СОПЛО ДУГОВОЙ ПЛАЗМЕННОЙ ГОРЕЛКИ С ПРОФИЛЕМ СОПЛОВОГО ОТВЕРСТИЯ ПЕРЕМЕННОЙ КРИВИЗНЫ НА ВХОДЕ
NOZZLE ARM PLASMA BURNER WITH PROFILE OF NOZZLE HOLE WITH A VARIABLE CURVATURE

Область техники, к которой относится настоящее изобретение
В дуговой плазменной горелке сопло используется для ограничения плазмообразующего газа с целью управления дугой. Настоящим изобретением предложен профиль соплового отверстия на входе, повышающий, как было установлено, устойчивость горения дуги, в результате чего улучшается качество резки и увеличивается ее скорость.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
На фиг. 1 проиллюстрировано сопло 10 предшествующего уровня техники. Сопло 10 выполнено симметрично относительно продольной оси 12 сопла и характеризуется наличием отверстия 14, которое образует сквозной проход через сопло 10, выполненный симметрично относительно оси 12 сопла. Обычно указанное отверстие имеет по существу цилиндрическую форму; при этом показанное сопло 12 характеризуется цилиндрической боковой стенкой 16 отверстия, на которую приходится значительная часть длины отверстия 14. По наружной поверхности сопла 10 отверстие 14 охватывается газонаправляющей поверхностью 18, которая также выполнена симметрично относительно оси 12 сопла, и которая расположена под прямым углом к указанной оси. Вход 20 соединяет газонаправляющую поверхность 18 с отверстием 14; при этом он выполнен в виде пологого конуса, отцентрованного относительно оси 12 сопла.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
В дуговых плазменных горелках сопло используются для ограничения плазмообразующего газа с целью управления дугой. Настоящим изобретением предложен профиль отверстия дуговой плазменной горелки на входе, характеризующийся переменной кривизной, что, как было установлено, обеспечивает повышенную устойчивость горения и сужение плазменной дуги, в результате чего улучшается качество резки и увеличивается ее скорость.
Отверстие характеризуется боковой стенкой, отцентрованной относительно оси сопла, и охватывается газонаправляющей поверхностью, проходящей по существу под прямым углом к оси сопла. Боковая стенка отверстия имеет по существу цилиндрическую форму; при этом она может быть раструбной, круто конической и/или ступенчатой с цилиндрическими, раструбными или круто коническими сегментами. Сопло согласно настоящему изобретению характеризуется входом, соединяющим газонаправляющую поверхность с боковой стенкой соплового отверстия, которое характеризуется профилем переменной кривизны, обеспечивающим плавный поток газа, поступающий в сопловое отверстие, что повышает устойчивость образующейся в итоге дуги при ионизации плазмообразующего газа.
Переменная кривизна входа задается по существу эллиптической формой, которая является или частью эллипса, или достаточно хорошим приближением к такой части. Эллипс по существу ориентирован таким образом, что его большая ось идет под наклоном к оси сопла под углом 5, составляющим около 45°-90°, и располагается так, что и газонаправляющая поверхность, и боковая стенка отверстия проходят по существу по касательной к эллипсу в соответствующих точках их пересечения с ним. Таким образом, касательная к эллипсу в точке, где она пересекается с газонаправляющей поверхностью, идет по существу под прямым углом к оси сопла, тогда как касательная к эллипсу в точке, где она пересекается с боковой стенкой отверстия, идет по существу параллельно оси сопла.
Кроме того, эллипс выбирается таким образом, что длина его большой оси намного превышает длину его малой оси так, что отношение длины большой оси к длине малой оси превышает 2:1, а в более предпочтительном варианте составляет, по меньшей мере, 3:1. В ходе проведения предварительных испытаний было установлено, что соотношение осей 4,5:1 демонстрирует наибольшую эффективность при 125 амперах, обеспечивая требуемую степень устойчивости горения дуги, что приводит к увеличению (примерно на 20%) максимальной скорости резки в сравнении с аналогичным соплом, отличающимся лишь тем, что оно имеет сопловое отверстие в форме пологого конуса с диаметром и глубиной конической поверхности аналогичными диаметру и глубине вращающегося эллипса, задающего вход переменной кривизны с такими же точками пересечения с боковой стенкой отверстия и газонаправляющей поверхностью. Эти улучшенные характеристики резки были получены без уменьшения полезного срока службы сопла.
Краткое описание фигур
На фиг. 1 показан частичный разрез, иллюстрирующий сопло предшествующего уровня техники, содержащее отверстие и газонаправляющую поверхность, соединенные входом в форме пологого конуса, направляющим поток газа в сопловое отверстие.
На фиг. 2 показан частичный разрез, иллюстрирующий сопло согласно настоящему изобретению, которое содержит отверстие и газонаправляющую поверхность, соединенные входом переменной кривизны, где контур входа переменной кривизны задается вращением эллиптической формы относительно оси сопла. Эллиптический вход служит для плавного направления потока газа в сопловое отверстие с целью снижения неустойчивости и сужения получаемой в итоге плазменной дуги.
На фиг. 3 представлен увеличенный вид области 3, показанной на фиг. 2, где более четко видна геометрия эллиптической формы, задающей вход соплового отверстия. Эллиптическая форма в этом варианте осуществления настоящего изобретения представляет собой эллипс, ориентированный таким образом, что его большая ось идет перпендикулярно оси сопла, а его малая ось проходит параллельно оси сопла. Кроме того, эллипс располагается таким образом, что он пересекается с газонаправляющей поверхностью по касательной, и также пересекается по касательной с боковой стенкой соплового отверстия.
На фиг. 4 проиллюстрирована область, аналогичная той, которая показана на фиг. 3, для альтернативного варианта осуществления сопла, где эллиптическая форма располагается таким образом, что она пересекается с боковой стенкой отверстия под небольшим углом и пересекается с газонаправляющей поверхностью также под небольшим углом. Точки пересечения расположены таким образом, что выносные линии, идущие по касательной к эллипсу в точках пересечения, идут под наклоном к боковой стенке отверстия и газонаправляющей поверхности.
На фиг. 5 проиллюстрирована область, аналогичная той, которая показана на фиг. 3 и 4, для еще одного альтернативного варианта осуществления сопла. В этом сопле эллипс ориентирован таким образом, что его главная ось и малая ось наклонены к оси сопла с нарушением перпендикулярности большой оси и параллельности малой оси.
На фиг. 6 проиллюстрирована область, аналогичная той, которая показана на фиг. 3 - 5, для сопла с входом, заданным эллипсом с отношением длины большой оси к длине малой оси, составляющим около 4,5:1.
Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения
На фиг. 2 и 3 проиллюстрировано сопло дуговой плазменной горелки 100, образующее один из вариантов осуществления настоящего изобретения. Сопло 100 характеризуется продольной осью 102 и сопловым отверстием 104, отцентрованным относительно оси 102 сопла и сообщающимся с внутренним пространством 106. Отверстие 104 частично задано цилиндрической боковой стенкой 108 отверстия, отцентрованной относительно оси 102 сопла. Хотя показано ступенчатое отверстие 104 с двумя цилиндрическими сегментами, специалисту в данной области техники очевидно, что отверстие может быть выполнено с одной или более расширяющейся раструбом поверхностью и/или поверхностью в виде крутого конуса. Внутреннее пространство 106 частично ограничено газонаправляющей поверхностью 110, которая охватывает отверстие 104 и лежит в плоскости, перпендикулярной оси 102 сопла.
Вход 112 соединяет газонаправляющую поверхность 110 с боковой стенкой 108 отверстия. Вход 112 имеет профиль переменной кривизны, заданный эллиптической формой 114. Поверхность переменной кривизны входа 112 создается вращением эллиптической формы 114 относительно оси 102 сопла. Как лучше всего видно на увеличенном виде, который показан на фиг. 3, эллиптическая форма 114 является частью эллипса 116 с большой осью 118 и малой осью 120. Эллипс 116 ориентирован таким образом, что его большая ось 118 идет под прямым углом к оси 102 сопла (и, таким образом, параллельно плоскости газонаправляющей поверхности 110), а его малая ось 120 проходит параллельно оси 102 сопла. Кроме того, эллипс 116 расположен таким образом, что он пересекается с газонаправляющей поверхностью 110 одним концом малой оси 120, и пересекается с боковой стенкой 108 отверстия одним концом большой оси 118. Точка пересечения эллипса 116 с газонаправляющей поверхностью 110 расположена так, что в этой точке газонаправляющая поверхность 110 проходит по касательной к эллипсу 116. Подобным же образом точка пересечения эллипса 116 с боковой стенкой 108 отверстия расположена так, что в этой точке боковая стенка 108 отверстия проходит по касательной к эллипсу 116.
Хотя отношение длины большой оси 118 к длине малой оси 120 проиллюстрированного эллипса 116 составляет около 2:1, предварительные испытания горелки на 125 ампер показывают, что чем больше это соотношение, тем выше рабочие характеристики резки, что предполагает повышение устойчивости плазменной дуги в работе. Для испытанных горелок на 125 ампер соотношение длины осей 118 и 120, составляющее 3:1, представляется более эффективным минимальным соотношением в сравнении с соотношением 2:1, обеспечивая значительно более высокое качество резки. Сопло с соотношением 1,625:1 было признано практически непригодным из-за получения разрезов низкого качества и сложностью переноса дуги на заготовку. Было установлено, что наилучшие рабочие характеристики демонстрирует сопло с соотношением 4,5:1, выполняющее разрезы высокого качества и существенно увеличивающее скорость резки в сравнении с соплом, где указанное соотношение составляет 3:1.
На фиг. 4 и 5 представлено несколько примеров осуществления настоящего изобретения с небольшими возможными вариациями геометрических параметров. Такие вариации обеспечивают возможность подгонки профиля входа в зависимости от ситуации, сохраняя при этом все преимущества настоящего изобретения.
На фиг. 4 представлен частичный разрез сопла 100'; при этом область, показанная на фиг. 4, соответствует области, показанной на фиг. 3 в привязке к соплу 100. Сопло 100' характеризуется входом 112', заданным эллиптической формой 114'. Эллиптическая форма 114' является частью эллипса 116', аналогичного эллипсу 116, показанному на фиг. 2 и 3, но который располагается относительно боковой стенки 108' отверстия таким образом, что он пересекается с боковой стенкой 108' отверстия под небольшим углом. Эллипс 116' пересекается с боковой стенкой 108' отверстия таким образом, что выносная линия 130, идущая по касательной к эллипсу 116' в точке пересечения, наклонена к боковой стенке 108' отверстия под углом ε. Угол е должен сохраняться небольшим с тем, чтобы обеспечивать пересечение по существу по касательной; представляется, что для большинства сфер применения угол наклона должен выдерживаться на уровне менее 15°.
Эллипс 116' также расположен относительно газонаправляющей поверхности 110' таким образом, что он пересекается с газонаправляющей поверхностью 110' под небольшим углом. Выносная линия 132, идущая по касательной к эллипсу 116' в точке пересечения с газонаправляющей поверхностью 110', наклонена к газонаправляющей поверхности 110' под углом γ.
На фиг. 5 показан частичный разрез сопла 100'', которое представляет собой еще один вариант осуществления настоящего изобретения. В сопле 100'' вход 112'' характеризуется переменной кривизной, заданной эллиптической формой 114'', которая является частью эллипса 116'', ориентированного таким образом, что его большая ось 118'' наклонена к оси 102 сопла, а не идет перпендикулярно ей. Выносная линия 134, отходящая от большой оси 118", пересекается с осью 102 сопла под углом 5, который менее чем на 45° меньше прямого угла. Эллипс 116'' пересекается по касательной как с боковой стенкой 108'' отверстия, так и с газонаправляющей поверхностью 110''.
На фиг. 6 показан частичный разрез сопла 100''' с входом 112''', который характеризуется профилем переменной кривизны, заданным эллиптической формой 136, являющейся частью эллипса 138 с большой осью 140 и малой осью 142, где отношение длины большой оси 140 к длине малой оси 142 составляет около 4,5:1. Как было указано выше, это соотношение обеспечивает превосходные характеристики резки для испытанного сопла на 125А.