Устройства для плазменных дуговых горелок с газовым охлаждением и относящиеся к ним системы и способы

Устройства для плазменных дуговых горелок с газовым охлаждением и относящиеся к ним системы и способы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к горелкам для тепловой резки (например, плазменным дуговым горелкам) и, более конкретно, к устройствам для газового охлаждения пламенных дуговых горелок и относящимся к ним системам и способам.

ПРЕДПОСЫЛКИ

К основным компонентам современных известных плазменных дуговых горелок относятся корпус горелки, электрод (например, катод), установленный внутри корпуса, сопло (например, катод) с центральным отверстием, который может создавать вспомогательную дугу на электрод для инициации плазменной дуги в потоке подходящего газа (например, воздуха, азота или кислорода), и соответствующие электрически соединения и каналы для охлаждения и для текучих сред, управляющих дугой. Генерирование вспомогательной дуги может осуществляться посредством высокочастотного высоковольтного сигнала, соединенного с источником питания постоянного тока и плазменной дуговой горелкой, или любым из контактных способов пуска. В некоторых конфигурациях на корпус горелки устанавливают экран, чтобы предотвратить накопление на частях горелки (например, на сопле или электроде) металла, разбрызгивающегося от обрабатываемой детали (иногда именуемого шлаком). По существу, экран содержит выходную часть (также именуемую жиклером экрана), которая позволяет струе плазмы проходить сквозь нее. Экран можно устанавливать соосно с соплом так, чтобы выходная часть для плазмы была выровнена с выходной частью экрана.

На известные конструкции накладывала ограничения способность к охлаждению плазменных дуговых горелок. Например, известные конструкции требовали применения охлаждающих сред (например, воды или охлаждающей жидкости), не являющихся газом или дополняющими газ, на котором горелки работают при высоких токах (например, 100 или 200 ампер или более). Большинство этих способов охлаждения могли требовать охлаждающих систем, являющихся внешними для горелки (например, которые могли иметь источники воды, резервуары, теплообменное оборудование, подающие насосы и пр.). Внешние охлаждающие системы могут привести к увеличению расходов на оборудование, могут требовать больше технического обслуживания, могут допускать утечки и, в некоторых случаях, могут требовать удаления охлаждающей среды. Проблема охлаждения плазменной дуговой горелки обостряется в сильноточных системах, поскольку сильноточные системы могут генерировать больше теплоты и иметь повышенные требования к охлаждению. Действительно, в коммерчески доступных режущих системах с плазменными дуговыми горелками, работающих на токах, превышающих 100 А, типично применяются системы охлаждения с жидким теплоносителем (например, водой или гликолем). Однако возможны и другие системы.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно некоторым аспектам сопло плазменной дуговой горелки с газовым охлаждением может содержать корпус сопла, имеющий проксимальный конец и дистальный конец, которые определяют длину корпуса сопла и продольную ось, при этом корпус содержит: выходной жиклер, определенный дистальным концом корпуса сопла; напорную камеру, расположенную в корпусе сопла, при этом напорная камера проходит от проксимального конца корпуса сопла до дна напорной камеры, и расстояние от дна напорной камеры до дистального конца определяет толщину дна напорной камеры, а расстояние от дна напорной камеры до проксимального конца корпуса сопла определяет длину до проксимального конца; и отверстие, проходящее от дна напорной камеры до выходного жиклера, при этом отверстие имеет длину и ширину, котором корпус сопла имеет ширину сопла в направлении, поперечном продольной оси, в котором длина корпуса сопла больше ширины сопла, и в котором отношение длины до проксимального конца к толщине дна напорной камеры составляет менее 2,0.

Варианты могут содержать один или более из следующих признаков.

В некоторых вариантах сопло может иметь фланец корпуса на проксимальном конце корпуса сопла, при этом общая длина сопла, определена расстоянием от проксимального конца фланца корпуса сопла до торца на дистальном конце сопла так, что общая длина сопла больше, чем длина корпуса сопла. В некоторых случаях фланец корпуса выступает на 0,05-0,5 дюйма (1,27-12,7 мм) над напорной камерой сопла. В некоторых случаях длина до проксимального конца включает фланец корпуса.

Длина отверстия соответствует толщине дна напорной камеры. Отверстие может содержать фаску или зенковку. Ширина отверстия может меняться на его длине. Отверстие может иметь фаску или зенковку на каждом конце его длины.

В некоторых вариантах выходной жиклер может находиться на торце сопла.

В некоторых вариантах отношение длины отверстия к длине корпуса сопла может быть больше, чем приблизительно 0,32.

В некоторых вариантах толщина боковой стенки напорной камеры может быть между внутренним диаметром напорной камеры и наружным диаметром напорной камеры, а отношение толщины боковой стенки напорной камеры к ширине корпуса сопла может быть от приблизительно 0,15 до приблизительно 0,19. В некоторых вариантах боковая стенка напорной камеры может содержать один или более канал для охлаждающего газа.

В некоторых вариантах сопло может иметь размер, позволяющий ему работать в плазменной дуговой горелке при токе по меньшей мере 100 А. В некоторых вариантах сопло может работать при отношении тока к длине корпуса сопла более 170 А/дюйм.

В некоторых вариантах отношение длины до проксимального конца к толщине дна напорной камеры может быть меньше, чем приблизительно 1,4.

Согласно некоторым аспектам сопло для плазменной дуговой горелки с воздушным охлаждением, выполненной с возможностью работы при токе выше 100 А, может содержать корпус сопла, имеющий дистальную часть, определяющую канал, выровненный с продольной осью корпуса сопла, и этот центральный канал имеет длину и имеет форму для направления потока плазменного газа; и проксимальную часть, соединенную с дистальной частью и имеющую длину проксимальной части, при этом проксимальная часть определяет напорную камеру, соединенную по текучей среде с каналом, в котором отношение длины проксимальной части к длине канала может быть меньше 2,0, и в котором сопло может быть выполнено с возможностью допускать работу при отношении тока к длине корпуса сопла больше, чем приблизительно 170 А/дюйм.

Варианты могут содержать один или больше из следующих признаков:

В некоторых вариантах сопло может содержать фланец корпуса на проксимальном конце проксимальной части корпуса сопла, при этом общая длина сопла определяется расстоянием от проксимального конца фланца корпуса сопла до торца на дистальном конце сопла так, что общая длина сопла больше, чем длина корпуса сопла. В некоторых вариантах фланец корпуса сопла может содержать проточный канал.

В некоторых вариантах длина центрального канала может соответствовать толщине дна напорной камеры. В некоторых вариантах ширина центрального канала может изменяться вдоль дины центрального канала. В некоторых вариантах центральный канал может иметь фаску или зенковку на каждом конце его длины.

В некоторых вариантах толщина боковой стенки напорной камеры может быть между внутренним диаметром напорной камеры и наружным диаметром напорной камеры, а отношение толщины боковой стенки напорной камеры к ширине корпуса сопла может быть от приблизительно 0,15 до приблизительно 0,19. В некоторых вариантах боковая стенка напорной камеры может содержать один или более канал для охлаждающего газа.

В некоторых вариантах каналы для охлаждающего газа могут иметь размеры, позволяющие соплу работать в плазменной дуговой горелке при токе по меньшей мере 100 А. В некоторых вариантах каналы для охлаждающего газа могут иметь размеры, позволяющие соплу работать в плазменной дуговой горелке при отношении тока к длине корпуса сопла более 170 А/дюйм.

В некоторых вариантах отношение длины проксимальной части к длине центрального канала может быть меньше приблизительно 1,4.

Согласно некоторым аспектам сопло для плазменной дуговой горелки с газовым охлаждением может содержать полый по существу цилиндрический корпус, имеющий первый конец и второй конец которые определяют продольную ось, при этом второй конец корпуса определяет выходной жиклер сопла; газовый канал, сформированный в первом конце между внутренней стенкой и наружной стенкой цилиндрического корпуса, при том этот газовый канал направляет поток газа по периферии вокруг по меньшей мере части корпуса; впускное отверстие, сформированное по существу сквозь радиальную поверхность наружной стенки и соединенное по текучей среде с газовым каналом; и выпускное отверстие по меньшей мере по существу выровненное с продольной осью и соединенное по текучей среде с газовым каналом.

Варианты могут содержать один или более из следующих признаков:

В некоторых вариантах впускное отверстие может содержать впускной порт, сформированный сквозь радиальную поверхность корпуса. В некоторых случаях выпускное отверстие может содержать выпускной порт, сформированный сквозь вторую внешнюю радиальную поверхность корпуса между вторым концом сопла и впускным портом.

В некоторых вариантах сопло содержит множество (например, множественных) впускных каналов. В некоторых случаях, радиальный угол между соответствующими впускными каналами составляет приблизительно 120 градусов. В некоторых вариантах сопло содержит множество выпускных каналов. В некоторых случаях радиальный угол между соответствующими выпускными каналами составляет приблизительно 120 градусов. В некоторых вариантах сопло содержит множество впускных каналов и множество выпускных каналов. В некоторых случаях впускные каналы радиально смещены относительно выпускных каналов.

В некоторых вариантах периферийный поток газа по газовому каналу проходит по всей окружности сопла.

В некоторых вариантах часть стенок сопла выполнены с возможностью сопрягаться с наружной поверхностью завихрителя. В некоторых случаях завихритель образует часть газового канала.

Согласно некоторым аспектам сопло для плазменной дуговой горелки с газовым охлаждением может содержать полый по существу цилиндрический корпус, имеющий первый конец и второй конец, которые определяют продольную ось, при этом второй конец корпуса определяет выходной жиклер сопла; область напорной камеры, определенную внутри корпуса и направляющую плазменный газ; канал для охлаждающего газа, сформированный в первом конце между внутренней стенкой и наружной стенкой цилиндрического корпуса, при этом канал охлаждающего газа изолирует охлаждающий газ от плазменного газа; по существу радиально ориентированный впускной канал, соединенный по текучей среде с газовым каналом; и по существу продольно ориентированный выпускной канал соединенный по текучей среде с газовым каналом.

Варианты могут содержать один или более из следующих признаков:

В некоторых вариантах радиально ориентированный впускной канал также содержит впускной порт, сформированный сквозь радиальную поверхность корпуса. В некоторых вариантах продольно ориентированный выпускной канал также содержит выпускной порт, сформированный сквозь радиальную поверхность корпуса между вторым концом сопла и впускным портом. В некоторых вариантах сопло содержит множество радиально ориентированных впускных каналов. В некоторых случаях радиальный угол между впускными каналами составляет приблизительно 120 градусов. В некоторых вариантах сопло также содержит множество выпускных каналов. В некоторых случаях радиальный угол между соответствующими выпускными каналами составляет приблизительно 120 градусов. В некоторых вариантах сопло содержит множество впускных каналов и множество выпускных каналов. В некоторых случаях впускные каналы радиально смещены относительно выпускных каналов.

В некоторых вариантах периферийный поток газа вдоль газового канала проходит по всей окружности сопла. В некоторых вариантах часть стенок сопла выполнены с возможностью сопрягаться с наружной поверхностью завихрителя. В некоторых вариантах завихритель может составлять часть газового канала.

В некоторых вариантах плазменный газ и охлаждающий газ объединяются у выходного жиклера сопла.

Согласно некоторым аспектам способ охлаждения сопла плазменной дуговой горелки может содержать этапы, на которых создают сопло, имеющее полый корпус с первым концом и вторым концом, при этом второй конец определяет выходной жиклер сопла, газовый канал, сформированный в первом конце корпуса, по существу радиально ориентированный впускной канал, соединенный по текучей среде с газовым каналом, и по существу продольно ориентированный выпускной канал, соединенный по текучей среде с газовым каналом; пропускают охлаждающий газ через впускной канал в газовый канал; направляют охлаждающий канал вдоль газового канала; и выпускают охлаждающий газ из газового канала в выпускной канал.

Согласно некоторым аспектам сопло для плазменной дуговой горелки с газовым охлаждением может содержать корпус, имеющий первый конец и второй конец, которые определяют продольную ось; область напорной камеры, по существу сформированную в корпусе, при этом область напорной камеры проходит от первого конца корпуса и выполнена с возможностью принимать поток плазменного газа; выходной жиклер, расположенный на втором конце корпуса и ориентированный по существу соосно с продольной осью, при этом выходной жиклер соединен по текучей среде с областью напорной камеры; и элемент на наружной поверхности корпуса, выполненное с возможностью усиливать охлаждения, принимая поток охлаждающего газа, текущий с высокой скоростью по существу в направлении продольной оси вдоль длины корпуса, отбойную поверхность элемента, выполненную с возможностью принимать поток охлаждающего газа, текущий в направлении, по существу перпендикулярном к этой отбойной поверхности, и перенаправлять поток охлаждающего газа для улучшения охлаждения и создания равномерного экранирующего потока.

Варианты могут содержать один или более из следующих признаков:

В некоторых вариантах элемент расположен на окружности наружной поверхности корпуса сопла.

В некоторых вариантах по существу перпендикулярное направление может быть направлением под углом от приблизительно 45 градусов до приблизительно 90 градусов относительно отбойной поверхности.

В некоторых вариантах поперечное сечение отбойной поверхности элемента содержит по существу плоскую поверхность, которая расположена по существу перпендикулярно потоку охлаждающего газа. В некоторых вариантах отбойная поверхность элемента содержит по существу коническую поверхность. В некоторых вариантах элемент расположен на сопле рядом с соответствующим элементом компонента экрана. В некоторых случаях элементом является смесительная камера.

В некоторых случаях высокая скорость составляет по меньшей мере 300 м/с.

В некоторых вариантах элемент содержит по меньшей мере часть камеры достаточного размера для увеличения равномерности потока охлаждающего газа, работая как буферная камера для уменьшения переходных эффектов потока охлаждающего газа. В некоторых случаях камера проходит по периферии наружной поверхности сопла.

В некоторых вариантах сопло содержит острый угол рядом с отбойной поверхностью для генерирования турбулентности в потоке охлаждающего газа.

Согласно некоторым аспектам система охлаждения сопла для плазменной дуговой горелки может содержать сопло, имеющее корпус с первым концом и вторым концом, которые определяют продольную ось, область напорной камеры, по существу сформированную в корпусе, при этом область напорной камеры отходит от первого конца корпуса и выполнена с возможностью принимать поток плазменного газа, выходной жиклер, сформированный на втором конце корпуса и ориентированный по существу соосно с продольной осью, при этом выходной жиклер соединен по текучей среде с областью напорной камеры, и элемент на наружной поверхности корпуса, выполненный с возможностью усиливать охлаждение путем приема потока охлаждающего газа, текущего с высокой скоростью по существу в направлении продольной оси вдоль длины корпуса, при этом отбойная поверхность элемента выполнена с возможностью принимать поток охлаждающего газа с по существу перпендикулярного направления относительно отбойной поверхности для перенаправления потока охлаждающего газа для улучшения охлаждения и создания равномерного экранирующего потока; и колпачок, удерживающий сопло, содержащий по существу цилиндрический корпус и крепежный фланец, при этом крепежный фланец удерживающего колпачка содержит множество портов подачи экранирующего газа, расположенных под углом к продольной оси сопла, при этом угол по существу перпендикулярен отбойной поверхности элемента сопла.

Варианты могут содержать один или более из следующих признаков.

В некоторых вариантах колпачок, удерживающий сопло может содержать приблизительно 10 портов подачи экранирующего газа.

Согласно некоторым аспектам охлаждающая система, экранирующая сопло, содержит корпус с первым концом и вторым концом, которые определяют продольную ось; область напорной камеры, по существу сформированную в корпусе, при этом область напорной камеры отходит от первого конца корпуса и выполнена с возможностью принимать поток плазменного газа; выходной жиклер, расположенный на втором конце корпуса и ориентированный по существу соосно с продольной осью, при этом выходной жиклер соединен по текучей среде с областью напорной камеры; и элемент на наружной поверхности корпуса, выполненный с возможностью улучшать охлаждение путем приема охлаждающего газа, текущего с высокой скоростью по существу в направлении продольной оси вдоль длины корпуса, при этом отбойная поверхность элемента выполнена с возможностью принимать поток охлаждающего газа в направлении по существу перпендикулярном отбойной поверхности и перенаправлять поток охлаждающего газа для улучшения охлаждения и создания равномерного экранирующего потока; и экран для плазменной дуговой горелки, содержащий по существу конический корпус и торец, содержащий выходной жиклер экрана, при этом внутренняя поверхность экрана определяет смесительную камеру в положении, соответствующем отбойному элементу сопла, когда они собраны друг с другом, при этом смесительная камера имеет впускную кромку, расположенную для направления охлаждающего газа от отбойного элемента в смесительную камеру.

Варианты могут содержать один или более из следующих признаков:

В некоторых вариантах смесительная камера и впускная кромка проходят по периферии внутренней поверхности экрана. В некоторых вариантах профиль впускной кромки образует острый угол. В некоторых вариантах впускная кромка проходит к первому концу корпуса сопла. Впускная кромка может также проходить ко второму концу корпуса сопла.

В некоторых вариантах экран имеет по меньшей мере два элемента впускной кромки.

В некоторых вариантах смесительная камера имеет луковицеобразное сечение. В некоторых вариантах смесительная камера имеет достаточный объем для увеличения равномерности потока охлаждающего газа за счет работы в качестве буферной камеры для уменьшения переходных процессов потока охлаждающего газа.

Согласно некоторым аспектам экран для плазменной дуговой горелки с газовым охлаждением может содержать корпус, имеющий проксимальный конец, выполнен с возможностью сопряжения с корпусом плазменной дуговой горелки, и дистальный конец; в дистальном конце корпуса сформирован выходной жиклер; и внутренняя поверхность экрана определяет проточную поверхность экрана, которая образует часть проточного канала экрана, который направляет поток экранирующего газа вдоль внутренней проточной поверхности экрана в направлении от проксимального конца к выходному жиклеру на дистальном конце корпуса, при этом внутренняя поверхность экрана также определяет проточный элемент, расположенный на внутренней проточной поверхности экрана, при этом проточный элемент сформирован по периферии вокруг внутренней поверхности корпуса между проксимальным концом и выходным жиклером, при этом проточный элемент выполнен с возможностью реверсировать направление потока экранирующего газа в проточном канале для экранирующего газа.

Варианты могут содержать один или более из следующих признаков:

В некоторых вариантах внутренняя проточная поверхность экрана содержит смесительную камеру, сформированную по периферии вокруг корпуса на участке проточного канала для экранирующего газа рядом с отбойным элементом соответствующего сопла, при этом смесительная камера содержит впускную кромку, расположенную так, чтобы направлять экранирующий газ в смесительную камеру. В некоторых случаях проточный элемент также определяет область рекомбинации, которая расположена между выходным жиклером и смесительной камерой.

В некоторых вариантах проточный элемент определяет область рекомбинации, расположенную между набором вентиляционных портов и выходным жиклером.

В некоторых вариантах проточный элемент может содержать выпуклость и углубление, которые взаимодействуют для реверсирования направления потока. В некоторых случаях выпуклость расположена рядом с углублением. В некоторых вариантах проточный элемент содержит выпуклость так, что эта выпуклость является гребнем, проходящим по периферии внутренней проточной поверхности экрана. В некоторых вариантах проточный элемент содержит углубление, являющееся канавкой, которая проходит по периферии внутренней проточной поверхности экрана. В некоторых случаях проточный элемент содержит выпуклость, расположенную между углублением и выпускным жиклером. Проточный элемент может быть расположен на конической части корпуса экрана. Проточный элемент может быть расположен на торце дистального конца корпуса экрана. Проточный элемент может содержать выпуклость, расположенную в положении на внутренней проточной поверхности экрана, которая соответствует комплементарному элементу на соседнем сопле горелки, когда экран прикреплен к пламенной дуговой горелке. Например, комплементарным приспособлением сопла может быть гребень.

В некоторых вариантах в собранном состоянии выпуклость и комплементарный элемент сопла оба могут быть параллельны продольной оси корпуса плазменной дуговой горелки. В некоторых вариантах выпуклость и комплементарный элемент сопла образуют изломанную траекторию.

Согласно некоторым аспектам сопло для плазменной дуговой горелки с воздушным охлаждением может содержать корпус, имеющий проксимальный конец, выполненный с возможностью сопряжения с корпусом плазменной дуговой горелки, и дистальный конец; и наружная поверхность сопла содержит проточную поверхность сопла, которая образует часть проточного канала для экранирующего газа, который направляет поток экранирующего газа вдоль наружной поверхности сопла в направлении от проксимального конца к жиклеру на дистальном конце корпуса, при этом наружная поверхность сопла также имеет проточный элемент, расположенный на наружной проточной поверхности сопла и проточный элемент сформирован по периферии вокруг внешней поверхности корпуса между проксимальным концом и жиклером, при этом проточный элемент выполнен с возможностью реверсировать направление потока экранирующего газа внутри проточного канала для экранирующего газа.

Варианты могут содержать один или более из следующих признаков:

В некоторых вариантах сопло содержит элемент на внешней проточной поверхности корпуса сопла выполненный с возможностью улучшать охлаждение корпуса за счет приема по меньшей мере части потока экранирующего газа, текущего с высокой скоростью по существу в направлении продольной оси корпуса сопла и вдоль длины этого корпуса, отбойная поверхность элемента выполнена с возможностью принимать по меньшей мере часть потока охлаждающего газа в по существу перпендикулярном направлении к отбойной поверхности и перенаправлять поток охлаждающего газа для улучшения охлаждения и создания равномерного экранирующего потока.

В некоторых вариантах наружная проточная поверхность сопла содержит смесительную камеру, сформированную по периферии вокруг корпуса на участке проточного канала для экранирующего газа, расположенном рядом с отбойным элементом.

В некоторых вариантах проточный элемент может содержать выпуклость и углубление, которые взаимодействуют для реверсирования направления потока. В некоторых случаях выпуклость расположена рядом с углублением. В некоторых вариантах проточный элемент содержит выпуклость так, что выпуклость является гребнем, который проходит по периферии наружной проточной поверхности сопла.

В некоторых вариантах проточный элемент может содержать углубление так, чтобы углубление было канавкой, которая проходит по периферии наружной проточной поверхности сопла. В некоторых вариантах проточный элемент может содержать выпуклость так, чтобы выпуклость находилась между углублением и жиклером. Проточный элемент может быть расположен на коническом участке корпуса сопла. Проточный элемент может быть расположен на торце дистального конца корпуса сопла. В некоторых вариантах проточный элемент может содержать выпуклость так, чтобы эта выпуклость находилась в положении на наружной проточной поверхности сопла, которое соответствует комплементарному элементу соседнего экрана горелки, когда сопло прикреплено к плазменной дуговой горелке. В некоторых случаях комплементарный элемент может быть гребнем.

Согласно некоторым аспектам расходный комплект для системы плазменной дуговой горелки с воздушным охлаждением может содержать экран, содержащий корпус экрана, имеющий проксимальный конец, выполненный с возможностью сопряжения с корпусом плазменной дуговой горелки, и дистальный конец; выходной жиклер, сформированный в дистальном конце корпуса; и внутреннюю часть экрана, имеющую проточную поверхность экрана, которая образует часть проточного канала экранирующего газа, который направляет поток экранирующего газа вдоль внутренней проточной поверхности экрана в направлении от проксимального конца к выходном жиклеру на дистальном конце корпуса, при том внутренняя часть экрана имеет проточный элемент, расположенный на внутренней проточной поверхности экрана, при этом проточный элемент сформирован по периферии вокруг внутренней части корпуса между проксимальным концом и выходным жиклером, при этом проточный элемент выполнен с возможностью реверсировать направление потока экранирующего газа в канале для экранирующего газа; и сопло, сформированное из электропроводного материала, содержащее корпус сопла, имеющий первый конец и второй конец, которые определяют продольную ось; область напорной камеры, по существу сформированную в корпусе сопла, при этом область напорной камеры отходит от первого конца корпуса сопла и выполнена с возможностью принимать поток плазменного газа, при этом область напорной камеры соединена по текучей среде с выходным жиклером; элемент на внешней поверхности корпуса сопла, выполненный с возможностью улучшать охлаждение сопла путем приема потока охлаждающего газа, текущего с высокой скоростью по существу в направлении продольной оси вдоль длины корпуса сопла, при этом отбойная поверхность элемента выполнена с возможностью принимать по меньшей мере часть потока охлаждающего газа в по существу перпендикулярном направлении относительно отбойной поверхности, и перенаправлять поток охлаждающего газа для улучшения охлаждения и создания равномерного экранирующего потока, так, чтобы по меньшей мере часть потока охлаждающего газа от отбойной поверхности выходила из горелки через жиклер.

Варианты могут содержать один или более из следующих признаков:

В некоторых вариантах внутренняя проточная поверхность экрана далее может содержать смесительную камеру, сформированную по периферии вокруг корпуса экрана на части проточного канала для экранирующего газа рядом с отбойным элементом.

Согласно некоторым аспектам способ охлаждения сопла плазменной дуговой горелки с воздушным охлаждением может содержать этапы, на которых подают экранирующий газ по существу под перпендикулярным углом к наружному элементу сопла; перенаправляют экранирующий газ от наружного элемента сопла в смесительную камеру, расположенную рядом с элементом; и пропускают экранирующий газ из смесительной камеры по проточному каналу для экранирующего газа на выходной жиклер экрана, при этом проточный канал для экранирующего газа по меньшей мере частично определен наружной поверхностью сопла.

Варианты могут содержать один или более из следующих признаков:

В некоторых вариантах способ также может содержать этап, на котором пропускают экранирующий газ от смесительной камеры через область рекомбинации, расположенную между соплом и экраном для создания по существу равномерного потока экранирующего газа на выходном жиклере, при этом область рекомбинации содержит по меньшей мере один элемент, перенаправляющий поток. В некоторых случаях область рекомбинации может находиться после смесительной камеры и содержать дефлектор на внутренней поверхности экрана, и дефлектор на наружной поверхности сопла. В некоторых случаях дефлектор экрана и дефлектор сопла расположены рядом друг с другом, когда экран и сопло установлены на горелку.

В некоторых вариантах по меньшей мере часть смесительной камеры может быть расположена на наружной поверхности сопла. В некоторых вариантах по меньшей мере часть смесительной камеры может быть расположена на внутренней поверхности соседнего экрана. В некоторых вариантах по меньшей мере часть смесительной камеры может быть расположена на наружной поверхности сопла, и по меньшей мере часть смесительной камеры может быть расположена на внутренней поверхности соседнего экрана.

Согласно некоторым аспектам способ создания равномерного потока экранирующего газа для плазменной дуговой горелки с воздушным охлаждением может содержать этапы, на которых подают экранирующий газ в проточный канал для экранирующего газа, определенный наружной поверхностью сопла и внутренней поверхностью экрана; пропускают экранирующий газ по проточному каналу для экранирующего газа; реверсируют поток экранирующего газа в проточном канале для экранирующего газа, используя область рекомбинации, при этом область рекомбинации содержит по меньшей мере один элемент реверсирования потока, и пропускают экранирующий газ из области смешивания в выходной жиклер экрана, тем самым создавая по существу равномерный поток экранирующего газа на выходном жиклере.

Варианты, описанные в настоящем документе, могут давать одно или более из следующих преимуществ.

Согласно некоторым аспектам расходные компоненты (например, сопла) описанные в настоящем документе, имеющие канал для охлаждающего газа, сформированный между внутренней стенкой и наружной стенкой, могут охлаждаться лучше, чем некоторые другие расходные компоненты, которые не имеют таких газовых каналов. Улучшенное охлаждение частично является результатом дополнительной площади контакта с охлаждающим газом, созданной в сопле, через которую может отводиться теплота, и уноситься охлаждающим газом. Улучшенное охлаждение может улучшить характеристики резания, например, способствуя созданию более стабильных плазменных дуг и увеличению срока службы расходных компонентов. Увеличенный срок службы расходных компонентов может привести к уменьшению частоты замены таких расходных компонентов, что может привести к экономии расходов и снижению времени простоя системы.

Далее, формирование охлаждающего газового канала в наружной стенке сопла может обеспечить лучшее разделение (т.е., изоляцию) канала для охлаждающего газа от траектории потока плазменного газа, что может улучшить охлаждение без существенных помех подаче плазменного газа и/или управления им.

Дополнительно, газовые охлаждающие каналы с одним или более горизонтальным (т.е., по существу перпендикулярным к продольной оси сопла) впуском и одним или более вертикальным (т.е., по существу продольным) выпуском, которые могут быть смещены по периферии относительно горизонтальных впусков, могут способствовать созданию газовых потоков, ударяющихся в разные поверхности сопла. Такой отражаемый поток может способствовать созданию турбулентности в потоке для дополнительного улучшения охлаждения.

Согласно некоторым аспектам описываемые сопла, имеющие элемент, расположенный вдоль его наружной поверхности, который определяет отбойную поверхность для приема потока охлаждающего газа (т.е. высокоскоростного потока охлаждающего газа) могут лучше охлаждаться, чем некоторые другие известные сопла. Как описано в настоящем документе, отбойная поверхность может быть наклонена относительно одной или более другой наружной поверхности сопла, чтобы поток охлаждающего газа контактировал (ударялся) с отбойной поверхностью по существу перпендикулярно к этой отбойной поверхности, что может улучшить охлаждение. Например, как описано в настоящем документе, наклонная отбойная поверхность типично наклонена так, чтобы проходить перпендикулярно наклонному проточному каналу для охлаждающего газа, который определен внутри колпачка, удерживающего сопло, по которому течет поток охлаждающего газа.

Далее, расположение наклонной отбойной поверхности внутри смесительного канала может способствовать генерированию смешивания высокоскоростного газового потока, например, частично благодаря по существу перпендикулярному отбою потока газа на отбойной поверхности, что может улучшить охлаждение относительно некоторых других известных сопел, не имеющих таких признаков. В некоторых случаях, элемент и отбойная поверхность помогают создать турбулентный поток в канале смешивания, который дополнительно способствует охлаждению. Дополнительно в некоторых случаях канал смешивания может помочь смешать и распределить (например, равномерно распределить) поток охлаждающего экранирующего газа вокруг сопла так, чтобы он подавался более равномерно. Улучшенная равномерность подачи экранирующего газа может создать более стабильную плазменную дугу, что может дать повышение скорости и точности резания.

Согласно некоторым аспектам, альтернативно или дополнительно, элементы сопла могут работать в комбинации с соответствующими элементами (например, канавками или фланцами), сформированными на других расходных компонентах, таких как экран, для изменения (например, возмущения, отклонения и/или частичной блокировки, перенаправления или перераспределения) потока экранирующего газа, текущего между соплом и экраном. Например, как описано в настоящем документе, некоторые сопла могут содержать углубление, в котором во время использования может быть частично размещен фланец экрана. Конфигурация фланца, размещенного в углублении, может привести к временному перенаправлению потока экранирующего газа (т.е., направить его назад, а затем, обратно вперед) к дистальному концу горелки. Такое перенаправление способствует перемешиванию и распределению потоку экранирующего газа по кольцу вокруг выходного жиклера экрана, чтобы экранирующий газ, выходящий из горелки, был более равномерно распределен, чем в некоторых известных системах горелок. Более равномерно распределенный экранирующий газ может быть полезен, способствуя созданию более стабильной плазменной дуги, уменьшая или ограничивая неустойчивые изменения потока газа вокруг плазменной дуги. Аналогично, другие описанные в настоящем документе признаки, например, комплементарный смешивающий канал, образованный элементами и поверхностями сопла и/или экрана (описанные ниже со ссылками на фиг.3) также могут способствовать приему потока газа, поступающего из множества дискретных каналов, и распределению потока газа по периферии вокруг сопла для создания более равномерно распределенного потока газа и более равномерной