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Die Erfindung betrifft eine Sauerstoffdüse für autogene Schneidbrenner und bezweckt eine
Verbesserung der Wirkung und Erhöhung der Leistung solcher Geräte.
Die bisher in der Praxis des Brennschneidens üblichen Düsen sind meist zylindrisch oder zylin- drisch abgestuft geformt, wobei die letztere Form als die verbesserte anzusprechen ist und deshalb heute fast ausschliesslich angewendet wird. Dennoch stellt eine derartige Düse vom strömungsphysikali- sehen Standpunkt aus nur eine mangelhafte Lösung dar und lässt im Hinblick auf die Entfaltung und
Ausnutzung der Strömungsenergie als auch bezüglich einer günstigen Form des Sauerstoffstrahles noch sehr viel zu wünschen übrig.
Das Ausströmen des Sauerstoffes aus solchen Düsen bei überkritischen Druckverhältnissen . ist stets mit Impulsverlusten verbunden, die mit steigendem Druckverhältnis erheblich anwachsen und damit den Schneideffekt wesentlich verschlechtern. Die Praxis versucht, diesem Ubelstand da- durch möglichst abzuhelfen, dass sie jeder Düse einen geringen Druckbereich und damit auch einen sehr engen Schneidbereich zuordnet und dabei für jede Düsengrösse das günstigste Druckverhältnis ermittelt und dieses beibehält. Somit ist für einen grösseren Schneidbereich die Verwendung von ver- schieden grossen Düsen notwendig.
Mit grösser werdenden Werkstoffstärken werden die Verhältnisse aber immer ungünstiger, weil ausser der unwirtschaftlichen Massnahme der Düsenvergrösserung noch eine Druckerhöhung notwendig wird, mit der zwangsläufig eine Verschlechterung des Strömungsvor- ganges verbunden ist.
Es erschien deshalb zweckmässig, die aus andern Gebieten bekannte Wirkung der Lavaldüse in die Schneidtechnik zu übertragen. Die Lavaldüse gibt bekanntlich die Möglichkeit, in einer an den engsten Querschnitt der Düse anschliessenden konischen Erweiterung die Druckenergie in Geschwindigkeitsenergie umzusetzen, wenn bestimmte Voraussetzungen erfüllt sind.
In der Literatur ist bereits auf die Verwendung der Lavaldüse der bekannten einfachen Form für Schweissbrenner hingewiesen. An der Tatsache, dass die Lavaldüse ausserordentlich empfindlich gegen kleinere Ungenauigkeit der Druckeinstellung ist, und dass ferner jedes Druckverhältnis eine eigene Düse erfordert, scheiterte jedoch die bisherige Verwendung der Lavaldüse in der Schneidtechnik. Die Forderungen, die an eine Schneiddüse gestellt werden, gehen dahin, dass die Düse eine verlustfreie Umsetzung von Druck in Geschwindigkeit gestattet, dabei diese Eigenschaft aber für möglichst alle verschiedenen Druckverhältnisse beibehält und ausserdem bei allen Drücken eine annähernd parallelen, geschlossenen Gasstrahl liefert, der bei kleinstem Strahlquerschnitt die grösste Strömungsenergie besitzt.
Der Erfindungsgegenstand betrifft eine Düse, die durch ihre besondere Formgebung die obengenannten Forderungen erfüllt und sich deshalb in ihrer strömungstechnischen Wirkungsweise vollkommen von der gewöhnlichen Lavaldüse unterscheidet.
Die günstigste Form einer solchen Düse ergibt sich erfindungsgemäss, wenn die an den engsten
Querschnitt anschliessenden Begrenzungsflächen in eine Krümmung überleiten, die im Grenzfall parallel zur Düsenachse ausklingt und etwa der Form eines der kurzen Achse zustrebenden Kurvenastes einer flachen Ellipse entspricht, und die an die Begrenzungsflächen angelegten Tangenten gegenüber der
Düsenachse einen Winkel von 100 nicht überschreiten und das Verhältnis von dem grössten zum kleinsten
Durchmesser der Düse gleich 2 oder kleiner ist.
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Bei dieser Düse sind die Querschnittsübergänge am Düseneinlauf und am engsten Querschnitt gut abgerundet. Im Gegensatz zu der üblichen Lavaldüse schliesst sich an den konischen Düsenteil noch ein nach innen gerichteter Übergangsbogen an, welcher zylindrisch ausläuft. Die Düse kann gegebenenfalls auch so geformt sein, dass die zwei Abrundungsbögen am Anfang und Ende der konischen Erweiterung ein Maximum annehmen, d. h., dass die beiden Abrundungsbögen in einem Wendepunkt ineinander übergehen.
Das wesentliche Element dieser Düsenform gegenüber der üblichen Lavaldüse ist der Brun. dungsbogen hinter dem konischen Düsenteil. Dieser Abrundungsbogen, insbesondere in der erfindunggemässen Form bewirkt, dass die bei einer Überschallströmung entstehenden stationären Machschen Wellen, die sich gegenseitig durchdringen und nach bestimmten Gesetzen an den Strahlgrenzen reflektiert werden, so beeinflusst werden können, dass ihnen eine derartige Strömungsrichtung aufgeprägt wird, dass der Überschallstrahl bei Verlassen der Düse, ohne einen Verdichtungsstoss zu durchlaufen, als ParalIelstrahl oder doch in weitgehender Annäherung als solcher, austritt.
Derselbe Vorgang geschieht bei jedem beliebig andern Druckverhältnis innerhalb der Düse, wobei sich der Strahl jeweils an der Stelle der Düse von den Flanken ablöst, wo seine Expansion bis auf den Aussendruck beendet ist, und es ändert sich jeweils lediglich der Winkel zwischen der ersten Reflektionswelle und der Strahlachse, was aber ohne Einfluss auf die weitere Form des Gasstrahles ist. Eine solche Düse gibt die Möglichkeit, in einem grossen Druckbereich einen geschlossenen Gasstrahl von paralleler oder angenähert paralleler Form zu erhalten. Diese Tatsache, die mit der bisherigen Strömungstheorie nicht in Einklang steht, wurde durch systematische, experimentelle Untersuchungen nachgewiesen.
Mit derartigen Düsen gelingt es, auch unter den bei einem Schneidbrenner vorliegenden schwierigen Betriebsverhältnissen, einen Überschallstrahl von einwandfreier Strahlform zu erzeugen.
Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Düse schematisch im Längsschnitt und in starker Vergrösserung veranschaulicht.
Wie bereits im vorstehenden gesagt wurde, überschreitet das Verhältnis zwischen grösstem Durchmesser im Mündungsquerschnitt D2 und dem Kleinstdurchmesser Di im engsten Querschnitt den Wert DIDI = 2 nicht. Grössere Durchmesserverhältnisse verschlechtern die Eigenschaften der Düse wesentlich und machen dieselbe nach Überschreiten des Wertes DID, = 3 für die Zwecke des autogenen Schneidens und die. damit verbundenen Forderungen überhaupt unbrauchbar.
Der Winkel r zwischen den Flanken der konischen Erweiterung und der Strömungsachse liefert bis 100 gute Werte, die mit steigender Winkelvergrösserung die Eigenschaften der Düse verschlechtern und dieselbe von etwa 200 an vollkommen unbrauchbar machen. Die Flanken besitzen zumindest über einen wesentlichen Teil ihrer Länge eine gekrümmte Form, die, wie in der Zeichnung angedeutet, einem Teil einer flachen Ellipse entspricht. Im allgemeinen soll der gekrümmte Teil nicht kürzer als etwa ein Drittel der Düsenlänge sein. In dem gezeichneten Ausführungsbeispiel beträgt die Länge des gleichflächig gekrümmt verlaufenden Teiles etwa die Hälfte der Düsenlänge, was für viele Fälle eine Optimum ist.
Sohneidversuche haben ergeben, dass die mit der neuen Düse erreichbaren Vorschubgeschwindigkeiten das eineinhalb-bis zweifache gegenüber den mit modernen Schneidgeräten erreichbaren Höchstgeschwindigkeiten bei höchstens gleichem spezifischem Sauerstoffbedarf und sehr sauberen, glatten Schnittflächen betragen. Eine weitere Überlegenheit solcher Düsen gegenüber den bisherigen besteht in der grossen Anpassungsfähigkeit an verschiedene Schneidbedingungen. Es konnten beispielsweise mit einer einzigen Düse von Kleinstdurchmesser von 1'5 mm sämtliche Materialstärken bis 200 mm mit sehr guten Leistungswerten geschnitten werden, während bei normalen Düsen für verschiedene Materialstärken verschiedene Düsen erforderlich sind.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Düse für den Sehneidsauerstoffstrahl bei Schneidbrennern mit einer nach Art einer Lavaldüse geformten, an den engsten Düsenquerschnitt anschliessenden konischen Erweiterung, dadurch gekennzeichnet, dass die Erweiterung über einen Abrundungsbogeh zylindrisch ausläuft und die an die Begrenzungsflächen angelegten Tangenten gegenüber der Düsenachse einen Winkel von 100 nicht überschreiten, wobei das Verhältnis von dem grössten zum kleinsten Durchmesser der Düse gleich 2 oder kleiner ist.