Плазмотрон



Плазмотрон
Плазмотрон
Плазмотрон
Плазмотрон

 

H05H1/26 - Плазменная техника (термоядерные реакторы G21B; ионно-лучевые трубки H01J 27/00; магнитогидродинамические генераторы H02K 44/08; получение рентгеновского излучения с формированием плазмы H05G 2/00); получение или ускорение электрически заряженных частиц или нейтронов (получение нейтронов от радиоактивных источников G21, например G21B,G21C, G21G); получение или ускорение пучков нейтральных молекул или атомов (атомные часы G04F 5/14; устройства со стимулированным излучением H01S; регулирование частоты путем сравнения с эталонной частотой, определяемой энергетическими уровнями молекул, атомов или субатомных частиц H03L 7/26)

Владельцы патента RU 2584367:

Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное объединение "Полигон" (RU)

Изобретение относится к плазмотронам. Плазмотрон содержит корпус 1, изоляционную втулку 2, сопло 3, электрод 4, размещенный в конической полости 18 электрододержателя 5, завихритель 17 с канавками и газоподводящим каналом 6, направленным в кольцевую конусообразную полость 7, где установлен многоступенчатый газодинамический фильтр 8 (ГДФ), выполненный в виде двух расположенных соосно один за другим дефлекторов - непроницаемый дефлектор 9 и перфорированный дефлектор 10 и трех кольцевых камер - кольцевая цилиндрическая камера 11, кольцевая распределительная камера 12 и кольцевая вихревая камера 13. Поверхность первого непроницаемого дефлектора 9 выполнена плоской непроницаемой для прохода плазмообразующего газа (ПОГ) и образует совместно с уступом 14 электрододержателя 5 кольцевую цилиндрическую камеру 11, а часть торцевой поверхности дефлектора 9 образует совместно с криволинейной внутренней поверхностью изоляционной втулки 2 кольцевой канал 15 с расширением в направлении движения потока ПОГ. Поверхность второго дефлектора 10 перфорирована сквозными цилиндрическими каналами 16, которые соединяют камеру 12 с камерой 13. Изобретение позволяет равномерно распределить ПОГ по газовоздушному тракту и сопловому узлу плазмотрона для стабилизации плазменной дуги. 4 ил.

 

Изобретение относится к генераторам низкотемпературной плазмы и может быть использовано в конструкциях электродуговых плазмотронов, применяемых в различных отраслях промышленности для механизированной и ручной плазменной резки металла.

Из существующего уровня техники известны плазмотроны различных конструкций, например описанных в патентах RU 2036758; RU 67909; RU 2259262; RU 1756063; RU 1834767; RU 1830323; RU 1827154; RU 1814603; RU 1798084; SU 1756063; SU 1078757; SU №559787; SU 837683; SU 825299; SU 727369; SU 683875; SU 645798; SU 603538.

В частности, известен плазмотрон (SU №559787, 1977), включающий в себя стационарную часть с каналами для подачи плазмообразующего газа (ПОГ) и охлаждающей среды и сменную часть, содержащую водоохлаждаемый электрододержатель с завихрителем и размещенным в нем электродом, изолирующий корпус и водоохлаждаемое сопло. Внутри электрододержателя имеется газоподводящий канал (ГПК) для подачи плазмообразующего газа, который подается через выходное отверстие в газораспределительную камеру (ГРК), расположенную перед завихрителем и сообщающуюся через канавки завихрителя с сопловой камерой, образованной внешней поверхностью электрода и внутренней поверхностью сопла с выходным цилиндрическим каналом.

Конструкция газовоздушного тракта (ГВТ) известного плазмотрона не является оптимальной с точки зрения газодинамики, т.к. ПОГ подается из одного канала в объем ГРК, где неравномерно распределяется по периметру камеры и канавкам завихрителя.

Газодинамический анализ показывает, что наличие одного канала для подачи ПОГ в распределительную камеру, сообщающуюся с канавками завихрителя, является не эффективным, т.к. одного выходного отверстия из ГПК явно не достаточно для равномерного распределения потока газа по объему камеры и его равномерной по давлению и скорости подачи в канавки завихрителя. Из газодинамики известно, что выравнивание потока газа в подобных диффузорах, каким является данная ГРК, происходит на расстоянии 8-10 калибров выходного отверстия подводящего канала. Несоблюдение этого соотношения вызывает неравномерное распределение ПОГ в объеме ГРК, колебание скорости и давления газа в объеме камеры с дальнейшим неравномерным распределением по канавкам завихрителя и сопловой камеры. Несовершенство конструкции ГВТ сказывается на распределении ПОГ по канавкам завихрителя и сопловой камеры, а далее на фиксации катодного пятна и стабилизации плазменной дуги по оси цилиндрического канала и на выходе плазменной дуги из сопла плазмотрона. Иными словами, предлагаемая в известном решении конструкция ГВТ и ГРК, сообщающейся с канавками завихрителя, создают условия для неравномерного распределения ПОГ в ГРК и канавках завихрителя, что приводит в сопловом узле к смещению катодного пятна от центра электрода и, соответственно, к смещению плазменной дуги от оси цилиндрического канала и выходного отверстия сопла плазмотрона. Неравномерная подача потока ПОГ в канавки завихрителя приводит к неустойчивому вихревому потоку ПОГ в сопловой камере и, как следствие этого, не обеспечивает изоляцию плазменной дуги от стенок сопла и шунтирует дугу на внутреннюю поверхность сопла и выходного цилиндрического канала. Шунтирование дуги в выходном цилиндрическом канале сопла и колебание катодного пятна под воздействием неустойчивого вихревого потока ПОГ вызывают неравномерный преждевременный износ сменных деталей плазмотрона (сопла и электрода), уменьшают срок службы и надежность работы плазмотрона. Дополнительно можно отметить, что пульсации потока ПОГ в ГРК сопровождаются образованием звуковых колебаний, которые распространяются по канавкам завихрителя в сопловой узел и через выходное отверстие цилиндрического канала сопла излучаются в окружающее пространство в виде интенсивных звуковых колебаний широкого диапазона частот.

Таким образом, газодинамические пульсации потока ПОГ, возникающие в ГРК известного плазмотрона, в конечном итоге негативно влияют не только на сроки эксплуатации и надежность работы плазмотрона, но и на нормируемые параметры качества резки - ширину, шероховатость и перпендикулярность кромок реза, а также на условия труда по акустическому фактору, что характеризует известную конструкцию, как малоэффективную и несоответствующую современным требованиям по очень важным показателям.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является плазмотрон для резки (SU №1436350, 1996 г., RU №1830323, 1993), принятый за прототип. Плазмотрон содержит стационарную часть с каналами для подачи плазмообразующего газа (ПОГ), подачи и отвода охлаждающей среды и размещенную в корпусе сменную часть, содержащую сопло, водоохлаждаемый электрододержатель с электродом, изоляционную втулку с винтовыми канавками завихрителя, газоподводящий канал, расположенный тангенциально к винтовой линии канавок и соединенный с кольцевой конусообразной полостью, сужающейся в направлении к торцу электрода.

В конструкции ГВТ известных моделей плазмотронов подача ПОГ в кольцевую конусообразную полость, канавки завихрителя и сопловую камеру осуществляется через газоподводящий канал, выходная часть которого расположена тангенциально к винтовой линии канавок завихрителя, выполненных на внутренней поверхности изоляционной втулки. После выхода ПОГ из газоподводящего тангенциально расположенного канала поток попадает в кольцевую конусообразную полость, сужающуюся в направлении к торцу электрода и выполняющую роль газораспределительной камеры. Такая конструкция ГРК, которая с одной стороны ограничена внутренней поверхностью втулки, а с другой - наружной поверхностью электрододержателя с выходным отверстием для подачи ПОГ, не является оптимальной с точки зрения организации течения потока по ГВТ вплоть до его выхода наружу из сопла плазмотрона. Подавая в кольцевую конусообразную полость ПОГ из одного отверстия ГПК, невозможно равномерно распределить его в объеме полости и обеспечить его равномерную подачу к канавкам завихрителя, количество которых в современных плазмотронах достигает от трех и более канавок. В процессе работы плазмотрона необходимо постоянно контролировать состояние плазменной дуги на выходе из сопла, так как неравномерное заполнение газом кольцевой конусообразной полости, канавок завихрителя и сопловой камеры приводит в этой конструктивной цепочке к пульсациям давления и скорости и дестабилизирует вихревой поток в сопловой камере. Пульсации давления и скорости, возникающие при движении ПОГ, сопровождаются акустическим эффектом, что в совокупности передается потоком ПОГ через канавки завихрителя в сопловую камеру и через выходное отверстие сопла распространяется наружу. Характерной особенностью этого потока является его неравномерная слабая вихревая закрутка, приводящая к хаотичному перемещению катодного пятна вместо его фиксации по центру электрода, что приводит к дестабилизации плазменной дуги в сопловой камере и ее смещению от оси цилиндрического канала сопла. Неравномерное слабое обжатие плазменной дуги вихревым потоком ПОГ, нестабильная фиксация катодного пятна по центру торцевой поверхности электрода, вероятность возникновения эффекта двойного дугообразования и ряд других факторов, связанных с движением ПОГ по ГВТ плазмотрона, приводят к повышенному износу сопла и электрода и, как следствие этого, снижают ресурс работы электродного узла и надежность плазмотрона, ухудшая его технологические параметры, снижая качество разрезаемого металла и увеличивая генерируемый плазмотроном аэродинамический шум.

Таким образом, существенным недостатком известного плазмотрона является конструкция газовоздушного тракта, включающая в себя газоподводящий канал, кольцевую конусообразную полость и примыкающий к ней завихритель с канавками, при которой не в полной мере обеспечивается равномерное распределение потока ПОГ, подаваемого из одного выходного отверстия газоподводящего канала и далее в канавки завихрителя. В сопловой камере, расположенной после канавок завихрителя, этот вихревой поток можно характеризовать как слабый и неравномерный по периметру завихрителя и на выходе из его канавок в сопловую камеру, что вызывает нарушение стабилизации плазменной дуги в цилиндрическом канале по оси сопла и фиксацию катодного пятна по центру электрода.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности работы плазмотрона за счет создания условий, обеспечивающих равномерное распределение плазмообразующего газа в кольцевой конусообразной полости и его стабильную (без газодинамических пульсаций давления и скорости ПОГ) подачу в канавки завихрителя для создания в сопловой камере равномерного вихревого закрученного потока плазмообразующего газа, обеспечивающего по оси плазмотрона надежную фиксацию катодного пятна в центре электрода и стабилизацию плазменной дуги по оси цилиндрического канала сопла.

Технический результат - равномерное распределение плазмообразующего газа (ПОГ) по газовоздушному тракту (ГВТ) и сопловому узлу плазмотрона для стабилизации плазменной дуги.

Заявляется плазмотрон, содержащий стационарную часть с каналами для подачи плазмообразующего газа (ПОГ), подачи и отвода охлаждающей среды и размещенную в корпусе сменную часть, содержащую сопло, водоохлаждаемый электрододержатель с электродом, размещенным на конической наружной поверхности электрододержателя, изоляционную втулку с винтовыми канавками завихрителя, газоподводящий канал, расположенный тангенциально к винтовой линии канавок завихрителя и соединенный с кольцевой конусообразной полостью, отличающийся тем, что в кольцевой конусообразной полости дополнительно размещен газодинамический фильтр, состоящий из последовательно расположенных на наружной поверхности электрододержателя двух дефлекторов, выполненных в виде концентричных перегородок, образующих в кольцевой конусообразной полости последовательно расположенные кольцевую цилиндрическую, кольцевую распределительную и кольцевую вихревую камеры, при этом кольцевая цилиндрическая камера ограничена уступом, расположенным на электрододержателе, и поверхностью первого дефлектора, выполненным непроницаемым, соединена с газоподводящим каналом, выходное отверстие которого размещено на поверхности уступа электрододержателя, а торцевая поверхность непроницаемого дефлектора и внутренняя криволинейная поверхность изоляционной втулки образуют кольцевой расширяющийся канал, выходящий в кольцевую распределительную камеру, которая ограничена вторым дефлектором, выполненным с каналами, посредством которых соединена с кольцевой вихревой камерой, конфузорно направленной к винтовым канавкам завихрителя, расположенным на наружной поверхности электрододержателя, а каналы второго дефлектора направлены в винтовые канавки завихрителя.

Для достижения дополнительного технического результата коническая поверхность электрододержателя выполнена внутри полости конической формы, где размещен электрод, при этом площадь проходного сечения каналов второго дефлектора не меньше площади винтовых канавок завихрителя.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности процесса выравнивания потока ПОГ в ГВТ плазмотрона с помощью установленного в кольцевой конусообразной полости газодинамического фильтра, осуществляющего многократное последовательное деление и выравнивание потока ПОГ. Это позволяет обеспечить высокую равномерность продвижения ПОГ, подаваемого от одного газоподводящего канала к канавкам завихрителя, интенсивную и равномерную закрутку ПОГ на входе в сопловую камеру, обеспечивающую фиксацию катодного пятна по центру электрода и стабилизацию плазменной дуги по оси выходного цилиндрического канала сопла. Вышеизложенные эффекты повышают ресурс работы сопла и электрода, а следовательно, плазмотрона в целом, а также улучшают параметры качества резки и условия труда по акустическому фактору.

В плазмотроне с заявляемым газодинамическим фильтром поток ПОГ выходит из газоподводящего канала в кольцевую цилиндрическую камеру и далее по газодинамическому фильтру до ввода его в канавки завихрителя проходит многократное последовательное изменение режима течения газа, что обеспечивает равномерное распределение ПОГ в вихревой камере и стабильность газодинамических параметров струйного течения ПОГ по канавкам завихрителя, в сопловой камере и на выходе из сопла плазмотрона.

Газодинамический фильтр является составной частью конструкции плазмотрона и обеспечивает многократное деление потока ПОГ после его выхода из газоподводящего канала до входа в канавки завихрителя. Камеры газодинамического фильтра отделены друг от друга перегородками - дефлекторами и служат для выравнивания давления и скорости потока, а их связь между собой осуществляется посредством каналов.

Заявленная конструкция плазмотрона является новой, т.е. неизвестной из уровня техники, а следовательно, соответствует критерию «новизна».

Вышеприведенная совокупность отличительных признаков не известна на данном уровне развития техники и не следует из общеизвестных правил конструирования плазмотронов, что подтверждает соответствие критерию «изобретательский уровень».

Конструктивная реализация ГВТ плазмотрона с указанной совокупностью существенных признаков не представляет конструктивных, технических и технологических трудностей, может быть осуществлена из известных материалов известными методами, из чего следует вывод о соответствии критерию «промышленная применимость».

Сущность заявляемого устройства плазмотрона и процессы, происходящие в ГВТ плазмотрона, поясняются на фиг. 1-4.

На фиг. 1 представлена в разрезе конструктивная схема стационарной и сменной части заявляемого плазмотрона с кольцевой конусообразной полостью, внутри которой размещен газодинамический фильтр.

На Фиг. 2 представлена модель распределения потока ПОГ в заявляемом плазмотроне с газодинамическим фильтром.

На Фиг. 3 представлена схема распределения потока ПОГ по ГВТ для базовой (а) и заявляемой (б) конструкции плазмотрона.

На Фиг. 4 представлен износ внутренней поверхности сопла базовой (а) и заявляемой (б) конструкции плазмотрона с ГДФ.

Плазмотрон содержит корпус 1, изоляционную втулку 2, сопло 3, электрод 4, размещенный в конической полости 18 электрододержателя 5, завихритель 17 с канавками и газоподводящим каналом 6, направленным в кольцевую конусообразную полость 7, где установлен многоступенчатый газодинамический фильтр 8 (ГДФ), выполненный в виде двух расположенных соосно один за другим дефлекторов - непроницаемый дефлектор 9 и перфорированный дефлектор 10 и трех кольцевых камер - кольцевая цилиндрическая камера 11, кольцевая распределительная камера 12 и кольцевая вихревая камера 13.

Поверхность первого непроницаемого дефлектора 9, обращенная к выходному отверстию газоподводящего канала 6, выполнена плоской непроницаемой для прохода ПОГ и образует совместно с уступом 14 электрододержателя 5 кольцевую цилиндрическую камеру 11, а часть торцевой поверхности дефлектора 9 выполнена криволинейной и образует совместно с криволинейной внутренней поверхностью изоляционной втулки 2 кольцевой канал 15 с расширением в направлении движения потока ПОГ.

Таким образом, кольцевая цилиндрическая камера 11 образована внутренней криволинейной поверхностью изоляционной втулки 2, наружной поверхностью электрододержателя 5, поверхностью уступа 14 и плоской поверхностью непроницаемого дефлектора 9. Диаметр непроницаемого дефлектора 9 меньше внутреннего диаметра изоляционной втулки 2, и образованный между ними кольцевой канал 15, расширяющейся в направлении движения потока ПОГ, который соединяет кольцевую цилиндрическую камеру 11 с кольцевой распределительной камерой 12, при этом предпочтительно площадь проходного сечения кольцевого канала 15 больше площади поперечного сечения газоподводящего канала 6.

Поверхность второго дефлектора 10 перфорирована сквозными цилиндрическими каналами 16, которые соединяют кольцевую распределительную камеру 12 с кольцевой вихревой камерой 13, формирующей закрученный поток, при этом сквозные цилиндрические каналы 16, равномерно расположенные по окружности перфорированного дефлектора 10, размещены под углом к оси электрододержателя 5 и направлены в канавки завихрителя 17. Суммарная площадь поперечного сечения сквозных цилиндрических каналов 16, соединяющих кольцевую распределительную камеру 12 с кольцевой вихревой камерой 13, больше площади проходного сечения кольцевого канала 15, соединяющего камеры 11 и 12. Завихритель 17 выполнен предпочтительно в виде шести канавок, равнорасположенных по цилиндрической поверхности электрододержателя 5, и имеет длину в пределах 0,1-1,0 шага винтовой нарезки, а шаг винтовой нарезки составляет 0,2-1,5 наружного диаметра завихрителя 17. Канавки завихрителя 17 выполнены прямоугольной формы, но могут иметь также трапецеидальную или криволинейную форму.

Кольцевая распределительная камера 12 образована наружной поверхностью электрододержателя 5 и внутренней поверхностью изоляционной втулки 2 и ограничена со стороны электрода 4 поверхностью второго перфорированного дефлектора 10, имеющего сквозные цилиндрические каналы 16. Указанные цилиндрические каналы 16 расположены под углом к оси плазмотрона и направлены в канавки завихрителя 17, расположенные на наружной цилиндрической поверхности электрододержателя 5. Внутри электрододержателя 5 на участке, где расположены канавки завихрителя 17, имеется коническая полость 18, в которой размещается электрод 4. С противоположной от электрода 4 стороны кольцевая распределительная камера 12 ограничена криволинейной поверхностью непроницаемого дефлектора 9. Кольцевая распределительная камера 12 соединяется с конфузорной кольцевой вихревой камерой 13 сквозными цилиндрическими каналами 16.

Конфузорная кольцевая вихревая камера 13 образована частью конической наружной поверхности электрододержателя 5, внутренней поверхностью изоляционной втулки 2 и поверхностью второго перфорированного дефлектора 10, обращенной к электроду 4. Площадь поперечного сечения конфузорной кольцевой вихревой камеры 13 плавно уменьшается в направлении канавок завихрителя 17, что создает повышенное равномерное по периметру камеры давление и выравнивает скорость перед входом в канавки завихрителя 17.

На фиг.1 также представлены участки ГВТ плазмотрона, на которых происходит действие газодинамического фильтра 8 по выравниванию скорости и давления потока ПОГ: I - участок подвода ПОГ - газоподводящий канал 6; II - газодинамический фильтр 8 с камерами и дефлекторами; III - завихритель 17 с канавками; IV - сопловая камера плазмотрона, образованная наружной поверхностью электрода 4 и внутренней профильной поверхностью сопла 3.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Перед запуском плазмотрона подается охлаждающая жидкость (вода) под давлением 2,0-4,0 МПа к теплонагруженным узлам плазмотрона (электроду 4 и соплу 3) и осуществляется отвод охлаждающей жидкости из плазмотрона с последующим постоянным охлаждением и контролем наличия охлаждающей жидкости в магистрали. При запуске плазмотрона в систему газораспределения - газовоздушный тракт плазмотрона подают плазмообразующий газ с соответствующими параметрами: расход ПОГ - 4,0-10,0 м3/час; давление - 0,2-0,5 МПа. В качестве плазмообразующего газа используется воздух, который от компрессора подается в газоподводящий канал 6. Кроме воздуха можно использовать также другие газы и их смеси. Через выходное отверстие газоподводящего канала 6, которое расположено на поверхности уступа 14, ПОГ под давлением поступает в кольцевую цилиндрическую камеру 11. При этом выходящая из выходного отверстия газоподводящего канала 6 струя ПОГ встречает на своем пути вертикальную встречную преграду в виде непроницаемого дефлектора 9. После взаимодействия с непроницаемым дефлектором 9 поток ПОГ изменяет свое направление с осевого на радиальное, рассеивая свою кинетическую энергию в пределах кольцевой цилиндрической камеры 11 и создавая в ней равномерное избыточное давление. Дальнейшее движение ПОГ под воздействием избыточного давления в кольцевой цилиндрической камере 11 происходит в направлении кольцевого канала 15, который образован торцевой криволинейной поверхностью непроницаемого дефлектора 9, с кривизной расширения, обращенной в сторону кольцевой распределительной камеры 12, и криволинейной внутренней поверхностью изоляционной втулки 2. Таким образом, данный кольцевой канал 15, расширяющийся по ходу ПОГ, соединяет кольцевую цилиндрическую камеру 11 с кольцевой распределительной камерой 12. Расширение кольцевого канала 15 способствует дополнительному снижению скорости потока и более эффективному выравниванию поля скоростей и давления газового потока в кольцевой распределительной камере 12. Пространственное равномерное распределение скорости и давления газового потока в кольцевой распределительной камере 12 обусловлено беспрепятственным поступлением ПОГ через кольцевой канал 15 и созданием в камере 12 избыточного давления, под воздействием которого продвигается ПОГ по цилиндрическим сквозным каналам 16, выполненным равномерно по окружности в перфорированном дефлекторе 10 и соединяющим кольцевую распределительную камеру 12 с кольцевой вихревой камерой 13. При этом каждый из сквозных цилиндрических каналов 16 выполнен под углом, близким к углу винтовой линии канавки завихрителя 17, и направлен в канавку завихрителя 17, что исключает процесс возникновения хаотичного вихреобразования, пульсации скорости и давления на входе в канавки завихрителя 17 и далее по движению потока ПОГ в сопловой камере. Таким образом, ПОГ попадет в канавки завихрителя 17 из сквозных цилиндрических каналов 16, которые формируют в кольцевой вихревой камере 13 равномерный по скорости и давлению вихревой поток с тангенциальной компонентой скорости. Благодаря равномерному распределению ПОГ по канавкам завихрителя 17, на его выходе в сопловой камере, образованной внешней поверхностью электрода 4 и внутренней поверхностью сопла 3, создается вихревая область течения ПОГ с центром низкого давления - разрежение на торце электрода по его центру и по оси выходного цилиндрического канала сопла плазмотрона. Закрученный поток ПОГ через профильную часть сопла попадает в выходной цилиндрический канал и выходит наружу в виде сжатой струи с разрежением по ее оси. Так действует газодинамический механизм плазмотрона на «холодной струе» без подключения электрической энергии.

При запуске плазмотрона подключают высокочастотный потенциал напряжением порядка 10 кВ к разнополярным конструктивным элементам плазмотрона - электроду 4 и соплу 3. Пробивая в сопловой камере на самом минимальном расстоянии воздушный промежуток между поверхностью электрода 4 и внутренней поверхностью сопла 3, электрическая дуга ионизирует и разогревает в сопловой камере ПОГ и ориентируется под воздействием равномерного вихревого потока и создаваемого им разряжения по оси плазмотрона по центру электрода, по центру выходного цилиндрического канала сопла и центру плазменной струи на выходе из сопла плазмотрона. Таким образом, равномерное разрежение по оси сопловой камеры, создаваемое газодинамическим фильтром 8 совместно с завихрителем 17, конфузорным профилем сопла 3 и минимальным диаметром выходного цилиндрического канала сопла создают условия разрежения - область низкого давления по оси плазмотрона, что ориентирует в этой области электрическую дугу, а вокруг дуги происходит ее равномерное обжатие плазменной струей, достигая высокой концентрации энергии плазменной дуги от торца электрода 4 и до выхода ее из сопла плазмотрона.

Газодинамический фильтр 8 является составной частью ГВТ плазмотрона и представляет собой последовательное сочетание камер 11, 12 и 13 и дефлекторов 9 и 10, связанных между собой каналами 15 и 16. Причем объемы камер 11, 12 и 13 и проходные сечения каналов 15 и 16 увеличиваются в сторону канавок завихрителя 17, чем обеспечивается высокая равномерность распределения скорости и давления в потоке ПОГ на входе в канавки завихрителя 17, высокая эффективность закрутки ПОГ в сопловой камере и на выходе из цилиндрического канала сопла 3. Размеры площадей проходных сечений камер 11,12 и 13 и проходных сечений каналов 15 и 16 оптимизированы с целью максимального равномерного распределения потока ПОГ из вихревой камеры 13 в канавки завихрителя 17.

Проведенные эксперименты показали, что газодинамический фильтр с камерами, дефлекторами и каналами обеспечивает на всем протяжении равномерный по скорости, давлению и расходу поток ПОГ, который приобретает эффект закрутки в вихревой камере с помощью цилиндрических каналов перфорированного дефлектора и далее усиливается в канавках завихрителя.

Характер течения потока ПОГ и измерения распределения скоростей потока ПОГ, рассчитанные в программном пакете SolidWorks, на участке газоподводящего канала, кольцевой конусообразной полости и завихрителя у плазмотрона - прототипа и заявляемой конструкции плазмотрона с газодинамическим фильтром (Фиг. 3), подтверждают то, что скорости течения ПОГ на выходе из газоподводящего канала и в каналах завихрителя у заявляемого плазмотрона имеют наиболее полное наполнение ПОГ и более равномерный профиль скорости движения потока газа, чем в завихрителе плазмотрона, взятого за прототип. Таким образом, газодинамический фильтр обеспечивает равномерное распределение потока ПОГ уже в кольцевой вихревой камере и далее в канавках завихрителя, что приводит к равномерному полю скоростей и давлений по периметру сопловой камеры, разрежению по оси плазмотрона, стабильной фиксации катодного пятна по центру электрода и плазменной дуги по оси цилиндрического канала сопла и на выходе плазменной дуги из сопла плазмотрона.

Пример реализации предлагаемого изобретения.

На оптимальном технологическом режиме, установленном соответствующими расчетами и экспериментами, плазмотроном с установленным в его ГВТ газодинамическим фильтром были разрезаны образцы металла толщиной 10 мм из стали 09 г2с. Исходные технологические параметры составляли следующие величины: ток - 90 А; напряжение - 100 В; диаметр сопла - 2,0 мм; плазмообразующий газ - воздух; давление ПОГ - 0,4 МПа; расход ПОГ - 5 м3/час; охлаждение водяное принудительное. Качество поверхности разрезаемого металла соответствует нормативным параметрам. На фиг. 4 приведены фото износа внутренней поверхности сопла базового плазмотрона (а) марки ПМВР и заявляемого плазмотрона (б) с газодинамическим фильтром. Как видно из представленных фото, в отличие от износа сопла базового плазмотрона, износ внутренней поверхности сопла заявляемого плазмотрона носит равномерный характер, что подтверждает заявленный технический результат.

Разработанная конструкция ГДФ позволяет обеспечить равномерное распределение плазмообразующего газа (ПОГ) по газовоздушному тракту (ГВТ) и сопловому узлу плазмотрона. Это позволяет стабилизировать плазменную дугу и с высокой эффективностью производить качественную резку металла в широком диапазоне толщин и на малых токах. Также это позволяет снизить акустическое воздействие плазмотрона в рабочей зоне оператора. Все вышеизложенное в совокупности позволяет обеспечить надежность работы конструктивных элементов плазмотрона и его высокие эксплуатационные свойства.

Плазмотрон, содержащий стационарную часть с каналами для подачи плазмообразующего газа, подачи и отвода охлаждающей среды и размещенную в корпусе сменную часть, содержащую сопло, водоохлаждаемый электрододержатель с электродом, размещенным на конической наружной поверхности электрододержателя, изоляционную втулку с винтовыми канавками завихрителя, газоподводящий канал, расположенный тангенциально к винтовой линии канавок завихрителя и соединенный с кольцевой конусообразной полостью, отличающийся тем, что в кольцевой конусообразной полости дополнительно размещен газодинамический фильтр, состоящий из последовательно расположенных на наружной поверхности электрододержателя двух дефлекторов, выполненных в виде концентричных перегородок, образующих в кольцевой конусообразной полости последовательно расположенные кольцевую цилиндрическую, кольцевую распределительную и кольцевую вихревую камеры, при этом кольцевая цилиндрическая камера ограничена уступом, расположенным на электрододержателе, и поверхностью первого дефлектора, выполненным непроницаемым, соединена с газоподводящим каналом, выходное отверстие которого размещено на поверхности уступа электрододержателя, а торцевая поверхность непроницаемого дефлектора и внутренняя криволинейная поверхность изоляционной втулки образуют кольцевой расширяющийся канал, выходящий в кольцевую распределительную камеру, которая ограничена вторым дефлектором, выполненным с каналами, посредством которых соединена с кольцевой вихревой камерой, конфузорно направленной к винтовым канавкам завихрителя, расположенным на наружной поверхности электрододержателя, а каналы второго дефлектора направлены в винтовые канавки завихрителя.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к антенной технике. Плазменная антенна содержит плазменный генератор, формирующий плазменное образование, и первичный источник электромагнитных волн, при этом анод плазменного генератора выполнен в виде конического диффузора, состоящего из корпуса и конической вставки, диэлектрически соединенной с подводящим патрубком, поверхность которого выполнена перфорированной, кроме того, первичный источник радиоволн установлен на оси антенны на расстоянии от точки генерации плазменного образования, где γ=2,8…3,0 - постоянная величина, k - волновое число, b - максимальное расстояние от плазменного генератора до границы области с критической концентрацией электронов, θк - угол между осью антенны и направлением распространения плазмы с максимальной скоростью.

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к устройствам для плазменного осаждения пленок, и может быть использовано для изготовления тонкопленочных солнечных элементов, фоточувствительных материалов для оптических сенсоров и тонкопленочных транзисторов большеразмерных дисплеев, для нанесения защитных покрытий.

Группа изобретений относится к медицинской технике. Устройство для генерирования потока нетеплового газообразного компонента выполнено с возможностью обработки ротового участка тела человека или животного посредством отбеливания или чистки зубов.

Изобретение относится к области обработки материалов нейтральным пучком Способ обработки поверхности заготовки содержит этапы, на которых обеспечивают камеру пониженного давления; формируют пучок газовых кластерных ионов, содержащий газовые кластерные ионы внутри данной камеры пониженного давления; ускоряют газовые кластерные ионы, чтобы сформировать пучок ускоренных газовых кластерных ионов вдоль траектории пучка внутри камеры пониженного давления; стимулируют фрагментацию и/или диссоциацию, по меньшей мере, части ускоренных газовых кластерных ионов вдоль траектории пучка посредством увеличения интервала скоростей ионов в пучке ускоренных газовых кластерных ионов; удаляют заряженные частицы из траектории пучка, чтобы сформировать ускоренный нейтральный пучок вдоль траектории пучка в камере пониженного давления; удерживают заготовку на траектории пучка; и обрабатывают, по меньшей мере, часть поверхности заготовки путем ее облучения ускоренным нейтральным пучком.

Изобретение относится к космической технике, к классу электрореактивных двигателей. Двигатель содержит автономный источник низкотемпературной плазмы, систему улавливания нейтральных частиц и регенерации ионов, разделитель потоков электронов и ионов, плазменный ускоритель.

Изобретение относится к области электрофизики, а именно к электродуговым устройствам для получения низкотемпературной плазмы (плазмотронам). Электродуговой трехфазный плазмотрон содержит три осесимметричные дуговые камеры, объединенные общей смесительной камерой, снабженной соплом, и коллектор подачи рабочего газа.

Изобретение относится к области плазменно-электромагнитного воздействия на различные виды материальной среды, расположенной как на близком, так и значительном расстояниях от излучателя.

Изобретение относится к области авиационной техники. Электрохимический генератор низкотемпературной плазмы для поджига, стабилизации и оптимизации работы сверхзвуковой камеры сгорания содержит термохимический реактор со штуцером для подвода газа с химически активным компонентом.

Изобретение относится к области переработки твердых отходов и может быть использовано на промышленных предприятиях, а также в коммунальном хозяйстве. Электродуговой плазмотрон постоянного тока для установок плазменной переработки отходов включает соосные полые цилиндрические водоохлаждаемые электроды (анод и катод), выполненные с возможностью вихревой подачи плазмообразующего газа в зазор между анодом и катодом через форсунку, выполненную из изолирующего термостойкого материала, соосной с анодом и катодом с отверстиями для подачи газа, при этом отверстия выполнены в плоскости, перпендикулярной оси электродов по касательной к внутренней поверхности форсунки.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для диагностики неоднородного слоя плазмы, контроля параметров плазмы в технологических установках, в исследованиях по моделированию плазмы ионосферы.

Изобретение относится к области плазменной техники. Плазменная горелка содержит каскад между катодом и анодом.

Изобретение относится к области плазменной техники. Электрод для дуговой плазменной горелки содержит наружную стенку в целом цилиндрической формы, торцевую стенку и выступ.

Изобретение относится к способу плазменной резки заготовки посредством установки плазменной резки, которая содержит источник струи плазмы и плазменную горелку, которая имеет электрод и форсунку, которая содержит небольшой зазор от электрода на нижнем конце плазменной горелки для образования между ними плазменной камеры.

Изобретение относится к области плазменного нанесения покрытий. Установка плазменного нанесения покрытий или обработки поверхности подложки (3) содержит рабочую камеру (2), которая является вакуумируемой и в которой может быть размещена подложка (3) и плазменная горелка (4) для создания плазменной струи (5) нагреванием технологического газа, причем плазменная горелка (4) имеет сопло (41), через которое плазменная струя (5) может выходить из плазменной горелки (4) и простираться вдоль продольной оси (А) в рабочей камере (2).

Изобретение относится к области плазменной техники. Сопло для плазменной горелки, охлаждаемой жидкостью, содержит сверление сопла для выхода струи плазменного газа на конце сопла, первый участок, внешняя поверхность которого выполнена цилиндрической, и примыкающий к нему, к концу сопла второй участок, внешняя поверхность которого суживается по направлению к концу сопла конически, причем предусмотрена/предусмотрены, по меньшей мере, одна канавка подвода жидкости и/или, по меньшей мере, одна канавка отвода жидкости и продолжаются через второй участок во внешней поверхности сопла (4) по направлению к концу сопла и причем канавка подвода жидкости или, по меньшей мере, одна из канавок подвода жидкости и/или канавка отвода жидкости или, по меньшей мере, одна из канавок отвода жидкости также продолжается/продолжаются через часть первого участка, а в первом участке находится, по меньшей мере, одна канавка, сообщающаяся с канавкой подвода жидкости или, по меньшей мере, с одной из канавок подвода жидкости или с канавкой отвода жидкости или, по меньшей мере, с одной из канавок отвода жидкости.

Изобретение относится к системе для термической обработки с использованием струи плазмы и/или лазерного луча. Лазерная головка (22) и плазменная головка (21) выполнены с возможностью присоединения к одному хвостовику (20).

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к трансформаторным плазмотронам низкого давления, и может быть использовано в микроэлектронике для обработки полупроводниковых материалов (плазменное травление, оксидирование, очистка поверхности и т.д.), осаждения тонких пленок, в металлообработке для плазмохимического модифицирования поверхности металлов (ионно-плазменное азотирование, плазменное оксидирование и т.д.), для плазменной обработки полимерных материалов (уменьшение пористости, изменение гидрофобных свойств и т.д.).

Изобретение относится к плазменной обработке изделия, в частности к способам для плазменной поверхностной закалки и отпуска металлов и сплавов. .

Изобретение относится к области машиностроения и металлургии, а именно к вакуумным устройствам для получения покрытий из материалов с эффектом памяти формы на цилиндрической поверхности деталей.

Изобретение относится к плазменно-механическому раскрою листового проката и подготовке его для дальнейших операций технологического процесса на оборудовании с числовым программным управлением и может быть использовано при изготовлении больших и сложных конструкций (пролеты мостов, металлоконструкции зданий и опор).

Изобретение относится к области металлургии, в частности к электротермической технике. Плазменно-дуговая сталеплавильная печь постоянного тока содержит керамический тигель с ванной металла, вертикальный плазмотрон, установленный в своде печи, и подовый электрод, установленный соосно вертикальному плазмотрону. Вертикальный плазмотрон установлен в своде печи посредством шарнира, а печь снабжена приводом возвратно-поступательного перемещения упомянутого плазмотрона с возможностью его перемещения на угол 20-30° к вертикальной оси тигля. Изобретение позволяет повысить производительность печи, уменьшить время плавки стали и расход электроэнергии. 3 ил.
Наверх