單放電盒5kW橫流CO2激光器氣體流動(dòng)特性研究

楊衛(wèi)紅，唐霞輝*，肖龍勝，周泳全

（1.華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院，武漢430074；2.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，深圳518000）

單放電盒5kW橫流CO2激光器氣體流動(dòng)特性研究

楊衛(wèi)紅1，唐霞輝1*，肖龍勝1，周泳全2

（1.華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院，武漢430074；2.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，深圳518000）

為了解決傳統(tǒng)雙放電盒橫流5kW CO2激光器雙風(fēng)道、風(fēng)速小、體積龐大等問(wèn)題，研究開發(fā)了單放電盒橫流5kW CO2激光器，采用氣體動(dòng)力學(xué)、放電區(qū)氣體流場(chǎng)分析的方法，在保證風(fēng)機(jī)強(qiáng)度的前提下根據(jù)通風(fēng)機(jī)原理設(shè)計(jì)了一款鋁質(zhì)輕型離心風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的進(jìn)口直徑為382mm，出口直徑為451mm，蝸殼寬度為160mm，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，配置該風(fēng)機(jī)的單放電盒的5kW CO2激光器提高了功率穩(wěn)定性，放電區(qū)氣體平均流速?gòu)?0.8m/s提高到75.5m/s，縮小了弧光放電的面積，改善了近場(chǎng)光斑的強(qiáng)度及均勻性，采用鋁制風(fēng)機(jī)及單放電盒減小了激光器的整體重量和體積。這對(duì)CO2激光器向高功率、小體積、緊湊型發(fā)展具有重要意義。

激光器；橫流CO2激光器；氣體動(dòng)力學(xué)；離心風(fēng)機(jī)；流場(chǎng)分析

引 言

CO2激光器腔內(nèi)工作氣體密度低，因?yàn)榧す獾男⌒盘?hào)增益正比于反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，而CO2激光器工作過(guò)程中由于氣體放電電離以及工作時(shí)間長(zhǎng)，不能時(shí)刻保持工作氣體新鮮程度。工作物質(zhì)密度低是氣體放電激光器輸出功率不高的主要原因之一［1］。提高CO2激光器工作物質(zhì)的密度的方法中除了穩(wěn)定工作氣體的溫度之外，最關(guān)鍵的還是提高工作氣體的流速。雖然在氣體流道設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)拉開電極陰極和陽(yáng)極間的距離使氣流喉道加大，從而氣流很容易通過(guò)，可以獲得更高的注入功率。但是風(fēng)道設(shè)計(jì)和風(fēng)機(jī)的能力有關(guān)，當(dāng)極間距離加大后氣流速度會(huì)降低，使得工作氣體在放電區(qū)停留時(shí)間變長(zhǎng)，引起工作氣體溫度升高，反而引起激光功率下降。為了讓工作氣體在放電區(qū)停留的時(shí)間減少?gòu)亩拗茪怏w溫度的升高，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，提高氣體風(fēng)速非常關(guān)鍵。中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所的專家研究了不同氣壓下，氣體流速對(duì)激光器輸出功率的影響。結(jié)果認(rèn)為，當(dāng)氣壓低于11.98kPa時(shí)，氣體流速對(duì)激光功率的影響不明顯，但當(dāng)氣壓大于26.66kPa時(shí)，氣體流速對(duì)激光功率影響顯著并且沒(méi)有一定的規(guī)律，工作氣壓一定時(shí)輸出功率最初隨流速的增加而增加，在某一速率時(shí)，輸出功率達(dá)到最大值，然后隨流速的增加，又漸漸減小。激光器運(yùn)行中，要在具體條件下，優(yōu)化氣體流速與輸出功率之間的關(guān)系［2］，然后穩(wěn)定氣體流速，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高功率輸出。橫流CO2激光器氣體流過(guò)放電區(qū)的距離較短，功率/風(fēng)速最優(yōu)配比為5kW/（75m/s）。以往橫流激光器采用的橫流風(fēng)機(jī)的風(fēng)速一般停留在60m/s，不能滿足激光器長(zhǎng)時(shí)間大功率穩(wěn)定輸出。為了達(dá)到風(fēng)速優(yōu)化值，華中科技大學(xué)激光加工國(guó)家工程研究中心開發(fā)了HUST-5000型單放電盒5kW橫流電激勵(lì)連續(xù)CO2激光器，作者利用通風(fēng)機(jī)原理設(shè)計(jì)了一款實(shí)用新型激光器離心風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)速優(yōu)化值并且使該激光器輸出功率可穩(wěn)定在5kW。

1 單放電盒橫流氣體激光器風(fēng)機(jī)參量設(shè)計(jì)

1.1 橫流CO2激光器氣體流動(dòng)

圖1為華中科技大學(xué)激光加工國(guó)家工程中心生產(chǎn)的單放電盒5kW橫流電激勵(lì)連續(xù)CO2激光器結(jié)構(gòu)圖，其中圖1a為激光器結(jié)構(gòu)圖，圖1b為激光器梯形放電區(qū)截面圖。

MARIA指出：使混合氣體在器件中快速流動(dòng)，就能帶走因氣體放電而殘存的廢熱，從而有利于CO2的1000和0200能級(jí)的去空，有利于0001與1000之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，增加10.6μm的激光輻射，MARIA通過(guò)能級(jí)分析得到：

式中，Pf→∞和Pf→0分別為軸快流激光器放電區(qū)軸方向趨于無(wú)窮大和趨于0時(shí)的最大抽提功率密度；τf為氣體流經(jīng)放電區(qū)的時(shí)間；τ1和τ2為碰撞弛豫時(shí)間；σ為受激發(fā)射截面；I為激光束強(qiáng)度；hν為光子能量；T為氣體絕對(duì)溫度。

由（1）式可知，在氣體配比為最佳、氣體流速很大情況下，最大的抽提功率密度的比值隨氣體的流速而線性增加［3］，因此，縮短氣體流經(jīng)放電區(qū)的時(shí)間即提高氣體流速是提高橫流激光器功率的有效途徑。

1.2 風(fēng)機(jī)參量設(shè)計(jì)

離心風(fēng)機(jī)的主要性能參量有：流量、全壓（揚(yáng)程）、功率、轉(zhuǎn)速和效率。風(fēng)機(jī)工作時(shí)是葉輪帶動(dòng)氣流一起旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，使流體獲得能量，因此葉輪是實(shí)現(xiàn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為流體能量的主要部件。由于蝸殼形狀和大小的限制，蝸殼內(nèi)流場(chǎng)存在大量的旋渦和二次流，而這正是造成離心風(fēng)機(jī)效率低、噪聲高的主要原因。因此對(duì)于風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是葉輪和蝸殼的設(shè)計(jì)，對(duì)于葉輪而言就是葉輪進(jìn)口直徑、出口直徑、葉輪中葉片出口角，以及計(jì)算過(guò)程中一些參量的選取。而對(duì)于蝸殼的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵是蝸殼最大張開度的尺寸設(shè)計(jì)。本節(jié)中根據(jù)通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)原理對(duì)葉輪和蝸殼關(guān)鍵參量的尺寸進(jìn)行了分析和計(jì)算。

1.2.1 葉輪尺寸計(jì)算 風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)給定條件：風(fēng)機(jī)流量qv=15120m3/h，全壓p=500Pa，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速n= 2800r/min，風(fēng)機(jī)葉輪圓周速率u=873m/s，工作介質(zhì)密度ρ=0.103 kg/m3。圖2為風(fēng)機(jī)葉輪示意圖，圖3為全壓系數(shù)p 與葉輪葉片出口安裝角β間的關(guān)系曲線，由=解得=0.6。風(fēng)機(jī)葉輪外徑D2的計(jì)算公式如下［4］：

解得D2=451mm。

根據(jù)流量系數(shù)公式：

1.2.2 蝸殼參量計(jì)算 本實(shí)驗(yàn)離心式風(fēng)機(jī)的蝸殼采用矩形截面，設(shè)計(jì)時(shí)蝸殼的寬度比葉輪的出口寬度大，同時(shí)蝸殼矩形開口的長(zhǎng)度大于蝸殼與葉輪的徑向距離，使得氣流流出葉輪后流場(chǎng)體積得到擴(kuò)大并促進(jìn)流速發(fā)生相應(yīng)改變，蝸殼示意圖見圖4。

（1）蝸殼出口最大張開度A

蝸殼最大張開度A由下式計(jì)算：

式中，A的單位為mm；m為蝸殼系數(shù)，隨風(fēng)機(jī)的比轉(zhuǎn)速ny而定：

解得ny=6.1，根據(jù)蝸殼計(jì)算經(jīng)驗(yàn)取m=0.2，由（5）式、（6）式計(jì)算得A=195mm。

（2）蝸殼寬度B

蝸殼寬度B按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中，δ為附加余量，取值范圍為0～0.06，低ny取下限，高ny取上限。結(jié)果算得B=160mm，風(fēng)機(jī)葉輪及蝸殼實(shí)物圖見圖4。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

單放電盒橫流5kW CO2激光器氣體流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括高功率橫流CO2激光器整機(jī)，如圖5所示，該激光器是一種高功率工業(yè)用氣體激光器，主要應(yīng)用于金屬焊接、表面合金化、熱處理等。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果分析

2.2.1 風(fēng)速研究 實(shí)驗(yàn)中風(fēng)速儀所放位置分別為陽(yáng)極上沿光軸方向310mm的喉道處、陰極放電針處、光軸方向1230mm放電區(qū)中心處以及光軸方向2350mm處［6-11］。將不同氣壓下各測(cè)量點(diǎn)風(fēng)速測(cè)量值相加取平均列表，見表1和表2。測(cè)量時(shí)放電區(qū)平均溫度為25℃左右，風(fēng)速數(shù)據(jù)為風(fēng)機(jī)開啟至風(fēng)速穩(wěn)定每隔15s記錄數(shù)據(jù)，風(fēng)速隨氣壓變化關(guān)系曲線見圖6。

圖6a中曲線變化平穩(wěn)，大都集中在71m/s～79m/s范圍，其平均風(fēng)速為75.5m/s，這與5kW橫流CO2激光器所要求的風(fēng)速最優(yōu)值比較接近。而圖6b中風(fēng)速曲線變化范圍很大，風(fēng)速最高處可達(dá)80.2m/s，而風(fēng)速最低處僅為17.0m/s，整個(gè)放電區(qū)平均風(fēng)速僅為60.8m/s，與5kW橫流CO2激光器所要求的風(fēng)速最優(yōu)值相比有差距［10］，這也是激光器不能大功率穩(wěn)定輸出的原因之一。

2.2.2 放電均勻性研究 5kW橫流CO2激光器屬于大體積放電，其放電均勻性與穩(wěn)定性是影響注入功率提高的關(guān)鍵因素。氣體放電過(guò)程中，由于CO2氣體本身的熱分解和熱電離，使得工作氣體中的CO2的含量減少，導(dǎo)致反轉(zhuǎn)粒子的數(shù)量減少，因此激光器輸出功率的下降，縮短激光器的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，產(chǎn)生弧光放電。新風(fēng)機(jī)的采用提高了風(fēng)速，加速了氣體冷卻速度，有利于保持CO2的含量，降低了放電不均勻性。橫流CO2激光器的直流放電特性與工作氣壓、氣體成分等有關(guān)，實(shí)驗(yàn)中采用混合氣體的體積比為V（O2）∶V（N2）∶V（He）=1∶8∶7。對(duì)總氣壓分別為7.5kPa，8.0kPa及8.45kPa時(shí)進(jìn)行了放電實(shí)驗(yàn)，圖7為穩(wěn)定放電的V-i性曲線?？梢钥闯?，放電的V-i特性曲線平坦，放電電壓基本穩(wěn)定，隨電流變化的起伏不大，放電電壓隨氣壓的增加而升高，說(shuō)明放電屬于正常輝光放電（見圖8）。

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)有控制排水設(shè)施的排水溝排放的氮濃度比無(wú)控制排水設(shè)施的要低[12]，為此，在農(nóng)田鋪設(shè)地下排水管道，并安裝控制排水閥，與其集水的滲濾排水明溝及溝道出口處水量、水位控制構(gòu)筑物形成控制排水系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)精確調(diào)控排水溝渠中的水位，增加田間入滲量，控制農(nóng)田徑流的排出過(guò)程。

2.2.3 環(huán)形光斑均勻性研究 在放電條件和輸出功率相同的情況下，采用有機(jī)玻璃燒斑法對(duì)激光器采用新風(fēng)機(jī)前后非穩(wěn)環(huán)形光斑近場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行了比較，燒斑取樣圖見圖9，輸出光闌半徑為16mm的平凹穩(wěn)定腔離輸出鏡1m處的光斑，光束模式為TEM06模，光斑直徑為29mm。從圖9a和圖9b比較中可以清楚看出，由于新風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)速的提高及其平穩(wěn)性的改善，使得諧振腔振蕩模體積兩側(cè)處于激活介質(zhì)區(qū)域的有效長(zhǎng)度基本相等，因而環(huán)形光斑近場(chǎng)強(qiáng)度分布均勻性和幾何形狀對(duì)稱性較改善風(fēng)機(jī)前有了明顯改善。

2.2.4 功率特性研究 圖10為5kW橫流電激勵(lì)連續(xù)CO2激光器8h拷機(jī)功率曲線，其中氣壓變化范圍5500Pa～8800Pa，對(duì)應(yīng)原風(fēng)機(jī)的激光器功率曲線變化呈逐步下降趨勢(shì)，激光功率不能穩(wěn)定輸出，且最低值在4kW以下；而采用新的風(fēng)機(jī)激光器功率對(duì)應(yīng)各時(shí)間段始終維持在4.8kW～5.5kW之間穩(wěn)定輸出，其平均功率達(dá)到5kW，實(shí)現(xiàn)了大功率穩(wěn)定輸出。按照老風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下激光器的電光轉(zhuǎn)換效率為13%，可得出新風(fēng)機(jī)的電光轉(zhuǎn)換效率為18%。從曲線可以明顯看出，新風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)的激光器功率曲線穩(wěn)定性為±2%，優(yōu)于老風(fēng)機(jī)所對(duì)應(yīng)的激光器功率穩(wěn)定性±3%。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)5kW橫流電激勵(lì)連續(xù)CO2激光器風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)，并對(duì)采用的單放電盒的研究，得出如下結(jié)論：

（1）根據(jù)橫流5kW CO2激光器工作性能需要，鋁制離心風(fēng)機(jī)參量為：D2=451mm；D1=382mm；B=160mm。

（2）采用新風(fēng)機(jī)的單放電盒5kW橫流CO2激光器通過(guò)拷機(jī)實(shí)驗(yàn)得出電光轉(zhuǎn)換效率從13%提高到18%；功率穩(wěn)定性從±3%提高到±2%。

（3）從拷機(jī)實(shí)驗(yàn)可得出：?jiǎn)畏烹姾?kW橫流CO2激光器風(fēng)速實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)化值，風(fēng)速平均值為75.5m/s，并且在保證風(fēng)機(jī)強(qiáng)度的前提下采用鋁制風(fēng)機(jī)減輕整個(gè)激光器重量。單放電盒的采用減小了激光器的體積。

（4）采用新風(fēng)機(jī)的5kW橫流CO2激光器無(wú)論在近場(chǎng)光斑強(qiáng)度、光斑均勻性還是在抑制輝光放電方面都優(yōu)于配置老風(fēng)機(jī)的5kW橫流CO2激光器。

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Study on gas flow characteristics in 5kW transverse flow CO2laser with single discharge box

YANG Weihong1，TANG Xiahui1，XIAO Longsheng1，ZHOU Yongquan2
（1.School of Optics and Electronics Information，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China；2.Department of Mechanical and Electrical Engineering，Shenzhen Institute of Information Technology，Shenzhen 518000，China）

In order to solve the problem of a traditional 5kW transverse CO2laser with double discharge boxes，i.e.，small wind entrance，low wind velocity and large size，a 5kW CO2transverse laser with single discharge box was developed.Based on analysis of the flow field in the discharge area and gas dynamics，a lightweight aluminum centrifugal fan was designed on the premise of the same fan strength with entrance diameter of 382mm，outlet diameter of 451mm and volute width of 160mm.Then it was validated in experiments.The results show that，comparing with 5kW transverse laser with double discharge boxes，the power stability of 5kW CO2transverse laser with single discharge box is improved.The average wind velocity of discharge area increases from 60.8m/s to 75.5m/s，the arc discharge area is reduced and the near-field intensity and uniformity is improved.The selection of lightweight aluminum fan and single discharge box decreases the weight and volume of the laser.The study is important and instructive for development of compact CO2lasers with high power and small volume.

lasers；transverse flow CO2laser；gas dynamics；centrifugal blower；fluid analysis

TN248.2+2

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2014.05.007

1001-3806（2014）05-0608-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（60808005）

楊衛(wèi)紅（1976-），女，博士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)楦吖β蕷怏wCO2激光器及其應(yīng)用。

*通訊聯(lián)系人。E-mail：txh1116@hust.edu.cn

2013-10-17；

2013-11-12