Плазмотрон Российский патент 2021 года по МПК B23K10/00 H05H1/26 F23D14/42 

Изобретение относится к генераторам низкотемпературной плазмы и может быть использовано в конструкциях электродуговых плазмотронов, применяемых в различных отраслях промышленности для механизированной и ручной плазменной резки металла.

Из существующего уровня техники известны плазмотроны различных конструкций, например описанных в патентах RU2036758; RU67909; RU2259262; RU1756063; RU1834767; RU1830323; RU1827154; RU1814603; RU1798084; SU1756063; SU1078757; SU№559787; SU837683; SU825299; SU727369; SU683875; SU645798; SU603538.

В частности, известен плазмотрон (SU1436350, 1986), содержащий каналы для подачи плазмообразующего газа (ПОГ), подачи и отвода охлаждающей среды, размещенные в корпусе водоохлаждаемый электрододержатель с электродом, изоляционную втулку с винтовыми канавками завихрителя, газоподводящий канал, расположенный тангенциально к винтовой линии канавок и соединенный с кольцевой конусообразной полостью, сужающейся в направлении к торцу электрода.

В конструкции газовоздушного тракта (ГВТ) известного плазмотрона подача плазмообразующего газа (ПОГ) в кольцевую конусообразную полость, канавки завихрителя и сопловую камеру осуществляется через один газоподводящий канал (ГПК), выходная часть которого расположена в широкой части кольцевой конусообразной полости и направлена тангенциально к винтовой линии канавок завихрителя, выполненных на внутренней поверхности изоляционной втулки. После выхода потока ПОГ из отверстия газоподводящего канала поток попадает в кольцевую конусообразную полость, сужающуюся в направлении к соплу и выполняющую роль газораспределительной камеры (ГРК). Конструкция ГРК с одной стороны ограничена внутренней поверхностью изоляционной втулки, а с другой - наружной поверхностью электрододержателя. Выходное отверстие газоподводящего канала (ГПК) направлено тангенциально в кольцевую камеру, однако, такое распределение ПОГ не является оптимальным с точки зрения организации течения потока по ГВТ, вплоть до его выхода наружу из сопла плазмотрона. Подавая в кольцевую конусообразную полость ПОГ из одного отверстия ГПК невозможно равномерно распределить его в объеме полости и обеспечить его равномерную подачу к канавкам завихрителя, количество которых в современных плазмотронах достигает от трех и более канавок. В процессе работы плазмотрона необходимо постоянно контролировать состояние плазменной дуги на выходе из сопла, так как неравномерное заполнение газом кольцевой конусообразной полости, канавок завихрителя и сопловой камеры приводит в этой конструктивной цепочке к пульсациям давления и скорости ПОГ и дестабилизирует вихревой поток в сопловой камере. Пульсации давления и скорости, возникающие при неравномерном движении ПОГ сопровождаются хаотичным перемещением катодного пятна по торцу электрода, колебанием плазменной дуги в сопловой камере и возникающими, вследствие пульсаций давления и скорости потока акустическими колебаниями, которые через выходное отверстие сопла распространяются наружу. Характерной особенностью потока ПОГ в известной конструкции плазмотрона является его неравномерная слабая вихревая закрутка, приводящая вместо фиксации катодного пятна по центру электрода к хаотичному перемещению по торцу электрода. Такая конструкция приводит к дестабилизации потока газа по ГВТ, плазменной дуги в сопловой камере, ее смещению от оси цилиндрического канала сопла и, как следствие, ухудшению качества кромки разрезаемого металла. Неравномерное слабое обжатие плазменной дуги вихревым потоком ПОГ, нестабильная фиксация катодного пятна по центру торцевой поверхности электрода, вероятность возникновения эффекта двойного дугообразования и ряд других факторов, связанных с движением ПОГ по ГВТ плазмотрона, приводят к повышенному износу сопла и электрода и, как следствие этого, снижают ресурс работы электродного узла (сопла и электрода), уменьшают надежность в эксплуатации плазмотрона, ухудшая его технологические параметры, а также снижают качество кромки разрезаемого металла и увеличивают генерируемый плазмотроном аэродинамический шум.

Таким образом, существенным недостатком известного плазмотрона является конструкция газовоздушного тракта, включающая в себя один газоподводящий канал, кольцевую конусообразную полость и примыкающий к ней завихритель с канавками. Такое конструктивное решение (подача из одного выходного отверстия газоподводящего канала) не обеспечивает равномерное распределение потока ПОГ по канавкам завихрителя. В сопловой камере, расположенной после канавок завихрителя, этот вихревой поток можно характеризовать как неравномерный по давлению и скорости по всему проходному сечению завихрителя и на выходе из его канавок в сопловую камеру. Эти пульсации вызывают нарушение стабилизации плазменной дуги в сопловой камере и выходном цилиндрическом канале сопла, а также фиксацию катодного пятна по центру электрода. Негативные газодинамические процессы, происходящие в ГВТ плазмотрона и сопловой камере сопровождаются акустическим эффектом, который в виде звуковых колебаний широкого частотного спектра и интенсивности распространяется в окружающую среду и рабочую зону оператора плазменной установки.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является плазмотрон для резки (RU2584367, 2015), принятый за прототип. Известный плазмотрон содержит стационарную часть с каналами для подачи плазмообразующего газа (ПОГ), подачи и отвода охлаждающей среды и, размещенную в корпусе сменную часть, содержащую сопло, водоохлаждаемый электрододержатель с электродом, изоляционную втулку, газоподводящий канал, соединенный с кольцевой конусообразной полостью, сужающейся в направлении к соплу, в которой размещен газодинамический фильтр, состоящий из двух последовательно расположенных на поверхности электрододержателя дефлекторов - непроницаемого и перфорированного, выполненных в виде концентричных перегородок, разделяющих кольцевую конусообразную полость на три последовательно расположенных камеры: кольцевая цилиндрическая камера, соединенная с газоподводящим каналом, выходное отверстие которого направлено по нормали к поверхности непроницаемого дефлектора; кольцевая распределительная камера и конфузорная вихревая камера, соединенная через каналы перфорированного дефлектора с винтовыми канавками завихрителя и далее с сопловой камерой.

В конструкции ГВТ известной модели плазмотрона подача ПОГ в кольцевую конусообразную полость, канавки завихрителя и сопловую камеру осуществляется через один газоподводящий канал, выходная часть которого расположена на поверхности электрододержателя и выходит по нормали к поверхности непроницаемого дефлектора. После выхода ПОГ из газоподводящего канала поток разбивается о поверхность непроницаемого дефлектора, создавая в кольцевой цилиндрической камере турбулентное перемешивание потока ПОГ с неравномерным давлением и полем скоростей, под воздействием которых поток газа проходя через кольцевой диффузорный зазор выравнивая давление и скорость попадает в кольцевую распределительную камеру, в которой давление ПОГ выравнивается по всему объему распределительной камеры и далее через каналы в перфорированном дефлекторе поток ПОГ равномерно по окружности поступает в кольцевую вихревую камеру. Поскольку количество каналов в дефлекторе и их направление совпадают с углом закрутки канавок завихрителя, то выходящий из завихрителя поток также равномерно распределяется вокруг электрода в сопловом узле. Оптимальное количество канавок в завихрителе данной конструкции плазмотрона составляет не более 4-6 штук.

Организация потока ПОГ с помощью такой конструкции газодинамического фильтра предполагает по меньшей мере два участка в ГВТ, где происходит образование крупномасштабной турбулентности с пульсациями давления и скорости потока в кольцевой цилиндрической камере и на участке от выхода потока из завихрителя до его выхода из цилиндрического канала сопла. Такая организация движения потока ПОГ в одном из самых важных узлов плазмотрона - сопловом узле, хотя и приводит к стабилизации плазменной дуги и катодного пятна, однако, требуют увеличения габарита сопла и диаметра выходного канала. Кроме этого, конструкция газодинамического фильтра и его конечного элемента завихрителя, с одной стороны, обеспечивают равномерное распределение ПОГ по ГВТ и закрутку потока с оптимальными параметрами, а с другой стороны в сопловую камеру поступает значительно большее количество ПОГ, чем это требуется для процесса плазмообразования и стабилизации катодного пятна и плазменной дуги в данной конструкции. Для организации бесперебойной работы известного плазмотрона и удаления «лишнего» ПОГ из сопла плазмотрона диаметр выходного канала сопла должен иметь увеличенный размер порядка 4мм. Увеличенный диаметр выходного канала сопла ограничивает использование плазмотрона для резки металла малых толщин. Ухудшаются также и некоторые другие технические характеристики плазмотрона, что приводит к следующим негативным последствиям: увеличивает габариты сопла и соответственно плазмотрона; увеличивает тепловложение в кромки разрезаемого металла, что увеличивает зону термического влияния; низкая производительность процесса резки; повышенный уровень акустического воздействия; низкая эффективность использования тепловой мощности дуги. Вышеперечисленное можно отнести к важному недостатку известного плазмотрона.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности и эффективности работы плазмотрона за счет создания условий, обеспечивающих эффективную подачу плазмообразующего газа в сменную часть плазмотрона и его равномерное распределение по скорости и давлению в газодинамическом стабилизаторе потока (ГДСП) для создания в сопловой камере равномерного по кольцевому конфузорному каналу и газоразрядной камере мелкомасштабного вихревого закрученного потока плазмообразующего газа (ПОГ), обеспечивающего по оси сопла плазмотрона надежную фиксацию катодного пятна в центре электрода и стабилизацию плазменной дуги по оси сопла, центру выходного цилиндрического канала уменьшенного диаметра и в плазменной дуге на выходе из сопла плазмотрона .

Технический результат - равномерное распределение плазмообразующего газа (ПОГ) от подающего канала и далее по газовоздушному тракту к сопловому узлу и выходному цилиндрическому каналу сопла для стабилизации плазменной дуги и катодного пятна по оси плазмотрона.

Заявляется плазмотрон, содержащий стационарную часть с каналами для подачи и отвода охлаждающей среды, подачи плазмообразующего газа (ПОГ) и размещенную в корпусе сменную часть, состоящую из соосно расположенных катодного узла в составе электрододержателя с внутренней полостью и размещенной в ней охлаждающей трубкой с электродом, и анодного узла с соплом, разделенного изолятором и кольцевой полостью переменного сечения, отличающийся тем, что в стационарной части размещен делитель потока ПОГ, состоящий из двух последовательно расположенных цилиндрических камер - приемной камеры, соединенной с подающим ПОГ каналом, и распределительной камеры, соединенной посредством двух симметрично расположенных относительно оси плазмотрона цилиндрических каналов с симметричными двумя каналами в электрододержателе, с выходными отверстиями, выходящими по касательной в кольцевую полость с размещенным в ней газодинамическим стабилизатором потока (ГДСП) плазмообразующего газа (ПОГ), состоящим из последовательно расположенных в кольцевой полости трех участков - газоподводящего участка (ГПУ), соединенного с выходными отверстиями двух каналов и, состоящего из конфузорной камеры смешения, соединенной через кольцевой цилиндрический канал с газоформирующим участком (ГФУ), содержащим формирующий завихритель (ФЗ) с винтовыми каналами, выходящими в газовихревой участок (ГВУ) с размещенным в нем стабилизирующим завихрителем (СЗ), представляющим собой расширительную кольцевую камеру с размещенной в ней диэлектрической профилированной втулкой с обращенным к соплу утолщением в котором выполнены равномерно расположенные по окружности утолщенной части каналы, направленные под углом к поверхности электрода через кольцевой конфузорный вихревой канал в газоразрядную камеру (ГРК), образованную торцевой поверхностью электрода и внутренней поверхностью сопла, переходящую в выходной цилиндрический канал.

Для достижения дополнительного технического результата входные отверстия каналов стабилизирующего завихрителя (СЗ) расположены от выхода каналов формирующего завихрителя (ФЗ) на расстоянии в пределах 8 - 12 мм.

Также для достижения дополнительного технического результата подвод ПОГ на участок ГПУ осуществляют через каналы, выходные отверстия которых направлены в конфузорную камеру смешения под углом, близким к углу наклона винтовых каналов формирующего завихрителя (ФЗ) и каналов стабилизирующего завихрителя (СЗ), и находятся в пределах 60 - 70 градусов к оси плазмотрона.

Следующим дополнительным техническим результатом является размещение охлаждающей электрод трубки соосно внутри электрода, при этом обращенный к нему торец охлаждающей электрод трубки выполнен в виде диффузора с одной или несколькими диаметрально противоположными прорезями, а другой конец охлаждающей электрод трубки закреплен во внутренней полости электрододержателя и соединен с каналом подачи охлаждающей среды (ОС).

Другим дополнительным техническим результатом является выполнение в стационарной части торцевой поверхности распределителя, обращенной к входному отверстию канала, подающего плазмообразующий газ (ПОГ), в виде плоской поверхности или поверхности криволинейной формы - сферической или конической.

В заявляемом плазмотроне обеспечивается повышение эффективности процесса подачи и движения ПОГ, который поступает в плазмотрон из одного трубопровода, разделяется на потоки, закручивается и выравнивается по скорости и давлению с помощью размещенного в кольцевой полости заявляемого плазмотрона газодинамического стабилизатора потока (ГДСП), осуществляющего последовательное многоступенчатое преобразование потока. Заявляемая конструкция плазмотрона позволяет обеспечить и сохранить высокую стабильность необходимых для работы плазмотрона параметров, сто позволяет осуществить равномерную по скорости вихревого потока интенсивную закрутку на всех участках ГДСП и в газоразрядной камере (ГРК). Организация закрученного потока с помощью ГДСП позволила в ГРК сопла заявляемого плазмотрона обеспечить стабильную фиксацию катодного пятна по центру электрода и стабилизацию плазменной дуги по оси плазмотрона, выходного цилиндрического канала и на выходе плазменной дуги из сопла. Использование ГДСП в конструкции заявляемого плазмотрона позволило обеспечить надежность и стабильность зажигания дуги, увеличить ресурс работы сопла и электрода, уменьшить их габариты и снизить материалоемкость при изготовлении плазмотрона; улучшить параметры качества кромок разрезаемого металла; снизить энергопотребление и улучшить условия труда по ряду санитарно-гигиенических факторов (аэродинамический шум, сварочные аэрозоли).

В заявляемом плазмотроне с газодинамическим стабилизатором потока (ГДСП), плазмообразующий газ (ПОГ) подается из одного газоподводящего канала в приемную камеру делителя потока и направлен на торцевую, выполненную в виде плоской или криволинейной поверхности, часть распределителя распределительной камеры. Растекаясь по поверхности, ПОГ равномерно заполняет распределительную камеру и через два симметрично расположенных канала, соединенных с этой камерой и, с другой стороны, аналогичными каналами в сменной части, поступает на первый участок ГДСП в конфузорную камеру смешения на газоподводящий участок (ГПУ) газодинамического стабилизатора потока. Далее, предварительно закрученный двумя тангенциальными отверстиями из двух симметричных каналов, поток из ГПУ попадает на второй газоформирующий участок (ГФУ), где предварительно закрученный ПОГ равномерно распределяется по винтовым каналам формирующего завихрителя (ФЗ) и выходит в виде закрученного вихря на третий - газовихревой участок (ГВУ) с размещенным в нем стабилизирующим завихрителем (СЗ), выполненным в виде профилированной диэлектрической втулки с каналами, расположенными по ее окружности и направленными под углом к поверхности электрода через кольцевой конфузорный вихревой канал в газоразрядную камеру (ГРК). Трехкратное последовательное изменение течения ПОГ с соответствующей закруткой на каждом из трех участков обеспечивает равномерное распределение закрученного потока ПОГ в газоразрядной камере соплового узла, а расстояние от входа в каналы стабилизирующего завихрителя до выхода из каналов формирующего завихрителя в ГДСП находится в пределах 8 - 12 мм, что обеспечивает постоянную скорость потока плазмообразующего газа (ПОГ) на выходе из каналов стабилизирующего завихрителя (СЗ), в конфузорном вихревом канале, в газоразрядной камере (ГРК), равномерное обжатие плазменной дуги по оси плазмотрона, фиксацию катодного пятна по центру электрода и выходного цилиндрического канала сопла.

Конструкция газовоздушного тракта (ГВТ) плазмотрона и его основного элемента - газодинамического стабилизатора потока (ГДСП), который является основной и неотъемлемой частью заявляемого плазмотрона, обеспечивают многократное деление потока плазмообразующего газа (ПОГ) после его выхода из двух газоподводящих каналов и интенсивное трехкратное закручивание потока. Участки ГДСП конструктивно отделены друг от друга и служат для закрутки потока ПОГ и выравнивания его скорости по пути в газоразрядную камеру соплового узла плазмотрона.

Заявленная конструкция плазмотрона является новой, то есть неизвестной из уровня техники, а, следовательно, соответствует критерию «новизна».

Вышеприведенная совокупность отличительных признаков не известна на данном уровне техники и не следует из общеизвестных правил конструирования плазмотронов, что подтверждает соответствие критерию «изобретательский уровень».

Конструктивная реализация ГВТ плазмотрона с указанной совокупностью существенных признаков не представляет конструктивных, технических и технологических трудностей, может быть изготовлена из известных материалов с использованием известных методов обработки, из чего следует вывод о соответствии критерию «промышленная применимость».

Сущность заявляемого устройства плазмотрона и процессы, происходящие в газовоздушном тракте (ГВТ) плазмотрона поясняются на фиг. 1 - 4.

На фиг. 1 представлена в разрезе конструктивная схема стационарной и сменной части заявляемого плазмотрона с ГДСП: а) - конструктивная схема плазмотрона; б)- схема движения потока ПОГ через участки ГДСП в сменной части плазмотрона;

На фиг. 2 представлен общий вид конструкции газодинамического стабилизатора потока (ГДСП) заявляемого плазмотрона: а) - газоподводящий участок (ГПУ) с выходным тангенциальным отверстием газоподводящего канала и конфузорной камерой смешения потока ПОГ; б) - газоформирующий участок (ГФУ) с формирующим зафихрителем (ФЗ); в) - газовихревой участок (ГВУ) со стабилизирующим завихрителем (СЗ);

На фиг. 3 показан характер распределения потока ПОГ на участках ГДСП и в газоразрядной камере: а) - газоподводящий участок (ГПУ) с выходным тангенциальным отверстием для подачи ПОГ; б) - газоформирующий участок (ГФУ) с формирующим завихрителем (ФЗ); в) - газовихревой участок (ГВУ) со стабилизирующим завихрителем (СЗ); г) - газоразрядная камера (ГРК) с кольцевым конфузорным каналом;

На фиг. 4 представлен износ рабочих поверхностей комплекта сопло-электрод базовой (а) и заявляемой (б) конструкции плазмотрона с ГДСП;

На фиг. 5 представлены образцы кромок разрезаемого металла, сталь Ст30Пс, толщина образца 10 мм: а) - плазменная резка базовым плазмотроном, б) - плазменная резка заявляемым плазмотроном.

Заявляемый плазмотрон содержит стационарную часть 1 с распределителем 2, каналов 3 для подачи и 4 для отвода охлаждающей среды (ОС), канала 5 для подачи плазмообразующего газа (ПОГ) и размещенную в корпусе 6 сменную часть 7 в составе электрододержателя 8 с внутренней полостью 9, охлаждающей трубки 10, электрода 11, кольцевой полости переменного сечения 12 и анодного узла с соплом 13. В стационарной части 1 размещен делитель потока 14, состоящий из приемной камеры 15 и распределительной камеры 16, соединенной для подачи ПОГ в сменную часть 7 двумя осесимметричными каналами 17 и соединенными с ними симметричными газоподводящими каналами 18 в электрододержателе 8. Газоподводящие каналы 18 имеют выходные тангенциальные отверстия 19, которые направлены по касательной в кольцевую полость переменного сечения 12, где размещен газодинамический стабилизатор потока (ГДСП) 20, состоящий из трех последовательно расположенных в кольцевой полости переменного сечения 12 участков - газоподводящего участка (ГПУ) 21, соединенного через выходные тангенциальные отверстия 19 газоподводящих каналов 18 и состоящего из конфузорной камеры смешения 22, соединенной через кольцевой цилиндрический канал 23 с газоформирующим участком (ГФУ) 24, содержащим формирующий завихритель (ФЗ) 25 с винтовыми каналами 26, выходящими в газовихревой участок (ГВУ) 27 с размещенным в нем стабилизирующим завихрителем (СЗ) 28, представляющим собой диффузорную камеру 29 с размещенной в ней диэлектрической профилированной втулкой 30, выполненной с обращенным к соплу 13 утолщенной частью 31, в которой выполнены равномерно расположенные по окружности каналы 32, направленные под углом к поверхности электрода 11 через кольцевой конфузорный вихревой канал 33 в газоразрядную камеру (ГРК) 34, образованную торцевой поверхностью электрода 11 и внутренней поверхностью сопла 13, и, переходящую в выходной цилиндрический канал 35, сопла 13, при этом входные отверстия каналов 32 стабилизирующего завихрителя (СЗ) 28 расположены от выхода винтовых каналов 26 формирующего завихрителя (ФЗ) 25 на расстоянии в пределах 8 - 12 мм.

Таким образом, поток плазмообразующего газа (ПОГ) через канал 5 подается по нормали в стационарную часть 1 плазмотрона в цилиндрическую приемную камеру 15 делителя потока 14. Ударяясь о торцевую поверхность распределителя 2, размещенного в стационарной части 1, поток ПОГ равномерно распределяется к стенкам делителя потока 14 и распространяется далее, попадая в распределительную камеру 16, откуда по двум осесимметричным каналам 17 цилиндрической формы, которые расположены симметрично относительно оси плазмотрона, и, соединенными с ними симметричными газоподводящими каналами 18 с выходными тангенциальными отверстиями 19, выполненными в электрододержателе 8 сменной части 7, поток ПОГ выходит по касательной к стенкам кольцевой полости переменного сечения 12 через выходные тангенциальные отверстия 19, на первый газоподводящий участок (ГПУ) 21 газодинамического стабилизатора потока (ГДСП) 20. размещенного в кольцевой полости переменного сечения 12, где и происходит первая вихревая закрутка потока ПОГ, сопровождающаяся его равномерным распределением в объеме кольцевой конфузорной камеры смешения 22.

Попадая в кольцевую конфузорную камеру смешения 22 закрученный поток ПОГ разгоняется и через кольцевой цилиндрический канал 23, где сохраняется его вихревая структура, выходит на второй участок ГДСП 20 - газоформирующий участок (ГФУ) 24, на котором по ходу потока ПОГ размещен формирующий завихритель (ФЗ) 25 с винтовыми каналами 26, где поток ПОГ разбивается на более мелкие струи, получает дополнительную закрутку и ускорение перед входом на третий участок ГДСП 20 - газовихревой участок (ГВУ) 27. На этом участке размещен стабилизирующий завихритель (СЗ) 28, играющий основную роль в трансформировании потока ПОГ по ГВТ плазмотрона и его подачи через кольцевой конфузорный вихревой канал 33 в газоразрядную камеру (ГРК) 34. Стабилизирующий завихритель (СЗ) 28 представляет собой диффузорную камеру 29 с размещенной в ней диэлектрической профилированной втулкой 30, выполненной с утолщенной частью 31, в котором по окружности утолщенной части 31 равномерно расположены каналы 32. Закрученный винтовыми каналами 26 поток ПОГ увеличивает скорость течения по ГВУ 27 и, сохраняя свою вихревую структуру, равномерно распределяется в объеме диффузорной камеры 29 до входа в каналы 32, которые направлены под углом к боковой поверхности электрода 11 и выходят через кольцевой конфузорный канал 33 в газоразрядную камеру (ГРК) 34. Количество каналов 32 зависит от диаметра выходного цилиндрического канала 35 сопла 13 и кратно количеству винтовых каналов 26. Закрученный с помощью каналов 32 поток ПОГ характеризуется высокой степенью закрутки и равномерным распределением скорости потока ПОГ по каналам 32, в кольцевом конфузорном канале 33, по оси сопла 13, в выходном цилиндрическом канале 35 сопла 13 и в плазменной дуге на выходе из сопла.

На фиг.1 представлены участки газовоздушного тракта (ГВТ) плазмотрона, на которых происходит действие газодинамического стабилизатора потока (ГДСП) по выравниванию скорости потока ПОГ в кольцевой полости плазмотрона: I - участок подвода ПОГ с двумя симметричными газоподводящими каналами 18 с выходными тангенциальными отверстиями 19; II - кольцевая полость переменного сечения 12 с газодинамическим стабилизатором потока ПОГ 20 с тремя основными участками: газоподводящий участок (ГПУ) 21; газоформирующий участок (ГФУ) 24 с формирующим завихрителем (ФЗ) 25; газовихревой участок (ГВУ) 27 со стабилизирующим завихрителем (ФЗ) 28; III - сопловой узел с газоразрядной камерой (ГРК) 34 с кольцевым конфузорным вихревым каналом 33, электродом 11, соплом 13 с выходным цилиндрическим каналом 35.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Плазмотрон устанавливается на механизм перемещения, в качестве которого может быть использована портальная, консольная или шарнирная машина. К плазмотрону подводятся: плазмообразующий газ (ПОГ) из системы подготовки газа; охлаждающая среда (вода) из системы водоподготовки и электроэнергия от источника питания.

Запуск плазмотрона осуществляется после выполнения следующих предварительных действий. Первым шагом в подготовке плазмотрона к работе является подача в него по каналу 3 охлаждающей среды (ОС) - воды под давлением 2,0-4,0 МПа. Вода поступает к теплонагруженным узлам плазмотрона - электроду 11 и соплу 13 и по каналу 4 отводится из плазмотрона. Процесс охлаждения плазмотрона происходит при постоянном контроле температуры, давлении на входе и расходе воды на выходе.

Вторым шагом в подготовке плазмотрона к запуску является подача плазмообразующего газа (ПОГ) в газовоздушный тракт (ГВТ) плазмотрона по каналу 5. Параметры подаваемого ПОГ из системы газоподготовки поддерживаются на постоянном уровне и имеют следующие основные характеристики: расход ПОГ - 4,0-10 м3/час; давление- 0,2-0,5 МПа. В качестве ПОГ может использоваться воздух из магистрали, либо из индивидуального компрессора. Кроме воздуха в качестве плазмообразующей среды могут использоваться другие газы или их смеси.

Третьим шагом в подготовке плазмотрона к работе является его подключение к источнику питания постоянного тока, основной характеристикой которого являются: напряжение питания электрической сети - 380В, ± 10%; потребляемая мощность, источника питания не более - 100 кВА; ток резки (плавнорегулируемый) - 30 - 200 А.

Через входное отверстие канала 5, расположенное на торцевой поверхности стационарной части 1, ПОГ под давлением поступает в делитель потока 14. Выходящая под давлением из канала 5 струя ПОГ встречает на своем пути преграду в виде выступа распределителя 2, расположенного на торцевой части распределителя 2 и разделяющего делитель потока 14 на две кольцевые камеры - приемную камеру 15 и распределительную камеру 16, где подаваемый поток ПОГ равномерно изменяет свое направление с осевого на радиальное, рассеивая свою кинетическую энергию в пределах распределительной камеры 16, выполненой кольцевой цилиндрической формы, и создает в ней равномерное избыточное давление. Дальнейшее движение ПОГ происходит под воздействием избыточного давления в распределительной камере 16 в направлении сменной части 7 по двум осесимметричным каналам 17 до соединения с газоподводящими каналами 18 в сменной части 7, которые заканчиваются на выходе тангенциальными отверстиями и выходят в кольцевую полость переменного сечения 12 на первый газоподводящий участок (ГПУ) 21, размещенного в этой полости газодинамического стабилизатора потока (ГДСП) 20, состоящего из трех участков, преобразующих движение потока ПОГ по ГВТ плазмотрона. ГПУ 21 выполнен в виде кольцевой конфузорной камеры смешения 22, в которую через тангенциально расположенные в широкой части камеры выходные тангенциальные отверстия 19 газоподводящих каналов 18 поступает по касательной поток ПОГ. На этом - первом участке ГДСП поток приобретает первую вихревую закрутку с углом наклона к оси плазмотрона в пределах от 60-70 градусов. Проходя по кольцевому цилиндрическому каналу 23 поток выравнивается по скорости и давлению, и, сохраняя свою вихревую структуру поступает на второй газоформирующий участок (ГФУ) 24, где размещен формирующий завихритель (ФЗ) 25 с винтовыми каналами 26. Эти каналы имеют угол наклона к оси плазмотрона также в диапазоне 60-70 градусов, что позволяет вихревому потоку с ГПУ 21 беспрепятственно входить в винтовые каналы 26 формирующего завихрителя (ФЗ) 25. На выходе из винтовых каналов 26 формирующего завихрителя (ФЗ) 25 создается более равномерный, чем на первом участке ГПУ 21 закрученный поток ПОГ, который исключил процесс возникновения хаотичного вихреобразования, пульсации скорости и давления перед входом на третий газовихревой участок (ГВУ) 27 с размещенным на нем стабилизирующим завихрителем (СЗ) 28. Стабилизирующий завихритель 28 представляет собой диффузорную камеру 29, в которую закрученный поток ПОГ попадает из винтовых каналов ФЗ. В широкой части диффузорной камеры 29 размещена диэлектрическая профилированная втулка 30 с обращенным к соплу утолщенной частью 31, в котором выполнены равномерно расположенные по окружности сквозные каналы 32, направленные под углом 60-70 градусов к поверхности электрода 11. Закрученный и равномерный по своим газодинамическим параметрам поток ПОГ двигаясь по кольцевому диффузорному каналу 29 сталкивается с утолщенной частью 31 диэлектрической профилированной втулки 30, которая перфорирована сквозными каналами 32. Перед входом ПОГ в каналы 32 закрученный поток резко затормаживается, но сохраняет свою вихревую структуру и газодинамические характеристики. Таким образом, ПОГ попадает в сквозные каналы 32, выполненные цилиндрической формы, из которых в кольцевой конфузорный вихревой канал 33, образующий кольцевую вихревую камеру, выходит почти сплошной кольцевой закрученный поток, формирующий в кольцевой вихревой камере равномерный по скорости и давлению вихревой поток с тангенциальной компонентой скорости. Благодаря равномерному распределению ПОГ по каналам 32 стабилизирующего завихрителя 28 через кольцевой конфузорный вихревой канал 33 вихревой камеры сплошной поток равномерно закрученного ПОГ поступает в газоразрядную камеру (ГРК) 34. В газоразрядной камере (ГРК) 34 образованной внешней поверхностью электрода 11 и внутренней поверхностью сопла 13 создается вихревая область течения ПОГ с центром низкого давления (разрежения) в центре торца электрода и по оси выходного цилиндрического канала сопла плазмотрона. Закрученный в ГДСП поток плазмообразующего газа через кольцевой конфузорный канал 33 вихревой камеры, сохраняя свою вихревую структуру, попадает в газоразрядную камеру (ГРК) 34 и через выходной цилиндрический канал сопла выходит наружу в виде сжатой струи с разрежением по ее оси. Так действует газодинамический механизм плазмотрона, оснащенного газодинамическим стабилизатором потока ПОГ, на «холодной струе» без подключения электрической энергии.

После выполнения двух основных действий - подключение плазмотрона к системе охлаждения и к системе подготовки и подачи ПОГ, плазмотрон через осциллятор подключают к источнику электропитания. При запуске плазмотрона через осциллятор на разнополярные конструктивные элементы плазмотрона - электрод 11 и сопло 13 подается высокочастотный потенциал напряжением 10 кВ. Пробивая воздушный промежуток в сопловом узле на самом минимальном расстоянии, которое конструктивно находится между наружной поверхностью электрода 11 и внутренней поверхностью сопла 13, электрическая дуга под воздействием равномерного вихревого потока создает в газоразрядной камере (ГРК) 34 по оси плазмотрона, центру электрода 11, по центру выходного цилиндрического канала 35 сопла 13 и оси плазменной дуги на выходе из сопла 13 сильное разрежение давления. Таким образом, создаваемый газодинамическим стабилизатором потока (ГДСП) 20, кольцевой конфузорный вихревой канал 33 вихревой камеры, конфузорным профилем сопла 13, формой и размерами ГРК 34 обеспечивают равномерно и интенсивно закрученный поток ПОГ и создают условия разрежения в ГРК 34 с областью низкого давления по оси ГРК 34 и в плазменной дуге на выходе из сопла 13. Это ориентирует электрическую дугу и окружающую ее плазменную струю находиться по центру электрода 11 и выходного цилиндрического канала 35 сопла 13, обеспечивая тем самым высокую концентрацию энергии плазменной дуги по оси плазмотрона от центра электрода 11 и до выхода ее из сопла 13.

Газодинамический стабилизатор потока (ГДСП) 20 является составной и неотъемлемой частью ГВТ плазмотрона и представляет собой последовательное сочетание участков - ГПУ 21, ГФУ 24, ГВУ 27, камер - 22, 29, 34 и выходных тангенциальных отверстий 19, выполняющих функцию завихрителей, ФЗ 25, СЗ 28, связанных между собой каналами - 23 и 33. Причем степень закрутки ПОГ на участках ГПУ 21, ГФУ 24, ГВУ 27 предполагает увеличение эффективности закрутки и выравнивания скорости потока ПОГ по всему проходному сечению ГВТ плазмотрона. Конструкция ГВТ плазмотрона с ГДСП 20 обеспечивает высокую эффективность закрутки ПОГ на выходе из каждого завихрителя, и создает условия максимального равномерного давления и высокой скорости движения вихревого потока в газоразрядную камеру (ГРК) 34 и на выходе плазменной дуги из сопла плазмотрона.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что газодинамический стабилизатор потока с камерами, завихрителями и каналами обеспечивает на всем протяжении газовоздушного тракта сменной части плазмотрона равномерный по скорости, давлению и расходу закрученный поток ПОГ, который приобретает наиболее эффективную вихревую структуру в кольцевой вихревой камере после выхода из каналов стабилизирующего завихрителя.

Характер течения потока ПОГ и исследование распределения скорости потока ПОГ рассчитаны в программном пакете Solid Works. Расчет проводился на конструктивной модели газодинамического стабилизатора потока (ГДСП) ПОГ (Фиг.2). На газоподводящем участке (ГПУ) 21 первичного выравнивания предварительно закрученного потока ПОГ в конфузорной камере смешения 22, где на выходе из тангенциальных отверстий 19 симметричных газоподводящих каналов 18 происходит первичное закручивание потока ПОГ под углом 60-70 градусов к оси плазмотрона. На втором газоформирующем участке (ГФУ) 24 осуществлялся второй более интенсивный по эффективности этап закрутки потока ПОГ под углом в диапазоне 60-70 градусов. Эффективность выравнивания предварительно закрученного на ГПУ 21 вихревого потока ПОГ и увеличение его скорость по сечению винтовых каналов 26 формирующего завихрителя (ФЗ) 25 позволило создать равномерный высокоскоростной закрученный поток перед входом на третий - газовихревой участок (ГВУ) 27 с стабилизирующим завихрителем (СЗ) 28, состоящим из кольцевой диффузорной камеры 29 и диэлектрической профилированной втулки с каналами, расположенными под углом 60-70 градусов к оси плазмотрона. На этом газовихревом участке (ГВУ) 27 с стабилизирующим завихрителем 28 определялась эффективность выравнивания вихревого потока ПОГ и скорости на выходе из каналов 32 в газоразрядную камеру (ГРК) 34. Как видно из представленных данных (Фиг.3), у заявляемого плазмотрона на всех трех участках газодинамического стабилизатора потока ПОГ, наблюдается по пути движения потока и на выходе в ГРК равномерное наполнение ПОГ и более равномерный профиль скорости движения. Таким образом, газодинамический стабилизатор потока ПОГ обеспечивает равномерное распределение потока ПОГ и скорость движения уже в самом начале его распределения начиная с газоподводящего участка и далее на газоформирующем, газовихревом участках и в газоразрядной камере вплоть до выхода потока из сопла плазмотрона. Использование газодинамического стабилизатора потока ПОГ позволило создать в газоразрядной камере равномерный кольцевой закрученный поток ПОГ, характеризуемый равномерным полем распределения скорости и давления потока вокруг поверхности электрода и по центру внутри сопла, обеспечив в газоразрядной камере разрежение по оси плазмотрона, стабильную фиксацию катодного пятна по центру торца электрода, стабилизацию плазменной дуги по оси выходного цилиндрического канала сопла и на выходе плазменной дуги из сопла плазмотрона.

Пример реализации предлагаемого изобретения.

На оптимальном по току, напряжению на дуге и расходу ПОГ технологическом режиме, установленном соответствующими расчетами и экспериментальными исследованиями, плазмотроном с установленным в нем газодинамическим стабилизатором давления были разрезаны образцы металла из стали Ст30Пс толщиной 10 мм. Исходные технологические параметры при резке составляли: ток резки - 120 А; напряжение резки - 180 В; давление ПОГ ~ 4,5 атм.; диаметр выходного цилиндрического канала сопла - 1,9 мм; вылет плазмотрона относительно поверхности металла - 6-7 мм. Скорость резки соответствовала 1,5 м/мин при толщине металла 10 мм. Качество поверхности разрезаемого металла соответствует нормативным значениям. На фиг.5 приведено качество поверхности металла на кромке реза, полученное с применением базового плазмотрона (а) и заявляемого плазмотрона (б). Из представленного материала можно сделать следующий вывод: поверхность кромки реза базовым плазмотроном неравномерна и характеризуется чередованием участков с низким и увеличенным уровнем шероховатости; а поверхность кромки реза, полученная заявляемым плазмотроном равномерная с низким уровнем шероховатости. Эффект достижения высокого качества кромки разрезаемого металла у заявляемого плазмотрона достигается за счет высокой стабилизации катодного пятна в центре торцевой части электрода, высокой степенью стабилизации плазменной дуги по оси и на выходе из сопла. Улучшение этих показателей было достигнуто благодаря установке в заявляемом плазмотроне газодинамического стабилизатора потока, что привело к трехступенчатой интенсивной закрутке потока ПОГ, увеличению ее интенсивности на каждом из последующих участков, к снижению пульсаций давления и скорости потока ПОГ и дуги в газоразрядной камере и повышению качества поверхности разрезаемого металла, надежности и экономичности плазмотрона.

На фиг. 4 представлены образцы износа двух сменных деталей плазмотрона - электрода и сопла: (а) для базовой конструкции, (б) для заявляемой. Эти детали образуют самый нагруженный узел плазмотрона - газоразрядную камеру. При анализе рабочих поверхностей электродов было установлено, что на электроде базовой конструкции (а) наблюдается смещение катодного пятна относительно центра электрода, а на электроде (б) заявляемого плазмотрона расположение катодного пятна находится строго по центру торцевой поверхности электрода и имеет равномерный незначительный износ. Что касается износа сопла, то у заявляемого плазмотрона (б), в отличии от базовой конструкции (а), выходной цилиндрический канал сопла не имеет видимых повреждений и сохраняет цилиндрическую форму, которая влияет на параметры выходной плазменной дуги и качество поверхности разрезаемого металла, подтверждая заявленный технический результат. Как видно из представленных образцов Фиг.4 (б) в заявляемом плазмотроне износ сопла и электрода носит равномерный и незначительный характер.

Разработанная конструкция газодинамического стабилизатора потока (ГДСП), предлагаемая в заявляемом плазмотроне, позволяет обеспечить равномерное распределение плазмообразующего газа (ПОГ) по газовоздушному тракту (ГВТ) и на входе в газоразрядную камеру (ГРК) соплового узла плазмотрона. Стабилизация плазменной дуги по оси газоразрядной камеры (ГРК) и выходного цилиндрического канала сопла с помощью ГДСП позволила с высокой эффективностью производить качественную резку металла (Фиг. 5) в широком диапазоне толщин на малых токах с более высокой скоростью. Использование малых токов и уменьшение диаметра выходного цилиндрического канала сопла позволило добиться снижения акустического воздействия плазмотрона на окружающую среду и рабочую зону оператора плазменной установки. Все вышеизложенное позволяет в совокупности обеспечить надежность работы плазмотрона и увеличить долговечность конструктивных быстроизнашиваемых элементов (сопло-электрод) плазмотрона и улучшить его эксплуатационные характеристики.

Таким образом заявляемая конструкция плазмотрона обеспечивает достижение заявленного технического результата за счет установки в газовоздушном тракте газодинамического стабилизатора потока плазмообразующего газа, равномерное по скорости и давлению распределение потока плазмообразующего газа по газовоздушному тракту и сопловому узлу плазмотрона с целью стабилизации катодного пятна и плазменной дуги в газоразрядной камере и на выходе из сопла плазмотрона.

Изобретение относится к плазмотрону и может быть использовано в различных отраслях промышленности для механизированной и ручной плазменной резки металла. Плазмотрон содержит стационарную часть (1) с распределителем (2), каналом (3) для подачи и каналом (4) для отвода охлаждающей среды и каналом (5) для подачи плазмообразующего газа. В корпусе (6) размещена сменная часть (7), состоящая из соосно расположенных катодного узла в составе электрододержателя (8) с внутренней полостью (9), охлаждающей трубкой (1), электрода (11), кольцевой полости переменного сечения (12) и сопла (1). В стационарной части (1) размещен делитель потока (14), состоящий из приемной камеры (15) и распределительной камеры (16), соединенной для подачи плазмообразующего газа в сменную часть (7) двумя симметричными каналами (17) и соединенными с ними аналогичными газоподводящими каналами в электрододержателе (8). Газоподводящие каналы (18) имеют выходные отверстия (19), направленные в кольцевую полость (12), где размещен газодинамический стабилизатор потока (20), состоящий из трех последовательно расположенных в кольцевой полости (12) участков – газоподводящего участка (21), газоформирующего участка (24) и газовихревого участка (27). Газоподводящий участок (21) состоит из конфузорной камеры смешения (22) и соединен через кольцевой цилиндрический канал (23) с газоформирующим участком (24), который содержит формирующий завихритель (25) с винтовыми каналами (26), выходящими в газовихревой участок (27). Газовихревой участок (27) содержит стабилизирующий завихритель (28), представляющий собой диффузорную камеру (29) с размещенной в ней диэлектрической втулкой (30) с обращенным к соплу (13) утолщением (31), в котором выполнены равномерно расположенные по окружности утолщенной части каналы (32), направленные (33) в газоразрядную камеру (34), образованную торцевой поверхностью электрода (11) и внутренней поверхностью сопла (13) и переходящую в выходной цилиндрический канал (35) сопла (13). Технический результат – увеличение надежности работы и достижение высоких эксплуатационных показателей плазмотрона. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Плазмотрон, содержащий стационарную часть (1) с распределителем (2), каналом (3) для подачи и каналом (4) для отвода охлаждающей среды, каналом 5 для подачи плазмообразующего газа, сменную часть (7), размещенную в корпусе (6) и состоящую из соосно расположенных катодного узла в составе электрододержателя (8) с внутренней полостью (9) и размещенной в ней охлаждающей трубкой (10) с электродом (11) и кольцевой полостью переменного сечения (12), анодного узла с соплом (13), отличающийся тем, что в стационарной части (1) размещен делитель (14) потока плазмообразующего газа, состоящий из двух последовательно расположенных цилиндрических камер: приемной камеры (15), соединенной с подающим плазмообразующий газ каналом 5, и распределительной камеры (16), с выходящими из нее двумя симметрично расположенными относительно оси плазмотрона цилиндрическими каналами (17) и соединенными в сменной части (7) с симметричными газоподводящими каналами (18) в электрододержателе (8), с выходными тангенциальными отверстиями (19), обращенными по касательной в кольцевую полость (12) с размещенным в ней газодинамическим стабилизатором потока (20) плазмообразующего газа, состоящим из последовательно расположенных в кольцевой полости (12) трех участков – газоподводящего участка (21), соединенного с выходными отверстиями (19) газоподводящих каналов (18) и состоящего из конфузорной камеры смешения (22), соединенной через кольцевой цилиндрический канал (23) с газоформирующим участком (24), содержащим формирующий завихритель (25) с винтовыми каналами (26), выходящими в газовихревой участок (27), с размещенным в нем стабилизирующим завихрителем (28), представляющим собой диффузорную камеру (29) с размещенной в ней диэлектрической профилированной втулкой (30) с обращенным к соплу (13) утолщением (31), в котором выполнены равномерно расположенные по окружности утолщенной части каналы (32), направленные под углом к поверхности электрода (11) через кольцевой конфузорный вихревой канал (33) в газоразрядную камеру (34), образованную торцевой поверхностью электрода (11) и внутренней поверхностью сопла (13) и переходящую в выходной цилиндрический канал (35) сопла (13).

2. Плазмотрон по п. 1, отличающийся тем, что входные отверстия каналов (32) стабилизирующего завихрителя (28) расположены от выхода каналов (26) формирующего завихрителя (25) на расстоянии в пределах 8 – 12 мм.

3. Плазмотрон по п. 1, отличающийся тем, что для подвода плазмообразующего газа на газоподводящий участок (21) выходные отверстия (19) газоподводящих каналов (18) направлены в конфузорную камеру смешения (22) под углом наклона винтовых каналов (26) формирующего завихрителя (25) и каналов (32) стабилизирующего завихрителя (28) и находятся в пределах от 60° до 70° относительно оси плазмотрона.

4. Плазмотрон по п. 1, отличающийся тем, что для охлаждения электрода (11) охлаждающей средой торец охлаждающей трубки (10), размещенный соосно внутри электрода (11), выполнен в виде диффузора и имеет одну или несколько диаметрально противоположных прорезей, а другой конец охлаждающей трубки (10) закреплен во внутренней полости (9) электрододержателя (8) и соединен с каналом (3) подачи охлаждающей среды.

5. Плазмотрон по п. 1, отличающийся тем, что торцевая поверхность распределителя (2), обращенная к входному отверстию канала 5 для подачи плазмообразующего газа, выполнена сферической или конической формы.