RU2702921C1

RU2702921C1 - Method of generating gas-dynamic laser radiation integrated into a single gas turbine engine and gas turbine engine for its implementation

Info

Publication number: RU2702921C1
Application number: RU2018135388A
Authority: RU
Inventors: Михаил Юрьевич Вовк; Виктор Валентинович Кулалаев; Сергей Петрович Куница; Евгений Ювенальевич Марчуков; Виктор Григорьевич Петриенко
Priority date: 2018-10-09
Filing date: 2018-10-09
Publication date: 2019-10-14
Also published as: WO2020076187A1

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to laser engineering and can be used in creation of technological laser systems integrated into gas turbine engine design. Method for generation of gas-dynamic laser radiation integrated into single gas turbine engine includes supply of air and fuel into combustion chamber of engine, organization of supersonic gas flow in critical sections, creation of population inversion in this flow, its use for formation of coherent radiation, formation of laser beam structure. At that, air and fuel are supplied to additional annular sectional combustion chamber, which forms supersonic gas flows in critical sections located around combustion chamber of engine, and to create population inversion in supersonic gas flows in critical sections, ballast gases are additionally supplied, the temperature and pressure of which are controlled to achieve the Joule-Thomson effect, wherein consumption of ballasting gases is set depending on the operating mode of the gas turbine engine.

EFFECT: possibility of increasing efficiency and specific power of laser.

10 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к квантовой электронике, а конкретно к способам генерации излучения в проточных газодинамических лазерах и может быть использовано при создании технологических лазерных систем интегрированных в конструкцию газотурбинного двигателя.The invention relates to quantum electronics, and specifically to methods for generating radiation in flowing gas-dynamic lasers and can be used to create technological laser systems integrated into the design of a gas turbine engine.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является: способ генерации излучения газодинамического лазера, интегрированного в единую конструкцию газотурбинного двигателя, включающий подачу воздуха и горючего в камеру сгорания двигателя, организацию сверхзвукового потока газа в критических сечениях, создание в этом потоке инверсии населенности, ее использование для образования когерентного излучения, формирование структуры лазерного луча.The closest in technical essence and the achieved result is: a method for generating radiation from a gas-dynamic laser integrated into a single design of a gas turbine engine, including supplying air and fuel to the combustion chamber of the engine, organizing a supersonic gas flow in critical sections, creating a population inversion in this flow, and using it for the formation of coherent radiation, the formation of the structure of the laser beam.

Наиболее близким устройством для реализации способа является известный газотурбинный двигатель с интегрированным в единую конструкцию газодинамическим лазером, содержащий компрессор каскада низкого давления, компрессор каскада высокого давления, камеру сгорания, турбину высокого давления, турбину низкого давления, систему в виде последовательности сверхзвуковых сопел Лаваля, оптический резонатор и реактивное сопло.The closest device for implementing the method is a well-known gas turbine engine with a gas-dynamic laser integrated into a single structure, comprising a low-pressure cascade compressor, a high-pressure cascade compressor, a combustion chamber, a high-pressure turbine, a low-pressure turbine, a system in the form of a sequence of supersonic Laval nozzles, an optical resonator and jet nozzle.

/RU 2516985 МПК H01S 3/0953; F02K 3/12; F02C 6/00. Опубликовано: 27.05.2014// RU 2516985 IPC H01S 3/0953; F02K 3/12; F02C 6/00. Posted: 05/27/2014 /

Недостатком известного способа генерации излучения газодинамического лазера, являются значительные размеры критических сечений, что не позволяет получить необходимый уровень инверсии населенности продуктов сгорания углеводородного топлива согласно требованиям к разработке газодинамических лазеров.The disadvantage of this method of generating radiation from a gas-dynamic laser is the significant size of the critical sections, which does not allow to obtain the necessary level of inversion of the population of the products of combustion of hydrocarbon fuel according to the requirements for the development of gas-dynamic lasers.

В известном газотурбинном двигателе турбины конструктивно спроектированы на реактивность порядка - ρ=(0.9-1.0) и выполнены в виде последовательностей сопел Лаваля. Минимальное сечение рабочих лопаток находится в районе входной кромки. Выход потока из рабочего колеса существенно сверхзвуковой. Вместе с тем реактивные турбины работают на перепаде давления, на входе и выходе из лопаток турбины, а не на перепаде скоростей потока, как активные турбины. Таким образом, создание на выходе реактивной турбины сверхзвукового потока противоречит физическим процессам энергетического обмена (эффективности) на реактивных лопатках. Реактивная турбина имеет выходную скорость потока отличную от направления осевой скорости. При этом лопатки турбины имеет высокую линейную переносную скорость потока перед входом в зону резонатора, что очевидно вносит существенную неравномерность в поток газа во вращающемся сверхзвуковом сопле с отрывными течениями перед входом в резонатор лазера, что совершенно не согласуется с требованиями к эффективности газодинамических лазеров.In a well-known gas turbine engine, turbines are structurally designed for reactivity of the order of ρ = (0.9-1.0) and are made in the form of sequences of Laval nozzles. The minimum cross section of the blades is in the area of the input edge. The flow exit from the impeller is substantially supersonic. At the same time, jet turbines operate at a differential pressure, at the inlet and outlet of the turbine blades, and not at a difference in flow rates, like active turbines. Thus, the creation of a supersonic flow at the outlet of a jet turbine contradicts the physical processes of energy exchange (efficiency) on the reactive blades. A jet turbine has an output flow rate different from the axial velocity direction. In this case, the turbine blades have a high linear portable flow velocity before entering the resonator zone, which obviously introduces significant unevenness in the gas flow in a rotating supersonic nozzle with separated flows before entering the laser cavity, which is completely inconsistent with the requirements for the efficiency of gas-dynamic lasers.

Технической задачей изобретения является создание способа получения излучения газодинамического лазера, генерируемого за счет энергетических потоков газа, возникающих при работе газотурбинного двигателя.An object of the invention is to provide a method for producing radiation from a gas-dynamic laser generated by gas energy flows arising from a gas turbine engine.

Другой задачей является разработка двигателя, в котором авиационный газодинамический лазер конструктивно интегрирован в единую конструкцию контуров газотурбинного двигателя.Another objective is the development of an engine in which an aircraft gas-dynamic laser is structurally integrated into a single design of the circuits of a gas turbine engine.

Ожидаемый технический результат повышение удельной мощности излучения и КПД газодинамического лазера.The expected technical result is an increase in the specific radiation power and efficiency of a gas-dynamic laser.

Другим техническим результатом является упрощение конструкции и снижение металлоемкости двигателя, расширение функциональных возможностей газотурбинного двигателя и универсальность авиационного газодинамического лазера, который в виде модульной вставки может быть использован как в уже эксплуатируемых, так и вновь создаваемых двигателях.Another technical result is to simplify the design and reduce the metal consumption of the engine, expand the functionality of the gas turbine engine and the versatility of the aircraft gas-dynamic laser, which in the form of a modular insert can be used both in already used and newly created engines.

Ожидаемый технический результат достигается тем, что известный способ генерации излучения газодинамического лазера интегрированного в единую конструкцию газотурбинного двигателя, включающий подачу воздуха и горючего в камеру сгорания двигателя, организацию сверхзвукового потока газа в критических сечениях, создание в этом потоке инверсии населенности, ее использование для образования когерентного излучения, формирование структуры лазерного луча, по предложению, воздух и горючее подают в дополнительную кольцевую секционную камеру сгорания, образующую сверхзвуковые потоки газа в критических сечениях расположенных вокруг камеры сгорания двигателя, а для создания инверсии населенности в сверхзвуковые потоки газа в критических сечениях дополнительно подают балластировочные газы, температуру и давление которых регулируют в интервале необходимом для достижения эффекта Джоуля-Томсона, при этом расход балластировочных газов устанавливают в зависимости от режима работы газотурбинного двигателя. Способ предусматривает, что по меньшей мере в трех критических сечениях обеспечивают фазовый состав потока газа в виде околокритического флюида, в качестве балластировочных газов используют углекислый газ (СО₂) и азот (N₂), а выходную мощность авиационного газодинамического лазера, использующего балластировочные углекислый газ (СО₂) и азот (N₂), определяют по зависимости построенной на физической модели эффекта Джоуля-Томсона для повышения эффективности активной среды лазера по формуле:The expected technical result is achieved by the fact that the known method of generating a gas-dynamic laser radiation integrated into a single gas turbine engine design, including supplying air and fuel to the combustion chamber of the engine, organizing a supersonic gas flow in critical sections, creating a population inversion in this flow, and using it to form a coherent radiation, the formation of the structure of the laser beam, on offer, air and fuel are fed into an additional annular sectional chamber combustion, forming supersonic gas flows in critical sections located around the combustion chamber of the engine, and to create a population inversion in supersonic gas flows in critical sections, ballast gases are additionally supplied, the temperature and pressure of which are regulated in the range necessary to achieve the Joule-Thomson effect, while ballast gases are set depending on the operating mode of the gas turbine engine. The method provides that at least three critical sections provide the phase composition of the gas stream in the form of near-critical fluid, carbon dioxide (CO ₂ ) and nitrogen (N ₂ ) are used as ballast gases, and the output power of an aviation gas-dynamic laser using carbon dioxide ballast (СО ₂ ) and nitrogen (N ₂ ) are determined by the dependence of the Joule-Thomson effect built on the physical model to increase the efficiency of the active medium of the laser according to the formula:

где: h - постоянная Планка; v - частота излучения;

- заданный массовый расход углеводородного топлива в дополнительной камере сгорания лазера; A_v - число Авогадро; A_i - атомный вес i - го компонента в продукте сгорания; p_i(P₂,T,α_ок)- парциальная доля i - го компонента в продукте сгорания при рассчитанной температуре

и давлении Р_д.кс=Р₂ заданного режимом работы двигателя;

- температура активации молекулы азота; i₁=(pN₂); i₂=(рСО₂); α_ок- коэффициент избытка окислителя; Коэффициент энергетической и конструктивной эффективности лазера вводится в виде:where: h is Planck's constant; v is the radiation frequency;

- a given mass flow rate of hydrocarbon fuel in an additional laser combustion chamber; A _v is the Avogadro number; A _i is the atomic weight of the i-th component in the combustion product; p _i (P ₂ , T, α _ok ) is the partial fraction of the i-th component in the combustion product at the calculated temperature

and pressure P _dx = P ₂ specified by the engine operation mode;

- temperature of activation of a nitrogen molecule; i ₁ = (pN ₂ ); i ₂ = (pCO ₂ ); α _ok - the coefficient of excess oxidizing agent; The energy and structural efficiency coefficient of the laser is introduced in the form of:

где: k_Б>1.0 - балластировки активной среды лазера азотом (N₂) и углекислым газом (СО₂); ϕ_с=(0.3-0.5) - сопла; ϕ_r=(0.4-0.8) специального оптического резонатора; η_к.с=(0.95 - 0.98) области (камеры) сгорания лазера;

тепловой накачки.where: k _B > 1.0 - ballasting of the active medium of the laser with nitrogen (N ₂ ) and carbon dioxide (CO ₂ ); ϕ _c = (0.3-0.5) - nozzle; ϕ _r = (0.4-0.8) of a special optical resonator; η _K.s. = (0.95 - 0.98) of the laser combustion region (chamber);

heat pumping.

Технический результат, полученный при разработке двигателя для осуществления способа генерации излучения газодинамического лазера предусматривает, что известный газотурбинный двигатель с интегрированным в единую конструкцию газодинамическим лазером, содержащий компрессор каскада низкого давления, компрессор каскада высокого давления, камеру сгорания, турбину высокого давления, турбину низкого давления, систему в виде последовательности сверхзвуковых сопел Лаваля, оптический резонатор и реактивное сопло, по предложению, снабжен выводным линейным оптическим резонатором формирования лазерного луча, расположенными вокруг камеры сгорания двигателя, дополнительной кольцевой секционной камерой сгорания, образующей критические сечения сопел Лаваля, по меньшей мере, двумя кольцевыми камерами, соединенными с источниками подачи балластировочных газов, кольцевым ресивером с выпускной трубой отвода газов, оптический резонатор выполнен в виде объемного резонатора кольцевого типа и соединен с кольцевым ресивером с выпускной трубой, а камеры последовательно расположены по ходу движения потока газа между кольцевой секционной камерой и объемным оптическим резонатором, система сверхзвуковых сопел выполнена из вставок в виде дроссельных лопаточных направляющих, образующих критические сечения, вставки установлены в кольцевых камерах подачи балластировочных газов, а полости отверстий критических сечений и камер сообщены с источниками подачи балластировочных газов, при этом выводной линейный оптический резонатор формирования лазерного луча сообщен с объемным оптическим резонатором, а отверстия сопел камер сопряжены друг с другом, с каждым соплом дополнительной кольцевой секционной камеры, с полостью объемного оптического резонатора, кольцевого ресивера и выпускной трубы.The technical result obtained when developing an engine for implementing a method of generating a gas-dynamic laser radiation provides that a known gas-turbine engine with a gas-dynamic laser integrated in a single structure, comprising a low-pressure cascade compressor, a high-pressure cascade compressor, a combustion chamber, a high-pressure turbine, a low-pressure turbine, a system in the form of a sequence of supersonic Laval nozzles, an optical resonator and a jet nozzle, on offer, is equipped with output linear optical laser beam resonator located around the combustion chamber of the engine, an additional annular sectional combustion chamber, forming critical sections of the Laval nozzles, at least two annular chambers connected to the sources of supply of ballast gases, an annular receiver with an exhaust pipe exhaust gases, optical the resonator is made in the form of a ring-shaped volume resonator and is connected to the annular receiver with an exhaust pipe, and the cameras are arranged in series in the direction of gas flow between the annular sectional chamber and the volumetric optical resonator, the system of supersonic nozzles is made of inserts in the form of throttle blade guides forming critical sections, the inserts are installed in the annular chambers of ballasting gases, and the cavities of the holes of the critical sections and chambers are in communication with the supply sources ballast gases, while the output linear optical cavity of the laser beam formation is in communication with the volume optical cavity, and the nozzle bores are connected to Amers are interconnected with each other, with each nozzle of an additional annular sectional chamber, with the cavity of a volumetric optical resonator, an annular receiver and an exhaust pipe.

Дополнительная кольцевая секционная камера сгорания снабжена системой плазменного зажигания, а объемный оптический резонатор кольцевого типа выполнен в виде замкнутой полости, в которой излучение распространяется по замкнутой траектории в одном направлении. Объемный оптический резонатор кольцевого типа выполнен в виде тела вращения и может быть выбран в виде одной конфигурации из группы: прямоугольной, цилиндрической, коаксиальной или торообразной. Объемный оптический резонатор кольцевого типа может быть выполнен в виде замкнутой полости, ограниченной наружной и внутренней стенками в виде многогранников.An additional annular sectional combustion chamber is equipped with a plasma ignition system, and a ring-type volumetric optical resonator is made in the form of a closed cavity in which radiation propagates along a closed path in one direction. The ring-shaped volumetric optical resonator is made in the form of a body of revolution and can be selected in the form of a single configuration from the group: rectangular, cylindrical, coaxial or toroidal. The ring-shaped volumetric optical resonator can be made in the form of a closed cavity bounded by the outer and inner walls in the form of polyhedrons.

Сущность заявляемого способа генерации излучения газодинамического лазера интегрированного в единую конструкцию газотурбинного двигателя пример его реализации и конструкция газотурбинного двигателя поясняется графическими материалами.The essence of the proposed method for generating radiation from a gas-dynamic laser integrated into a single design of a gas turbine engine, an example of its implementation and the design of a gas turbine engine is illustrated by graphic materials.

Фиг. 1 - схема авиационного газотурбинного двигателя с интегрированным в единую конструкцию газодинамическим лазером;FIG. 1 is a diagram of an aircraft gas turbine engine with a gas-dynamic laser integrated into a single structure;

Фиг. 2 - схема создания инверсии молекулы СО₂ на переходах (001) (100) и (001) (020) в типах СО₂ лазеров;FIG. 2 is a diagram of creating an inversion of a CO ₂ molecule at the (001) (100) and (001) (020) transitions in types of CO ₂ lasers;

Фиг. 3 - изменения показателя инверсионного состояние системы от скорости возбуждения и масштаба времени искусственной «заморозки» генераторами балластировки газом СО₂;FIG. 3 - changes in the indicator of the inversion state of the system from the excitation rate and the time scale of artificial “freezing” by ballast generators with CO ₂ gas;

Фиг. 4 - изменение относительного числа

колебательных квантов на одну молекулу азота в критическом сечении от коэффициента избытка окислителя;FIG. 4 - change in relative number

vibrational quanta per nitrogen molecule in a critical section from the coefficient of excess oxidizer;

Фиг. 5 - фрагмент вставок в виде дроссельных лопаточных направляющих, образующих критические сечения сопел сопряженные с источниками балластировочных газов.FIG. 5 is a fragment of inserts in the form of throttle vanes, forming critical sections of nozzles conjugated with sources of ballast gases.

Газотурбинный двигатель с интегрированным в единую конструкцию газодинамическим лазером содержит входное устройство 1, компрессор низкого давления (КНД) 2, компрессор высокого давления (КВД) 3, основную камеру сгорания 4, дополнительную камеру сгорания 5, торрообразный или бочкообразный оптический резонатор (световод-усилитель) 6, выводной линейный оптический резонатор формирования лазерного луча 7, турбину высокого давления 8, спрямляющую лопаточную решетку 9, турбину низкого давления 10, сопло газотурбинного двигателя 11, выпускную трубу отработанных газов лазера 12, выпускной торрообразный ресивер 13, кольцевые баластировочные камеры 14 и 15, соединенные с источниками подачи балластировочных газов и системой кольцевых сверхзвуковых сопел, выполненых из вставок в виде дроссельных лопаточных направляющих, образующих критические сечения (на фиг не показано), плазменная свеча зажигания 16 и пуско /отсечной управляемый клапан 17.A gas turbine engine with a gasdynamic laser integrated into a single structure includes an input device 1, a low pressure compressor (LPC) 2, a high pressure compressor (HPC) 3, a main combustion chamber 4, an additional combustion chamber 5, a toroidal or barrel-shaped optical resonator (optical fiber amplifier) 6, the output linear optical resonator for the formation of the laser beam 7, a high pressure turbine 8, a straightening vanes 9, a low pressure turbine 10, a nozzle of a gas turbine engine 11, an exhaust pipe o laser gases 12, torr-shaped exhaust receiver 13, annular ballast chambers 14 and 15 connected to ballast gas supply sources and a system of annular supersonic nozzles made of inserts in the form of throttle blade guides forming critical sections (not shown in Fig.), plasma candle ignition 16 and start / shutoff controlled valve 17.

Механизм возникновения инверсии в лазере.The mechanism of inversion in a laser.

Для двухатомных газов в лазерах, инверсия создается на переходах (001) (100) и (001) (020), например молекулы СО₂ (Фиг. 2). В заселении верхнего рабочего уровня (001) важную роль играют процессы резонансной передачи энергии возбуждения от молекул баластировочного газа, например N₂ - азота с учетом дополнительной балластировки активной среды лазера охлажденным, например углекислым газом СО₂ и подогретым азотом N₂генераторами (п. 14, 15 на Фиг. 1) из вставок в виде дроссельных лопаточных направляющих, образующих критические сечения, установленных в кольцевых камерах подачи балластировочных газов настроенных на реализацию эффекта Джоуля-Томсона.For diatomic gases in lasers, an inversion is created at the transitions (001) (100) and (001) (020), for example, CO ₂ molecules (Fig. 2). An important role in the population of the upper working level (001) is played by the processes of resonant transfer of excitation energy from molecules of a ballasting gas, for example, N ₂ - nitrogen, taking into account additional ballasting of the laser active medium by a cooled, for example, carbon dioxide CO ₂ and heated by nitrogen N ₂ generators (p. 14 , 15 in Fig. 1) from inserts in the form of throttle vanes, forming critical sections, installed in the annular chambers for supplying ballast gases configured to implement the Joule-Thomson effect.

Специфика тепловой накачки проявляется в том, что в данном случае колебательные уровни молекул N₂ и СО₂ в лазере заселяются за счет теплового, а не электронного возбуждения. При этом принципиально важно различие времен релаксации верхних и нижних уровней. Релаксация уровня возбуждения молекулы N₂ и уровня (001) молекулы СО₂ осуществляется за счет газокинетического механизма передачи энергии (здесь не рассматривается резонансная передача энергии от азота к углекислому газу), тогда как релаксация уровней (100) и (020) молекулы СО₂ происходит за счет резонансного механизма. Поскольку скорость резонансной передачи энергии значительно выше, чем газокинетической, то верхний рабочий уровень молекулы СО₂ должен релаксировать медленнее, чем нижние рабочие уровни. Особенно медленно релаксирует колебательный уровень молекулы N₂. Если продукты сгорания авиационного топлива, содержащие смесь СО₂+N₂ нагретых до температуры, равной примерно 2700-2850 K, быстро расширяются, проходя через узкие щелевые критическое сечения сопла (точнее, через сопловые блоки 14, 15 на Фиг. 1). При этом происходит резкое возрастание кинетической энергии молекул за счет расширения в сопловой «решетке», из которой поток газа выходит со сверхзвуковой скоростью, М_а=3-5. Энергия поступательного движения молекул, в основном, возникает за счет энергии колебательного движения. Этот процесс приводит к тому, что при выходе из сопла происходит быстрая релаксация колебательных уровней. При этом релаксация наступает не на всех колебательных уровнях, а именно на тех, для которых время релаксации меньше, т.е. нижние рабочие уровни (020) и (100) молекулы СО₂. Уровень (001) молекулы СО₂, а также колебательный уровень молекулы N₂ при достаточно быстром расширении газа не успевают заметно релаксировать, т.е. процесс «замораживается» на определенном расстоянии равном эффективной длине оптического резонатора. В рабочем объеме, т.е. в условиях достаточно разреженного газа (давление на срезе сопла не выше 0,1 -1.0 атм.) на этих уровнях практически вообще не происходит релаксации. Наблюдается эффект «замораживания» верхних колебательных степеней свободы, поддержание которых должен обеспечить дополнительным «охлаждением СО₂ - нагревом N₂» предлагаемыми генераторами с применением эффекта Джоуля-Томсона, встроенных в область критических сечений щелевых лопаточных решеток, поз. 14, 15 на Фиг. 1.The specificity of thermal pumping is manifested in the fact that in this case, the vibrational levels of N ₂ and CO ₂ molecules in the laser are populated by thermal, rather than electronic, excitation. In this case, the difference in the relaxation times of the upper and lower levels is fundamentally important. The relaxation of the level of excitation of the N ₂ molecule and the (001) level of the CO ₂ molecule is due to the gas-kinetic mechanism of energy transfer (resonant energy transfer from nitrogen to carbon dioxide is not considered here), while the relaxation of the (100) and (020) levels of the CO ₂ molecule occurs due to the resonant mechanism. Since the resonance energy transfer rate is much higher than the gas kinetic one, the upper working level of the CO ₂ molecule should relax more slowly than the lower working levels. The vibrational level of the N ₂ molecule relaxes especially slowly. If the products of combustion of aviation fuel containing a mixture of CO ₂ + N ₂ heated to a temperature of about 2700-2850 K expand rapidly, passing through narrow slotted critical sections of the nozzle (more precisely, through nozzle blocks 14, 15 in Fig. 1). In this case, there is a sharp increase in the kinetic energy of the molecules due to expansion in the nozzle "lattice", from which the gas flow exits at a supersonic speed, M _a = 3-5. The energy of the translational motion of molecules mainly arises from the energy of vibrational motion. This process leads to the fact that when exiting the nozzle there is a rapid relaxation of the vibrational levels. In this case, relaxation does not occur at all vibrational levels, but precisely at those for which the relaxation time is shorter, i.e. lower working levels (020) and (100) of the CO ₂ molecule. The level (001) of the CO ₂ molecule, as well as the vibrational level of the N ₂ molecule with a sufficiently rapid expansion of the gas do not have time to noticeably relax, i.e. the process is “frozen” at a certain distance equal to the effective length of the optical resonator. In the working volume, i.e. Under conditions of a sufficiently rarefied gas (pressure at the nozzle exit not higher than 0.1 -1.0 atm.), relaxation generally does not occur at these levels. Observed the effect of "freezing" the upper vibrational degrees of freedom, which must ensure the maintenance of extra "cooling CO ₂ - N ₂ heating" proposed generators using Joule-Thomson effect, embedded in the region of the critical sections of slotted blade arrays, pos. 14, 15 in FIG. one.

В соответствии с физической модель возбужденного (неравновесного) состояния в интегрированном газодинамическом лазере (см. рисунок 2) между энергетическими уровнями верхним - Е₂ (условно метастабильный) и нижем - Е₁, квантовые переходы и определяют излучение когерентных фотонов. Спонтанное излучение, в этом случае, описывается соотношением видаIn accordance with the physical model of the excited (nonequilibrium) state in an integrated gas-dynamic laser (see Figure 2) between the upper energy levels - E ₂ (conditionally metastable) and the lower - E ₁ , quantum transitions determine the radiation of coherent photons. Spontaneous emission, in this case, is described by a relation of the form

здесь: В_р - скорость возбуждения; N_i - число электронов на соответствующем энергетическом уровне; B_ij - скорости квантовых переходов; c_i - коэффициенты поглощения; t₂ - время нахождения электрона на энергетическом уровне Е₂.here: In _p - the rate of excitation; N _i is the number of electrons at the corresponding energy level; B _ij are the rates of quantum transitions; c _i are the absorption coefficients; t ₂ - the time spent by the electron at the energy level E ₂ .

Решение уравнения (1) приводится в видеThe solution of equation (1) is given in the form

где N=N₁+N₂ - общее число электронов процесса релаксации.where N = N ₁ + N ₂ is the total number of electrons in the relaxation process.

Анализ зависимости (2) показывает, что условие обращения или населенности энергетического уровня, т.е. инверсионного состояния системы определяется соотношением

При этом инверсионное состояние системы тем выше, чем больше значение принимает выражениеAn analysis of dependence (2) shows that the condition of the circulation or population of the energy level, i.e. the inversion state of the system is determined by the relation

Moreover, the inversion state of the system is higher, the greater the value takes the expression

При использовании в предлагаемом способе излучения интегрированного газодинамического лазера на генераторах, построенных на эффекте Джоуля-Томсона - t₂→(τ_Σзам>t₂). Качественная картина изменения соотношения (3) представлено на Фиг. 3. На графиках Фиг. 3 видно, что чем больше время «заморозки» балластировочными генераторами продуктов горения авиационного топлива в дополнительной камере сгорания (Фиг. 1 5) лазера - τ_Σзам, тем больше заселен метастабильный уровень Е₂ электронами N₂ и тем выше ожидается величина квантового КПДWhen using the proposed method of radiation of an integrated gas-dynamic laser on generators built on the Joule-Thomson effect - t ₂ → (τ _Σзам > t ₂ ). A qualitative picture of the change in relation (3) is presented in FIG. 3. In the graphs of FIG. Figure 3 shows that the longer the “freezing” by the ballast generators of the aviation fuel combustion products in the additional combustion chamber (Fig. 1 5) of the laser is τ _Σzam , the more the metastable level E ₂ is populated by the N ₂ electrons and the higher the quantum efficiency is expected

где: Е_изл - энергия излучения.where: E _Iz - radiation energy.

Качественная картина изменения соотношения (3) в зависимости от скорости возбуждения и масштаба времени искусственной «заморозки» генераторами балластировки охлажденным газом СО₂, построенными на эффекте Джоуля-Томсона и нагретым азотом N₂ состава рабочего тела в системе сопел газодинамического лазера приведена на Фиг. 3. Здесь скорость возбуждения и время релаксации соответственно масштабированы.A qualitative picture of the change in relation (3) depending on the excitation rate and the time scale of artificial “freezing” by ballast generators with chilled CO ₂ gas built on the Joule-Thomson effect and heated N ₂ nitrogen _of the working fluid composition in the nozzle system of a gas-dynamic laser is shown in FIG. 3. Here, the excitation rate and relaxation time are respectively scaled.

Проведенные расчеты показывают, что за счет подачи резко охлажденного газа СО₂ до состояния околокритического флюида (охлаждение примерно до Т_СО2=(120-150) К) в область до критического сечения системы щелевых сопел совместно с нагретым азотом N₂ до T_N2=(1800-2000) К, инверсия населенности резко возрастает, что приводит к увеличению квантового КПД в несколько раз, результаты расчетов представлены на Фиг. 3.The calculations show that due to the supply of sharply chilled CO ₂ gas to a state of near-critical fluid (cooling to approximately T _CO2 = (120-150) K) in the region to the critical section of the slotted nozzle system together with heated nitrogen N ₂ to T _N2 = ( 1800-2000) K, the population inversion sharply increases, which leads to an increase in the quantum efficiency by several times, the calculation results are presented in FIG. 3.

В переходной области (области щелевых сопла) происходит практически полное очищение уровня 020 (см. Фиг. 2) и только небольшое уменьшение заселенности уровня (001). В рабочем объеме заселенность уровня (001) практически «замораживается» при значении, примерно соответствующем температуре в дополнительной камере сгорания 5. Инверсия заселенностей уровней (001) и (020): молекулы СО₂ поступают в рабочий объем с практически незаселенными нижними рабочими уровнями (точнее, заселенность этих уровней соответствует примерно температуре Т_со2). Что же касается верхнего рабочего уровня, то он оказывается заселенным, как если бы газ продолжал находиться при температуре Т_д.кс.. При этом оказывается «замороженной» также заселенность колебательного уровня молекул N₂. Возбужденные молекулы N₂, за счет дополнительного нагрева, будут резонансно передавать энергию возбуждения молекулам СО₂ и тем самым поддерживать относительно повышенную заселенность уровня (001). В газодинамическом лазере азот - N₂ в количественном отношении является основным компонентом смеси - около 80% продуктов сгорания авиационного топлива без добавочной балластировки. Поэтому можно считать, что энергия когерентного излучения черпается в основном за счет колебательной «энергии молекул азота». Балластировка нагретым азотом N₂газодинамического лазера приводит к увеличению его процентного содержания в продуктах сгорания авиационного топлива. Таким образом, энергия, запасенная в колебательных степенях свободы молекул, находящихся в дополнительной камере (5), расходуется при переходе газовой смеси в рабочий объем внутреннего контура через сопло. Та часть энергии газовой меси, которая была запасена в симметричных деформационных колебаниях молекул СО₂, превращается в энергию поступательного движения потока, выходящего из системы сопел (14, 15). Энергия же, запасенная в асимметричных колебаниях молекул СО₂ и в колебаниях молекул N₂ превращается за вычетом потерь в резонаторе в энергию когерентного оптического излучения. Применение генераторов, построенных на эффекте Джоуля-Томсона для балластировки лазера приводит к временной (вдоль потока газа с высокой скоростью по длине сопла) «заморозке» состава продуктов сгорания авиационного топлива. При этом можно ожидать, что относительное число

колебательных квантов на одну молекулу азота сохранится в пределах более высоких, чем для обычных схем известных газодинамических лазеров. Это обстоятельство подтверждается дальнейшими теоретическими оценками.In the transition region (the area of the slotted nozzle), the level 020 is almost completely cleared (see Fig. 2) and only a small decrease in the population of the level (001) occurs. In the working volume, the population of the level (001) practically “freezes” at a value approximately corresponding to the temperature in the additional combustion chamber 5. Inversion of the populations of the levels (001) and (020): CO ₂ molecules enter the working volume with almost un populated lower working levels (more precisely , the population of these levels corresponds approximately to the temperature T _co2 ). As for the upper working level, it turns out to be populated, as if the gas continued to be at temperature T _d.x. . In this case, the population of the vibrational level of N ₂ molecules is also “frozen”. Excited N ₂ molecules, due to additional heating, will resonantly transfer the excitation energy to CO ₂ molecules and thereby maintain a relatively high population of the (001) level. In a gas-dynamic laser, nitrogen - N ₂ is quantitatively the main component of the mixture - about 80% of the combustion products of aviation fuel without additional ballasting. Therefore, we can assume that the energy of coherent radiation is derived mainly from the vibrational “energy of nitrogen molecules”. Ballasting with heated nitrogen N ₂ gas-dynamic laser leads to an increase in its percentage in the combustion products of aviation fuel. Thus, the energy stored in the vibrational degrees of freedom of the molecules in the additional chamber (5) is consumed during the transition of the gas mixture into the working volume of the internal circuit through the nozzle. The part of the energy of the gas mess which was stored in the symmetric deformation vibrations of the CO ₂ molecules is converted into the energy of the translational motion of the stream leaving the nozzle system (14, 15). The energy stored in the asymmetric vibrations of CO ₂ molecules and in the vibrations of N ₂ molecules is converted, after deducting losses in the cavity, into the energy of coherent optical radiation. The use of generators based on the Joule-Thomson effect for laser ballasting leads to a temporary (along the gas flow with a high velocity along the nozzle length) “freezing” of the composition of aviation fuel combustion products. Moreover, we can expect that the relative number

vibrational quanta per nitrogen molecule will remain within the range higher than for conventional schemes of known gas-dynamic lasers. This circumstance is confirmed by further theoretical estimates.

На Фиг. 4. Приведено изменение относительного числа

колебательных квантов на одну молекулу азота в критическом сечении дополнительной кольцевой камере сгорания (5) интегрированного газодинамического лазера в зависимости от коэффициента избытка окислителя при различном давлении: (графики сверху вниз) 0.1 МПа; 0.09 МПа и 0.08 МПа соответственно. Здесь затемненным сектором отмечено предел значений

полученных для стационарных газодинамических лазеров известных конструкций.In FIG. 4. The change in the relative number

vibrational quanta per nitrogen molecule in a critical section of an additional annular combustion chamber (5) of an integrated gas-dynamic laser depending on the coefficient of excess oxidizer at different pressures: (graphs from top to bottom) 0.1 MPa; 0.09 MPa and 0.08 MPa, respectively. Here the shaded sector marks the limit of values

obtained for stationary gas-dynamic lasers of known designs.

Анализ графиков представленных на Фиг. 4 показывает, что при оптимальном значении коэффициента избытка окислителя ожидается полное горение авиационного топлива при максимальной температуре, без сажеобразования, что особенно важно для эффективной работы системы оптических резонаторов, поз. 6 и 7 Фиг. 1. При этом наблюдается значительное увеличение относительного числа

колебательных квантов на одну молекулу азота в критическом сечении дополнительной кольцевой камере сгорания (5) интегрированного лазера от 14% до 18%, что в 1.38-2.25 раза больше, чем у известных газодинамических лазерах.Analysis of the graphs shown in FIG. 4 shows that at the optimum value of the coefficient of excess oxidizer, complete combustion of aviation fuel is expected at maximum temperature, without soot formation, which is especially important for the effective operation of the system of optical resonators, pos. 6 and 7 of FIG. 1. At the same time, there is a significant increase in the relative number

vibrational quanta per nitrogen molecule in the critical section of the additional annular combustion chamber (5) of the integrated laser from 14% to 18%, which is 1.38-2.25 times greater than that of known gas-dynamic lasers.

Увеличение относительного числа

объясняется тем, что в дополнительной камере сгорания (5) организовано полное и оптимальное горение авиационного топлива при максимально возможной температуре. Приведенные теоретические оценки подтверждают возможность получения излучения газодинамического лазера интегрированного в конструкцию газотурбинного двигателя.Relative number increase

due to the fact that in the additional combustion chamber (5) a complete and optimal combustion of aviation fuel is organized at the highest possible temperature. The above theoretical estimates confirm the possibility of obtaining radiation from a gas-dynamic laser integrated in the design of a gas turbine engine.

Пример.Example.

Работа газотурбинного двигателя с интегрированным в его единую конструкцию газодинамического лазера в соответствии с изобретением, показана на примере авиационного газодинамического СО₂ лазера установленного на летательном аппарате.The operation of a gas turbine engine with an integrated gasdynamic laser in accordance with the invention is shown by the example of an aircraft gasdynamic CO ₂ laser mounted on an aircraft.

Бортовой САУ летательного аппарата на заданном режиме работы газотурбинного двигателя и высоты полета подается команда на запуск лазера. После команды «пуск» включается пусковой пневматический клапан 17 подачи воздуха от КВД (3), совмещенный с расходомером, в тракт питания и охлаждения дополнительной камеры сгорания лазера 5 от тракта питания основной камеры сгорания 4 при заданной температуре около Т_вх=(600-900) K. Нагретый сжатый воздух через клапан 17 поступает в дополнительную кольцевую камеру сгорания лазера 5 при заданном давлении Р_вх и массовом расходом G_воз, измеряемым встроенным расходомером. По определенному расходу воздуха по команде САУ двигателя в дополнительную камеру сгорания 5 подают заданный массовый расход авиационного керосина G_кep, который обеспечивает получение рабочей смеси топлива и пушечный запуск камеры плазменными свечами 16, а также полное горение рабочей смеси при коэффициенте избытка окислителя α_ок≈1.0 при максимальной температуре Т_д.кс=(2550-2850) K. Далее продукты сгорания камеры 5 поступают в сопловую лопаточную решетку критических сечений 14, 15 совмещенными с балластировочными газодинамическими генераторами, построенными на эффекте Джоуля-Томсона для нагрева или охлаждения балластировочных газов: азота N₂ и углекислого газа СО₂. В качестве газодинамических генераторов в рассматриваемом примере использованы известные генераторы фрагмент конструкции которой приведен на Фиг. 5. По команде бортовой САУ летательного аппарата включаются пусковые клапаны аккумуляторов давления для подачи балластировочных газов (на схеме рисунка 1 не показаны). Нагретые или охлажденные в газодинамических генераторах Джоуля-Томсона балластировочные газы после охлаждения критических сечений лопаточных решеток балластируют продукты сгорания дополнительной камеры 5 в зоне критических сечений для получения максимальной эффективности активной среды лазера при сверхзвуковом расширении в соплах до скоростей М_а=(3 - 5). При этом эффективность активной среды (АС) оценивается величиной квантового КПД лазера, который регулируется путем комбинации подачи балластировочных газов и определяет эффективность процесса инверсии заселенности энергетических уровней (АС) лазера. Подготовленная таким образом активная среда при температуре Т_АС=(350-400) K и скорости газового потока М_а=(3-5) поступает в зону специального торообразного или бочкообразного оптического резонатора усилителя 6 совмещенного с выпускным линейным резонатором 7. В составном оптическом резонаторе 7 и 6 увеличенного объема усиливается и формируется фазированный лазерный луч, который фокусируется управляющей выводной оптической системой и передается потребителям. Далее продукты сгорания лазера поступают в выпускной ресивер 13, где формируется поток выхлопных газов в выпускной удлинительной трубе 12, который выбрасывается за пределы газотурбинного двигателя через регулируемые выпускные сечения сопла (на рисунке не показано) в зависимости от высоты полета летательного аппарата и режима работы двигателя. После отработки рабочего режима излучения бортовой САУ формируется команда прекращения подачи горючего - керосина в дополнительную камеру сгорания 5 и выключения авиационного газодинамического СО₂ лазера через отсечку подачи воздуха включением отсечного клапана 17 с некоторой временной задержкой, которая обеспечивает охлаждение камеры 5 перед повторным запуском лазера. Одновременно САУ проводится отключение аккумуляторов давления.The aircraft’s on-board self-propelled guns at a given operating mode of the gas turbine engine and flight altitude are given a command to start the laser. After the “start” command, the starting pneumatic valve 17 for supplying air from the HPC (3), combined with a flowmeter, to the power and cooling path of the additional laser combustion chamber 5 from the power path of the main combustion chamber 4 at a given temperature near T _in = (600-900 ) K. The heated compressed air through the valve 17 enters the additional annular combustion chamber of the laser 5 at a given pressure P _in and mass flow G _cart measured by the built-in flow meter. At a certain air flow rate, at the command of the engine control system, an additional mass flow rate of aviation kerosene G _{kep is} supplied to the additional combustion chamber 5, which ensures the production of a working fuel mixture and the cannon launch of the chamber by plasma candles 16, as well as the complete combustion of the working mixture with an oxidizer excess coefficient α _ok ≈ 1.0 at a maximum temperature T _d.x = (2550-2850) K. Then, the combustion products of chamber 5 enter the nozzle blade grating of critical sections 14, 15 combined with ballasting gas-dynamic generators based on the Joule-Thomson effect for heating or cooling ballast gases: nitrogen N ₂ and carbon dioxide CO ₂ . In the example under consideration, the well-known generators are used as gas-dynamic generators; 5. At the command of the aircraft’s on-board self-propelled guns, the starting valves of the pressure accumulators for supplying ballast gases are turned on (not shown in the diagram of Figure 1). Ballast gases heated or cooled in gas-dynamic Joule-Thomson generators after cooling of the critical sections of the blade gratings ballast the products of combustion of the additional chamber 5 in the zone of critical sections in order to obtain the maximum efficiency of the laser active medium with supersonic expansion in nozzles to velocities M _a = (3 - 5). In this case, the efficiency of the active medium (AS) is estimated by the quantum efficiency of the laser, which is controlled by a combination of ballasting gases and determines the efficiency of the process of inverting the population of laser energy levels (AS). The active medium thus prepared at a temperature T _AC = (350-400) K and a gas flow rate M _a = (3-5) enters the zone of a special toroidal or barrel-shaped optical resonator of amplifier 6 combined with an outlet linear resonator 7. In a composite optical resonator 7 and 6 of the increased volume, a phased laser beam is amplified and formed, which is focused by the control output optical system and transmitted to consumers. Next, the laser combustion products enter the exhaust receiver 13, where the exhaust gas stream is formed in the exhaust extension pipe 12, which is ejected outside the gas turbine engine through adjustable exhaust nozzle sections (not shown in the figure) depending on the flight altitude of the aircraft and the engine operating mode. After working the working board ACS radiation mode generated command fuel supply stop - additional kerosene in the combustion chamber 5 and off of aircraft gas dynamic CO laser ₂ through the air supply cutoff turning off valve 17 with a certain time delay which provides cooling chamber 5 before restarting the laser. At the same time, self-propelled guns shut off pressure accumulators.

В таблице приведены результаты испытаний авиационного газодинамического СО₂ лазера, установленного на летательном аппарате.The table shows the test results of an aircraft gas-dynamic CO ₂ laser mounted on an aircraft.

Анализ результатов показал, что в сравнении с известным решением, предложенный способ генерации излучения газодинамического лазера, позволяет повысить удельную мощность излучения газодинамического лазера до 240 кВт и общий КПД до 30%. Другим техническим результатом является упрощение конструкции лазера, повышение надежности и снижение металлоемкости двигателя, повышение коэффициента массовой эффективности до (0,4…0,6) кг/кВт, расширение функциональных возможностей газотурбинного двигателя и универсальность авиационного газодинамического лазера, который в виде модульной вставки может быть использован как в уже эксплуатируемых, так и вновь создаваемых двигателях.An analysis of the results showed that, in comparison with the known solution, the proposed method for generating radiation from a gas-dynamic laser allows increasing the specific radiation power of a gas-dynamic laser to 240 kW and the overall efficiency to 30%. Another technical result is to simplify the design of the laser, increase reliability and reduce the metal consumption of the engine, increase the mass efficiency coefficient to (0.4 ... 0.6) kg / kW, expand the functionality of the gas turbine engine and the versatility of the aviation gas-dynamic laser, which in the form of a modular insert can be used both in already used and newly created engines.

Примечание * - оценки коэффициентов эффективности лазера: сопловой системы - (ϕ _с ≈ 0.5; составного оптического резонатора - ϕ _р≈0.7; тепловой накачки -η_m _.н = 0.95; эффективность доп. камеры сгорания лазера -η _к.с≈0.98. Note * - estimation coefficients laser efficiency: nozzle system - (φ _from ≈ 0.5; composite optical resonator - φ _p ≈0.7; heat pump -η _m _.H = 0.95; efficiency combustor additional laser - η _KS ≈0.98..

Claims

1. A method for generating radiation from a gas-dynamic laser integrated into a single gas turbine engine design, including supplying air and fuel to the engine combustion chamber, organizing a supersonic gas flow in critical sections, creating a population inversion in this flow, using it to form coherent radiation, and forming a laser structure beam, characterized in that air and fuel are fed into an additional annular sectional combustion chamber, forming supersonic gas flows in critical cross sections located around the combustion chamber of the engine, and to create a population inversion, supersonic gas flows in critical sections are additionally supplied with ballast gases, the temperature and pressure of which are regulated to achieve the Joule-Thomson effect, while the flow of ballast gases is set depending on the operating mode of the gas turbine engine.

2. A method for generating radiation from a gas-dynamic laser according to claim 1, characterized in that, at least in three critical sections, the phase composition of the gas stream is provided in the form of a near-critical fluid.

3. The method of generating radiation from a gas-dynamic laser according to claim 1, characterized in that carbon dioxide (CO ₂ ) and nitrogen (N ₂ ) are used as ballast gases.

4. The method for generating radiation from a gas-dynamic laser integrated into a single gas turbine engine design according to claim 3, characterized in that the output power of an aviation gas-dynamic laser using carbon dioxide ballasting gas (CO ₂ ) and nitrogen (N ₂ ) is determined by the dependence constructed based on the Joule-Thomson effect to increase the efficiency of the active medium of the laser according to the formula:

where h is Planck's constant; ν is the radiation frequency;

- a given mass flow rate of hydrocarbon fuel in an additional laser combustion chamber; A _ν is the Avogadro number; A _i is the atomic weight of the i-th component in the combustion product; p _i (P ₂ , T, α _ok ) is the partial fraction of the i-th component in the combustion product at the calculated temperature

and pressure P _dx = P ₂ specified by the engine operation mode;

- temperature of activation of a nitrogen molecule; i ₁ = (pN ₂ ); i ₂ = (pCO ₂ ); α _ok - the coefficient of excess oxidizing agent; The energy coefficient K _k.ef and the design efficiency of the laser is introduced in the form

where k _B <1.0 - ballasting of the active medium of the laser with nitrogen (N ₂ ) and carbon dioxide (CO ₂ ); ϕ _c = (0.3-0.5) - nozzle; ϕ _r = (0.4-0.8) of a special optical resonator; η _K..c = (0.95-0.98) of the laser combustion region (chamber); η _so-called = (0-80-0.95) heat pump.

5. A gas turbine engine with a gas-dynamic laser integrated in a single structure, comprising a low-pressure cascade compressor, a high-pressure cascade compressor, a combustion chamber, a high-pressure turbine, a low-pressure turbine, a system in the form of a series of supersonic Laval nozzles, an optical resonator and a jet nozzle, characterized in that it is equipped with an output linear optical laser beam resonator located around the combustion chamber of the engine, an additional annular section a combustion chamber, forming critical sections of Laval nozzles, at least two annular chambers connected to the sources of supply of ballast gases, an annular receiver with an exhaust pipe exhaust gases, the optical resonator is made in the form of a volume resonator ring type and connected to the annular receiver with an exhaust pipe and the chambers are sequentially located along the gas flow between the annular sectional chamber and the volume optical resonator, the system of supersonic nozzles is made of inserts in e throttle vanes, forming critical sections, the inserts are installed in the annular chambers for supplying ballast gases, and the cavities of the holes of critical sections and chambers are in communication with sources for supplying ballast gases, while the output linear optical cavity for generating the laser beam is in communication with the volume optical resonator, and the nozzle holes cameras are interconnected with each other, with each nozzle of an additional annular sectional chamber, with a cavity of a volume optical resonator, an annular receiver and the exhaust pipe.

6. A gas turbine engine with a gas-dynamic laser integrated in a single structure according to claim 5, characterized in that the additional annular sectional combustion chamber is equipped with a plasma ignition system.

7. A gas turbine engine with a gas-dynamic laser integrated in a single structure according to claim 5, characterized in that the ring-shaped optical resonator is made in the form of a closed cavity in which the radiation propagates along a closed path in one direction.

8. A gas turbine engine with a gas-dynamic laser integrated in a single structure according to claim 7, characterized in that the ring-shaped optical resonator is made in the form of a body of revolution.

9. A gas turbine engine with a gas-dynamic laser integrated in a single structure according to claim 8, characterized in that the ring-shaped cavity resonator in the form of a body of revolution is selected in the form of one configuration from the group: rectangular, cylindrical, coaxial, toroidal.

10. A gas turbine engine with a gas-dynamic laser integrated in a single structure according to claim 5, characterized in that the ring-shaped optical resonator is made in the form of a closed cavity bounded by outer and inner walls in the form of polyhedra.