ПЛАЗМЕННАЯ ГОРЕЛКА И СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ПЕРИОДА НОРМАЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ РАСХОДУЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ ПЛАЗМЕННОЙ ГОРЕЛКИ Российский патент 2006 года по МПК H05H1/34 

Предпосылки к созданию изобретения

Настоящее изобретение в общем имеет отношение к созданию плазменных горелок для газоэлектрической сварки (далее просто "плазменные горелки"), в частности к расходуемым деталям, используемым в плазменных горелках, и к способам повышения периода нормальной эксплуатации таких расходуемых деталей.

Плазменные горелки, известные также как горелки для газоэлектрической сварки дугой, обычно используют для резки и сварки металлических заготовок, когда на заготовку направляют плазму, которая состоит из частиц ионизированного газа. В типичной плазменной горелке подлежащий ионизации газ поступает к нижнему концу горелки и протекает позади электрода, а затем выходит через отверстие в наконечнике горелки. Электрод, который представляет собой расходуемую деталь, имеет относительно отрицательный потенциал и работает в качестве катода. Наконечник (мундштук) горелки охватывает электрод у нижнего конца горелки со смещением (с промежутком) от электрода и образует анод с относительно положительным потенциалом. Подлежащий ионизации газ обычно протекает через камеру, образованную в зазоре между электродом и наконечником, с главным образом вихревым или спиральным режимом течения. При приложении к электроду относительно высокого напряжения, в зазоре между электродом и наконечником горелки образуется дуга, которая нагревает газ и вызывает его ионизацию. Ионизированный газ в зазоре выдувается из горелки и имеет вид дуги, которая выходит наружу из наконечника. Когда головку горелки или нижний конец горелки перемещают в положение вблизи от заготовки, происходит перескок или перенос дуги от наконечника горелки на заготовку, потому что импеданс заготовки относительно земли делают ниже, чем импеданс наконечника горелки относительно земли. В ходе работы "с перенесенной дугой" сама заготовка служит в качестве анода. Экранирующий колпачок обычно закрепляют на корпусе горелки поверх наконечника горелки и электрода для завершения сборки горелки.

В дополнение к электроду другие детали плазменной горелки обычно расходуются в ходе повторных рабочих операций горелки, в том числе наконечник горелки и экранирующий колпачок, охватывающий наконечник. Эти расходуемые детали потребляются в результате разрушающего действия сильно нагретой окружающей среды, поэтому эффективное управление теплотой, генерируемой в и на этих деталях, является критическим для улучшения эксплуатационной долговечности расходуемых деталей. Например, теплота выделяется в корпусе электрода, в первую очередь за счет взаимодействия с нагретой плазмой у его лицевой стороны. Дополнительная теплота выделяется в корпусе электрода за счет омического нагревания, возникающего в результате протекания тока. Вся эта теплота в электроде должна быть рассеяна за счет теплопроводности через корпус электрода в механизм охлаждения.

Для этого уже предложены охлаждаемые плазменные горелки, в которой электрод охлаждается в первую очередь за счет высокой скорости газообразной плазмы, которая с завихрением проходит через плазменную камеру, образованную в зазоре между электродом и охватывающим наконечником. Газообразная плазма направляется поверх внешней поверхности электрода, ранее ее ионизации и выхода через отверстие наконечника. Аналогичное условие существует для наконечника горелки и экранирующего колпачка плазменной горелки. Теплота, выделяющаяся в наконечнике и экранирующем колпачке, рассеивается за счет конвекции в газообразную плазму, протекающую внутри наконечника, и за счет конвекции во вторичный газ, протекающий по внешней стороне наконечника. Точно установлено, что охлаждение наконечника и электрода в ходе работы горелки повышает эксплуатационную долговечность этих компонентов.

Конвекционная теплопередача (то есть охлаждение), которая обсуждается здесь, представляет собой механизм отвода теплоты, в котором теплота от корпуса отводится в поток, протекающий вдоль поверхности корпуса. Эффективность охлаждающего потока, протекающего над поверхностью, называется коэффициентом конвекционной теплопередачи h, на который влияет скорость потока, турбулентность потока, физические свойства, а также взаимодействие с геометрией поверхности. В любом случае конвекционного охлаждения следствием взаимодействия потока с поверхностью является образование такой области в смежной с поверхностью потока, в которой скорость потока изменяется от нуля у поверхности до конечного значения, связанного с основным потоком поблизости от центра канала течения. Указанная область известна как гидродинамический пограничный слой. Как это показано на фиг.13, в полностью развитом турбулентном потоке этот пограничный слой включает в себя три подслоя: ламинарный подслой, смежный с поверхностью, промежуточный буферный слой и турбулентный наружный слой. Теплопередача через ламинарный подслой производится в основном за счет теплопроводности, в то время как теплопередача через промежуточный и турбулентный слои существенно увеличена за счет конвекционного движения завихрений, имеющихся в этих слоях. Общим эффектом является существенное увеличение теплопередачи от охлаждаемой поверхности за счет наличия турбулентности в пограничном слое. Таким образом, эффективным средством повышения конвекционной теплопередачи является повышение турбулентности и перемешивания в пограничном слое за счет повышения скорости потока или за счет содействия перемешиванию или турбулентности в пограничном слое, как это показано на фиг.14.

Краткое изложение изобретения

Среди множества других задач и характеристик в соответствии с настоящим изобретением предлагается плазменная горелка, в которой усилено конвекционное охлаждение расходуемых деталей горелки, причем в такой горелке повышена эксплуатационная долговечность расходуемых деталей, при этом электрод такой горелки выполнен с возможностью нерезьбового быстроразъемного соединения и разъединения с катодом горелки.

Среди дополнительных задач и характеристик в соответствии с настоящим изобретением предлагается способ повышения эксплуатационной долговечности расходуемых деталей плазменной горелки, причем использование такого способа улучшает конвекционное охлаждение расходуемых деталей горелки.

Плазменная горелка в соответствии с настоящим изобретением содержит катод и электрод, электрически соединенный с катодом. Наконечник охватывает по меньшей мере участок электрода с промежутком от него, образующим газовый канал. Газовый канал имеет сообщение с источником рабочего газа, предназначенным для подачи рабочего газа в газовый канал, таким образом, что рабочий газ внутри газового канала образует завихрения относительно внешней поверхности электрода. Наконечник имеет центральное выходное отверстие, которое имеет сообщение с газовым каналом. Внешняя поверхность электрода текстурирована для содействия турбулентности рабочего газа, протекающего поверх внешней поверхности электрода, когда рабочий газ образует завихрения внутри газового канала, для усиления конвекционного охлаждения электрода.

В другом варианте плазменная горелка в соответствии с настоящим изобретением содержит катод и электрод, электрически соединенный с катодом. Наконечник охватывает по меньшей мере участок электрода с промежутком от него, образующим первичный газовый канал. Первичный газовый канал имеет сообщение с источником первичного рабочего газа, предназначенным для подачи первичного рабочего газа в газовый канал, таким образом, что первичный рабочий газ протекает поверх внутренней поверхности наконечника в газовый канал. Наконечник содержит центральное выходное отверстие, которое имеет сообщение с газовым каналом. Внутренняя поверхность наконечника текстурирована для содействия турбулентности рабочего газа, протекающего через газовый канал поверх внутренней поверхности наконечника, для усиления конвекционного охлаждения наконечника.

В еще одном варианте плазменная горелка в соответствии с настоящим изобретением содержит катод и электрод, электрически соединенный с катодом. Наконечник охватывает участок электрода с промежутком от него, образующим первичный газовый канал. Первичный газовый канал имеет сообщение с источником первичного рабочего газа, предназначенным для подачи первичного рабочего газа в газовый канал. Наконечник содержит центральное выходное отверстие, которое имеет сообщение с газовым каналом. Экранирующий колпачок охватывает наконечник с промежутком от внешней поверхности наконечника, образующим вторичный газовый канал, предназначенный для направления газа через горелку поверх внешней поверхности наконечника. Экранирующий колпачок имеет по меньшей мере одно отверстие для выпуска из горелки газа, протекающего через вторичный газовый канал. Внешняя поверхность наконечника текстурирована для содействия турбулентности газа, протекающего через вторичный газовый канал поверх внешней поверхности наконечника, для усиления конвекционного охлаждения наконечника.

Другая плазменная горелка в соответствии с настоящим изобретением главным образом содержит катод и электрод, электрически соединенный с катодом. Наконечник охватывает участок электрода с промежутком от него, образующим первичный газовый канал. Первичный газовый канал имеет сообщение с источником первичного рабочего газа, предназначенным для подачи первичного рабочего газа в газовый канал. Наконечник содержит центральное выходное отверстие, которое имеет сообщение с газовым каналом. Экранирующий колпачок охватывает наконечник с промежутком от него, образующим вторичный газовый канал, предназначенный для направления газа через горелку поверх внутренней поверхности экранирующего колпачка. Экранирующий колпачок имеет по меньшей мере одно отверстие для выпуска из горелки газа, протекающего через вторичный газовый канал. Внутренняя поверхность экранирующего колпачка текстурирована для содействия турбулентности газа, протекающего через вторичный газовый канал поверх внутренней поверхности экранирующего колпачка, для усиления конвекционного охлаждения экранирующего колпачка.

Электрод в соответствии с настоящим изобретением, предназначенный для использования в плазменной горелке такого типа, которая имеет катод, газовый канал, образованный, по меньшей мере частично, электродом и наконечником, охватывающим электрод с промежутком от него, и рабочий газ, протекающий через газовый канал, обычно в направлении завихрения относительно внешней поверхности электрода, обычно имеет верхний конец, приспособленный для электрического соединения с катодом. Нижняя торцевая поверхность электрода имеет выемку. Вставка, изготовленная из эмиссионного (излучающего) материала, установлена в выемке нижней торцевой поверхности. Продольный участок электрода, промежуточный между верхним концом и нижней торцевой поверхностью электрода, образует, по меньшей мере частично, газовый канал, через который рабочий газ протекает обычно в направлении завихрения относительно электрода. Внешняя поверхность продольного участка электрода текстурирована для содействия турбулентности рабочего газа, который образует завихрения внутри газового канала поверх внешней поверхности продольного участка электрода.

Наконечник горелки в соответствии с настоящим изобретением, предназначенный для использования в плазменной горелке такого типа, которая имеет катод, первичный газовый канал, образованный, по меньшей мере частично, между электродом, электрически соединенным с катодом, и наконечником, охватывающим электрод с промежутком от него, и рабочий газ, протекающий через первичный газовый канал, обычно содержит нижний конец, имеющий центральное выходное отверстие, которое имеет сообщение с первичным газовым каналом для выпуска рабочего газа из первичного газового канала. Внутренняя поверхность наконечника горелки открыта для контакта с рабочим газом в первичном газовом канале. Внутренняя поверхность наконечника текстурирована для содействия турбулентности газа, протекающего через первичный газовый канал поверх внутренней поверхности наконечника, для усиления конвекционного охлаждения наконечника.

В другом варианте наконечник горелки в соответствии с настоящим изобретением, предназначенный для использования в плазменной горелке, аналогичен описанному ранее и дополнительно имеет экранирующий колпачок, охватывающий по меньшей мере участок наконечника с промежутком от него, образующим вторичный газовый канал, через который протекает рабочий газ, причем наконечник обычно содержит нижний конец, имеющий центральное выходное отверстие, которое имеет сообщение с первичным газовым каналом, для выпуска рабочего газа из первичного газового канала. Внешняя поверхность наконечника горелки открыта для контакта с рабочим газом во вторичном газовом канале. Внешняя поверхность наконечника текстурирована для содействия турбулентности газа, протекающего через вторичный газовый канал поверх внешней поверхности наконечника, для усиления конвекционного охлаждения наконечника.

Экранирующий колпачок в соответствии с настоящим изобретением предназначен для использования в плазменной горелке такого типа, которая имеет катод, первичный газовый канал, образованный, по меньшей мере частично, электродом, электрически соединенным с катодом и с наконечником, охватывающим электрод с промежутком от него, и рабочий газ, протекающий через первичный газовый канал, причем экранирующий колпачок охватывает по меньшей мере участок наконечника с промежутком от него, образующим вторичный газовый канал, через который протекает рабочий газ, при этом экранирующий колпачок обычно содержит нижний конец, имеющий по меньшей мере одно выходное отверстие, которое имеет сообщение с вторичным газовым каналом для выпуска рабочего газа из вторичного газового канала. Внутренняя поверхность экранирующего колпачка открыта для контакта с рабочим газом во вторичном газовом канале. Внутренняя поверхность экранирующего колпачка текстурирована для содействия турбулентности газа, протекающего через вторичный газовый канал поверх внутренней поверхности экранирующего колпачка, для усиления конвекционного охлаждения экранирующего колпачка.

Набор электродов в соответствии с настоящим изобретением обычно содержит по меньшей мере два взаимозаменяемых электрода, причем каждый электрод соответствует различной силе тока, при которой работает горелка. Внешняя поверхность каждого электрода текстурирована для содействия турбулентности рабочего газа, протекающего поверх внешней поверхности электрода, когда рабочий газ образует завихрения относительно электрода в газовом канале. Площадь поперечного сечения текстурированной внешней поверхности каждого электрода увеличивается по мере снижения силы тока, при которой может работать горелка, за счет чего уменьшается площадь поперечного сечения газового канала при снижении силы тока.

Набор наконечников горелки в соответствии с настоящим изобретением обычно содержит по меньшей мере два взаимозаменяемых наконечника, причем каждый наконечник соответствует различной силе тока, при которой работает горелка. Центральное выходное отверстие наконечника существенно уменьшается по мере снижения силы тока, при котором может работать горелка. Каждый наконечник имеет внутреннюю поверхность, которая ограничивает внутреннюю площадь поперечного сечения наконечника. Внутренняя площадь поперечного сечения наконечника существенно увеличивается по мере снижения силы тока, при которой может работать горелка.

Обычно наборы электродов и наконечников в соответствии с настоящим изобретением содержат множество наборов электродов и наконечников, причем каждый набор соответствует различной силе тока, при которой работает горелка. Каждый набор содержит электрод, имеющий текстурированную внешнюю поверхность для содействия турбулентности рабочего газа, протекающего поверх внешней поверхности электрода, когда рабочий газ образует завихрения относительно электрода, а также содержит наконечник. Размер центрального выходного отверстия наконечника снижается в каждом наборе по мере снижения силы тока, при котором работает горелка. Электрод и наконечник каждого набора имеют согласованные размеры, таким образом, что площадь поперечного сечения газового канала, образованного между ними, снижается для каждого набора по мере снижения силы тока, при котором работает горелка.

Способ улучшения, в соответствии с настоящим изобретением, эксплуатационной долговечности электрода, используемого в плазменной горелке, предусматривает направление рабочего газа через газовый канал, ограниченный электродом и наконечником, охватывающим электрод, для осуществления его выпуска из горелки через центральное выходное отверстие наконечника. Рабочий газ образует завихрения внутри газового канала относительно электрода и протекает поверх внешней поверхности электрода, когда его направляют через газовый канал для создания гидродинамического пограничного слоя, обычно смежного с внешней поверхностью электрода. Пограничный слой содержит турбулентный наружный слой. Имеется турбулентность газа в гидродинамическом пограничном слое, который обычно является смежным с внешней поверхностью электрода, когда газ направляют через газовый канал для усиления турбулентного течения в пограничном слое, необходимого для улучшения конвекционного охлаждения электрода, в результате чего улучшается эксплуатационная долговечность электрода.

В другом варианте способ улучшения, в соответствии с настоящим изобретением, эксплуатационной долговечности наконечника горелки предусматривает направление рабочего газа через вторичный газовый канал горелки, для выпуска из горелки через по меньшей мере одно отверстие экранирующего колпачка. Рабочий газ протекает поверх внешней поверхности наконечника горелки, когда его направляют через вторичный газовый канал для создания гидродинамического пограничного слоя, смежного с внешней поверхностью наконечника горелки. Пограничный слой содержит турбулентный наружный слой. Имеется турбулентность газа в гидродинамическом пограничном слое, который является смежным с внешней поверхностью наконечника горелки, когда газ направляют через вторичный газовый канал для усиления турбулентного течения в пограничном слое, необходимого для улучшения конвекционного охлаждения наконечника горелки, в результате чего улучшается эксплуатационная долговечность наконечника горелки.

Еще в одном варианте изобретения способ улучшения эксплуатационной долговечности экранирующего колпачка предусматривает направление рабочего газа через вторичный газовый канал горелки, для выпуска из горелки через по меньшей мере одно отверстие экранирующего колпачка. Рабочий газ протекает поверх внутренней поверхности экранирующего колпачка, когда его направляют через вторичный газовый канал для создания гидродинамического пограничного слоя, смежного с внутренней поверхностью экранирующего колпачка. Пограничный слой содержит турбулентный наружный слой. Имеется турбулентность газа в гидродинамическом пограничном слое, который является смежным с внутренней поверхностью экранирующего колпачка, когда газ направляют через вторичный газовый канал для усиления турбулентного течения в пограничном слое, необходимого для улучшения конвекционного охлаждения экранирующего колпачка, в результате чего улучшается эксплуатационная долговечность экранирующего колпачка.

Способ улучшения в соответствии с настоящим изобретением эксплуатационной долговечности электрода или наконечника плазменной горелки обычно предусматривает текстурирование поверхности по меньшей мере только электрода или только наконечника для содействия турбулентности рабочего газа, протекающего внутри газового канала поверх текстурированной поверхности по меньшей мере только электрода или только наконечника. Способ предусматривает также изменение силы электрического тока, подводимого к электроду. Один или несколько следующих параметров могут быть изменены в зависимости от изменения тока: (1) стандартный объемный расход газа через указанный кольцевой газовый канал и (2) размеры кольцевого газового канала.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показано вертикальное сечение головки плазменной горелки, причем электрод головки горелки показан полностью.

На фиг.2 показано вертикальное сечение головки плазменной горелки фиг.1 в разобранном виде.

На фиг.3 показан вид в перспективе головки плазменной горелки фиг.1 в разобранном виде.

На фиг.4 приведено горизонтальное сечение по линии 4-4 фиг.1.

На фиг.5 показано вертикальное сечение в увеличенном масштабе участка головки горелки фиг.1, где можно видеть соответствующие соединительные концы электрода и катода.

На фиг.6 показано вертикальное сечение головки плазменной горелки в соответствии со вторым вариантом настоящего изобретения.

На фиг.7 показано вертикальное сечение головки плазменной горелки фиг.6 в разобранном виде.

На фиг.8 показан вид в перспективе головки плазменной горелки фиг.6 в разобранном виде.

На фиг.9 показано вертикальное сечение в увеличенном масштабе участка головки горелки фиг.6, где можно видеть соответствующие соединительные концы электрода и катода.

На фиг.10 а-с приведены вертикальные проекции различных вариантов электрода плазменной горелки фиг.1 с внешней поверхностью электрода, текстурированной в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.11 показано вертикальное сечение, аналогичное фиг.1, с внешней поверхностью наконечника, текстурированной в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.11а показано вертикальное сечение, аналогичное фиг.11, с внутренней поверхностью наконечника, текстурированной в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.12 показано частично сечение другого варианта головки плазменной горелки в соответствии с настоящим изобретением, с внутренней поверхностью экранирующего колпачка, текстурированной в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.13 приведено схематично изображение обычного гидродинамического пограничного слоя, который содержит ламинарный подслой, промежуточный подслой и турбулентный наружный подслой.

На фиг.14 приведено схематично изображение гидродинамического пограничного слоя для течения поверх текстурированной поверхности, такой как поверхность электрода 10 а-с.

На фиг.15 приведена таблица данных эксперимента, показывающая улучшение эксплуатационной долговечности расходуемого электрода в соответствии с настоящим изобретением.

Подробное описание предпочтительных вариантов

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1, на которой показана головка плазменной горелки в соответствии с настоящим изобретением, обозначенная в целом позицией 31. Головка горелки 31 содержит катод 33, закрепленный в корпусе горелки 35 у верхнего конца корпуса горелки, и электрод 37, электрически соединенный с катодом. Центральный изолятор 39 из соответствующего электроизоляционного материала, такого как полиамид, охватывает существенную часть как катода 33, так и электрода 37, чтобы электрически изолировать катод и электрод от главным образом трубчатого анода 41, который охватывает один из участков изолятора.

Катод 33 и электрод 37 выполнены с возможностью создания коаксиального телескопического соединения (в общих чертах, нерезьбового быстроразъемного соединения) друг с другом на центральной продольной оси Х горелки. Для обеспечения такого соединения катод 33 и электрод 37 снабжены расположенньми напротив друг друга фиксаторами 43 и 45. Как это будет описано ниже, указанные фиксаторы 43, 45 входят во взаимозацепление друг с другом, когда электрод 37 соединяют с катодом 33, для предотвращения осевого перемещения с выходом электрода из катода.

Катод 33 обычно является трубчатым и имеет головку 51, корпус 53 и нижний соединительный конец 55, приспособленный для коаксиального межсоединения с электродом 37 на продольной оси Х горелки. Центральное отверстие 57, выполненное главным образом по всей длине катода 33, служит для пропускания рабочего газа через катод. Отверстие 59 в головке катода 51 имеет связь с источником рабочего газа (не показан) и служит для подачи рабочего газа в головку горелки 31. Основание катода 33 открыто для выпуска отработанного газа из катода. Катод 33 в показанном варианте изготовлен из латуни, причем головка 51, корпус 53 и нижний соединительный конец 55 катода преимущественно выполнены в виде единой конструкции. Однако следует иметь в виду, что головка 51 может быть изготовлена отдельно от корпуса 53 и затем закреплена на корпусе катода (или иным образом соединена с ним), что не выходит за рамки настоящего изобретения.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1 и 3, на которых показан соединительный конец 55 катода 33, который содержит набор упругих продольных зубцов 61, образованных вертикальными щелями 63 катода, идущими вверх от основания катода. Зубцы 61 имеют верхние концы 65, объединенные (выполненные как единое целое) с корпусом 53 катода 33, и свободные нижние концы 67, которые смещены радиально наружу, таким образом, что каждый зубец имеет верхний радиальный заплечик 69 и нижний радиальный заплечик 71. Зубцы 61 являются достаточно упругими для того, чтобы позволить главным образом радиальное перемещение зубцов между нормальным, не изогнутым состоянием (фиг.2 и 5) и изогнутым состоянием (фиг.1), в котором зубцы изогнуты наружу с удалением друг от друга и от центральной продольной оси Х горелки, что позволяет увеличить внутренний диаметр соединительного конца катода 55, для того, чтобы позволить вставлять электрод 37 в катод, как это будет описано ниже. Радиальное перемещение наружу зубцов 61 допускается за счет кольцевого зазора 73, образованного между соединительным концом 61 катода 33 и центральным изолятором 39.

В соответствии с предпочтительным вариантом фиксатор 43 катода 33 имеет колпачок 75 из электроизоляционного материала, выполненный на нижнем конце 67 каждого зубца 61. Таким образом, можно видеть, что фиксатор 43 на соединительном конце 61 катода 33 служит для совместного радиального перемещения с зубцами между неизогнутым состоянием и изогнутым состоянием. Как это лучше всего показано на фиг.5, колпачок 75, который имеет главным образом J-образную форму в вертикальном сечении, имеет внешнюю стенку 77, внутреннюю стенку 79 и нижнюю стенку 81, которые ограничивают выемку 83 для приема смещенного нижнего конца 67 зубца 61. Внешняя стенка 77 колпачка 75 и нижний конец 67 зубца 61 имеют соединение в шип для надежного удержания колпачка на зубце. Толщина внутренней стенки 79 ниже нижнего радиального заплечика 71 зубца 61 существенно тоньше, чем ширина нижнего радиального заплечика зубца, так что участок внутренний стенки выступает радиально наружу за пределами нижнего заплечика и образует главным образом радиальную фиксирующую поверхность 85 фиксатора катода 43. Втулка 87 из электроизоляционного материала установлена внутри катода 33, в местоположении со смещением над радиальной фиксирующей поверхностью 85, оставляя открытым участок внутренней стенки металлического катода для его использования в качестве поверхности электрического контакта 89 для электрода 37. Внутренняя кромка 91 основания катода 33, например изоляционных концевых колпачков 75, имеет наклон (скос) наружу для создания кулачковой поверхности, в которую упирается электрод 37 при введении электрода в катод, для того, чтобы вызвать смещение наружу зубцов 61 в их изогнутое состояние. Величина силы введения, которая необходима для изгиба зубцов 61, может варьировать, но нашли, что достаточно приложение направленной по оси силы, которая ориентировочно равна 5 фунтам.

Внутренний диаметр D1 (фиг.5) катода 37 у поверхности контакта 89 преимущественно составляет около 0,5 см, а внутренний диаметр D2 катода у изоляционных концевых колпачков 75 преимущественно составляет около 0.45 см; и каждая радиальная фиксирующая поверхность 85 преимущественно выступает радиально внутрь от поверхности контакта ориентировочно на 0.0025 см. Однако следует иметь в виду, что указанные размеры могут варьировать. Кроме того, в соответствии с предпочтительным вариантом соединительный конец 55 катода 33 содержит четыре упругих зубца 61, однако это число может варьировать от одного зубца до множества зубцов, что не выходит за рамки изобретения. Более того, радиальные фиксирующие поверхности 85 могут быть образованы иным путем, без колпачков 75. Например, колпачки 75 могут быть полностью исключены, а фиксирующие поверхности 85 могут быть образованы за счет выполненных при помощи механической обработки радиальных канавок или выемок (не показаны) на зубцах 61, или за счет образованных иным образом выступающих радиально внутрь поверхностей (не показаны) на зубцах.

На фиг.1 и 3 также показан электрод 37, который является главным образом цилиндрическим и имеет сплошной нижний конец 101, верхний соединительный конец 105, приспособленный для коаксиального телескопического соединения с нижним соединительным концом 55 катода 33 на продольной оси X, и газораспределительное кольцо 103, расположенное между верхним и нижним концами электрода. Электрод 37 в показанном варианте изготовлен из меди и имеет вставку 107 из эмиссионного материала (например, из гафния), закрепленную обычным образом в выемке 109 на основании электрода. Газораспределительное кольцо 103, которое выступает радиально наружу относительно верхнего и нижнего концов 105, 101 электрода 37, образует заллечик 111 между газораспределительным кольцом и верхним соединительным концом электрода. Центральная проточка 113 электрода 37 идет продольно внутри верхнего соединительного конца 105, главным образом от верхней части электрода вниз, при радиальном совмещении с газораспределительным кольцом 103. Следует иметь в виду, что может быть использовано и иное, не газораспределительное кольцо 103, которое, например, может быть сплошным, причем в таком случае распределение газа производят иным образом, что не выходит за рамки изобретения.

Центральный изолятор 39 имеет кольцевое седло 115, которое идет радиально внутрь до внутреннего диаметра центрального изолятора, который главным образом меньше, чем внешний диаметр газораспределительного кольца 103, при этом заплечик 111 газораспределительного кольца упирается в кольцевое седло 115 для ограничения ввода электрода 37 в катод 33 и для выбора осевого положения электрода в головке горелки 31. Верхняя часть электрода 37 является открытой для обеспечения сообщения между центральной проточкой катода 57 и центральной проточкой электрода 113 после коаксиального соединения электрода и катода 33. Отверстия 117 идут радиально в газораспределительном кольце 103 и сообщаются с центральной проточкой 113 соединительного конца электрода 105 для выпуска рабочего газа из электрода 37.

На фиг.5 показано, что внешний диаметр соединительного конца электрода 105 существенно меньше, чем внутренний диаметр D2 соединительного конца 55 катода 33 у изоляционных концевых колпачков 75 (например, у фиксатора катода 43). Однако фиксатор 45 на электроде 37 имеет кольцевой выступ 119, который выступает главным образом радиально наружу из соединительного конца 105 электрода, таким образом, что внешний диаметр соединительного конца электрода у фиксатора главным образом больше, чем диаметр внутренней поверхности катода, имеющий внутренние диаметры катода D2 и D1, соответственно у фиксатора катода 43 и у поверхности контакта 89 над фиксатором катода. Например, соединительный конец электрода 105 в показанном варианте преимущественно имеет внешний диаметр, который составляет ориентировочно 0.44 см; и внешний диаметр соединительного конца электрода у фиксатора, который преимущественно составляет около 0.52 см.

Кольцевой выступ 119, который образует фиксатор электрода 45, преимущественно закруглен для создания верхней кулачковой поверхности 121, которая входит в контакт с наклонной внутренней кромкой 91 основания катода 33, что облегчает введение соединительного конца электрода 105 в соединительный конец катода 55. Закругленный выступ 119 также имеет нижнюю радиальную поверхность фиксации 123, которая входит в контакт с радиальными фиксирующими поверхностями 85 фиксатора катода 43 для предотвращения осевого перемещения соединительного конца электрода 105 наружу из соединительного конца катода 55. Следует иметь в виду, что фиксатор электрода 45 необязательно имеет кольцевую форму, причем он может быть, например, сегментированным и необязательно является закругленным, так что он может быть, например, квадратным или фланцевым, что не выходит за рамки изобретения, при условии, что фиксатор имеет радиальную фиксирующую поверхность, которая входит в контакт с радиальными фиксирующими поверхностями 85 фиксатора катода 43. Следует также иметь в виду, что фиксатор может быть изготовлен отдельно от электрода и закреплен соответствующим образом на электроде, причем указанный фиксатор может быть упругим, что также не выходит за рамки настоящего изобретения. Осевое положение фиксатора 45 на соединительном конце 105 электрода 37 также может варьировать, что не выходит за рамки изобретения, при условии, что длина соединительного конца электрода 105 является достаточной, таким образом, что когда заплечик 111 газораспределительного кольца 103 входит в контакт с кольцевым седлом 115 центрального изолятора 39, то фиксатор электрода расположен в катоде 33 над фиксатором катода 43 и имеет электрический контакт с поверхностью контакта 89 катода.

Как это показано на фиг.1-3, металлический наконечник 131, также называемый мундштуком, который расположен в головке горелки 31, охватывает нижний конец электрода 37 со смещением (с промежутком) от него, так что создается зазор, образующий газовый канал 133 между наконечником 131 и электродом. Газовый канал 133 дополнительно ограничен при помощи трубчатого газораспределителя 135, идущего продольно между наконечником 131 и газораспределительным кольцом 103 электрода 37 вокруг нижнего конца электрода, радиально со смещением от него. Газораспределитель 135 регулирует поток рабочего газа через газовый канал 133. Наконечник 131, электрод 37 и газораспределитель 135 закреплены в фиксированном положении на оси в ходе работы горелки при помощи экранирующего колпачка 137, который имеет внешний кожух 139 из теплоизоляционного материала, такого как фиберглас, и металлическую экранирующую вставку 141, закрепленную на внутренней поверхности кожуха. Внешний кожух 139 имеет внутреннюю резьбу (не показана) для резьбового соединения с соответствующей внутренней резьбой (не показана) на корпусе горелки 35.

Нижний конец центрального изолятора 39 радиально смещен от газораспределителя 135 и от газораспределительного кольца электрода 103 для направления газа, протекающего через отверстия 117 кольца, в камеру 143, которая образована при помощи центрального изолятора, газораспределителя, наконечника 131 и вставки экранирующего колпачка 141. Газораспределитель 135 имеет по меньшей мере одно отверстие (не показано), которое сообщается как с газовьм каналом 133, так и с камерой 143, что позволяет некоторой порции газа из камеры протекать в газовый канал и выходить из горелки через выходное отверстие 145 в наконечнике для использования при образовании плазменной дуги. В показанном варианте рабочий газ направляется при помощи газораспределителя 135 для протекания через газовый канал 133 и обычно образует завихрения или спирали относительно электрода 37 (например, в направлении по часовой стрелке от верхнего конца к нижнему концу газового канала), как это показано стрелкой на фиг.1. Остающийся в камере газ протекает через отверстие 147 во вставке экранирующего колпачка 141 во второй канал 149, образованный между внешним кожухом экранирующего колпачка 139 и металлической вставкой, для выхода из горелки через выпускное отверстие 151 в экранирующем колпачке. Экранирующий колпачок 137, наконечник 131, газораспределитель 135 и электрод 37 обычно именуют расходуемыми деталями горелки, потому что период нормальной эксплуатации этих деталей существенно ниже, чем собственно горелки, поэтому указанные детали требуют периодической замены. Использование плазменной горелки в соответствии с настоящим изобретением для осуществления операций резки и сварки хорошо известно и не будет описано здесь более подробно.

Для сборки плазменной горелки в соответствии с настоящим изобретением, например, когда требуется замена расходуемого электрода 37, вставляют электрод в соответствии с настоящим изобретением верхним соединительным концом 105 вперед, в головку газовой горелки 31 через центральный изолятор 39. При проталкивании соединительного конца электрода 105 вверх за кольцевое седло 115 центрального изолятора, кулачковая поверхность 121 фиксатора 45 на электроде входит в зацепление с наклонными внутренними кромками 91 изоляционных концевых колпачков 75 на нижних концах 67 зубцов 61. Кулачковая поверхность 121 фиксатора электрода 45 толкает зубцы катода 61 наружу, при этом фиксатор катода 43 движется радиально наружу в свое изогнутое состояние с преодолением направленного внутрь смещения зубцов, что приводит к увеличению внутреннего диаметра D2 соединительного конца катода 55 у фиксатора катода и позволяет дальнейшее телескопическое движение соединительного конца электрода 105 в катод, до положения, в котором радиальная фиксирующая поверхность 123 фиксатора электрода 45 находится над радиальными фиксирующими поверхностями 85 фиксатора катода 43.

После проталкивания фиксатора электрода 45 вверх за фиксатор катода 43 фиксатор электрода становится радиально совмещенным с поверхностью контакта 89 соединительного конца катода 55 над фиксирующими поверхностями 85, где внутренний диаметр D1 соединительного конца катода больше, чем внутренний диаметр D2 у фиксатора катода. Зубцы катода 61, которые находятся в своем изогнутом состоянии, создают направленные внутрь силы смещения, которые побуждают зубцы пружинить или защелкиваться внутрь для перемещения фиксатора катода 43 в его неизогнутое состояние. Металлическая поверхность контакта 89 соединительного конца катода 55 прижимается к фиксатору электрода 45 для электрического соединения катода 33 и электрода 37. Движение внутрь фиксатора катода 43 в целом совмещает по оси (например, обычно при перекрытии (наложении) или нависании) фиксирующую поверхность 123 соединительного конца электрода 105 с фиксирующими поверхностями 85 соединительного конца катода 55. Другими словами, радиальная фиксирующая поверхность электрода 123 совмещается с радиальными фиксирующими поверхностями катода 85, таким образом, что в случае осевого скольжения электрода 37 наружу из катода 33 в ходе сборки или демонтажа радиальная фиксирующая поверхность электрода 123 входит в зацепление с радиальными фиксирующими поверхностями фиксатора 85 для предотвращения выпадения электрода из головки горелки 31. Так как внешний диаметр D2 соединительного конца электрода 105 у фиксатора электрода 45 больше, чем внутренний диаметр соединительного конца катода 55 у поверхности контакта 89, то зубцы катода 61 остаются в изогнутом состоянии после соединения электрода 37 и катода 33, что позволяет сохранять силы смещения, толкающие зубцы вперед с прижимом к фиксатору электрода 45 для обеспечения хорошего электрического контакта между катодом и электродом.

Для завершения сборки газораспределитель 135 помещают на электроде 37, наконечник 131 располагают поверх электрода с посадкой на газораспределителе, после чего устанавливают экранирующий колпачок 137 поверх наконечника и газораспределителя и соединяют его на резьбе с корпусом горелки 35 для осевой фиксации расходуемых компонентов в головке горелки 31. После крепления экранирующего колпачка 137 к корпусу горелки 35 заплечик 111 газораспределительного кольца 103 электрода 37 входит в зацепление с кольцевым седлом 115 центрального изолятора 39 для обеспечения надлежащего осевого положения электрода в головке горелки.

Для демонтажа (разборки) горелки удаляют экранирующий колпачок 137 из корпуса горелки 35 и со скольжением извлекают наконечник 131 и газораспределитель 135 из горелки. Электрод 37 разъединяют от катода 33 за счет вытягивания по оси наружу за нижний конец 101 электрода. Фиксирующая поверхность электрода 123 входит в зацепление с фиксирующими поверхностями 85 фиксатора катода 43, причем при приложении достаточной силы вытягивания по оси фиксирующая поверхность электрода толкает зубцы катода 61 наружу для перемещения фиксатора катода 43 далее в его изогнутое состояние, что позволяет произвести извлечение соединительного конца электрода 105 из соединительного конца 55 катода 33. Закругленная фиксирующая поверхность 123 кольцевого выступа 119 облегчает движение наружу зубцов 61 после ее входа в зацепление с фиксирующими поверхностями 85 фиксатора катода 43.

Как это показано на фиг.1-5 и описано ранее, плазменная горелка в соответствии с настоящим изобретением включает в себя взаимосоединяемые катод 33 и электрод 37, причем электрод вставляют в катод. Альтернативно, электрод 37 может иметь такую конструкцию и размеры, что он охватывает катод 33, причем фиксатор электрода 45 идет радиально внутрь от соединительного конца электрода 105, а фиксатор катода 43 выступает радиально наружу из соединительного конца катода 55, таким образом, что зубцы катода 61 изгибаются внутрь при относительном телескопическом движении катода и электрода.

На фиг.6-9 показан второй вариант плазменной горелки в соответствии с настоящим изобретением, в которой электрод 237 (в отличие от катода 33 первого варианта) имеет соединительный конец 305, который содержит упругие идущие продольно зубцы 361. Как и в описанном ранее первом варианте горелка в соответствии со вторым вариантом имеет катод 233, электрод 237, центральный изолятор 239, газораспределитель 335, наконечник 331 и экранирующий колпачок 337. Электрод 237 выполнен с возможностью коаксиального телескопического введения в катод 233 по продольной оси Х горелки для электрического соединения с катодом.

В соответствии с этим вторым вариантом центральный изолятор 239 и электрод 237 имеют расположенные радиально напротив друг друга соответствующие фиксаторы 243 и 245. Эти фиксаторы 243, 245 входят во взаимозацепление друг с другом, когда электрод 237 введен в головку горелки 231, для предотвращения осевого перемещения электрода относительно центрального изолятора и наружу из горелки.

Как это показано на фиг.6, катод 233, который главным образом аналогичен катоду 33 первого варианта, имеет головку 251, корпус 253 и нижний соединительный конец 255. Центральная проточка 257, которая идет продольно главным образом по всей длине катода 233, служит для пропускания рабочего газа через катод. Соединительный конец 255 катода 233 имеет главным образом жесткую конструкцию и изготовлен из латуни, причем он не имеет втулки 87 из электроизоляционного материала и концевых колпачков 75, которые были использованы в первом варианте. Диаметр внутренней поверхности соединительного конца катода 255 расширяется наружу и образует заплечик 256 (фиг.9) для пробки 351 на соединительном конце. Пробка 351 является главньм образом цилиндрической и имеет головку 353, размер которой позволяет вводить в нее соединительный конец 255 катода 233 до заплечика 256, при фрикционном контакте с внутренней поверхностью соединительного конца катода для крепления пробки в катоде. Корпус 355 пробки 351 идет вниз от головки и имеет существенно меньший диаметр, чем головка, так что внешняя поверхность корпуса смещена радиально внутрь от соединительного конца катода 255. Внутренняя поверхность соединительного конца 255 дополнительно расширяется наружу ниже заплечика 256 и головки 353 пробки 351, и образует поверхность контакта 289 соединительного конца катода для создания электрического контакта с электродом. Радиальное смещение между поверхностью контакта 289 и корпусом пробки 351 служит для создания кольцевого зазора (или выемки) 357, размер которого позволяет ввести в него соединительный конец электрода 305, при электрическом контакте с поверхностью контакта 289 соединительного конца катода 255. Нижний конец 359 корпуса пробки 351 скошен внутрь и образует кулачковую поверхность, направляющую соединительный конец электрода 305 в выемку 357, при электрическом контакте с поверхностью контакта 289.

Электрод 237 в соответствии с этим вторым вариантом является главным образом цилиндрическим и имеет сплошной нижний конец 301, верхний соединительный конец 305, приспособленный для коаксиального телескопического введения в соединительный конец катода 255 и для соединения с центральным изолятором 239 у продольной оси X, а также кольцо 303, расположенное между верхним и нижним концами электрода. Электрод 237 в показанном варианте изготовлен из меди и имеет вставку (не показана, но является аналогичной вставке 107 первого варианта) из эмиссионного материала (например, из гафния), закрепленную обычным образом в выемке (не показана, но аналогична выемке 109 первого варианта) на основании электрода. Кольцо 303, которое выступает радиально наружу относительно верхнего и нижнего концов 305, 301 электрода 237, образует заплечик 311 между кольцом и верхним соединительным концом электрода. Центральная проточка 313 электрода 237 идет продольно внутри верхнего соединительного конца 305, главным образом от верхней части электрода вниз, при радиальном совмещении с кольцом 303 электрода. Верхняя часть электрода 237 является открытой для обеспечения сообщения между центральной проточкой катода 257 и центральной проточкой электрода 313 после введения электрода 237 в катод 233.

На фиг.6 и 7 показано, что верхний соединительный конец 305 электрода 237 имеет набор упругих продольных зубцов 361, образованных вертикальными щелями 363 на соединительном конце электрода, идущими главным образом по длине центральной проточки 313 электрода. Эти вертикальные щели 363 также служат для выпуска рабочего газа из соединительного конца электрода 305, главным образом аналогично отверстиям 117 газораспределительного кольца 103 описанного выше первого варианта. Зубцы 361 имеют нижние концы 365, выполненные как единое целое с кольцом 303 электрода 237, и свободные верхние концы 367. Зубцы 361 являются достаточно упругими для того, чтобы позволять главным образом радиальное перемещение между нормальным, не изогнутым состоянием и изогнутым состоянием, в котором зубцы изогнуты внутрь друг к другу и к центральной продольной оси Х горелки для уменьшения диаметра соединительного конца электрода 305, чтобы позволить ввести соединительный конец электрода в соединительный конец катода 255, как это будет описано ниже.

В соответствии с предпочтительным вариантом фиксатор электрода 245 имеет радиальный выступ 369, образованный как единое целое с каждым зубцом 361, выступающий радиально наружу из свободного верхнего конца 367 каждого зубца. Таким образом, можно видеть, что фиксатор 245 на соединительном конце 305 электрода 237 служит для совместного радиального перемещения с зубцами 361 между неизогнутым состоянием и изогнутым состоянием. Каждый выступ 369 имеет главным образом квадратное или прямоугольное поперечное сечение (фиг.9) и образует верхнюю поверхность 371, нижнюю радиальную фиксирующую поверхность 373 и внешнюю поверхность контакта 375, предназначенную для электрического контакта с поверхностью контакта 289 соединительного конца катода 255. Однако следует иметь в виду, что форма фиксатора 245 может варьировать, что не выходит за рамки изобретения, при условии, что фиксатор имеет нижнюю радиальную фиксирующую поверхность 373, которая идет главным образом радиально наружу от соединительного конца 305 электрода 237, а электрод может иметь электрическое соединение с катодом 239. Кроме того, в соответствии с предпочтительным вариантом соединительный конец 305 электрода 237 имеет 4 упругих зубца 361, однако это число может варьировать, что не выходит за рамки изобретения.

Центральный изолятор 239 в соответствии с этим вторым вариантом содержит кольцевое седло 315, которое идет радиально внутрь до диаметра, главным образом меньшего, чем внешний диаметр кольца электрода 303, так что заплечик 311, образованный указанным кольцом, входит в зацепление с кольцевым седлом для ограничения глубины ввода электрода 237 в катод 233 и для осевой установки электрода в головке горелки 231. Фиксатор 243 на центральном изоляторе 239 образован при помощи кольцевого, идущего радиально внутрь выступа 381, расположенного между основанием катода 239 и кольцевым седлом 315 центрального изолятора. Как это показано на чертежах для данного варианта, фиксатор 243 преимущественно расположен рядом с основанием катода 233. У нижнего конца выступа 381 внутренний диаметр центрального изолятора сужается внутрь и образует кулачковую поверхность 383, предназначенную для начала изгиба внутрь зубцов электрода 361 в их изогнутое состояние, после введения электрода через центральный изолятор 239. Внутренний диаметр центрального изолятора 239 вновь расширяется наружу у верхнего конца фиксатора 243 и образует радиальную фиксирующую поверхность 385 центрального изолятора, которая радиально и по оси расположена напротив фиксирующей поверхности электрода 373. Наклонная фиксирующая поверхность 385 фиксатора центрального изолятора 243 также образует кулачковую поверхность для изгиба внутрь зубцов электрода 361, что позволяет облегчить извлечение электрода 237 из катода 233 при демонтаже горелки. Фиксирующая поверхность 385 центрального изолятора 239 преимущественно имеет наклон наружу до диаметра, равного или немного меньшего, чем внутренний диаметр поверхности контакта 289 соединительного конца катода 255, что позволяет направлять ввод соединительного конца электрода 305 в соединительный конец катода, когда производят вставку электрода 237 в горелку.

Как это лучше всего показано на фиг.9, фиксатор электрода 245 имеет диаметр, превышающий внутренний диаметр поверхности контакта 289 соединительного конца катода 255, так что после введения электрода 237 через центральный изолятор 239 в соединительный конец катода зубцы 261 и фиксатор электрода будут оставаться в изогнутом внутрь состоянии. Изогнутые внутрь зубцы 361 создают силу смещения, которая толкает зубцы наружу, за счет чего фиксатор электрода 245 движется радиально наружу и входит в электрический контакт с поверхностью контакта 289 соединительного конца катода 255, что приводит к электрическому соединению электрода 237 и катода 233.

Для сборки плазменной горелки в соответствии со вторым вариантом вводят электрод 237, верхним соединительным концом 305 вперед, в головку газовой горелки через центральный изолятор 239. После проталкивания соединительного конца электрода 305 за кольцевое седло 315 центрального изолятора 239 верхние поверхности 371 радиальных выступов 369 на зубцах 361 электрода 237 входят в зацепление с наклонной нижней кулачковой поверхностью 383 центрального изолятора фиксатора 243. Кулачковая поверхность 383 толкает зубцы электрода 361 внутрь с преодолением направленного наружу смещения зубцов, что радиально перемещает фиксатор электрода 245 внутрь в его изогнутое состояние, за счет чего уменьшается внешний диаметр соединительного конца электрода 305 у фиксатора электрода, что позволяет произвести дальнейшее введение соединительного конца электрода через центральный изолятор 239 в соединительный конец катода 255, до положения, в котором радиальные фиксирующие поверхности 373 фиксатора электрода 245 находятся над радиальной фиксирующей поверхностью 385 фиксатора центрального изолятора 243.

Как только фиксатор электрода 245 проталкивают вверх за фиксатор центрального изолятора 243 и в соединительный конец катода 255, фиксатор электрода 243 приходит в положение радиального совмещения с поверхностью контакта 289 соединительного конца катода 255, в котором внутренний диаметр соединительного конца катода больше, чем внутренний диаметр у фиксатора центрального изолятора. Зубцы электрода 361, которые находятся в их изогнутом состоянии, создают направленные наружу силы смещения, которые толкают зубцы наружу и перемещают фиксатор электрода 243 в его неизогнутое состояние. Внешние поверхности контакта 375 радиальных выступов зубцов 369 принудительно смещаются наружу и прижимаются к поверхности контакта 289 соединительного конца катода 289 для электрического соединения катода 233 и электрода 237. Движение наружу фиксатора электрода 243 в целом совмещает по оси (например, при перекрытии или нависании) фиксирующие поверхности 373 соединительного конца электрода 305 с фиксирующей поверхностью 385 центрального изолятора 289. Другими словами, радиальные фиксирующие поверхности электрода 373 совмещаются с фиксирующей поверхностью центрального изолятора 385, так что в случае осевого скольжения электрода 237 наружу из головки горелки 231 в ходе сборки или демонтажа радиальные фиксирующие поверхности электрода 373 входят в зацепление с радиальной фиксирующей поверхностью 385 центрального изолятора 239 для предотвращения выпадения электрода из головки горелки 231.

Так как внешний диаметр соединительного конца электрода 305 у фиксатора 243 больше, чем внутренний диаметр соединительного конца катода 255 у поверхности контакта 289, то зубцы электрода 361 остаются в изогнутом внутрь состоянии после вставки электрода 237 в катод 233 и продолжают создавать силы смещения, прижимающие фиксатор электрода 245 наружу к поверхности контакта катода для обеспечения хорошего электрического соединения между катодом 233 и электродом. Когда имеется небольшая постоянная деформация внутрь зубца электрода 361, тогда смещение наружу зубца может быть недостаточным для создания хорошего электрического контакта фиксатора электрода 245 с поверхностью контакта катода 289. В таком случае верхняя поверхность 371 радиального выступа 369 на деформированном зубце 361 будет входить в зацепление с наклонным нижним концом 359 корпуса пробки 355, после введения соединительного конца электрода 305 в соединительный конец катода 255. Наклонный нижний конец 359 образует кулачковую поверхность, которая толкает зубец электрода 361 наружу, за счет чего происходит перемещение фиксатора электрода радиально наружу с посадкой в выемку 357 между корпусом пробки 355 и поверхностью контакта 289, при этом выступы зубцов 369 будут находиться в электрическом контакте с поверхностью контакта.

Для завершения сборки газораспределитель 235 помещают на электроде 237, наконечник 231 располагают поверх электрода с посадкой на газораспределителе, после чего устанавливают экранирующий колпачок 237 поверх наконечника и газораспределителя и соединяют его на резьбе с корпусом горелки 235 для осевой фиксации расходуемых компонентов в головке горелки 231. После крепления экранирующего колпачка 237 в корпусе горелки 235 заплечик 311 кольца 303 электрода 237 входит в зацепление с кольцевым седлом 315 центрального изолятора 239 для обеспечения надлежащего осевого положения электрода в головке горелки.

Для демонтажа горелки удаляют экранирующий колпачок 237 из корпуса горелки 235 и со скольжением извлекают наконечник 231 и газораспределитель 235 из горелки. Электрод 237 удаляют из горелки за счет его вытягивания по оси наружу за нижний конец 301 электрода. Фиксирующая поверхность электрода 373 входит в зацепление с наклонной фиксирующей поверхностью 385 фиксатора центрального изолятора 243, причем при приложении достаточной силы вытягивания по оси указанная наклонная фиксирующая поверхность толкает зубцы электрода 361 далее внутрь для перемещения фиксатора электрода 245 далее в его изогнутое состояние, что позволяет произвести извлечение соединительного конца электрода 305 из центрального изолятора 239.

В соответствии с указанным вторым вариантом плазменная горелка в соответствии с настоящим изобретением содержит электрод 237 и центральный изолятор 239, которые имеют входящие во взаимозацепление фиксаторы 245, 243, предотвращающие осевое перемещение электрода наружу из горелки в процессе сборки горелки. Однако следует иметь в виду, что вместо фиксатора 243, который выходит радиально из центрального изолятора 239, фиксатор может выходить радиально из внутренней поверхности соединительного конца катода 255, аналогично описанному выше для первого варианта, что не выходит за рамки настоящего изобретения. Кроме того, размеры и конструкция электрода 237 могут быть выбраны таким образом, что он охватывает катод 233, при этом фиксатор электрода 245 идет радиально внутрь от соединительного конца электрода 305, а соответствующий фиксатор катода идет радиально наружу из соединительного конца катода 255, так что зубцы электрода 361 изгибаются наружу при относительном телескопическом движении катода и электрода.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.10 а-с, на которых показан электрод 37 плазменной горелки в соответствии с первым вариантом настоящего изобретения (фиг.1-5), который имеет шероховатую или текстурированную внешнюю поверхность 76 вдоль главным образом всей длины участка электрода, который частично ограничивает (совместно с наконечником горелки) газовый канал 133. Текстурированная внешняя поверхность 76 электрода 37 может быть образована при помощи круглых впадин или ямок (позиция 80 на фиг.10а), аналогичных таким, которые имеются на внешней оболочке мяча для гольфа, или при помощи идущих по оси канавок (позиция 82 на фиг.10b), или же при помощи одной или нескольких спиральных, похожих на резьбу канавок (позиция 84 на фиг.10с) на внешней поверхности электрода. Идущие по оси канавки 82 электрода 37 (фиг.10b) и спиральные канавки 84 электрода 37 (фиг.10с) имеют такой размер и ориентацию, что создают турбулентность рабочего газа, который образует завихрения относительно внешней поверхности электрода в газовом канале 133. В качестве примера укажем, что электрод 37 (фиг.10b) может иметь текстурированную внешнюю поверхность 76, образованную при помощи ориентировочно 12-14 идущих по оси канавок 82, которые равномерно распределены относительно внешней поверхности электрода, причем каждая канавка имеет глубину около 0,015 дюйма. Нашли, что формирование текстурированной поверхности за счет меньшего числа более глубоких канавок 82 обычно является более предпочтительным, чем формирование текстурированной поверхности за счет большего числа более мелких канавок, так как более глубокие канавки обеспечивают более сильную турбулентность рабочего газа, протекающего поверх внешней поверхности электрода.

Спиральные канавки 84 текстурированной поверхности 76 электрода 37 (фиг.10с) также имеет глубину около 0,015 дюйма. Спиральные канавки 84 идут вниз по внешней поверхности электрода 37 крестообразно или противоположно относительно направления завихрений рабочего газа внутри газового канала 133. Шаг каждой спиральной канавки 84 преимущественно равен шагу (или меньше его) завихрений газа внутри газового канала 133, так что продольная компонента каждой канавки по меньшей мере равна (или превышает) продольную компоненту завихрений газа в газовом канале.

Канавки 82, 84 электрода 37 (фиг.10b, 10с) могут быть образованы при помощи различных способов, таких как накатка, формовка или механическая обработка канавок на внешней поверхности электрода. Например, идущие по оси канавки 82 текстурированной поверхности 76 электрода 37 варианта фиг.10b могут быть преимущественно образованы при помощи накатки на внешней поверхности электрода. Следует иметь в виду, что текстурированная внешняя поверхность 76 может быть образована и не так, как это показано на фиг.10а-с, что не выходит за рамки настоящего изобретения. Кроме того, несмотря на то, что текстурированный электрод 37 в соответствии с настоящим изобретением показан и описан здесь как используемый совместно с плазменной горелкой первого варианта (фиг.1-5), следует иметь в виду, что текстурированный электрод может быть использован и в других плазменных горелках, в которых газ направляют через газовый канал 133 главным образом в направлении завихрения, что не выходит за рамки настоящего изобретения.

По одному из способов в соответствии с настоящим изобретением для улучшения эксплуатационной долговечности расходуемых деталей плазменной горелки первичный рабочий газ направляют вниз через газовый канал 133 таким образом, что он образует движение завихрения относительно электрода 37, протекая поверх текстурированной внешней поверхности 76 электрода. Как и в любом другом потоке флюида в кольцевом канале создается гидродинамический пограничный слой (фиг.13) на внешней поверхности 76 электрода 37. При протекании газа поверх текстурированной внешней поверхности 76 электрода 37 газ реверсируется или турбулируется (вводится в состояние турбулентности) в пограничном слое (фиг.14), что усиливает турбулентность в пограничном слое вблизи от внешней поверхности электрода, в результате чего улучшается эффективность охлаждения за счет газа. Нашли, что наличие текстурированной внешней поверхности 76 электрода 37 для повышения турбулентности газа, который образует завихрения внутри газового канала, существенно увеличивает эксплуатационную долговечность электрода. В частности, нашли, что для горелки, в которой рабочий газ протекает через газовый канал 133 в направлении завихрения (например, по часовой стрелке от верхнего конца к нижнему концу газового канала, как это показано на фиг.1), текстурированную внешнюю поверхность 76 электрода 37 преимущественно следует образовывать таким образом, чтобы она на внешней поверхности электрода шла в другом направлении, чем направление завихрения рабочего газа относительно электрода внутри газового канала 133. Например, идущие по оси канавки 82 электрода 37 (фиг.10b) должны быть ориентированы главным образом крестообразно относительно направления завихрений газа в газовом канале 133. В другом примере спиральные канавки 84 электрода 37 (фиг.10с) идут по спирали на внешней поверхности электрода крестообразно или противоположно (например, против часовой стрелки) относительно направления завихрений газа внутри газового канала 133.

Также обнаружили, что при условиях, которые существуют внутри газового канала 133, конвекционное охлаждение текстурированного электрода 37 и наконечника 131 главным образом возрастает при увеличении скорости потока через кольцевой газовый канал между внешним диаметром электрода и внутренним диаметром наконечника. Скорость течения газа главным образом прямо пропорциональна объемному расходу газа через горелку и главным образом обратно пропорциональна размерам кольцевого пространства, образующего газовый канал 133 между наконечником 131 и электродом 37. Следовательно, для дальнейшего увеличения эксплуатационной долговечности или срока службы электрода 37 и наконечника 131 положительный эффект, который получают за счет текстурированной поверхности 76, может быть усилен за счет повышения объемного расхода и/или за счет уменьшения площади поперечного сечения газового канала 133, ограниченного при помощи электрода и наконечника. Повышение объемного расхода и/или уменьшение площади поперечного сечения кольцевого газового канала 133 будет создавать тенденцию повышения скорости потока газа, протекающего через газовый канал. Площадь поперечного сечения газового канала 133 может быть уменьшена за счет повышения внешнего диаметра электрода (например, за счет повышения площади поперечного сечения внешней поверхности электрода) и/или за счет снижения внутреннего диаметра наконечника (например, за счет снижения площади поперечного сечения внутренней поверхности наконечника), что приводит к уменьшению зазора между двумя указанными деталями.

В качестве примера можно указать, что объемный расход для горелки в соответствии с настоящим изобретением преимущественно снижают вместе с уменьшением диаметра выходного отверстия 145 наконечника 131, когда снижается сила тока, при которой работает горелка. При отсутствии соответствующего снижения площади поперечного сечения газового канала 133 скорость газового потока в газовом канале могла бы существенно снижаться при более низких объемных расходах, что могло бы приводить к ухудшению охлаждения расходуемых деталей. Этого ухудшения охлаждения можно избежать за счет использования текстурированного электрода 37 в сочетании с более высоким объемным расходом или, что более предпочтительно, в сочетании с уменьшением площади поперечного сечения газового канала 133, образованного между электродом и наконечником 131, что позволяет создавать более высокие скорости потока в газовом канале для более сильного охлаждения, или же за счет комбинации того и другого. Однако нашли, что в случае использования нетекстурированного электрода, повышение скорости потока газа, который образует завихрения внутри газового канала 133 за счет уменьшения площади поперечного сечения газового канала создает малое увеличение (или совсем не увеличивает) эксплуатационной долговечности нетекстурированного электрода, и может даже привести к снижению его эксплуатационной долговечности.

Эксперимент

Был проведен эксперимент, в котором провели серию испытаний с использованием плазменной горелки, показанной на фиг.1-5 и описанной выше. В каждом испытании горелка, снабженная электродом 37 и наконечником 131, работала при заданной силе тока, такой как 80 ампер или 40 ампер, и при заданном стандартном объемном расходе, соответствующем рабочей силе тока, таком как 90 стандартных кубических футов в час и 50 стандартных кубических футов в час соответственно. Стандартный объемный расход измеряют с использованием обычного турбинного расходомера газа, установленного на выходе наконечника 131, при атмосферном давлении и при комнатной температуре. Была использована обычная конструкция плазменной горелки, в которой центральное выходное отверстие 145 наконечника 131 при работе горелки с током 80 ампер (которое составляет, например, около 0,055 дюйма) превышает центральное выходное отверстие наконечника при работе горелки с током 40 ампер (которое составляет, например, около 0,031 дюйма).

Для каждого испытания выбирали внешний диаметр (например, внешнюю поверхность) электрода 37 и внутренний диаметр (например, внутреннюю поверхность) наконечника 131 относительно друг друга таким образом, чтобы получать различную площадь поперечного сечения газового канала 133, образованного между электродом и наконечником. В самом деле, изменение площади поперечного сечения газового канала 133 приводит к изменению стандартной скорости течения рабочего газа, который образует завихрения внутри газового канала 133 относительно внешней поверхности электрода 37. Используемую здесь стандартную скорость течения вычисляли путем деления стандартной объемной скорости течения (стандартного объемного расхода) на площадь поперечного сечения газового канала. Площадь поперечного сечения газового канала 133 находили с использованием самого внешнего диаметра электрода 37, без учета дополнительного пространства между электродом и наконечником 131, возникающего за счет канавок 82, образованных на внешней поверхности электрода.

Другую серию испытаний проводили при токе 89 ампер с использованием электродов 37, которые имеют идущие по оси канавки 82 на их внешней поверхности, причем каждая канавка имеет глубину около 0,015 дюйма. Аналогичную серию испытаний проводили при токе 40 ампер. Для дальнейшего сравнения провели третью серию испытаний при токе 80 ампер с использованием нетекстурированных электродов, а также четвертую серию испытаний при токе 80 ампер с использованием электрода (не показан), имеющего канавки (не показаны), которые идут главным образом по окружности на внешней поверхности (например, в виде резьбы с большим шагом, таким как около 20 ниток резьбы на дюйм, что позволяет образовать практически идущие по окружности канавки).

Каждое испытание предусматривало повторную работу горелки в рабочем цикле, который включает в себя запуск горелки, прошивку металлической заготовки, резку заготовки и отсечку газа, протекающего через горелку. Длительность каждого рабочего цикла составляла 11 секунд. Работу горелки повторяли до катастрофического отказа электрода, после которого горелка не могла быть использована без замены электрода. Число рабочих циклов, совершенных до разрушения электрода, регистрировали в качестве эксплуатационной долговечности электрода. Данные относительно эксплуатационной долговечности, приведенные в таблице на фиг.15, основаны на проведении каждого испытания 3 раза и усреднении полученных результатов.

Результаты эксперимента показывают, что эксплуатационная долговечность текстурированного электрода 37, встроенного в горелку, которая работает при силе тока 80 ампер, обычно увеличивается при увеличении стандартной скорости течения, получаемом за счет снижения площади поперечного сечения газового канала 133 между электродом и наконечником 131, при поддержании постоянной силы тока и стандартной объемной скорости течения. Несмотря на то, что это и не является сильно выраженным, эксплуатационная долговечность текстурированного электрода 37, встроенного в горелку, которая работает при силе тока 40 ампер, также увеличивается при увеличении стандартной скорости течения, получаемом за счет снижения площади поперечного сечения газового канала 133, при поддержании постоянной силы тока и стандартной объемной скорости течения.

Однако результаты испытаний показывают, что при использовании нетекстурированного электрода в горелке повышение стандартной скорости течения рабочего газа, который образует завихрения внутри газового канала 133, имеет малое влияние, совсем не влияет или в действительности снижает эксплуатационную долговечность электрода, когда силу тока и стандартную объемную скорость течения поддерживают постоянными. Следовательно, результирующие преимущества, полученные за счет повышения стандартной скорости течения рабочего газа, который образует завихрения внутри газового канала (например, за счет снижения площади поперечного сечения газового канала), достигаются в сочетании с использованием текстурированного электрода 37, который способен создавать турбулентность газа, протекающего поверх внешней поверхности электрода.

Кроме того, нашли, что в случае использования в горелке электрода, который имеет главным образом идущие по окружности канавки, эксплуатационная долговечность такого электрода существенно меньше, чем текстурированных электродов 37, испытанных при аналогичных стандартных скоростях потока, при такой же силе тока и таком же стандартном объемном расходе. Следовательно, для плазменной горелки, в которой рабочий газ образует завихрения внутри газового канала 133 относительно электрода 37, идущие продольно канавки обеспечивают существенно большую эксплуатационную долговечность электрода, чем главным образом ориентированные по окружности канавки.

Сравнение данных испытаний, в которых горелка работала при силе тока 80 ампер, с испытаниями, в которых горелка работала при силе тока 40 ампер, показывает, что стандартная скорость течения и соответственно эксплуатационная долговечность текстурированного электрода 37 увеличены для горелки, которая работает при силе тока 40 ампер, за счет снижения площади поперечного сечения газового канала 133, при снижении силы тока и стандартной объемной скорости течения. Таким образом, снижение стандартной объемной скорости течения, которое обычно связано со снижением силы тока, может быть преодолено за счет уменьшения площади поперечного сечения газового канала 133, что позволяет поддерживать желательную стандартную скорость течения в газовом канале. Например, площадь поперечного сечения газового канала 133 преимущественно выбирают для той силы тока, при которой будет работать горелка, таким образом, что стандартная скорость течения в газовом канале составляет по меньшей мере около 140 футов в секунду, преимущественно по меньшей мере около 160 футов в секунду, а еще лучше около 190 футов в секунду.

Следовательно, в соответствии с дополнительным аспектом настоящего изобретения может быть предусмотрен набор электродов 37, в котором каждый электрод соответствует определенной силе тока и имеет текстурированную поверхность 76, например, с канавками 82 (фиг.10b), которые идут в осевом направлении, для содействия турбулентности рабочего газа, протекающего поверх внешней поверхности электрода, когда рабочий газ образует завихрения внутри газового канала. Более конкретно, увеличивают внешний диаметр (например, внешнюю поверхность) электрода 133, или, в более широком смысле, увеличивают площадь поперечного сечения электрода, по мере того, как снижается сила тока, при которой работает горелка. За счет повышения площади поперечного сечения электрода 37 площадь поперечного сечения газового канала 133 соответственно снижается при снижения силы тока для поддержания желательной стандартной скорости течения в газовом канале.

В альтернативном варианте могут быть предусмотрены наборы наконечников 131 для горелки, которая имеет текстурированный электрод 37, позволяющие создавать турбулентность газа и завихрения в газовом канале 133 относительно внешней поверхности электрода. Каждый из наконечников 131 соответствует силе тока, при которой может работать горелка. Более конкретно, центральное выходное отверстие 145 наконечника 131 уменьшается по мере снижения силы тока, при которой работает горелка. Внутренний диаметр (например, внутренняя поверхность) наконечника 131 уменьшается, так чтобы площадь поперечного сечения газового канала 133 соответствующим образом уменьшалась, когда сила тока, при которой работает горелка, снижается, для поддержания желательной стандартной скорости течения в газовом канале.

В другом варианте могут быть предусмотрены наборы электродов 37 и наконечников 131, причем каждый набор включает в себя электрод, имеющий текстурированную внешнюю поверхность 76, и один наконечник. Каждый набор соответствует определенной силе тока, при которой может работать горелка. Центральное выходное отверстие 145 наконечника 131 уменьшается по мере снижения силы тока, при которой может работать горелка. Внешний диаметр электрода 37 и внутренний диаметр наконечника 131 выбраны относительно друг друга таким образом, что площадь поперечного сечения газового канала 133 соответственно снижается по мере снижения силы тока, при которой работает горелка, чтобы главным образом поддерживать желательную стандартную скорость течения в газовом канале.

Следовательно, указанные наборы выполнены таким образом, что размеры газового канала 133 для каждого набора уменьшаются по мере снижения силы тока (ампер). Таким образом, если стандартный объемный расход снижается при меньшей силе тока, то уменьшенные размеры газового канала 133 будут приводить к увеличению стандартной скорости течения в газовом канале, для улучшения охлаждения даже при более низком стандартном объемном расходе. Площадь поперечного сечения кольцевого газового канала 133 каждого набора может быть изменена за счет изменения размеров электрода 37 и/или наконечника 131, чтобы обеспечить желательную стандартную скорость течения через газовый канал для повышения эксплуатационной долговечности электрода.

На фиг.11 показана головка 31 плазменной горелки (фиг.1) с внешней поверхностью 90 наконечника горелки 131, которая является шероховатой или иными образом текстурированной в соответствии с настоящим изобретением. В этом варианте конвекционное охлаждение наконечника горелки 131 достигается за счет пропускания потока не образующего завихрения газа через вторичный газовый канал 149 поверх текстурированной внешней поверхности 90 наконечника. Следует, однако, иметь в виду, что газ во вторичном газовом канале может образовывать завихрения, что не выходит за рамки настоящего изобретения. Текстурированная внешняя поверхность 90 наконечника 131 может быть образована за счет главным образом концентрических канавок 92 на внешней поверхности наконечника, расположенных с промежутками друг от друга вдоль указанной поверхности, или за счет одной или нескольких спиральных канавок (не показано), ориентированных на внешней поверхности наконечника по часовой стрелке или против часовой стрелки, таким образом, что канавки идут главным образом крестообразно относительно направления протекания газа через вторичный газовый канал 149.

На фиг.11а показана головка горелки 31 (фиг.11), в которой внутренняя поверхность 94 наконечника горелки 131 является шероховатой или иными образом текстурированной в соответствии с настоящим изобретением. В этом варианте конвекционное охлаждение наконечника горелки 131 достигается за счет пропускания газа вниз через газовый канал 133, главным образом в направлении завихрения поверх текстурированный внутренней поверхности 94 наконечника. Текстурированная внутренняя поверхность 94 наконечника 131 может быть образована при помощи идущих по оси канавок 96 на внутренней поверхности наконечника, или при помощи впадин (не показаны, но являются аналогичными впадинам 80 электрода 37 на фиг.10а), или же при помощи одной или нескольких спиральных канавок (не показаны, но являются аналогичными канавкам 84 электрода 37 фиг.10с). В этом случае идущие по оси канавки 96 или спиральные канавки ориентированы главным образом крестообразно относительно направления протекания газа, который образует завихрения относительно электрода внутри газового канала 133 поверх внутренней поверхности наконечника.

На фиг.12 показан другой вариант головки 431 плазменной горелки в соответствии с настоящим изобретением. Эта горелка с использованием двух типов газа, в которой вторичный рабочий газ, разделенный от первичного рабочего газа, используют при работе горелки. В этой горелке первичный рабочий газ входит в горелку через впуск 494 и проходит через газовый канал 433, образованный между электродом 437 и наконечником 531, после чего выпускается из горелки через центральное выходное отверстие 566 наконечника. Головка горелки 431 имеет блок экранирующего колпачка 596, который содержит экранирующий колпачок 539, главным образом охватывающий наконечник горелки 531 с промежутком от него и частично образующий вторичный газовый канал 549. Блок 596 также содержит фиксатор 598, предназначенный для крепления блока экранирующего колпачка к корпусу горелки 600. Вторичный рабочий газ поступает в головку горелки 431 через вторичный впуск 602 и проходит через горелку во вторичный газовый канал 549, после чего выпускается из горелки через центральное выпускное отверстие 551 экранирующего колпачка 539.

Как это показано на фиг.12, внутренняя поверхность 604 экранирующего колпачка 539 в соответствии с настоящим изобретением является шероховатой или иными образом текстурированной. Конвекционное охлаждение экранирующего колпачка 539 указанного варианта достигается за счет пропускания не образующего завихрения вторичного рабочего газа через вторичный газовый канал 549, главным образом в осевом направлении поверх внутренней поверхности 604 экранирующего колпачка 539. Однако следует иметь в виду, что вторичный газ может протекать через вторичный газовый канал и с образованием завихрения, что не выходит за рамки настоящего изобретения. Текстурированная внутренняя поверхность 604 экранирующего колпачка 539 может быть образована при помощи концентрических канавок 606 на внутренней поверхности, расположенных с промежутками вдоль указанной внутренней поверхности, или при помощи одной или нескольких спиральных канавок (не показано), ориентированных по часовой стрелке или против часовой стрелки, таким образом, что канавки идут главным образом крестообразно относительно направления протекания вторичного рабочего газа через вторичный газовый канал 549.

Несмотря на то, что текстурированные поверхности расходуемых деталей горелки описаны выше и показаны на чертежах, как образованные за счет врезания в поверхность расходуемой детали, следует иметь в виду, что текстурированная поверхность может быть образована и за счет выступов на поверхности детали, например, таких как ребра (гофры) на поверхности детали, что не выходит за рамки настоящего изобретения.

Варианты, которые описаны выше и показаны на чертежах, могут быть использованы в сочетании друг с другом для повышения эксплуатационной долговечности всех расходуемых деталей плазменной горелки. Например, можно предусмотреть текстурирование противоположных поверхностей, которые образуют кольцевой газовый канал 133 (например, текстурирование внешней поверхности электрода 37 и внутренней поверхности наконечника 131 или внешней поверхности наконечника и внутренней поверхности экранирующего колпачка 549), для создания дополнительной турбулентности в гидродинамическом пограничном слое охлаждающего газа, для дальнейшего улучшения конвекционного охлаждения каждой расходуемой детали.

Из приведенного описания можно сделать вывод о том, что поставленные задачи изобретения решены, при этом достигнуты и другие положительные результаты.

Несмотря на то, что был описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, совершенно ясно, что он дан только в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи, причем в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят однако за рамки приведенной далее формулы изобретения.

Изобретение относится к плазменным горелкам и способу улучшения эксплуатационной долговечности расходуемых деталей плазменной горелки, а именно электрода, наконечника и экранирующего колпачка. Способ предусматривает создание турбулентности газа при его протекании поверх открытых поверхностей электрода, наконечника и экранирующего колпачка для повышения турбулентности в гидродинамическом пограничном слое газового потока, в результате чего усиливается конвекционная теплопередача. В результате усиления охлаждения повышается эксплуатационная долговечность расходуемых деталей. Для повышения турбулентности газового потока, например поверх внешней поверхности электрода, электрод плазменной горелки имеет шероховатую или текстурированную внешнюю поверхность, имеющую углубления, идущие по оси канавки, или спиральные канавки, образованные на внешней поверхности электрода. Внутренняя и внешняя поверхности наконечника и внутренняя поверхность экранирующего колпачка также могут быть текстурированными. 15 н. и 59 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Плазменная горелка, которая содержит:

катод;

электрод, электрически соединенный с катодом; и

наконечник, охватывающий участок электрода с промежутком от него, образующим газовый канал, причем газовый канал имеет сообщение с источником рабочего газа для подачи рабочего газа в газовый канал, так что рабочий газ внутри газового канала образует поток, имеющий ламинарный пограничный слой, примыкающий к внешней поверхности электрода, при этом наконечник имеет центральное выходное отверстие, которое имеет сообщение с газовым каналом;

причем внешняя поверхность электрода является текстурированной для усиления турбулентности рабочего газа, протекающего в ламинарном пограничном слое, но без воздействия на режим течения в объемной области над ламинарным пограничным слоем, причем рабочий газ образует завихрения внутри газового канала для усиления конвекционного охлаждения электрода.

катод;

электрод, электрически соединенный с катодом; и

наконечник, охватывающий участок электрода с промежутком от него, образующим первичный газовый канал между наконечником и электродом, причем первичный газовый канал имеет сообщение с источником первичного рабочего газа для подачи первичного рабочего газа в газовый канал таким образом, что первичный рабочий газ образует поток с ламинарным пограничным слоем, примыкающим к внутренней поверхности наконечника, при этом наконечник имеет центральное выходное отверстие, которое имеет сообщение с газовым каналом;

причем внутренняя поверхность наконечника является текстурированной для содействия турбулентности рабочего газа, протекающего в ламинарном пограничном слое, но без воздействия на режим течения в объемной области над ламинарным пограничным слоем, для усиления конвекционного охлаждения наконечника.

катод;

электрод, электрически соединенный с катодом;

наконечник, охватывающий участок электрода с промежутком от него, образующим первичный газовый канал между наконечником и электродом, причем первичный газовый канал имеет сообщение с источником первичного рабочего газа, для подачи первичного рабочего газа в газовый канал, при этом наконечник имеет центральное выходное отверстие, которое имеет сообщение с газовым каналом; и

экранирующий колпачок, охватывающий наконечник с промежутком от внешней поверхности наконечника, образующий вторичный газовый канал, предназначенный для пропускания газа через горелку поверх внешней поверхности наконечника, и образующий поток, имеющий ламинарный пограничный слой, примыкающий к внешней поверхности наконечника, причем экранирующий колпачок имеет, по меньшей мере, одно выполненное в нем отверстие, предназначенное для выпуска из горелки газа, протекающего во вторичном газовом канале;

причем внешняя поверхность наконечника является текстурированной для содействия турбулентности газа, протекающего в ламинарном пограничном слое, но без воздействия на режим течения в объемной области над ламинарным пограничным слоем, при этом в рабочем газе в ламинарном пограничном слое создается турбулентность для усиления конвекционного охлаждения наконечника.

катод;

электрод, электрически соединенный с катодом;

наконечник, охватывающий электрод с промежутком от него, образующим первичный газовый канал, причем первичный газовый канал имеет сообщение с источником первичного рабочего газа, предназначенным для подачи первичного рабочего газа в газовый канал, при этом наконечник имеет центральное выходное отверстие, которое имеет сообщение с газовым каналом; и

экранирующий колпачок, охватывающий наконечник с промежутком от него, образующим вторичный газовый канал между внутренней поверхностью колпачка и наконечником, предназначенный для пропускания газа через горелку поверх внутренней поверхности колпачка, и образующий поток, имеющий ламинарный пограничный слой, примыкающий к внутренней поверхности экранирующего колпачка, причем экранирующий колпачок имеет, по меньшей мере, одно выполненное в нем отверстие, предназначенное для выпуска из горелки газа, протекающего во вторичном газовом канале;

при этом внутренняя поверхность экранирующего колпачка является текстурированной для усиления турбулентности газа, протекающего в ламинарном пограничном слое, но без воздействия на режим течения в объемной области над ламинарным пограничным слоем, для усиления конвекционного охлаждения экранирующего колпачка.

верхний конец, приспособленный для электрического соединения с катодом;

нижнюю торцевую поверхность, которая имеет выемку;

вставку, установленную в выемке нижней торцевой поверхности, причем указанная вставка изготовлена из эмиссионного материала; и

продольный участок электрода, промежуточный между верхним концом и нижней торцевой поверхностью электрода, причем внешняя поверхность указанного продольного участка электрода является текстурированной для усиления турбулентности рабочего газа, протекающего в ламинарном пограничном слое, но без воздействия на режим течения в объемной области над ламинарным пограничным слоем, для усиления конвекционного охлаждения электрода.

нижний конец, имеющий центральное выходное отверстие, которое имеет сообщение с первичным газовым каналом для выпуска рабочего газа из первичного газового канала; и

внутреннюю поверхность, текстурированную для усиления турбулентности газа, протекающего в ламинарном пограничном слое, но без воздействия на режим течения в объемной области над ламинарным пограничным слоем, для усиления конвекционного охлаждения наконечника.

нижний конец, имеющий центральное выходное отверстие, которое имеет сообщение с первичным газовым каналом для выпуска рабочего газа из первичного газового канала; и

внешнюю поверхность, текстурированную для усиления турбулентности газа, протекающего в ламинарном пограничном слое, но без воздействия на режим течения в объемной области над ламинарным пограничным слоем для усиления конвекционного охлаждения наконечника.

нижний конец, имеющий, по меньшей мере, одно выходное отверстие, которое имеет сообщение со вторичным газовым каналом для выпуска рабочего газа из вторичного газового канала; и

внутреннюю поверхность, текстурированную для усиления турбулентности газа, протекающего в ламинарном пограничном слое, но без воздействия на режим течения в объемной области над ламинарным пограничным слоем для усиления конвекционного охлаждения экранирующего колпачка.

по меньшей мере, два взаимозаменяемых электрода, причем каждый электрод соответствует различной силе тока, при которой работает горелка, при этом внешняя поверхность каждого электрода текстурирована для содействия турбулентности рабочего газа, протекающего поверх внешней поверхности электрода, когда рабочий газ образует завихрения относительно электрода в газовом канале, причем площадь поперечного сечения текстурированной внешней поверхности каждого электрода увеличивается по мере снижения силы тока, при которой работает горелка, за счет чего уменьшается площадь поперечного сечения газового канала при снижения силы тока.

по меньшей мере, два взаимозаменяемых наконечника, причем каждый наконечник соответствует различной силе тока, при которой работает горелка, при этом центральное выходное отверстие наконечников главным образом уменьшается при уменьшении силы тока, при которой работает горелка, причем каждый наконечник имеет внутреннюю поверхность, ограничивающую внутреннюю площадь поперечного сечения наконечника, при этом внутренняя площадь поперечного сечения наконечников главным образом возрастает по мере снижения силы тока, при которой работает горелка.

множество наборов электродов и наконечников, причем каждый набор соответствует различной силе тока, при которой работает горелка, при этом каждый набор содержит электрод, имеющий текстурированную внешнюю поверхность для содействия турбулентности рабочего газа, протекающего поверх внешней поверхности электрода, когда рабочий газ образует завихрения относительно электрода, и наконечник, причем размер центрального выходного отверстия наконечника снижается в каждом наборе по мере снижения силы тока, при котором работает горелка, при этом электрод и наконечник каждого набора имеют согласованные друг с другом размеры таким образом, что площадь поперечного сечения газового канала, образованного между ними, снижается для каждого набора по мере снижения силы тока, при котором работает горелка.

пропускание рабочего газа через газовый канал и его выпуск из горелки через центральное выходное отверстие наконечника, причем рабочий газ образует завихрения внутри газового канала относительно электрода при протекании поверх внешней поверхности электрода, когда его направляют через газовый канал для создания потока, имеющего ламинарный пограничный слой, примыкающий к внешней поверхности электрода; и

создание турбулентности газа в ламинарном пограничном слое, но без воздействия на режим течения в объемной области над ламинарным пограничным слоем, когда газ направляют через газовый канал для усиления турбулентного течения в пограничном слое, для усиления конвекционного охлаждения электрода, в результате чего улучшается эксплуатационная долговечность электрода.

направление рабочего газа через вторичный газовый канал для выпуска из горелки через, по меньшей мере, одно отверстие экранирующего колпачка, причем рабочий газ протекает поверх внешней поверхности наконечника горелки, когда его направляют через вторичный газовый канал для создания потока, имеющего ламинарный пограничный слой, примыкающий к внешней поверхности наконечника; и

создание турбулентности газа в ламинарном пограничном слое, но без воздействия на режим течения в объемной области над ламинарным пограничным слоем, когда газ направляют через вторичный газовый канал для усиления турбулентного течения в пограничном слое, для усиления конвекционного охлаждения наконечника горелки, в результате чего улучшается эксплуатационная долговечность наконечника горелки.

направление рабочего газа через вторичный газовый канал для выпуска из горелки через, по меньшей мере, одно отверстие экранирующего колпачка, причем рабочий газ протекает поверх внутренней поверхности экранирующего колпачка, когда его направляют через вторичный газовый канал для создания потока, имеющего ламинарный пограничный слой, примыкающий к внутренней поверхности экранирующего колпачка; и

создание турбулентности газа в ламинарном пограничном слое, но без воздействия на режим течения в объемной области над ламинарным пограничным слоем, когда газ направляют через вторичный газовый канал для усиления турбулентного течения в пограничном слое, для усиления конвекционного охлаждения экранирующего колпачка, в результате чего улучшается эксплуатационная долговечность экранирующего колпачка.

текстурирование поверхности, по меньшей мере, только электрода или только наконечника для содействия турбулентности потока в ламинарном пограничном слое, но без воздействия на режим течения в объемной области над ламинарным пограничным слоем;

изменение силы электрического тока, подводимого к электроду; и

изменение одного или обоих следующих параметров в зависимости от изменения тока стандартного объемного расхода газа через указанный кольцевой газовый канал и размеров кольцевого газового канала.