RU2109211C1

RU2109211C1 - Thermocutter head

Info

Publication number: RU2109211C1
Application number: RU95119302A
Authority: RU
Inventors: В.И. Новиков; В.И. Лапицкий; С.С. Куршин; В.И. Томак; А.В. Воронецкий
Original assignee: Научно-исследовательский институт энергетического машиностроения МГТУ им.Н.Э.Баумана
Priority date: 1995-11-10
Filing date: 1995-11-10
Publication date: 1998-04-20

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: thermocutter head includes nozzle, gas generator with combustion chamber and prechamber, fuel supply line for tangential supply of fuel relative to walls of gas generator, oxidizer supply line and igniter; prechamber has three stages. Diameters of stages increase in succession towards combustion chamber. Oxidizer supply line is brought in communication with stages of larger and smaller diameters by means of passages. Fuel supply line is brought in communication with stage of average diameter; igniter is located in stage of smaller diameter, thus making it possible to use different fuels and oxidizers without readjustment of components of device. EFFECT: completeness of combustion; reduction of overall dimensions and mass. 6 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области тепловых воздействий на материал, а именно к конструкциям устройств для газоструйной резки материалов, твердых пород, древесины, кустарников и т.д. The invention relates to the field of thermal effects on the material, namely, to designs of devices for gas-jet cutting of materials, hardwood, wood, shrubs, etc.

Известна головка терморезака, содержащая сопло, газогенератор с камерой сгорания и форкамерой, тракт подвода горючего с возможностью подачи последнего тангенциально относительно стенок газогенератора, тракт подвода окислителя и воспламенитель. Наиболее существенный недостаток известного устройства - низкая степень использования горючего в процессе сгорания, поскольку для обеспечения охлаждения стенок камеры сгорания и форкамеры все горючее подается непосредственно на стенки как форкамеры, так и камеры сгорания. Такая схема организации рабочего процесса требует значительного развития площади поверхности стенок камеры сгорания, так как в противном случае резко уменьшается количество сгоревшего горючего из-за уменьшения его испарившейся доли вследствие недостаточной площади испарения. Однако на практике в большинстве случаев существуют габаритные и массовые ограничения, что приводит к тому, что из-за необходимости поддержания требуемого теплового состояния стенок камеры сгорания и из-за недостаточной при этом эффективной площади испарения часть горючего не участвует в сгорании. A known thermal cutter head containing a nozzle, a gas generator with a combustion chamber and a prechamber, a fuel supply path with the possibility of supplying the latter tangentially relative to the walls of the gas generator, an oxidizer supply path and an igniter. The most significant drawback of the known device is the low degree of fuel use in the combustion process, because to ensure cooling of the walls of the combustion chamber and the prechamber, all fuel is supplied directly to the walls of both the prechamber and the combustion chamber. This scheme of the organization of the working process requires a significant development of the surface area of the walls of the combustion chamber, since otherwise the amount of burned fuel sharply decreases due to a decrease in its vaporized fraction due to insufficient evaporation area. However, in practice, in most cases, there are overall and mass limitations, which leads to the fact that due to the need to maintain the required thermal state of the walls of the combustion chamber and due to the insufficient effective evaporation area, part of the fuel is not involved in combustion.

Целью изобретения является повышение полноты сгорания и уменьшение массы и габаритов головки терморезака. The aim of the invention is to increase the completeness of combustion and reduce the mass and dimensions of the head of the thermal cutter.

Указанная цель достигается тем, что в головке терморезака форкамера выполнена трехступенчатой, причем диаметры ступеней последовательно увеличиваются в сторону камеры сгорания, тракт подвода окислителя сообщен посредством каналов со ступенями большего и меньшего диаметров, тракт подвода горючего сообщен со ступенью среднего диаметра, а воспламенитель размещен в ступени меньшего диаметра. Подача горючего может осуществляться через форсунки, равномерно расположенные по окружности форкамеры, причем тракт подачи горючего может быть сообщен с форкамерой в зоне, расположенной около торца ступени среднего диаметра, каналы подвода окислителя в ступень большего диаметра могут быть выполнены в ее стенке и расположены равномерно по окружности под углом к оси форкамеры 45...135^o, причем каналы могут быть расположены несколькими поясами. Кроме того, между ступенями меньшего и среднего диаметра может быть выполнен буртик.This goal is achieved by the fact that the prechamber is made in three stages in the head of the thermal cutter, and the diameters of the stages are sequentially increased towards the combustion chamber, the oxidizer supply path is communicated through channels with steps of larger and smaller diameters, the fuel supply path is communicated with a medium diameter step, and the igniter is placed in the step smaller diameter. The fuel supply can be carried out through nozzles evenly spaced around the circumference of the prechamber, the fuel supply path being connected to the prechamber in the zone located near the end face of the middle-diameter stage, the oxidant supply channels to the larger diameter stage can be made in its wall and arranged uniformly around the circumference at an angle to the axis of the prechamber 45 ... 135 ^o , and the channels can be located in several zones. In addition, a flange can be made between the steps of smaller and medium diameter.

На фиг. 1 представлен продольный разрез головки терморезака; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1. In FIG. 1 shows a longitudinal section of a thermorezac head; in FIG. 2 is a section AA in FIG. one.

Головка терморезака содержит сопло 1, газогенератор с камерой сгорания 2 и форкамерой 3, тракт 4 подвода горючего с возможностью подачи последнего тангенциально относительно стенок 5 газогенератора, тракт 6 подвода окислителя и воспламенитель 7. Форкамера 3 может быть выполнена трехступенчатой, причем диаметры ступеней последовательно увеличиваются в сторону камеры 2 сгорания. Тракт 6 подвода окислителя сообщен посредством каналов 8 со ступенями 9 большего и 10 меньшего диаметров, тракт 9 подвода горючего сообщен со ступенью 11 среднего диаметра, а воспламенитель 7 размещен в ступени 10 меньшего диаметра. Форсунки 12 подачи горючего могут быть равномерно расположены по окружности форкамеры 3, причем тракт 4 подвода горючего может быть сообщен с форкамерой 3 в зоне, расположенной около торца 13 ступени 11 среднего диаметра. Каналы 8 подвода окислителя в ступень 9 большего диаметра выполнены в ее стенке и расположены равномерно по окружности под углом к оси форкамеры 45...135^o, причем каналы 8 могут быть расположены несколькими поясами. Кроме того, между ступенями 10 меньшего и 11 среднего диаметров может быть выполнен буртик 14.The thermal cutter head contains a nozzle 1, a gas generator with a combustion chamber 2 and a prechamber 3, a fuel supply path 4 with the possibility of supplying the latter tangentially with respect to the gas generator walls 5, an oxidizer supply path 6 and an igniter 7. The prechamber 3 can be made three-stage, and the diameters of the stages are sequentially increased by side of the combustion chamber 2. The oxidizer supply path 6 is communicated through channels 8 with steps 9 of larger and 10 smaller diameters, the fuel supply path 9 is communicated with a step 11 of average diameter, and the igniter 7 is placed in the step 10 of a smaller diameter. The fuel supply nozzles 12 can be evenly spaced around the circumference of the prechamber 3, wherein the fuel supply path 4 can be communicated with the prechamber 3 in the zone located near the end 13 of the stage 11 of medium diameter. The channels 8 for supplying the oxidizing agent to the step 9 of a larger diameter are made in its wall and are evenly spaced around the circumference at an angle to the axis of the prechamber 45 ... 135 ^o , and the channels 8 can be located in several zones. In addition, between the steps 10 of smaller and 11 average diameters can be made shoulder 14.

Головка терморезака работает следующим образом. Горючее из тракта 4 форсунками 12 подается непосредственно на стенку 5 ступени 11 среднего диаметра. На стенке 5 формируется жидкая пленка 15. При течении пленки 15 вдоль стенки 5 форкамеры 3 часть горючего испаряется и попадает в центральную зону 16 ступени 11 среднего диаметра. Испарившаяся часть горючего в центральной зоне 16 ступени 11 среднего диаметра смешивается с окислителем, поступающим из ступени 10 меньшего диаметра. Образовавшаяся топливная смесь воспламеняется воспламенителем 7, в качестве которого может быть использована, например, электрическая свеча. При горении топливной смеси в ступени 11 среднего диаметра на выходе из нее (на входе в ступень 9 большего диаметра) формируется поджигающий ("дежурный") факел. The head of the thermal cutter works as follows. The fuel from the tract 4 by nozzles 12 is supplied directly to the wall 5 of the stage 11 of medium diameter. A liquid film 15 is formed on the wall 5. As the film 15 flows along the wall 5 of the prechamber 3, part of the fuel evaporates and enters the central zone 16 of the stage 11 of medium diameter. The evaporated part of the fuel in the central zone 16 of the stage 11 of medium diameter is mixed with an oxidizing agent coming from the stage 10 of a smaller diameter. The resulting fuel mixture is ignited by an igniter 7, for which, for example, an electric candle can be used. When the fuel mixture is burned in a stage 11 of average diameter at the exit from it (at the entrance to the stage 9 of a larger diameter), an igniting (“standby”) torch is formed.

При истечении в ступень 9 большего диаметра пленка 15 горючего распадается на отдельные капли (аналогично тому, как это имеет место при истечении из центробежной форсунки), которые перемешиваются с окислителем, подаваемым по каналам 8. Полученная смесь поджигается в ступени 9 большего диаметра "дежурным" факелом и полностью сгорает в камере 2 сгорания. Продукты сгорания разгоняются в сопле 1 и подаются на резку. Upon expiration to the step 9 of a larger diameter, the fuel film 15 breaks up into individual droplets (similar to that which occurs when the centrifugal nozzle expires), which are mixed with the oxidizing agent supplied through channels 8. The resulting mixture is ignited in the step 9 of the larger diameter by the “on-duty” torch and completely burns in the combustion chamber 2. The combustion products are accelerated in the nozzle 1 and fed to the cutting.

В зависимости от режимов резки сопло 1 может быть выполнено как сверхзвуковым, так и дозвуковым. В силу того, что в камере 2 сгорания пленка 15 распадается на отдельные капли, эффективная площадь испарения горючего существенно возрастает, что дает возможность резко увеличить массовую скорость его испарения и реализовать в ограниченных габаритах устройства необходимую полноту сгорания. Тангенциальная подача горючего обеспечивает закрутку пленки 15 и в силу этого ее распад на более мелкие капли, что предпочтительнее с точки зрения качества протекания подготовительных процессов испарения и смешения паров горючего с окислителем. Следует также отметить, что предложенная схема подачи горючего в камеру 2 сгорания позволяет повысить эффективность смешения окислителя и горючего также и за счет взаимного расположения зон их подвода - при истечении пленки 15 в ступень 9 большего диаметра происходит смешение горючего с окислителем, поступающим по каналам 8. Расположение каналов 8 равномерно по окружности ступени 9 большего диаметра под углом 45. ..135^o обеспечивает высокую эффективность процесса смешения, что, в конечном итоге, приводит к увеличению полноты сгорания. Расположение форсунок 12 равномерно по окружности форкамеры 3 дает возможность сформировать пленку 15 на стенке 5 с постоянной толщиной и получить в результате равномерное распределение капель горючего как по размерам, так и по сечению ступени большего диаметра.Depending on the cutting conditions, the nozzle 1 can be made both supersonic and subsonic. Due to the fact that the film 15 breaks up into separate droplets in the combustion chamber 2, the effective area of fuel evaporation increases significantly, which makes it possible to sharply increase the mass rate of its evaporation and realize the required completeness of combustion in the limited dimensions of the device. The tangential supply of fuel ensures the swirling of the film 15 and, therefore, its disintegration into smaller droplets, which is preferable from the point of view of the quality of the preparatory processes of evaporation and mixing of fuel vapor with an oxidizing agent. It should also be noted that the proposed scheme for supplying fuel to the combustion chamber 2 improves the efficiency of mixing the oxidizer and fuel also due to the mutual arrangement of the zones of their supply - when the film 15 expires into the step 9 of a larger diameter, the fuel mixes with the oxidizer coming in through channels 8. The arrangement of the channels 8 uniformly around the circumference of the step 9 of a larger diameter at an angle of 45. ..135 ^o ensures high efficiency of the mixing process, which, ultimately, leads to an increase in the completeness of combustion. The location of the nozzles 12 uniformly around the circumference of the prechamber 3 makes it possible to form a film 15 on the wall 5 with a constant thickness and to obtain a uniform distribution of droplets of fuel both in size and in the cross section of a larger diameter step.

Подача горючего в ступень 11 среднего диаметра в формирующуюся за ступенью 10 меньшего диаметра застойную зону, а части окислителя для обеспечения работы "дежурного" факела в ступень 10 меньшего диаметра позволяют исключить воздействие потока окислителя на пленку 15 в процессе ее формирования и предотвратить возможные нарушения сплошности последней. The supply of fuel to the stage 11 of average diameter in the stagnant zone formed behind the stage 10 of a smaller diameter, and the oxidizer parts to ensure the operation of the “standby” torch to the stage 10 of a smaller diameter eliminate the effect of the oxidant flow on the film 15 during its formation and prevent possible discontinuities of the latter .

Размещение воспламенителя 7 в ступени 10 меньшего диаметра и подача в нее окислителя позволяют вывести воспламенитель 7 из высокотемпературной зоны, исключить непосредственное воздействие на него продуктов сгорания и обеспечить дополнительное охлаждение воспламенителя, а буртик 14 между ступенями 11 среднего и 10 меньшего диаметров исключает возможность забора горючего в зону расположения воспламенителя 7, что увеличивает срок его службы и повышает надежность работы. The placement of the igniter 7 in the step 10 of a smaller diameter and the supply of an oxidizing agent to it allow the ignitor 7 to be removed from the high temperature zone, to exclude the direct effect of combustion products on it and to provide additional cooling of the igniter, and the bead 14 between the steps 11 of the middle and 10 smaller diameters excludes the possibility of fuel intake in the location zone of the igniter 7, which increases its service life and increases reliability.

Использование двухступенчатой схемы воспламенения (электрическая свеча - "дежурный" факел) гарантирует надежное воспламенение и сжигание топливной смеси в широком диапазоне изменения расходов горючего и окислителя и их начальной температуры. Следует также отметить и то, что такая схема воспламенения практически нечувствительна к физико-химическим свойствам горючего и окислителя, что позволяет использовать различные виды горючих (керосин, бензин, сжиженный газ и т.д.) и окислителя (воздух, кислород) без какой-либо перенастройки или переделки устройства. The use of a two-stage ignition scheme (electric candle - “standby” torch) guarantees reliable ignition and combustion of the fuel mixture in a wide range of changes in the consumption of fuel and oxidizer and their initial temperature. It should also be noted that this ignition scheme is practically insensitive to the physicochemical properties of fuel and oxidizer, which allows the use of various types of fuel (kerosene, gasoline, liquefied gas, etc.) and an oxidizer (air, oxygen) without any or reconfiguration or alteration of the device.

Вопросы, связанные с обеспечением охлаждения всех элементов устройства, находящихся под воздействием высокой температуры, здесь не отражены, поскольку для их решения могут быть привлечены любые широко известные в технике методы, в частности: использование камеры сгорания, выполнение элементов устройства из тугоплавких и композитных материалов и т.д. The issues related to ensuring the cooling of all elements of the device under the influence of high temperature are not reflected here, since any methods widely known in the art can be used to solve them, in particular: using a combustion chamber, making device elements from refractory and composite materials, and etc.

Реализация изобретения позволит получить высокоэффективное устройство для резки материалов, способное надежно работать на различных видах топливных композиций. The implementation of the invention will provide a highly efficient device for cutting materials, capable of reliable operation on various types of fuel compositions.

Claims

1. The head of a thermal cutter containing a nozzle, a gas generator with a combustion chamber and a pre-chamber, a fuel supply path with the possibility of supplying the latter tangentially relative to the walls of the gas generator, an oxidizer supply path and an igniter, characterized in that the pre-chamber is made of three stages, and the diameters of the stages are sequentially increased towards the combustion chamber , the oxidizer supply path is communicated through channels with steps of larger and smaller diameters, the fuel supply path is communicated with a step of medium diameter , and the igniter is placed in a step of smaller diameter.

2. The head according to claim 1, characterized in that the fuel nozzles are evenly spaced around the circumference of the prechamber.

3. The head according to claims 1 and 2, characterized in that the fuel supply path is in communication with the prechamber in the zone located near the end of the middle-diameter stage.

4. The head according to claim 1, characterized in that the channels for supplying the oxidizing agent to the step of a larger diameter are made in the wall and are evenly spaced along the circumference in the corners to the axis of the prechamber 45 - 135 ^o .

5. The head according to claims 1 and 4, characterized in that the channels for supplying the oxidizing agent to the step of a larger diameter are located in several zones.

6. The head according to claim 5, characterized in that a flange is made between the steps of smaller and medium diameters.