УНИВЕРСАЛЬНАЯ ВИХРЕВАЯ ФОРСУНКА СМЕСИТЕЛЬНОЙ ГОЛОВКИ ДЛЯ ГАЗОВОЙ ГОРЕЛКИ
UNIVERSAL MIXING HEAD SWIRL ATOMIZER FOR GAS BURNER

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[1] Эта заявка, поданная в патентное ведомство США 14 мая 2012 года с серийным номером 61/646450, не является предварительной и целиком включена в данный документ посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[2] Раскрытие относится в целом к области газовых горелок и более конкретно к улучшению смесителя горючего газа и кислорода для головки режущей горелки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[3] Газокислородные режущие горелки хорошо известны и обычно содержат наконечник горелки, содержащий выпускные каналы, сообщающиеся с наконечником горелки, через которые протекает горючая газовая смесь, поджигается и направляется в направлении участка работы. Горелка обычно содержит линии подачи горючего газа и кислорода, присоединенные соответственно к источникам горючего газа и кислорода, и клапаны, выполненные для управления потоком горючего газа и кислорода к головке горелки. Такие горелки имеют режим прогрева, в котором газовое горючее и кислород соединяются в смесителе для получения горючей смеси, которая затем течет в выходное отверстие головки горелки и наконечник горелки, где смесь поджигается для формирования прогревающего пламени, используемого для прогрева рабочего участка до температуры, которая поддерживает горение. Такие горелки имеют также режущий режим, при котором, следуя за операцией прогрева, режущий кислород подается в наконечник горелки отдельно от прогревающей горючей смеси для истечения из наконечника и реза прогретого рабочего участка.
[4] Это функция газокислородного смесителя для смешения газового горючего и кислородного компонентов - которые подаются к нему раздельно - и для доставки смеси к наконечнику горелки для достижения равномерной эффективности сгорания по всему объему пламени в результате поджига у наконечника горючей смеси.
[5] Другое требование эффективности, относящееся к смесителям газового топлива-кислорода, заключается в обеспечении сопротивляемости обратной вспышке пламени, которая может произойти в результате, к примеру, контакта наконечника горелки с рабочей поверхностью. Такая встречная вспышка может привести к взрыву внутри горелки между точкой смешения газового топлива и кислорода и точкой горения смеси у наконечника горелки. Если результатом обратной вспышки является устойчивое горение внутри горелки, такое устойчивое горение определяется как обратная вспышка. Обратная вспышка может быстро разрушить горелку и ранить ее оператора. Соответственно, смеситель газового топлива и кислорода должен быть в состоянии минимизировать или полностью устранить обратные вспышки так, чтобы минимизировать вероятность их возникновения или их воздействия. Смесители существующих ранее конструкций были конструктивно сложны, громоздки и неприемлемо дороги в производстве.
[6] Более того, много конструкций смесителей страдают от недостатка, ограничивающего их использование с одним типом топлива (к примеру, ацетиленом, природным газом, пропаном, пропиленом). Следовательно, желательно обеспечить упрощенную конструкцию смесительной головки, которая будет проста в производстве, обеспечит желаемую сопротивляемость к обратным вспышкам/обратным ударам пламени и которая сможет работать с разными топливами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[7] Раскрыта универсальная смесительная вихревая форсунка для газовых горелок. Форсунка может быть смонтирована на головке газовой горелки. Перед отверстием форсунки установлены вихревой дефлектор и газовые каналы, размещенные так, чтобы создавать разрежение в виде расширяющегося газа в размещенной за дефлектором смесительной камере.
[8] Раскрыта вихревая форсунка для непрерывного смешения двух газов. Первый газ, поступая при относительно высоких скоростях, проходит через вихревой дефлектор и ускоряется через отверстие форсунки. Это движение интенсивно сообщает аксиальную и тангенциальную скорости первому газу. После отверстия форсунки первый газ испытывает внезапное расширение рядом с нагнетательными каналами для второго газа. Нагнетательные каналы для второго газа размещены так, что создают разрежение, изменяющееся по интенсивности со скоростью потока первого газа. Разрежение тянет второй газ через нагнетательные каналы, где он смешивается с первым газом в смесительной камере. Газовая смесь затем подается к наконечнику горелки, где она может быть зажжена.
[9] В соответствии с настоящим раскрытием обеспечивается смесительная вихревая форсунка для газовых горелок. Реализация вихревой форсунки может содержать корпус инжектора, выполненный с возможностью размещения в головке горелки. Корпус форсунки может содержать вихревой дефлектор, отверстие форсунки сообщается по текучей среде с вихревым дефлектором, а смесительная камера - с отверстием форсунки. Вихревая форсунка может также содержать по меньшей мере один газовый канал, выходящий из смесительной камеры на внешнюю сторону корпуса форсунки. Смесительная камера может иметь диаметр больший, чем отверстие форсунки.
[10] Способ смешения газов в головке газовой горелки в соответствии с настоящим раскрытием может также включать этапы нагнетания первого газа через вихревой дефлектор, нагнетание первого газа от вихревого дефлектора в отверстие форсунки и нагнетание первого газа от отверстия форсунки в смесительную камеру, имеющую больший диаметр, чем отверстие форсунки. Такое перенаправление первого газа создает интенсивный градиент давления в смесительной камере, проталкивающий второй газ в смесительную камеру через по меньшей мере один газовый канал, сообщающийся по текучей среде с топливной трубкой. Первый и второй газы смешиваются друг с другом до поджига у наконечника горелки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[11] Ниже будут описаны в качестве примера конкретные варианты реализации изобретения со ссылкой на соответствующие чертежи, на которых:
[12] Фиг. 1 представляет собой вид в перспективе примерной газовой горелки.
[13] Фиг. 2 представляет собой поперечное сечение примерной газовой горелки с Фиг. 1, включающей раскрытую головку смесительной вихревой форсунки.
[14] Фиг. 3 представляет собой поперечное сечение примерной газовой горелки с Фиг. 1, иллюстрируя раскрытую головку смесительной вихревой форсунки.
[15] Фиг. 4А, 4В и 4С представляют собой прозрачный вид сбоку и поперечного сечения примерной вихревой форсунки в соответствии с настоящим раскрытием.
[16] Фиг. 5А представляет собой поперечное сечение корпуса форсунки для использования в вихревой форсунке с Фиг. 4А-4С.
[17] Фиг. 5В представляет собой поперечное сечение корпуса форсунки, взятое по линии 5В-5В с Фиг. 4А.
[18] Фиг. 6А, 6В и 6С представляют собой вид в перспективе, вид сбоку и с конца соответственно примерного вихревого дефлектора для использования в вихревой форсунке с Фиг. 4А-С; и
[19] Фиг. 7 иллюстрирует движение кислорода и топлива через головку газовой горелки с Фиг. 1.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[20] На Фиг. 1 и 2 проиллюстрирована горелка 10 с насадкой режущего типа, имеющая головку горелки 12 с кончиком наконечника 14, корпусом 16 и соответствующие газовые трубки 18. Как здесь проиллюстрировано, имеются три трубки 18, присоединенные к головке 12. Эти трубки 18 могут содержать кислородную трубку 20, смесительную кислородную трубку 22 и топливную трубку 24. Каждая из трубок 18 может быть также присоединен к корпусу горелки 16 для соединения соответственно с каналами режущего кислорода, смешанного кислорода и топлива (20а, 22а, 24а), проходящими сквозь корпус 16. Горелка 10 может также содержать клапан режущего кислорода и узел рычага 26, размещенного в канале режущего кислорода для управления потоком газа к горелке 10. Размещенные внутри часть головки 12 горелки и смесительная кислородная трубка 22 представляет собой вихревую форсунку 40, присоединенную к смесительной трубке для кислорода 22 и топливной трубке 24 для смешения кислорода с топливом в том виде, в каком это будет более детально описано позднее.
[21] В соответствии с Фиг. 3 головка 12 горелки проиллюстрирована как так называемая девяностоградусная головка горелки, которая может быть использована для ориентирования наконечника горелки на практически девяносто градусов относительно остальной горелки для упрощения наблюдения оператором выполнения работы. Это, однако, не критично, и головка 12 может иметь любую из многочисленных или других ориентаций в соответствии с необходимостью. Головка горелки 12 может иметь резьбовую секцию 28 поблизости от кончика наконечника 14 для присоединения к нему наконечника 30. Головка 12 горелки содержит канал режущего кислорода 34, проходящий через конец трубки для режущего кислорода 20 к кончику наконечника 14 головки 12 горелки. Головка 12 горелки также содержит канал смешивания кислорода 36, имеющий часть большего диаметра 36а, размещенную рядом с концом смесительной трубки для кислорода 22, и часть меньшего диаметра 36b, проходящую от нижнего конца части большего диаметра к кончику наконечника 14 головки 12. Головка 12 горелки также содержит топливопровод 38, имеющий часть большего диаметра 38а, размещенную рядом с концом топливной трубки 24, и часть меньшего диаметра 38b, проходящую от нижнего конца части большего диаметра 38а к точке пересечения части большего диаметра 36а с каналом смешения кислорода 22а.
[22] Фиг. 2 и 3 иллюстрируют положение вихревой форсунки 40, имеющей первый конец 40а, размещенный на головке 12 горелки, и второй конец 40b, размещенный в смесительной трубке для кислорода 22. Вихревая форсунка 40 может быть удлинена обычно цилиндрическим элементом, содержащим его первый конец 40а, смонтированный, например, при помощи резьбового соединения внутри смесительного кислородного канала 36 головки 12 горелки, размещенный практически соосно относительно него. Второй конец 40b может продольно заходить в смесительную трубку для кислорода 22 с небольшим зазором и практически соосно относительно него. Кольцевой фланец 42 может проходить от внешней части вихревой форсунки 40 для примыкания предшествующего выступа 36с смесительного кислородного канала 36, обеспечивая тем самым относительно аксиальное положение вихревой форсунки 40 относительно головки 12 горелки.
[23] Теперь ввиду Фиг. 4А-6С, вихревая форсунка 40 будет описана более детально. Как отмечено, вихревая форсунка 40 может иметь первый и второй концы 40а, 40b для зацепляющего взаимодействия частей головки 12 горелки и смесительной трубки для кислорода 22. Первый конец 40а может содержать резьбу для зацепляющего взаимодействия резьбы головки 12 горелки. Второй конец может быть в целом цилиндрический, и может иметь такой размер, чтобы плотно соответствовать внутреннему диаметру смесительной трубки кислорода 22.
[24] Центральный канал 41 может проходить между первым и вторым концами 40а, 40b вихревой форсунки 40. Он может содержать первую часть 41а, размещенную рядом со вторым концом 40b вихревой форсунки 40. Первая часть 41а может иметь такой размер, чтобы содержать вихревой дефлектор 2. Как будет описано ниже более детально, вихревой дефлектор 2 может создавать канал спиральной формы внутри первой части 41 так, чтобы вызывать прохождение газа через первую часть 41а в направлении стрелки "А" (Фиг. 4С) к форсунке, когда он проходит через центральный канал 41.
[25] Центральный канал 41 может также содержать вторую часть 41b рядом с первой частью 41а. Вторая часть 41b может содержать отверстие форсунки, имеющее диаметр меньший, чем диаметр первой части 41а.
[26] Центральный канал может содержать третью часть 41с рядом со второй частью 41b. Третья часть 41с может содержать смесительную камеру, имеющую диаметр меньший, чем диаметр первой части 41а, но больший, чем диаметр второй части 41b. В стенке вихревой форсунки 40 может быть размещено множество газовых подводящих каналов 43. Газовые подводящие каналы 43 могут быть размещены так, что газ может проходить через каналы и заходить в смесительную камеру (т.е. третья часть 41с центрального канала). В некоторых вариантах реализации изобретения множество газовых подводящих каналов 43 разнесены по окружности в пределах диаметра вихревой форсунки 40. Как видно на Фиг. 3, газовые подводящие каналы 43 размещены так, что когда вихревая форсунка 40 размещается в головке 12 горелки, каналы сообщаются по текучей среде с частью меньшего диаметра 38b топливопровода 38. Таким образом, топливо из топливопровода 38 может быть подано через каналы 43 в центральный канал 41, где оно может быть смешано с кислородом из смесительной трубки кислорода 22.
[27] Фиг. 5А и 5В иллюстрирует часть корпуса 45 вихревой форсунки 40 (т.е. без дефлектора 2 на месте). Часть корпуса 45 может иметь общую длину "L" с первой, второй и третьей длинами "La", "Lb", "Lc", соответствующими первой, второй и третьей частям 41а, 41b, 41с центрального канала 41 соответственно. В дополнение, первая, вторая и третья части 41а, 41b, 41с центрального канала 41 могут иметь разные внутренние диаметры. Первый внутренний диаметр "IDa" может соответствовать первой части 41а центрального канала 41 и иметь подходящий размер для возможности принятия вихревого дефлектора 2. Второй внутренний диаметр "IDb" может соответствовать второй части 41b центрального канала 41 и быть меньшим первого внутреннего диаметра "IDa". Третий внутренний диаметр "IDc" может соответствовать третьей части 41с центрального канала 41 и может быть больше второго внутреннего диаметра "IDb", но меньше первого внутреннего диаметра "IDa". Газовые подводящие каналы 43 могут быть размещены на расстоянии "PD" от первого конца 40а корпуса вихревой форсунки 40.
[28] В не ограничивающем изобретения примерном варианте изобретения общая длина "L" корпуса вихревой форсунки 45 может быть около 1,635 дюйма, первая длина "La" может быть около 0,825 дюйма, вторая длина "Lb" может быть около 0,418 дюйма, а третья длина "Lc" может быть около 0,392 дюйма. В дополнение, первый внутренний диаметр "IDa" может быть около 0,147 дюйма, второй внутренний диаметр "IDb" может быть около 0,046 дюйма, а третий внутренний диаметр "IDc" может быть около 0,089 дюйма. Газовые подводящие каналы 43 могут быть размещены так, что их центры находятся на расстоянии около 0,365 дюйма (измерение "PD") от первого конца 40а вихревой форсунки 40. Газовые подводящие каналы 43 могут также иметь внутренний диаметр около 0,041 дюйма.
[29] Первая и вторая фаски 41d, 41е могут находиться между первой и второй 41а, 41b и второй 41b, третьей 41с частями центрального канала 41. Первая и вторая фаски могут иметь угол "α". В одном не ограничивающем варианте реализации изобретения "α" равен около 118°.
[30] Второй конец 40b корпуса вихревой форсунки 45 может иметь внешний диаметр "ODa", имеющий размер, подходящий для прохождения внутрь смесительной трубки кислорода 22, притом, что первый конец 40а может иметь наружную резьбу 47, выполненную в подходящем размере и выполненную с возможностью взаимодействия с соответствующей внутренней резьбой головки 12 горелки.
[31] В одном примерном не ограничивающем варианте реализации изобретения газовые подводящие каналы 43 размещают в пределах расстояния в два диаметра (т.е. диаметры газовых каналов) от перехода между второй частью 41b и третьей частью 41с центрального канала 41. Это помещает газовые подводящие каналы 43 у участка в третьей части 41с (т.е. смесительной камеры), где вихревой газовый поток из смесительной трубки кислорода 22 расширяется для обеспечения желаемого уровня разрежения с целью вытягивания топлива через газовые подводящие каналы 43 с оптимальной скоростью.
[32] Касательно Фиг. 6А-6С будет проиллюстрирован вихревой дефлектор 2. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения вихревой дефлектор 2 содержит плоский элемент, скрученный так, что дефлектор походит на штопор, который может быть затем вставлен в первый участок 41а центрального канала 41 корпуса вихревой форсунки 45. Вихревой дефлектор 2 может иметь внешний диаметр "BD" около 0,146 дюйма, шаг вращения "TP" около 0,19 дюйма и общую длину "BL" около 0,77 дюйма. После сборки вихревой дефлектор 2 может быть вставлен в первую часть 41а центрального канала 41 и свит в корпусе 45. Корпус вихревой форсунки 45 и вихревой дефлектор может быть выполнен из меди, которая может обеспечить необходимые характеристики теплопередачи.
[33] Касательно Фиг. 7, будет описана примерная работа горелки 10, содержащую вихревую форсунку 40. Как проиллюстрировано, предварительно нагретый кислород направляют из источника кислорода через смесительную трубку для кислорода 22. Предварительно нагретый кислород входит сначала в первую часть 41а центрального канала 41 вихревой форсунки 40, причем вихревой дефлектор 2 заставляет кислород тангенциально вращаться в вихре, похожем на водоворот. Затем его направляют во вторую часть 41b (отверстие форсунки) центрального канала 41. Уменьшенный диаметр второй части 41b относительно первой части 41а заставляет кислород ускоряться при прохождении второй части.
[34] После этого предварительно нагретый кислород поступает в третью часть 41с (смесительную камеру) центрального канала 41. Как только предварительно нагретый кислород расширяется в третьей части 41с увеличенным диаметром, он создает область пониженного давления, что заставляет газовое топливо в топливной трубке 24 перемещаться через топливопровод 38. Как будет понятно, завихрение, ускорение и расширение предварительно нагретого кислорода вызывает интенсивное перемешивание топлива и кислорода.
[35] Авторы обнаружили, что магнитуда силы вакуума и, следовательно, захват газового топлива и кислорода изменяются в зависимости от скорости потока предварительно нагретого кислорода. Газовое топливо и предварительно нагретый кислород будут, следовательно, всегда смешиваться в нужном соотношении друг с другом, независимо от скорости потока кислорода. Раскрытое исполнение может, следовательно, обеспечить эффективное смешивание разных газовых топлив, включая ацетилен, природный газ, пропан и пропилен. Кроме того, авторы обнаружили, что в результате усиленного смешивания топлива и кислорода, обеспеченного раскрытым исполнением, во время операций резания происходит уменьшение потребления газа.
[36] В дополнение, поскольку смешивание кислорода и топлива имеет место в головке 12 горелки 10, в случае обратной вспышки вероятность травмирования сварщика уменьшается. В раскрытом варианте реализации изобретения в головке горелки находится менее чем четверть дюйма газа, что уменьшает его потенциальное ударное воздействие и возможный взрыв и травмирование оператора.
[37] Основываясь на предшествующей информации, специалистам в этой области техники будет понятно, что раскрытое устройство применимо для множества использований и применений. Из раскрытия устройства и предшествующего ему описания будут очевидны или обоснованно предложены многие варианты и адаптации раскрытого устройства, кроме тех, которые конкретно описаны в данном документе, а также множество вариаций, модификаций и эквивалентных исполнений, без отхода от сущности и рамок настоящего изобретения. Таким образом, в то время как раскрытое устройство было подробно описано здесь в отношении одного или нескольких вариантов реализации изобретения, должно быть понятно, что это раскрытие является только иллюстративным, и примеры раскрытого устройства даны лишь с целью обеспечения полного и ясного раскрытия описанного устройства. Последующее раскрытие не предназначено для ограничения настоящего изобретения или иным образом исключающего любые другие варианты адаптации, изменения, модификации или эквивалентные устройства; раскрытое устройство ограничивается только прилагаемой формулой изобретения и ее эквивалентами. Хотя в настоящем описании используются конкретные термины, они используются только в общем и описательном смысле, а не с целью ограничения.