Устройства для плазменных дуговых горелок с газовым охлаждением и относящиеся к ним системы и способы

Изобретение относится к устройствам для плазменных дуговых горелок с газовым охлаждением. В заявленном изобретении сопла могут содержать корпус, имеющий проксимальный конец и дистальный конец, которые определяют длину корпуса сопла и его продольную ось. Корпус может содержать выходной жиклер, определенный дистальным концом; напорную камеру, проходящую от проксимального конца до дна напорной камеры, при этом расстояние от дна напорной камеры до дистального конца определяет толщину дна напорной камеры, а расстояние от дна напорной камеры до проксимального конца определяет высоту проксимального конца. Корпус также содержит отверстие, проходящее от дна напорной камеры до выходного жиклера. Длина корпуса сопла больше его ширины, а отношение высоты проксимального конца к толщине дна напорной камеры меньше 2,0. Техническим результатом является повышение эффективности охлаждения, улучшение характеристики резания, возможность создания более стабильных плазменных дуг и увеличение срока службы расходных компонентов. 3 н. и 35 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к горелкам для тепловой резки (например, плазменным дуговым горелкам) и, более конкретно, к устройствам для газового охлаждения пламенных дуговых горелок и относящимся к ним системам и способам.

ПРЕДПОСЫЛКИ

К основным компонентам современных известных плазменных дуговых горелок относятся корпус горелки, электрод (например, катод), установленный внутри корпуса, сопло (например, катод) с центральным отверстием, который может создавать вспомогательную дугу на электрод для инициации плазменной дуги в потоке подходящего газа (например, воздуха, азота или кислорода), и соответствующие электрически соединения и каналы для охлаждения и для текучих сред, управляющих дугой. Генерирование вспомогательной дуги может осуществляться посредством высокочастотного высоковольтного сигнала, соединенного с источником питания постоянного тока и плазменной дуговой горелкой, или любым из контактных способов пуска. В некоторых конфигурациях на корпус горелки устанавливают экран, чтобы предотвратить накопление на частях горелки (например, на сопле или электроде) металла, разбрызгивающегося от обрабатываемой детали (иногда именуемого шлаком). По существу, экран содержит выходную часть (также именуемую жиклером экрана), которая позволяет струе плазмы проходить сквозь нее. Экран можно устанавливать соосно с соплом так, чтобы выходная часть для плазмы была выровнена с выходной частью экрана.

На известные конструкции накладывала ограничения способность к охлаждению плазменных дуговых горелок. Например, известные конструкции требовали применения охлаждающих сред (например, воды или охлаждающей жидкости), не являющихся газом или дополняющими газ, на котором горелки работают при высоких токах (например, 100 или 200 ампер или более). Большинство этих способов охлаждения могли требовать охлаждающих систем, являющихся внешними для горелки (например, которые могли иметь источники воды, резервуары, теплообменное оборудование, подающие насосы и пр.). Внешние охлаждающие системы могут привести к увеличению расходов на оборудование, могут требовать больше технического обслуживания, могут допускать утечки и, в некоторых случаях, могут требовать удаления охлаждающей среды. Проблема охлаждения плазменной дуговой горелки обостряется в сильноточных системах, поскольку сильноточные системы могут генерировать больше теплоты и иметь повышенные требования к охлаждению. Действительно, в коммерчески доступных режущих системах с плазменными дуговыми горелками, работающих на токах, превышающих 100 А, типично применяются системы охлаждения с жидким теплоносителем (например, водой или гликолем). Однако возможны и другие системы.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно некоторым аспектам сопло плазменной дуговой горелки с газовым охлаждением может содержать корпус сопла, имеющий проксимальный конец и дистальный конец, которые определяют длину корпуса сопла и продольную ось, при этом корпус содержит: выходной жиклер, определенный дистальным концом корпуса сопла; напорную камеру, расположенную в корпусе сопла, при этом напорная камера проходит от проксимального конца корпуса сопла до дна напорной камеры, и расстояние от дна напорной камеры до дистального конца определяет толщину дна напорной камеры, а расстояние от дна напорной камеры до проксимального конца корпуса сопла определяет длину до проксимального конца; и отверстие, проходящее от дна напорной камеры до выходного жиклера, при этом отверстие имеет длину и ширину, котором корпус сопла имеет ширину сопла в направлении, поперечном продольной оси, в котором длина корпуса сопла больше ширины сопла, и в котором отношение длины до проксимального конца к толщине дна напорной камеры составляет менее 2,0.

Варианты могут содержать один или более из следующих признаков.

В некоторых вариантах сопло может иметь фланец корпуса на проксимальном конце корпуса сопла, при этом общая длина сопла, определена расстоянием от проксимального конца фланца корпуса сопла до торца на дистальном конце сопла так, что общая длина сопла больше, чем длина корпуса сопла. В некоторых случаях фланец корпуса выступает на 0,05-0,5 дюйма (1,27-12,7 мм) над напорной камерой сопла. В некоторых случаях длина до проксимального конца включает фланец корпуса.

Длина отверстия соответствует толщине дна напорной камеры. Отверстие может содержать фаску или зенковку. Ширина отверстия может меняться на его длине. Отверстие может иметь фаску или зенковку на каждом конце его длины.

В некоторых вариантах выходной жиклер может находиться на торце сопла.

В некоторых вариантах отношение длины отверстия к длине корпуса сопла может быть больше, чем приблизительно 0,32.

В некоторых вариантах толщина боковой стенки напорной камеры может быть между внутренним диаметром напорной камеры и наружным диаметром напорной камеры, а отношение толщины боковой стенки напорной камеры к ширине корпуса сопла может быть от приблизительно 0,15 до приблизительно 0,19. В некоторых вариантах боковая стенка напорной камеры может содержать один или более канал для охлаждающего газа.

В некоторых вариантах сопло может иметь размер, позволяющий ему работать в плазменной дуговой горелке при токе по меньшей мере 100 А. В некоторых вариантах сопло может работать при отношении тока к длине корпуса сопла более 170 А/дюйм.

В некоторых вариантах отношение длины до проксимального конца к толщине дна напорной камеры может быть меньше, чем приблизительно 1,4.

Согласно некоторым аспектам сопло для плазменной дуговой горелки с воздушным охлаждением, выполненной с возможностью работы при токе выше 100 А, может содержать корпус сопла, имеющий дистальную часть, определяющую канал, выровненный с продольной осью корпуса сопла, и этот центральный канал имеет длину и имеет форму для направления потока плазменного газа; и проксимальную часть, соединенную с дистальной частью и имеющую длину проксимальной части, при этом проксимальная часть определяет напорную камеру, соединенную по текучей среде с каналом, в котором отношение длины проксимальной части к длине канала может быть меньше 2,0, и в котором сопло может быть выполнено с возможностью допускать работу при отношении тока к длине корпуса сопла больше, чем приблизительно 170 А/дюйм.

Варианты могут содержать один или больше из следующих признаков:

В некоторых вариантах сопло может содержать фланец корпуса на проксимальном конце проксимальной части корпуса сопла, при этом общая длина сопла определяется расстоянием от проксимального конца фланца корпуса сопла до торца на дистальном конце сопла так, что общая длина сопла больше, чем длина корпуса сопла. В некоторых вариантах фланец корпуса сопла может содержать проточный канал.

В некоторых вариантах длина центрального канала может соответствовать толщине дна напорной камеры. В некоторых вариантах ширина центрального канала может изменяться вдоль дины центрального канала. В некоторых вариантах центральный канал может иметь фаску или зенковку на каждом конце его длины.

В некоторых вариантах толщина боковой стенки напорной камеры может быть между внутренним диаметром напорной камеры и наружным диаметром напорной камеры, а отношение толщины боковой стенки напорной камеры к ширине корпуса сопла может быть от приблизительно 0,15 до приблизительно 0,19. В некоторых вариантах боковая стенка напорной камеры может содержать один или более канал для охлаждающего газа.

В некоторых вариантах каналы для охлаждающего газа могут иметь размеры, позволяющие соплу работать в плазменной дуговой горелке при токе по меньшей мере 100 А. В некоторых вариантах каналы для охлаждающего газа могут иметь размеры, позволяющие соплу работать в плазменной дуговой горелке при отношении тока к длине корпуса сопла более 170 А/дюйм.

В некоторых вариантах отношение длины проксимальной части к длине центрального канала может быть меньше приблизительно 1,4.

Согласно некоторым аспектам сопло для плазменной дуговой горелки с газовым охлаждением может содержать полый по существу цилиндрический корпус, имеющий первый конец и второй конец которые определяют продольную ось, при этом второй конец корпуса определяет выходной жиклер сопла; газовый канал, сформированный в первом конце между внутренней стенкой и наружной стенкой цилиндрического корпуса, при том этот газовый канал направляет поток газа по периферии вокруг по меньшей мере части корпуса; впускное отверстие, сформированное по существу сквозь радиальную поверхность наружной стенки и соединенное по текучей среде с газовым каналом; и выпускное отверстие по меньшей мере по существу выровненное с продольной осью и соединенное по текучей среде с газовым каналом.

Варианты могут содержать один или более из следующих признаков:

В некоторых вариантах впускное отверстие может содержать впускной порт, сформированный сквозь радиальную поверхность корпуса. В некоторых случаях выпускное отверстие может содержать выпускной порт, сформированный сквозь вторую внешнюю радиальную поверхность корпуса между вторым концом сопла и впускным портом.

В некоторых вариантах сопло содержит множество (например, множественных) впускных каналов. В некоторых случаях, радиальный угол между соответствующими впускными каналами составляет приблизительно 120 градусов. В некоторых вариантах сопло содержит множество выпускных каналов. В некоторых случаях радиальный угол между соответствующими выпускными каналами составляет приблизительно 120 градусов. В некоторых вариантах сопло содержит множество впускных каналов и множество выпускных каналов. В некоторых случаях впускные каналы радиально смещены относительно выпускных каналов.

В некоторых вариантах периферийный поток газа по газовому каналу проходит по всей окружности сопла.

В некоторых вариантах часть стенок сопла выполнены с возможностью сопрягаться с наружной поверхностью завихрителя. В некоторых случаях завихритель образует часть газового канала.

Согласно некоторым аспектам сопло для плазменной дуговой горелки с газовым охлаждением может содержать полый по существу цилиндрический корпус, имеющий первый конец и второй конец, которые определяют продольную ось, при этом второй конец корпуса определяет выходной жиклер сопла; область напорной камеры, определенную внутри корпуса и направляющую плазменный газ; канал для охлаждающего газа, сформированный в первом конце между внутренней стенкой и наружной стенкой цилиндрического корпуса, при этом канал охлаждающего газа изолирует охлаждающий газ от плазменного газа; по существу радиально ориентированный впускной канал, соединенный по текучей среде с газовым каналом; и по существу продольно ориентированный выпускной канал соединенный по текучей среде с газовым каналом.

Варианты могут содержать один или более из следующих признаков:

В некоторых вариантах радиально ориентированный впускной канал также содержит впускной порт, сформированный сквозь радиальную поверхность корпуса. В некоторых вариантах продольно ориентированный выпускной канал также содержит выпускной порт, сформированный сквозь радиальную поверхность корпуса между вторым концом сопла и впускным портом. В некоторых вариантах сопло содержит множество радиально ориентированных впускных каналов. В некоторых случаях радиальный угол между впускными каналами составляет приблизительно 120 градусов. В некоторых вариантах сопло также содержит множество выпускных каналов. В некоторых случаях радиальный угол между соответствующими выпускными каналами составляет приблизительно 120 градусов. В некоторых вариантах сопло содержит множество впускных каналов и множество выпускных каналов. В некоторых случаях впускные каналы радиально смещены относительно выпускных каналов.

В некоторых вариантах периферийный поток газа вдоль газового канала проходит по всей окружности сопла. В некоторых вариантах часть стенок сопла выполнены с возможностью сопрягаться с наружной поверхностью завихрителя. В некоторых вариантах завихритель может составлять часть газового канала.

В некоторых вариантах плазменный газ и охлаждающий газ объединяются у выходного жиклера сопла.

Согласно некоторым аспектам способ охлаждения сопла плазменной дуговой горелки может содержать этапы, на которых создают сопло, имеющее полый корпус с первым концом и вторым концом, при этом второй конец определяет выходной жиклер сопла, газовый канал, сформированный в первом конце корпуса, по существу радиально ориентированный впускной канал, соединенный по текучей среде с газовым каналом, и по существу продольно ориентированный выпускной канал, соединенный по текучей среде с газовым каналом; пропускают охлаждающий газ через впускной канал в газовый канал; направляют охлаждающий канал вдоль газового канала; и выпускают охлаждающий газ из газового канала в выпускной канал.

Согласно некоторым аспектам сопло для плазменной дуговой горелки с газовым охлаждением может содержать корпус, имеющий первый конец и второй конец, которые определяют продольную ось; область напорной камеры, по существу сформированную в корпусе, при этом область напорной камеры проходит от первого конца корпуса и выполнена с возможностью принимать поток плазменного газа; выходной жиклер, расположенный на втором конце корпуса и ориентированный по существу соосно с продольной осью, при этом выходной жиклер соединен по текучей среде с областью напорной камеры; и элемент на наружной поверхности корпуса, выполненное с возможностью усиливать охлаждения, принимая поток охлаждающего газа, текущий с высокой скоростью по существу в направлении продольной оси вдоль длины корпуса, отбойную поверхность элемента, выполненную с возможностью принимать поток охлаждающего газа, текущий в направлении, по существу перпендикулярном к этой отбойной поверхности, и перенаправлять поток охлаждающего газа для улучшения охлаждения и создания равномерного экранирующего потока.

Варианты могут содержать один или более из следующих признаков:

В некоторых вариантах элемент расположен на окружности наружной поверхности корпуса сопла.

В некоторых вариантах по существу перпендикулярное направление может быть направлением под углом от приблизительно 45 градусов до приблизительно 90 градусов относительно отбойной поверхности.

В некоторых вариантах поперечное сечение отбойной поверхности элемента содержит по существу плоскую поверхность, которая расположена по существу перпендикулярно потоку охлаждающего газа. В некоторых вариантах отбойная поверхность элемента содержит по существу коническую поверхность. В некоторых вариантах элемент расположен на сопле рядом с соответствующим элементом компонента экрана. В некоторых случаях элементом является смесительная камера.

В некоторых случаях высокая скорость составляет по меньшей мере 300 м/с.

В некоторых вариантах элемент содержит по меньшей мере часть камеры достаточного размера для увеличения равномерности потока охлаждающего газа, работая как буферная камера для уменьшения переходных эффектов потока охлаждающего газа. В некоторых случаях камера проходит по периферии наружной поверхности сопла.

В некоторых вариантах сопло содержит острый угол рядом с отбойной поверхностью для генерирования турбулентности в потоке охлаждающего газа.

Согласно некоторым аспектам система охлаждения сопла для плазменной дуговой горелки может содержать сопло, имеющее корпус с первым концом и вторым концом, которые определяют продольную ось, область напорной камеры, по существу сформированную в корпусе, при этом область напорной камеры отходит от первого конца корпуса и выполнена с возможностью принимать поток плазменного газа, выходной жиклер, сформированный на втором конце корпуса и ориентированный по существу соосно с продольной осью, при этом выходной жиклер соединен по текучей среде с областью напорной камеры, и элемент на наружной поверхности корпуса, выполненный с возможностью усиливать охлаждение путем приема потока охлаждающего газа, текущего с высокой скоростью по существу в направлении продольной оси вдоль длины корпуса, при этом отбойная поверхность элемента выполнена с возможностью принимать поток охлаждающего газа с по существу перпендикулярного направления относительно отбойной поверхности для перенаправления потока охлаждающего газа для улучшения охлаждения и создания равномерного экранирующего потока; и колпачок, удерживающий сопло, содержащий по существу цилиндрический корпус и крепежный фланец, при этом крепежный фланец удерживающего колпачка содержит множество портов подачи экранирующего газа, расположенных под углом к продольной оси сопла, при этом угол по существу перпендикулярен отбойной поверхности элемента сопла.

Варианты могут содержать один или более из следующих признаков.

В некоторых вариантах колпачок, удерживающий сопло может содержать приблизительно 10 портов подачи экранирующего газа.

Согласно некоторым аспектам охлаждающая система, экранирующая сопло, содержит корпус с первым концом и вторым концом, которые определяют продольную ось; область напорной камеры, по существу сформированную в корпусе, при этом область напорной камеры отходит от первого конца корпуса и выполнена с возможностью принимать поток плазменного газа; выходной жиклер, расположенный на втором конце корпуса и ориентированный по существу соосно с продольной осью, при этом выходной жиклер соединен по текучей среде с областью напорной камеры; и элемент на наружной поверхности корпуса, выполненный с возможностью улучшать охлаждение путем приема охлаждающего газа, текущего с высокой скоростью по существу в направлении продольной оси вдоль длины корпуса, при этом отбойная поверхность элемента выполнена с возможностью принимать поток охлаждающего газа в направлении по существу перпендикулярном отбойной поверхности и перенаправлять поток охлаждающего газа для улучшения охлаждения и создания равномерного экранирующего потока; и экран для плазменной дуговой горелки, содержащий по существу конический корпус и торец, содержащий выходной жиклер экрана, при этом внутренняя поверхность экрана определяет смесительную камеру в положении, соответствующем отбойному элементу сопла, когда они собраны друг с другом, при этом смесительная камера имеет впускную кромку, расположенную для направления охлаждающего газа от отбойного элемента в смесительную камеру.

Варианты могут содержать один или более из следующих признаков:

В некоторых вариантах смесительная камера и впускная кромка проходят по периферии внутренней поверхности экрана. В некоторых вариантах профиль впускной кромки образует острый угол. В некоторых вариантах впускная кромка проходит к первому концу корпуса сопла. Впускная кромка может также проходить ко второму концу корпуса сопла.

В некоторых вариантах экран имеет по меньшей мере два элемента впускной кромки.

В некоторых вариантах смесительная камера имеет луковицеобразное сечение. В некоторых вариантах смесительная камера имеет достаточный объем для увеличения равномерности потока охлаждающего газа за счет работы в качестве буферной камеры для уменьшения переходных процессов потока охлаждающего газа.

Согласно некоторым аспектам экран для плазменной дуговой горелки с газовым охлаждением может содержать корпус, имеющий проксимальный конец, выполнен с возможностью сопряжения с корпусом плазменной дуговой горелки, и дистальный конец; в дистальном конце корпуса сформирован выходной жиклер; и внутренняя поверхность экрана определяет проточную поверхность экрана, которая образует часть проточного канала экрана, который направляет поток экранирующего газа вдоль внутренней проточной поверхности экрана в направлении от проксимального конца к выходному жиклеру на дистальном конце корпуса, при этом внутренняя поверхность экрана также определяет проточный элемент, расположенный на внутренней проточной поверхности экрана, при этом проточный элемент сформирован по периферии вокруг внутренней поверхности корпуса между проксимальным концом и выходным жиклером, при этом проточный элемент выполнен с возможностью реверсировать направление потока экранирующего газа в проточном канале для экранирующего газа.

Варианты могут содержать один или более из следующих признаков:

В некоторых вариантах внутренняя проточная поверхность экрана содержит смесительную камеру, сформированную по периферии вокруг корпуса на участке проточного канала для экранирующего газа рядом с отбойным элементом соответствующего сопла, при этом смесительная камера содержит впускную кромку, расположенную так, чтобы направлять экранирующий газ в смесительную камеру. В некоторых случаях проточный элемент также определяет область рекомбинации, которая расположена между выходным жиклером и смесительной камерой.

В некоторых вариантах проточный элемент определяет область рекомбинации, расположенную между набором вентиляционных портов и выходным жиклером.

В некоторых вариантах проточный элемент может содержать выпуклость и углубление, которые взаимодействуют для реверсирования направления потока. В некоторых случаях выпуклость расположена рядом с углублением. В некоторых вариантах проточный элемент содержит выпуклость так, что эта выпуклость является гребнем, проходящим по периферии внутренней проточной поверхности экрана. В некоторых вариантах проточный элемент содержит углубление, являющееся канавкой, которая проходит по периферии внутренней проточной поверхности экрана. В некоторых случаях проточный элемент содержит выпуклость, расположенную между углублением и выпускным жиклером. Проточный элемент может быть расположен на конической части корпуса экрана. Проточный элемент может быть расположен на торце дистального конца корпуса экрана. Проточный элемент может содержать выпуклость, расположенную в положении на внутренней проточной поверхности экрана, которая соответствует комплементарному элементу на соседнем сопле горелки, когда экран прикреплен к пламенной дуговой горелке. Например, комплементарным приспособлением сопла может быть гребень.

В некоторых вариантах в собранном состоянии выпуклость и комплементарный элемент сопла оба могут быть параллельны продольной оси корпуса плазменной дуговой горелки. В некоторых вариантах выпуклость и комплементарный элемент сопла образуют изломанную траекторию.

Согласно некоторым аспектам сопло для плазменной дуговой горелки с воздушным охлаждением может содержать корпус, имеющий проксимальный конец, выполненный с возможностью сопряжения с корпусом плазменной дуговой горелки, и дистальный конец; и наружная поверхность сопла содержит проточную поверхность сопла, которая образует часть проточного канала для экранирующего газа, который направляет поток экранирующего газа вдоль наружной поверхности сопла в направлении от проксимального конца к жиклеру на дистальном конце корпуса, при этом наружная поверхность сопла также имеет проточный элемент, расположенный на наружной проточной поверхности сопла и проточный элемент сформирован по периферии вокруг внешней поверхности корпуса между проксимальным концом и жиклером, при этом проточный элемент выполнен с возможностью реверсировать направление потока экранирующего газа внутри проточного канала для экранирующего газа.

Варианты могут содержать один или более из следующих признаков:

В некоторых вариантах сопло содержит элемент на внешней проточной поверхности корпуса сопла выполненный с возможностью улучшать охлаждение корпуса за счет приема по меньшей мере части потока экранирующего газа, текущего с высокой скоростью по существу в направлении продольной оси корпуса сопла и вдоль длины этого корпуса, отбойная поверхность элемента выполнена с возможностью принимать по меньшей мере часть потока охлаждающего газа в по существу перпендикулярном направлении к отбойной поверхности и перенаправлять поток охлаждающего газа для улучшения охлаждения и создания равномерного экранирующего потока.

В некоторых вариантах наружная проточная поверхность сопла содержит смесительную камеру, сформированную по периферии вокруг корпуса на участке проточного канала для экранирующего газа, расположенном рядом с отбойным элементом.

В некоторых вариантах проточный элемент может содержать выпуклость и углубление, которые взаимодействуют для реверсирования направления потока. В некоторых случаях выпуклость расположена рядом с углублением. В некоторых вариантах проточный элемент содержит выпуклость так, что выпуклость является гребнем, который проходит по периферии наружной проточной поверхности сопла.

В некоторых вариантах проточный элемент может содержать углубление так, чтобы углубление было канавкой, которая проходит по периферии наружной проточной поверхности сопла. В некоторых вариантах проточный элемент может содержать выпуклость так, чтобы выпуклость находилась между углублением и жиклером. Проточный элемент может быть расположен на коническом участке корпуса сопла. Проточный элемент может быть расположен на торце дистального конца корпуса сопла. В некоторых вариантах проточный элемент может содержать выпуклость так, чтобы эта выпуклость находилась в положении на наружной проточной поверхности сопла, которое соответствует комплементарному элементу соседнего экрана горелки, когда сопло прикреплено к плазменной дуговой горелке. В некоторых случаях комплементарный элемент может быть гребнем.

Согласно некоторым аспектам расходный комплект для системы плазменной дуговой горелки с воздушным охлаждением может содержать экран, содержащий корпус экрана, имеющий проксимальный конец, выполненный с возможностью сопряжения с корпусом плазменной дуговой горелки, и дистальный конец; выходной жиклер, сформированный в дистальном конце корпуса; и внутреннюю часть экрана, имеющую проточную поверхность экрана, которая образует часть проточного канала экранирующего газа, который направляет поток экранирующего газа вдоль внутренней проточной поверхности экрана в направлении от проксимального конца к выходном жиклеру на дистальном конце корпуса, при том внутренняя часть экрана имеет проточный элемент, расположенный на внутренней проточной поверхности экрана, при этом проточный элемент сформирован по периферии вокруг внутренней части корпуса между проксимальным концом и выходным жиклером, при этом проточный элемент выполнен с возможностью реверсировать направление потока экранирующего газа в канале для экранирующего газа; и сопло, сформированное из электропроводного материала, содержащее корпус сопла, имеющий первый конец и второй конец, которые определяют продольную ось; область напорной камеры, по существу сформированную в корпусе сопла, при этом область напорной камеры отходит от первого конца корпуса сопла и выполнена с возможностью принимать поток плазменного газа, при этом область напорной камеры соединена по текучей среде с выходным жиклером; элемент на внешней поверхности корпуса сопла, выполненный с возможностью улучшать охлаждение сопла путем приема потока охлаждающего газа, текущего с высокой скоростью по существу в направлении продольной оси вдоль длины корпуса сопла, при этом отбойная поверхность элемента выполнена с возможностью принимать по меньшей мере часть потока охлаждающего газа в по существу перпендикулярном направлении относительно отбойной поверхности, и перенаправлять поток охлаждающего газа для улучшения охлаждения и создания равномерного экранирующего потока, так, чтобы по меньшей мере часть потока охлаждающего газа от отбойной поверхности выходила из горелки через жиклер.

Варианты могут содержать один или более из следующих признаков:

В некоторых вариантах внутренняя проточная поверхность экрана далее может содержать смесительную камеру, сформированную по периферии вокруг корпуса экрана на части проточного канала для экранирующего газа рядом с отбойным элементом.

Согласно некоторым аспектам способ охлаждения сопла плазменной дуговой горелки с воздушным охлаждением может содержать этапы, на которых подают экранирующий газ по существу под перпендикулярным углом к наружному элементу сопла; перенаправляют экранирующий газ от наружного элемента сопла в смесительную камеру, расположенную рядом с элементом; и пропускают экранирующий газ из смесительной камеры по проточному каналу для экранирующего газа на выходной жиклер экрана, при этом проточный канал для экранирующего газа по меньшей мере частично определен наружной поверхностью сопла.

Варианты могут содержать один или более из следующих признаков:

В некоторых вариантах способ также может содержать этап, на котором пропускают экранирующий газ от смесительной камеры через область рекомбинации, расположенную между соплом и экраном для создания по существу равномерного потока экранирующего газа на выходном жиклере, при этом область рекомбинации содержит по меньшей мере один элемент, перенаправляющий поток. В некоторых случаях область рекомбинации может находиться после смесительной камеры и содержать дефлектор на внутренней поверхности экрана, и дефлектор на наружной поверхности сопла. В некоторых случаях дефлектор экрана и дефлектор сопла расположены рядом друг с другом, когда экран и сопло установлены на горелку.

В некоторых вариантах по меньшей мере часть смесительной камеры может быть расположена на наружной поверхности сопла. В некоторых вариантах по меньшей мере часть смесительной камеры может быть расположена на внутренней поверхности соседнего экрана. В некоторых вариантах по меньшей мере часть смесительной камеры может быть расположена на наружной поверхности сопла, и по меньшей мере часть смесительной камеры может быть расположена на внутренней поверхности соседнего экрана.

Согласно некоторым аспектам способ создания равномерного потока экранирующего газа для плазменной дуговой горелки с воздушным охлаждением может содержать этапы, на которых подают экранирующий газ в проточный канал для экранирующего газа, определенный наружной поверхностью сопла и внутренней поверхностью экрана; пропускают экранирующий газ по проточному каналу для экранирующего газа; реверсируют поток экранирующего газа в проточном канале для экранирующего газа, используя область рекомбинации, при этом область рекомбинации содержит по меньшей мере один элемент реверсирования потока, и пропускают экранирующий газ из области смешивания в выходной жиклер экрана, тем самым создавая по существу равномерный поток экранирующего газа на выходном жиклере.

Варианты, описанные в настоящем документе, могут давать одно или более из следующих преимуществ.

Согласно некоторым аспектам расходные компоненты (например, сопла) описанные в настоящем документе, имеющие канал для охлаждающего газа, сформированный между внутренней стенкой и наружной стенкой, могут охлаждаться лучше, чем некоторые другие расходные компоненты, которые не имеют таких газовых каналов. Улучшенное охлаждение частично является результатом дополнительной площади контакта с охлаждающим газом, созданной в сопле, через которую может отводиться теплота, и уноситься охлаждающим газом. Улучшенное охлаждение может улучшить характеристики резания, например, способствуя созданию более стабильных плазменных дуг и увеличению срока службы расходных компонентов. Увеличенный срок службы расходных компонентов может привести к уменьшению частоты замены таких расходных компонентов, что может привести к экономии расходов и снижению времени простоя системы.

Далее, формирование охлаждающего газового канала в наружной стенке сопла может обеспечить лучшее разделение (т.е., изоляцию) канала для охлаждающего газа от траектории потока плазменного газа, что может улучшить охлаждение без существенных помех подаче плазменного газа и/или управления им.

Дополнительно, газовые охлаждающие каналы с одним или более горизонтальным (т.е., по существу перпендикулярным к продольной оси сопла) впуском и одним или более вертикальным (т.е., по существу продольным) выпуском, которые могут быть смещены по периферии относительно горизонтальных впусков, могут способствовать созданию газовых потоков, ударяющихся в разные поверхности сопла. Такой отражаемый поток может способствовать созданию турбулентности в потоке для дополнительного улучшения охлаждения.

Согласно некоторым аспектам описываемые сопла, имеющие элемент, расположенный вдоль его наружной поверхности, который определяет отбойную поверхность для приема потока охлаждающего газа (т.е. высокоскоростного потока охлаждающего газа) могут лучше охлаждаться, чем некоторые другие известные сопла. Как описано в настоящем документе, отбойная поверхность может быть наклонена относительно одной или более другой наружной поверхности сопла, чтобы поток охлаждающего газа контактировал (ударялся) с отбойной поверхностью по существу перпендикулярно к этой отбойной поверхности, что может улучшить охлаждение. Например, как описано в настоящем документе, наклонная отбойная поверхность типично наклонена так, чтобы проходить перпендикулярно наклонному проточному каналу для охлаждающего газа, который определен внутри колпачка, удерживающего сопло, по которому течет поток охлаждающего газа.

Далее, расположение наклонной отбойной поверхности внутри смесительного канала может способствовать генерированию смешивания высокоскоростного газового потока, например, частично благодаря по существу перпендикулярному отбою потока газа на отбойной поверхности, что может улучшить охлаждение относительно некоторых других известных сопел, не имеющих таких признаков. В некоторых случаях, элемент и отбойная поверхность помогают создать турбулентный поток в канале смешивания, который дополнительно способствует охлаждению. Дополнительно в некоторых случаях канал смешивания может помочь смешать и распределить (например, равномерно распределить) поток охлаждающего экранирующего газа вокруг сопла так, чтобы он подавался более равномерно. Улучшенная равномерность подачи экранирующего газа может создать более стабильную плазменную дугу, что может дать повышение скорости и точности резания.

Согласно некоторым аспектам, альтернативно или дополнительно, элементы сопла могут работать в комбинации с соответствующими элементами (например, канавками или фланцами), сформированными на других расходных компонентах, таких как экран, для изменения (например, возмущения, отклонения и/или частичной блокировки, перенаправления или перераспределения) потока экранирующего газа, текущего между соплом и экраном. Например, как описано в настоящем документе, некоторые сопла могут содержать углубление, в котором во время использования может быть частично размещен фланец экрана. Конфигурация фланца, размещенного в углублении, может привести к временному перенаправлению потока экранирующего газа (т.е., направить его назад, а затем, обратно вперед) к дистальному концу горелки. Такое перенаправление способствует перемешиванию и распределению потоку экранирующего газа по кольцу вокруг выходного жиклера экрана, чтобы экранирующий газ, выходящий из горелки, был более равномерно распределен, чем в некоторых известных системах горелок. Более равномерно распределенный экранирующий газ может быть полезен, способствуя созданию более стабильной плазменной дуги, уменьшая или ограничивая неустойчивые изменения потока газа вокруг плазменной дуги. Аналогично, другие описанные в настоящем документе признаки, например, комплементарный смешивающий канал, образованный элементами и поверхностями сопла и/или экрана (описанные ниже со ссылками на фиг.3) также могут способствовать приему потока газа, поступающего из множества дискретных каналов, и распределению потока газа по периферии вокруг сопла для создания более равномерно распределенного потока газа и более равномерной плазменной дуги.

Согласно некоторым аспектам сопла, описанные в настоящем документе, спроектированы, получили пропорции и сконструированы так, чтобы быть короче (т.е., с более короткой длиной до проксимального конца), шире (т.е., с более толстым концом сопла (например, с более широким или большим торцом) и/или с более толстыми боковыми стенками напорной камеры) и/или иметь более длинное отверстие (т.е., более толстую дистальную область) могут создавать лучший охлаждающий эффект относительно некоторых других известных сопел, в которых отсутствуют такие модифицированные признаки. В некоторых случаях ожидается, что эти пропорции приведут к соплу с увеличенной массой конца, сконцентрированной в дистальной области (т.е., с увеличенными отношениями массы конца к объему относительно остальной части сопла), что может улучшить охлаждение. В частности, увеличенная масса материала, расположенного радиально, окружая выходной жиклер, может обеспечить лучшие пути теплопереноса, по которым теплота может проходить наружу внутри сопла и проксимально относительно мундштука горелки.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - сечение иллюстративной плазменной дуговой горелки, определяющей различные проточные газовые каналы для подачи охлаждающего или экранирующего газа к мундштуку горелки.

Фиг.2 - сечение иллюстративного сопла для плазменной дуговой горелки, которое содержит газовый канал, определенный между внутренней стенкой и наружной стенкой, для направления потока газа по периферии вокруг корпуса сопла.

Фиг.3 - сечение плазменной дуговой горелки, имеющей систему охлаждения сопла и систему распределения потока, определенную признаками и элементами, сформированными вдоль сопла и экрана.

Фиг.4 - сечение в увеличенном масштабе системы охлаждения сопла по фиг.3, иллюстрирующее поток охлаждающего газа внутри сопла и вокруг него.

Фиг.5 - сечение в увеличенном масштабе распределительной системы по фиг.3, иллюстрирующее элементы, сформированные вдоль сопла и экрана для перенаправления и по существу равномерного распределения потока экранирующего газа по кольцу вокруг сопла.

Фиг.5А - сечение в увеличенном масштабе другого примера распределительной системы, иллюстрирующее элементы, сформированные вдоль сопла и экрана для перенаправления и по существу равномерного распределения потока экранирующего газа по кольцу вокруг сопла.

Фиг.6 - сечение иллюстративного сопла для плазменной дуговой горелки, имеющего более широкий торец и область дистального конца для распределения теплоты и усиления охлаждения сопла.

Фиг.7 - модель потока газа, иллюстрирующая поток газа в газовый канал по фиг.2 и из него.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

На фиг.1 показан пример плазменной горелки 50, которая может использоваться в различных аспектах и вариантах систем, устройств и способов охлаждения плазменной дуговой горелки, описанных в настоящем документе. Как показано на фиг.1, плазменная горелка 50 может содержать электрод 60, сопло 100 и экран 150. Горелка 50 может быть электрически соединена (например, токопроводящим кабелем (не показан)), с источником питания (не показан) и получать электрический ток от этого источника тока. Электрический ток, полученный от источника питания, переходит по пути тока на электрод 60 к соплу 100.

Во время использования газ (например, плазменный газ) направляется в область напорной камеры 80, определенную между электродом 60 и соплом 100. Плазменный газ может быть ускорен (например, плазменный газ может быть нагрет, что уменьшает плотность газа по мере формирования плазмы, что увеличивает ее объем и скорость) в плазменной напорной камере 80 для генерирования потока плазмы через плазменную дугу, созданную между электродом 60 и соплом 100.

Экспериментальные исследования показали, что температура сопла во время работы (например, степень, в которой сопло можно удерживать холодным) может оказывать существенное влияние на срок службы электрода. В частности, в результате относительно высокой рабочей температуры при сильноточном резании плазменной дугой с воздушным охлаждением, что может существенно увеличить износ и эрозию материала, срок службы электрода и сопла могут быть низкими относительно систем резания плазменной дугой с воздушным охлаждением, в которых применяется более слабый ток. Соответственно, улучшение охлаждения может быть полезным способом увеличения или удлинения полезного срока службы электрода и/или сопла с воздушным охлаждением. Охлаждение может осуществляться путем направления газа (например, воздуха, азота или кислорода) через поверхности электрода и/или сопла. Поток газа через эти элементы (т.е., электрод или сопло) можно направить вдоль внутренних и/или наружных поверхностей. В некоторых случаях плазменная дуговая горелка может быть горелкой с воздушным охлаждением, которая охлаждается путем направления одного или более высокоскоростного потока охлаждающего газа (например, воздуха с расходом от приблизительно 20 стандартных кубических футов в час до 250 стандартных кубических футов в час или от приблизительно 0,57 м3/ч до приблизительно 7,08 м3/ч) через различные каналы, определенные в мундштуке горелки.

Некоторые описываемые варианты могут усилить (т.е., существенно улучшить) охлаждение расходных компонентов горелки (т.е., даже без применения охлаждающих жидкостей), таких как сопло горелки, тем самым увеличивая срок их службы. В некоторых вариантах охлаждение сопла можно выполнять с помощью экранирующего потока и позволяя экранирующему потоку течь непосредственно к одной или более поверхностей сопла. Например, в некоторых вариантах экранирующий поток можно направить так, чтобы он ударялся в поверхность сопла (т.е., тек перпендикулярно к поверхности сопла).

Согласно некоторым аспектам некоторые расходные компоненты, применяемые в горелке (например, сопло) могут содержать одну или более из различных частей или элементов, таких как охлаждающие проточные каналы, которые способствуют улучшению охлаждения и, следовательно, повышению характеристик и увеличению полезного срока службы сопла.

Например, как показано на фиг.2, согласно некоторым аспектам, сопло 200 может быть образовано корпусом 202. В некоторых вариантах корпус 202 изготовлен из металлического материала, такого как медь. Как показано на чертеже, корпус 202 может иметь форму полого, по существу цилиндрического тела, которое имеет первый конец 204 и второй конец 206, которые определяют продольную ось 208. Полый корпус определяет полую область 201 напорной камеры, выполненную с возможностью принимать и размещать электрод и направлять плазменный газ между электродом и соплом. Первый конец 204 типично сформирован и сконфигурирован с возможностью сопряжения с одной или более из частей или компонентов горелки. Например, в некоторых вариантах сопло может быть выполнено с возможностью сопряжения с кольцевым завихрителем или удерживающим колпачком, расположенным внутри горелки. Цилиндрический корпус также содержит по существу кольцевую цилиндрическую стенку (например, боковую стенку напорной камеры) 210, которая отходит вверх от структуры основания (например, дна напорной камеры) 212, определенной на втором конце 206. Второй конец 206 типично определяет по существу цилиндрический канал (например, проточный канал) 214, проходящий по существу в осевом направлении сквозь дно напорной камеры. При работе плазменный газ проходит сквозь канал 214 и выходит из сопла через выходной жиклер 215. Выходной жиклер 215 сопла определен на дистальном конце канала 214 в торце сопла, сформированном на втором конце 206.

Для охлаждения, а также для распределения потока, на первом конце 204 в части корпус, например, в боковой стенке напорной камеры, можно сформировать газовый канал (например, проточный канал для охлаждающего газа) 216, расположенный, в частности, между внутренней стенкой 218 и наружной стенкой 220 для направления потока газа вокруг цилиндрического корпуса. Например, газовый канал 216 может быть по существу кольцевым (т.е., круглым) каналом, расположенным между внутренней стенкой 218 и наружной стенкой 220 для направления потока газа по периферии вокруг по меньшей мере части корпуса. Как описано выше, в некоторых случаях внутренняя стенка 218 и/или наружная стенка 220 могут быть выполнены для интерфейса и сопряжения с другими компонентами, такими как кольцевой завихритель, расположенными внутри горелки, для правильного позиционирования и крепления сопла или для направления потока газа к проточному каналу или в него. Следовательно, в некоторых случаях, кольцевой завихритель может быть выполнен с возможностью образовать часть (например, верхнюю часть) газового канала 216 вместе с внутренней стенкой и наружной стенкой, по существу образуя проточный канал вокруг сопла.

Конфигурация стенок сопла относительно других компонентов внутри горелки типично способствует отделению и уплотнению проточного канала от некоторых других газовых каналов в горелке. Например, сопло типично выполнено с возможностью изолировать экранирующий/охлаждающий газ, текущий в проточном канале, от плазменного газа, текущего в области напорной камеры. Однако плазменный газ и экранирующий/охлаждающий газ типично соединяются, когда они выходят из горелки (т.е., на выходном жиклере сопла).

Сопло 200 содержит один или более впускной канал 222 и один или более выпускной канал 224, соединенные по текучей среде с газовым каналом 216 для подачи газа в газовый канал и отводе газа из газового канала. Впускные каналы и выпускные каналы могут иметь форму любого из различный структурно подходящих элементов, выполненных с возможностью содержать и подавать газ в газовый канал и из него. Например, такие каналы могут быть отверстием, каналом, трубкой, проходом или подобным элементом, расположенным в или на корпусе сопла. Как будет описано ниже, каналы также могут включать один или более порт (например, отверстия), сформированные в различных поверхностях сопла, сквозь которые газ может входить в корпус сопла и выходить из корпуса сопла для подачи в газовый канал и из него.

Впускные каналы типично сформированы по существу перпендикулярно к по меньшей мере одной поверхности проточного газового канала так, чтобы газ, выходящий из впускного канала, ударялся в поверхности сопла внутри канала для генерирования турбулентного потока в этом проточном канале. Такие ударные и турбулентные потоки, генерируемые в нем, как ожидается, улучшают характеристики охлаждения сопла. Для получения такого расположения впускного канала относительно проточного канала можно использовать множество различных конфигураций. Например, как показано, впускные каналы 222 могут быть сформированы сквозь наружную стенку 220 и, при установке в горелку, могут сообщаться оп текучей среде с источником экранирующего газа горелки. Как показано на чертеже, впускные каналы 222 могут проходить горизонтально (т.е., горизонтально относительно горелки, которая установлена так, чтобы ее продольная ось была направлена вертикально), чтобы газ, поступающий в проточный канал, мог ударяться во внутреннюю стенку на противоположной поверхности проточного канала (например, в наружную поверхность внутренней стенки 218). В некоторых примерах термин "противоположная поверхность" относится к той области проточного канала, которая по существу находится напротив впускного канала относительно центральной области проточного канала. В некоторых вариантах впускные каналы 222 могут быть расположены радиально в сопле (т.е., проходя внутрь в сторону его центральной продольной оси 208).

Сопло может содержать множество впускных каналов 222, например, три впускных канала 222 в варианте, показанном на фиг.2. Как показано на чертежах, в некоторых вариантах впускные каналы 222 могут быть расположены по существу равномерно (т.е., разнесены на одинаковое расстояние) вокруг газового канала 216. Например, когда имеется три впускных канала, они могут быть разнесены друг от друга приблизительно на 120 градусов. В некоторых случаях более равномерное распределение впускных каналов 222 может дать более равномерный поток охлаждающего газа в газовом канале 216.

В некоторых вариантах один или более из впускных каналов содержит впускной порт, определенный в радиальной поверхности корпуса, который открывает впускной канал в пространство, окружающее сопло. Во время работы газ (например, экранирующий газ или охлаждающий газ) моет войти во впускной канал через впускной порт и двигаться к газовому каналу. Например, как показано на чертежах, впускной порт 223 может иметь форму отверстия, определенного в наружной поверхности наружной стенки 220 сопла.

Выпускные каналы 224 типично сформированы по меньшей мере частично в боковой стенке 210 напорной камеры для отвода потока газа из газового канала. В некоторых случаях расположение выпускных каналов 224 в боковой стенке 210 напорной камеры также может способствовать охлаждению сопла за счет создания дополнительной площади теплопереноса в боковой стенке напорной камеры. Как показано на чертежах, выпускной канал 224 может быть сформирован продольно (т.е., по меньшей мере по существу выровнен (т.е., по существу расположен параллельно) с продольной осью 208).

Выпускные каналы типично сформированы по существу перпендикулярно по меньшей мере к одной наружной поверхностью сопла (или другого расходного компонента) так, чтобы газ, выбрасываемый из выходного канала, ударялся в наружную поверхность сопла для дополнительного охлаждения сопла. В некоторых вариантах выпускные каналы 224 могут быть сформированы внутри (т.е., продольно внутри) боковой стенки 210 напорной камеры так, чтобы они находились рядом с углублением или фланцем, определенным вдоль наружной поверхности сопла, с которым газ может контактировать (т.е., в который газ может ударяться) для улучшения охлаждения. Например, как показано на чертежах, выпускные каналы 224 могут быть расположены вертикально (т.е., по существу продольно), чтобы газ, выходящий из проточного канала, могу ударяться в наружную поверхность 252 сопла (например, в отбойную поверхность). То есть, в некоторых вариантах выпускные каналы 224 могут быть расположены по существу параллельно продольной оси (т.е., могут быть ориентированы продольно).

Сопло типично содержит множество выпускных каналов 224, например, три выпускных канала в варианте, показанном на фиг.2. Как показано на чертежах, в некоторых вариантах выпускные каналы 224 могут быть расположены по существу равномерно по газовому каналу 216. Например, когда имеется три выпускных канала, они могут быть разнесены друг от друга на приблизительно 120 градусов. В некоторых случаях более равномерное распределение выпускных каналов 224 может создать более равномерный поток газа из газового канала 216. Это может быть достигнуто за счет применения дополнительных выпускных каналов, например, четырех (или более) выпускных каналов, разнесенных на 90 градусов друг от друга (не показано).

В некоторых вариантах выпускные каналы содержат выпускной порт, сформированный сквозь радиальную и/или осевую поверхность корпуса между вторым концом (т.е., дистальным концом) 206 сопла и впускным портом, где впускной порт соединяет впускной канал с окружающим сопло пространством, и выпускной порт аналогично соединяет выпускной канал с окружающим сопло пространством. Например, газ может течь из газового канала 216 в выпускной канал 224, сформированный в боковой стенке напорной камеры, и из боковой стенки напорной камеры через выпускной порт 225, определенный в наружной поверхности боковой стенки напорной камеры.

В некоторых вариантах впускные каналы 222 и выпускные каналы 224 смещены (т.е., радиально смещены) относительно друг друга вокруг проточного канала. Например, впускные каналы и выпускные каналы могут быть смещены относительно друг друга равномерно по периферии. То есть, в некоторых случаях, один или более из выпускных каналов 224 может быть расположен между (например, на равном расстоянии между) двумя из впускных каналов 222 (т.е., с интервалами 60 градусов в вариантах, имеющих три впускных канала и три выпускных канала). Иными словами, как показано на фиг.7, где иллюстрируется смоделированный газовый поток через впускные каналы 222, газовый канал 216 и в выпускные каналы 224, такое расположение может увеличить площадь контакта между текучей средой и соплом, и помочь увеличить перемешивание текучей среды в газовом канала 216 за счет увеличенного расстояния, которое газ типично проходит в газовом канале между впускным каналом и соседним выпускным каналом. На основе, по меньшей мере частично, усиленного перемешивания поток можно направить так, чтобы газ в проточном канале мог течь по периферии вокруг корпуса. В некоторых случаях поток может быть направлен по периферии так, чтобы он совершал полный круг (т.е., 360 градусов) по проточному каналу. На фиг.7 также показаны скорости потока через впускные каналы 222 и выпускные каналы 224, которые типично выше, чем скорость потока на других участках газового канала 216. Далее, повышенные скорости потока через впускные каналы 222 могут помочь создать турбулентный газовый поток и охлаждение, когда воздух выходит из впускного канала 222 и ударяется во внутреннюю поверхность газового канала 216.

В некоторых вариантах каналы для охлаждающего газа (т.е., впускные каналы 222 и, в первую очередь, выпускные каналы 224) имеют такие размеры и конфигурацию, чтобы сопло могло работать в плазменной дуговой горелке при токе по меньшей мере 75 А (например, по меньшей мере 100 А). Дополнительно, в некоторых вариантах каналы для охлаждающего газа имеют такие размеры и конфигурацию, чтобы сопло могло работать при отношении тока к длине сопла более 150 А на дюйм (25,4 мм) (например, больше 170 А на дюйм).

Такой ток может способствовать резанию материала с более высокими скоростями резания. Например, в некоторых случаях горелка может резать полудюймовую мягкую сталь со скоростью выше 100 дюймов в минуту.

Хотя впускные каналы и выпускные каналы были описаны как по существу множество дискретных круглых отверстий, возможны и другие конфигурации. Например, в некоторых вариантах сопло может содержать лишь один впускной канал и один выпускной канал для подачи газа к проточному каналу и из него. Альтернативно, в некоторых случаях впускной канал и/или выпускной канал могут иметь форму одного или более по существу кольцевого (т.е., частично или полностью кольцевого) отверстия, сформированного вокруг корпуса сопла.

Системы горелок дополнительно или альтернативно содержат другие типы расходных охлаждающих систем, таких как системы охлаждения сопла или системы охлаждения сопла и экрана, расположенные в одной или более области в горелке. Например, расходные охлаждающие системы могут содержать элементы, сформированные в или на одной или более из расходных деталей (например, сопло, экран и/или удерживающий колпачок для сопла или для экрана) для приема и направления потока газа (например, высокоскоростного потока охлаждающего газа) для улучшения охлаждения одной или более из этих расходных деталей и для повышения скорости резания горелки.

Например, как показано на фиг.3, согласно некоторым аспектам горелка 300 может содержать систему 310 охлаждения сопла и/или систему 320 охлаждения сопла и экрана, каждая из которых может быть реализована индивидуально или в комбинации друг с другом для охлаждения компонентов горелки.

В некоторых вариантах для повышения эффективности воздушного охлаждения горелки 300, система 310 охлаждения сопла может содержать удерживающий колпачок 330 горелки, имеющий элементы, выполненные с возможностью направлять поток охлаждающего газа на принимающие газ поверхности сопла 350. В частности, удерживающий колпачок 330 типично образован по существу цилиндрическим корпусом 332, имеющим крепежный фланец 334 для удержания сопла 350 внутри горелки. На конце типично противоположном крепежному фланцу 334, удерживающий колпачок 330 типично содержит соединительную область (например, резьбовое соединение) 335 для крепления удерживающего колпачка 330 (и, следовательно, сопла 350) к корпусу горелки.

Как будет подробно описано ниже, крепежный фланец 334 определяет одно или более газовое отверстие или проход (например, порты подачи газа) 336, которые позволяют газу течь сквозь удерживающий колпачок и на сопло 350 для охлаждения. Как показано на чертежах, порты 336 подачи газа типично расположены по существу продольно относительно удерживающего колпачка и горелки. Кроме того, порты 336 подачи газа расположены в крепежном фланце 334 по существу перпендикулярно к принимающей газ поверхности (например, отбойной поверхности) 352 сопла 350. Например, в некоторых вариантах порты 336 подачи газа наклонены (т.е., расположены или направлены внутрь к соплу или к продольной оси) относительно продольной оси для направления потока охлаждающего газа на отбойную поверхность 352.

Удерживающий колпачок типично содержит множество подающих портов 336 (например, десять в примере, показанном на фиг.3), расположенных вокруг крепежного фланца 334. В некоторых вариантах подающие порты 336 могут быть расположены по существу равномерно вокруг крепежного фланца 224 для подачи газа на сопло по существу равномерно. Например, когда имеется десять подающих портов, они могут быть разнесены друг от друга на 36 градусов. В некоторых случаях более равномерное распределение подающих портов 336 может создать более равномерный поток газа от источника экранирующего газа.

Как было указано выше, сопло 350 содержит наружный элемент (например, углубление) 354, определенный на его наружной поверхности для приема и перенаправления потока охлаждающего газа (например, высокоскоростного потока газа, поступающего из удерживающего колпачка 30) для улучшения охлаждения. Например, как показано на чертежах, элемент 354 может определять поверхность для приема охлаждающего газа (например, отбойную поверхность) 352, которая расположена по существу перпендикулярно относительно продольных осей различных портов 336 подачи газа. Как описано выше, такое по существу перпендикулярное расположение отбойной поверхности 352 относительно порта (портов) 336 подачи газа способствует улучшению охлаждения по меньшей мере частично за счет генерирования турбулентных потоков газа. В некоторых случаях расход потока газа через подающие порты 336 на отбойную поверхность 352 составляет 200 стандартных кубических футов в минуту (например, со скоростью 66986 футов в минуту или 20417,3 м/мин).

Хотя отбойная поверхность 352 была описана и показана как по существу поверхность, определенная внутри углубления, возможны и другие конфигурации. Например, в некоторых вариантах сопло может определять отбойную поверхность, которая отходит от его наружной поверхности (например, вдоль фланца), а не сформирована внутри углубления в корпусе сопла. Дополнительно, в некоторых случаях, отбойная поверхность может быть наружной поверхностью сопла, которая имеет по существу такую же форму и профиль, что и остальная наружная поверхность сопла. То есть, в некоторых случаях сопло может быть выполнено с возможностью принимать поток охлаждающего газа своей наружной поверхностью без дополнительных по существу измененных элементов (например, отбойной поверхности 352, элемента 354 и пр.), предназначенных для приема охлаждающего газа.

Хотя некоторые признаки или аспекты сопла 350 были описаны со ссылками на фиг.3, следует отметить, что некоторые другие признаки сопла 350, которые не являются несовместимыми с описанной выше охлаждающей системой или не влияют на нее, могут быть по существу аналогичными признакам сопла 200, описанным выше.

Альтернативно, или в комбинации с системой 310 охлаждения сопла, горелка также может содержать систему 320 охлаждения сопла и экрана, которая помогает охлаждать экран 380, расположенный на мундштуке горелки 300 для защиты сопла от расплавленного материала (например, брызг), разлетающегося от обрабатываемой детали. Например, в некоторых вариантах система 320 охлаждения сопла и экрана содержит углубление или профиль (например, смесительный канал) 322, определенный в экране 360 и/или в сопле 350, который используется для направления и циркуляции потока охлаждающего газа между экраном 360 и соплом 350. Как показано на чертежах, смесительный канал 322 может быть определен в непосредственной близости к одному или более из компонентов системы 310 охлаждения сопла (например, рядом с элементом 354 или отбойной поверхностью 352). В некоторых случаях смесительный канал 322 имеет форму с по существу криволинейным профилем (например, луковицеобразным профилем) для улучшения циркуляции потока внутри него.

В такой конфигурации во время работы поток охлаждающего газа можно отклонить от сопла 350, например, частично в результате наклонного расположения отбойной поверхности 352, и направить в смесительную камеру 322 для циркуляции. Как указано выше, турбулентный перемешивающийся поток, создаваемый газом, отклоненным от отбойной поверхности 352 (или от другой отклоняющей поток поверхности сопла или экрана) в смесительный канал, может улучшить охлаждающую способность системы 320 охлаждения экрана и сопла или системы 310 охлаждения сопла.

Смесительный канал 322 типично частично образован кромкой (например, впускной кромкой (например, острой впускной кромкой)) 324, определенной на поверхности экрана 360 для захвата потока охлаждающего газа и перенаправления этого потока, например, от отбойной поверхности 352 в смесительный канал 322 для циркуляции и охлаждения. Кромка 324 типично сформирована для захвата и перенаправления потока охлаждающего газа, текущего к мундштуку горелки, в смесительный канал 322. Например, кромка 324 может содержать острую кромку (т.е., определенную двумя поверхностями, расположенными под острым углом друг к другу), которая направлена от мундштука горелки для перехвата потока охлаждающего газа.

Альтернативно или дополнительно, в некоторых вариантах смесительный канал 322 может быть частично сформирован кромкой (например, впускной кромкой (например, острой впускной кромкой)) 324А, определенной на поверхности сопла 350 (например, кромка между отбойной поверхностью 352 и вертикальной (продольной) поверхностью, отходящей от отбойной поверхности 352) для захвата потока охлаждающего газа от подающих портов 336 и перенаправления этого потока наружу к смесительному каналу 322.

Смесительный канал 322, и в некоторых случаях кромка 324 смесительного канала, типично проходят по меньшей мере частично вокруг сопла. В некоторых случаях смесительный канал 322 и кромка 324 определены во внутренней поверхности экрана и проходят полностью вокруг внутренней поверхности экрана 360. В некоторых случаях смесительная кромка 324А определена в наружной поверхности сопла 350 и проходит полностью вокруг наружной поверхности сопла 350.

В некоторых вариантах экран может содержать дополнительные элементы (например, кромки) для направления потока. Например, экран может содержать множество кромок для направления потока в смесительный канал. Эти кромки могут быть ориентированы вверх (например, 234) или вниз (на показано). Дополнительно или альтернативно, экран может содержать дополнительные кромки для направления потока в дополнительные проточные каналы (например, дополнительные охлаждающие или направляющие поток каналы), сформированные в экране.

Хотя описанные выше охлаждающие системы (например, система 310 охлаждения сопла и система 320 охлаждения сопла и экрана) были описаны как в первую очередь обладающие полезными охлаждающими свойствами, их внедрение позволяет получить и другие преимущественные эксплуатационные характеристики. Например, дополнительно или альтернативно улучшению охлаждения, описанному выше, элементы, определенные на экране и/или на сопле могут улучшить свойства газового потока так, чтобы на мундштук горелки можно было подать борее единообразный и равномерно распределенный поток экранирующего газа. То есть, в некоторых случаях эти элементы (например, смесительный канал или отбойная поверхность) могут действовать как одна или более распределительная (буферная) камера для сглаживания переходных процессов потока. Как описано выше, такой равномерно распределенный поток может улучшить характеристики обработки материала, способствуя созданию более стабильной плазменной дуги.

Дополнительно, хотя некоторые признаки были описаны выше как содержащиеся в конкретных компонентах, например, смесительный канал 322 был определен на внутренней поверхности экрана 360, возможны и другие конфигурации. Например, в некоторых случаях, смесительный канал может быть сформирован частично и в сопле, и в экране, в результате чего частичные смесительные каналы делят поток между двумя частичными смесительными каналами для достижения требуемых характеристик охлаждения и распределения потока.

Как показано на фиг.4, согласно некоторым аспектам горелка может содержать сопло, определяющее газовый канал 216, как описано выше со ссылками на фиг.2, а также систему 310 охлаждения сопла и/или систему 320 охлаждения сопла и экрана, описанные выше со ссылками на фиг.3. В некоторых случаях экранирующий газ, поступающий из корпуса горелки, можно распределять и направлять в один или более из разных каналов и проходов, предназначенных для охлаждения сопла и экрана. Как показано стрелками на фиг.4, поток 10 газа (например, поток охлаждающего/экранирующего газа) сначала можно подавать рядом с крепежным фланцем удерживающего колпачка. После достижения крепежного фланца 334 удерживающего колпачка и наружной стенки 220 сопла, поток газа можно разделить и распределить между впускным каналом 222 сопла и газовым портом 336, проходящим сквозь крепежный фланец. Альтернативно, в тех вариантах, где горелка не содержит либо сопла с проточным каналом 216 для охлаждающего газа, либо системы 310 охлаждения сопла или системы 320 охлаждения сопла и экрана, газовый поток 101 можно направить только в один из последующих каналов на основе различных компонентов, имеющихся в горелке (т.е., направить только в газовый порт 336 или только во впускной канал 222).

Первую часть 101А потока, направленную в один или более впускной канал 222 через впускной порт 223, как описано выше, можно направить в газовый канал 216. Поток газа может циркулировать в газовом канале 216 для перемешивания и охлаждения сопла, а затем, в один или более последующих выпускных каналов 224 (показанных в полуразрезе) для распределения и охлаждения сопла 350. Поток 101А можно выпускать из выпускных каналов 224, например, в выпускной порт 225 так, чтобы он мог продолжаться между соплом 350 и экраном 260 и выходить как экранирующий газ между экраном и соплом и окружая плазменную дугу.

Вторую часть 101В потока, которая течет в один или более из газовых портов 336, можно направить (например, с высокой скоростью) на сопло для охлаждения сопла. Как описано выше, газовый поток можно направить на отбойную поверхность 352 на наружной поверхности сопла. Вторая часть 101В потока может ударяться в отбойную поверхность 352 по существу перпендикулярно для создания турбулентного потока и улучшения охлаждения. Дополнительно или альтернативно, первая часть 101А потока, выводимая из выпускного порта 225, также может ударяться в отбойную поверхность 352 для охлаждения и помощи в создании турбулентного потока.

После отклонения от отбойной поверхности 352 газовый поток (например, первая часть 101А потока и/ли вторая часть 101В потока) может течь наружу и в смесительный канал 322 для циркуляции и помощи в охлаждении экрана и для перемешивания и распределения по периферии в смесительном канале 322. Как указано выше, в некоторых случаях кромка 324 может способствовать в перехвате газового потока и направления его в смесительный канал 322. После перемешивания и создания турбулентного потока в смесительном канале 322, газ направляется в кольцевой канал (например, канал для потока экранирующего газа) 175, который расположен между соплом 250 и экраном 360 для вывода через мундштук горелки.

Стрелки на чертеже показывают потоки газа в каналах (например, первую часть 101А потока и вторую часть 101В потока) и предназначены просто для иллюстрации упрощенного примера направлений потока. Следует отметить, что реальная картина потоков газа в проточных каналах, в частности, в смесительном канала, типично представляет турбулентный поток и является чрезвычайно изменчивой. Следовательно, реальный поток в каналах может отличаться от примера, показанного стрелками.

Хотя на фиг.4 показана горелка с множеством расходных компонентов, охлаждающих элементов и систем, установленных вместе в комбинации, возможны и другие конфигурации.

То есть, например, согласно некоторым аспектам, горелка моет содержать газовый канал 216, расположенный в сопле вместе с соответствующими каналами и элементами, направляющими поток, которые работают в комбинации с газовым каналом 216 для охлаждения сопла. Однако в горелке может отсутствовать одна или более из описанных других комплексных систем охлаждения (например, система 310 охлаждения сопла и/или система 320 охлаждения сопла и экрана). Аналогично, согласно некоторым аспектам, горелка может содержать одну или более из описанных комплексных систем охлаждения, в которых применяются признаки и траектории потоков, определенные в экране, сопле и/или в удерживающем колпачке (например, система 310 охлаждения сопла и/или система 320 охлаждения сопла и экрана), но горелка может иметь сопло, в котором отсутствует газовый канал 216 и связанные с ним каналы.

Дополнительно или альтернативно различным компонентам охлаждающих систем и аспектам, описанным выше, описываемые в настоящем документе горелки могут содержать расходные компоненты, которые содержат признаки или элементы, которые могут быть реализованы для создания более равномерного потока экранирующего газа, выводимого из мундштука горелки. Поскольку наличие вентиляционных отверстий в экране (например, вентиляционные отверстия 362, показанные на фиг.3 и 5) могут привести к неравномерностям потока экранирующего газа, позиционирующие элементы для улучшения равномерности потока между вентиляционными отверстиями экрана и выходным жиклером экрана могут привести к улучшению характеристик резания и уменьшить износ расходных компонентов горелки.

Например, возвращаясь к фиг.3, горелка 300 также может содержать систему 380 распределения потока экранирующего газа, которая может содержать один или более из признаков сопла 350 и экрана 360, которые работают в комбинации друг с другом для распределения потока по проходящему по существу по периферии проточному каналу 175 для экранирующего газа. Например, система 380 распределения потока может определять чередующийся проточный канал, который направляет или прерывает поток экранирующего газа в чередующемся направлении (зигзагом, по S-ной траектории или по изломанной траектории) для создания турбулентного потока и для распределения потока по периферии вокруг сопла. Как описано выше, более равномерно распределенный поток экранирующего газа может способствовать генерированию более стабильной плазменной дуги для повышения характеристик резания.

В частности, в некоторых вариантах система 380 распределения потока может быть образована элементом 382, направляющим поток, отходящим от экрана (например, от внутренней поверхности экрана) для изменения (например, нарушения, перенаправления или реверсирования) потока экранирующего газа, проходящего по каналу 175 для экранирующего газа. Элемент 382, направляющий поток, может быть выполнен с возможностью работы в комбинации с комплементарным элементом 390, принимающим поток, который определен в наружной поверхности сопла для образования измененной реверсированной траектории 175А экранирующего газа в области 396 смешивания (например, в области рекомбинации), определенной в системе 380 распределения потока. Желательно реверсирование потока по меньшей мере части экранирующего газа, проходящего по системе 380 распределения потока экранирующего газа.

Как показано на фиг.3 и 5, элемент 382, направляющий поток, может содержать любой из различных физических элементов, которые структурно подходят для частичного препятствования (например, направления, перенаправления, реверсирования или другого изменения) потока экранирующего газа, текущего по каналу 175 для экранирующего газа. Например, элемент 382, направляющий поток, может иметь форму выпуклости (например, фланца, дефлектора, выступа, острого гребня, утолщения или другого подходящего физического элемента) 383, отходящего от внутренней поверхности экрана 360. В некоторых вариантах элемент 382, направляющий поток, может создавать изломанную траекторию потока. Типично, как показано на фиг.3 и 5, элемент 382, направляющий поток, отходит от экрана 360 в направлении, не соответствующем (например, противоположном) общему потоку проточного канала 175 для экранирующего газа в сторону мундштука горелки. Например, в некоторых вариантах выпуклость 383 может проходить в сторону проксимального конца горелки (т.е., от мундштука горелки). То есть, выпуклость 383 может быть направлена в направлении, противоположном тому, в котором по существу движутся экранирующий газ и плазменный газ во время работы.

Например, как более подробно показано на фиг.5, элемент, направляющий поток, может быть расположен так, чтобы газ тек по каналу для экранирующего газа и ударялся в элемент 382, направляющий поток, при этом газ типично контактирует с отбойной поверхностью 384, сформированной там, где элемент, направляющий поток (например, выпуклость), отходит наружу от внутренней поверхности экрана. Благодаря такой конфигурации элемент 382 направляющий поток (например, выпуклость 383) вносит возмущения в поток экранирующего газа и временно направляет его вверх в сопло (например, в элемент 390, принимающий поток).

Различные части элемента 382, направляющего поток (например, выпуклость 383 или отбойная поверхность 384) могут быть сформированы непрерывными или в форме одного или более сегмента, по существу по периферии экрана 360. В некоторых вариантах элемент 382, направляющий поток, может иметь по существу равномерную высоту по периферии экрана.

Элемент 390, принимающий поток, типично содержит одну или более часть, которая является комплементарной частям элемента 382, направляющего поток (например, выпуклости 383 и/или отбойной поверхности 384) для направления потока экранирующего газа к соплу и экрану и равномерного распределения газа по отверстию 314. Как показано на фиг.5, в некоторых вариантах элемент 390, принимающий поток, содержит участок (например, проточный элемент, такой как гребень, фланец, дефлектор, выступ, острую кромку, утолщение или другой подходящий физический элемент) 392, который отходит наружу от наружной поверхности сопла для направления потока экранирующего газа. Например, гребень 392 может направлять поток экранирующего газа наружу к экрану. В частности, гребень 392 может быть расположен комплементарно для направления потока экранирующего газа на отбойную поверхность 384 экрана. Хотя были описаны и показаны определенные конфигурации, возможны и другие конфигурации. Например, как показано на фиг.5А, некоторые или все элементы, описанные как расположенные на сопле (например, элемент 390, принимающий поток), они альтернативно могут быть расположены на поверхности экрана, а некоторые или все элементы, описанные как расположенные на экране (например, элемент 382, направляющий поток), могут быть альтернативно расположены на поверхности сопла.

Дополнительно или альтернативно, сопло 350 может также содержать элемент 394 сопла, принимающий поток (например, углубление или канавку) для приема и перенаправления потока газа, который направлен проксимально от мундштука горелки отбойной поверхностью 384 экрана и выпуклостью 383. В частности, углубление 394 может быть сформировано в наружной поверхности сопла и определять отбойную поверхность 398 сопла для приема и перенаправления потока экранирующего газа.

Различные части элемента 390, принимающего поток (например, выпуклость 392, углубление 394 или отбойная поверхность 398) могут быть сформированы непрерывными или в форме одного или более сегмента по существу на окружности сопла 350.

Во время работы горелки поток 101 экранирующего газа типично направлен к мундштуку горелки в канале 175 для экранирующего газа, сформированного кольцевым между соплом 350 и экраном 360. В некоторых случаях поток 101 экранирующего газа течет неустойчиво по периферии по кольцевому каналу 175 для экранирующего газа, например, в результате наличия потока через один или более дискретный канал (например, порты 336), сформированный вокруг сопла 350. Чтобы устранить такую неустойчивость, поток 101 можно направить на отбойную поверхность 384 экрана и выпуклость 383, которые отклоняют и перенаправляют поток вверх (например, от отверстия 314 экрана) и в углубление 394 сопла и на отбойную поверхность 398 сопла. В некоторых случаях выпуклость 392 сопла помогает захватить часть потока или весь поток, который ударяется в отбойную поверхность 384 экрана, чтобы ограничить возможность потока 101 экранирующего газа случайно направиться вверх в канал 175 для экранирующего газа. Выпуклость 392 сопла может помочь направить поток вниз (т.е., в углубление 394 сопла) и к отверстию 314 экрана.

Направление потока 101 экранирующего газа в углубление 394 (например, и в область 386 смешивания, определенную в ней) может создавать один или более эффект, влияющий на поток. Элементы на сопле и экране, которые определяют область 396 смешивания, также могут помочь в более равномерном распределении экранирующего газа в канале 175 для экранирующего газа, проходящем по периферии вокруг отверстия 314. Например, поток 101 может ударяться в отбойную поверхность 384 экрана и в выпуклость 383 и направляться вверх, при этом поток 101 может заполнять углубление 394 в сопле и распределяться в нем по кольцу (т.е., может течь в нем по периферии). Когда углубление 394 и смесительный канал 396 заполнены потоком 101 экранирующего газа, более равномерно распределенный поток затем можно направить отбойной поверхностью 384 сопла вниз и из канала 175 для экранирующего газа в экране через отверстие 314 экрана так, чтобы окружить плазменную дугу. В некоторых случаях поток экранирующего газа, выходящий из смесительного канала, по существу равномерно распределен по кольцу вокруг сопла.

Система 380 распределения потока типично расположена рядом с дистальным концом (например, мундштуком горелки) рядом с отверстием 314 экрана (например, выходным жиклером) для распределения потока газа вокруг экрана для помощи в создании более равномерного потока экранирующего газа, выходящего из отверстия 314 экрана. Чтобы помочь ограничить влияние других проточных элементов экрана или сопла, система 380 распределения потока типично расположена ближе к отверстию 314 экрана, чем большинство (например, все) других элементов, изменяющих поток. Например, в некоторых вариантах система 380 распределения потока (т.е., и следовательно соответствующие элементы на экране и на сопле, связанные с системой 380 распределения потока) типично расположена между отверстием 314 экрана и вентиляционными отверстиями 362 экрана (например, дозирующими отверстиями) для ограничения нестабильного потока, который может образоваться в результате утечки газа из канала 175 для экранирующего газа через вентиляционные отверстия 362. Дополнительно, в вариантах, где горелка также содержит смесительный канал 322, смесительная область 396 типично расположена между отверстием 314 экрана (например, выходным жиклером) и смесительным каналом 322.

Хотя признаки, описанные выше со ссылками на фиг.5, в первую очередь были описаны как обеспечивающие распределение потока для создания более равномерного потока, эти признаки также могут обеспечивать улучшенное охлаждение. Например, поток газа в углублении на наружной поверхности сопла, направленный туда проточным элементом, отходящим от внутренней поверхности экрана, может охлаждать сопло, по меньшей мере частично, благодаря циркулирующему турбулентному потоку, генерируемому в этом углублении.

Согласно другим аспектам, сопла, применяемые в горелках, могут иметь размеры, пропорции и конфигурации, позволяющие улучшить охлаждение либо индивидуально, либо в комбинации с любой из систем или способов охлаждения, описанных в настоящем документе. В частности, сопла могут быть спроектированы, иметь пропорции, и сконструированы так, чтобы иметь увеличенное отношение массы конца к объему относительно остальной части сопла. То есть, сопло может иметь более высокую концентрацию массы, расположенной на его дистальном конце (т.е., окружающем отверстие или расположенным рядом с отверстием), что может помочь теплообменному охлаждению в вариантах горелки с воздушным охлаждением. В частности, увеличенная масса материала на дистальном конце или на сопле, особенно увеличенная масса материала, отходящего радиально от продольной оси, может создать лучшие пути теплопереноса, по которым теплота может двигаться наружу в сопле и рассеиваться на мундштуке горелки. Для предотвращения преждевременного отказа горелки с воздушным охлаждением для высоких токов (например, выше 100 А), увеличения срока службы расходных элементов или времени резания и для поддержания высокого качества резания при высокой скорости, которое может быть реализовано за счет лучшего охлаждения, требуется дополнительная теплопроводная площадь.

Например, в некоторых вариантах сопло может иметь продольно уменьшенную длину до проксимального конца, более широкий насадок сопла (например, увеличенный торец), более толстые боковые стенки напорной камеры и/или удлиненное отверстие (т.е., более толстое дно напорной камеры), что может дать более сильный эффект охлаждения за счет увеличенной массы, через которую теплота отводится для охлаждения.

В некоторых вариантах, как показано на фиг.6, сопло 500 для плазменной дуговой горелки с газовым охлаждением типично содержит корпус (например, по существу полый цилиндрический корпус) 502. В некоторых вариантах корпус 502 выполнен из металлического материала, например, меди. Корпус 502 имеет первый, проксимальный конец 504 и второй, дистальный конец 506, и продольную ось 508, которая проходит по существу центрально через цилиндрический корпус 502. Корпус 502 типично образован по существу кольцевой цилиндрической стенкой (например, боковой стенкой напорной камеры) 510, которая отходит вверх от структуры 512 основания, определенной на втором конце 506. Боковая стенка 510 напорной камеры определяет отверстие для размещения электрода, когда сопло установлено в горелку. Ширина (т.е., радиальная ширина) боковой стенки напорной камеры далее именуется как толщина 511 боковой стенки напорной камеры.

Структура 512 основания типично определяет отверстие (например, цилиндрическое отверстие или канал) 509, сформированное центрально между дном 516 напорной камеры и торцом 518 сопла, расположенным на дистальном конце 506. В некоторых вариантах дно 516 напорной камеры расположено на поверхности или элементе рядом с положением, в котором электрод контактирует с соплом для запуска плазменной дуги (например, область пускового контакта). Отверстие 509 типично имеет ширину (например, диаметр) 509А и длину (например, длину канала) 509В, и проходит сквозь торец 518 через отверстие 514 (например, центральный выходной жиклер сопла). Как показано на чертежах, в некоторых вариантах отверстие 509 может иметь изменение отверстия на одном или более его углов, включая зенковку, фаску, область в форме усеченного конуса и/или галтель на каждом конце его длины (например, на его проксимальном и/или дистальном конце). В некоторых случаях отверстие 509 имеет фаску или зенковку на каждом конце. Дополнительно или альтернативно, ширина отверстия 509 может меняться на его длине или даже отверстие может иметь неравномерную форму по его длине.

Расстояние между дном 516 напорной камеры и торцом 518 именуется далее толщиной 517 дна напорной камеры (например, длина дистальной части). Длина 509В отверстия типично соответствует (например, может быть равной) толщине 517 дна напорной камеры. В некоторых случаях в толщину 517 дна напорной камеры могут быть включены изменения поверхности, такие как зенковки, наклонные элементы, фаски или галтели. Расстояние между дном 516 напорной камеры и проксимальным концом 504 именуется далее длиной 515 до проксимального конца. При работе плазменный газ может течь через отверстие и выходить из сопла через выходной жиклер 514.

Проксимальный конец 504 типично образован и сконфигурирован для сопряжения с одним или более из элементов или компонентов горелки. Например, в некоторых вариантах, проксимальный конец 504 сопла может быть выполнен с возможностью сопряжения с кольцевым завихрителем, расположенным внутри горелки.

В некоторых вариантах сопло имеет длину 520, которая определена участком сопла (например, без участка фланца, который может быть включен, как показано на фиг.6) и ширину 522 в направлении, перпендикулярном (например, поперечном) продольной оси и длине. То есть, длина 520 сопла может включать длину 515 до проксимального конца и длину 517 дистальной части, но не длину дополнительных фланцев, которые могут быть установлены для крепления сопла (например, фланца 530 корпуса сопла, который описан ниже).

Сопло также может иметь фланец 530 корпуса, расположенный на проксимальном конце и который может использоваться для позиционирования сопла или для реализации различных элементов и способов охлаждения. В некоторых вариантах длина 515А до проксимального конца включает расстояние между дном 516 напорной камеры и концом сопла, включая фланец 530. Как таковая общая длина 524 корпуса сопла может быть определена как расстояние от проксимального конца фланца 530 корпуса сопла до торца 518. В некоторых вариантах сопло может быть сконструировано так, чтобы общая длина 524 корпуса сопла была больше, чем длина 520 корпуса сопла. В некоторых вариантах фланец корпуса (например, фланец 530) может выступать выше напорной камеры сопла. В некоторых вариантах фланец корпуса (например, фланец 530) может выступать на небольшое расстояние (от приблизительно 5% до приблизительно 40%) над напорной камерой сопла. В некоторых вариантах фланец корпуса (например, фланец 530) может выступать на приблизительно 0,05-0,5 дюйма (1,27-12,7 мм) над напорной камерой сопла.

Как описано выше, сопло моет иметь определенные размеры и пропорции, рассчитанные на улучшение охлаждения. Например, корпус сопла типично имеет длину 250 корпуса больше, чем ширина 522 корпуса и с отношением длины 515А до проксимального конца к толщине 517 дна напорной камеры менее приблизительно 2 (например, менее приблизительно 1,4). В некоторых вариантах отношение длины второй, проксимальной части 504 (например, по меньшей мере частично определенной длиной 515А до проксимального конца) к длине 509В канала составляет менее 2 (например, менее 1,4). Такие пропорции, как ожидается, позволят отводить большее количество теплоты через сопло, например, наружу (т.е., от отверстия 509) и вверх (например, от торца 518).

Другие сопла плазменных горелок, например, сопла, ранее производившиеся компанией Hypertherm, Hanover, NH, имели такие размеры и пропорции, что их отношение длины до проксимального конца к толщине дна напорной камеры (или длине отверстия) превышало 2. Например, одно такое сопло (например, 40-амперное сопло с номером детали 2-014) имело отношение длины до проксимального конца к длине отверстия равное приблизительно 2,98. Аналогично, другое сопло (например, сопло калибра .059 с номером детали 3-007) имело отношение длины до проксимального конца к длине отверстия равное приблизительно 2,44.

В некоторых вариантах отношение длины 509В отверстия к длине 524 корпуса сопла превышает 0,25 (например, больше 0,30, больше 0,23 или больше 0,35). Сопла с такими пропорциями, в которых длина отверстия (например, 509В) и, следовательно, в некоторых случаях, толщина дистального конца, относительно велики по сравнению с длиной корпуса сопла (т.е., длиной 520 корпуса сопла или диной 524 корпуса сопла) и могут иметь повышенную концентрацию массы на дистальном конце, что может способствовать лучшему охлаждению. То есть, увеличенное количество материала, расположенного на дистальном конце, как ожидается, обеспечивает лучшую теплопроводность, за счет которой теплоту можно отводить от конца для охлаждения.

В некоторых вариантах сопло, в котором отношение длины 509В канала (например, длины отверстия) к длине 524 корпуса сопла больше чем приблизительно 0,25 (например, больше 0,30, больше 0,23 или больше 0,35), также могут быть выполнены с возможностью работы при отношении тока к длине 524 корпуса сопла более 170 ампер на дюйм.

Другие сопла для плазменных горелок, ранее производившиеся компанией Hypertherm, Hanover, NH, имели такие размеры и пропорции, что их отношения длины канала (или отверстия) к длине корпуса сопла находились в нижнем конце диапазона. Например, одно такое сопло (например, 40-амперное сопло с номером детали 2-014, упомянутое выше) имело отношение длины канала (или отверстия) к длине корпуса сопла, равное приблизительно 0,25. Аналогично, другое сопло (например, сопло калибра .059, с номером детали 3-007, упомянутое выше) имело отношение длины канала (или отверстия) к длине корпуса сопла, равное приблизительно 0,29.

Сопло (например, сопло 500) может содержать один или более из признаков или элементов, описанных выше со ссылками на фиг.2-5, которые могут быть реализованы для дополнительного улучшения охлаждения сопла. Например, в некоторых вариантах фланец 530 может содержать охлаждающий канал (например, по существу аналогичный газовому каналу 216, описанному выше). Дополнительно, сопло (например, фланец 530 и/или боковая стенка 510 напорной камеры) моет содержать впускные и выпускные каналы, которые обеспечивают поток газа в проточный канал и из него, как было описано со ссылками на фиг.2.

В некоторых вариантах толщина боковой стенки напорной камеры (например, толщина 511 боковой стенки) проходит между внутренним диаметром напорной камеры и наружным диаметром напорной камеры, и отношение толщины боковой стенки напорной камеры к ширине корпуса сопла (например, ширине 522 корпуса сопла) составляет приблизительно 0,15-0,19.

Хотя сопло 500 было описано и показано как имеющее конкретную конструкцию и конкретные признаки, возможны и другие конфигурации. То есть, сопло может содержать один или более из признаков и элементов, описанных выше со ссылками на фиг.2-5, не выходя за пределы базовых размеров и пропорций, описанных со ссылками на фиг.6, которые улучшают охлаждение.

Хотя в настоящем документе были описаны конкретные варианты и конфигурации систем и способов, возможны и другие конфигурации. То есть, различные описанные системы охлаждения и распределения и устройства, включая газовый канал 216 (и соответствующие проходы и поверхности), систему 310 охлаждения сопла, систему 320 охлаждения сопла и экрана, систему 380 распределения потока и сопло 500 с подобранными пропорциями, имеющее размеры, описанные со ссылками на фиг.6, могут быть встроены в систему горелки в любой комбинации одной или более из этих систем и признаков. В некоторых примерах система горелки может включать газовый канал 216 (и соответствующие проходы и поверхности), систему 310 охлаждения сопла, систему 320 охлаждения сопла и экрана, систему 380 распределения потока и/или сопло с размерами, пропорции которых показаны на фиг.6.

Хотя в настоящем документе были описаны различные варианты, следует понимать, что они были представлены и описаны только в качестве примера и не ограничивают объем притязаний какой-либо конкретной конфигурацией или структурными компонентами. Таким образом, объем предпочтительного варианта не должен ограничиваться какими-либо вышеописанными иллюстративными структурами или вариантами, а определяется только в соответствии с приложенной формулой изобретения и ее эквивалентами. Другие варианты входят в объем приложенной формулы изобретения.

1. Сопло для плазменной дуговой горелки с газовым охлаждением, содержащее:

корпус сопла, имеющий проксимальный конец и дистальный конец, которые определяют длину и продольную ось корпуса сопла, при этом корпус содержит:

выходной жиклер, определенный дистальным концом корпуса сопла;

напорную камеру в корпусе сопла, проходящую от проксимального конца корпуса сопла до дна напорной камеры, при этом расстояние от дна напорной камеры до дистального конца определяет толщину дна напорной камеры, а расстояние от дна напорной камеры до проксимального конца сопла определяет длину до проксимального конца; и

отверстие, проходящее от дна напорной камеры до выходного жиклера, причем отверстие имеет длину и ширину,

при этом корпус сопла имеет ширину сопла в направлении, поперечном продольной оси, и длина корпуса сопла больше, чем ширина сопла, причем отношение длины до проксимального конца к толщине дна напорной камеры меньше 2.

2. Сопло по п.1, дополнительно содержащее фланец корпуса на проксимальном конце корпуса сопла, при этом общая длина сопла, определенная расстоянием от проксимального конца фланца корпуса сопла до торца на дистальном конце сопла, является такой, что общая длина сопла больше длины корпуса сопла.

3. Сопло по п.2, в котором фланец корпуса проходит на 0,05-0,5 дюйма (1,27-12,7 мм) над напорной камерой сопла.

4. Сопло по п.2, в котором длина до проксимального конца включает фланец корпуса.

5. Сопло по п.2, в котором длина отверстия соответствует толщине дна напорной камеры.

6. Сопло по п.1, в котором отверстие содержит фаску или зенковку.

7. Сопло по п.1, в котором выходной жиклер находится на торце сопла.

8. Сопло по п.1, в котором ширина отверстия изменяется вдоль его длины.

9. Сопло по п.1, в котором отверстие имеет фаску или зенковку на каждом конце его длины.

10. Сопло по п.1, в котором отношение длины отверстия к длине корпуса сопла больше чем приблизительно 0,32.

11. Сопло по п.1, в котором толщина боковой стенки напорной камеры определена между внутренним диаметром напорной камеры и наружным диаметром напорной камеры, и отношение толщины боковой стенки напорной камеры к ширине корпуса сопла составляет от приблизительно 0,15 до приблизительно 0,19.

12. Сопло по п.1, в котором боковая стенка напорной камеры дополнительно содержит один или более каналов для охлаждающего газа.

13. Сопло по п.1, которое имеет размер для обеспечения работы в плазменной дуговой горелке при токе, составляющем по меньшей мере 100 А.

14. Сопло по п.1, которое работает при отношении тока к длине корпуса сопла, составляющем более 170 А/дюйм.

15. Сопло по п.1, в котором отношение длины до проксимального конца к толщине дна напорной камеры составляет меньше 1,4.

16. Сопло для плазменной дуговой горелки с газовым охлаждением, содержащее:

корпус, имеющий первый конец и второй конец, которые определяют продольную ось;

область напорной камеры, по существу, сформированную в корпусе, при этом область напорной камеры проходит от первого конца корпуса и выполнена с возможностью принимать поток плазменного газа;

выходной жиклер, расположенный на втором конце корпуса и ориентированный, по существу, соосно с продольной осью, при этом выходной жиклер соединен по текучей среде с областью напорной камеры; и

элемент на наружной поверхности корпуса, выполненный с возможностью улучшать охлаждение за счет приема потока охлаждающего газа, текущего с высокой скоростью, по существу, в направлении продольной оси вдоль длины корпуса, и имеющий отбойную поверхность, выполненную с возможностью принимать поток охлаждающего газа с, по существу, перпендикулярного направления относительно отбойной поверхности и перенаправлять поток охлаждающего газа, чтобы способствовать охлаждению и создавать равномерный экранирующий поток.

17. Сопло по п.16, в котором элемент расположен по периферии наружной поверхности корпуса сопла.

18. Сопло по п.16, в котором, по существу, перпендикулярное направление направлено под углом от 45 до 90° к отбойной поверхности.

19. Сопло по п.16, в котором поперечное сечение отбойной поверхности элемента содержит, по существу, плоскую поверхность, которая расположена, по существу, перпендикулярно потоку охлаждающего газа.

20. Сопло по п.16, в котором отбойная поверхность элемента содержит, по существу, коническую поверхность.

21. Сопло по п.16, в котором элемент расположен на сопле рядом с соответствующим элементом компонента в виде экрана.

22. Сопло по п.21, в котором соответствующим элементом является смесительная камера.

23. Сопло по п.16, в котором высокая скорость составляет по меньшей мере 300 м/с.

24. Сопло по п.16, в котором элемент содержит по меньшей мере часть камеры достаточного размера, чтобы увеличить равномерность потока охлаждающего газа, работая как буферная камера для уменьшения переходных процессов в потоке охлаждающего газа.

25. Сопло по п.24, в котором камера проходит по периферии наружной поверхности сопла.

26. Сопло по п.16, дополнительно содержащее острый угол, расположенный рядом с отбойной поверхностью для генерирования турбулентности в потоке охлаждающего газа.

27. Сопло для плазменной дуговой горелки с газовым охлаждением, содержащее:

корпус, имеющий проксимальный конец, выполненный с возможностью сопряжения с корпусом плазменной дуговой горелки, и дистальный конец;

жиклер, сформированный на дистальном конце корпуса; и

наружную поверхность сопла, содержащую проточную поверхность сопла, которая образует часть проточного канала для экранирующего газа, который направляет поток экранирующего газа вдоль наружной проточной поверхности сопла в направлении потока от проксимального конца к жиклеру на дистальном конце корпуса,

при этом наружная поверхность сопла также содержит проточный элемент, расположенный на наружной проточной поверхности сопла и сформированный по периферии вокруг наружной поверхности корпуса между проксимальным концом и жиклером, причем проточный элемент выполнен с возможностью реверсировать направление потока экранирующего газа в проточном канале для экранирующего газа.

28. Сопло по п.27, дополнительно содержащее элемент на наружной проточной поверхности корпуса сопла, выполненный с возможностью улучшать охлаждение корпуса за счет приема по меньшей мере части потока экранирующего газа, текущего с высокой скоростью, по существу, в направлении продольной оси корпуса сопла и вдоль длины корпуса, и имеющий отбойную поверхность, выполненную с возможностью принимать по меньшей мере часть потока охлаждающего газа с направления, по существу, перпендикулярного к отбойной поверхности, и перенаправлять поток охлаждающего газа для улучшения охлаждения и создания равномерного экранирующего потока.

29. Сопло по п.28, в котором наружная проточная поверхность сопла содержит смесительную камеру, сформированную по периферии вокруг корпуса у части проточного газового канала экрана, которая расположена рядом с отбойным элементом.

30. Сопло по п.27, в котором проточный элемент содержит выпуклость и углубление, которые взаимодействуют для реверсирования направления потока.

31. Сопло по п.30, в котором выпуклость расположена рядом с углублением.

32. Сопло по п.27, в котором проточный элемент содержит выпуклость, так что выпуклость представляет собой гребень, который проходит по периферии наружной проточной поверхности сопла.

33. Сопло по п.27, в котором проточный элемент содержит углубление, которое представляет собой канавку, проходящую по периферии вокруг наружной проточной поверхности сопла.

34. Сопло по п.27, в котором проточный элемент содержит выпуклость, расположенную между углублением и жиклером.

35. Сопло по п.27, в котором проточный элемент расположен на конической части корпуса сопла.

36. Сопло по п.27, в котором проточный элемент расположен на торце дистального конца корпуса сопла.

37. Сопло по п.27, в котором проточный элемент содержит выпуклость, расположенную на наружной проточной поверхности сопла в положении, которое соответствует комплементарному элементу соседнего экрана горелки, когда сопло установлено в плазменную дуговую горелку.

38. Сопло по п.37, в котором комплементарным элементом экрана является гребень.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области плазменной техники. Плазменный генератор содержит: модуль, генерирующий плазму, и вращающийся корпус, который имеет по меньшей мере одно плазменное сопло, через которое плазма, генерируемая модулем плазменного генератора, выдувается наружу, и который расположен отдельно от указанного модуля с возможностью вращения снаружи указанного модуля, содержащего высоковольтный электрод, расположенный в центральной области, противоэлектрод, расположенный вокруг высоковольтного электрода и заряжаемый электроэнергией, подаваемой на высоковольтный электрод, для генерирования высоковольтной дуги, и входное отверстие для газа, которое выполнено между высоковольтным электродом и противоэлектродом и через которое сжатый воздух или газ вводится в выпускную головку.

Изобретение относится к области диагностики плазмы и может быть использовано для исследований неравновесной анизотропной плазмы непосредственно в рабочих условиях широкого круга газоразрядных устройств: лазеров, плазмотронов, источников света, мощных стабилизаторов тока и напряжения, ключевых элементов, инверторов.

Изобретение относится к области плазменной техники. .

Группа изобретений относится к управлению вектором тяги плазменных двигателей. Устройство содержит закреплённые на корпусе плазменного двигателя в зоне за срезом его выходного канала две или четыре прямоугольной формы рамочных магнитных катушки, расположенных открытыми частями рамок напротив друг друга.

Изобретение относится к области исследования физических свойств вещества, в частности к исследованию процессов в плазме и в газоразрядных приборах. Технический результат - обеспечение возможности формирования тепловой кумулятивной струи, плавящей металл, и образованного ею канала на поверхности металла необходимой длины.

Изобретение относится к плазменному экспандеру изменяемого объема и к устройствам для формирования плазмы для получения электронных или ионных пучков. Плазменный экспандер изменяемого объема имеет цилиндрическую форму, изготовлен из проводящих материалов, плазма попадает в него через отверстие в аноде, с другой стороны происходит частичное ограничение плазмы.

Изобретение относится к физике высоких плотностей энергии и термоядерного синтеза и может использоваться при получении мощных потоков мягкого рентгеновского излучения.

Изобретение относится к области плазменной техники. Технический результат - повышение срока службы трубчатого самонакаливаемого полого катода в аксиально-симметричном магнитном поле.

Изобретение относится к способам исследования локальных параметров плазмы в газоразрядных источниках плазмы. В заявленном способе локальной диагностики максвелловской плазмы с помощью одиночного цилиндрического зонда Ленгмюра предусмотрено введение в газоразрядное пространство тонкого зондодержателя с зондом на конце в виде отрезка металлической нити, подключенной через источник зондового напряжения к металлическому корпусу газоразрядного устройства или дополнительному опорному электроду.

Изобретение относится к области генерирования плазмы. Устройство содержит по меньшей мере два коаксиальных волновода (4), каждый из которых сформирован из центрального проводника (1) и внешнего проводника (2) для направления сверхвысокочастотных волн в камеру обработки.

Изобретение относится к области ускорительной техники, в частности к системам подачи газа в сверхзвуковое сопло при формировании пучков ускоренных газовых кластерных ионов. Технический результат - расширение класса рабочих газов, в том числе слабо кластеризуемых, используемых в системах для формирования газовых кластерных ионных пучков. Способ предусматривает формирование газового кластерного ионного пучка в вакуумной камере при подаче рабочего газа под давлением от источника газа в сверхзвуковое сопло ускорителя газовых кластерных ионов, при этом формирование газового кластерного ионного пучка осуществляется путем импульсной подачи газа от источника, при значении давления стагнации, не превышающем 7 атм, и при длительности импульса тока кластерных ионов, на 1-2 порядка превышающей длительность подачи газа от источника. 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к системам термообработки. Сменный расходуемый компонент для осуществления операции резания или сварки включает в себя корпус и считываемое устройство хранения данных, присоединенное к корпусу или встроенное в корпус, причем устройство хранения данных содержит операционную инструкцию для устройства резания или сварки и выполнено с возможностью считывания внутри горелки для термообработки. Технический результат- облегчение управления и оптимизация работы системы термообработки.8 н. и 57 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к генераторам плазмы, а именно к плазменным реакторам с увеличенными объемом плазмы и величиной вводимой в плазму электрической энергии, и может быть использовано в металлургии для прямого восстановления металлов, в материаловедении для синтеза порошков, в плазмохимии для реализации высокотемпературных химических реакций, в экологии для переработки производственных отходов, а также других областях техники. Технический результат - повышение мощности гибридного плазмотрона при сохранении преимуществ комбинированного разряда. Многоступенчатый плазмотрон включает в качестве первой ступени разрядную камеру с центральным электродом, СВЧ генератор и средства ввода реакционных газов и исходного материала в разрядную камеру, источник постоянного напряжения, отрицательный полюс которого подсоединен к центральному электроду, а положительный - к стенкам камеры, магнитную систему с внешним соленоидом, трубу, установленную у выходного отверстия разрядной камеры, а в качестве последующих ступеней - пары электродов, размещенных в трубе между ее стенкой и осью трубы и разнесенных по ее длине и азимуту, при этом каждая пара электродов подсоединена к источнику тока. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к устройствам для плазменных дуговых горелок с газовым охлаждением. В заявленном изобретении сопла могут содержать корпус, имеющий проксимальный конец и дистальный конец, которые определяют длину корпуса сопла и его продольную ось. Корпус может содержать выходной жиклер, определенный дистальным концом; напорную камеру, проходящую от проксимального конца до дна напорной камеры, при этом расстояние от дна напорной камеры до дистального конца определяет толщину дна напорной камеры, а расстояние от дна напорной камеры до проксимального конца определяет высоту проксимального конца. Корпус также содержит отверстие, проходящее от дна напорной камеры до выходного жиклера. Длина корпуса сопла больше его ширины, а отношение высоты проксимального конца к толщине дна напорной камеры меньше 2,0. Техническим результатом является повышение эффективности охлаждения, улучшение характеристики резания, возможность создания более стабильных плазменных дуг и увеличение срока службы расходных компонентов. 3 н. и 35 з.п. ф-лы, 8 ил.

Наверх