ПАРОВОДЯНОЙ ПЛАЗМОТРОН Российский патент 1995 года по МПК B23K10/00 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к плазменной технике, и может быть использовано в различных технологических операциях: плазменной резке, сварке, наплавке и т.д.

Известен пароводяной плазмотрон, включающий корпус, установленный в нем электрододержатель с закрепленным в нем электродом, сопло, укрепленное на корпусе с зазором относительно электрода, образующим камеру формирования дуги, устройство парообразования в виде пленочного испарителя, систему охлаждения плазмотрона в виде каналов в корпусе, включающую расположенные в полости электрода и электрододержателя радиаторы охлаждения, и патрубок подачи пара в плазмотрон. Пароводяной плазмотрон снабжен токоподводом. Недостатком известного плазмотрона является необходимость точной подачи охлаждающей воды или подачи из вне водяного пара с точно заданными теплофизическими параметрами в случае недостаточной мощности парообразования пленочного испарителя (при изменении мощности плазменной дуги) с тем, чтобы обеспечить гарантированное охлаждение теплонагруженных деталей плазмотрона и одновременно исключить попадание воды в виде капелек жидкости в камеру формирования дуги, чтобы обеспечить стабильную работу плазмотрона.

Данная конструкция плазмотрона не обеспечивает стабильной работы плазмотрона, так как не исключает попадание капель воды в камеру формирования дуги и не дает возможности регулирования мощностью плазмотрона в процессе его работы, требующейся по технологии (изменение толщины листа, скорости резания и т.д.) потому, что количество плазмообразующего газа и интенсивность охлаждения теплонагруженных деталей зависят от конструкции плазмотрона и имеют ограниченный диапазон варьирования при небольшом уровне мощности плазмотрона. Кроме того, необходимость подачи пара от внешнего источника влечет за собой наличие сложной системы парообразования, с паропроводами, отвечающими условиям надежности работы и безопасности персонала и тем самым усложняет и удорожает конструкцию плазмотрона и его эксплуатацию.

Наиболее близким к заявляемому является пароводяной плазмотрон, включающий корпус, установленный в нем электрододержатель с закрепленным в нем электродом, сопло, укрепленное на корпусе с зазором относительно электрода, образующим камеру формирования дуги, устройство парообразования, выполненное в виде пористой сужающейся трубки с порами 1,5-1500 мк, укрепленной внутри сопла. Плазмотрон включает также систему охлаждения плазмотрона в виде каналов, выполненных в корпусе, с патрубком подачи воды, снабженным регулирующим устройством, и токоподвод. Вода подается в плазмотрон через патрубок подачи воды и, проходя по каналам системы охлаждения, охлаждает рабочую камеру, электрод и сопло. В результате охлаждения плазмотрона вода нагревается, частично испаряется и подается по каналам системы охлаждения в сужающуюся трубку из пористого материала для создания плазмообразующего тела и подачи его в камеру формирования дуги. Проходя под давлением через поры сужающейся трубки, вода нагревается и распыляется, образуя на выходе из пористой трубки в камере формирования дуги двухфазную смесь, являющуюся плазмообразующим телом, которое далее подается к соплу. Двухфазная смесь, выходя из пор трубки с большой скоростью, при взаимодействии с другой ионизируется, образуя плазму. Однако, процесс парообразования, происходящий непосредственно в камере формирования дуги ведет к интенсивному охлаждению дуги за счет потерь энергии на скрытую теплоту парообразования капелек воды двухфазной смеси, попавших в камеру формирования дуги за счет неполного испарения ее. Эти потери энергии в камере формирования дуги снижают мощность плазмотрона (из-за понижения температуры плазмы), а попадание капелек воды в камеру формирования дуги при изменении мощности плазмотрона ведет к мгновенному (со скоростью взрыва) локальному увеличению объема плазмообразующего газа (более чем в 700 раз), что вызывает нестабильность горения дуги вплоть до ее гашения, а следовательно исключает возможность регулирования мощности дуги при работе плазмотрона. Кроме того, образование двухфазной смеси прохождением воды через пористую поверхность трубки не обеспечивает равномерную подачу плазмообразующего тела в камеру формирования дуги в результате засорения пор, образования накипи, оплавления пор при высоких температурах, что также влечет за собой нестабильность горения дуги и не позволяет регулировать ее мощность в процессе работы.

В основу изобретения положена задача увеличения мощности плазменной дуги и стабильности работы плазмотрона за счет снижения потерь на охлаждение теплонагруженных узлов плазмотрона и плазмообразование рабочего тела с обеспечением регулирования мощности плазменной дуги в процессе работы плазмотрона.

Поставленная задача решается тем, что в пароводяном плазмотроне, содержащем корпус, установленный в нем электрододержатель с закрепленным в нем электродом, сопло, закрепленное на корпусе с зазором относительно электрода, образующим камеру формирования дуги, систему охлаждения в виде каналов и патрубков в корпусе, патрубка подачи воды, с регулирующим устройством, а также устройство парообразования, устройство парообразования выполнено в виде парогенератора с закрепленным на нерабочем торце плазмотрона стаканом с трубкой, имеющей ребра на наружной поверхности, и установленной в стакане с зазором относительно него, и с нагревательным элементом, закрепленным на стакане, при этом полость трубки соединена с камерой формирования дуги и полостью стакана, а полость стакана соединена с системой охлаждения. Нагревательный элемент снабжен источником питания с регулятором напряжения. На камере формирования дуги установлен датчик температуры, связанный с регулятором напряжения.

Выполнение устройства парообразования в виде парогенератора, закрепленного на нерабочем торце плазмотрона (за пределами камеры формирования дуги), соединенного последовательно с системой охлаждения плазмотрона, снабженной регулятором подачи воды и регулятором напряжения позволило получить плазмообразующее тело в виде осушенного пара, в котором исключено наличие капелек воды в камере формирования дуги при всех уровнях мощности плазмотрона при гарантии охлаждения теплонагруженных узлов, и обеспечить тем самым оптимальные условия работы плазмотрона, увеличить его мощность и стабильность в работе.

В данной конструкции интенсивность охлаждения плазмотрона, мощность плазменной дуги, количество плазмообразующего газа и степень осушенности рабочего тела в виде водяного пара не зависят жестко друг от друга, что позволяет варьировать мощностью плазмотрона, обеспечивать необходимые условия его работы при изменении технологических параметров (изменении мощности при врезании, при изменении толщины листа, при изменении скорости резания и т.д. ).

Выполнение парогенератора в виде стакана, закрепленного на нерабочем торце плазмотрона с трубкой, имеющей ребра на наружной поверхности и установленной в стакане с зазором относительно него, и с нагревательным элементом, закрепленным на стакане, снабженным источником питания и регулятором напряжения, связанным с датчиком температуры, установленным на камере формирования дуги в совокупности с системой охлаждения в виде каналов и патрубков в корпусе плазмотрона, связывают в единую последовательную цепь независящие друг от друга элементы, включающие систему охлаждения плазмотрона с регулятором подачи воды, парогенератор и камеру формирования дуги.

По этой цепи протекает рабочее тело сначала в виде жидкости (вода), затем в виде двухфазной смеси и в виде осушенного пара в котором исключено наличие капелек воды в камере формирования дуги. Этим достигается использование энергии от охлаждения теплонагруженных узлов плазмотрона на плазмообразование рабочего тела, снижение тем самым потерь энергии, повышение мощности плазменной дуги и ее стабильности, что в свою очередь обеспечивает возможность регулирования мощности плазменной дуги в процессе работы плазмотрона.

Отсутствие капелек воды в камере формирования дуги исключает потери, связанные с скрытой теплотой парообразования, что ведет к увеличению температуры плазменной дуги, при одном и том же потреблении энергии и в конечном итоге к увеличению мощности плазмотрона.

Осушенность рабочего газа позволяет обеспечить стабильность в работе плазмотрона при всех уровнях мощности независимо от ее величины, в том числе и в процессе запуска плазмотрона в работу.

Последовательное соединение в системе охлаждения парогенератора и камеры формирования дуги позволяет использовать полностью всю энергию, в том числе и энергию, идущую на нагрев деталей плазмотрона от воздействия плазменной дуги, и энергию на поддержание осушенности газа, на плазмообразование рабочего тела, что повышает КПД работы плазмотрона и тем самым его мощность.

Интенсивный теплоотвод от теплонагруженных деталей плазмотрона позволяет повысить нагрузку на них, т.е. увеличить температуру плазмы и тем самым увеличить мощность плазмотрона. Кроме того увеличивается безотказность, стабильность в работе плазмотрона из-за повышения долговечности теплонагруженных деталей (сопло, электрод).

Конструкция плазмотрона позволяет варьировать расходом и давлением рабочего тела независимо от жестко заданных конструктивных особенностей камеры формирования дуги, за счет этого можно увеличить динамический напор плазменной дуги, что эквивалентно увеличению мощности плазмотрона, так как увеличивается прорезающая способность плазмотрона. Кроме того, варьирование расходом и давлением рабочего тела позволяет сильнее обжимать плазменный шнур дуги (за счет более интенсивного завихрения), что ведет к увеличению плотности мощности плазменной струи и также увеличивает ее прорезающую способность.

Варьирование мощностью плазмотрона как за счет регулирования расхода воды (т. е. расхода плазмообразующего тела), так и за счет режима работы парогенератора, связанного с датчиком температуры, установленным на камере формирования дуги вплоть до выключения парогенератора при большой мощности плазменной дуги, когда нагрева от плазменной струи достаточно для образования и осушки требуемого количества пара или при переключении на малую мощность плазмотрона, например при резке тонких листов, позволяет выбрать оптимальный режим работы плазмотрона, повысить его КПД, при различных технологических требованиях, обеспечить при этом стабильность его работы за счет отсутствия капелек воды в камере формирования дуги при изменении мощности плазмотрона, повышение стойкости и надежности в работе теплонагруженных деталей за счет оптимального температурного режима работы их при изменении мощности плазмотрона.

Таким образом новый технический результат увеличение мощности плазмотрона и стабильности дуги за счет снижения потерь энергии на плазмообразование, достигается за счет выполнения устройства парообразования в виде парогенератора, укрепления его на нерабочем торце плазмотрона, последовательного соединения его с системой охлаждения при наличии в цепи его питания регулятора напряжения и датчика температуры на камере формирования дуги. Все это обеспечивает оптимальные условия охлаждения плазмотрона и возможность регулирования мощности в процессе работы плазмотрона.

На чертеже представлен пароводяной плазмотрон.

Пароводяной плазмотрон включает корпус 1, патрубок 2 подачи дистиллированной воды в плазмотрон с встроенным в него игольчатым клапаном 3, регулирующим подачу воды в плазмотрон и токоподвод 4, соединенный посредством полого электрододержателя 5, укрепленного на корпусе 1 с медным электродом 6, вставленным в электрододержатель 5. В медный электрод 6 запрессован термохимический катод в виде гафниевой вставки 7. Внутри полого электрододержателя 5 установлена с зазором 8 трубка 9 подачи воды для охлаждения электрода 6. Снаружи электрододержателя 5 укреплены завихритель 10 плазмообразующего газа и изолирующие втулки 11 и 12, центрирующие медное сопло 13 с плазмоформирующим каналом 14 и рубашку 15 охлаждения относительно электрода 6.

Плазмоформирующий канал 14 выполнен в виде центрального сквозного отверстия с конической входной частью. В рубашке 15 охлаждения сопло 13 выполнены каналы подвода 16 и отвода 17 воды, входящие в систему охлаждения плазмотрона. Имеющаяся в пароводяном плазмотроне система охлаждения теплонагруженных узлов включает в себя установленные по ходу движения и последовательно соединенные игольчатый клапан 3, регулирующий подачу воды в плазмотрон, патрубок 2 подачи воды в плазмотрон трубку 9 подачи воды в электрододержатель 5, зазор 8 между трубкой 9 и электрододержателем 5, распределительный канал 18 в корпусе 1, канал 16 подвода воды к рубашке 15 охлаждения, рубашку 15 охлаждения, канал 17 отвода воды от рубашки 15 охлаждения и канал 19 в корпусе 1, с помощью которого система охлаждения плазмотрона соединяется с парогенератором 20, выполненным в виде стакана 21, закрепленного на нерабочем торце плазмотрона. Внутри стакана 21 установлена полая трубка 22 с ребрами 23 на внешней ее поверхности, закрепленная на нерабочем торце корпуса 1 плазмотрона с зазором 24 относительно стакана 21. На стакане 21 закреплен нагревательный элемент 25, выполненный в виде спирали из нихрома диаметром 0,2 мм, в цепи 26 электропитания которой установлен регулятор 27 напряжения.

Снаружи нагревательный элемент 25 закрыт кожухом 28. Внутренняя полость трубки 22 с помощью каналов 29 и 30 и полости 31 между рубашкой 15 и электрододержателем 5 соединена с завихрителем 10 и камерой 32 формирования дуги, образованной в зазоре между электродом 6 и соплом 13.

На внешней стороне рубашки 15 на уровне камеры 32 формирования дуги установлен датчик 33 температуры, выполненный в виде хромелькопелевой термопары, соединенной с сетью электропитания нагревательного элемента системой управления 34.

Пароводяной плазмотрон работает следующим образом. По цепи 26 электропитания нагревательного элемента 25 подается электрический ток и за счет тепла, выделившегося на спирали, плазмотрон нагревается до температуры 120-180^оС, фиксируемой датчиком 33 температуры. По достижении этой температуры по патрубку 2 начинают постоянно подавать дистиллированную воду комнатной температуры в электрододержатель 5, проходя по которому вода нагревается и закипает. Кипящая вода поступает через канал 16 в рубашку 15 охлаждения сопла 13, а затем по каналам 17 и 19 в парогенератор 20, где на ребрах 23 докипают остатки неиспарившейся воды. Образовавшийся водяной пар на них же и осушается под действием нагрева спирали при прохождении зазора 24. Далее через внутреннюю полость парогенератора 20 осушенный пар поступает по каналам 29 и 30 в полость 31 на завихритель 10. Проходя через завихритель 10, пар завихряется и подается в камеру 32 формирования дуги в качестве плазмообразующего тела.

По токоподводу 4 к электроду 6 подается импульс высокого напряжения, который пробивает промежуток в камере 32 между электродом 6 и соплом 13. Дуга зажигается. Далее по токоподводу 4 к электроду 6 поступает постоянный ток величиной 100-400А и напряжением порядка 200В. При взаимодействии с дугой водород и кислород осушенного пара ионизируются, образуя стабильно горящую плазму температурой свыше 10 000 ^оС градусов. В теле разрезаемого металла ионы водорода и кислорода рекомбинируют с выделением тепла, идущего на расплавление металла. В дальнейшем атомы водорода и кислорода соединяются в молекулу воды, выделяющаяся при этом энергия идет также на расплавление разрезаемого металла, а так как количество атомов кислорода и водорода строго соответствует стехиометрическому соотношению молекулы воды, то разрезаемый металл не окисляется, капельки расплавленного металла удаляются из зоны резки в компактном виде, т.е. водяной пар является для них защитной средой.

Процесс резки является экологически чистым, выделяющиеся в процессе резки пары воды безвредны.

Использование: в технологических операциях, плазменной резке, сварке, наплавке. Сущность изобретения: пароводяной плазматрон содержит корпус 1, установленный в нем электрододержатель 5 с закрепленными в нем электродом 6, сопло 13, камеру формирования дуги, систему охлаждения в виде каналов и патрубков в корпусе с патрубком 2 для подачи воды с регулирующим устройством 3 и устройство парообразования, выполненное в виде парогенератора 20. Парогенератор 20 включает закрепленный на нерабочем торце плазмотрона стакан 21 с трубой 22, имеющей ребра на наружной поверхности и установленной в стакане с зазором относительно него, и нагревательный элемент 25, закрепленный на стакане 21, снабженный источником питания и регулятором напряжения. Полость трубки 22 соединена с камерой формирования дуги и полостью стакана 21, а полость стакана 21 соединена с системой охлаждения. На камере формирования дуги установлен датчик температуры, связанный с регулятором напряжения. Конструкция пароводяного плазмотрона позволяет снизить потери энергии на охлаждение теплонагруженных узлов плазмотрона и плазмообразование рабочего тела, что обеспечивает увеличение мощности плазменной дуги, стабильность работы плазмотрона и возможность регулирования мощности плазмотрона в процессе его работы. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. ПАРОВОДЯНОЙ ПЛАЗМОТРОН, содержащий корпус, установленный в нем электрододержатель с закрепленным в нем электродом, сопло, закрепленное на корпусе с зазором относительно электрода, образующим камеру формирования дуги, систему охлаждения в виде каналов и патрубков в корпусе, патрубка для подачи воды с регулирующим устройством, а также устройство парообразования, отличающийся тем, что устройство парообразования выполнено в виде парогенератора с закрепленным на нерабочем торце плазмотрона стаканом с трубкой, имеющей ребра на наружной поверхности и установленной в стакане с зазором относительно него, и с нагревательным элементом, закрепленным на стакане, при этом полость трубки соединена с камерой формирования дуги и полостью стакана, а полость стакана соединена с системой охлаждения. 2. Плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что он снабжен источником питания нагревательного элемента с регулятором напряжения. 3. Плазмотрон по пп.1 и 2, отличающийся тем, что на камере формирования дуги установлен датчик температуры, связанный с регулятором напряжения.