 0.1 mm, a Has a nozzle length of about 3 mm and a nozzle diameter of 1.5 mm. Should be here Now the pressure is to be increased still further, so it is inevitably another Nozzles downsizing required. But now that's up to those who are interested Device sizes are limited by the fact that the mechanical strength of the reduced Nozzle lamellas is too low compared to the increased combustion chamber pressure. this applies especially for the compact devices, both the duct height in the direction of the nozzle lamellas is enlarged so that the ratio of height to width is approximately 1: 1. Numerous Attempts to improve the strength of the nozzle lamellas - for example by Use of stiffening structures - brought only insignificant progress.

Maßhaltigkeit und Bruchfestigkeit konnten nicht verbessert werden. Darüberhinaus ergibt sich der Nachteil, daß die Strömung beeinflußt wird, wodurch infolge der Deaktivierung der vibrationsangeregten Moleküle ein Leistungsverlust und Inhomogenitäten im Resonator auftreten, die dazu führen, daß eine kohärente Auskopplung der Laserenergie nicht mögLich ist.Dimensional accuracy and breaking strength could not be improved. In addition, there is the disadvantage that the flow is influenced, whereby a loss of power due to the deactivation of the vibration-excited molecules and inhomogeneities occur in the resonator, which lead to a coherent Decoupling of the laser energy is not possible.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Düsenanordnung für gasdynamische Laser zu schaffen, bei der nicht nur die vorgenannten Nachteile weitgehend beseitigt werden, sondern auch ein Aufbau aus sehr kleinen Düsen mit einem Öffnungsdurchmesser von bedeutend weniger als 1 mm möglich ist.The present invention is based on the object of a nozzle arrangement for gas dynamic lasers that not only have the aforementioned disadvantages can be largely eliminated, but also with a build-up of very small nozzles an opening diameter of significantly less than 1 mm is possible.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die. zwischen Brennkammer und Resonator angeordneten Düsenlamellen aus einem gasdurchlässigen porosen Sittera oder wabenartig zusammengesetzten Teil bestehen, welcher vom Lasergasgemisch mit niedriger bis mittlerer Unterschallgeschwindigkeit durchströmt wird und der in Strömungsrichtung gesehen in Lavaldüsen bestimmter Form und Abmaße für den höheren Unterschall- und den Überschallbereich auslautts wobei die Kontur der Laraldüsen eine Form aufweist, die am Düsenausgang eine weitgehend parallele Gasströmung erzeugt Weitere Ausgestaltungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Ansprüchen wiedergegeben und in der Beschreibung erläutert. Durch die zum Schutz bewehrten Maßnahmen ist nun ein Aufbau der Düsenlamellen möglich, bei dem die entsprechend dem hohen Druck erforderliche Festigkeit und auch die Maßhaltig keit bei mechanischer und thermischer Belastung einwandfrei gegeben ist. Außerdem tritt keine nachteilige Beeinflussung des Gasstromes mehr auf, d. h. die Strömung im Resonator ist homogen und der Einsatz dieser Parallelanordnung erlaubt einen beliebig großen Kanalquerschnitt. Die Laser-Leistungsausbeute ist größer als 1 kW pro cm2 Kanalquerschnitt.This object is achieved in that the. between combustion chamber and Nozzle lamellae arranged in the resonator and made of a gas-permeable porous Sittera or honeycomb-like composite part, which from the laser gas mixture with low to medium subsonic speed is flowed through and that in the direction of flow seen in Laval nozzles of certain shape and dimensions for the higher subsonic and the supersonic area is the end, with the contour of the laral nozzles having a shape, which generates a largely parallel gas flow at the nozzle outlet. Further developments and embodiments of the invention are set out in the claims and in explained in the description. Due to the protective measures, there is now a Structure of the nozzle lamellas possible, in which the required according to the high pressure Strength and dimensional stability under mechanical and thermal loads is flawlessly given. In addition, the gas flow is not adversely affected more on, d. H. the flow in the resonator is homogeneous and the use of this parallel arrangement allows a duct cross-section of any size. The laser power output is greater than 1 kW per cm2 duct cross-section.

Die Erfindung ist nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben und gezeichnet, Es zeigent Fig. 1 einen Längsschnitt einer zweidimensionalen Düsenanordnung in schematischer Darstellung Fig. 2 eine Einzellamelle in perspektivischer Darstollung; Fig. 3 einen tängsschnitt durch ein Düsenelement in anderer Ausführung; Fig. 4 eine Draufsicht auf ein Düsenelement gemäß Fig. 2; Fig. 5 eine Zusammenstellung der Einzellamellen gemäß Fig. 3.The invention is described below using an exemplary embodiment and drawn, FIG. 1 shows a longitudinal section of a two-dimensional nozzle arrangement in a schematic representation FIG. 2 a single lamella in a perspective representation; 3 shows a longitudinal section through a nozzle element in a different embodiment; Fig. 4 a Top view of a nozzle element according to FIG. 2; 5 shows a compilation of the individual lamellae according to FIG. 3.

Die Fig. 1 zeigt ein Beispiel für eine zweidimensionale Düsen anordnung. Hier sind zwischen der Brennkammer 10, die das Hochdruck-Reservoir für heißes Lasergasgemisch bildet, und dem Resonator- oder Verstärkerraum 11, Düsenlamellen 12.Fig. 1 shows an example of a two-dimensional nozzle arrangement. Here are between the combustion chamber 10, the High pressure reservoir for hot laser gas mixture, and the resonator or amplifier chamber 11, nozzle lamellas 12th

Diese Düsenlamellen 12 bestehen aus einem gasdurchlässigen oder einem gitter-bzw. wabenartig zusammengesetzten Teil 12a, und so Strömungskanäle 13 bildet, durch die das Lasergasgemisch mit niedriger bis mittlerer Unterschallgeschwindigkeit strömt.These nozzle lamellas 12 consist of a gas-permeable or a grid or honeycomb-like composite part 12a, and thus forms flow channels 13, through which the laser gas mixture with low to medium subsonic speed flows.

Dieser Teil 12a, - der nachfolgend mit Unterschallteil" 12a bezeichnet wird -, der Düsenlamellen 12 mündet - in Strömungsrichtung gesehen - in eine speziell geformte Spitze 12b. Diese Form ist so gewählt, daß die aneinander- und aufeinandergesetzten Düsenlamellen 12 Lavaldüsen 14 bilden und den sogenannten höheren Unterschall- oder den Überschallbereich abgeben. Die sich durch die Zusammensetzung der Lamellen 12 ergebenden Düsenausgänge 15 sind so geformt, daß eine weitgehend parallele Gasströmung zum Resonatorraum 11 hin erfolgt. In dieser vorbeschriebenen Anordnung sind. die Abmessungen des Unterschallteiles 12a in Strömungsrichtung nach den Erfordernissen der mechanischen und thermischen Beanspruchung wesentlich über die Länge der die Lavaldüsen bildende Lamellenspitze 12b dimensioniert.This part 12a - which is referred to below as subsonic part "12a is -, the nozzle lamellae 12 opens - seen in the direction of flow - in a special shaped tip 12b. This shape is chosen so that the juxtaposed and one on top of the other Nozzle lamellas 12 form Laval nozzles 14 and the so-called higher subsonic or give off the supersonic range. The structure of the lamellas 12 resulting nozzle outlets 15 are shaped so that a largely parallel gas flow to the resonator chamber 11 takes place. In this above-described arrangement are. the Dimensions of the subsonic part 12a in the direction of flow according to requirements the mechanical and thermal stress significantly over the length of the Dimensioned lamellar tip 12b forming Laval nozzles.

Die Fig. 2 und 3 zeigen Form und Aufbau einer Ditsenlamellenausführung, deren Abmaße in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen. Die Länge L2 des Unterschallteils 12a ist frei wählbar, d. h. sie richtet sich nach den gegebenen Einbaumöglichkeiten.Figs. 2 and 3 show the form and structure of a Ditsenlamellenausführung, whose dimensions are in a certain ratio to each other. The length L2 of the Subsonic part 12a is freely selectable, d. H. it is based on the given Installation options.

Daran schließt sich der Überschallteil an, dessen Länge L1 weniger als ein Drittel von L2 beträgt und der am Düsenhals einen größeren Durchmesser D1 aufweist als der -Durchmesser D2 des Unterschallteils ist. Vom Düsenhals 16 aus läuft der Teil 12b in einer Überschallkonturlinie zur Schneide 17 aus. Zu beiden Seiten des Unterschallteils 12a sind Rippen i8, 19 angeordnet, deren Breite B kleiner ist als der Abstand der einzelnen Rippen voneinander. Die Rippen 18, 19 und der Unterschallteil 12a sind um einen geringen Betrag größer als der Durchmesser D1 des Düsenhalses 16. Außerdem weisen die Rippen 18 Passungen 20 auf und die Rippen 19 Zentrieransätze 21, die den Passungen 20 entsprechen. Durch diese Ausgestaltung können nun die Finzellamellen aufeinander aufgesteckt werden (Fig. 5), so daß sich zwischen den Rippen 18, 19 Kanäle 22 ergeben, durch die der Gasstrom G fließt. Um keine Turbulenzen oder Grenzschichtabrisse zu erzeugen, sind die Rippenausläufe 23 am Düsenhals i6 stromlinienförmig ausgebildet. Zwischen den Rippen t8, i9 sind noch Bohrungen 24 im Lamellenkörper 12 angeordnet, deren Zweck die Herbeiführung eines gewissen Druckausgleichs im Gesamtsystem ist. Auch die Halterungen 25, die die Lamellen 12 an der Brennkammer 10 befestigen, eisen solche Bohrungen 24 auf.This is followed by the supersonic part, the length of which is L1 less than a third of L2 and that at the nozzle throat has a larger diameter D1 than the diameter D2 of the subsonic part. From the nozzle neck 16 the part 12b runs out in a supersonic contour line to the cutting edge 17. To both On the sides of the subsonic part 12a, ribs 18, 19 are arranged, the width B of which is smaller is than the distance between the individual ribs. The ribs 18, 19 and the Subsonic parts 12a are a small amount larger than the diameter D1 of the nozzle neck 16. In addition, the ribs 18 have fits 20 on and the ribs 19 centering lugs 21 which correspond to the fits 20. Through this Embodiment, the Finzellamellen can now be attached to each other (Fig. 5), so that there are channels 22 between the ribs 18, 19 through which the gas flow G flows. In order not to create turbulence or boundary layer tears, the ribs are tapered 23 on the nozzle neck i6 is streamlined. Between the ribs t8, i9 are nor bores 24 arranged in the lamellar body 12, the purpose of which is to bring about a certain pressure equalization in the overall system. Also the brackets 25 that Attach the lamellae 12 to the combustion chamber 10, iron such holes 24.

Die Fig. 4 zeigt eine etwas andere Ausgestaltung der Lamelle 12.4 shows a somewhat different configuration of the lamella 12.

Hier werden die Gasströmungskanale nicht durch Rippen gebildet, sondern durch Kanäle 26 im Uriterschallteil 12a des Lamellenkörpers 12. Diese Kanäle 26 münden in die Sicken 27, 28 des Überschallteils 12b, der zusammen mit den Nachbarlamellen die Lavaldüsen 14 (Fig. i) bildet. Passungen 20 und Zentrieransätze 21 weist auch diese Lamellenausführung auf. Mit 30 sind die Resonatorspiegel oder die Fenster bezeichnet.Here the gas flow channels are not formed by ribs, but through channels 26 in the ultrasonic part 12a of the lamellar body 12. These channels 26 open into the beads 27, 28 of the supersonic part 12b, which together with the neighboring lamellae the Laval nozzles 14 (Fig. i) forms. Also has fits 20 and centering lugs 21 this lamellar design. At 30 are the resonator mirrors or the windows designated.

- Patentansprüche - - patent claims -

Claims

Claims 1. Expansion nozzle arrangement for gas dynamic lasers from two- or three-dimensional Laval nozzles arranged in parallel, thereby g e k It is indicated that the between the combustion chamber (10) and the resonator (11) are arranged Nozzle lamellas (12) made of a gas-permeable, porous, grid-like or honeycomb-like material composite part (12a) exist, which mix from the laser gas with lower to medium subsonic speed is flowed through and that in the direction of flow seen in Laval nozzles (14) of certain shape and dimensions for the higher subsonic and the supersonic region expires, the contour of the Laval nozzles (14) having a shape has, which generates a largely parallel gas flow at the nozzle outlet (15).

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that g e k e n n z e i c h -n e t that the two-dimensionally assembled part (12a) consists of several identical shapes, symmetrical lamellas (12) with webs (23) fits (20) and centering lugs (21) composed, the subsonic (12a) and the supersonic part (12b) to a component is combined and is cooled by a cooling device.

3. Arrangement according to response 1 and 2, thereby g e -k e n n z e i c h n e t that the part (12a) in the subsonic area distribution openings or Has pores (24) transverse to the Basströmström.

4. Arrangement according to claims 1 to 3, characterized g e -k e n n z e i c h n e t that part (12a) in the subsonic range before and during operation is heated by means of a heating device.

5. Arrangement according to one or more of claims 1 to 4, characterized it is not noted that the part (lZa) in the subsonic range has a permeability of = '50%, wherein the flow channels (22) have an overall diameter, which corresponds to the diameter H of the nozzle outlet.

6. Arrangement according to one or more of claims 1 to 5, characterized It is not noted that the Laval nozzles are preferably made of highly heat-resistant material1 made of a No alloy or Co alloy.

7. Arrangement according to claims 1 and 2, characterized g e -k e n n z e i c h n e t that the webs (18, 19) of the lamellas (12) of the same shape at the transition of the subsonic area to the Laval nozzles (14) are aerodynamically shaped.