CN1142793A - 材料的火炬加工方法和装置 - Google Patents

Abstract

对材料进行火炬切割的装置(20)，包含一个中心主体(32)放在其内腔(30)中的混合器(28)和一个具有燃烧室(24)和喷口(26)的吹嘴(22)。燃料和氧化剂组分被输送到混合器，互相混合成推进剂，然后与中心主体相作用，在一个实施例中，中心主体有一个火花塞(60)。中心主体产生动作来控制将由火花塞放电而点火的推进剂混合物的热力学参数，然后在高压下燃烧，生成作用于材料的高温超声气体喷流。还公开了一种方法，此装置按此方法来使用，并且此方法提供燃料和氧化剂、把燃料和氧化剂相混合、在高压下燃料此推进剂混合物以及由燃烧产物生成高温超声不过度扩展的气体喷流作用在材料上等步骤。

Description

材料的火炬加工方法和装置

发明领域

本发明涉及到对材料进行火炬切割，更具体的来讲，本发明是用来对金属材料和建筑材料(水泥、钢筋混凝土、砖块及砖砌构件、塑料等)及其复合体进行火焰烧蚀(flame and erosional)切割；上述材料的火焰打孔以及表面加工，包括焊接加工、清除表面缺陷、蚀刻铭文及图案、对水泥和混凝土进行玻璃化处理等。

发明背景

在涉及使用火炬对材料进行加工的技术中，已知有许多方法和装置。使用火焰切割的缺点是，它只能用于象结构钢这样的易氧化材料。另一种称之为喷射熔化(flux-injection)切割的火炬切割形式，会产生铝、铁、沙子等细小微粒形式的熔化材料污染，从这一观点来看，也是不理想的。等离子切割是另一种切割形式，它由于对切割非金属材料(电流的非导体)无效而受限制，还受限于切割材料的厚度不能超过40mm。而且工作面的高温(大于10000℃)会导致加工材料产生强烈的升华和加工材料的氧化，这使得此方法在生态学上是有害的。

在技术上还知道一种借助高温超声喷流对岩石进行粉碎的方法，如苏联作者证书#924370，Int.Cl.E21 C37/16，1982所公开的。然而由于这种方法不能对喷流参数值进行改变，因而不适宜于用火炬加工各种材料。

技术上还知道一种火焰切割钢材的方法和装置，这就是苏联作者证书№155146，Int.Cl.F23D 14/46，1963，中所公开的方法和装置。这种方法包含有提供燃料和氧化剂的过程，把此燃料与氧化剂混合生成推进剂的过程，在高压下使此推进剂混合物燃烧的过程，生成燃烧产物的气体喷流的过程，以及用此气体喷流作用于此材料上的过程。实现此方法的装置包含有一个切割头和一个容纳气体和燃料供应管道的把手。此切割头包含一个混合器，此混合器又包含一个外套，一个打孔的垫片和一个吹嘴。在此外套中加工有几条通道，用来把推进剂组分输送给同心地设置在垫片上的两排通孔中用于氧气和燃料的输送，同时还将喷射燃料组分输送给输送切割用氧气的中心开孔。吹嘴的内腔包含一个燃烧室，在此室内推进剂组分被混合、燃烧并蒸发。

上面提到的这种火焰切割方法和装置的缺点是在切割许多材料时其效率低。具体地讲来，是对钢筋混凝土和砖砌构件；生成难熔氧化物的铝合金；象不锈钢这样的抗氧化制品；含硅量高并会生成难于从加工面除去的渣的生铁这样一些材料加工是很困难的。

上述缺点来自推进剂组分(燃料和氧化剂)燃烧的低效率，这种低效率又是由于输送燃料和氧化剂的开孔在装置的同一截平面中的安置。实际上，对推进剂组分进行混合的效率直接取决于各倾斜的燃料和氧化剂通道的制造精度及相互排列的精度。只有在这些通道制造得绝对精确的理想情况下，流出这些通道的燃料和氧化剂才能相碰在预定的一点上。然而精确地讲来，在开孔的倾斜角方面，在它们相对于装置的对称轴的距离方面，在垫片平面上它们按角度的布置方面，在这些开孔前后边缘的几何形状方面都总会存在着差异，同时它们的内通道还存在有某种程度的粗糙度和污染，环形孔中速度场存在有不均匀性等等。在这种情况下，推进剂组分的混合是在不完美的条件下发生的，在吹嘴的有限空腔内，推进剂燃烧的完全程度并不高。

在推进剂组分点火时和把火炬拉入吹嘴(燃烧室)中的过程都存在着推进剂组分的损失。生成流出吹嘴的超声喷流(必须对推进剂进行混合)，点燃推进剂混合物以及调整火焰参数以便确保火焰边缘传播回吹嘴中，这些过程都要花费时间。所有这些操作都需要工作人员有一定的技能和切割工人的资格。这些操作的不正确进行或是造成突然冒火和火焰熄火，或是造成火焰边缘穿入混合器并发出爆裂声，这又使火焰熄灭。这种失误对装置的效能有很大影响，特别是对有一定结构形状的东西(例如飞机)进行切割的过程要求沿着此结构移动，火炬燃烧器会随时被打开和关闭，这时对效率影响很大。

因此本发明的目的是提供一种新的方法和装置，利用这种方法和装置能高效地对不同性质和厚度的材料进行火炬加工，能这样高效加工是由于启动时间的减少从而减少了启动时推进剂(燃料和氧化剂)燃烧的结果。

按照本发明的对材料进行火炬加工的方法包含供给燃料和氧化剂，把它们相互混合成推进剂，在高压下使推进剂混合物燃烧，由燃烧产物生成超声的不过度扩展的气体喷流，以及以这种气体喷流作用在材料上等步骤。作用在材料上的气体喷流速度(v)与此喷流中声速(a)的速度比值在区间1.1到4.8中选取；喷流温度(Tc)与材料熔点(Tm)的温度比值在区间1.2到4.5中选取。此外，氧化剂相对于推进剂组分的化学计量比的过量因子(α)，对易氧化材料，在下面区间选取：

                        3.4≤α≤4.9，

对不氧化材料和形成难熔氧化物的材料，在下面区间选取：

                        0.44≤α＜3.4

上述因子α是一个分式，分子是推进剂组分的实际质量比，分母是提供完全燃烧的推进剂组分的化学计量比。

此方法的一个重要方面是使用超声的、集中的、高温(直到4000℃)的喷流。就此而言，有三个因素对材料有影响。具体地讲，它们是：温度作用，它使材料熔化；由化学上活性的喷流产生的化学侵蚀，用于使材料氧化；以及冲刷作用，这种作用是利用喷射头把熔化了的材料与其氧化物一起吹离加工表面。

喷流的基本要素是：

-与材料周围的环境压力相比，是在高压下使燃料(具体地讲是煤油-汽油或乙/甲醇)和氧化剂(具体地讲是氧)燃烧而产生喷流；

-喷流的不过度扩展；

-喷流的速度和温度区间；以及

-氧化剂过量因子(喷流的化学组成)的区间。

正是这些基本要素的协同作用对上面提到的几个因素有贡献，而且使本发明目的实现成为可能。

和这里使用到的一样，术语“不过度扩展”是想说明输送到加工面上时喷流的静压力等于或大于环境压力，以便把它充分地集中成高穿透性的，因而是有效的喷流。应该明白，得选择不同的形体尺寸和比率以及特定的几何形状(specific geometries)以便产生有此特性的“不过度扩展”喷流。

同时，在分析上和实验上已经确立了下述事实：

-在落到v/a比值区间的上限外面时，气流接近特超声速(hypersonic)喷流。在技术上实现具有这种气流的装置是复杂的而且在经济上不适宜的。

-在落到v/a比值的下限外面时，超声喷流就变得不稳定，这是由于流动的不理想性(nonideality)和形成气体动态路径的技术不完美性。超声流动的不稳定性会明显降低加工过程的效率。

-使用温度比值Tc/Tm小于1.2的超声喷流会降低火炬加工的效率，由于材料的导热和自然对流而产生的热损失，加工效率甚至能降到0。落在所选Tc/Tm区间上限外面(超过4.5)会造成被加工材料的挥发，因而把由象铬、钼、镍等这些有害于健康的钢合金添加剂的烟雾排放到大气中，造成由加工产生的生态污染物，因此必须采取某种措施来保护人和环境。最终这也降低了加工效率。

-把因不同的易氧化材料和抗氧化材料而变化的喷流化学组成保持在上述限度内，就能有效地对上述材料组成的相关材料和构件进行切割和加工，而且推进剂组分的消耗也会尽可能少。

按照本发明的装置(后面也称之为燃烧器)包含有一个切割头，而切割头又包含一个吹嘴和一个混合器，它们共同限定了一个切割头的内腔，此装置还有一把手，它包含有一些带流动调节部件的管道，用于从氧化剂和燃料供应源中输送氧化剂和燃料。混合器有一些开孔，在一侧与这些管道相连，在另一侧与切割头的内腔相连。混合器有一外套，外套有一内腔，此内腔与吹嘴内腔相勾通，混合器外套上的开孔加工在相对于流动的不同高度处。输送燃料的开孔加工在混合器外套侧旁，并处于输送主氧化剂开孔的下游。在向混合器内腔输送燃料的开孔的出口处的水力直径d_h-fo与在向混合器内腔引入燃料的那一点处的混合器内腔的流动截面的水力直径d_h-mis的比值在区间0.03到0.5中给定。

水力直径(Hydraulic diameter)d_h这一术语对熟悉流体力学技术的人是熟知的，所谓的水力直径是指定义d_h＝4S/P，其中S是通道的流动截面积，而P是其润湿周长。在圆形开孔的特殊情况下，孔的直径显然就是圆形开孔流动截面的水力直径。

混合器内腔配置有一个轴向安装在此腔中并密封固定在外套的顶部开孔中的中心主体，中心主体的一端从此外套向外突出。此中心主体起的作用是相当于一个推进剂混合物的流动热力学参数的控制单元。中心主体是由一个驱动机构与向外伸出混合器外套的中心主体部分合作驱动的。

与以前技术相比，本发明中效率的提高是因为形成了底部稀少的区域，此区域超过了位于混合器内腔中的中心主体的前端。如熟悉气体动力学技术的人熟知的那样，这种区域的气流结构实际上是漩涡的。此涡旋结构的高度紊流有助于以前在上游准备好的燃料和氧化剂混合物的高度均匀化。更详细地讲，实验已经发现，在预先于混合器内腔中混合好的气态氧和小燃料滴(小于40μm)的情况下，喷流的浓度实际上由于高度的紊流而均匀化了。

上述区间的d_h-fo对d_h-mis的比值已经在实验上得到了确定。落在所建议区间外面时，推进剂混合物会倾向于分凝成一些层，这会降低装置的效率而且由于中心主体或外套烧毁而增加失败的可能性。

落在此区间下限的外面，相当于相对氧化剂动量而言增大了燃料的动量，这会导致燃料集中在中心主体周围，使推进剂混合物的形成过程变坏，最终烧毁中心主体的前端部分。

落在此直径比值的上限外面，相对于燃料动量相对于氧化剂动量而论降低了。因此燃料会集中在混合器的内表面旁，也使得推进剂混合物的形成过程变坏，而且还可能会烧毁混合器外套。

装置的中心主体在出口处提供对燃料和氧化剂组成的推进剂混合物热力学参数的控制，同时也参与推进剂混合物形成过程本身的控制。流体力学技术熟悉的人认识到流动的速度、压力和温度是其主要参数。正是这些参数本身确定了用火炬加工材料过程的效率。有人建议，通过中心主体对流动施加额外的能量，并借助于中心主体来对这些参数进行控制，施加额外能量的方法可以是改变其速度场，或向流体中引入额外的气体，或者二者兼有之。

注意到这些或其他的目的和优点，本发明可从下面的详细叙述中结合附图清楚地被理解。

附图简要说明

图1是按照本发明的用火炬对材料进行加工的装置的侧视图。

图2是图1所示装置中切割头的纵向截面图，其中心主体包含有火花塞。

图3是按照本发明的改动后切割头实施例的截面图，它有一个仿形加工的中心主体和燃烧室。

图4是按照本发明的另一个切割头实施例截面图，它带有一个附加的氧化剂输送开孔和一个开关。

图5是与图3所示实施例相比的又一个混合器实施例的截面图，它有空心的中心主体。

图6是与图3所示实施例相比的再一个混合器实施例的截面图，它有空心的中心主体，而且其中有一个旋流器。

图7是按照本发明的切割头的另一个实施例的截面图。

图8和图9是为在水下进行火炬切割而作了改进的图3所示的切割头的部分示意图，它们分别表示关闭状态和开放状态。

图10是一个示意图，它表明了按照本发明的装置的切割头吸入燃料的情况。

图11是与图2所示吹嘴相比作过改进的吹嘴的截面图。

优选实施例的描述

现在参照附图，更具体地讲是参照附图1-7，按照本发明所述对材料进行火炬加工的装置20包含一个带有燃烧室24和喷口26的吹嘴22、一个带有内腔30的混合器28、一个中心主体32和分别用于输送氧化剂和燃料的开孔34和36，还有输送氧化剂的管道3 8和输送燃料的管道40。

把吹嘴的内腔加工成燃烧室，在此室内燃料和氧化剂组成的推进剂混合物挥发、燃烧、达到超声速，确保形成高温气体喷流。吹嘴22在其嘴壁中可加工一个内腔42，用于容纳象水、防冻剂、压缩空气等形式的冷却剂。在这种情况下(也可参看图11)，吹嘴22包含有一个同心地安置于外部冷却罩(case)46中的内吹嘴44。内吹嘴主要是由导热高的材料作成的，例如铜、青铜等。外罩46最好是由铝或钢作成，而且外罩上还有开孔48和50以便与冷却介质源(未画出)勾通，此介质源可位于离切割面一定距离处并通过管道52和54与内腔42联系起来。换一种方式是，内腔42可以通过在吹嘴前端上的槽口42′与大气连起来。这种槽口42′围绕喷口26沿圆周方向分布，可以是连续的或分离的(一些孔)的形状。在操作时，从槽口中流出的工作介质，具体来说即气体，形成一个压力比环境压力低的区域，因而降低了工作面上的压力。此外，吹嘴22可不含有冷却腔，而是由耐火材料例如高温钢，陶瓷等作成。

装置中可为从吹嘴内腔42流出的冷却剂设立热传输机构。热传输可以通过从把加热了的冷却剂从吹嘴取走的管道和向燃烧器供给燃料和氧化剂的管道之间的接触件来实现。在导热罩中封入接触管道(图中未画出)会使这种热传输得到加强。此导热罩可以有象微粒或弹丸这样的导热颗粒充填料，或者泡状衬垫。换个方式的是，它可以装入低熔点金属。

把燃料和氧化剂输送给混合器28的内腔30的开孔34和36分别由管道38和40与燃料供应源，例如液体燃料(煤油，汽油或乙/甲醇等)和气体氧化剂(例如氧气)连接起来。附图中未给出燃料和气体氧化剂的供应源。为了有更好的使用性能，可通过第一和第二流动控制部件，例如阀门56和58来进行与供应源的这些连接。

在吹嘴22、混合器28、中心主体32以及管道中的这些连接的方便组装和拆卸，可以通过把它们作成可拆卸的不漏气的密封接头(joint)而得到保证，所使用的密封可是“金属对金属”密封，或是铜的，氟塑料的或橡皮的衬垫。

图2举例说明了包含有火花塞60时的中心主体32。在这种情况下，燃料供应管道40配备有第三流动控制部件(电动阀)62(图1)。在点火时操纵着电动阀62和火花塞60的驱动的是控制单元64。控制单元64配备有一个启动部件66，它带有例如一个钳位按钮(通常是常开触点)，控制单元64还有一个延时部件(未画出)，用来把向电动阀62供电的时间相对于向火花塞60供电的时间进行延迟。控制单元64可包含一个适应此延时部件的感应线圈和电路(两者都未画出)。它们用于分别控制电动阀62和火花塞60的低电压(例如12……36V)及高电压(直到3kV)的供电。供电电缆68供给该装置直流电压(上述的12……36V)。与汽车工业中为类似目的所用的相似高压电缆70向火花塞60供电。

可以对火花塞进行改进，使它能起中心主体作用，在此改进中(未画出)火花塞的中心电极被作成空心的，操作上与氧化剂供应源相连。

中心主体32象火花塞60一样工作以及火花塞、电动阀和控制单元的联合使用都会有助于有效地向流动传递能量以及它的点火，接着是流动的压力、温度和速度增加，这又使得在短时间启动该装置变得容易，尤其是能在小于1秒的时间启动(也就是说，实际上不损耗时间、燃料和氧化剂)，而且也可在任何时刻关掉和重新启功。

中心主体32和混合器中的出口孔72可以联合地决定混合器出口截面的形状，使其具有最小的水力直径，这对提高燃料及氧化剂推进剂混合物的速度有利。如果中心主体是仿形加工的并做成可移动的或是配置一个可移动的部件的话(下面将详细介绍)，则在中心主体的任何位置，最小水力直径正是处在混合器出口截面中。这种截面的限制加上用导热高的材料制作中心主体，都有助于紧急防止火焰前沿在混合器中通过。应该提到的是，中心主体最好是由允许与氧接触的铜、黄铜、铬青铜、陶瓷、某种不锈钢等这样的材料制作。

不用火花塞而特别地通过控制燃料和氧化剂的推进剂混合物流动速度场也可以实现该装置的成功而有效的启动。为此目的，在该装置的另一种改形中(图3)，中心主体32是做成可移动的，而其表面的一部分74以及混合器内表面上与74相对的(subtending)部分76是这样进行仿形加工的，也就是说，当在可包含有头部78的驱动机构上有一作用力时，中心主体的纵向位移会导致流动截面中混合器内腔30的水力直径的变化，而此流动截面不大于具有燃料输送开孔36的截面。中心主体和混合器内腔的造型可以做成使得按照一种基本功能该装置的这些部分的直径可发生改变，例如，在下游使它们变小。在最简单的情况下，部分74和76可以做成锥形。同时，在中心主体的帮助下形成推进剂混合物的过程中水力直径已经改变了以后，似乎保持混合器出口截面的水力直径不变是有利的。为此目的，中心主体32(图3)的一个端部80做成圆柱状。

为了在装置中不使用可移动部件的情况下达到同样效果，在混合器28上配置了一个附加的氧化剂入口孔82(图4)，它位于主开孔34的上游。通过管子84和86，开孔34和82用管道38与氧化剂源(未画出)的连接是与流动方向开关，更具体地讲是一个弯角旋塞阀88来实现的，它对主开孔和附加开孔之间的氧化剂流量重新分配。在有主开孔位置上的截面和有附加的氧化剂输送开孔的位置上的截面之间的这一段混合器处，中心主体32加工成一个旋流器，最好做成螺旋钻90的形式。

图5、6和7表示出该装置的其他实施例，其中中心主体32做成中空不动的，而且里面还有一纵向通道92。

在图5和7中，通道92通过一个流动控制部件(未画出)与氧化剂供应管道94连接起来，进一步又与氧化剂供应源(未画出)连接起来。图5中的构形允许以额外的“切割”氧化剂量来对燃烧器中的流体进行充实，同时也允许对流出燃烧器的气体喷流中的氧化剂的流量、速度和含量程度进行控制。图7中所示结构的中心主体32具有沿着混合器28和吹嘴22整个长度分布的通道92，向下直到吹嘴的切断处96。利用这种结构，燃烧可以发生在吹嘴外面，由于可把吹嘴做成挥发室而不是燃烧室，这就降低了其复杂性。对于这种情况，吹嘴22是由黄铜、铬青铜等做成热导型的。吹嘴开始由外面的加热源加热。当达到工作温度温度时就不需加热了。由于自然对流和辐射，推进剂组分混合物燃烧产生的热的一部分传递到吹嘴上，然后传递到挥发室，以便使推进剂混合物加热并挥发。这里流出的流体是次声的。这样的装置可成功地用来对炭钢进行火炬加工。

在图6所示的实施例中，在中心主体32内纵向配置了一个可移动部件98。可动部件98是由驱动机构100控制的，而驱动机构100与用于图3所示实施例的驱动机构78相似。它还有一个与图4中所示的螺旋钻90类似的旋流器102和一个超出此旋流器102的延续部分98′。可移动部件98的部分表面(未画出)可以是仿形加工的(最简单是锥形)，混合器内表面(未画出)的与98的部分表面相对部分也一样。

为了通过更好地使推进剂组分产生涡流，以便能额外地提高推进剂混合物的形成，在混合器28的内表面上或/和中心主体32(未画出)的外表面设置了有利于涡流的压花纹或是具有不同齿形和螺旋通道的螺纹。使处于中心主体和混合器主体壁之间的槽式通道中的流动产生涡流就能改善燃料和氧化剂混合成推进剂的过程。

混合器具有最小载面的区域可以加上一个透水的衬垫(insert)，例如一个固定在混合器出口正面和与之相接触、相匹配的吹嘴部分之间的圆盘来形成。附图未画出此透水圆盘，但这是个从参考附图1，3-6可明显看出的安置方式问题。此圆盘可以由导热的多泡透水材料，例如烧结的铜、青铜、黄铜、钢以及类似粉末做成；或由一组象蜂窝一样的金属网做成，也即是具有一些贯穿其整个体积的通道的金属圆盘，而这些通道贯穿于不同平面并互相交叉。同时，此衬垫上可为中心主体或其可移动部件加工一个开孔。中心主体包含有火花塞的地方，这个开孔的侧面必须是电绝缘的。如果此衬垫没有开孔，而且中心主体(如果做成可移动的话)部分地覆盖了此透水的衬垫区域，则这就意味着水力直径的改变。透水衬垫有助于圆盘中的速度增加，有助于混合器出口速度场的均匀，也有助于圆盘中热的传递，这就有效地防止了火焰前沿进入混合器。

如上所述，按照本发明所述的装置能在水下进行火炬切割。对这一个实施例而言，燃烧器配备有一个图8和9所示的保护部件104，使水不进入吹嘴和混合器的内腔。保护部件104包含一个带弯曲尾部108的堵盖(blank cover)106，一个有开孔112的圆筒体110和一个用来通过开孔112向圆筒体110施加正压的管道114。圆筒110包含一个由弹簧118加载的活塞116和一个插在槽口122中的活塞柱120，而此槽口是处于堵盖106的弯曲尾部中。此堵盖106也由连接在吹嘴22上的销钉所支承，而且此销钉有一个导向孔126以便让堵盖进入。管道114可以和向燃烧器输送氧化剂的管道相连接，或者与输送象压缩空气这样的冷却剂的管道相连接。

在向圆筒110中施加压力时，活塞116带着活塞柱120一起向上移动，把堵盖移向右边(图9)，因而打开喷口。另一种方式是堵盖也可做成能转动的(未画出)。

现在参考图10，管道40的端部128画成进入了液体燃料供应源130中。端部128被分成两支，在它们的每一支的端部设置有一个透水部件132。部件132可以是多孔的圆柱体或打孔的圆柱体，而在所打的孔上覆盖一层例如金属丝网。所描述的这种结构是在安装倾斜液体燃料供应源，或供应源倾斜，或燃料供应源运输时倾斜包含设计的背负燃料源的情况下，为供应液体燃料而准备的。在含有液体的透水部件的毛细孔中显示出了毛细管压力Pc。毛细管压力的值由下面已知关系式确定：

                       Pc＝4σ·cos Θ/d_p，

其中

σ，Θ-分别为液体的表面张力系数和液体的润湿接触角，

d_p-透水材料毛细管的水力直径(细孔直径)。

直到透水部件中的液体和气体(例如部分空了的燃料容器中的空气)之间的压力差超过Pc为止，液体燃料都可确保连续地(没有气体夹附物)吸入燃烧器。这种压差的主要部分是流体静力学压力差：

ΔP_h＝ρgH

其中ρ-液体密度，

g-自由落体加速度(9.81m/s2)

H-液体表面给定位置处从透水部件的上部一点(或其总体)到液体表面的高度。

更具体地讲，可以用商业上能得到的孔眼直径为10μm的金属丝网(哔叽和平纹织物)制做整个燃料源容器大小的透水多孔部件，此容器的整体尺寸约为1m。在10μm的孔眼中充以润湿多孔材料壁的一种液体燃料(煤油，汽油或乙/甲醇等)，这时这些孔中的毛细管压力，按照上述Pc的公式，应大于0.1大气压或大于1m高的水(或煤油)柱。因此，如果放置在燃料源容器中的透水部件大约1m高或长时，就会保证液体的吸入直到容器全变空。在孔眼直径与透水部件的最大整体尺寸之比在5-30×10^-6的区间内，就会得到恰当的燃料吸入量。

冷却剂供应源可以做成一个可搬动的容器或箱子，在它上面可以安装燃料供应源(也可安装氧化剂供应源)和动力供应源(例如在背负设计的情况下用于救急)。它可以是一个例如做成散热器样子的管式的笼子，以自然或强迫方式冷却。

在操作过程中，冷却剂经过管道52或54之一向吹嘴的内腔42中供应。在打开管道38和40上的第一流动控制部件56和第二流动控制部件58时，推进剂的组成部分就流进来：氧化剂，也即气体氧，通过开孔34进入混合器的内腔30；燃料，也即煤油或汽油或乙/甲醇，传送到第三流动控制部件(电动阀62)。按下起动部件62(钳位按钮)以后，来自控制单元64的电控制信号就操纵火花塞60(通过高压电缆70)和电动阀62。

在点燃火花塞后稍迟一点时间延时部件打开阀62。燃料通过开孔36进入混合器的内腔30，氧化剂和燃料相互混合，并与火花塞60作用，火花放电点燃推进剂混合物。因为氧化剂是在燃料之前进入，就排除了吹嘴中(例如吹嘴表面上)燃料积累的可能性，从而排除了切割头爆炸的可能性。换句话说，点燃的是推进剂混合物的开始部分，因而没燃烧的燃料不能进入吹嘴内腔中积累在那里。实验表明，点火发生在混合器以外，离其正面不远，在离混合器正面的某一距离处火焰的前沿达到“稳定”状态。由于混合器出口截面是最小的截面而且推进剂混合物通过此截面的速度比火焰前沿的传播速度快，火焰前沿不会进入混合器。

推进剂混合物在燃烧室24中燃烧，在喷口26中获得动能然后流出来进入环境大气中。更具体地讲，在燃烧室24中燃料(更精确的说是液滴)挥发，燃料和氧化剂组分的混合物被加热到稳定燃烧的温度，然后燃烧，也即转变成高温气态的燃烧产物，在喷口26中把此产物提高到超声速。燃烧是在压力高于环境压力的情况下进行的，这是由于两种推进剂组分本身来时是压缩的以及由于它们在燃烧室24中燃烧伴随着热的释放。不过度扩展的高温超声气体喷流与材料作用就实现了对材料的切割或加工。

在分析上和实验上已发现，对于煤油-氧气类推进剂混合物，按照本发明所述的加工来说，推荐下面的比率：

材料           v/a            Tc/Tm            α

铝             2.4-2.8        3.2-3.5        0.5-0.6

生铁           2.4-3.0        1.7-1.9        3.0-3.4

低炭钢         2.4-2.6        1.3-1.4        4.7-4.9

现在参考图3中的实施例，推进剂组分到达混合器内腔30进行混合，它们与中心主体32作用，然后通过由中心主体的仿形加工部分74和76和混合器内腔的与主体仿形部分相对的面形成混合器出口截面。然后，所产生的推进剂混合物进入燃烧室24并通过喷口从燃烧室出来。使推进剂混合物点火，在吹嘴22外面形成燃烧的火炬。借助于手动操作(转动)的驱动装置78的作用，移动中心主体32以减少混合器内腔的水力直径，因而降低了推进剂混合物的流量和其流出的速度。在混合物组分的流出速度变得比火焰前沿的传播速度小的时刻，此火炬被拉进燃烧室24中。在这以后，在驱动装置的帮助下，反向移动中心主体使燃烧室的水力直径增加而回到正常值。

现在转到图4所示的实施例，把火焰拉进燃烧室的过程是按下述方式实现的。把流动方向开关(弯角旋塞阀)88转向某一位置，使氧气通过管道38及开关88和附加入口孔82之间的管子86，并通过开孔82本身进入混合器内腔30。经过旋流器(螺旋钻)90，氧气得到了转动，因而在喷口的中心部分流出喷口的组分混合物就形成涡流。此涡流使燃烧室与环境大气勾通，由于此涡流的作用，火焰进入燃烧室。由于中心主体占据了混合器最小出口截面因而防止了火焰前沿进入混合器内腔。然后，弯角旋塞阀开关把供应混合器的氧从开孔82转到开孔34，因而，使氧绕过旋流器。装置就进入工作状态。

为了点燃图6中所示实施例中的装置，具有螺旋钻102的并插在中心主体32中的纵向通道里的可移动部件98被从中心主体下降到这样一个位置，在这个位置螺旋钻102进入混合器内腔的仿形加工部分76。这样，就建立了把转动传递给推进剂组分所需要的几何形状。然后，借助于流动控制部件56、58的作用，燃料和氧化剂进入混合器内腔，在这里它们与螺旋钻相互作用，实现了混合，并产生了旋转运动。下面的使推进剂混合物点火以及把火焰拉入燃烧室的机理与联系到图4所叙述的机理相似。

必须注意，在进入仿形加工的区域76时，螺旋钻102是这样来改变流动截面的，以使得推进剂混合物流出速度超过火焰前沿的传播速度。在火焰被拉入燃烧室以后，可移动部件98就返回中心主体32中。可移动部件的延续部分98’，与混合器的最小出口截面协同作用，又有助于混合器流出速度超过火焰前沿的穿透速度。还必须指出，在增加混合器出口处的流动截面时，推进剂组分的质量流量会增加，而且还会产生所需要的推进剂混合物流动速度。

为了在水下使用本发明的这种装置，使用了压缩气体(最简单的情况是压缩空气)，这种压缩气体形成空气泡把水排到一旁，对吹嘴进行冷却，同时也降低了由喷射效应产生的吹嘴出口的反向压力(背压)。把氧输送到燃烧器。由于供应了氧或是压缩空气给保护部件104，保护部件1的堵盖106就移开了。然后按此装置具体实施例所确定的次序对燃烧器实现点火过程。

吹嘴内腔的喷射过程是用来降低燃烧器中的工作压力，压力的降低反过来又有助于简化推进剂组分的输送和装置的点火。保护部件使水不进入内腔，从而防止盐类向燃烧室中沉淀，首先是防止盐类沉淀在输送燃料和氧化剂的开孔上。

尽管上面公开了本专利的几个实施例，但是应理解为这些实施例只是做为例子给出的，而没有限制的意思。对技术熟练的人，只要在技术上不脱离本著作的精神和范围，都可对被选用来说明本发明的优选实施例进行改动和添加。例如，可选用不同的推进剂组分，中心主体可使用不同的形状及材料。因此，必须了解，在这里所寻求的以及这里所提出的保护必须被认为应扩展到完全属于本发明范围的要求保护的主题和所有与这些要点等价的技术。

Claims (45)

1.一种使用火炬对材料进行加工的方法，它包含以下步骤：

(A)供给第一部分氧化剂组分；

(B)供给燃料组分；

(C)在推进剂混合区把该第一部分的氧化剂组分与该燃料组分混合成推进剂；

(D)在燃烧区中在提高了压力的情况下，把步骤(C)中产生的推进剂混合物燃烧；

(E)由步骤(D)生成的燃烧产物变成高温超声不过度扩展的气体喷流；

(F)控制此气体喷流的热力学参数；以及

(G)利用该气体喷流，作用在该材料上；

作用在该材料上的该体喷气流的速度(v)与该气体喷流的声速(a)的比值在区间1.1到4.8内；

该气体喷流的温度(Tc)与该材料熔点(Tm)的比值在区间1.2到4.5内；以及

其中该氧化剂相对于该燃料和该氧化剂的化学计量比的过量因子(α)在下述区间内：

                        0.44≤α≤4.9。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：对易氧化材料，参数α所在的区间为

                        3.4≤α≤4.9。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：对于不氧化材料和形成耐高温氧化物的材料，该参数α所在的区间为：

                         0.44≤α＜3.4。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：该气体喷流热力学参数的控制是通过在该混合区形成一个稀疏区，并在混合前和混合期间把涡旋运动传递给该组分来实现的，依此使组分的推进剂混合物均匀化。

5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于：在该混合区中稀疏区域的形成是通过一个放置在和/或被引入到该混合区中的旋流产生机构与该推进剂组分的相互作用来实现的。

6.按照权利要求4所述的方法，其特征在于：在该混合区中稀疏区域的形成是通过下述方式完成的：即在供给该第一部分氧化剂组分之前，在上游施加一附加部分的氧化剂组分，提供一个安置在和/或被引入到该混合区中的旋流器与该附加部分的氧化剂组分相互作用。

7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：该喷流热力学参数的控制是这样实现的：在混合过程前和过程中，把涡旋运动赋于推进剂组分，使推进剂的混合物均匀化，通过混合区表面上的有助于涡流形成的滚花或有不同牙形及螺线的螺纹使推进剂组分产生旋转。

8.一种用火炬对材料进行加工的方法，它包括以下步骤：

(A)供给第一部分氧化剂；

(B)供给燃料；

(C)把该第一部分氧化剂和该燃料混合成推进剂；

(D)在提高了压力的情况下把由步骤(C)产生的推进剂混合物燃烧；

(E)由步骤(D)产生的燃烧产物形成超声的高温的不过度扩展的气流，以及

(F)利用该气体喷流对材料进行作用。

9.按照权利要求8所述的方法，还包含有对该喷流热力学参数的控制过程，作用在该材料上的喷流速度(v)与该气流的声速(a)的比值在1.1到4.8的区间内；该喷流的温度(Tc)与该材料熔点(Tm)的比值在1.2到4.5的区间内；而该氧化剂相对于该燃料及该氧化剂的化学计量比的过量因子(α)的区间如下：

                             0.44≤α≤4.9。

10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于：该气体喷流热力学参数的控制是这样实现的：在混合过程之前和之中，使该推进剂分量产生涡旋运动，以使这种推进剂混合物均匀化。

11.按照权利要求10所述的方法，其特征在于：涡旋运动的产生是通过提供一个旋流产生机构与该推进剂组分作用而实现的。

12.按照权利要求10所述的方法，其特征在于：涡旋运动的产生是这样实现的：在供给第一部分氧化剂之前，在上游供给一附加部分的该氧化剂，然后提供旋流产生机构与该附加的氧化剂部分作用。

13.按照权利要求9所述的方法，其特征在于：该气体喷流热力学参数的控制是通过在混合前和混合中使推进剂产生涡旋运动来实现的，利用混合区表面上有助涡旋形成的滚花或者有着不同牙形和螺线的螺纹使推进剂组分产生涡旋，以实现使这种混合物的均匀化。

14.使用高能高温气体喷流对材料进行火炬加工的装置，它包括：

一个切割头，它有一个混合机构，用来把输送给该切割头的燃料和氧化剂混合成推进剂，该混合机构的第一外套具有顶部，侧壁和底壁，它们限定了一个该混合机构的基本圆筒状的内腔，该底壁上加工有一个出口；此切割头还有用于该推进剂燃烧的火炬机构，该火炬机构有一个第二外套，在此外套中限定了一个燃烧室，该燃烧室通过在该第二外套中加工的喷口与环境介质连接起来并外包着该出口，该内腔通过该出口与该燃烧室连接起来；以及切割头有对该燃烧过程产生影响的控制机构，该控制机构包含有一个轴向安装在该内腔中并密封地固定在该混合器外套顶壁的开孔中的中心主体，以便对该燃料、氧化剂和推进剂流动的热力学参数产生影响并使该气体喷流得到改善；

把该燃料输送到该切割头的机构；以及

把该氧化剂输送到该切割头的机构；

该内腔分别由该混合器外套中的第一和第二开孔与该燃料输送机构和该氧化剂输送机构连接起来，该第一开孔加工在该混合器外套的该侧壁中位于该第二开孔的下侧；

通向该内腔的第一开孔的出口处的水力直径，与处于把燃料引入该内腔那一高度上的该内腔的流动截面的水力直径之比值在0.03到0.5的区间内，这里水力直径d_h定义为d_h＝4S/P，其中S是通道的流动截面积，而P是其润湿的周长。

15.按照权利要求14所述的装置，还提供有一个控制单元和一个可控的流动控制部件，其特征在于：把该燃料输送给该切割头的机构包含有一个燃料输送管道，该可控的流动控制部件安装在该管道上以控制通过该管道的燃料输送，而该中心主体包含一个电火花塞，该控制单元包含一个启动部件和一个延时部件，该启动部件与该火花塞连在一起，以对其点火，该延迟部件与该可控的流动控制部件连在一起，以相对于该火花塞的点火时间推迟其打开过程。

16.按照权利要求15所述的装置，其特征在于：该火花塞包含一个在操作上与氧化剂供应源连在一起的空心的中心电极。

17.按照权利要求14所述的装置，其特征在于：该中心主体具有一个从该外套向外伸出的并适于外部驱动的端部，该中心主体的表面和该混合器内腔的表面是仿形加工的，以保证在由外面的驱动机构实现位移时，改变该第一开孔下游的流动截面上该内腔的水力直径。

18.按照权利要求14所述的装置，其特征在于：该中心主体包含一个适宜于沿纵向从该中心主体向外移动的可移动部件，此可移动部件的表面以及该混合器内腔表面是仿形加工的，以保证向外纵向移动时，在该第一开孔的下侧的流动截面中的内腔的水力直径的改变。

19.按照权利要求14所述的装置，其特征在于：该中心主体包含一个适宜于沿纵向从该中心主体向外移动的可移动部件，该可移动部件的表面上有产生旋流的机构，它使推进剂组分产生转动。

20.按照权利要求19所述的装置，其特征在于：该旋流产生机构包含一个螺旋钻。

21.按照权利要求14所述的装置，其特征在于：该混合器外套中加工有一个附加的氧化剂输送开孔，该附加的开孔处于该第一第二开孔的上侧，该混合器外套还包含有一个使处在该第一开孔和该附加的氧化剂输送开孔之间的氧化剂流动可转换的机构，同时，该中心主体上设置有旋流产生机构，它基本上纵向地处于该第一开孔和该附加的氧化剂输送开孔之间。

22.按照权利要求21所述的装置，其特征在于：该旋流产生机构包含一个螺旋钻。

23.按照权利要求14所述的装置，其特征在于：通过该中心主体加工有一纵向通道，它在操作上是与该氧化剂输送机构相勾通。

24.按照权利要求14所述的装置，其特征在于：该混合器内腔加工成具有变化的流动截面，最小流动截面位于其出口截面处。

25.按照权利要求24所述的装置，还包含一个安置在该最小流动截面处的透水衬垫。

26.按照权利要求14所述的装置，其特征在于：该中心主体表面上加工成有涡旋生成部件。

27.按照权利要求14所述的装置，其特征在于：在该混合器表面上，处在第一开孔截面的下侧的截面中加工有涡旋生成部件。

28.按照权利要求14所述的装置，其特征在于：在该第二外套的侧壁中设置了至少一条沟道，该沟道与冷却剂供应源有流体勾通。

29.按照权利要求28所述的装置，其特征在于：该至少一条的沟道是从该第二外套的前面打开(open from)。

30.按照权利要求28所述的装置，其特征在于：用压缩空气作为该冷却剂。

31.按照权利要求28所述的装置，其特征在于：该冷却剂供应源配置有一个热传输部件，该冷却剂从该沟道中通过该热传输部件而流出，并与该燃料和氧化剂输送机构相接触。

32.按照权利要求14所述的装置，还包含有一个保护部件，该保护部件从外部盖住该喷口开孔，此保护部件还与正压供应源相连，该正压供应源对该开孔的打开进行控制。

33.把燃料和氧化剂组分混合并点火，用它们产生高温高能气体喷流的装置，该气体喷流的作用和一个对材料进行火炬加工的工具一样，这种加工包括切割操作在内，该装置包含：

一个具有吹嘴和混合器的切割头；

一些从各自的供应源对燃料和氧化剂进行输送的管道，这些管道配置有各自的流动控制机构，该混合器包含有一个外套，它在该切割头中限定了一个第一内腔，该吹嘴在该切割头中限定了一个第二内腔，该混合器配置有几个开孔，它们把该第一内腔与该管道连接起来，该第一内腔与该第二内腔有勾通，这些开孔设置在该混合器外套中，处在相对于该推进剂组分流动的不同高度上，该燃料输送开孔位于该混合器外套侧壁中该氧化剂输送开孔的下游处，在通向该混合器内腔的第一开孔的出口高度位置上的水力直径d_h-fo与在把该燃料引入该混合器内腔的高度处的混合器内腔流动截面的水力直径d_h-mis的比值，在下述区间选取：

d_h-fo/d_h-mis＝0.03-0.5，

其中，水力直径d_h定义为d_h＝4S/P，此处S是通道的流动截面，而P是其润湿周长；

以及沿轴向固定在该混合器内腔中的中心主体，该中心主体的一端从该切割头伸出而且由外部控制，以控制该推进剂混合物流动的热力学参数。

34.按照权利要求33所述的装置，还包含一个安置在燃料容器中的透水多孔部件，它固定在与燃料容器相连的燃料管道的一端上，而小孔的直径与该透水多泡部件的最小整体尺寸之比值在5-30×10^-6的区间内。

35.按照权利要求33所述的装置，其特征在于：还提供一个控制单元和一个安装在该燃料输送管道上的可控的流动控制部件，以控制通过它输送的燃料，同时该中心主体包含一个电火花塞，而该控制单元包含有一个启动部件和一个延时部件，该启动部件与该火花塞相连以对火花塞点火，延时部件与该可控的流动控制部件相连，以相对于该火花塞点火时间推迟可控流动控制部件的打开。

36.按照权利要求35所述的装置，其特征在于：该火花塞包含一个空心的中心电极，它在操作上与氧化剂供应源相连。

37.按照权利要求33所述的装置，其特征在于：在该混合器外套中加工有一个输送该氧化剂的第三开孔，该第三开孔位于该第二开孔的上游，该混合器外套还包含有对该第二开孔和该第三开孔之间的氧化剂流动进行转换的控制机构，同时在该中心主体上设置有旋流产生机构，该机构基本上纵向地安置在该第二开孔和该第三开孔之间。

38.按照权利要求37所述的装置，其特征在于：该旋流产生机构包含一个螺旋钻。

39.按照权利要求37所述的装置，其特征在于：该转换机构包含一个弯角旋塞阀。

40.按照权利要求33所述的装置，其特征在于：该中心主体内加工有一条纵向通道，该通道在操作上与该氧化剂管道相勾通。

41.按照权利要求33所述的装置，其特征在于：该混合器内腔加工成具有变化的变流动截面，最小的流动截面在其出口截面处。

42.按照权利要求33所述的装置，其特征在于：该中心主体包含一个适宜于沿纵向从该中心主体向外移动的部件，该可移动部件的表面具有一个螺旋钻，它使推进剂组分产生转动。

43.按照权利要求33所述的装置，其特征在于：该吹嘴的侧壁中设置有沟道，该沟道与冷却剂供应源有流体勾通。

44.按照权利要求43所述的装置，其特征在于：使用压缩空气作为该冷却剂。

45.按照权利要求43所述的装置，其特征在于：该冷却剂供应源包含有输运该燃料供应源的部件。

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