RU2353485C1

RU2353485C1 - Plasma torch (versions)

Info

Publication number: RU2353485C1
Application number: RU2007126769/02A
Authority: RU
Inventors: Владимир Семенович Тверской (RU); Владимир Семенович Тверской; Алексей Владимирович Тверской (RU); Алексей Владимирович Тверской
Original assignee: Ооо "Плазариум"
Priority date: 2007-07-13
Filing date: 2007-07-13
Publication date: 2009-04-27

Abstract

FIELD: welding jobs.

SUBSTANCE: invention relates to plasma torches and can be used for plasma processing of materials, in particular to cut and weld metals. The proposed plasma torch comprises a casing, swirler, rod electrode, dielectric tube, jet nozzle with open central channel, discharge and vortex chambers. The rod electrode end face part is contracted towards the jet nozzle and arranged so that to form, with it, a circular confuser space. The cylindrical-space discharge chamber features a confuser coupling with the swirler inner surface and confuser coupling with the outlet of the jet nozzle central channel. Note here that the contraction of the coupling with central channel outlet exceeds that with the swirler inner surface. The jet nozzle central channel outlet can have widening downstream of the gas flow. Narrowing of the coupling with the jet nozzle central channel opening does not exceed that with the swirler inner surface.

EFFECT: increased plasma jet length and gas-dynamic pressure along with improved stabilisation of electric arc, reduced heat losses.

7 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к плазменным горелкам с вихревой стабилизацией электрической дуги, а именно к усовершенствованиям, относящимся к прохождению газа для охлаждения и работы горелки, и может быть использовано для плазменной обработки материалов, в частности для резки и сварки металлов.The invention relates to plasma torches with vortex stabilization of the electric arc, namely, improvements related to the passage of gas for cooling and operation of the torch, and can be used for plasma processing of materials, in particular for cutting and welding of metals.

Известна плазменная горелка, содержащая трубчатый корпус, в котором соосно размещены завихритель, выполненный в виде втулки с каналами, формирующими струйки рабочего газа с окружной компонентой скорости, стержневой электрод с электродной вставкой, расположенный в названном завихрителе с зазором, обеспечивающим возможность образования кольцевой вихревой камеры с вихревым потоком рабочего газа, диэлектрическая трубка, расположенная в зазоре между стержневым электродом и завихрителем, торец которой образует торец вихревой камеры, сопловая насадка с профилированным открытым центральным каналом, расположенная на торце завихрителя с зазором относительно торцовой части стержневого электрода с обеспечением возможности образования разрядной камеры с преимущественно осевым расположением электрической дуги в потоке рабочего газа, поступающего из вихревой камеры и истекающего из выходного отверстия центрального канала сопловой насадки с образованием плазменной струи и электрической дуги прямого действия (WO 94/12308, 27.11.1992). Согласно известному изобретению внутренняя поверхность сопловой насадки включает смежное расположение цилиндрического, конического, второго цилиндрического, второго конического и третьего цилиндрического участков, причем цилиндрические участки имеют разные диаметры, а конические участки сужаются от цилиндрического участка большего диаметра к цилиндрическому участку меньшего диаметра. При этом плазменную горелку выполняют с соблюдением определенных геометрических соотношений. Техническим результатом известного изобретения является увеличение плотности энергии в дуге за счет стабилизации осевого расположения электрической дуги. При этом уменьшается вероятность двойного дугообразования. Известным техническим решением в сопловой насадке предусмотрена цилиндрическая полость, уменьшающая осевую компоненту скорости потока рабочего газа в разрядной камере. Известная плазменная горелка предназначена для резки металлов прямой электрической дугой, совмещенной с плазменной струей, в условиях предотвращения двойного дугообразования. Эффективность технического решения подтверждена при токах в дуге более 27 А и использовании кислорода в качестве рабочего газа (молекулярная масса µ=32 кг/кмоль).Known plasma torch containing a tubular body in which a swirl is arranged coaxially, made in the form of a sleeve with channels forming trickles of the working gas with a peripheral velocity component, a rod electrode with an electrode insert located in the swirl with a gap that allows the formation of an annular swirl chamber with a swirling flow of working gas, a dielectric tube located in the gap between the rod electrode and the swirl, the end of which forms the end of the vortex chamber, nozzles a new nozzle with a profiled open central channel located at the end of the swirl with a gap relative to the end part of the rod electrode, allowing the formation of a discharge chamber with a predominantly axial arrangement of the electric arc in the working gas stream coming from the vortex chamber and flowing out of the outlet of the central channel of the nozzle nozzle with the formation of a plasma jet and direct-acting electric arc (WO 94/12308, 11.27.1992). According to the known invention, the inner surface of the nozzle nozzle includes an adjacent arrangement of a cylindrical, conical, second cylindrical, second conical and third cylindrical sections, the cylindrical sections having different diameters and the conical sections narrowing from a cylindrical section of a larger diameter to a cylindrical section of a smaller diameter. In this case, the plasma torch is performed in compliance with certain geometric ratios. The technical result of the known invention is to increase the energy density in the arc by stabilizing the axial location of the electric arc. This reduces the likelihood of double arcing. A known technical solution in the nozzle nozzle provides a cylindrical cavity that reduces the axial component of the flow rate of the working gas in the discharge chamber. Known plasma torch is designed for cutting metals with a direct electric arc, combined with a plasma jet, in conditions of preventing double arcing. The effectiveness of the technical solution was confirmed at currents in an arc of more than 27 A and the use of oxygen as a working gas (molecular weight µ = 32 kg / kmol).

Из уровня научных знаний известно, что на процессы стабилизации дуги и фокусировки катодного пятна влияет не только геометрия разрядной камеры, давление, расход, но и род рабочего газа (Михайлов Б.И. Влияние на осевую стабилизацию дуги в газовихревых плазмотронах. - «Теплофизика и аэромеханика», 2001, том 8, №1, с.133-141). Поэтому недостатком известного изобретения является его неэффективность при изменении рода рабочего газа - его молекулярной массы, химического состава, в частности, в плазменных горелках, использующих косвенную дугу, пар рабочей жидкости, содержащей воду, в качестве рабочего газа и рекуперацию тепловых потоков как основу организации рабочих процессов.It is known from the level of scientific knowledge that not only the geometry of the discharge chamber, pressure, flow rate, but also the type of working gas affects the stabilization of the arc and focusing of the cathode spot (Mikhailov B.I. Influence on the axial stabilization of the arc in gas-vortex plasmatrons. - “Thermophysics and aeromechanics ”, 2001, volume 8, No. 1, pp. 133-141). Therefore, the disadvantage of the known invention is its inefficiency when changing the type of working gas — its molecular weight, chemical composition, in particular in plasma torches using an indirect arc, steam of a working fluid containing water as a working gas and recovery of heat fluxes as the basis for organizing workers processes.

Известна плазменная горелка (WO 2006/121370, 16.11.2006), наиболее близкая к заявленной по числу совпадающих признаков, содержащая трубчатый корпус, в котором соосно размещены завихритель, выполненный в виде втулки с каналами, сообщающимися с генератором пара и формирующими струйки рабочего газа с окружной компонентой скорости, стержневой электрод с электродной вставкой, расположенный в названном завихрителе с зазором, обеспечивающим возможность образования кольцевой вихревой камеры с вихревым потоком рабочего газа, и с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения, диэлектрическая трубка, расположенная в зазоре между стержневым электродом и завихрителем, торец которой образует торец вихревой камеры, сопловая насадка с профилированным открытым центральным каналом, расположенная на торце завихрителя с зазором относительно торцовой части стержневого электрода с обеспечением возможности образования разрядной камеры с преимущественно осевым расположением электрической дуги в потоке рабочего газа, поступающего из вихревой камеры и истекающего из выходного отверстия центрального канала сопловой насадки с образованием плазменной струи. Известная плазменная горелка является малоамперной с током в дуге до 20 А, использует паровихревую стабилизацию дуги и водяной пар (молекулярная масса µ=18 кг/кмоль) в качестве составной части рабочего газа. В известной плазменной горелке повышение качества рабочих процессов осуществлено за счет рекуперации больших тепловых потоков высокой плотности теплоподвода с малым термическим сопротивлением. Однако остается общий для плазменных горелок с рекуперацией тепловых потоков недостаток:Known plasma torch (WO 2006/121370, 16.11.2006), closest to the declared by the number of matching features, containing a tubular body in which a swirl is arranged coaxially, made in the form of a sleeve with channels communicating with the steam generator and forming trickles of the working gas with a peripheral velocity component, a rod electrode with an electrode insert, located in the said swirler with a gap that allows the formation of an annular vortex chamber with a vortex flow of the working gas, and with the possibility of axial return reciprocating movement, a dielectric tube located in the gap between the rod electrode and the swirl, the end of which forms the end of the vortex chamber, a nozzle nozzle with a profiled open central channel, located at the end of the swirl with a gap relative to the end part of the rod electrode with the possibility of the formation of a discharge chamber with predominantly by the axial arrangement of the electric arc in the working gas stream coming from the vortex chamber and flowing out of the outlet Stia central nozzle channel of the nozzle to form a plasma jet. The well-known plasma torch is low-ampere with an arc current of up to 20 A, uses vapor-vortex stabilization of the arc and water vapor (molecular weight µ = 18 kg / kmol) as an integral part of the working gas. In the well-known plasma torch, the improvement of the quality of the working processes was carried out due to the recovery of large heat fluxes of high density heat supply with low thermal resistance. However, a common drawback remains for plasma torches with heat flow recovery:

- для резки металлов необходимо повышать степень сжатия электрической дуги, увеличить длину и газодинамический напор плазменной струи. Для этого повышают давление в разрядной камере, выходное отверстие центрального канала сопловой насадки выполняют с минимальным размером, исключающим тепловое запирание сопловой насадки. При этом технический эффект достигают за счет увеличения теплового КПД плазменной горелки, определяемого в основном конвективным теплообменом, который тем выше, чем выше степень турбулентности потока рабочего газ. Однако чем выше степень турбулентности потока рабочего газ и, следовательно, массо- и теплообмен, тем выше тепловой поток в стенку канала сопловой насадки и температура стенки сопловой насадки. При этом стабилизирующее действие вихревого потока рабочего газа демпфируется подводом тепла и самим существованием турбулентности потока;- for cutting metals, it is necessary to increase the degree of compression of the electric arc, to increase the length and gas-dynamic pressure of the plasma jet. To do this, increase the pressure in the discharge chamber, the outlet of the central channel of the nozzle nozzle is made with a minimum size, excluding thermal locking of the nozzle nozzle. In this case, the technical effect is achieved by increasing the thermal efficiency of the plasma torch, which is determined mainly by convective heat transfer, which is the higher, the higher the degree of turbulence of the working gas stream. However, the higher the degree of turbulence of the flow of the working gas and, therefore, mass and heat transfer, the higher the heat flux into the wall of the channel of the nozzle nozzle and the temperature of the wall of the nozzle nozzle. In this case, the stabilizing effect of the vortex of the working gas is damped by the supply of heat and the very existence of turbulence in the flow;

- для сварки металлов необходимо увеличить длину плазменной струи и одновременно уменьшить ее газодинамический напор. Для этого выходное отверстие центрального канала сопловой насадки выполняют с размером, большим минимального размера, исключающим тепловое запирание сопловой насадки, и меньше размера, при котором происходит обрыв косвенной дуги. При этом, чем ниже газодинамический напор плазменной струи, тем ниже степень турбулентности потока рабочего газа, хуже тепломассообмен, и стабилизирующее действие вихревого потока рабочего газа уменьшается, что сопровождается ростом теплового потока в стенку канала сопловой насадки.- for welding metals, it is necessary to increase the length of the plasma jet and at the same time reduce its gas-dynamic pressure. To do this, the outlet of the central channel of the nozzle nozzle is made with a size larger than the minimum size, excluding thermal locking of the nozzle nozzle, and smaller than the size at which the indirect arc breaks. Moreover, the lower the gas-dynamic pressure of the plasma jet, the lower the degree of turbulence of the working gas stream, the worse the heat and mass transfer, and the stabilizing effect of the vortex working gas stream decreases, which is accompanied by an increase in the heat flow into the wall of the nozzle nozzle channel.

Таким образом, имеется техническое противоречие: любое альтернативное действие, направленное на повышение эффективности, сопровождается ростом теплового потока в стенку канала сопловой насадки.Thus, there is a technical contradiction: any alternative action aimed at increasing efficiency is accompanied by an increase in the heat flux into the channel wall of the nozzle nozzle.

В предложенной плазменной горелке это противоречие преодолено в определенных пределах изменения ее характеристик.In the proposed plasma torch, this contradiction is overcome in a certain range of changes in its characteristics.

Техническим результатом изобретения является увеличение длины и газодинамического напора плазменной струи при одновременном улучшении стабилизации электрической дуги и снижении тепловых потерь в стенку центрального канала сопловой насадки. Техническим результатом изобретения также является увеличение длины при одновременном уменьшении газодинамического напора и турбулентности плазменной струи, улучшении стабилизации электрической дуги и снижении тепловых потерь в стенку центрального канала сопловой насадки.The technical result of the invention is to increase the length and gas-dynamic pressure of the plasma jet while improving stabilization of the electric arc and reducing heat loss to the wall of the central channel of the nozzle nozzle. The technical result of the invention is also to increase the length while reducing the gas-dynamic pressure and turbulence of the plasma jet, improving the stabilization of the electric arc and reducing heat loss to the wall of the central channel of the nozzle nozzle.

Достижение технического результата обусловливает новое, неизвестное ранее свойство, а именно соотношение конфузорностей, которое определяется как соотношение относительных размеров смежных участков проточной части плазменной горелки. Новое свойство сообщается заявленной совокупности признаков благодаря новому механизму взаимовлияния всех признаков, обусловленному характером среды, в которую помещены отличительные признаки, а именно характером рабочего газа, состоящего из компонентов, имеющих разную молекулярную массу и помещенных в поле центробежных сил в вихревом потоке. При повышенном давлении в разрядной камере, когда выходное отверстие центрального канала сопловой насадки имеет минимальный размер, воздействие на поток рабочего газа переменной конфузорностью, увеличивающейся вниз по потоку, повышает степень сжатия электрической дуги, улучшает ее осевую стабилизацию, увеличивает длину и газодинамический напор плазменной струи, чего нельзя было предсказать заранее. При пониженном давлении в разрядной камере, когда выходное отверстие центрального канала сопловой насадки имеет размер, существенно больший минимального размера, исключающего тепловое запирание сопловой насадки, воздействие на поток рабочего газа переменной конфузорностью, не увеличивающейся вниз по потоку, улучшает осевую стабилизацию электрической дуги, увеличивает длину плазменной струи и одновременно уменьшает ее газодинамический напор при одновременном обеспечении слабой турбулентности плазменной струи и высокого качества смешения компонентов рабочего газа, чего нельзя было предсказать заранее.The achievement of the technical result leads to a new, previously unknown property, namely the confuser ratio, which is defined as the ratio of the relative sizes of adjacent sections of the flowing part of the plasma torch. The new property is communicated by the claimed combination of features due to the new mechanism of the mutual influence of all the characteristics, due to the nature of the medium in which the distinctive features are placed, namely, the nature of the working gas, consisting of components having different molecular weights and placed in the field of centrifugal forces in a vortex flow. With increased pressure in the discharge chamber, when the outlet of the central channel of the nozzle nozzle has a minimum size, exposure to the working gas stream of variable confuser increasing downstream increases the compression ratio of the electric arc, improves its axial stabilization, increases the length and gas-dynamic pressure of the plasma jet, what could not be predicted in advance. Under reduced pressure in the discharge chamber, when the outlet of the central channel of the nozzle nozzle has a size significantly larger than the minimum size, which excludes thermal blocking of the nozzle nozzle, the effect on the working gas stream of variable confuser, not increasing downstream, improves axial stabilization of the electric arc, increases the length plasma jet and at the same time reduces its gas-dynamic pressure while ensuring weak turbulence of the plasma jet and high quality with mixing of the components of the working gas, which could not be predicted in advance.

Технический результат достигается тем, что в плазменной горелке, содержащей трубчатый корпус, в котором соосно размещены завихритель, выполненный в виде втулки с каналами, сообщающимися с генератором пара и формирующими струйки рабочего газа с окружной компонентой скорости, стержневой электрод с электродной вставкой, расположенный в названном завихрителе с зазором, обеспечивающим возможность образования кольцевой вихревой камеры с вихревым потоком рабочего газа, и с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения, диэлектрическая трубка, расположенная в зазоре между стержневым электродом и завихрителем, торец которой образует торец вихревой камеры, сопловая насадка с профилированным открытым центральным каналом, расположенная на торце завихрителя с зазором относительно торцовой части стержневого электрода с обеспечением возможности образования разрядной камеры с преимущественно осевым расположением электрической дуги в потоке рабочего газа, поступающего из вихревой камеры и истекающего из выходного отверстия центрального канала сопловой насадки с образованием плазменной струи, торцовая часть стержневого электрода выполнена по направлению к сопловой насадке сужающейся и расположена относительно сопловой насадки с образованием между ними кольцевой конфузорной полости, разрядная камера выполнена в виде цилиндрической полости, которая имеет конфузорное сопряжение с внутренней поверхностью завихрителя и конфузорное сопряжение с выходным отверстием центрального канала сопловой насадки, при этом сужение D_a/D_eсопряжения с выходным отверстием центрального канала сопловой насадки больше сужения D_w/D_a сопряжения с внутренней поверхностью завихрителя.The technical result is achieved by the fact that in a plasma torch containing a tubular body in which a swirl is arranged coaxially, made in the form of a sleeve with channels communicating with a steam generator and forming trickles of the working gas with a peripheral velocity component, a rod electrode with an electrode insert located in the aforementioned swirl with a gap providing the possibility of the formation of an annular vortex chamber with a vortex flow of working gas, and with the possibility of axial reciprocating movement, dielectric a tricky tube located in the gap between the rod electrode and the swirl, the end of which forms the end of the vortex chamber, a nozzle nozzle with a profiled open central channel, located at the end of the swirl with a gap relative to the end part of the rod electrode, allowing the formation of a discharge chamber with a predominantly axial arrangement of the electric arc in the flow of working gas coming from the vortex chamber and flowing out of the outlet of the central channel of the nozzle nozzle with the formation of a plasma jet, the end part of the rod electrode is made towards the nozzle nozzle tapering and located relative to the nozzle nozzle with the formation of an annular confuser cavity between them, the discharge chamber is made in the form of a cylindrical cavity, which has a confuser pair with the inner surface of the swirl and confuser pair with the output opening the central channel of the nozzle attachment, thus narrowing D _a / D _e conjugation with the outlet of the central channel of the nozzle NASA ki greater narrowing D _w / D _a coupling with the inner surface of the swirler.

Технический результат также достигается тем, что сужение стержневого электрода выполнено в виде усеченного конуса с углом наклона образующей усеченного конуса к оси α=15…23°, конфузорное сопряжение разрядной камеры с внутренней поверхностью завихрителя выполнено в виде усеченного конуса с углом наклона образующей усеченного конуса к оси φ=23…40°, конфузорное сопряжение разрядной камеры с выходным отверстием центрального канала сопловой насадки выполнено в виде усеченного конуса с углом наклона образующей усеченного конуса к оси θ=23…60°, и плазменная горелка имеет следующее соотношение размеров:The technical result is also achieved by the fact that the narrowing of the rod electrode is made in the form of a truncated cone with an angle of inclination of the generatrix of the truncated cone to the axis α = 15 ... 23 °, confuser pairing of the discharge chamber with the inner surface of the swirl is made in the form of a truncated cone with an angle of inclination of the generatrix of the truncated cone to axis φ = 23 ... 40 °, confuser pairing of the discharge chamber with the outlet of the central channel of the nozzle nozzle is made in the form of a truncated cone with an angle of inclination of the generatrix of the truncated cone to the axis θ = 23 ... 60 ° , and the plasma torch has the following aspect ratio:

где D_w - диаметр вихревой камеры,where D _w is the diameter of the vortex chamber,

d_w - диаметр каналов завихрителя,d _w is the diameter of the swirl channel

i - число каналов завихрителя,i is the number of swirl channels

η - угол между направлением осей каналов завихрителя и центрального канала сопловой насадки,η is the angle between the direction of the axis of the channels of the swirler and the Central channel of the nozzle nozzle,

D_e - диаметр выходного отверстия центрального канала сопловой насадки,D _e is the diameter of the outlet of the Central channel of the nozzle nozzle,

D_a - диаметр разрядной камеры,D _a - the diameter of the discharge chamber,

D_c - внешний диаметр стержневого электрода в вихревой камере,D _c - the outer diameter of the rod electrode in the vortex chamber,

d_c - диаметр торца стержневого электрода,d _c - the diameter of the end of the rod electrode,

H_w - длина вихревой камеры,H _w is the length of the vortex chamber,

Н_а - длина разрядной камеры,N _a - the length of the discharge chamber,

Н_е - длина выходного отверстия центрального канала насадки.H _e - the length of the outlet of the Central channel of the nozzle.

Технический результат достигается тем, что в плазменной горелке, содержащей трубчатый корпус, в котором соосно размещены завихритель, выполненный в виде втулки с каналами, сообщающимися с генератором пара и формирующими струйки рабочего газа с окружной компонентой скорости, стержневой электрод с электродной вставкой, расположенный в названном завихрителе с зазором, обеспечивающим возможность образования кольцевой вихревой камеры с вихревым потоком рабочего газа, и с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения, диэлектрическая трубка, расположенная в зазоре между стержневым электродом и завихрителем, торец которой образует торец вихревой камеры, сопловая насадка с профилированным открытым центральным каналом, расположенная на торце завихрителя с зазором относительно торцовой части стержневого электрода с обеспечением возможности образования разрядной камеры с преимущественно осевым расположением электрической дуги в потоке рабочего газа, поступающего из вихревой камеры и истекающего из центрального канала сопловой насадки с образованием плазменной струи, торцовая часть стержневого электрода выполнена по направлению к сопловой насадке сужающейся и расположена относительно сопловой насадки с образованием между ними кольцевой конфузорной полости, разрядная камера выполнена в виде цилиндрической полости, которая имеет конфузорное сопряжение с внутренней поверхностью завихрителя и конфузорное сопряжение с выходным отверстием центрального канала сопловой насадки, при этом выходное отверстие центрального канала сопловой насадки выполнено с уширением вниз по потоку рабочего газа D_o/D_e≥2,6, а сужение D_a/D_eсопряжения с выходным отверстием центрального канала сопловой насадки не больше сужения D_w/D_a сопряжения с внутренней поверхностью завихрителя.The technical result is achieved by the fact that in a plasma torch containing a tubular body in which a swirl is arranged coaxially, made in the form of a sleeve with channels communicating with a steam generator and forming trickles of the working gas with a peripheral velocity component, a rod electrode with an electrode insert located in the aforementioned swirl with a gap providing the possibility of the formation of an annular vortex chamber with a vortex flow of working gas, and with the possibility of axial reciprocating movement, dielectric a tricky tube located in the gap between the rod electrode and the swirl, the end of which forms the end of the vortex chamber, a nozzle nozzle with a profiled open central channel, located at the end of the swirl with a gap relative to the end part of the rod electrode, allowing the formation of a discharge chamber with a predominantly axial arrangement of the electric arc in the flow of working gas coming from the vortex chamber and flowing out of the central channel of the nozzle nozzle with the formation of plasma of the jet, the end part of the rod electrode is made towards the nozzle nozzle tapering and located relative to the nozzle nozzle with the formation of an annular confuser cavity between them, the discharge chamber is made in the form of a cylindrical cavity, which has confuser pairing with the inner surface of the swirl and confuser pairing with the outlet of the central nozzle nozzle channel, while the outlet of the central nozzle nozzle channel is made with broadening downstream of the working about gas D _o / D _e ≥2.6, and the narrowing D _a / D _{e of the} interface with the outlet of the Central channel of the nozzle nozzle is not more than the narrowing D _w / D _{a of the} interface with the inner surface of the swirl.

Технический результат также достигается тем, что сужение стержневого электрода выполнено в виде усеченного конуса с углом наклона образующей усеченного конуса к оси α=15…23°, конфузорное сопряжение разрядной камеры с внутренней поверхностью завихрителя выполнено в виде усеченного конуса с углом наклона образующей усеченного конуса к оси φ=23…40°, конфузорное сопряжение разрядной камеры с выходным отверстием центрального канала сопловой насадки выполнено в виде поверхности усеченного конуса с углом наклона образующей усеченного конуса к оси θ=23…60°, уширение выходного отверстия центрального канала насадки вниз по потоку рабочего газа выполнено в виде усеченного конуса с углом наклона образующей усеченного конуса к оси ψ=45…75°, и плазменная горелка имеет следующее соотношение размеров:The technical result is also achieved by the fact that the narrowing of the rod electrode is made in the form of a truncated cone with an angle of inclination of the generatrix of the truncated cone to the axis α = 15 ... 23 °, confuser pairing of the discharge chamber with the inner surface of the swirl is made in the form of a truncated cone with an angle of inclination of the generatrix of the truncated cone to axis φ = 23 ... 40 °, confuser coupling of the discharge chamber with the outlet of the central channel of the nozzle nozzle is made in the form of a surface of a truncated cone with an angle of inclination of the generatrix of the truncated cone to the axis θ = 23 ... 60 °, broadening of the outlet opening of the central nozzle channel downstream of the working gas is made in the form of a truncated cone with an angle of inclination of the generatrix of the truncated cone to the axis ψ = 45 ... 75 °, and the plasma torch has the following size ratio:

D_o - диаметр большего основания усеченного конуса уширения выходного отверстия центрального канала сопловой насадки,D _{o the} diameter of the larger base of the truncated cone of broadening of the outlet of the Central channel of the nozzle nozzle,

Технический результат достигается тем, что в плазменной горелке, содержащей трубчатый корпус, в котором соосно размещены завихритель, выполненный в виде втулки с каналами, сообщающимися с генератором пара и формирующими струйки рабочего газа с окружной компонентой скорости, стержневой электрод с электродной вставкой, расположенный в названном завихрителе с зазором, обеспечивающим возможность образования кольцевой вихревой камеры с вихревым потоком рабочего газа, и с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения, диэлектрическая трубка, расположенная в зазоре между стержневым электродом и завихрителем, торец которой образует торец вихревой камеры, сопловая насадка с профилированным открытым центральным каналом, расположенная на торце завихрителя с зазором относительно торцовой части стержневого электрода с обеспечением возможности образования разрядной камеры с преимущественно осевым расположением электрической дуги в потоке рабочего газа, поступающего из вихревой камеры и истекающего из центрального канала сопловой насадки с образованием плазменной струи, завихритель выполнен с винтовыми канавками на внутренней поверхности с направлением винтовой линии, совпадающим с направлением окружной компоненты скорости потока рабочего газа в вихревой камере.The technical result is achieved by the fact that in a plasma torch containing a tubular body in which a swirl is arranged coaxially, made in the form of a sleeve with channels communicating with a steam generator and forming trickles of the working gas with a peripheral velocity component, a rod electrode with an electrode insert located in the aforementioned swirl with a gap providing the possibility of the formation of an annular vortex chamber with a vortex flow of working gas, and with the possibility of axial reciprocating movement, dielectric a tricky tube located in the gap between the rod electrode and the swirl, the end of which forms the end of the vortex chamber, a nozzle nozzle with a profiled open central channel, located at the end of the swirl with a gap relative to the end of the rod electrode with the possibility of the formation of a discharge chamber with a predominantly axial arrangement of the electric arc in the flow of working gas coming from the vortex chamber and flowing out of the central channel of the nozzle nozzle with the formation of plasma With a variable jet, the swirl is made with helical grooves on the inner surface with the direction of the helical line coinciding with the direction of the peripheral component of the working gas flow rate in the vortex chamber.

Технический результат также достигается тем, что трубчатый корпус выполнен с радиальным кольцевым выступом, опирающимся на торцовую часть завихрителя.The technical result is also achieved by the fact that the tubular body is made with a radial annular protrusion, resting on the end part of the swirl.

Изобретение поясняется описанием примера его реализации и приложенными к нему чертежами, на которых:The invention is illustrated by a description of an example of its implementation and the accompanying drawings, in which:

фиг.1 изображает горелку для резки материалов в сборе, в разрезе, согласно изобретению,figure 1 depicts a burner for cutting materials in the Assembly, in section, according to the invention,

фиг.2 изображает горелку для резки материалов в сборе, в разрезе, с указанием геометрических характеристик завихрителя и сечения, перпендикулярного оси плазменной горелки, согласно изобретению,figure 2 depicts a burner for cutting materials in the Assembly, in the context, indicating the geometric characteristics of the swirler and the cross section perpendicular to the axis of the plasma torch, according to the invention,

фиг.3 - сопловая насадка для резки, в разрезе, с контуромfigure 3 - nozzle nozzle for cutting, in section, with a contour

проточной части, показывающим размеры и геометрическиеflow part showing dimensions and geometric

параметры, согласно изобретению,parameters according to the invention

фиг.4 - стержневой электрод, в разрезе, согласно изобретению,figure 4 - rod electrode, in section, according to the invention,

фиг.5 - завихритель, сечение А-А, согласно изобретению,5 is a swirl, section aa, according to the invention,

фиг.6 изображает горелку для сварки материалов в сборе, в разрезе, согласно изобретению,Fig.6 depicts a torch for welding materials in the Assembly, in section, according to the invention,

фиг.7 - сопловая насадка для сварки, в разрезе, с контуром проточной части, показывающим размеры и геометрические параметры, согласно изобретению,Fig.7 is a nozzle nozzle for welding, in the context, with the contour of the flowing part, showing the dimensions and geometric parameters, according to the invention,

фиг.8 изображает горелку в сборе, в разрезе, с видом внутренней поверхности завихрителя, согласно изобретению.Fig.8 depicts the burner assembly, in section, with a view of the inner surface of the swirler, according to the invention.

Лучшие варианты осуществления изобретения:The best embodiments of the invention:

а) Плазменная горелка для резки материалов.a) Plasma torch for cutting materials.

Плазменная горелка, фиг.1, содержит трубчатый корпус (1), в котором соосно размещены завихритель (2), выполненный в виде втулки с каналами (3), фиг.2, сообщающимися с генератором пара и формирующими струйки (4) рабочего газа с окружной компонентой скорости, фиг.5, стержневой электрод (5) с электродной вставкой (6), расположенный в названном завихрителе с зазором, обеспечивающим возможность образования кольцевой вихревой камеры (7) с вихревым потоком рабочего газа, и с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения, диэлектрическая трубка (8), расположенная в зазоре между стержневым электродом и завихрителем, торец (8а) которой образует торец вихревой камеры (7), сопловая насадка (9), фиг.3, с профилированным открытым центральным каналом (10), расположенная на торце завихрителя (2) с зазором относительно торцовой части (5b) стержневого электрода (5) с обеспечением возможности образования разрядной камеры (11) с преимущественно осевым расположением электрической дуги (12) в потоке рабочего газа, поступающего из вихревой камеры (7) и истекающего из выходного отверстия (13) центрального канала сопловой насадки с образованием плазменной струи (18). Торцовая часть (5b) стержневого электрода (5) выполнена сужающейся по направлению к сопловой насадке (9) и расположена относительно сопловой насадки с образованием между ними кольцевой конфузорной полости (14). Разрядная камера (11) выполнена в виде цилиндрической полости, которая имеет конфузорное сопряжение (15) с внутренней поверхностью завихрителя и конфузорное сопряжение (16) с выходным отверстием (13) центрального канала (10) сопловой насадки (9). При этом сужение D_a/D_e сопряжения (16) с выходным отверстием (13) центрального канала (10) сопловой насадки (9) больше сужения D_w/D_a сопряжения (15) с внутренней поверхностью завихрителя (2).The plasma torch, figure 1, contains a tubular body (1), in which the swirl (2) is arranged coaxially, made in the form of a sleeve with channels (3), figure 2, communicating with the steam generator and forming trickles (4) of the working gas with 5, a rod electrode (5) with an electrode insert (6) located in the swirl with a gap that allows the formation of an annular vortex chamber (7) with a vortex flow of the working gas, and with the possibility of axial reciprocating movement dielectric tube a (8), located in the gap between the rod electrode and the swirl, the end face (8a) of which forms the end of the vortex chamber (7), the nozzle nozzle (9), Fig. 3, with a profiled open central channel (10) located on the end of the swirl (2) with a gap relative to the end part (5b) of the rod electrode (5), with the possibility of the formation of a discharge chamber (11) with a predominantly axial arrangement of the electric arc (12) in the flow of working gas coming from the vortex chamber (7) and flowing from the outlet holes (13) of the central channel Ala nozzle nozzle with the formation of a plasma jet (18). The end part (5b) of the rod electrode (5) is made tapering towards the nozzle nozzle (9) and is located relative to the nozzle nozzle with the formation of an annular confuser cavity between them (14). The discharge chamber (11) is made in the form of a cylindrical cavity, which has a confuser pair (15) with the inner surface of the swirler and a confuser pair (16) with the outlet (13) of the central channel (10) of the nozzle nozzle (9). In this case, the narrowing D _a / D _{e of the} interface (16) with the outlet (13) of the central channel (10) of the nozzle nozzle (9) is larger than the narrowing D _w / D _{a of the} interface (15) with the inner surface of the swirl (2).

Для улучшения отвода тепла и сохранения максимальной величины окружной компоненты скорости потока рабочего газа по всей длине вихревой камеры завихритель (2) выполнен с винтовыми канавками (19) на внутренней поверхности, фиг.8. Направление винтовой линии винтовых канавок совпадает с направлением окружной компоненты скорости потока рабочего газа в вихревой камере (7). Число входящих каналов берут равным i=4…8, фиг.5, и располагают их в одной или двух плоскостях, перпендикулярных оси горелки. При таком числе входных каналов улучшено распределение расходонапряженности потока рабочего газа по окружности вихревой камеры. Толщину стенки завихрителя выбирают из условияTo improve heat removal and maintain the maximum value of the peripheral component of the working gas flow rate along the entire length of the vortex chamber, the swirl (2) is made with helical grooves (19) on the inner surface, Fig. 8. The direction of the helical line of the helical grooves coincides with the direction of the circumferential component of the flow rate of the working gas in the vortex chamber (7). The number of incoming channels is taken equal to i = 4 ... 8, Fig. 5, and they are placed in one or two planes perpendicular to the axis of the burner. With this number of input channels, the distribution of the flow rate of the working gas stream around the circumference of the vortex chamber is improved. The wall thickness of the swirler is selected from the condition

L_w/d_w=1,5…3,0,L _w / d _w = 1.5 ... 3.0,

где L_w - длина каналов завихрителя, d_w - диаметр каналов завихрителя. При L_w/d_w<1,5 нарушается тангенциальность входа потока рабочего газа. При L_w/d_w>3,0 увеличиваются потери напора рабочего газа. Плазменная горелка имеет тангенциальный ввод рабочего газа в вихревую камеру в плоскости, перпендикулярной оси плазменной горелки, η=90°, фиг.2.where L _w is the length of the swirl channel, d _w is the diameter of the swirl channel. When L _w / d _w <1,5, the tangentiality of the inlet of the working gas stream is violated. At L _w / d _w > 3.0, the pressure losses of the working gas increase. The plasma torch has a tangential input of the working gas into the vortex chamber in a plane perpendicular to the axis of the plasma torch, η = 90 °, Fig.2.

Сужение стержневого электрода (5), фиг.4, выполнено в виде усеченного конуса с углом наклона образующей усеченного конуса к оси α=15°.The narrowing of the rod electrode (5), figure 4, is made in the form of a truncated cone with an angle of inclination of the generatrix of the truncated cone to the axis α = 15 °.

Конфузорное сопряжение разрядной камеры (11) с внутренней поверхностью завихрителя (2) выполнено в виде усеченного конуса с углом наклона образующей усеченного конуса к оси φ=30°. Такой угол наклона образующей обеспечивает наиболее оптимальное соотношение осевой и радиальной составляющих скорости потока рабочего газа, вводимого в разрядную камеру.The confuser coupling of the discharge chamber (11) with the inner surface of the swirler (2) is made in the form of a truncated cone with an angle of inclination of the generatrix of the truncated cone to the axis φ = 30 °. This angle of inclination of the generatrix provides the most optimal ratio of the axial and radial components of the flow rate of the working gas introduced into the discharge chamber.

Конфузорное сопряжение разрядной камеры (11) с выходным отверстием (13) центрального канала (10) сопловой насадки (9) выполнено в виде поверхности усеченного конуса с углом наклона образующей усеченного конуса к оси θ=40°. Такой угол наклона образующей обеспечивает минимальные потери напора на входе в выходное отверстие центрального канала сопловой насадки. Соотношение наиболее оптимальных геометрических размеров плазменной горелки, гдеThe confuser coupling of the discharge chamber (11) with the outlet (13) of the central channel (10) of the nozzle nozzle (9) is made in the form of a surface of a truncated cone with an angle of inclination of the generatrix of the truncated cone to the axis θ = 40 °. This angle of inclination of the generatrix provides minimal pressure loss at the inlet to the outlet of the central channel of the nozzle nozzle. The ratio of the most optimal geometric dimensions of the plasma torch, where

D_w=10 мм - диаметр вихревой камеры,D _w = 10 mm is the diameter of the vortex chamber,

d_w=1 мм - диаметр каналов завихрителя,d _w = 1 mm is the diameter of the channels of the swirler,

i=8 - число каналов завихрителя,i = 8 is the number of swirl channels

η=90° - угол между направлением осей каналов завихрителя и центрального канала сопловой насадки,η = 90 ° - the angle between the direction of the axis of the channels of the swirler and the Central channel of the nozzle nozzle,

D_e=1,1 мм - диаметр выходного отверстия центрального канала сопловой насадки,D _e = 1.1 mm is the diameter of the outlet of the Central channel of the nozzle nozzle,

D_a=3,5 мм - диаметр разрядной камеры,D _a = 3.5 mm is the diameter of the discharge chamber,

D_c=5 мм - внешний диаметр стержневого электрода в вихревой камере,D _c = 5 mm is the outer diameter of the rod electrode in the vortex chamber,

d_c=3,1 мм - диаметр торца стержневого электрода,d _c = 3.1 mm is the diameter of the end of the rod electrode,

H_w=10 мм - длина вихревой камеры,H _w = 10 mm - the length of the vortex chamber,

Н_а=1,6 мм - длина разрядной камеры,N _a = 1.6 mm - the length of the discharge chamber,

Н_е=2 мм - длина выходного отверстия центрального канала насадки,H _e = 2 mm is the length of the outlet of the Central channel of the nozzle,

R₁, R₂, R₃ - радиусы округления, фиг.3,R ₁ , R ₂ , R ₃ - radii of rounding, figure 3,

удовлетворяет следующим условиям:satisfies the following conditions:

При соблюдении данных соотношений обеспечиваются оптимальные условия для получения плазменной струи, пригодной для резки материалов.Subject to these ratios, optimal conditions are provided for obtaining a plasma jet suitable for cutting materials.

б) Плазменная горелка для сварки материалов.b) Plasma torch for welding materials.

Плазменная горелка, фиг.6, содержит трубчатый корпус (1), в котором соосно размещены завихритель (2), выполненный в виде втулки с каналами (3), сообщающимися с генератором пара и формирующими струйки (4) рабочего газа с окружной компонентой скорости, стержневой электрод (5) с электродной вставкой (6), расположенный в названном завихрителе с зазором, обеспечивающим возможность образования кольцевой вихревой камеры (7) с вихревым потоком рабочего газа, и с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения, диэлектрическая трубка (8), расположенная в зазоре между стержневым электродом и завихрителем, торец (8а) которой образует торец вихревой камеры (7), сопловая насадка (9) с профилированным открытым центральным каналом (10), расположенная на торце завихрителя (2) с зазором относительно торцовой части стержневого электрода с обеспечением возможности образования разрядной камеры (11) с преимущественно осевым расположением электрической дуги (12) в потоке рабочего газа, поступающего из вихревой камеры (7) и истекающего из выходного отверстия (13) центрального канала сопловой насадки с образованием плазменной струи (13). Торцовая часть (5b) стержневого электрода (5) выполнена по направлению к сопловой насадке (9) сужающейся и расположена относительно сопловой насадки с образованием между ними кольцевой конфузорной полости (14). Разрядная камера (11) выполнена в виде цилиндрической полости, которая имеет конфузорное сопряжение (15) с внутренней поверхностью завихрителя и конфузорное сопряжение (16) с выходным отверстием (13) центрального канала (10) сопловой насадки (9). При этом, фиг.7, выходное отверстие (13) центрального канала (10) сопловой насадки (9) выполнено с уширением (17) вниз по потоку рабочего газа D_o/D_e≥2,6, а сужение D_a/D_e сопряжения (16) с выходным отверстием (13) центрального канала (10) сопловой насадки (9) не больше сужения D_w/D_a сопряжения (15) с внутренней поверхностью завихрителя (2), фиг.9.The plasma torch, Fig.6, contains a tubular body (1), in which a swirl (2) is arranged coaxially, made in the form of a sleeve with channels (3) communicating with the steam generator and forming trickles (4) of the working gas with a peripheral velocity component, a rod electrode (5) with an electrode insert (6) located in the swirl with a gap that allows the formation of an annular vortex chamber (7) with a vortex flow of the working gas, and with the possibility of axial reciprocating movement, a dielectric tube (8), position married in the gap between the rod electrode and the swirl, the end face (8a) of which forms the end of the vortex chamber (7), the nozzle nozzle (9) with a profiled open central channel (10) located at the end of the swirl (2) with a gap relative to the end part of the rod electrode with the possibility of the formation of a discharge chamber (11) with a predominantly axial arrangement of the electric arc (12) in the flow of working gas coming from the vortex chamber (7) and flowing from the outlet (13) of the central channel of the nozzle nozzle forming a plasma jet (13). The end part (5b) of the rod electrode (5) is made towards the nozzle nozzle (9) tapering and is located relative to the nozzle nozzle with the formation of an annular confuser cavity between them (14). The discharge chamber (11) is made in the form of a cylindrical cavity, which has a confuser pair (15) with the inner surface of the swirler and a confuser pair (16) with the outlet (13) of the central channel (10) of the nozzle nozzle (9). In this case, Fig. 7, the outlet (13) of the central channel (10) of the nozzle nozzle (9) is made with a broadening (17) downstream of the working gas D _o / D _e ≥2.6, and a narrowing D _a / D _e pairing (16) with the outlet (13) of the central channel (10) of the nozzle nozzle (9) is not greater than the narrowing D _w / D _a pairing (15) with the inner surface of the swirl (2), Fig.9.

Плазменная горелка имеет тангенциальный ввод рабочего газа в вихревую камеру в плоскости, перпендикулярной оси плазменной горелки, η=90°.The plasma torch has a tangential input of the working gas into the vortex chamber in the plane perpendicular to the axis of the plasma torch, η = 90 °.

Сужение стержневого электрода (5) выполнено в виде усеченного конуса с углом наклона образующей усеченного конуса к оси α=15°.The narrowing of the rod electrode (5) is made in the form of a truncated cone with an angle of inclination of the generatrix of the truncated cone to the axis α = 15 °.

Конфузорное сопряжение разрядной камеры (11) с внутренней поверхностью завихрителя (2) выполнено в виде усеченного конуса с углом наклона образующей усеченного конуса к оси φ=30°.The confuser coupling of the discharge chamber (11) with the inner surface of the swirler (2) is made in the form of a truncated cone with an angle of inclination of the generatrix of the truncated cone to the axis φ = 30 °.

Конфузорное сопряжение разрядной камеры (11) с выходным отверстием (13) центрального канала (10) сопловой насадки (9) выполнено в виде поверхности усеченного конуса с углом наклона образующей усеченного конуса к оси θ=40°.The confuser coupling of the discharge chamber (11) with the outlet (13) of the central channel (10) of the nozzle nozzle (9) is made in the form of a surface of a truncated cone with an angle of inclination of the generatrix of the truncated cone to the axis θ = 40 °.

Уширение (17) выходного отверстия (13) центрального канала (10) сопловой насадки (9) вниз по потоку рабочего газа выполнено в виде усеченного конуса с углом наклона образующей усеченного конуса к оси ψ=60°.The broadening (17) of the outlet (13) of the central channel (10) of the nozzle nozzle (9) downstream of the working gas is made in the form of a truncated cone with an angle of inclination of the generatrix of the truncated cone to the axis ψ = 60 °.

Соотношение наиболее оптимальных геометрических размеров плазменной горелки, гдеThe ratio of the most optimal geometric dimensions of the plasma torch, where

D_e=1,8 мм - диаметр выходного отверстия центрального канала сопловой насадки,D _e = 1.8 mm is the diameter of the outlet of the Central channel of the nozzle nozzle,

D_o=5 мм - диаметр большего основания усеченного конуса уширения выходного отверстия центрального канала сопловой насадки,D _o = 5 mm is the diameter of the larger base of the truncated cone of broadening of the outlet of the Central channel of the nozzle nozzle,

Н_е=1,8 мм - длина выходного отверстия центрального канала насадки,H _e = 1.8 mm is the length of the outlet of the Central channel of the nozzle,

R₁, R₂, R₃ - радиусы скругления, фиг.7,R ₁ , R ₂ , R ₃ - radii of rounding, Fig.7,

При соблюдении данных соотношений обеспечиваются оптимальные условия для получения плазменной струи, пригодной для сварки материалов.Subject to these ratios, optimal conditions are provided for obtaining a plasma jet suitable for welding materials.

Для улучшения отвода тепла и сохранения максимальной величины окружной компоненты скорости потока рабочего газа по всей длине вихревой камеры завихритель (2) выполнен с винтовыми канавками (19) на внутренней поверхности, фиг.8. Направление винтовой линии винтовых канавок совпадает с направлением окружной компоненты скорости потока рабочего газа в вихревой камере (7).To improve heat removal and maintain the maximum value of the peripheral component of the working gas flow rate along the entire length of the vortex chamber, the swirl (2) is made with helical grooves (19) on the inner surface, Fig. 8. The direction of the helical line of the helical grooves coincides with the direction of the circumferential component of the flow rate of the working gas in the vortex chamber (7).

Выполнение трубчатого корпуса (1) плазменной горелки с радиальным кольцевым выступом (1а), опирающимся на торцовую часть завихрителя (2), позволяет сопловую насадку (9) делать сменной и осуществлять монтаж и демонтаж сопловой насадки (9) и стержневого электрода (5) без разборки головки плазменной горелки.The implementation of the tubular body (1) of a plasma torch with a radial annular protrusion (1a), resting on the end part of the swirl (2), allows the nozzle nozzle (9) to be replaceable and to mount and dismantle the nozzle nozzle (9) and the rod electrode (5) without disassembling the plasma torch head.

Плазменная горелка работает следующим образом.The plasma torch operates as follows.

Через каналы (3) завихрителя (2) вводят тангенциально рабочий газ в вихревую камеру, формируя струйки газа (4) с окружной компонентой скорости.Through the channels (3) of the swirler (2), the working gas is introduced tangentially into the vortex chamber, forming trickles of gas (4) with a peripheral velocity component.

Из вихревой камеры (7) поток рабочего газа (4) движется через кольцевую конфузорную полость (14) между сужающейся частью (5) стержневого электрода (5) и насадкой (9). В этой области проточной части происходит разгон потока газа в радиальном и осевом направлениях.From the vortex chamber (7), the flow of the working gas (4) moves through the annular confuser cavity (14) between the tapering part (5) of the rod electrode (5) and the nozzle (9). In this region of the flow part, the gas flow accelerates in the radial and axial directions.

Сужающийся и ускоряющийся поток рабочего газа под углом φ наклона образующей усеченного конуса, фиг.3, 7, подают на начальный участок дуги вблизи торца (5а) стержневого электрода (5) и с минимальным гидравлическим сопротивлением, чему способствуют радиусы округления R₁, R₂, R₃, поток рабочего газа поступает на вход в разрядную камеру (11), выполненную в виде цилиндрической полости, - область, в которой поток газа взаимодействует с электрической дугой (12).The tapering and accelerating flow of the working gas at an angle φ of inclination of the generatrix of the truncated cone, FIGS. 3, 7, is fed to the initial arc section near the end face (5a) of the rod electrode (5) and with minimal hydraulic resistance, which is facilitated by rounding radii R ₁ , R ₂ , R ₃ , the working gas stream enters the inlet of the discharge chamber (11), made in the form of a cylindrical cavity, the region in which the gas stream interacts with the electric arc (12).

В разрядной камере (11) рабочий газ претерпевает диссоциацию и ионизацию, и в вихревом потоке под действием центробежных сил происходит сепарация газа по компонентам, имеющим разную молекулярную массу. В результате сепарации компонентов рабочего газа по молекулярной массе на поверхности разрядной камеры образуется осесимметричный заградительный вихревой слой из относительно холодной компоненты рабочего газа. При этом более тяжелая компонента располагается у стенки разрядной камеры (11), а на оси остается легкая компонента, в среде которой происходит формирование столба электрической дуги (12). Сепарация газа по компонентам, имеющим разную молекулярную массу, ведет к стабилизации электрической дуги вдоль оси плазменной горелки.In the discharge chamber (11), the working gas undergoes dissociation and ionization, and in a vortex flow, under the action of centrifugal forces, gas is separated into components having different molecular weights. As a result of the separation of the components of the working gas by molecular weight, an axisymmetric barrier vortex layer is formed on the surface of the discharge chamber from the relatively cold component of the working gas. In this case, the heavier component is located near the wall of the discharge chamber (11), while the lighter component remains on the axis, in the medium of which the formation of the column of the electric arc (12) takes place. The separation of gas by components having different molecular weights leads to stabilization of the electric arc along the axis of the plasma torch.

Из разрядной камеры (11) через конфузорное сопряжение (16) в виде усеченного конуса поток газа поступает в выходное отверстие (13) центрального канала (10) сопловой насадки (9), образующая поверхности которого параллельна оси разрядной камеры.From the discharge chamber (11), through a confuser coupling (16) in the form of a truncated cone, the gas flow enters the outlet (13) of the central channel (10) of the nozzle nozzle (9), the surface of which is parallel to the axis of the discharge chamber.

В плазменной горелке, предназначенной для резки материалов, на выходе из отверстия (13) скорость движения газа и его температура достигают максимального значения, и поток газа истекает в виде узкой плазменной струи со следующим техническим результатом: воздействие на поток рабочего газа переменной конфузорностью, увеличивающейся вниз по потоку, повышает степень сжатия электрической дуги, улучшает ее осевую стабилизацию, увеличивает длину и газодинамический напор плазменной струи.In a plasma torch designed for cutting materials, at the outlet of the hole (13), the gas velocity and temperature reach a maximum value, and the gas flow expires in the form of a narrow plasma jet with the following technical result: the effect on the working gas stream of variable confuser increasing down downstream, increases the degree of compression of the electric arc, improves its axial stabilization, increases the length and gas-dynamic pressure of the plasma jet.

В плазменной горелке, предназначенной для сварки материалов, на выходе из отверстия (13) поток рабочего газа поступает в уширение (17) выходного отверстия, где происходит расширение плазменного потока и уменьшение скорости истечения плазменной струи до оптимального уровня со следующим техническим результатом: воздействие на поток рабочего газа переменной конфузорностью, не увеличивающейся вниз по потоку, улучшает осевую стабилизацию электрической дуги, увеличивает длину плазменной струи и одновременно уменьшает ее газодинамический напор при обеспечении слабой турбулентности плазменной струи и высокого качества смешения компонентов рабочего газа при пониженном давлении.In a plasma torch designed for welding materials, at the exit from the hole (13), the working gas stream enters the broadening (17) of the output hole, where the plasma stream expands and the plasma jet expands to the optimum level with the following technical result: impact on the stream working gas of variable confuser, not increasing downstream, improves axial stabilization of the electric arc, increases the length of the plasma jet and at the same time reduces its gas-dynamic pressure while ensuring low turbulence of the plasma jet and high quality mixing of the components of the working gas at reduced pressure.

Дополнительно получен и другой технический результат - возможность монтажа и демонтажа сопловой насадки и стержневого электрода без разборки головки плазменной горелки, то есть без снятия трубчатого корпуса (2).In addition, another technical result was obtained - the ability to mount and dismantle the nozzle nozzle and the rod electrode without disassembling the plasma torch head, that is, without removing the tubular body (2).

Таким образом, плазменная горелка, выполненная в соответствии с предложенными техническими решениями, обеспечивает наилучшие показатели эксплуатации и функционирования.Thus, a plasma torch, made in accordance with the proposed technical solutions, provides the best performance and operation.

При проведении испытаний плазменной горелки, выполненной в соответствии с изобретением, получено устойчивое возбуждение и горение электрической дуги с надежным охлаждением элементов конструкции в диапазоне токов в дуге 4-16А и напряжении на дуге в пределах 80-210 В. Плазменная горелка устойчиво работает в любом пространственном положении.When testing a plasma torch made in accordance with the invention, stable excitation and burning of an electric arc with reliable cooling of structural elements in the current range in the 4-16A arc and arc voltage in the range of 80-210 V are obtained. The plasma torch works stably in any spatial position.

Испытания показали, что плазменная горелка надежно функционирует при размере выходного отверстия канала сопловой насадки в пределах от 0,8 до 1,4 мм и использовании в качестве рабочего газа пара воды или паров смесевого жидкого рабочего тела, состоящего из воды и пероксида водорода, для осуществления способа обработки поверхностей согласно патенту RU №2286866, 13.05.2005; а также при размере выходного отверстия канала сопловой насадки в пределах от 1,8 до 2,3 мм и использовании в качестве рабочего газа паров смесевого жидкого рабочего тела, состоящего в основном из воды и углеродсодержащего жидкого топлива, для осуществления способов обработки поверхностей согласно патентам RU №2286867, 13.05.2005, RU №2286868, 13.05.2005.Tests have shown that a plasma torch reliably functions with a nozzle nozzle channel outlet size ranging from 0.8 to 1.4 mm and using water vapor or mixed liquid working fluid vapor consisting of water and hydrogen peroxide as the working gas for the method of surface treatment according to patent RU No. 2286866, 05/13/2005; as well as when the size of the outlet opening of the nozzle nozzle channel is in the range from 1.8 to 2.3 mm and when the vapor of a mixed liquid working fluid, consisting mainly of water and carbon-containing liquid fuel, is used as working gas for implementing surface treatment methods according to RU patents No. 2286867, 05/13/2005, RU No. 2286868, 05/13/2005.

Изобретение может быть использовано при изготовлении плазменных горелок для обработки поверхности материалов плазменной струей или выносной электрической дугой, совмещенной с плазменной струей, а также для концентрации тепла при нагреве, резке, пайке и сварке металлов в ремонтных мастерских и машиностроении при монтаже металлоконструкций.The invention can be used in the manufacture of plasma torches for surface treatment of materials with a plasma jet or an external electric arc combined with a plasma jet, as well as for heat concentration during heating, cutting, soldering and welding of metals in repair shops and mechanical engineering during the installation of metal structures.

Claims

1. A plasma torch containing a tubular housing in which a swirl is coaxially arranged, made in the form of a sleeve with channels communicating with a steam generator and forming trickles of the working gas with a peripheral velocity component, a rod electrode with an electrode insert located in the swirl with a gap that provides the possibility of the formation of an annular vortex chamber with a vortex flow of the working gas, and with the possibility of axial reciprocating movement, a dielectric tube located in the gap I’m waiting for a rod electrode and a swirl, the end of which forms the end of the vortex chamber, a nozzle nozzle with a profiled open central channel located at the end of the swirl with a gap relative to the end part of the rod electrode, allowing the formation of a discharge chamber with a predominantly axial arrangement of the electric arc in the flow of working gas from the vortex chamber and outflowing from the outlet of the Central channel of the nozzle nozzle with the formation of a plasma jet, distinguishing In that the end part of the rod electrode is made narrower towards the nozzle nozzle and is located relative to the nozzle nozzle with the formation of an annular confuser cavity between them, the discharge chamber is made in the form of a cylindrical cavity, which has a confuser pair with the inner surface of the swirl and a confuser pair with the outlet central nozzle channel of the nozzle, wherein the ratio of the diameter D _a of the discharge chamber to the diameter of the outlet nozzle central channel Nasad D _e and greater than the ratio of the swirl chamber diameter to the diameter D _w of the discharge chamber.

2. The plasma torch according to claim 1, characterized in that the narrowing of the end part of the rod electrode is made in the form of a truncated cone with an angle of inclination of the generatrix of the truncated cone to the axis α = 15 ... 23 °, confuser pairing of the discharge chamber with the inner surface of the swirl is made in the form of a truncated a cone with an angle of inclination of the generatrix of the truncated cone to the axis φ = 23 ... 40 °, confuser pairing of the discharge chamber with the outlet of the central channel of the nozzle nozzle is made in the form of a truncated cone with an angle of inclination of the generatrix of the truncated cone ca to the axis θ = 23 ... 60 ° with the following size ratio:
0.9 ≤ ((D _w -d _w ) · D _e / i · d _w ² ) · sinη≤2.8
1.3≤D _w / D _c ≤2.1
2.94≤D _a / D _e ≤4.55
2.27≤D _w / D _a ≤2.94
1.4≤H _e / D _e ≤2.5
0.4≤H _a / D _a ≤1.3
0≤N _w / D _w ≤1,3
1.4≤D _c / d _c ≤1.7
0.9≤D _a / d _c ≤1.3,
where D _w is the diameter of the vortex chamber, mm;
d _w - swirl channel diameter, mm;
i is the number of swirl channels, mm;
η is the angle between the direction of the axis of the channels of the swirler and the Central channel of the nozzle nozzle;
D _e is the diameter of the outlet of the Central channel of the nozzle nozzle, mm;
D _a is the diameter of the discharge chamber, mm;
D _c - the outer diameter of the rod electrode in the vortex chamber, mm;
d _c is the diameter of the end of the rod electrode, mm;
H _w is the length of the vortex chamber, mm;
N _a - the length of the discharge chamber, m;
H _e - the length of the outlet of the Central channel of the nozzle, mm

3. The plasma torch according to claim 1, characterized in that the tubular body is made with a radial annular protrusion, resting on the end part of the swirler.

4. A plasma torch containing a tubular housing in which a swirl is coaxially arranged, made in the form of a sleeve with channels communicating with a steam generator and forming trickles of the working gas with a peripheral velocity component, a rod electrode with an electrode insert located in the swirl with a gap providing the possibility of the formation of an annular vortex chamber with a vortex flow of the working gas, and with the possibility of axial reciprocating movement, a dielectric tube located in the gap I am waiting for a rod electrode and a swirl, the end of which forms the end of the vortex chamber, a nozzle nozzle with a profiled open central channel located at the end of the swirl with a gap relative to the end part of the rod electrode, allowing the formation of a discharge chamber with a predominantly axial arrangement of the electric arc in the working gas stream, coming from the vortex chamber and flowing out of the central channel of the nozzle nozzle with the formation of a plasma jet, characterized in that the end face I part of the rod electrode is made narrowed towards the nozzle nozzle and is located relative to the nozzle nozzle with the formation of an annular confuser cavity between them, the discharge chamber is made in the form of a cylindrical cavity, which has confuser pair with the inner surface of the swirl and confuser pair with the outlet of the central channel of the nozzle nozzle moreover, the outlet of the Central channel of the nozzle nozzle is made with broadening downstream of the working gas, with D _o / D _e ≥2.6, and the ratio D _a / D _{e is} not greater than the ratio D _w / D _a ,
where D _a is the diameter of the discharge chamber, mm;
D _e is the diameter of the outlet of the Central channel of the nozzle nozzle, mm;
D _w is the diameter of the vortex chamber mm.

5. The plasma torch according to claim 4, characterized in that the narrowing of the end part of the rod electrode is made in the form of a truncated cone with an angle of inclination of the generatrix of the truncated cone to the axis α = 15 ... 23 °, confuser pairing of the discharge chamber with the inner surface of the swirl is made in the form of a truncated cone with the angle of inclination of the generatrix of the truncated cone to the axis φ = 23 ... 40 °, confuser pairing of the discharge chamber with the outlet of the central channel of the nozzle nozzle is made in the form of the surface of the truncated cone with the angle of inclination of the generatrix of a rounded cone to the axis θ = 23 ... 60 °, broadening of the outlet of the central channel of the nozzle downstream of the working gas stream is made in the form of a truncated cone with an angle of inclination of the generatrix of the truncated cone to the axis ψ = 45 ... 75 ° with the following size ratio:
1.6≤ ((D _w -d _w ) · D _e / i · d _w ² ) · sinη≤5.5
1.3≤D _w / D _c ≤2.1
1,50≤D _a / D _e ≤2,27
2.27≤D _w / D _a ≤2.94
0.9≤H _e / D _e ≤1.4
0.4≤H _a / D _a ≤1.3
0≤N _w / D _w ≤1,3
1.4≤D _c / d _c ≤1.7
0.9≤D _a / d _c ≤1.3
2.2≤D _o / D _c ≤4.0,
where D _w is the diameter of the vortex chamber, mm;
d _w - swirl channel diameter, mm;
i is the number of swirl channels;
η is the angle between the direction of the axis of the channels of the swirler and the Central channel of the nozzle nozzle;
D _e is the diameter of the outlet of the Central channel of the nozzle nozzle, mm;
D _{o the} diameter of the larger base of the truncated cone of broadening of the outlet of the Central channel of the nozzle nozzle, mm;
D _a is the diameter of the discharge chamber, mm;
D _c - the outer diameter of the rod electrode in the vortex chamber, mm;
d _c is the diameter of the end of the rod electrode, mm;
H _w is the length of the vortex chamber, mm;
N _a - the length of the discharge chamber, mm;
H _e - the length of the outlet of the Central channel of the nozzle, mm

6. The plasma torch according to claim 4, characterized in that the tubular body is made with a radial annular protrusion, resting on the end part of the swirl.

7. A plasma torch containing a tubular housing in which a swirl is arranged coaxially, made in the form of a sleeve with channels communicating with a steam generator and forming trickles of the working gas with a peripheral velocity component, a rod electrode with an electrode insert located in the swirl with a gap providing the possibility of the formation of an annular vortex chamber with a vortex flow of the working gas, and with the possibility of axial reciprocating movement, a dielectric tube located in the gap I’m waiting for a rod electrode and a swirl, the end of which forms the end of the vortex chamber, a nozzle nozzle with a profiled open central channel located at the end of the swirl with a gap relative to the end part of the rod electrode, allowing the formation of a discharge chamber with a predominantly axial arrangement of the electric arc in the flow of working gas from the vortex chamber and outflowing from the outlet of the Central channel of the nozzle nozzle with the formation of a plasma jet, distinguishing Jasia in that the swirler is formed with screw grooves on the inner surface with the direction of the helix, coinciding with the direction of the circumferential component of flow velocity of the working gas in the swirl chamber.