Способ газоплазменной обработки материалов и устройство для его осуществления (варианты) - RU2128106C1

Чертежи

Показать все 11 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к газопламенной обработке материалов и в частности может быть использовано при кислородной и эрозионной резке металлов, строительных материалов (бетона, железобетона, кирпича и кирпичной кладки, пластика и т. д.) и их композиций; прошивании отверстий и поверхностной обработке указанных материалов, включая обработку сварных швов, устранение дефектов поверхностей и гравировку надписей и изображений; остекловании цемента и бетона, и т.д.;
Известны различные способы и устройства для газопламенной обработки материалов. Кислородная резка имеет тот недостаток, что она пригодна только для таких легко окисляющихся материалов, как конструкционные стали. Другой вид газопламенной резки, известный как кислородно-флюсовая резка, обладает тем недостатком, что сопровождается выделением мелких частиц флюсовых материалов - алюминия, железа, песка, и т.д., загрязняющих окружающую среду. Применение еще одного типа резки - плазменной, ограничено с точки зрения ее эффективности при резке неметаллов (непроводников электрического тока) и возможности резки материалов больших толщин (свыше 40 мм). Кроме того, вследствие высокой температуры в рабочей зоне (свыше 10000^oC) имеет место интенсивное испарение обрабатываемого материала и его окислов, что делает этот способ экологически неприемлемым.

Известны также способ и устройство для термического разрушения минеральных сред струями высокотемпературного газа, раскрытый в авторском свидетельстве СССР N 924370, МКИ E 21 C 37/16, 1982 г. Однако этот способ непригоден для газопламенной обработки различных материалов, поскольку он не предусматривает возможности изменения параметров струи.

Известны также способ и устройство для кислородной резки под водой, раскрытые в авторском свидетельстве СССР N 155146, МКИ F 23 D 14/46, 1963 г. Способ предусматривает подачу горючего и окислителя, их смешивание с образованием топлива, сжигание топливной смеси с образованием газовой струи из продуктов сгорания и воздействие этой струей на материал. Устройство для реализации способа содержит режущую головку и рукоятку, вмещающую трубки, подающие кислород и горючее. Режущая головка включает в себя смеситель, состоящий из корпуса с перфорированной шайбой и мундштука. В корпусе выполнены каналы для подачи компонентов топлива к двум рядам сквозных отверстий, концентрично расположенных на шайбе для подачи кислорода и горючего, и к центральному отверстию для подачи режущего кислорода. Внутренняя полость мундштука образует камеру сгорания, где происходит смешивание, сгорание и испарение компонентов топлива.

Недостатком вышеупомянутых способа и устройства для кислородной резки является их невысокая эффективность и узкая область применения.

Наиболее близким к предлагаемому способу газопламенной обработки материалов по совокупности существенных признаков является способ, описанный в справочнике "Сварка в машиностроении", т. 1, под редакцией д.т.н. Н. А. Ольшанского, стр. 319, М., Машиностроение, 1978, который принят за прототип.

Известный способ газопламенной обработки материала характеризуется тем, что осуществляют подачу порции окислительного компонента, подачу компонента горючего, смешивание окислительного компонента и горючего в топливо в зоне смешивания, сжигание полученной топливной смеси, формирование высокотемпературной газовой струи из продуктов сгорания, управление термодинамическими параметрами газовой струи и воздействие газовой струей на материал.

Недостатками известного способа является его невысокая эффективность при резке таких материалов, как железобетон и кирпичная кладка, алюминиевые сплавы, образующие тугоплавкие окислы, трудноокисляющиеся материалы, в частности нержавеющая сталь, чугуны с высоким содержанием кремния, образующие трудновыносимые из зоны резки шлаки.

Наиболее близким к предлагаемому устройству газопламенной обработки материалов и устройству для формирования высокотемпературной газовой струи по совокупности существенных признаков является устройство, описанное в книге "Сварка и резка металлов", Д.Л. Глизманенко, М.: Высшая школа, 1974, с 164, 165, принятое за прототип.

Известное устройство содержит смеситель потоков горючего и окислителя с внутренней полостью и выходным отверстием для топливной смеси и отверстиями для подачи горючего и окислителя, мундштук с камерой сгорания, сообщающейся с выходным отверстием смесителя, и трубопроводы для подачи горючего и окислителя, связанные с соответствующими отверстиями в смесителе.

Недостатками известного устройства являются низкая эффективность сжигания топливных компонентов (горючего и окислителя), что, в свою очередь обусловлено размещением отверстий для подачи горючего и окислителя в одной плоскости поперечного сечения устройства. В самом деле, эффективность смешивания топливных компонентов непосредственно зависит от точности выполнения и взаимного расположения наклонных отверстий для горючего и окислителя. Лишь в идеальном случае изготовления отверстий с абсолютной точностью горючее и окислитель, истекающие из них, будут сталкиваться в одной наперед заданной точке. На практике же всегда существует тот или иной разброс в углах наклона отверстий, их расположении относительно оси симметрии устройства, геометрии входных и выходных кромок также в степени шероховатости и загрязненности их внутренних каналов, неоднородности поля скоростей в кольцеобразных проточках, и т. д. В этих обстоятельствах смешивание происходит при неидеальных условиях и полнота сгорания горючего и окислителя в ограниченном объеме мундштука горелки невысока.

Имеют место также потери топливных компонентов при их поджигании и втягивании факела внутрь мундштука (в камеру сгорания). Формирование сверхзвуковой струи, истекающей из мундштука, требует определенных затрат времени на смешивание топливных компонентов, поджигание топливных компонентов и регулирование параметров пламени с тем, чтобы обеспечить распространение фронта пламени внутрь мундштука. Выполнение всех этих операций требует наличия определенных навыков и квалификации резчика. Их ненадлежащее выполнение может привести либо к срыву пламени и его погасанию, либо к проникновению фронта пламени в смеситель, что вызывает хлопки, и резак приходится гасить. Такие потери могут существенно сказываться на эффективности устройства, особенно в ситуациях, когда разрезаемая конструкция (например, самолет) вынуждает перемещаться вдоль нее включая и выключая горелку.

Поэтому целью настоящего изобретения является создание способа и устройства повышенной эффективности для газопламенной обработки материалов, обладающих различными свойствами и имеющих различную толщину, что достигается за счет формирования газовой струи с определенными физическими и химическими параметрами.

Способ газопламенной обработки материалов (варианты) в соответствии с настоящим изобретением содержит операции подачи горючего и окислителя, смешивания их друг с другом в топливо в зоне смешения, сжигания полученной топливной смеси, формирования из продуктов сгорания высокотемпературной газовой струи и воздействия этой струей на материал.

Отличительным в первом варианте способа является то, что сжигание топливной смеси выполняют при повышенном давлении в зоне сгорания, формируют сверхзвуковую высокотемпературную струю, для чего скорость газовой струи выбирают, исходя из следующего отношения: скорость (v) газовой струи, действующей на материал, к скорости (a) звука в струе относится в пределах от 1,1 до 4,8; отношение температуры (Т_с) струи к температуре (Т_м) плавления материала выбирают в диапазоне от 1,2 до 4,5; и коэффициент α избыточности окислителя относительно стехиометрического соотношения топливных компонентов выбирают в диапазоне
0,44≤α≤4,9.
Для легко окисляющихся материалов α выбирают в диапазоне
3,4≤α≤4,9.
Для трудноокисляющихся материалов и материалов, образующих тугоплавкие окислы α выбирают в диапазоне
0,44≤α≤3,4.
Коэффициент α представляет собой дробь с действительным массовым соотношением компонентов в числителе и стехиометрическим массовым соотношением компонентов, при котором происходит полное сгорание компонентов топлива, в знаменателе.

Дополнительным отличием предлагаемого способа является то, что управление термодинамическими параметрами газовой струи осуществляют формированием зоны разрежения в зоне смешивания для придания вихревого движения компонентам перед смешиванием и в ходе создания однородной топливной смеси.

В свою очередь формирование зоны разрежения в зоне смешивания осуществляют, помещая и/или вводя средства завихрения в зону смешивания для взаимодействия с топливными компонентами.

А также формирование зоны разрежения в зоне смешивания осуществляют, вводя дополнительную порцию окислительного компонента выше по потоку и перед введением его первой порции и помещая и/или вводя средства завихрения в зону смешивания для взаимодействия с дополнительной порцией окислительного компонента.

Дополнительным отличием предлагаемого способа является то, что управление термодинамическими параметрами газовой струи осуществляют, придавая вихревое движение топливным компонентам перед смешиванием и в ходе него для создания однородной топливной смеси за счет турбулизации топливных компонентов, для чего наносят вихреобразующие накатки рисок или резьбы с различным профилем и направлением винтовой линии на поверхность зоны смешивания.

Отличительным во втором варианте предлагаемого способа, включающем подачу порции окислительного компонента, подачу компонента горючего, смешивание этих компонентов в топливо, сжигание топлива, формирование высокотемпературной газовой струи из продуктов сгорания и воздействие этой струей на обрабатываемый материал, является то, что сжигание топлива осуществляют при повышенном давлении в зоне сгорания и формируют сверхзвуковую высокотемпературную газовую струю.

Дополнительным отличием является то, что осуществляют управление термодинамическими параметрами газовой струи, при этом скорость газовой струи выбирают, исходя из следующего отношения: скорость (v) газовой струи, действующей на материал, к скорости (a) звука в струе относится в пределах от 1,1 до 4,8; отношение температуры (Т_с) струи к температуре (Т_м ) плавления материала выбирают в диапазоне от 1,2 до 4,5; и коэффициент α избыточности окислителя относительно стехиометрического соотношения топливных компонентов выбирают в диапазоне:
0,44≤α≤4,9.
Дополнительным же отличием является то, что управление термодинамическими параметрами газовой струи осуществляют, придавая вихревое движение топливным компонентам перед смешиванием и в ходе него для создания однородной топливной смеси.

Вихревое движение, в свою очередь, создают с помощью средств завихрения.

Вихревое движение может быть создано также путем введения дополнительной порции окислительного компонента выше по потоку и перед введением первой порции этого компонента и используя средства завихрения для взаимодействия с дополнительной порцией окислительного компонента.

Дополнительным отличием также является то, что управление термодинамическими параметрами газовой струи, которое осуществляют путем сообщения вихревого движения топливным компонентам перед смешиванием и в ходе него для создания однородной смеси, выполняют турбулизацией топливных компонентов, для чего наносят винтообразную накатку в виде рисок или резьбы с различным профилем и направлением винтовой линии на поверхности зоны смешивания.

Одной из важных особенностей предлагаемого способа является использование сверхзвуковой, концентрированной, высокотемпературной (до 4000^oC) струи. В этой связи можно говорить о воздействии на материал трех факторов: термического воздействия для плавления материала, химического воздействия химически активной струей для окисления материала и эрозионного воздействия, заключающегося в выдувании напором струи расплавленного материала и его окислов из зоны обработки.

Совокупное действие основных составляющих струи, а именно:
- формирование струи сжиганием горючего (например, керосина, бензина или этилового/метилового спирта) и окислителя (например, кислорода) при повышенном давлении по отношению к давлению среды, в которой обрабатывается материал;
- концентрированность струи;
- диапазоны скоростей и температуры;
- и диапазоны коэффициента избытка окислителя (химический состав струи)
обеспечивает достижение цели настоящего изобретения.

Под термином "концентрированность", как он использован здесь, понимается, что струя в зоне обработки имеет статическое давление, равное или большее относительно окружающего давления, что обеспечивает ее высокую проникающую способность и эффективность. Очевидно, что для получения "концентрированной" струи с требуемыми характеристиками необходимо подобрать соответствующие размеры, соотношения и конкретную геометрию устройства и его составных частей.

В то же время, аналитически и экспериментально было установлено, что при выходе диапазона отношения v/a за верхний предел течение газа приближается к гиперзвуковому. Техническая реализация устройства с такого рода течением газа сложна и экономически нецелесообразна. При выходе за нижний предел отношения скоростей сверхзвуковой поток струи становится неустойчивым, что объясняется неидеальностью течения и несовершенством изготовления газодинамического тракта. Неустойчивость сверхзвукового течения существенно снижает производительность процесса.

Использование сверхзвуковой струи с отношением температур Т_с/Т_м меньшим 1,2 снижает эффективность газопламенной обработки, и она вообще может упасть до нуля вследствие потерь тепла за счет теплопроводности материала и естественной конвекции. Выход за верхний предел 4,5 диапазона отношений температур T_с/T_м может вызывать испарение обрабатываемого материала и, следовательно, выброс в воздух паров таких вредных легирующих добавок к стали, как, например, хром, молибден, бериллий, никель и т.д. Процесс при этом может стать экологически грязным, что потребует принятия соответствующих мер по защите персонала и окружающей среды и в конечном счете отрицательно скажется на эффективности способа.

Возможность изменения химического состава струи в заданных пределах для различных легко- и трудноокисляющихся материалов позволяет эффективно и с наименьшими расходами топливных компонентов резать и обрабатывать соответствующие материалы и конструкции из них.

Предлагаемое устройство газопламенной обработки материалов, как и прототип, содержит смеситель потоков горючего и окислителя с внутренней полостью и выходным отверстием для топливной смеси и отверстиями для подачи горючего и окислителя, мундштук с камерой сгорания, сообщающейся с выходным отверстием смесителя, и средство для подачи горючего и окислителя, связанные с соответствующими отверстиями в смесителе.

Отличительным является то, что на конце мундштука выполнено сопло, смеситель снабжен управляющим средством для воздействия на сжигание, выполненным в виде центрального тела для обеспечения воздействия на термодинамические параметры потоков горючего, окислителя и топливной смеси и изменения высокотемпературной газовой струи, установленного внутри его полости и соосно ей и герметично закрепленного в отверстии смесителя, выполненном со стороны, противоположной выходному отверстию. Отверстия для подачи горючего и окислителя выполнены в боковой стенке смесителя, причем отверстие для подачи горючего расположено ниже по потоку отверстия для подачи окислителя, при этом отверстие для подачи горючего выполнено с гидравлическим диаметром d_r на выходе из этого отверстия, равным d_r = 4S/P, где S - площадь проходного сечения отверстия, P - смоченный периметр сечения отверстия, и отношение его к гидравлическому диаметру d_вн проходного сечения внутренней полости смесителя в месте подачи горючем равно 0,03 - 0,5.

Дополнительным отличием является то, что центральное тело выполнено в виде электрической свечи зажигания, а устройство снабжено управляемым запорным элементом, установленным на средстве для подачи горючего, выполненном в виде трубопровода, и блоком управления, выполненным в виде пускового элемента и элемента задержки, при этом упомянутый пусковой элемент соединен со свечой зажигания для ее запуска, а элемент задержки соединен с управляемым запорным элементом для обеспечения включения его позже относительно указанного запуска свечи зажигания.

Свеча зажигания, в свою очередь, выполнена с полым центральным электродом для обеспечения соединения ее в рабочем положении с источником окислителя.

Дополнительным отличием является также то, что центральное тело установлено в смесителе с возможностью продольного перемещения и снабжено приводом, при этом поверхность центрального тела и поверхность внутренней полости смесителя выполнены профилированными для обеспечения изменения гидравлического диаметра внутренней полости в сечениях ниже по потоку относительно отверстия для подачи горючего при перемещении центрального тела.

Дополнительным отличием является также то, что центральное тело выполнено полым и снабжено подвижным элементом с приводом, установленным в этой полости с возможностью продольного перемещения и выдвижения из центрального тела, причем поверхности подвижного элемента и внутренней полости смесителя выполнены профилированными для обеспечения изменения гидравлического диаметра внутренней полости в сечениях ниже по потоку относительно отверстия для подачи горючего при перемещении подвижного элемента.

Дополнительным отличием является также то, что центральное тело выполнено полым и снабжено подвижным элементом, установленным в этой полости с возможностью продольного выдвижения из центрального тела, причем подвижный элемент снабжен средствами завихрения для обеспечения вращения топливных компонентов.

Завихритель предлагается выполнить в виде шнека.

В смесителе предлагается также выполнить дополнительное отверстие для подачи окислителя, которое расположено выше по потоку относительно отверстия для подачи горючего, смеситель также снабжен средствами переключения направления потока окислителя, установленными между основным и дополнительным отверстиями подачи окислителя, а центральное тело снабжено средствами завихрения, расположенными на нем продольно на участке между основным и дополнительным отверстиями подачи окислителя.

Предлагается также средства переключения направления потока окислителя выполнить в виде двухходового крана.

Центральное тело предлагается также выполнить с продольным сквозным каналом, соединенным со средствами подачи окислителя.

Внутреннюю полость смесителя предлагается также выполнить с переменным сечением, причем минимальным сечением является выходное сечение.

Смеситель предлагается снабдить проницаемым вкладышем, размещенным в его внутренней полости на участке с минимальным сечением.

Дополнительно поверхность центрального тела предлагается выполнить с турбулизирующими элементами.

Поверхность внутренней полости смесителя в сечениях ниже по потоку относительно сечения отверстия для подачи горючего предлагается выполнить с турбулизирующими элементами.

Дополнительно предлагается в боковых стенках мундштука выполнить по крайней мере один канал, соединенный с источником охладителя.

Упомянутый канал предлагается выполнить сквозным со стороны сопла.

В качестве охладителя предлагается использовать сжатый газ.

Предлагается также снабдить устройство средствами теплообмена, выполненными в виде или трубопровода для отвода охладителя, размещенного с возможностью контактирования со средствами подачи горючего и окислителя, или трубопровода для отвода охладителя и теплопроводящего кожуха, в котором размещен упомянутый трубопровод.

Дополнительно предлагается также снабдить устройство запорным элементом для защиты внутренней полости мундштука и смесителя от попадания в них воды, установленным с возможностью закрывания снаружи отверстия сопла и соединенным с источником избыточного давления, управляющим открыванием отверстия.

Устройство для формирования высокотемпературной газовой струи высокой энергии, как и прототип, содержит смеситель потоков горючего и окислителя с внутренней полостью и выходным отверстием для топливной смеси и отверстиями для подачи горючего и окислителя, мундштук с камерой сгорания, сообщающейся с выходным отверстием смесителя, и трубопроводы для подачи горючего и окислителя, связанные с соответствующими отверстиями в смесителе.

Отличительным является то, что трубопроводы для подачи горючего и окислителя снабжены запорными элементами, отверстия для подачи горючего и окислителя расположены в боковой стенке смесителя на различных уровнях относительно потока топливных компонентов при этом отверстие для подачи горючего расположено ниже по потоку относительно отверстия для подачи окислителя и его гидравлический диаметр d_r на выходе из него во внутреннюю полость смесителя определяется соотношением d_r= 4S/P, где S - площадь проходного сечения отверстия, P - его смоченный периметр, а отношение гидравлического диаметра d_r к гидравлическому диаметру d_вн проходного сечения внутренней полости смесителя на уровне подачи горючего в эту полость соответствует следующему
d_r/d_вн=0,03 - 0,5.

Устройство снабжено центральным телом для обеспечения воздействия на термодинамические параметры потока топливной смеси, закрепленным во внутренней полости смесителя с возможностью управления извне.

Дополнительным отличием является то, что устройство предлагается снабдить резервуаром горючего и проницаемым пористым элементом, прикрепленным к концу трубопровода для подачи горючего и расположенным в резервуаре горючего, причем проницаемый пористый элемент выполнен с габаритным размером и порами с диаметром, которые определены отношением этого размера к диаметру в диапазоне 5 - 30•10^-6.

Дополнительным отличием является также то, что запорный элемент, установленный на трубопроводе для подачи горючего, выполнен управляемым, устройство снабжено блоком управления, выполненным в виде пускового элемента и элемента задержки, а центральное тело выполнено в виде электрической свечи зажигания, при этом пусковой элемент соединен со свечой зажигания для ее запуска, а элемент задержки соединен с управляемым запорным элементом для обеспечения включения его с задержкой относительно запуска свечи зажигания.

Центральный электрод свечи зажигания выполнен полым и соединен в рабочем положении с источником окислителя.

Дополнительным отличием является то, что в смесителе предлагается выполнить второе отверстие для подачи окислителя, расположенное выше по потоку относительно первого отверстия для окислителя и снабженное средством переключения потока окислителя между первым и вторым отверстиями, а центральное тело снабжено установленными на нем продольно на участке между упомянутыми отверстиями завихрителем.

Завихритель предлагается выполнить в виде шнека.

Переключатель потока окислителя выполнен в виде двухходового клапана.

Дополнительным отличием является также то, что центральное тело выполнено с продольным сквозным каналом, сообщающимся в рабочем положении с трубопроводом для подачи окислителя.

Внутреннюю полость смесителя предлагается также выполнить с переменным сечением по потоку, причем минимальное сечение выполнено на его выходе.

Дополнительно предлагается снабдить центральное тело подвижным элементом, выполненным с возможностью управляемого извне выдвижения его из центрального тела, и поверхность подвижного элемента снабжена шнеком для обеспечения вращения топливных компонентов.

В боковых стенках мундштука предлагается также выполнить каналы, связанные по потоку с источником охладителя.

Причем в качестве охладителя предлагается использовать сжатый газ.

Источник охладителя предлагается выполнить в виде элемента для транспортировки источника горючего.

Повышение эффективности предлагаемых устройств по сравнению с предшествующим уровнем техники обеспечивается за счет формирования за торцом центрального тела во внутренней полости смесителя зоны донного разрежения. Специалистам в газодинамике хорошо известно, что газовый поток в такой зоне имеет вихревую структуру. Высокая степень турбулентности вихревой структуры обеспечивает высокую степень однородности топливной смеси горючего и окислителя, предварительно смешанных выше по потоку. В частности, было экспериментально установлено, что при использовании газообразного кислорода и небольших капель горючего (менее 40 μ m), предварительно смешанных во внутренней полости смесителя, концентрация струи становится практически равномерной благодаря высокой степени турбулентности.

Вышеуказанный диапазон отношений d_r к d_вн был установлен экспериментально. При выходе за пределы рекомендуемого диапазона топливная смесь обнаруживает тенденцию к расслоению, что уменьшает эффективность устройства и повышает вероятность его выхода из строя в результате прогорания центрального тела или корпуса.

Выход за нижний предел диапазона соответствует увеличенному количеству движения горючего по отношению к количеству движения окислителя. Это приводит к тому, что горючее концентрируется у центрального тела, нарушается схема смесеобразования, что приводит в конечном счете к прогоранию торцевой части центрального тела.

Выход за верхний предел отношения диаметров соответствует уменьшенному количеству движения горючего по отношению к количеству движения окислителя. Это приводит к тому, что горючее концентрируется у внутренней поверхности смесителя, также нарушается схема смесеобразования и в результате становится возможен прогар стенки корпуса смесителя.

Центральное тело рассматриваемых устройств обеспечивает управление термодинамическими параметрами топливной смеси горючего и окислителя, а также участвует в самом процессе образования топливной смеси. Из гидромеханики известно, что основными параметрами потока являются его скорость, давление и температура - это те самые параметры, которые определяют эффективность процесса газопламенной обработки материалов.

Управление этими параметрами с помощью центрального тела предлагается выполнять путем подвода дополнительной энергии в поток через центральное тело, либо изменяя его поле скоростей, либо вводя в поток дополнительную массу газа, либо осуществляя и то и другое одновременно.

С учетом перечисленных и других целей и достоинств настоящего изобретения его можно будет хорошо понять из приводимого ниже детального описания и сопроводительных чертежей.

На фиг. 1 изображен вид сбоку на устройство для газопламенной обработки материалов или для формирования высокотемпературной газовой струи.

На фиг. 2 представлен схематический продольный разрез режущей головки устройства по фиг.е 1 с центральным телом, выполненным в виде свечи зажигания.

На фиг. 3 дан схематический разрез варианта выполнения режущей головки в соответствии с настоящим изобретением с профилированным центральным телом и камерой сгорания.

Фиг. 4 представляет собой схематический разрез еще одного варианта осуществления режущей головки согласно настоящему изобретению, имеющей дополнительное отверстие для подачи окислителя и переключатель.

На фиг. 5 изображен схематический разрез варианта осуществления смесителя в сравнении с показанным на фиг. 3 с полым центральным телом.

На фиг. 6 показан схематический разрез другого варианта осуществления смесителя по сравнению с изображенным на фиг. 3, имеющего полое центральное тело с завихрителем внутри.

Фиг. 7 дает изображение еще одного варианта осуществления режущей головки согласно настоящему изобретению.

Фиг. 8 и 9 схематически представляют фрагмент режущей головки, изображенной на фиг. 3 и видоизмененной для подводной газопламенной обработки, в закрытом и открытом положении головки соответственно.

На фиг. 10 схематически представлен забор горючего для режущей головки устройства согласно настоящему изобретению.

На фиг. 11 схематически показан мундштук в разрезе, видоизмененный в сравнении с изображенным на фиг. 2.

Ниже приводится описание осуществления и работы устройства газопламенной обработки материалов и устройства для формирования высокотемпературной газовой струи высокой энергии, реализованных на основе предлагаемых способов.

Как показано на чертежах, в частности на фиг. 1, 7, устройство 20 для газопламенной обработки материалов и устройство для формирования высокотемпературной газовой струи высокой энергии в соответствии с настоящим изобретением содержат мундштук 22 с камерой 24 сгорания и соплом 26, смеситель 28 с внутренней полостью 30, центральным телом 32 и отверстиями 34 и 36 для подачи соответственно горючего и окислителя, а также трубопровод 38 для подачи окислителя и трубопровод 40 для подачи горючего.

Выполнение внутренней полости мундштука в виде камеры сгорания, где топливная смесь горючего и окислителя испаряется, сгорает и доводится до сверхзвуковой скорости, обеспечивает образование высокотемпературной газовой струи. Мундштук 22 может также иметь внутреннюю полость 43, выполненную в его стенках для размещения охлаждающей среды, воды, антифриза, сжатого газа и т.д. В том случае (см. также фиг. 11) мундштук 22 может содержать внутренний мундштук 44, коаксиально размещенный внутри наружного охлаждающего кожуха 46. Внутренний мундштук предпочтительно выполняют из материала с высокой теплопроводностью, например меди, бронзы и т.д. Наружный кожух 46 предпочтительно изготовлен из алюминия или стали и в нем выполнены отверстия 48, 50 для сообщения с источником охлаждающей среды (не показан), который может размещаться на некотором расстоянии от зоны резки и соединяться с полостью 42 посредством трубопроводов 52 и 54. В качестве варианта внутренняя полость 42 может сообщаться с наружным воздухом через щель 42' в торце мундштука. Эта кольцевая щель расположена по периметру вокруг сопла 26 и может быть сплошной или прерывистой (в виде ряда отверстий). В рабочем состоянии рабочее тело, например газ, вытекающий из этой щели, образует область пониженного давления относительно давления окружающей среды и тем самым понижает давление в рабочей зоне. Наконец, мундштук 22 может не содержать полостей для охлаждающей среды и быть выполнен из тугоплавкого материала, например жаропрочной стали, керамики и т.д.

Для охлаждающей среды после ее протекания во внутренней полости 42 в стенках мундштука в устройстве могут быть предусмотрены средства теплообмена. Этот теплообмен может осуществляться контактом трубопровода, отводящего нагретый охладитель от мундштука, с трубопроводами, подводящими горючее и окислитель к горелке. Помещение касающихся трубопроводов в теплопроводящий кожух (не показан на чертежах) усиливает теплообмен. Кожух может быть заполнен либо теплопроводящими частицами, например, в виде гранул или дроби, либо пористой вставкой, либо залит легкоплавким металлом.

Отверстия 34 и 36 для подвода горючего и окислителя к внутренней полости 30 смесителя 28 соединены трубопроводами 38 и 40 с источниками соответственно горючего, например жидкого горючего (керосин, бензин или этиловый/метиловый спирт и т.д.), и газообразного окислителя (например, кислорода). Источники горючего и окислителя не показаны на чертежах. Для большего удобства в эксплуатации эти соединения с источниками могут быть выполнены через запорные элементы, например вентили 56 и 58.

Для удобства сборки и разборки соединения мундштука 22 смесителя 28, центрального тела 32 и трубопроводов могут быть выполнены в виде разъемных герметичных соединений с уплотнениями либо "металл по металлу", либо с использованием уплотняющих прокладок, например медных, фторопластовых, резиновых.

На фиг. 2 представлен пример выполнения центрального тела в виде свечи 60 зажигания. В этом случае на трубопроводе 40 для подачи горючего размещают третий запорный элемент (электроклапан 62) (фиг. 1). Для работы электроклапана и срабатывания свечи зажигания во время запуска устройство снабжено блоком 64 управления. Блок 64 управления снабжен пусковым элементом 66, например кнопкой со скобой (нормально разомкнутый контакт), и не показанным на чертежах элементом задержки подачи электрического напряжения на электроклапан 62 относительно момента подачи электрического напряжения на свечу 60. Блок 64 управления может быть выполнен, например в виде индукционной катушки и электронной схемы (обе не показаны), включающей элемент задержки и управляющей подачей низковольтного напряжения (например, 12 - 36 В) на электроклапан 62 и высоковольтного напряжения (до 3 кВ) на свечу 60 зажигания. Для подвода питающего электрического напряжения постоянного тока предусмотрен кабель 68 питания. Высоковольтный кабель 70, аналогичный используемым для автотранспорта, питает свечу 60 зажигания.

Центральный электрод свечи, выполняющей функцию центрального тела, может быть выполнен полым (не показано) и соединяться в рабочем положении с источником окислителя.

Выполнение центрального тела 32 в виде свечи 60 зажигания и совокупное использование свечи зажигания, электроклапана и блока управления обеспечивает эффективный подвод энергии к потоку и его зажигание с последующим повышением давления, температуры и скорости потока, что, в свою очередь, позволяет осуществить запуск устройства за весьма короткий промежуток времени, например 1 с (т.е. практически без потери времени, горючего и окислителя), а также его остановку и повторное включение в любой момент времени.

Центральное тело 32 и выходное отверстие 72 смесителя могут совместно формировать выходное сечение смесителя, имеющее минимальный гидравлический диаметр, что благоприятствует повышению скорости горючего и окислителя в топливной смеси. В любом положении центрального тела, будь оно выполнено профилированным, подвижным или снабжено подвижным элементом (что будет ниже объяснено более подробно), выходное сечение смесителя будет иметь минимальный гидравлический диаметр. Наличие такого сужения сечения потока наряду с выполнением центрального тела из материала с высокой теплопроводностью обеспечивает защиту от опасности прохода фронта пламени внутрь смесителя. Уместно заметить, что центральное тело рекомендуется выполнять из таких материалов как медь, латунь, хромистая бронза, керамика, некоторые сорта нержавеющей стали и т.д., которые допускают контакт с окислителем.

Успешный и эффективный запуск устройства может быть осуществлен и без использования свечи зажигания, например, управляя полем скоростей потока горючего и окислителя топливной смеси. Для этой цели в другом варианте выполнения устройства центральное тело выполнено подвижным, и часть 74 его поверхности, равно как и противолежащая часть 76 внутренней поверхности смесителя профилированы таким образом, что при продольном перемещении центрального тела под действием привода, функцию которого может выполнять, например, головка 78, происходит изменение гидравлического диаметра внутренней полости 30 мундштука в сечениях по потоку не выше, чем сечение, где расположено отверстие 36 для подачи горючего. Профилирование центрального тела и внутренней полости смесителя может быть выполнено таким образом, что диаметры этих частей устройства изменяются, например уменьшаются, в соответствии с некоторой элементарной функцией. В простейшем случае части 74 и 76 могут быть выполнены коническими. В то же время представляется целесообразным сохранять постоянным гидравлический диаметр проходного сечения смесителя после того, как оно было изменено с помощью центрального тела в ходе смесеобразования. Для той цели оконечная часть 80 центрального тела 32 (фиг. 3) выполнена цилиндрической.

Для достижения аналогичного результата без использования подвижных элементов в устройстве смеситель 28 снабжен дополнительным впускным отверстием 82 (фиг. 4) для окислителя, расположенным выше по потоку, чем основное отверстие 34. При этом соединения отверстий 34 и 82 через трубки 84 и 86 с трубопроводом 38 подачи окислителя от его источника выполнены через переключатель направления потока, например двухходовой кран 88, перераспределяющий расход окислителя между основным и дополнительным отверстиями. На участке смесителя между сечениями с основным и дополнительным отверстиями для подачи окислителя центральное тело 32 выполнено в виде завихрителя, например шнека 90.

На фиг. 5, 6 и 7 представлены варианты устройства, где центральное тело выполнено неподвижным и полым, с продольным каналом 92 в нем.

На фиг. 5 и 7 канал 92 соединен через запорный элемент (не показан) с трубопроводом 94 подачи окислителя и далее с его источником. Конфиг.ация на фиг. 5 позволяет вводить в поток внутри горелки дополнительную массу "режущего" окислителя, управляя тем самым расходом, скоростью и степенью содержания окислителя в газовой струе, истекающей из горелки. В структуре, изображенной на фиг. 7, центральное тело 32 с каналом 92 располагается вдоль всей длины смесителя 28 и мундштука 22 вплоть до его среза 96. Тогда горение может происходить вне мундштука, что упрощает его конструкцию, позволяя выполнить его в виде только камеры испарения, а не камеры сгорания. В этом случае мундштук 22 выполняется из теплопроводящего материала, латуни, хромистой бронзы и т.д. Вначале мундштук нагревают от внешнего источника. Затем по мере достижения рабочей температуры необходимость в нагреве отпадает. Благодаря естественной конвекции и излучению часть тепла от сгорания топливной смеси компонентов передается мундштуку и оказывается в камере испарения для нагревания и испарения топливной смеси. Истекающая струя имеет в данном случае дозвуковую скорость и такое устройство может быть с успехом использовано для газопламенной резки углеродистой стали.

В варианте осуществления изобретения, представленном на фиг. 6, внутри центрального тела 32 предусмотрен подвижный элемент 98. Он управляется приводом 100, аналогичным приводу 78, использованному для варианта, представленного на фиг. 3. Аналогично шнеку 90 на фиг. 4, подвижный элемент 98 также имеет завихритель 102 в виде шнека и снабжен выступающей за шнек 102 частью 98'. Не показанная на чертеже часть поверхности подвижного элемента 98 может быть профилирована (в простейшем случае выполнена конусной) так же, как и противолежащая часть внутренней поверхности смесителя (не показана).

Для дополнительного повышения эффективности смесеобразования за счет лучшей турбулизации компонентов топливной смеси на внутренней поверхности смесителя 28 или/и наружной поверхности центрального тела 32 могут быть выполнены турбулизирующие элементы в виде накатки рисок или резьбы с различным профилем и направлением винтовой линии (не показано). Турбулизация потока в щелевом канале между центральным телом и стенкой корпуса смесителя улучшает процесс перемешивания горючего и окислителя в топливную смесь.

Участок смесителя с минимальным сечением может быть выполнен с проницаемой вставкой, например, в виде диска, зажимаемого между выходным торцом смесителя и контактирующей с ним ответной частью мундштука. Хотя проницаемый диск не показан на чертежах, способ его размещения очевиден из фиг. 1, 3-6. Проницаемый диск может быть выполнен, например, из теплопроводного пористого проницаемого материала, в частности спеченных медных, бронзовых, латунных, стальных и аналогичных порошков; пакета металлических сеток, например, в виде сот (металлического диска, имеющего по всему объему пересекающиеся друг с другом отверстия в разных плоскостях). Эта вставка может быть также выполнена с отверстием для центрального тела или его подвижного элемента. Если центральное тело выполнено в виде свечи зажигания, боковая поверхность этого отверстия должна быть электрически изолирована. Если вставка не имеет отверстия и подвижное центральное тело частично перекрывает зону проницаемой вставки, то это приведет к изменению гидравлического диаметра. Проницаемая вставка обеспечивает увеличение скорости внутри диска и выравнивание поля скоростей на выходе смесителя, а также теплообмен внутри диска, что способствует эффективной защите от проникновения фронта пламени внутрь смесителя.

Как указывалось выше, устройство в соответствии с настоящим изобретением может быть использовано для подводной газопламенной резки. Для этого варианта реализации горелка снабжена запорным элементом 104, показанным на фиг. 8 и 9, который защищает внутренние полости мундштука и смесителя от попадания в них воды. Запорный элемент 104 содержит заглушку 106 с фигурной хвостовой частью 108, цилиндр 110 с отверстием 112 и трубопровод 114 для подачи избыточного давления к цилиндру 110 через отверстие 112. Цилиндр 110 содержит поршень 116, подпружиненный пружиной 118, и шток 120, входящий в паз 62 в фигурной части 108 заглушки 106. Последняя поддерживается также пальцем 124, укрепленным на мундштуке 22 и имеющим направляющее отверстие 126 для пропуска заглушки 106. Трубопровод 114 может быть соединен либо с трубопроводом для подачи окислителя к горелке, либо с трубопроводом для подачи охладителя, например сжатого газа.

При подаче давления в цилиндр 110 поршень 116 со штоком 120 перемещаются вверх, сдвигая заглушку 106 вправо (фиг. 9) и тем самым открывая сопло. В качестве варианта осуществления заглушка может быть выполнена поворотной (не показано).

На фиг. 10 изображена концевая часть 128 трубопровода 40, входящая в источник 130 жидкого горючего. Концевая часть 128 выполнена в виде двух участков, каждый из которых снабжен на конце проницаемым элементом 132. Элемент 132 может быть выполнен, например, в виде пористого цилиндра или перфорированного цилиндра, отверстия в котором закрыты, например, тканой металлической сеткой. Описанная конструкция обеспечивает подачу жидкого горючего, например в случаях наклонной установки источника горючего, или его падения, или наклонов при переноске, в том числе в случае ранцевого исполнения системы подачи горючего. В капиллярных отверстиях проницаемых элементов возникает капиллярное давление P_к, которое удерживает жидкость внутри проницаемых элементов. Величина капиллярного давления определяется из следующего известного соотношения:
P_к = 4σ•cosΘ/dg,
где σ и Θ представляют собой соответственно коэффициент поверхностного натяжения и контактный угол смачивания жидкости, a d_g гидравлический диаметр капилляров проницаемого материала (диаметр пор). До тех пор, пока разность давлений между жидкостью в проницаемом элементе и газом (например, воздухом в частично опорожненном резервуаре с горючим) не превысит P_к, будет обеспечен отбор сплошного потока жидкого горючего (без газовых включений) в горелку. Основной составляющей этой разности давлений является величина гидростатической разности давлении
ΔPh = ρgH,
где ρ - плотность жидкости, g - ускорение силы тяжести (9,81 м/с²), а H - высота от верхней (в данном положении зеркала жидкости) точки проницаемого элемента или их совокупности до зеркала жидкости.

В частности, промышленностью освоены тканые металлические сетки (саржевого и полотняного плетения) с диаметром пор 10 микрон, которые могут быть использованы для выполнения пористого проницаемого элемента по всему размеру резервуара источника горючего с габаритным размером порядка 1 м. Капиллярное давление в порах размером 10 микрон, заполненных жидким горючим (керосин, бензин или этиловый/метиловый спирт и т.д.), смачивающим стенки пористого материала, составляет, в соответствии с вышеприведенным соотношением для P_к, величину более 0,1 атмосферы или столба воды или керосина высотой более 1 м. Поэтому, если проницаемый элемент, помещенный в резервуар источника горючего, имеет размер порядка 1 м в высоту или длину, будет обеспечен надежный забор жидкости вплоть до полного опустошения резервуара. Надлежащий забор топлива будет обеспечен при отношении диаметра пор к максимальному габаритному размеру проницаемого элемента в пределах 5 - 30•10^-6.

Источник охлаждающей жидкости может быть выполнен, например, в виде транспортировочной емкости или каркаса, на котором монтируются источники горючего и, возможно, окислителя, и источник электропитания (в случае ранцевого варианта исполнения, например для аварийно-спасательных работ). Это может быть, в частности, трубчатый каркас, выполненный в виде радиатора, охлаждаемого естественным путем или принудительно.

При работе устройства охладитель подается по одному из трубопроводов 52 или 54 во внутреннюю полость 42 мундштука. При открывании первого 56 и второго 58 запорных элементов на трубопроводах 38 и 40 начинают поступать компоненты топливной смеси: окислитель, например газообразный кислород, поступает во внутреннюю полость 30 смесителя через отверстие 34; горючее, например керосин, бензин или этиловый/метиловый спирт, поступает к третьему запорному элементу (электрическому клапану 62). После нажатия пускового элемента 62 (кнопки со скобой) сигнал от блока 64 управления по высоковольтному кабелю 70 поступает на свечу 60 зажигания и электрический клапан 62.

Элемент задержки обеспечивает включение клапана 62 несколько позже срабатывания свечи зажигания. Горючее поступает во внутреннюю полость 30 через отверстие 36, окислитель и горючее смешиваются друг с другом, и искровой разряд от свечи 60 зажигания воспламеняет топливную смесь. Поскольку окислитель поступает раньше, чем горючее, исключается возможность скапливания горючего в мундштуке (например, на его внутренней поверхности) и взрыва режущей головки. Другими словами, воспламеняется первая порция именно топливной смеси, и, следовательно, несгоревшее горючее не может попасть на внутреннюю поверхность мундштука и накапливаться на ней. Эксперименты показывают, что сгорание происходит за пределами смесителя, недалеко от его торца, и фронт пламени достигает "устойчивого" состояния на некотором расстоянии от торца смесителя. Фронт пламени не проникает в смеситель, поскольку проходное сечение смесителя минимально и скорость истечения топливной смеси через него выше скорости распространения фронта пламени.

Топливная смесь сгорает в камере 24 сгорания, приобретает кинетическую энергию в сопле 26 и истекает из него в окружающую атмосферу. Более конкретно, в камере 24 сгорания горючее (точнее, капли горючего) испаряется, смесь компонентов горючего и окислителя нагревается до стабильной температуры сгорания и сжигается, т.е. превращается в высокотемпературные газообразные продукты сгорания, доводимые до сверхзвуковой скорости в сопле 26. Сгорание происходит при давлении выше атмосферного, как из-за того, что сами компоненты топливной смеси поступают, находясь под повышенным давлением, так и вследствие выделения тепла, сопровождающего их сгорание в камере 24. Концентрированная высокотемпературная сверхзвуковая струя взаимодействует с материалом и осуществляет его резку или иную обработку.

Аналитически и экспериментально было установлено, что для топливной смеси керосин/кислород можно рекомендовать следующие соотношения для обработки в соответствии с настоящим изобретением (см. таблицу).

Рассматривая работу варианта осуществления изобретения, представленного на фиг. 3, можно отметить, что когда топливные компоненты поступают для смешивания во внутреннюю полость 30 смесителя, они взаимодействуют с центральным телом 32 и проходят через проходное сечение смесителя, образованное профилированными частями 74 и 76 центрального тела и противолежащей зоны внутренней полости смесителя. Затем образовавшаяся топливная смесь поступает в камеру 24 сгорания и выходит из нее через сопло. Топливная смесь поджигается, и образуется факел, горящий за пределами мундштука 22. Вращением привода 78 центральное тело перемещается, уменьшая гидравлический диаметр внутренней полости смесителя и, тем самым, уменьшая расход и скорость истечения топливной смеси. В момент, когда скорость истечения компонентов смеси становится меньше скорости распространения фронта пламени, факел втягивается в камеру 24 сгорания. После этого смещением центрального тела с помощью привода в обратном направлении гидравлический диаметр камеры сгорания увеличивается до номинальной величины.

Вариант осуществления, изображенный на фиг. 4, иллюстрирует средства, с помощью которых осуществляется процесс втягивания пламени в камеру сгорания. Переключатель 88 направления потока (двухходовой клапан) устанавливается в положение, при котором во внутреннюю полость 30 смесителя поступает кислород, пройдя по трубопроводу 38, трубке 86 между переключателем 88 и дополнительным впускным отверстием 82 и через само отверстие 82. Проходя завихритель (шнек) 90, кислород приобретает вращательное движение, образуя завихрение в центральной части сопла для смеси компонентов, истекающей из сопла. Это завихрение соединяет камеру сгорания с окружающей атмосферой, и благодаря этому пламя входит в камеру сгорания. Центральное тело, занимая минимальное проходное сечение смесителя, препятствует проникновению фронта пламени во внутреннюю полость смесителя. Затем двухходовой клапан переключает подачу кислорода в смеситель с отверстия 82 на отверстие 34, тем самым пропуская кислород помимо завихрителя. Устройство выходит на рабочий режим.

Для запуска устройства по варианту, изображенному на фиг. 6, подвижный элемент 98, снабженный шнеком 102 и помещенный в продольный канал внутри центрального тела 32, выводят из центрального тела вниз в положение, при котором шнек 102 входит в профилированный участок внутренней полости смесителя. Тем самым создается необходимая геометрия для придания вращательного движения топливным компонентам. Затем с помощью запорных элементов 56, 58 во внутреннюю полость смесителя вводят горючее и окислитель, где они взаимодействуют со шнеком, смешиваются и приобретают вращательное движение. Последующий механизм поджигания топливной смеси и втягивания пламени в камеру сгорания аналогичен описанному в связи с фиг. 4.

Следует отметить, что при вводе в профилированную зону 76 шнек 102 изменяет сечение потока таким образом, что скорость истечения топливной смеси превышает скорость распространения фронта пламени. После того, как пламя оказывается втянутым в камеру сгорания, подвижный элемент 98 возвращают в центральное тело 32. Далее взаимодействие продолжения 98' подвижного элемента с минимальным проходным сечением смесителя опять обеспечивает превышение скорости истечения из смесителя над скоростью проникновения фронта пламени. При увеличении сечения потока на выходе смесителя массовый расход составляющих топливной смеси также возрастает, обеспечивая необходимую скорость топливной смеси.

Для использования устройства под водой согласно настоящему изобретению, подают сжатый газ (в простейшем случае сжатый воздух), который создает воздушный пузырь, оттесняющий воду, охлаждает мундштук и понижает противодавление на выходе из мундштука за счет эффекта инжекции. Подают кислород в горелку. Под действием давления либо кислорода, либо сжатого воздуха на запорный элемент 104 заглушка 106 запорного элемента отходит в сторону. Далее производят запуск горелки в порядке, определяемом конкретным вариантом ее выполнения.

Инжектирование внутренней полости мундштука обеспечивает возможность снижения рабочего давления в горелке и, следовательно, упрощает доставку компонентов топлива и запуск устройства. Установка запорного элемента, защищающего горелку от попадания воды внутрь, предотвращает выпадение солей в горелке, прежде всего в отверстиях для подачи горючего и окислителя.

Хотя выше было раскрыто несколько вариантов выполнения в соответствии с настоящим изобретением, эти варианты следует воспринимать лишь как примеры, не ограничивающие объем изобретения. Специалисты могут предложить различные модификации и дополнения к этим предпочтительным вариантам осуществления, выбранным для иллюстрации изобретения, и при этом не отходить от духа и объема настоящего усовершенствования. Так, в частности, могут быть выбраны иные составляющие топлива и использованы иные формы центрального тела и материалы для него. Соответственно следует понимать что охрана, на которую притязают и которая может быть предоставлена, будет рассматриваться распространяющейся на заявленный объект и на все его эквиваленты, справедливо укладывающиеся в объем изобретения.

Реферат

Изобретение относится к газопламенной обработке материалов и может быть использовано при кислородной и эрозионной резке различных материалов, прошивании отверстий и поверхностной обработке в различных отраслях машиностроения. Способ газопламенной обработки включает подачу горючего и окислителя, смешивание горючего с окислителем, сжигание топливной смеси под высоким давлением и формирование из продуктов сгорания сверхзвуковой высокотемпературной неперерасширенной газовой струи для воздействия на материал. Устройство для осуществления способа содержит смеситель, центральное тело которого размещено во внутренней полости смесителя, и мундштук, имеющий камеру сгорания и сопло. Горючее и окислитель подаются в смеситель, смешиваются там между собой с образованием топлива и взаимодействуют с центральным телом, которое в одном из вариантов выполнения включает свечу. Центральное тело служит для управления термодинамическими параметрами топливной смеси, воспламеняемой от разряда свечи и сжигаемой под высоким давлением с образованием сверхзвуковой высокотемпературной газовой струи, воздействующей на материал. Изобретение позволяет повысить эффективность газопламенной обработки материалов, обладающих различными свойствами и различной толщины, за счет снижения употребления топлива в момент запуска путем уменьшения времени запуска. 4 c. и 41 з. п.ф-лы, 11 ил.

Формула