Система для плазменно-дуговой резки, включающая завихрительные кольца и другие расходные компоненты, и соответствующие способы работы

Изобретение относится к группе, включающей завихрительное кольцо для плазмообразующего газа для плазменной горелки с жидкостным охлаждением и способ управления потоком плазмообразующего газа в плазменной горелке. Завихрительное кольцо включает в себя по существу полое тело, имеющее дальний конец, ближний конец, внутреннюю область, образованную внутренней поверхностью, и внешнюю поверхность. Внутренняя область в теле создана с возможностью размещения в ней электрода плазменной горелки. Завихрительное кольцо имеет первое отверстие, расположенное в области ближнего конца тела, второе отверстие, расположенное вокруг центральной части тела, и третье отверстие, включающее по меньшей мере один проем, создающий завихрение, и расположенное в области дальнего конца тела. Третье отверстие обеспечивает создание вихревого потока плазмообразующего газа вокруг электрода у дальнего конца тела завихрительного кольца. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Перекрестная ссылка на родственную заявку

[0001] В настоящей заявке испрашивается приоритет предварительной заявки на патент США № 62/320,935, которая зарегистрирована 11 апреля 2016 и принадлежит настоящему заявителю, полное содержание которой этим упоминанием включено в текст данного описания.

Область техники

[0002] Настоящее изобретение в общем относится к области систем и процессов плазменно-дуговой резки. Если говорить более конкретно, изобретение относится к усовершенствованным расходным компонентам (например, завихрительным кольцам) и способам управления потоком плазмообразующего газа в плазменной горелке.

Уровень техники

[0003] Плазменные горелки широко используются для обработки материалов при высокой температуре (например, нагрев, резание, строгание и маркирование). Если говорить в общем, плазменная горелка включает головку, электрод, установленный в головке, эмитирующий вкладыш, расположенный в центральном отверстии электрода, сопло, имеющее центральное выходное отверстие и установленное в головке, защитный элемент, электрические соединения, каналы для охлаждения, каналы для текучих сред, обеспечивающих управление дугой (например, плазмообразующего газа) и источник питания. Для управления режимами протекания текучей среды в плазменной камере, созданной между электродом и соплом, может использоваться завихрительное кольцо. В некоторых горелках для удержания сопла и/или завихрительного кольца на месте в плазменной горелке может использоваться закрепляющий колпачок. Во время работы горелка создает плазменную дугу, которая представляет собой сжатую струю ионизированного газа с высокой температурой и достаточной кинетической энергией, чтобы способствовать удалению расплавленного металла. Газы, используемые в горелке, могут быть химически неактивными (например, аргон или азот) или химически активными (например, кислород или воздух).

[0004] Имеются определенные противоречащие друг другу требования, предъявляемые к плазменной горелке. Одним является сохранение небольшого диаметра горелки, что облегчает при ее использовании работу с широким диапазоном форм, например, двутавровыми профилями. Другим требованием является улучшение управления и универсальность конструкции горелки для соответствия различным процессам. Например, расходные комплекты для процесса с током 300 Ампер, процесса с током 130 Ампер и процесса с током 80 Ампер могут сильно различаться. Это может быть связано с тем, что для этих процессов необходимо разное количество меди в сопле для соответствия тепловой нагрузке, например, больше меди для сопел с более высоким электрическим током. Кроме того, для процесса с низким электрическим током может потребоваться выброс вихревого потока в радиальном направлении, в то время как для процесса с высоким электрическим током может потребоваться выброс вихревого потока в осевом направлении. Выбрасываемый радиальный вихревой поток при поступлении в плазменную камеру имеет первоначальные тангенциальный и радиальный компоненты скорости протекания. При этой конфигурации осевой компонент, параллельный оси центрального отверстия сопла, представляющего собой цилиндр, приблизительно равен нулю. Выбрасываемый осевой вихревой поток имеет первоначальные тангенциальный и осевой компоненты скорости протекания. При этой конфигурации первоначальный радиальный компонент приблизительно равен нулю. В дополнение к характеристике первоначальной скорости протекания газа, важным является место выброса газа в плазменную камеру, которое может существенно меняться от одного комплекта к другому. Таким образом, существует потребность в конструкции горелки, которая может соответствовать различающимся требованиям к управлению потоком и другим специфичным моментам для разных рабочих токов, например, нужно обеспечить один расходный компонент с универсальными свойствами, который может соответствовать этим требованиям и специфичным моментам.

Сущность изобретения

[0005] Чтобы обеспечить более универсальную конструкцию и соответствие широкому диапазону электрических токов при одновременном сохранении небольшого диаметра горелки, настоящее изобретение предлагает переместить некоторые из средств управления и специфичных элементов из тела горелки в расходные компоненты, например, в завихрительное кольцо. В результате конструкция завихрительного кольца, соответствующего настоящему изобретению, позволяет выбирать режимы протекания для разных рабочих токов.

[0006] Согласно одному аспекту, предлагается завихрительное кольцо для плазмообразующего газа для плазменной горелки с жидкостным охлаждением. Завихрительное кольцо включает в себя по существу полое тело, имеющее дальний конец, ближний конец, внутреннюю область, образованную внутренней поверхностью, и внешнюю поверхность. Через дальний и ближний концы тела проходит продольная ось. Внутренняя область в теле создана с возможностью размещения в ней электрода плазменной горелки. Завихрительное кольцо также включает первое отверстие, расположенное в области ближнего конца тела. Первое отверстие обеспечивает протекание текучей среды из внутренней области на внешнюю поверхность тела. Завихрительное кольцо, кроме того, включает второе отверстие, расположенное вокруг центральной части тела. Второе отверстие обеспечивает протекание текучей среды с внешней поверхности во внутреннюю область тела. Завихрительное кольцо дополнительно включает третье отверстие, включающее, по меньшей мере, один проем, создающий завихрение, и расположенное в области дальнего конца тела. Третье отверстие связывает внутреннюю область тела с внешней областью с возможностью протекания текучей среды и обеспечивает создание вихревого потока плазмообразующего газа вокруг электрода у дальнего конца тела.

[0007] В некоторых вариантах первое отверстие ориентировано по существу перпендикулярно продольной оси. В некоторых вариантах второе отверстие ориентировано по существу перпендикулярно продольной оси. Второе отверстие может включать, по меньшей мере, один дозирующий проем. В некоторых вариантах третье отверстие ориентировано по существу параллельно продольной оси.

[0008] В некоторых вариантах, по меньшей мере, часть внутренней поверхности задает часть вихревой газовой камеры, ближнюю к третьему отверстию и имеющую с ним связь, обеспечивающую протекание текучей среды. Вихревая газовая камера может быть дополнительно задана внешней поверхностью электрода. В некоторых вариантах второе отверстие включает впуск в вихревую газовую камеру, и третье отверстие включает выпуск из вихревой газовой камеры.

[0009] В некоторых вариантах завихрительное кольцо дополнительно содержит первый уплотнительный элемент, находящийся между внутренней поверхностью этого кольца и внешней поверхностью электрода. Первый уплотнительный элемент находится между первым и вторым отверстиями, если смотреть в осевом направлении. В некоторых вариантах завихрительное кольцо дополнительно содержит второй уплотнительный элемент, находящийся между внутренней поверхностью этого кольца и внешней поверхностью электрода. Второй уплотнительный элемент находится между вторым и третьим отверстиями, если смотреть в осевом направлении. В некоторых вариантах завихрительное кольцо дополнительно содержит кольцевой проход для подачи, находящийся рядом с ближним концом тела. Кольцевой проход для подачи задан внутренней поверхностью завихрительного кольца и внешней поверхностью электрода и обеспечивает транспортировку потока газа во внутреннюю область завихрительного кольца.

[0010] Согласно другому аспекту, предлагается способ управления потоком плазмообразующего газа через завихрительное кольцо в плазменной горелке. Завихрительное кольцо имеет по существу полое тело с дальним концом, ближним концом, внутренней областью, образованной внутренней поверхностью, и внешней поверхностью, причем через дальний и ближний концы завихрительного кольца проходит продольная ось. Способ включает подачу потока плазмообразующего газа во внутреннюю область завихрительного кольца рядом с ближним концом тела и транспортировку потока плазмообразующего газа из внутренней области на внешнюю поверхность завихрительного кольца через первое отверстие, расположенное в области ближнего конца тела. Способ также включает транспортировку потока плазмообразующего газа с внешней поверхности в вихревую газовую камеру, расположенную во внутренней области завихрительного кольца, через второе отверстие, находящееся в центральной части тела. Вихревая газовая камера задана внутренней поверхностью завихрительного кольца и внешней поверхностью электрода, находящегося во внутренней области завихрительного кольца. Способ дополнительно включает транспортировку потока плазмообразующего газа из вихревой газовой камеры во внешнюю область через третье отверстие, расположенное в области дальнего конца тела, и обеспечение при помощи третьего отверстия вихревого перемещения плазмообразующего газа вокруг электрода у дальнего конца тела.

[0011] В некоторых вариантах способ включает транспортировку потока плазмообразующего газа в радиальном направлении через первое отверстие по существу перпендикулярно продольной оси. В некоторых вариантах способ включает транспортировку потока плазмообразующего газа в радиальном направлении через второе отверстие по существу перпендикулярно продольной оси. В некоторых вариантах способ включает транспортировку потока плазмообразующего газа в осевом направлении через третье отверстие по существу параллельно продольной оси.

[0012] В некоторых вариантах поток плазмообразующего газа подают во внутреннюю область завихрительного кольца в общем в осевом направлении параллельно продольной оси. В некоторых вариантах способ включает дозирование плазмообразующего газа при помощи второго отверстия.

[0013] В некоторых вариантах способ включает создание уплотнения между внутренней поверхностью завихрительного кольца и внешней поверхностью электрода в месте между первым и вторым отверстиями, если смотреть в осевом направлении. В некоторых вариантах способ включает создание уплотнения между внутренней поверхностью завихрительного кольца и внешней поверхностью электрода в месте между вторым и третьим отверстиями, если смотреть в осевом направлении.

[0014] Согласно еще одному аспекту, предлагается способ управления потоком плазмообразующего газа через завихрительное кольцо в плазменной горелке. Завихрительное кольцо имеет по существу полое тело с дальним концом, ближним концом, внутренней области, образованной внутренней поверхностью, и внешней поверхностью. Через дальний и ближний концы завихрительного кольца проходит продольная ось. Способ включает подачу потока плазмообразующего газа в осевом направлении во внутреннюю область завихрительного кольца рядом с ближним концом тела и транспортировку потока плазмообразующего газа в радиальном направлении из внутренней области на внешнюю поверхность завихрительного кольца через первое отверстие, расположенное в области ближнего конца тела. Способ также включает транспортировку потока плазмообразующего газа в радиальном направлении с внешней поверхности в вихревую газовую камеру, расположенную во внутренней области завихрительного кольца, через второе отверстие, находящееся в центральной части тела. Вихревая газовая камера задана внутренней поверхностью завихрительного кольца и внешней поверхностью электрода, находящегося во внутренней области завихрительного кольца. Способ, кроме того, включает дозирование при помощи второго отверстия плазмообразующего газа по мере его перемещения в радиальном направлении от тела. Способ дополнительно включает транспортировку потока плазмообразующего газа в осевом направлении из вихревой газовой камеры во внешнюю область через третье отверстие, расположенное в области дальнего конца тела, и задание при помощи третьего отверстия вихревого перемещения плазмообразующего газа вокруг электрода у дальнего конца тела.

Краткое описание чертежей

[0015] Описанные выше преимущества изобретения и его дополнительные преимущества могут быть лучше поняты при ознакомлении с приведенным далее описанием с обращением к сопровождающим чертежам. Чертежи необязательно выполнены в масштабе, так как ударение, в основном, делается на иллюстрирование принципов изобретения.

[0016] На Фиг.1 приведен разрез плазменной горелки с завихрительным кольцом, согласно примерному варианту реализации настоящего изобретения.

[0017] На Фиг.2а и 2b приведены, соответственно, общий вид и разрез завихрительного кольца, показанного на Фиг.1, согласно примерному варианту реализации настоящего изобретения.

[0018] На Фиг.3 приведена схема способа управления потоком плазмообразующего газа через завихрительное кольцо, показанное на Фиг.1, согласно примерному варианту реализации настоящего изобретения.

Подробное описание вариантов реализации

[0019] На Фиг.1 приведен разрез плазменной горелки 100 с завихрительным кольцом 120, согласно примерному варианту реализации настоящего изобретения. Плазменная горелка 100 включает тело 102 и наконечник 104, имеющий множество расходных компонентов, например, электрод 105, сопло 110, внутренний закрепляющий колпачок 115, внешний закрепляющий колпачок 116, завихрительное кольцо 120 и защитный элемент 125. Плазменная камера 142 задана, по меньшей мере, отчасти электродом 105 и соплом 110, которое находится на расстоянии от этого электрода. Сопло 110 имеет центральное выходное отверстие 106. Завихрительное кольцо 120 установлено вокруг электрода 105 и обеспечивает создание тангенциального компонента скорости протекания потока плазмообразующего газа, что позволяет задать вихревой режим протекания плазмообразующего газа. Завихрительное кольцо 120 подробно описано ниже. Внутренний закрепляющий колпачок 115 неподвижно соединен (например, при помощи резьбы) с телом 102 горелки для закрепления сопла 110 в теле 102 горелки и позиционирования сопла 110 в радиальном и/или осевом направлении относительно продольной оси горелки 100. Защитный элемент 125, который имеет выходное отверстие 107, соединен с внешним закрепляющим колпачком 116, который прикрепляет защитный элемент 125 к телу 102 горелки. В некоторых вариантах выходное отверстие 106 сопла и, в качестве необязательного варианта, выходное отверстие 107 защитного элемента задают выходное отверстие для плазменной дуги, через которое плазменная дуга проходит к заготовке во время работы горелки. Горелка 100 может, кроме того, включать электрические соединения, каналы для охлаждения, каналы для текучих сред, обеспечивающих управление дугой (например, плазмообразующего газа) и источник питания. В некоторых вариантах плазменную горелку 100, показанную на Фиг.1, задействуют при электрическом токе приблизительно 300 Ампер. В некоторых вариантах плазменная горелка 100 имеет жидкостное охлаждение.

[0020] На Фиг.2а и 2b приведены, соответственно, общий вид и разрез завихрительного кольца 120, показанного на Фиг.1, согласно примерному варианту реализации настоящего изобретения. Как показано, завихрительное кольцо 120 имеет по существу полое тело, через которое проходит продольная ось А, и дальний конец/дальнюю часть 202, центральную часть 204 и ближний конец/ближнюю часть 206, расположенные вдоль продольной оси А. По существу полое тело завихрительного кольца 120 также имеет внешнюю поверхность 210 и внутреннюю область 205, образованную внутренней поверхностью 208 этого кольца. Внутренняя область 205 создана с возможностью размещения в ней электрода 105 таким образом, чтобы завихрительное кольцо 120 по существу окружало, по меньшей мере, часть внешней поверхности 103 этого электрода, как показано на Фиг.1.

[0021] В некоторых вариантах в области ближнего конца 206 завихрительного кольца 120 расположена группа из одного или более первых отверстий 212, каждое из которых связывает внутреннюю область 205 с внешней поверхностью 210 завихрительного кольца 120 с возможностью протекания текучей среды. Например, каждое из первых отверстий 212 включает проем, который ориентирован в общем перпендикулярно продольной оси А и обеспечивает транспортировку потока плазмообразующего газа в радиальном направлении наружу, из внутренней области 205 завихрительного кольца 120 на внешнюю поверхность 210. Группу из одного или более первых отверстий 212 можно располагать по окружности тела завихрительного кольца 120 на ближнем конце 206, чтобы получить один или более проемов для транспортировки плазмообразующего газа наружу, на внешнюю поверхность 210 этого кольца. Каждое из первых отверстий 212 может быть выполнено таким образом, чтобы создавать минимальные ограничения для протекания потока плазмообразующего газа на ближнем конце 206 завихрительного кольца 120. Преимуществом создания группы первых отверстий 212 является снижение стоимости. Если говорить конкретно, сверление отверстий в радиальном направлении значительно дешевле в плане времени изготовления и стоимости оснастки по сравнению со сверлением дозирующих отверстий, имеющих меньший размер. Это особенно проявляется в случае, если первые отверстия 212 не выполняют функцию дозирования, и их можно изготавливать с более свободными допусками. Кроме того, так как нет необходимости в том, чтобы каждое из первых отверстий 212 имело небольшой внутренний буртик, как дозирующее отверстие, стенка завихрительного кольца 120 на ближнем конце 206 может быть толще и, таким образом, может быть более прочной.

[0022] В некоторых вариантах в области центральной части 204 завихрительного кольца 120 расположена группа из одного или более вторых отверстий 214, например, по окружности завихрительного кольца 120 в центральной части 204. Каждое из вторых отверстий обеспечивает протекание текучей среды с внешней поверхности 210 во внутреннюю область 205 тела завихрительного кольца. Например, каждое из вторых отверстий 214 включает проем, который ориентирован в общем перпендикулярно продольной оси А и обеспечивает транспортировку потока плазмообразующего газа в радиальном направлении внутрь, с внешней поверхности 210 завихрительного кольца 120 во внутреннюю область 205. В некоторых вариантах каждое из вторых отверстий 214 представляет собой дозирующий проем, обеспечивающий дозирование количества плазмообразующего газа, протекающего во внутреннюю область 205 завихрительного кольца 120.

[0023] В некоторых вариантах в области дальнего конца 202 завихрительного кольца 120 расположена группа из одного или более третьих отверстий 216. Например, упомянутые одно или более третьих отверстий 216 находятся на дальнем конце 202 на торцевой поверхности 218. Каждое из отверстий 216 включает проем, который ориентирован в общем параллельно продольной оси А и обеспечивает транспортировку потока плазмообразующего газа в осевом направлении наружу, из внутренней области 205 завихрительного кольца 120 во внешнюю область. В некоторых вариантах каждое из третьих отверстий 216 представляет собой проем, создающий завихрение, который обеспечивает создание вихревого потока плазмообразующего газа вокруг электрода 105 у дальнего конца 202 тела завихрительного кольца. Например, каждый из проемов, создающих завихрение, расположен под углом, чтобы задать вихревое перемещение протекающего через него плазмообразующего газа.

[0024] В некоторых вариантах, как показано на Фиг.1, частью внутренней поверхности 208 завихрительного кольца 120 и частью внешней поверхности 103 электрода 105 задана вихревая газовая камера 130. Вихревая газовая камера 130 может находиться в центральной области внутренней области 205 завихрительного кольца 120. В некоторых вариантах вихревая газовая камера 130 имеет связь по текучей среде с группой третьих отверстий 216, в результате чего выпуск вихревой газовой камеры 130 является составной частью третьего отверстия 216. Третьи отверстия 216 могут быть расположены на дальнем конце вихревой газовой камеры 130. В некоторых вариантах вихревая газовая камера 130 имеет связь по текучей среде с группой вторых отверстий 214, в результате чего впуск вихревой газовой камеры 130 является составной частью второго отверстия 214.

[0025] В некоторых вариантах вихревая газовая камера 130 работает как накопитель газа, обеспечивающий буфер между газом, подаваемым в завихрительное кольцо 120, и газом, вытекающим из группы третьих отверстий 216, чтобы гарантировать относительно постоянное давление газа в третьих отверстиях 216 в целях управления потоком газа. В некоторых вариантах вихревая газовая камера 130 обеспечивает постепенное снижение расхода плазмообразующего газа после прекращения его подачи. Например, при прекращении подачи газа в завихрительное кольцо 120 в конце резания, имеется объем газа, задержанного в вихревой газовой камере 130, который медленно вытекает из третьих отверстий 216, это обеспечивает постепенное снижение расхода газа, которое продлевает срок службы электрода. Аналогичные концепции описаны в патентах США №№ 5,317,126, 8,338,740 и 8,809,728, все из которых выданы на имя Hypertherm, Inc., Хановер, Нью-Гэмпшир, и текст которых этим упоминанием включен сюда во всей полноте.

[0026] В некоторых вариантах группа вторых отверстий 214 должна обеспечивать сохранение относительно постоянных объема и давления газа внутри вихревой газовой камеры 130. Если говорить конкретно, при поддержании более высокого расхода газа снаружи завихрительного кольца 120 по потоку выше (т.е., в непосредственной близости от) вторых отверстий 214, падение давления во вторых отверстиях 214 может обеспечить наличие по существу постоянного давления внутри вихревой газовой камеры 130. Это, в свою очередь, обеспечивает плавное вытекание газа из группы третьих отверстий 216. Поэтому в некоторых вариантах проходное сечение вторых отверстий 214 больше проходного сечения третьих отверстий 216. Это обеспечивает достаточное превышение давления внутри вихревой газовой камеры 130 относительно давления в плазменной камере 142, в результате чего поток газа через завихрительное кольцо 120 не будет прерываться, если в третьих отверстиях 216 потребуется больше воздуха, чем имеется в вихревой газовой камере 130. В некоторых вариантах отношение проходных сечений третьих отверстий 216 и вторых отверстий 214 составляет приблизительно 2,3:1. Это отношение может иметь минимальную величину приблизительно 2:1. Так как третьи отверстия 216 также обеспечивают создание требуемого тангенциального компонента скорости у протекающего через них потока газа, могут иметься ограничения в том, насколько большим может быть это отношение.

[0027] Аналогичным образом, проходное сечение первых отверстий 212 больше проходного сечения вторых отверстий 214. Например, отношение проходных сечений первых отверстий 212 и вторых отверстий 214 составляет примерно 6:1. Это отношение может иметь минимальную величину 2:1. Если говорить в общем, требуется большое отношение, это позволяет в значительной степени управлять потоком плазмообразующего газа при помощи вторых отверстий 214.

[0028] В некоторых вариантах группа вторых отверстий 214 обеспечивает управление расходом в плазменной камере 142. При известном, управляемом давлении выше по потоку (т.е., в непосредственной близости от) вторых отверстий 214 можно обеспечить известный и неизменный массовый расход плазмообразующего газа в плазменной камере 142. Расположение вторых отверстий 214 по окружности центральной части 204 завихрительного кольца 120 также является выгодным из-за того, что эта часть находится близко к плазменной камере 142. Это снижает до минимума возможные ограничение расхода другими элементами или влияние этих элементов на него. Это расположение также позволяет создать вихревую газовую камеру 130 между вторыми отверстиями 214 и третьими отверстиями 216 таким образом, чтобы гарантировать, что распределение плазмообразующего газа происходит по всей окружности, и поэтому имеется равномерный, плавный поток через третьи отверстия 216.

[0029] В некоторых вариантах во внутренней области 205 завихрительного кольца 120 установлены один или более уплотнительных элементов для создания между завихрительным кольцом 120 и электродом 105 одного или более уплотнений, непроницаемых для текучей среды. Например, первый уплотнительный элемент 132 должен быть размещен в канавке 134 на внешней поверхности 103 электрода 105, причем, если смотреть в осевом направлении, канавка 134 находится между первыми и вторыми отверстиями 212, 214 завихрительного кольца 120. Второй уплотнительный элемент 136 должен быть размещен в другой канавке 138 на внешней поверхности 103 электрода 105, причем, если смотреть в осевом направлении, канавка 138 находится между вторыми и третьими отверстиями 214, 216 завихрительного кольца 120. Первый и/или второй уплотнительные элементы 132, 136 могут быть упругими, например, могут представлять собой уплотнительные кольца. Как изображено, первый уплотнительный элемент 132 находится у ближнего края вихревой газовой камеры 130, а второй уплотнительный элемент 136 находится у дальнего края вихревой газовой камеры 130. Контакт поверхностей электрода 105 и завихрительного кольца 120 рядом с этими зонами должен приводить к деформированию уплотнительных элементов 132, 136 для герметизации вихревой газовой камеры 130 в отношении текучей среды.

[0030] В некоторых вариантах связь по текучей среде с внутренней областью 205 завихрительного кольца 120 предоставляет кольцевой канал 140 подачи. Кольцевой канал 140 подачи задан, по меньшей мере, отчасти частью внутренней поверхности 208 завихрительного кольца 120 и частью внешней поверхности 130 электрода 105. Кольцевой канал 140 подачи обеспечивает подачу потока плазмообразующего газа во внутреннюю область завихрительного кольца 120.

[0031] В некоторых вариантах на границе между внешней поверхностью 210 завихрительного кольца 120 и внутренней поверхностью сопла 110 имеется волнистость или другое подобное средство (не показаны). Такое средство позволяет потоку плазмообразующего газа обойти кольцевой канал 140 подачи и группу первых отверстий 212, но при этом по-прежнему существуют минимальные ограничения протекания в непосредственной близости от группы вторых отверстий 214, что позволяет гарантировать, что объем и давление газа внутри вихревой газовой камеры 130 остаются относительно постоянными.

[0032] На Фиг.3 приведена схема способа 300 управления потоком плазмообразующего газа через завихрительное кольцо 120 плазменной горелки 100, показанной на Фиг.1, согласно примерному варианту реализации настоящего изобретения. Во время работы в горелку 100 вводится поток плазмообразующего газа (например, со стороны ближнего конца тела 102 горелки), который движется в осевом направлении дальше, во внутреннюю область 205 завихрительного кольца 120 (этап 302). Например, поток плазмообразующего газа может поступать во внутреннюю область 205 завихрительного кольца 102 из кольцевого канала 140 подачи, имеющего с этой областью связь по текучей среде. По мере протекания плазмообразующего газа дальше через внутреннюю область 205, по меньшей мере, часть потока этого газа транспортируют наружу из завихрительного кольца 120 при помощи первого отверстия 212, находящегося на ближнем конце 206 завихрительного кольца 120. В некоторых вариантах первое отверстие 212 обеспечивает транспортировку потока плазмообразующего газа в радиальном направлении (т.е., в общем перпендикулярно продольной оси А) из внутренней области 205 на внешнюю поверхность 210 завихрительного кольца 120 (этап (304).

[0033] Поток плазмообразующего газа, протекающий снаружи завихрительного кольца 120, может быть транспортирован во внутреннюю область 205 этого кольца через одно или более вторых отверстий 214, расположенных в центральной части 204 тела этого кольца (этап 306). Если говорить конкретно, каждое из вторых отверстий 214 выполнено с возможностью транспортировки потока плазмообразующего газа в радиальном направлении в вихревую газовую камеру 130, находящуюся во внутренней области 205, с внешней поверхности 210 завихрительного кольца 120. В некоторых вариантах второе отверстие 214 является дозирующим. В некоторых вариантах между внутренней поверхностью 208 завихрительного кольца 120 и внешней поверхностью 130 электрода 105 в одном или нескольких местах созданы уплотнения, чтобы обеспечить герметизацию вихревой газовой камеры в отношении текучей среды. Например, уплотнение может быть обеспечено при помощи первого уплотнительного элемента 132, находящегося между первыми и вторыми отверстиями 212, 214. Уплотнение также может быть обеспечено при помощи второго уплотнительного элемента 136, находящегося между вторыми и третьими отверстиями 214, 216.

[0034] По мере того, как поток плазмообразующего газа продолжает перемещаться дальше через вихревую газовую камеру 130, по меньшей мере, часть этого потока транспортируют дальше, наружу из вихревой газовой камеры 130 при помощи одного или более третьих отверстий 216, расположенных на торцевой поверхности 218 на дальнем конце 202 завихрительного кольца 120. В некоторых вариантах каждое из третьих отверстий 216 обеспечивает создание вихревого осевого потока газа (т.е., в общем параллельного продольной оси А) вокруг электрода 105 (этап 608).

[0035] Необходимо понимать, что различные аспекты и варианты реализации изобретения могут быть скомбинированы различным образом. Исходя из материалов этой спецификации, специалист обычной квалификации в данной области техники легко может определить, как скомбинировать эти различные варианты. Также для специалистов в данной области техники после ознакомления с этой спецификацией могут стать очевидными различные модификации.

1. Завихрительное кольцо для плазмообразующего газа для плазменной горелки с жидкостным охлаждением, которое содержит:

по существу полое тело, имеющее дальний конец, ближний конец, внутреннюю область, образованную внутренней поверхностью, и внешнюю поверхность, причем дальний и ближний концы тела расположены на одной продольной оси, причем внутренняя область тела выполнена с возможностью размещения в ней электрода плазменной горелки;

первое отверстие, расположенное в области ближнего конца тела, причем первое отверстие выполнено с возможностью обеспечения сообщения по текучей среде из внутренней области на внешнюю поверхность тела;

второе отверстие, расположенное вокруг центральной части тела, причем второе отверстие выполнено с возможностью обеспечения сообщения по текучей среде с внешней поверхности во внутреннюю область тела; и

третье отверстие, включающее в себя по меньшей мере один проем, создающий завихрение, расположенный в области дальнего конца тела, при этом третье отверстие ориентировано по существу параллельно продольной оси, причем третье отверстие связывает по текучей среде внутреннюю область тела с внешней областью и выполнено с возможностью создания вихревого потока плазмообразующего газа вокруг электрода у дальнего конца тела завихрительного кольца.

2. Завихрительное кольцо по п.1, в котором первое отверстие ориентировано по существу перпендикулярно продольной оси.

3. Завихрительное кольцо по п.1, в котором второе отверстие ориентировано по существу перпендикулярно продольной оси.

4. Завихрительное кольцо по п.1, в котором по меньшей мере часть внутренней поверхности образует часть вихревой газовой камеры, ближнюю к третьему отверстию и имеющую с ним сообщение по текучей среде.

5. Завихрительное кольцо по п.4, в котором вихревая газовая камера дополнительно образована внешней поверхностью электрода.

6. Завихрительное кольцо по п.5, в котором второе отверстие включает в себя впуск в вихревую газовую камеру.

7. Завихрительное кольцо по п.5, в котором третье отверстие включает в себя выпуск из вихревой газовой камеры.

8. Завихрительное кольцо по п.1, дополнительно содержащее первый уплотнительный элемент между внутренней поверхностью завихрительного кольца и внешней поверхностью электрода, причем первый уплотнительный элемент расположен в осевом направлении между первым и вторым отверстиями.

9. Завихрительное кольцо по п.1, дополнительно содержащее второй уплотнительный элемент между внутренней поверхностью завихрительного кольца и внешней поверхностью электрода, причем второй уплотнительный элемент расположен в осевом направлении между вторым и третьим отверстиями.

10. Завихрительное кольцо по п.1, дополнительно содержащее рядом с ближним концом тела кольцевой проход для подачи, образованный внутренней поверхностью завихрительного кольца и внешней поверхностью электрода и выполненный с возможностью транспортировки потока газа во внутреннюю область завихрительного кольца.

11. Завихрительное кольцо по п.1, в котором второе отверстие включает в себя по меньшей мере один дозирующий проем.

12. Способ управления потоком плазмообразующего газа в плазменной горелке, содержащей завихрительное кольцо с вихревой газовой камерой и электрод, причем завихрительное кольцо выполнено в виде полого тела с дальним концом, ближним концом, внутренней областью, образованной внутренней поверхностью, и внешней поверхностью, причем электрод расположен во внутренней области завихрительного кольца, причем дальний и ближний концы завихрительного кольца расположены на одной продольной оси, а вихревая газовая камера образована внутренней поверхностью завихрительного кольца и внешней поверхностью электрода, при этом способ содержит следующие этапы:

подают поток плазмообразующего газа во внутреннюю область завихрительного кольца рядом с ближним концом тела;

транспортируют поток плазмообразующего газа из внутренней области на внешнюю поверхность завихрительного кольца через первое отверстие, расположенное в области ближнего конца тела;

транспортируют поток плазмообразующего газа с внешней поверхности в вихревую газовую камеру во внутренней области завихрительного кольца через второе отверстие, расположенное в центральной части тела;

транспортируют поток плазмообразующего газа из вихревой газовой камеры во внешнюю область через третье отверстие, расположенное в области дальнего конца тела; и

обеспечивают при помощи третьего отверстия вихревое перемещение плазмообразующего газа вокруг электрода у дальнего конца тела.

13. Способ по п.12, дополнительно содержащий этап, на котором дозируют плазмообразующий газ при помощи второго отверстия.

14. Способ по п.12, дополнительно содержащий этап, на котором транспортируют поток плазмообразующего газа в радиальном направлении через первое отверстие по существу перпендикулярно продольной оси.

15. Способ по п.12, дополнительно содержащий этап, на котором транспортируют поток плазмообразующего газа в радиальном направлении через второе отверстие по существу перпендикулярно продольной оси.

16. Способ по п.12, дополнительно содержащий этап, на котором транспортируют поток плазмообразующего газа в осевом направлении через третье отверстие по существу параллельно продольной оси.

17. Способ по.12, в котором поток плазмообразующего газа подают во внутреннюю область завихрительного кольца в общем в осевом направлении параллельно продольной оси.

18. Способ по п.12, дополнительно содержащий этап, на котором создают уплотнение между внутренней поверхностью завихрительного кольца и внешней поверхностью электрода в месте между первым и вторым отверстиями в осевом направлении.

19. Способ по п.12, дополнительно содержащий этап, на котором создают уплотнение между внутренней поверхностью завихрительного кольца и внешней поверхностью электрода в месте между вторым и третьим отверстиями в осевом направлении.

20. Способ управления потоком плазмообразующего газа в плазменной горелке, содержащей завихрительное кольцо с вихревой газовой камерой и электрод, при этом завихрительное кольцо выполнено в виде полого тела с дальним концом, ближним концом, внутренней областью, образованной внутренней поверхностью, и внешней поверхностью, причем электрод расположен во внутренней области завихрительного кольца, причем дальний и ближний концы завихрительного кольца расположены на одной продольной оси, а вихревая газовая камера образована внутренней поверхностью завихрительного кольца и внешней поверхностью электрода, при этом способ содержит следующие этапы:

подают поток плазмообразующего газа в осевом направлении во внутреннюю область завихрительного кольца рядом с ближним концом тела;

транспортируют поток плазмообразующего газа в радиальном направлении из внутренней области на внешнюю поверхность завихрительного кольца через первое отверстие, расположенное в области ближнего конца тела;

транспортируют поток плазмообразующего газа в радиальном направлении с внешней поверхности в вихревую газовую камеру во внутренней области завихрительного кольца через второе отверстие, расположенное в центральной части тела;

дозируют при помощи второго отверстия поток плазмообразующего газа по мере его перемещения в радиальном направлении от тела;

транспортируют поток плазмообразующего газа в осевом направлении из вихревой газовой камеры во внешнюю область через третье отверстие, расположенное в области дальнего конца тела; и

обеспечивают при помощи третьего отверстия вихревое перемещение плазмообразующего газа вокруг электрода у дальнего конца тела.