DE2633646C3 - Lasergasgenerator eines gasdynamischen CO2 -Lasers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Lasergasgenerator eines gasdynamischen CXVLasers hoher Leistung, der durch Verbrennung eines Gemisches aus Benzol und Lachgas betrieben ist und bei dem Stickstoff dem Brennstoffgemisch nach der Verbrennung zugeführt wird.

Herkömmliche', chemisch versorgle Lasergargenera·· löreri für den Betrieb mit Lachgas Und Benzol, wenig geeignet, Weil wegen des erheblichen MassenUnter^ schiedes der beiden Treibstoffkomponenten eine einwandfreie Gemischbildung für eine mit hohem Wirkungsgrad und geringem Schadstoffgehalt erfolgende Verbrennung nicht zu erreichen ist Da Lachgas bereits bei Zimmertemperatur und Drücken um 50 bar verdampft, bereitet insbesondere die Zumischung dieser in flüssiger Form zu speichernden Komponente Schwierigkeiten. Neben der Bildung eines einwandfrei verbrennenden Gemisches ist ferner für den Laserbetrieb eine Zugabe von Stickstoff erforderlich, die mit herkömmlichen Lasergasgeneratoren ebenfalls nicht ohne nachteiligen Einfluß auf das erzeugte Lasergas vorgenommen werden kann. Bekannte Lasergasgeneraforen der beispielsweise in der DE-OS 22 56 181

is gezeigten Art, die für einen Betrieb mit gasförmig zugeführten Treibstoffkomponenten ausgelegt sind, lassen sich aufgrund ihrer Düsenausbildu.ig und -anordnung nicht mit flüssigen Treibstoffkomponenten erheblich unterschiedlicher Masse betreiben. Neben einem großflächig und gleichmäßig verteilten Durchdringungsbereich der beiden flüssigen Komponenten ist zusätzlich eine den gesamten Durchdringungsbereich erfassenden Zündeinrichtung zu realisieren, um eine rußfreie Verbrennung hochenergetischer, flüssiger Brennstoffe zu erlangen. Beim vorgesehenen Betrieb haben Stickstoffzuf'-hrungen der in der genannten Offenlegungsschrift dargestellten Art den Nachteil, daß eine vollständige Durchmischung des kalten Stickstoffes mit den heißen Brenngasen nicht gewährleistet ist, weil es relativ lange dauert, bis eine Auflösung des zugeführten Gasstrahles durch Diffusion erfolgt. Abweichend vom Stand der Technik ist hierzu eine Lösung zu finden, die durch geeignete Maßnahmen eine rasche und gleichförmige Stickstoffbeimischung sicherstellt.

Für einen Lasergasgenerator der eingangs genannte. Art besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Ausbildungsform relativ niedrigen Leistungsgewichtes und kompakter Bauform zu finden. ¹^Jt der eine stetige Lasergaserzeugung bei vollständiger Durchmischung der Treibstoffkomponenten und geringsmöglichen Rußanteil möglich ist und mit der das Lasergas in Form eines in einer Richtung breit aufgefächerten Strahles zur Verfugung steht.

Diese Aufgab· ist für einen Lasergasgenerator eingangs genannter Art dadurch gelöst, daß der Brennstoff Benzol mittels einer zentral angeordneten Brennstoffdüse unter Bildung eines Sprühkegels mit einem öffnungswinkel von 60 bis 120 in eine zylindrische Brennkammer axial eingesprüht wird und der Oxidator Lachgas mittels konzentrisch zur Brennstoffdüse angeordneter Oxidatordüsen in flüssiger Form zugeführt ist. wobei der Oxidator den Sprühkegel des Brennstoffes durchdringt, daß ferner eine Zündeinrichtung im Bereich der Durchdringungsstelle angeordnet ist. welche fast das gesamte Durchdringungsvolumen der beiden Stoffe erfaßt, daß dann stromab Stickstoff an einer Drosselstelle in radialer Richtung in die Brenn
kammer eingeführt ist und das Lasergas nach Durchlaufen einer Mischstrecke einem Heißgasverteiler

M zugeführt ist, dessen Auslaß quer zu seinem Einlaß angeordnet ist.

Dabei ist das Problem der Durchmischung beider Treibstoffkomponenten durch eine zentrale Anordnung der Brennstoffdüse und die koaxiale Anordnung der Öxidalordüsen gelöst, bei der sich in der Brennkammer beide Treibstoffkomponenten durchdringen, wobei die Anordnung einer fast die gesamte Querschnittsfläche an der Durchdringungsstelle erfassenden Zündeinrichtung

dazu beträgt, einen während des Zündvorganges anfallenden Rußanteil der Verbrennungsgase auf einem unschädlichen Minimum zu halten. Außerdem ist ferner ein für das Lasergas erforderlicher Stickstoffanteil stromab der Verbrennung an einer Drosselstelle zugeführt. Bei der beschriebenen Anordnung steht das Lasergas am Einlaßquerschnitt eines der Brennkammer nachgeschaltel^n Heißgasverteilers mit relativ hohem Druck an. Es wird in Fonin eines in einer Richtung breit aufgefächerten Strahles benötigt. An axial durchströmten Heißgasverteilern bekannter Ausführungsform, weiche ähnlich einem flachgedrückten Trichter ausgebildet sind, treten dabd quer zum schlitzförmigen Auslaßquerschnitt hohe Kräfte auf, wodurch derartige Heißgasverteiler für einen Lasergasgenerator der vorgeschlagenen Art ein relativ hohes Baugewicht und relativ große Abmessungen in zwei Richtungen bedingen würden. Diese Nachteile sind am Heißgasverteiler des beschriebenen Lasergasgenerators dadurch behoben, daß der AuslaBquerschnitt quer zum Finlaß- W querschnitt angeordnet ist. Bei vernachlässig¹ ar geringen Umlenkverlusten ergibt diese Anordnung durch günstigere Ausnutzung der Materialfestigkeit eine beachtliche Verringerung an Gewicht und Baugröße.

In Weiterbildung der Erfindung wird für die Brennstoffdüse eine VoIIk egeldüse verwendet, wobei als Oxidatordüsen konzentrisch um die Brennstoffdüse angeordnete Vollkegeldüsen für Lachgas angeordnet sind. Durch diese Anordnung ist mit relativ niedrigem technischen Aufwand die Forderung zur Zuführung und Mischung der ungleichen Gewichtsanteile der Treibstoffkomponenten erfüllt.

Weitere gute Ergebnisse wurden mit einer anderen Weiterbildung der Erfindung erreicht, bei der als Brennstoffdüse eine /entnsch angeordnete Hohlkegeldüse verwendet ist, die von mehreren Bohrungen zur Zuführung des Oxidators umgeben Kt, welche gegen eine ringförmige Umlenkflächc weisen, von der der Oxidator als ein hohlzylmderfcrmiger Strahl homogener Verteilung umgelenkt ist. der den hohlkegelförmigen Strahl des Brennstoffes durchdringt.

Bei beiden Ausführungsformen haben sich Zündeinrichtungen als zweckmäßig erwiesen, bei denen gemäß einer Weiterbildung der Erfindung an der Durchdringungsstelle der beiden Treibstoffkomponenten ein Zündgas hoher Temperatur quer zur Stromrichtung der Treibstoffkomponenten aufgefächert zugeführt ist.

Die Durchmischung des in der Brennkammer erzeugten Heißgases mil einem für den Laserbetrieb erforderlichen Stickstoffanteil ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung dadurch weiter verbessert, daß die Dro-.selstelle als Düse ausgebildet ist, die stromab ihres engsten Querschnittes Eintrittsöffnungen für mit annähernd in radialer Richtung zugeführten Stickstoff aufweist. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, dabei den Stickstoff an einer sprunghaften Erweiterung der Düse im Strömungsschatten des Heißgasgemisches zuzuführen.

Um die Durchmischung des Lasergases mit Stickstoff weiter zu verbessern, kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung der Stickstoff an der Drosselstelle durch Bohrungen zugeführt sein, deren Achsen sich paarweise auf einem konzentrischen Kreis schneiden.

Gewicht und Baugröße des Lasergasgenerators werden gemäß einer Weiterbildung der Erfindung dadurch erheblich reduziert, diiß sein Heißgasverteiler 6 ein Zylinder ist, der «Janen radial gerichteten und sich entlang einer Mänti?llinie <* !'streckenden Auslaß 7 aufweist, wobei gemäß einer Weittrbildnng dt-r Erfindung zu beiden Seiten des Heißgasverteilers 6 Brennkammern 2 angeordnet sein können.

Für einen Betrieb mit nur einer Brennkammer ist zum Ausgleich von Druckverlusten vorgesehen, dem Heißgasverteiler 26 eine konische Form zu geben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt in schematisch vereinfachter Darstellung

F i g. 1 einen längsgeschnitten und abgebrocnen dargestellten Lasergasgenerator mit zylindrischem Heißgasverteiler;

F i g. 2 eine der F i g. 1 entsprechende Darstellung für einen anderen Lasergasgenerator mit konischem Heißgasverteiler.

Für einen chemisch versorgten CO2-Laser relativ hoher Leistung ist in der F i g. 1 ein Lasergasgenerator zum Betrieb mit einem energiereichen Treibstoffgemisch aus Benzol und Lachgas ^;·· flüssiger Form dargestellt. Der Lasergasgenerator r besteht aus einer zylindrischen Brennkammer 2 mit einem stirnseitig angeordneten Düsenträger 13 und einem an der anderen Stirnseite angeflanschten Heißgasvertt.ler 6. Im Düsenträger 13 ist zentrisch eine Brennstoffdüse 3 für Benzol angeordnet, die von mehreren Oxidatordüsen 4 zur Zuführung von Lachgas umgeben ist. Alle Düsen weisen einen Öffnungswinkel von 60 bis 120" auf und sind als Vollkegeldüsen ausgebildet. Wegen des gegenüber Benzol erheblich größeren Gewichtsanteils an Lachgas ist der gesamte Öffnungsquerschnitt der Oxidatordüsen 4 gegenüber der Brennstoffdüse 3 entsprechend vergrößert Im Bereich einer Durchdringungssteile 5, in dem sich die Düsenstrahlen mit den beiden Treibstoffkomponenien durchdringen und dabei ein homogenes zündfähiges Gemisch bilden, ist eine an sich bekannte Zündeinrichtung 11 angeordnet, durch die ein heißes Zündgas derart in die Brennkammer eingeleitet wird, daß es fast den gesamten Durchdringungsquerschnitt des Brenngasgemisches erfaßt. Stromab -"er Durchdringungsstelle 5, an der die Zündung erfolgt, weist die Brennkammer 2 eine in Form eines Innenbundes ausgebildete Dmsselstclle 10 auf, an der durch in radialer Richtung verlaufende Bohiungen 12 ein zur Bildung eines Lasergases erforderlicher Stickstoffanteil zugeführt ist. In zweckmäßiger Ausgestaltung sind die besagten Bohrungen 12 paarweise einander zugeneigt, so daß sich die Stickstoffstrahlen auf einem konzentrischen Kreis in der Brennkammer schneiden, wodurch eine homogene Durchmischung des Brenngases mit Stickstoff bewirkt wird. Durch die Zuführung von Stickstoff erst nach abgeschlossene! Verbrennung ist ferner eine Verbrennung mit praktisch unschädlichem Rußanteil der Verbrennungsprodukte sichergestellt. Auf eine stromab der Bohrungen 12 folgende relativ kurze Mischstrecke 9 tolgt ein angeflanschter Heißgasverteiler 6, dessen Auslaßquerschnitt 7 quer zu seinem Einlaßquerschnitt 8 angeordnet ist. Durch die Anordnung des sich längs einer Mantellinie des Heißgasverteilers 6 erstreckenden Auslaßquerschnittes 7 ist gegenüber axial durchströmten Heißgasverteilcrn bei erhöhter Mateiif!ausnutzung eine relativ kleine gewichtsparende Bauweise erreicht. Im Bedarfsfalle kann der Heißgasverteiler 6 mit Kühkanälen 14 zui Aufnahme eines Kühlmediums versehen sein. Das in der Zeichnung abgebrochen dargestellte Ende des Heißgasverteilers kann durch einen Boden beliebiger konstruktiver Ausbildungsform abgeschlossen sein oder ebenfalls einen Flansch 15

aufweisen, an den eine weitere Brennkammer mit den in der Figur links dargestellten Einrichtungen angeschlossen ist. insbesondere für relativ lange Auslaßquerschnilte 7 wird mit dieser Maßnahme eine gleichmäßigere Druckverteilung längs des Auslaßquerschnittes erreicht. Die Fig.2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen anderen Lasergasgenerator 20 mit einer der beschriebenen Brennkammer 2 ähnlichen Brennkammer 22, an die ein Düsenträger 37 angeschraubt ist. Dieser Düsenträger 37 ist bestückt mit einer zentral angeordneten Brennstoffdüse 23, aus der Benzol in Form eines Hohlkegels versprüht wird Die Brennstoffdüse 23 ist umgeben von in Achsrichtung schräg nach außen Weisenden Bohrungen 24, durch welche der Oxidator Lachgas in flüssiger Form zugeführt ist und gegen eine ringförmige Umlenkfläche 32 geleitet ist, von der er in Form eines homogenen hohlzylindrischen Strahles annähernd parallel zur Längsachse der Brennkammer 22 umgelenkt wird. Wie im vorhergehenden Beispiel ist an einer Durchdringungsstelle 25 der beiden Treibstoffkomponenten eine bereits beschriebene Zündeinrichtung 31 angeordnet Auf Grund der mit dieser Einrichtung erreichten sehr sauberen und nur einen geringen Rußanteil liefernden Verbrennung ist es möglich, eine Drosselstelle 30 relativ geringen öffnungsqucrschnittcs und düsenartiger Ausbildungsform einzufügen, wobei Stickstoff durch Bohrungen 36 im divergierenden feil der Düse 30 zugeführt ist. Dabei hat sich als zweckmäßig erwiesen, im divergierenden Teil der Drosselstelle eine sprunghafte Erweiterung 34 anzubringen und den Stickstoff an dieser Stelle im

to Windschatten der Verbrennungsgase zuzuführen. Nach der Drosselstelle 30 folgt auch hier auf eine relativ kurze Beruhigungsstrecke 29 ein Heißgasverteiier 26 mit einer gegenüber dem vorher beschriebenen Beispiel gleichen Anordnung des EirilaBquerschnittes 27 und des Auslaß-

querschniltes 28. Zur Minderung des Druckabfalls längs des Auslaßquerschnittes 27 weist dieser Heißgasverteiler 26 eine konische Form auf. Zum gleichen Zweck ist Qr auch mit d.££T! ΪΠ dST Fi¹¹:! beschriebenen Heißgasverteiier austauschbar^ gegerienfalls unter Ver-Wendung zweier an beiden Seiten des Heißgasverteilers angeschlossener Brennkammern 22.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Lasergasgenerator eines gasdynamischen CO₂-Lasers hoher Leistung, der durch Verbrennung eines Brennstoffgemisches aus Lachgas und Benzol betrieben ist und bei dem Stickstoff dem Brennstoffgemisch nach der Verbrennung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff Benzol mittels einer zentral angeordneten Brennstoffdüse (3) unter Bildung eines Sprühkegels mit einem Öffnungswinkel von 60 bis 120° in eine zylindrische Brennkammer (2) axial eingesprüht wird und der Oxidator Lachgas mittels konzentrisch zur Brennstoffdüse (3) angeordneter Oxidatordüsen (4) in flüssiger Form zugeführt ist, wobei der Oxidator den Sprühkegei des Brennstoffes durchdringt, daß ferner eine Zündeinrichtung (11) im Bereich der Durchdringungsstelle (5) angeordnet ist, welche fa;; das gesamte Durchdringungsvolumen der beiden Stoffe erfaßt, daß dann stromab Stickstoff an einer Drosselstelle (10) in radialer Richtung in die Brennkammer (2) eingeführt ist und das Lasergas nach Durchlaufen einer Mischstrecke (9) einem Heißgasverteiler (6) zugeführt ist, dessen Auslaß (7) quer zu seinem Einlaß (8) angeordnet ist

2. Lasergasgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Brennstoffdüse (3) eine Vollkegeldüse und als Oxidatordüsen (4) konzentrisch um die Brennstoffdüsen (3) angeordnete VoIlkegeldüFen verwendet sind.

3. Lasergasgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Js Brennstoffdüse (25) eine zentrisch angeordnete Hohlkegeldüse verwendet ist. die von mehreren Bohrungen (2 izur Zuführung des Oxidators umgeben ist, welche gegen eine ringförmige Umlenkfläche (32) weisen, von der der Oxidator als hohlzylinderförmiger Strahl umgelenkt ist und den hohlkegelförmigen Strahl des Brennstoffes durchdringt.

4. Lasergasgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß an der Durchdringungsstelle (5, 25) von Brennstoff und Oxidator ein Zündgas hoher Temperatur quer zur Stromrichtung des Gemisches aufgefächert zugeführt ist.

5. Lasergasgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstelle als Düse (30) ausgebildet ist und stromab nach ihrem engsten Querschnitt Eintrittsöffnungen (33) für den mit annähernd in radialer Richtung zugeführten Stickstoff aufweist.

6. Lasergasgenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (30) stromab nach ihrem engsten Querschnitt eine sprunghafte F.rwei terung (34) aufweist, wobei der Stickstoff im Strömungsschatten des Heißgasgemisches zugeführt ist.