ФОРСУНКА ДУГОВОЙ ПЛАЗМЕННОЙ ГОРЕЛКИ С КРИВОЛИНЕЙНОЙ ДИСТАЛЬНОЙ КОНЦЕВОЙ ЗОНОЙ Российский патент 2018 года по МПК H05H1/34 

Область техники

[0001] Настоящее изобретение относится к форсунке дуговой плазменной горелки.

Уровень техники

[0002] В дуговых плазменных горелках часто используется защитная насадка в комбинации с форсункой для направления защитного газа на поток ионизированной плазмы, истекающий из плазменной форсунки. Некоторые из этих защитных насадок выполнены таким образом, чтобы направлять защитный газ перпендикулярно пути ионизированной плазмы, что, как считается, обеспечивает лучшее охлаждение и защиту форсунки от зашлаковывания, а другие направляют защитный газ, по существу, параллельно газу ионизированной плазмы, что, как считается, улучшает устойчивость плазменной дуги и качество резки и предотвращает повышенный износ электрода горелки под действием эрозии. Альтернативный подход использован фирмой ESAB АВ в горелках, таких как модель РТ-19™, где защитный газ направляется к плазменной дуге под углом, пересекающим дугу над обрабатываемой деталью, чтобы обеспечивать баланс между преимуществами охлаждения и защиты форсунки и преимуществом устойчивости получаемой дуги. Все эти подходы обсуждены в патенте US 8,395,077, в котором предложен предпочтительный ряд геометрических форм для комбинации защитной насадки с форсункой, направляющими газ под углом.

[0003] На фиг. 1 показана в стилизованном виде в разрезе часть известной из уровня техники дуговой плазменной горелки 10, которая направляет защитный газ под углом, как в решении по патенту US 8,395,077. Горелка содержит форсунку 12, имеющую дистальную концевую зону 14 с конической наружной поверхностью 16, причем конус определен заданным диапазоном половинного угла α конуса к оси 18 форсунки. Соответствующая защитная насадка 20 содержит внутреннюю коническую поверхность с таким же половинным углом β. Сочетание конической наружной поверхности 16 дистальной концевой зоны 14 и конической внутренней поверхности 22 защитной насадки 20 служит для образования наклонного кольцевого прохода 24 для направления защитного газа к ионизированной плазме под углом γ к оси 18 форсунки (который определяется углами α и β поверхностей форсунки и защитной насадки). Коническая наружная поверхность 16 заканчивается на дистальной торцевой стороне 26 форсунки 12, причем эта дистальная торцевая сторона 26 окружает отверстие 28 форсунки и имеет диаметр Ф1 торцевой стороны. Отверстие 28 форсунки имеет проходной диаметр D, причем в патенте US 8,395,077 указаны предпочтительные отношения Ф1:D в ряду различных параметров, которые обеспечивают улучшенную работу горелки. Диаметр Ф1 торцевой стороны и угол γ защитной насадки дают пересечение газа с плазменной дугой в точке слияния М.

Сущность изобретения

[0004] Задачей настоящего изобретения является создание форсунки для дуговой плазменной горелки, которая направляет защитный газ для обеспечения лучшего охлаждения и более равномерного распределения защитного газа для получения лучшего охлаждения форсунки и снижения неустойчивости плазменной дуги по сравнению с форсунками, известными из уровня техники.

[0005] Форсунка содержит продольное сквозное отверстие форсунки, симметрично расположенное вокруг продольной оси форсунки. Форсунка и горелка содержат конструктивные элементы, которые при прикреплении к форсунке обеспечивают совпадение оси форсунки с осью горелки. Отверстие форсунки заканчивается у концевой плоскости форсунки, перпендикулярной оси форсунки. В типовом случае газонаправляющий элемент, такой как защитная насадка или дефлектор, прикреплен к горелке и окружает, по меньшей мере, часть форсунки, при этом защитная насадка или дефлектор служат для направления защитного газа по поверхности форсунки.

[0006] Форсунка содержит дистальную концевую зону с выпуклой боковой стенкой переменной кривизны, которая заканчивается у концевой плоскости форсунки; боковая стенка дистальной зоны может заканчиваться у отверстия форсунки или примыкать к дистальной торцевой стороне, которая окружает отверстие форсунки и лежит в концевой плоскости форсунки. Боковая стенка дистальной зоны является поверхностью вращения, образованной вращением криволинейного элемента вокруг оси форсунки, причем криволинейный элемент имеет переменную (некруглую) выпуклую кривизну, так что ее наклон относительно концевой плоскости форсунки возрастает в возрастающей мере при приближении криволинейного элемента к концевой плоскости форсунки. Кроме того, кривизна криволинейного элемента такова, что он, по существу, тангенциален концевой плоскости форсунки в месте ее пересечения. В некоторых примерах выполнения криволинейный элемент представляет собой участок эллипса, но для получения плавно переменной кривизны могут использоваться аппроксимирующие эллипс альтернативные контуры, такие как параболические или гиперболические кривые. Когда кривизна не тангенциальна концевой плоскости форсунки, ее угол к этой плоскости в точке пересечения, предпочтительно, выдерживается относительно малым для обеспечения достаточно плавного перехода, чтобы часть газа следовала близко к поверхности форсунки. Одним из признаков этой плавности является отсутствие резких изменений контура, которые вызывали бы нарушение непрерывности второй производной кривой криволинейного элемента в месте его соединения с частью дистальной концевой зоны, лежащей в концевой плоскости форсунки, при этом данная зона является либо дистальной торцевой стороной, либо кругом, определяющим конец отверстия форсунки. Другой признак плавного перехода может определяться углом ε проекции между концевой плоскостью форсунки и линией, проходящей тангенциально криволинейному элементу в точке, где криволинейный элемент пересекает эту плоскость. Формирование дистальной концевой зоны с боковой стенкой, которая образована криволинейным элементом с малым углом ε проекции, дает большую свободу конструкции и может позволять обеспечивать более значительную массу форсунки в области, окружающей отверстие форсунки.

[0007] Плавная кривизна боковой стенки дистальной зоны служит для того, чтобы направлять защитный газ и позволять значительной части защитного газа оставаться в непосредственной близости к той части дистальной концевой зоны, которая находится в непосредственной близости к отверстию форсунки, чтобы обеспечивать более интенсивное охлаждение этой части форсунки. Представляется, что эта тенденция обусловлена эффектом Коанда, согласно которому текучая среда как бы притягивается к ближайшей поверхности; это притяжение служит для удержания текучей среды в контакте с поверхностью, если изменения кривизны поверхности достаточно постепенны. Тенденция удержания части защитного газа в непосредственной близости к дистальной концевой зоне служит также для более широкого, более равномерного распределения газа, что, как считается, снижает неустойчивость, вызываемую столкновением защитного газа с плазменной дугой. Результатом повышенной устойчивости дуги может быть улучшенное качество резки, а предварительные испытания показали, что использование эллиптической поверхности намного увеличивает срок службы форсунки; представляется, что причиной этого увеличения является сочетание более интенсивного охлаждения форсунки и снижение эрозии форсунки, через которую проходит дуга, при этом снижение эрозии является результатом снижения неустойчивости плазменной дуги.

[0008] В некоторых вариантах осуществления форсунка содержит также продолжающую зону, соединенную с дистальной концевой зоной. Продолжающая зона форсунки содержит продолжающую боковую стенку, которая симметрична относительно оси форсунки и образована вращением вокруг оси форсунки продолжающего элемента, который может быть прямым или криволинейным. Продолжающая зона форсунки соединена с дистальной концевой зоной таким образом, что продолжающая боковая стенка примыкает к боковой стенке дистальной зоны и продолжает ее. Во многих примерах исполнения, предпочтительно, переход между боковой стенкой дистальной зоны и продолжающей боковой стенкой выполнен плавным, чтобы предотвращать разрыв газового потока. Плавный переход способствует следованию газового потока вдоль поверхности и помогает предотвращать разрыв потока при его проходе по стыку между боковыми стенками.

[0009] В некоторых вариантах осуществления продолжающая боковая стенка образована криволинейным элементом, который построен таким образом, что наклон продолжающего криволинейного элемента к оси форсунки возрастает по мере его удаления от концевой плоскости форсунки, образуя вогнутую форму продолжающей боковой стенки. Наличие такой «вогнутой» конфигурации продолжающей боковой стенки может позволять сделать продолжающую зону форсунки более массивной. В других примерах выполнения продолжающая боковая стенка образована выпуклой поверхностью переменной кривизны, образованной вращением вокруг оси форсунки продолжающего криволинейного элемента переменной кривизны; в этом случае продолжающий криволинейный элемент предпочтительно тангенциален криволинейному элементу, который образует дистальную концевую зону в месте соединения двух зон.

[0010] Когда горелка содержит газонаправляющий элемент, этот газонаправляющий элемент имеет соединительное устройство, которое прикрепляет его к горелке, и частично окружает форсунку. Когда в качестве газонаправляющего элемента используется защитная насадка, она выполнена таким образом, что имеет газонаправляющую внутреннюю поверхность, которая отстоит от боковой стенки дистальной зоны с образованием между форсункой и защитной насадкой кольцевого прохода, через который охлаждающий газ проходит при работе горелки. Газонаправляющая поверхность примыкает к отверстию защитной насадки, которое расположено симметрично относительно оси форсунки и служит для прохода как плазменной дуги, так и защитного газа через защитную насадку. При использовании обычной защитной насадки с конической газонаправляющей поверхностью кривизна боковой стенки дистальной зоны приводит к увеличению расстояния между боковой стенкой дистальной зоны форсунки и газонаправляющей поверхностью защитной насадки по мере приближения защитного газа к концу кольцевого прохода, через который газ выходит. Представляется, что это увеличение расстояния в сочетании с тенденцией газа следовать вдоль плавно криволинейной боковой стенки дистальной зоны обеспечивает более равномерное распределение газа для снижения его разрушительного воздействия на устойчивость плазменной дуги и в то же время позволяет значительной части газа оставаться в непосредственной близости к форсунке для усиления его способности охлаждать и защищать форсунку. Защитная насадка имеет отверстие, симметрично расположенное относительно оси форсунки, и в типовом случае предпочтительно, чтобы отверстие защитной насадки сопрягалось и газонаправляющей поверхностью с закруглением по радиусу, чтобы дополнительно выравнивать распределение газа и снижать турбулентность с целью снижения воздействия защитного газа на устойчивость плазменной дуги.

[0011] Такое выполнение форсунки и защитной насадки дает множество преимуществ в том, что расширение расстояния между форсункой и защитной насадкой более равномерно распределяет поток охлаждающего газа по сравнению с проходом, ограниченным поверхностями с прямыми коническими боковыми стенками, что должно снижать неустойчивость плазменной дуги вследствие столкновения с ней защитного газа. Дополнительно плавный переход между боковой стенкой дистальной зоны и дистальной торцевой стороной форсунки способствует следованию газа вдоль поверхности форсунки для дальнейшего усиления охлаждения с целью снижения рабочей температуры дистальной концевой зоны форсунки, в особенности в зоне, окружающей отверстие форсунки. Представляется, что плавный поток и большее распределение газового потока в результате расширения кольцевого прохода смещают центр массы потока к дистальной торцевой стороне форсунки и обеспечивают более широкое распределение газа, что повышает устойчивость ионизированной плазмы и увеличивает отвод тепла от форсунки.

[0012] В примерах применения, где в качестве газонаправляющего элемента вместо защитной насадки используется дефлектор, существуют некоторые отличия в характере газонаправляющей поверхности дефлектора, который проходит только вдоль части наружной поверхности форсунки. Для того, чтобы способствовать газовому потоку следовать вдоль наружной поверхности форсунки, наружная поверхность должна иметь контур с плавными переходами между участками. Хотя здесь дефлектор также имеет газонаправляющую поверхность на расстоянии от форсунки, концевой край дефлектора не должен быть закруглен, и в типовом случае газонаправляющая поверхность заканчивается под прямым или под тупым углом. В каждом случае этот резкий угол снижает тенденцию выходящего из дефлектора газа отклоняться от следования вдоль наружной поверхности форсунки. В некоторых примерах выполнения, хотя дефлектор и имеет длину короче форсунки, он окружает часть дистальной концевой зоны форсунки.

Краткое описание чертежей

[0013] Фиг. 1 изображает в продольном разрезе часть известной из уровня техники дуговой плазменной горелки, показывая дистальную концевую зону форсунки, а также защитную насадку и часть электрода. Форсунка и насадка имеют обращенные друг к другу поверхности усеченных конусов, которые образуют кольцевой проход для направления защитного газа таким образом, что он сталкивается с плазменной дугой под углом.

[0014] Фиг. 2 изображает в разрезе вид, соответствующий виду по фиг. 1, но здесь в горелке использована форсунка в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения. В этом примере форсунка содержит дистальную концевую зону, которая заканчивается на дистальной торцевой стороне, лежащей в концевой плоскости форсунки, перпендикулярной оси форсунки, а отверстие форсунки заканчивается на дистальной торцевой стороне. Дистальная концевая зона имеет выпуклую боковую стенку переменной кривизны, которая образована в виде поверхности вращения участка эллипса вокруг оси форсунки. Эллипс, который служит криволинейным элементом для генерирования поверхности вращения, имеет большую ось, наклоненную к оси форсунки, и расположен таким образом, что пересекает концевую плоскость форсунки в точке, где он, по существу, тангенциален ей. В типовом случае эта точка находится в непосредственной близости к одному концу большой оси эллипса и в данном варианте осуществления там, где боковая стенка дистальной зоны примыкает к дистальной торцевой стороне.

[0015] Фиг. 3 изображает вид в разрезе, показывающий дистальную концевую зону согласно другому варианту осуществления изобретения. Эта форсунка содержит дистальную концевую зону с выпуклой боковой стенкой переменной кривизны, которая образована в виде поверхности вращения участка параболы вокруг оси форсунки. Ось симметрии параболы наклонена к оси форсунки, а парабола расположена таким образом, что она, по существу, тангенциальна концевой плоскости форсунки в месте пересечения этой плоскости.

[0016] Фиг. 4 изображает на виде в разрезе другой вариант осуществления изобретения, в котором форсунка содержит дистальную концевую зону с выпуклой боковой стенкой переменной кривизны, образованной в виде поверхности вращения эллипса вокруг оси форсунки и переходящей в продолжающую боковую стенку; в этом варианте осуществления продолжающая боковая стенка является поверхностью, образованной вращением продолжающего криволинейного элемента, имеющего дугу, которая тангенциальна эллипсу, образующему боковую стенку дистальной концевой зоны, с образованием вогнутой поверхности. Этот профиль допускает более широкий ряд геометрий для удовлетворения потребностей конструктора в отношении потока, распределения и направления защитного газа.

[0017] Фиг. 5 изображает на виде в разрезе другой пример выполнения изобретения, в котором форсунка содержит дистальную концевую зону с выпуклой боковой стенкой переменной кривизны, которая служит для ограничения отверстия форсунки; в этом варианте осуществления нет дистальной торцевой стороны. Боковая стенка дистальной концевой зоны образована вращением участка эллипса, который по существу тангенциален концевой плоскости форсунки в точке, где он пересекает как концевую плоскость форсунки, так и отверстие форсунки.

[0018] Фиг. 6 изображает в разрезе форсунку, показанную на фиг. 2, при использовании с новой защитной насадкой, имеющей криволинейную газонаправляющую поверхность, расположенную напротив боковой стенки дистальной зоны форсунки. Кривая газонаправляющей поверхности выбрана по отношению к кривой боковой стенки дистальной зоны таким образом, что эти поверхности расходятся по мере того как боковая стенка дистальной зоны приближается к концевой плоскости форсунки, в которой лежит ее дистальная торцевая сторона. Использование криволинейной или граненой газонаправляющей поверхности защитной насадки позволяет более точно назначать расстояние между форсункой и защитной насадкой.

[0019] Фиг. 7 изображает в разрезе часть форсунки согласно другому варианту осуществления изобретения, в котором дистальная концевая зона форсунки соединена с продолжающей зоной. Хотя в этом варианте осуществления форсунки может использоваться с защитной насадкой, могут быть получены преимущества при использовании дефлектора, который проходит только вдоль части форсунки. В этом варианте осуществления дистальный конец и продолжающие зоны выполнены по конфигурации такими, чтобы создавать гладкую непрерывную выпуклую кривую для направления охлаждающего защитного газа по форсунке. Дистальная зона форсунки содержит выпуклую боковую стенку переменной кривизны, образованную основным эллипсом, большая ось которого наклонена к оси форсунки, а продолжающая зона имеет продолжающую поверхность, образованную вторичным эллипсом, большая ось которого параллельна оси форсунки и который тангенциален основному эллипсу; эта конфигурация создает непрерывную выпуклую поверхность для направления защитного газа при сохранении желаемой минимальной толщины дистальной концевой зоны форсунки для облегчения отвода тепла и эффективного охлаждения форсунки.

[0020] Фиг. 8 изображает в разрезе форсунку по фиг. 7, используемую с удлиненным дефлектором для более дальнего направления потока защитного газа. Удлиненный дефлектор содержит концевую зону с газонаправляющей поверхностью, образованную третьим эллипсом, большая ось которого параллельна оси форсунки и который проходит параллельно продолжающей боковой стенке.

[0021] Фиг. 9 изображает в разрезе часть форсунки согласно другому варианту осуществления изобретения. Здесь форсунка также содержит дистальную концевую зону с боковой стенкой дистальной зоны, образованной вращением участка эллипса вокруг оси форсунки. Однако в этом варианте осуществления эллипс выступает за пределы концевой плоскости, а не тангенциален ей. В результате боковая стенка дистальной зоны пересекает дистальную торцевую сторону под небольшим углом, а не тангенциальна ей.

[0022] Фиг. 10 изображает в разрезе часть форсунки согласно другому варианту осуществления изобретения. Форсунка содержит дистальную концевую зону с боковой стенкой, образованной участком эллипса, а также продолжающую зону в форме усеченного конуса, имеющую продолжающую боковую стенку, которая образована вращением участка прямой и тангенциальна боковой стенке дистальной зоны в месте их сопряжения.

[0023] Фиг. 11 изображает в разрезе часть форсунки, подобной форсунке по фиг. 7 и 8, но без продолжающей зоны. Форсунка содержит дистальную концевую зону, образованную участком эллипса, большая ось которого параллельна оси форсунки и который плавно сопрягается с цилиндрической боковой стенкой и с концевой плоскостью форсунки.

[0024] Фиг. 12 изображает форсунку по фиг. 11 при ее использовании в горелке с охватывающей форсунку защитной насадкой вместо горелки с дефлектором.

[0025] Фиг. 13 изображает форсунку, подобную форсунке по фиг. 11 и 12, но здесь эллипс, который определяет боковую стенку дистальной зоны, пересекается с цилиндрической боковой стенкой не тангенциально.

[0026] Фиг. 14 и 15 схематично изображают в упрощенном виде газовый поток в комбинациях форсунки и защитной насадки, показанных соответственно на фиг. 1 и 2. В известной из уровня техники конструкции по фиг. 1 и 14 поток защитного газа отделяется от форсунки в точке, где коническая боковая стенка примыкает к дистальной торцевой стороне, что ограничивает охлаждение дистальной торцевой стороны и создает относительно концентрированный газовый поток, который может вызывать неустойчивость плазменной дуги. По сравнению с этим решением плавно-криволинейная форсунка в соответствии с изобретением по фиг. 2 и 15 обеспечивает плавный переход от боковой стенки к дистальной торцевой стороне, что побуждает часть газового потока, следующего вдоль кривизны боковой стенки, оставаться в непосредственной близости к ней. Обе эти особенности способствуют охлаждению окружающей отверстие зоны форсунки и обеспечивают более широкое равномерное распределение защитного газа для снижения неустойчивости плазменной дуги, что улучшает качество резки и значительно снижает эрозию отверстия форсунки.

[0027] Фиг. 16 и 17 иллюстрируют внешнюю конфигурацию двух форсунок на 260 А, использованных в сравнительных испытаниях для оценки преимущества изобретения, при этом обе форсунки использовались с одними и теми же защитными насадками и другими элементами горелок. Фиг. 16 изображает форсунку согласно изобретению, имеющую боковую стенку дистальной зоны, образованную участком эллипса, и продолжающую зону, образованную вогнутым по радиусу участком и участком, образованным отрезком прямой. Фиг. 17 изображает сравнительную форсунку из уровня техники на 260 А, которая имеет ломаную граненую конфигурацию с неглубокой впадиной, с длинной частью в форме усеченного конуса, соединенной с более короткой частью в форме усеченного конуса с немного большим углом наклона к оси форсунки.

[0028] Фиг. 18 иллюстрируют внешнюю конфигурацию форсунки из уровня техники на 45 А, которая сравнивалась с форсункой согласно изобретению на 45 А, имеющей конфигурацию по фиг. 10. Эта форсунка имеет ломаную граненую конфигурацию с впадиной и содержит дистальную зону в форме усеченного конуса, соединяющейся с продолжающей зоной в форме усеченного конуса, причем наклон боковой стенки продолжающей зоны к оси форсунки существенно больше наклона боковой стенки дистальной зоны. Эта форсунка использовалась с защитной насадкой, имеющей внутреннюю поверхность, ответную наружному контуру форсунки.

Подробное раскрытие изобретения

[0029] На фиг. 2 показана в разрезе часть форсунки 100, представляющей собой один из вариантов осуществления изобретения. Форсунка 100 используется в дуговой плазменной горелке, содержащей защитную насадку 102 (показана только ее часть) и электрод 104 с эмиссионной вставкой 106.

[0030] Форсунка 100 содержит дистальную концевую зону 108 со сквозным продольным отверстием 110. Форсунка 100 и отверстие 110 форсунки симметричны относительно продольной оси 112 форсунки. Отверстие 110 форсунки заканчивается на дистальной торцевой стороне 114, которая имеет диаметр Ф1 и лежит в концевой плоскости 116 форсунки, расположенной перпендикулярно оси 112 форсунки.

[0031] Дистальная концевая зона 108 форсунки содержит выпуклую боковую стенку 118 переменной кривизны, которая является поверхностью, образованной вращением криволинейного элемента вокруг оси 112 форсунки. В форсунке 100 криволинейный элемент является участком эллипса 120, с большой осью 122 и малой осью 124, при этом большая ось 122 наклонена к оси 112 форсунки под углом θ. Участок эллипса 120 расположен таким образом, что он тангенциален концевой плоскости 116 в точке, где он примыкает к дистальной торцевой стороне 114 на одном конце. На другом конце участок эллипса 120 пересекает цилиндрическую боковую стенку 126 форсунки. Участок эллипса, образующий криволинейный элемент, предназначен для формирования непрерывной переменной кривой, которая начинается с минимального наклона относительно оси 112 форсунки в том месте, где она пересекает цилиндрическую боковую стенку 126. Наклон увеличивается, возрастая по мере уменьшения продольного расстояния от концевой плоскости 116 до тех пор, пока эллипс 120 не становится перпендикулярным оси 112 форсунки и, следовательно, тангенциальным концевой плоскости 116 форсунки, где боковая стенка 118 дистальной зоны примыкает к дистальной торцевой стороне 114, лежащей в концевой плоскости 116 форсунки.

[0032] Конкретная геометрия боковой стенки 118 дистальной зоны зависит от требуемой геометрии охватывающих элементов горелки, для которой предназначена форсунка 100. Кривизна эллипса 120 во многом определяется радиусом в точке, где боковая стенка 118 дистальной зоны примыкает к цилиндрической боковой стенке 126, и требуемым радиусом дистальной торцевой стороны 116. Для типовых элементов было установлено эффективным образование эллипса 120, имеющего отношение длины L_Maj большой оси 122 к длине L_min малой оси 124 в диапазоне от 3,5:1 до 9,6:1, при этом более низкое отношение больше подходит для горелок меньшей силы тока (например, 45 А), где скорости защитного газа обычно бывают ниже, а более высокое отношение эффективно для большей силы тока (например, 260 А). Возможно, в некоторых горелках могут быть целесообразны эллипсы за пределами указанного диапазона. Для типовых горелок этот диапазон отношений осей (122, 124) дает тот результат, что большая ось 122 наклонена к оси 112 форсунки таким образом, что угол θ составляет от приблизительно 20° (для эллипсов с малым отношением) до приблизительно 35° (для эллипсов с большом отношением).

[0033] Защитная насадка 102, используемая в форсунке 100 по фиг. 2, содержит внутреннюю газонаправляющую поверхность 128, которая выполнена конической и отстоит от боковой стенки 118 форсунки 100, образуя с ней кольцевой проход 130. Благодаря кривизне боковой стенки 118 дистальной зоны ее расстояние от газонаправляющей поверхности 128 увеличивается по мере приближения кольцевого прохода 130 к концевой плоскости 116 форсунки. Общее поперечное сечение кольцевого прохода 130 уменьшается с уменьшением его локального диаметра; однако это уменьшение общего поперечного сечения меньше, чем уменьшение в горелках, известных из уровня техники, показанное на фиг. 1. Защитная насадка 102 содержит отверстие 132 защитной насадки, расположенное симметрично относительно оси 112 форсунки, и в этом варианте осуществления зона 134 соединения между отверстием 132 насадки и газонаправляющей поверхностью 128 закруглена по радиусу для обеспечения плавного сопряжения этих поверхностей. Плавное сопряжение поверхностей (128, 132) защитной насадки способствует эффекту плавного перехода между боковой стенкой 118 дистальной зоны и дистальной торцевой стороной 114, обеспечивая более ровное, менее турбулентное распределение газового потока для снижения неустойчивости плазменной дуги.

[0034] В дополнение к направлению потока защитного газа к плазменной дуге кольцевой проход 130 проводит защитный газ вдоль дистальной концевой зоны 108 для отвода от нее тепла. Передача тепла от части, которая окружает отверстие 110 форсунки, обеспечивается также теплопроводностью к частям форсунки 100, не подверженным воздействию тепла, генерируемого плазменной дугой. Однако эта теплопроводность ограничена минимальной толщиной t форсунки 100. Это ограничение из-за ограниченного поперечного сечения для передачи тепла может быть снижено путем выбора геометрии форсунки с увеличенной минимальной толщиной, как это будет описано ниже со ссылкой на фиг. 4, и/или путем использования охлаждающей жидкости для форсунки.

[0035] На фиг. 3 показана в разрезе форсунка 200 согласно другому варианту осуществления. Форсунка 200 также содержит дистальную концевую зону 202 с выпуклой боковой стенкой 204 переменной кривизны, которая по существу тангенциальна дистальной торцевой стороне 206, лежащей в концевой плоскости 208 форсунки, проходящей перпендикулярно оси 210 форсунки. В форсунке 200 боковая стенка 204 дистальной зоны образована вращением криволинейного элемента вокруг оси 210 форсунки, при этом криволинейный элемент является участком параболы 212, имеющей ось 214 параболы, которая наклонена к оси 210 форсунки под углом θ. Участок параболы 212 имеет минимальный наклон к оси 210 форсунки на одном конце, где он пересекает цилиндрическую боковую стенку 216 форсунки 200, а его наклон увеличивается, возрастая по мере приближения к дистальной торцевой стороне 206, так что соединение боковой стенки 204 дистальной зоны и дистальной торцевой стороны 206 находится в том месте параболы 212, где она тангенциальна концевой плоскости 208 форсунки. Конкретная геометрия параболы 212 должна быть такой, чтобы создавать контур, сходный с рядом эллипсов, описанных выше в отношении эллипса 120, показанного на фиг. 2.

[0036] Форсунка 200 показана при использовании с защитной насадкой 102, раскрытой выше со ссылкой на фиг. 2, при этом кольцевой проход 218 образован между газонаправляющей поверхностью 128 и боковой стенкой 204 дистальной зоны. Боковая стенка 204 дистальной зоны имеет такую кривизну, что ее расстояние до газонаправляющей поверхности 128 увеличивается по мере приближения к дистальной торцевой стороне 206.

[0037] На фиг. 4 показана форсунка 300, имеющая дистальную концевую зону 302, которая соединена с продолжающей зоной 304 для обеспечения большей свободы общей конструкции форсунки 300. Здесь вновь дистальная концевая зона 302 содержит выпуклую боковую стенку 306 переменной кривизны, которая является поверхностью, образованной вращением криволинейного элемента вокруг оси 308 форсунки. В этом варианте осуществления криволинейный элемент является участком эллипса 310, построенного таким образом, что боковая стенка 306 дистальной зоны, по существу, тангенциальна дистальной торцевой стороне 312 в месте их соединения. Боковая стенка 306 дистальной зоны имеет минимальный наклон к оси 306 форсунки в том месте, где она соединяется с продолжающей боковой стенкой 314 продолжающей зоной 304.

[0038] Продолжающая боковая стенка 304 является поверхностью, образованной вращением продолжающего криволинейного элемента вокруг оси 308 форсунки. Предпочтительно боковая стенка 306 дистальной зоны и продолжающая боковая стенка 314 выполнены таким образом, что боковая стенка 306 дистальной зоны тангенциальна продолжающей боковой стенке в месте их соединения. В этом варианте осуществления продолжающий криволинейный элемент, определяющий продолжающую боковую стенку 314, является радиальным сегментом круга 316, который примыкает к боковой стенке 306 дистальной зоны и отходит по дуге от оси 308 форсунки с увеличением расстояния от боковой стенки 306 дистальной зоны. Это придает продолжающей зоне 304 вогнутую поверхность в сечении.

[0039] Для использования в горелках с газовым охлаждением вогнутая конфигурация, обеспечиваемая продолжающей боковой стенкой 314, позволяет форсунке 300 иметь минимальную толщину t’ больше минимальной толщины t форсунки 100 по фиг. 2, и тем самым увеличивает площадь поперечного сечения для отвода тепла за счет теплопроводности от части дистальной концевой зоны 302, находящейся в непосредственной близости к плазменной дуге.

[0040] На фиг. 5 показана форсунка 400 согласно другому варианту осуществления изобретения, в котором также имеется дистальная концевая зона 402 с выпуклой боковой стенкой 404 переменной кривизны. Однако форсунка 400 не имеет дистальной торцевой стороны. Боковая стенка 404 дистальной зоны заканчивается у отверстия 406 форсунки, симметричного относительно оси 408 форсунки. Пересечение отверстия 406 форсунки и боковой стенки 404 дистальной зоны представляет собой круг, образующий конец отверстия 406 форсунки и лежащий в концевой плоскости 410 форсунки, перпендикулярной ее оси 408. При отсутствии торцевой стороны поток охлаждающего газа по поверхности форсунки 400 в непосредственной близости к отверстию 406 должен увеличиваться, тем самым увеличивая отвод тепла от части форсунки 400, наиболее подверженной нагреву вследствие ее близости к плазменной дуге, и за счет этого повышая срок службы форсунки 400.

[0041] Боковая стенка 404 дистальной зоны определена вращением криволинейного элемента вокруг оси 408 форсунки, и в форсунке 400 он образован участком эллипса 412. Криволинейный элемент является переменной кривой, построенной таким образом, что ее наклон к оси 408 форсунки увеличивается, возрастая по мере приближения к отверстию 406 форсунки и тангенциален концевой плоскости 410 форсунки, где боковая стенка 404 дистальной зоны заканчивается у отверстия 406 форсунки.

[0042] На фиг. 6 показана комбинация 450 форсунки и защитной насадки в другом варианте осуществления изобретения, в котором комбинация содержит форсунку 100, описанную выше и показанную на фиг. 2. Форсунка 100 используется с защитной насадкой 452, имеющей криволинейную газонаправляющую поверхность 454, определенную вращением криволинейного элемента насадки вокруг оси 112 форсунки. Криволинейный элемент насадки является участком эллипса 456 и выполнен так, что образует кольцевой проход 458 в комбинации с боковой стенкой 118 форсунки 100, причем расстояние между газонаправляющей поверхностью 454 и боковой стенкой 118 дистальной зоны увеличивается по мере приближения боковой стенки 118 дистальной зоны к концевой плоскости 116 форсунки. Хотя газонаправляющая поверхность 454 показана в виде непрерывной кривой, в целях изготовления и контроля качества часто бывает предпочтительно использовать ряд граней в форме усеченных конусов, аппроксимирующих такую криволинейную поверхность.

[0043] На фиг. 7 показана в разрезе форсунка 500 согласно другому варианту осуществления изобретения, используемая с дефлектором 502 вместо защитной насадки в описанных выше примерах выполнения. Дефлектор 502 охватывает только часть форсунки 500.

[0044] В этом варианте осуществления дистальная концевая зона 504 также содержит боковую стенку 506 дистальной зоны, которая является выпуклой поверхностью, образованной вращением криволинейного элемента вокруг оси 508 форсунки. Здесь криволинейный элемент также представляет собой переменную кривую, наклоненную к оси 508 форсунки с увеличением наклона, возрастающим по мере приближения к концевой плоскости 510 форсунки до тех пор, пока она не станет по существу тангенциальной в точке пересечения с концевой плоскостью 510 форсунки. В этом варианте осуществления нет дистальной торцевой стороны, а боковая стенка 506 дистальной зоны заканчивается у отверстия 512 форсунки, которое в свою очередь заканчивается в концевой плоскости 510 форсунки. В этом варианте осуществления криволинейный элемент является участком основного эллипса 514, имеющего большую ось 516, наклоненную к оси 508 форсунки.

[0045] Форсунка 500 содержит также продолжающую зону 518 с продолжающей боковой стенкой 520, которая образована вращением продолжающего криволинейного элемента вокруг оси 508 форсунки. В этом варианте осуществления продолжающий криволинейный элемент представляет собой участок вторичного эллипса 522, большая ось 524 которого параллельна оси 508 форсунки и который пересекает основной эллипс 514 в точке, где эллипсы (504, 522) тангенциальны друг другу (как это лучше видно на фиг. 8, где форсунка 500 показана с другим дефлектором 502'). Продолжающая боковая стенка 520 также сопрягается с цилиндрической боковой стенкой 526 форсунки 500 тангенциальным образом. Эта конфигурация обеспечивает плавный переход между продолжающей зоной 518 и дистальной концевой зоной 504, что позволяет защитному газу следовать вдоль сопряженных боковых стенок (526, 520 и 506), чтобы направляться в непосредственную близость к отверстию 512 форсунки.

[0046] Для исходного направления защитного газа вдоль форсунки 500 дефлектор 502 имеет газонаправляющую поверхность 528, которая в этом варианте осуществления параллельна оси 508 форсунки и отстоит от цилиндрической боковой стенки 526 и небольшого участка продолжающей боковой стенки 520 с образованием кольцевого прохода 530. Газонаправляющая поверхность 528 заканчивается на торцевой стороне 532 дефлектора, которая перпендикулярна оси форсунки и пересекает газонаправляющую поверхность 528 под прямым углом. Этот прямой угол образует резкий разрыв непрерывности в поверхности дефлектора 502, что предотвращает какую-либо тенденцию защитного газа следовать по поверхности за пределы газонаправляющей поверхности 528 и позволяет ему следовать кривизне форсунки 500. Предпочтительно дефлектор 502 проходит вдоль форсунки 500 достаточно далеко, так что плоскость торцевой стороны 532 дефлектора пересекает либо продолжающую зону 518, либо дистальную концевую зону 504 форсунки 500.

[0047] На фиг. 8 показана форсунка 500, используемая с удлиненным дефлектором 502' согласно следующему варианту осуществления. Удлиненный дефлектор 502' содержит газонаправляющую поверхность 528', которая имеет зону 534 основания поверхности дефлектора, в виде цилиндрической поверхности, расположенной напротив цилиндрической боковой стенки 526 форсунки 500, и дополнительно имеет дистальную зону 536 поверхности дефлектора, которая является криволинейной поверхностью, образованной вращением участка третьего эллипса 538 вокруг оси 508 форсунки, при этом большая ось 540 третьего эллипса параллельна оси 508 форсунки. Дистальная зона 536 поверхности дефлектора расположена напротив участка продолжающей боковой стенки 520 с образованием кольцевого прохода 530' для ввода защитного газа в поток вдоль форсунки 500. Дистальная зона 536 поверхности дефлектора заканчивается на торцевой стороне 532' дефлектора, которая проходит перпендикулярно оси 508 форсунки, так что дистальная зона 536 поверхности дефлектора пересекает торцевую сторону 532' дефлектора под тупым углом, что предотвращает следование защитного газа по поверхности дефлектора 502'.

[0048] На фиг. 9 показана в разрезе форсунка 600 согласно следующему варианту осуществления. Форсунка 600 содержит дистальную концевую зону 602 с непрерывно криволинейной боковой стенкой 604 дистальной зоны, которая заканчивается у дистальной торцевой стороны 606, лежащей в концевой плоскости 608 форсунки, перпендикулярной оси 610 форсунки. В этом варианте осуществления боковая стенка 604 дистальной зоны образована участком эллипса 612, который проходит через дистальную концевую плоскость 608 форсунки, а не пересекает ее только в тангенциальной точке, как в предыдущих вариантах осуществления.

[0049] В результате того, что участок эллипса 612 выступает за концевую плоскость 608 форсунки, боковая стенка 604 дистальной зоны пересекает дистальную торцевую сторону 606 под углом ε проекции, определяемой линией 614 проекции. Линия 614 проекции тангенциальна эллипсу 612 в точке, где боковая стенка 604 дистальной зоны примыкает к дистальной торцевой стороне 606, а угол ε проекции представляет наклон линии 614 проекции к концевой плоскости 608 форсунки. Угол ε проекции должен оставаться небольшим, чтобы способствовать защитному газу следовать по контуру дистальной концевой зоны 602 таким образом, что часть газа остается в непосредственной близости к дистальной торцевой стороне 606; представляется эффективным угол меньше приблизительно 15°.

[0050] На фиг. 10 показана форсунка 700 в другом варианте осуществления изобретения, содержащая дистальную концевую зону 702, которая примыкает к продолжающей зоне 704 для обеспечения желаемого общего профиля форсунки 700. Дистальная концевая зона 702 имеет выпуклую боковую стенку 706 переменной кривизны, которая является поверхностью, образованной вращением участка эллипса 708 вокруг оси 710 форсунки, причем боковая стенка 706 тангенциальна дистальной торцевой стороне 712 в месте их соединения.

[0051] В этом варианте осуществления продолжающая зона 704 имеет продолжающую боковую стенку 714, которая образована вращением наклонной линии (не показана) вокруг оси 710 форсунки, то есть имеет форму усеченного конуса. Продолжающая боковая стенка 714 тангенциальна боковой стенке 706 дистальной зоны в месте их сопряжения.

[0052] На фиг. 11 и 12 показана форсунка 750 в другом варианте осуществления изобретения, в котором она имеет общую форму, подобную форме форсунки 500 по фиг. 7 и 8, но упрощенную геометрию. Форсунка 750 содержит дистальную концевую зону 752 с боковой стенкой 754 дистальной зоны, симметричной относительно оси 756 форсунки. Боковая стенка 754 дистальной зоны образована вращением участка эллипса 758, большая ось 760 которого параллельна оси 756 форсунки. Эллипс 758 построен таким образом, что пересекает концевую плоскость 762 форсунки в точке, где эллипс 758 нормален оси 756 форсунки, и соединяется с цилиндрической стенкой 764 форсунки 750 в точке, где цилиндрическая боковая стенка 764 тангенциальна эллипсу 758. Форсунка 750 имеет отверстие 766 форсунки, которое заканчивается у концевой плоскости 762 форсунки.

[0053] На фиг. 11 форсунка 750 показана при ее использовании в горелке с дефлектором 768, который проходит вдоль цилиндрической боковой стенки 764, но оставляет открытой почти всю дистальную концевую зону 752. На фиг. 12 форсунка 750 показана при ее использовании с защитной насадкой 770 (показана только частично), которая охватывает форсунку 750. Защитная насадка 770 имеет отверстие 772 насадки, которое расположено на одной линии с отверстием 766 и имеет газонаправляющую поверхность 774, отстоящую от боковой стенки 754 дистальной зоны. Кривизна боковой стенки 754 дистальной зоны такова, что расстояние между ней и газонаправляющей поверхностью 774 увеличивается по мере приближения боковой стенки 754 дистальной зоны к отверстию 766 форсунки.

[0054] На фиг. 13 показана альтернативная форсунка 750', которая подобна форсунке 750 по фиг. 11 и 12, но в которой эллипс 758', образующий боковую стенку 754' дистальной зоны, построен относительно цилиндрической боковой стенки 764' таким образом, что цилиндрическая боковая стенка 764' не тангенциальна эллипсу 758'.

[0055] На фиг. 14 схематично показан характер движения газового потока в результате прохода газа между форсункой 12 и защитной насадкой 20 в известной из уровня техники горелке 10 по фиг. 1; в целях упрощения газовый поток представлен перед инициированием плазменной дуги, и не отражено влияние газа, выходящего в окружающую атмосферу. В результате ограничения газа в кольцевом проходе 24, образованном между конической наружной поверхностью 16 форсунки 12 и конической внутренней поверхностью 22 защитной насадки 20, концентрированный поток G газа течет вдоль форсунки 12 и отделяется от форсунки 12 на дистальной торцевой стороне 26. Это удаление газа от форсунки у дистальной торцевой стороны ограничивает эффект охлаждения форсунки 12. Кроме того, тот факт, что форсунка 12 имеет резкое изменение уклона при выходе газа из кольцевого прохода 24, направляет газ прочь от дистальной торцевой стороны 26 и создает по существу сфокусированную струю, которая ударяется в плазменную дугу с высокой плотностью газа в относительно малой зоне М слияния; эта концентрация защитного газа может быть губительной для устойчивости плазменной дуги.

[0056] На фиг. 15 схематично показана горелка с форсункой 100 согласно изобретению, используемой с защитной насадкой 102 по фиг. 2; здесь схема потока также упрощена и не отражает влияния плазменной дуги или газа, выходящего в окружающую атмосферу. Комбинация элементов создает дистальную концевую зону 108 форсунки, выполненную таким образом, что она помогает удерживать газ для его прохода по дистальной торцевой стороне 114 с целью улучшения охлаждения дистальной концевой зоны 108 и распределять газовый поток G’ по более обширной зоне М’ слияния. Это различие является отчасти результатом контура боковой стенки 118 дистальной зоны форсунки 100, имеющей гладкий непрерывный выпуклый профиль без разрывов, которые могли бы отклонять газ от дистальной торцевой стороны 114 и снижать способность газа отводить тепло из зоны, окружающей отверстие 110 форсунки. Эта непрерывная циркуляция газа по дистальной торцевой стороне 114 поддерживается тем, что боковая стенка 118 дистальной зоны соединяется с дистальной торцевой стороной 114 по существу тангенциально. В результате часть защитного газа остается в непосредственной близости к дистальной торцевой стороне 114 для увеличения охлаждения, а распределение массы газа растягивается для увеличения длины зоны М’ слияния защитного газа. В расширенной зоне М’ слияния защитный газ распределяется более равномерно при соединении с плазменной дугой, что должно снижать ударное воздействие на плазменную дугу.

[0057] Наличие закругленного угла 134 между отверстием 132 и газонаправляющей поверхностью 128 защитной насадки 102 способствует распределению потока защитного газа и сглаживанию потока для снижения турбулентности. Эти влияния должны дополнительно снижать неустойчивость плазменной дуги.

Примеры

[0058] Испытания показали, что форсунки согласно изобретению обеспечивают более долгий срок службы и/или улучшенное качество резки по сравнению с обычными форсунками. Представляется, что эти лучшие рабочие характеристики обусловлены действием эллиптической поверхности в проведении части защитного газа вдоль поверхности форсунки, расширении распределения газа и снижении его негативного ударного воздействия на плазменную дугу посредством фокусировки дуги, а не ее срыва. Кроме того, представляется, что проведение защитного газа вдоль поверхности форсунки усиливает эффект охлаждения защитного газа за счет расширения его контакта с форсункой и обеспечения большего газового потока в непосредственной близости к отверстию форсунки, подверженному воздействию тепла дуги. Это преимущество было установлено как в машинных горелках, так и в ручных горелках более низкой мощности.

[0059] Испытания проводились для сравнения форсунки на 260 А согласно изобретению с форсункой на 260 А, известной из уровня техники; такие форсунки используются в машинных горелках с жидким охлаждением форсунок. Форсунка в соответствии с изобретением была сходна с форсункой 300, показанной на фиг. 4, и имела общую конфигурацию по фиг. 16. Форсунка 800 содержала продолжающую зону 802 с вогнутой суб-зоной 804, образованной вращением вокруг оси 806 форсунки криволинейного элемента, имеющего вогнутый участок радиусом 30 мм, примыкающей к суб-зоне 808 в форме усеченного конуса, образованной тангенциальным участком прямой, наклоненным под углом 50° к оси 806 форсунки. Форсунка 800 содержала дистальную концевую зону 810, образованную вращением эллипса 812 вокруг оси 806 форсунки, причем эллипс 812 тангенциален продолжающей зоне 802 в месте их сопряжения. В данном случае эллипс 812 имел длину L_Maj большой оси, равную 33,5 мм, и длину L_min малой оси, равную 3,5 мм, для отношения L_Maj : L_min, равного 9,6:1, и наклон большой оси к оси форсунки под углом θ, равным 32°. Форсунка 820 из уровня техники имела общую конфигурацию по фиг. 17 и содержала первую зону в форме усеченного конуса, образованную вращением отрезка прямой, наклоненного под углом 42,5° к оси 824 форсунки, и вторую зону в форме усеченного конуса, образованную вращением отрезка прямой, наклоненного под углом 50° к оси 824 форсунки, без закруглений по радиусу между зонами или между дистальной концевой зоной и торцевой стороной форсунки. Обе форсунки использовались в одной и той же горелке с идентичными расходными продуктами; сходство общего профиля форсунок позволило в обоих случаях использовать одинаковые защитные насадки. Горелки использовались в двух испытаниях для резки листа мягкой стали толщиной 25 мм со скоростью резки 1,685 м/мин, и был измерен ряд стандартных разрезов (длиной 890 мм или 32 дюйма). Полученное качество резки было одинаковым, но был установлен срок службы форсунки уровня техники, равный 600 разрезам в каждом испытании, тогда как форсунка согласно изобретению с образованной эллипсом дистальной зоной показала срок службы в 700 и 750 разрезов, что составило в среднем 725 разрезов на срок службы, то есть на 21% больше, чем форсунка уровня техники. Срок службы электрода при данном применении соответствовал сроку службы форсунки.

[0060] Сравнительное испытание подобных форсунок было проведено в полевых условиях для резки стального листа толщиной дюйма (12,5 мм) при силе тока 260 А. В этом испытании форсунка согласно изобретению выдержала 677 разрезов, тогда как форсунки уровня техники хватило на 495 разрезов, что показало повышение срока службы на 37% при сходном качестве резки.

[0061] При предварительном испытании форсунки на 260 А согласно изобретению было замечено, что вид вставки электрода из гафния при использовании с форсункой согласно изобретению значительно отличался от вида электродов, используемых с форсунками уровня техники. Электрод показал центрированное коническое углубление, заглубляющееся в гафний. Представляется, что это указывает на более устойчивое положение плазменной дуги на электроде, что должно снижать точечную коррозию и тем самым повышать срок службы электрода.

[0062] В другой серии испытаний форсунка на 45 А согласно изобретению испытывалась в сравнении с известной из уровня техники форсункой на 45 А. В типовом случае эти форсунки используются в ручных горелках, однако используемая при испытании горелка была установлена на машине в целях точности и повторяемости. Форсунка согласно изобретению была подобна показанной на фиг. 10 и содержала продолжающую зону в форме усеченного конуса и дистальную зону, образованную вращением участка эллипса вокруг оси форсунки, при этом эллипс был тангенциален продолжающей зоне в месте сопряжения. В этой форсунке продолжающая зона была образована отрезком прямой, наклоненным к оси форсунки под углом 38°, а дистальная зона была образована эллипсом, имеющим длину L_Maj большой оси 11,2 мм и длину L_min малой оси 3,2 мм для отношения L_Maj : L_min, равного 3,5:1, и наклон большой оси к оси форсунки под углом θ, равным 20°. Форсунка 840 из уровня техники имела показанную на фиг. 16 общую конфигурацию ломаной формы с впадиной, с продолжающей зоной 842 в форме усеченного конуса, образованного отрезком прямой, наклоненным под углом 60° к оси 844 форсунки, и дистальной зоной в форме усеченного конуса, образованного отрезком прямой, наклоненным под углом 35° к оси 844 форсунки. Здесь вновь была проведена серия из двух испытаний. Для этих форсунок с более низкой силой тока испытание состояло в резке листа мягкой стали толщиной 10 мм со скоростью резки 0,75 м/мин, а стандартные разрезы составляли 305 мм (около 12 дюймов) по длине. Обе форсунки использовались с идентичными расходными продуктами за исключением защитных насадок. В горелке уровня техники использовалась защитная насадка с зоной внутренней поверхности, имеющей выпуклую граненую внутреннюю газонаправляющую поверхность, ответную вогнутому граненому контуру форсунки, которая была очевидно выполнена для обеспечения равномерного газового потока между ними. В горелке согласно изобретению использовалась защитная насадка с внутренней газонаправляющей поверхностью, которая представляла собой граненую поверхность с незначительной впадиной. Здесь вновь качество резки было одинаковым, но было установлено, что форсунка уровня техники имеет средний срок службы только в 311 разрезов, тогда как срок службы форсунки согласно изобретению составил 1048 разрезов, то есть увеличение срока службы составило 237%. При сравнении скорости резки двух форсунок было установлено, что форсунка согласно изобретению имеет немного более высокую скорость резки при оптимальном качестве (0,35 м/мин против 0,32 м/мин) и несколько более высокую максимальную скорость резки (0,52 м/мин против м/мин), при этом электрод показал, по существу, такой же срок службы.

[0063] Были проведены также сравнительные испытания форсунки на 100 А согласно изобретению, подобной показанной на фиг. 2, где боковая стенка дистальной зоны образована вращением эллипса с отношением длины L_Maj большой оси к длине L_min малой оси, равным 7,5:1. Форсунка сравнивалась с форсункой из уровня техники в форме усеченного конуса, подобной показанной на фиг. 1. Форсунки на 100 А часто используются в машинных горелках, и используемая при испытаниях горелка была установлена на машине. Эта горелка еще не испытывалась на срок службы, но было установлено, что она обеспечивает визуально заметное более высокое качество резки, чем горелка уровня техники: разрез был более прямым и гладким с малым количеством или полным отсутствием окалины.

[0064] Дополнительно было проведено сравнение конфигураций описанных выше форсунок на 260 А с использованием компьютерного моделирования (программы COSMOSFloWorks в комбинации с программами моделирования и конструирования SolidWorks). Было изучено давление газа в зоне отверстия форсунки с установлением объемного ввода и давления окружающей среды в качестве граничных условий.

[0065] При этом анализе было установлено, что при обычной угловатой конфигурации наблюдается значительное падение давления на передней кромке форсунки, которого не наблюдается в эллиптической конфигурации. Скорость потока, входящего в зону отверстия защитной насадки, была выше для угловатой конфигурации форсунки, а распределение газа было более направленным. Для эллиптической конфигурации форсунки скорость потока, входящего в зону отверстия форсунки, была ниже, а фокусировка была не настолько направленной. Эти результаты согласуются с газовыми потоками, показанными на фиг. 14 и 15.

[0066] Хотя данное изобретение было раскрыто на предпочтительных примерах выполнения, понятно, что на основе подробного описания и чертежей для специалиста в данной области возможны различные модификации и варианты выполнения.

[0067] Некоторые примеры такой модификации могут быть получены при использовании кривых, не относящихся к конкретной геометрической форме, или с помощью ряда дуг или отрезков прямой, аппроксимирующих криволинейный профиль.

[0068] Следует также отметить, что обычные устройства числового программного управления типа CNC неспособны построить совершенный эллипс, параболу или гиперболу, и эти кривые должны быть построены с помощью использования режущих инструментов копирования. Или посредством линейной интерполяции. Желательно, чтобы ход инструмента точно следовал геометрии желаемой кривой, чтобы получать намеченное распределение газа и удерживать газ в контакте с линейно интерполированной криволинейной поверхностью. При испытаниях линейные участки ограничивались до 0,30 мм по длине, и при взгляде невооруженным глазом имели вид гладкой кривой. Следует оценить, что более обширные участки также могут давать некоторые преимущества изобретения.

Изобретение относится к форсунке дуговой плазменной горелки. Форсунка для плазменной дуговой горелки содержит боковую стенку дистальной зоны, образованную вращением криволинейного элемента переменной кривизны вокруг оси форсунки. Боковая стенка дистальной зоны наклонена к оси форсунки с наклоном, возрастающим по мере приближения к концевой плоскости форсунки, в которой заканчивается отверстие форсунки. Боковая стенка дистальной зоны, по существу, тангенциальна концевой плоскости в месте ее пересечения. Технический результат – обеспечение требуемой кривизны боковой стенки дистальной зоны для проведения части защитного газа вдоль форсунки с целью обеспечения лучшего охлаждения и повышения устойчивости плазменной дуги для улучшения качества резки дугой и увеличения срока службы форсунки. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 18 ил.

1. Форсунка для плазменной дуговой горелки, которая обеспечивает поток защитного газа вокруг части форсунки, причем форсунка содержит дистальную концевую зону форсунки, имеющую:

- продольное отверстие форсунки, симметрично расположенное вокруг продольной оси форсунки, причем указанное отверстие форсунки заканчивается у концевой плоскости форсунки, перпендикулярной оси форсунки, и

- выпуклую боковую стенку дистальной зоны переменной кривизны, которая имеет выпуклую форму переменной кривизны, образованную вращением криволинейного элемента вокруг оси форсунки, причем криволинейный элемент является переменной кривой, которая пересекает концевую плоскость форсунки, по существу, тангенциальным образом и имеет возрастающий наклон к оси форсунки, который возрастает по мере уменьшения продольного расстояния от концевой плоскости форсунки, вследствие чего кривизна указанной боковой стенки дистальной зоны способствует течению части защитного газа вдоль ее поверхности в непосредственной близости к отверстию форсунки.

2. Форсунка по п. 1, в которой криволинейный элемент, по существу, образован в виде участка эллипса и пересекает концевую плоскость форсунки в непосредственной близости к концу большой оси эллипса.

3. Форсунка по п. 2, в которой эллипс имеет длину L_Maj большой оси и длину L_min малой оси, причем соотношение L_Maj : L_min составляет приблизительно от 3:1 до 10:1.

4. Форсунка по п. 1, в которой боковая стенка дистальной зоны ограничивает указанное отверстие форсунки.

5. Форсунка по п. 1, в которой дистальная концевая зона форсунки дополнительно содержит дистальную торцевую сторону, окружающую отверстие форсунки и лежащую в концевой плоскости форсунки.

6. Форсунка по п. 5, в которой криволинейный элемент пересекает дистальную торцевую сторону таким образом, что линия, тангенциальная криволинейному элементу в месте его пересечения с дистальной торцевой стороной, наклонена к дистальной торцевой стороне с наклоном меньше чем приблизительно 15°.

7. Форсунка по п. 1, дополнительно содержащая продолжающую зону форсунки, имеющую продолжающую боковую стенку, симметричную относительно оси форсунки, причем указанная продолжающая зона форсунки примыкает к дистальной концевой зоне форсунки таким образом, что продолжающая боковая стенка примыкает к боковой стенке дистальной зоны и продолжает ее.

8. Форсунка по п. 7, в которой продолжающая боковая стенка образована вращением продолжающего криволинейного элемента, который имеет такую конфигурацию, что наклон продолжающего криволинейного элемента к оси форсунки возрастает по мере уменьшения его удаления от концевой плоскости форсунки, или продолжающая боковая стенка образована вращением продолжающего криволинейного элемента, имеющего закругленный по радиусу участок, причем закругленный по радиусу участок образует вогнутую поверхность, при этом закругленный по радиусу участок тангенциален боковой стенке дистальной зоны в точке пересечения с ней, или продолжающая боковая стенка образована вращением отрезка линии, который наклонен к оси форсунки таким образом, что придает продолжающей боковой стенке форму усеченного конуса, при этом продолжающая боковая стенка тангенциальна боковой стенке дистальной зоны в точке пересечения с ней.

9. Форсунка для плазменной дуговой горелки с осью горелки и направляющим газ элементом, имеющим газонаправляющую поверхность, симметрично расположенную вокруг оси горелки, причем форсунка выполнена с возможностью крепления к плазменной дуговой горелке так, чтобы быть установленной, по меньшей мере частично, внутри газонаправляющего элемента для охлаждения потоком защитного газа, проходящего между форсункой и газонаправляющей поверхностью, при этом форсунка содержит дистальную концевую зону форсунки, имеющую:

- продольное отверстие форсунки, симметрично расположенное вокруг оси форсунки, причем указанное отверстие форсунки заканчивается у концевой плоскости форсунки, перпендикулярной оси форсунки, и

- боковую стенку дистальной зоны переменной кривизны, имеющую выпуклую форму переменной кривизны, образованную вращением криволинейного элемента вокруг оси форсунки, причем криволинейный элемент является переменной кривой, которая пересекает концевую плоскость форсунки, по существу, тангенциальным образом и имеет возрастающий наклон к оси форсунки, который возрастает по мере уменьшения продольного расстояния от концевой плоскости форсунки,

- при этом боковая стенка дистальной зоны расположена относительно газонаправляющей поверхности газонаправляющего элемента так, что кривизна боковой стенки дистальной зоны способствует течению части защитного газа вдоль ее поверхности в непосредственной близости к отверстию форсунки.

10. Форсунка по п. 9, в которой криволинейный элемент, по существу, выполнен в виде участка эллипса и пересекает концевую плоскость форсунки в непосредственной близости к концу большой оси эллипса.

11. Форсунка по п. 9, в которой эллипс имеет длину L_Maj большой оси и длину L_min малой оси, причем отношение L_Maj : L_min составляет приблизительно от 3:1 до 10:1.

12. Форсунка по п. 9, в которой боковая стенка дистальной зоны ограничивает отверстие форсунки.

13. Форсунка по п. 9, в которой дистальная концевая зона форсунки дополнительно содержит дистальную торцевую сторону, окружающую отверстие форсунки и лежащую в концевой плоскости форсунки.

14. Форсунка по п. 13, в которой криволинейный элемент пересекает дистальную торцевую сторону таким образом, что тангенциальная криволинейному элементу линия в месте его пересечения с дистальной торцевой стороной наклонена к дистальной торцевой стороне с наклоном, который меньше чем приблизительно 15°.

15. Форсунка по п. 9, дополнительно содержащая продолжающую зону форсунки, имеющую продолжающую боковую стенку, симметричную относительно оси форсунки, причем указанная продолжающая зона примыкает к дистальной концевой зоне форсунки таким образом, что продолжающая боковая стенка примыкает к боковой стенке дистальной зоны и продолжает ее.

16. Форсунка по п. 9, в которой газонаправляющий элемент горелки выполнен в виде дефлектора, который проходит по части форсунки и оставляет открытой, по меньшей мере, часть боковой стенки дистальной зоны, или газонаправляющий элемент горелки выполнен в виде защитной насадки, которая охватывает форсунку и имеет отверстие защитной насадки, симметричное относительно оси горелки, при этом газонаправляющая поверхность и боковая стенка дистальной зоны выполнены таким образом, что расстояние между ними увеличивается по мере приближения к концевой плоскости форсунки.