Диссертация (1026094), страница 15
Текст из файла (страница 15)
На выходе потока образующие обоих типов сопеласимптотически стремятся к прямым, параллельным оси сопла. В горелкахпервого типа при входе потока в конфузор поле скоростей непараллельно осисопла. Это так называемые одноасимптотные конфузоры. Защитные струи,вытекающие из них, по своим свойствам соответствуют струям, вытекающимиз цилиндрических сопел, то есть имеют верхний предел расхода защитногогаза [4, 90].Рис. 64. Конструкция отдельных узлов сварочной горелки:I – корпус горелки; II – пакет сеток; III – конфузорное сопло горелки108Конфузорные сопла, у которых и на входе потока и на выходе из негообразующая асимптотически стремится к прямой, параллельной оси сопла,называются двухасимптотными.
Здесь струи не имеют верхнего пределарасхода и способны обеспечивать эффективную газовую защиту призаведомо больших расходах защитного газа. Это позволяет использоватьтакие горелки при сварке на открытых площадках в условиях ветра.При исследованиях, проводимых ранее, в одних случаях использовалигорелку, обладающую высокими аэродинамическими качествами проточнойчасти, благодаря чему обеспечивалась защита сварочной ванны ядром струиво всем диапазоне чисел Re, но не принимались меры для выравнивания поляскоростей и уменьшения турбулентности, существенно влияющей наустойчивость защитной струи. В других случаях, использовали горелки сместными сопротивлениями, позволяющими создавать поток защитного газасо степенью турбулентности на срезе сопла менее одного процента, но сневысокими аэродинамическим качеством проточной части [7, 105] .Оптимальными являются горелки с конфузорной проточной частью,позволяющей получить поток на срезе сопла со степенью турбулентности,стремящейся к нулю, и с однородным полем скоростей на срезе сопла.Поэтому при дуговой сварке в защитных газах на открытых площадкахнеобходимо применять только горелки с конфузорными двухасимптотнымисоплами.
Однако, до сих пор отсутствовала научная концепция, котораяопределяла принципы проектирования сварочных горелок с эффективнойзащитой зоны сварки.Из вышеизложенного становится ясно, что направление работ посозданию оборудования для сварки в условиях открытых площадок в первуюочередь должно быть направлено на разработку специализированной горелкис соплом в виде двухасимптотного конфузора, которая бы стабилизировалаформу и размеры ядра защитной струи при высоких скоростях ее истечения иобеспечивала качественную газовую защиту при сварке на ветру, а так же109автоматической системы управления скоростями истечения защитного газа взависимости от скорости сносящих потоков воздуха.Как отмечалось выше, эффективность газовой защиты зависит отмножества факторов, в том числе от динамических характеристик газовогопотока на срезе сопла. Для достижения эффективной газовой защиты,геометрическаяобеспечиватьформапроточноймаксимальночастивозможныесварочнойразмерыгорелкиядрагазовойдолжнаструизащитного газа, сопло горелки должно выравнивать неоднородность поляскоростей газового потока и уменьшать его турбулентность.Анализ течения осесимметричных струй, показал, что для достижениямаксимальной эффективности газовой защиты сопло должно иметь формуконфузора.
Указанная форма обеспечивает увеличение размеров ядра и, какследствие, повышение надежности защиты зоны сварки путем интенсивногоуменьшения турбулентности и устранения неравномерности скоростей струизащитного газа.Геометрическиеразмерывнутреннейповерхностигорелоксконфузорной проточной частью созданы в соответствии с законамиаэродинамики при конструировании форм поверхности аэродинамическихтруб. В результате изучения выравнивающих способностей отдельныхэлементов аэродинамических труб, такие как местные сопротивления(хонейкомбы, проволочные сетки, решетки), проточные части каналов(цилиндрических, конфузорных, диффузорных) и др., создали расчетныеметоды,позволяющиеконструироватьаэродинамическиетрубысоднородными эпюрами поля скоростей на срезе сопла. При этом, всескорости на срезе сопла имеют одинаковые направления и величину, астепень турбулентности на срезе сопла стремится к нулю [2, 47].Приведённый выше анализ с учетом требований газовой динамикипоказал, что для достижения эффективной газовой защиты конструкциягорелки должна иметь проточную часть, состоящую из пакета сеток и110двухасимптотного конфузорного сопла.
В указанном сопле вход и выходгазового потока осуществляется по внутренней поверхности, образующаякоторой асимптотически стремится к прямой, параллельной продольной осисопла. На свойства струй, истекающих из таких конфузорных сопел,существенное влияние оказывают степень поджатия газового потока, длинасопла и особенно профиль кривой, по которой построена образующаявнутренней поверхности конфузора [41].Степень поджатия п определяется отношением площадей входного ивыходного отверстия сопла:п = F1/F0 = 4πD21 / 4πD20 = D12/D02 ,где F1, F0 – площади входного и выходного отверстий сопла, м2;D1, D0 – диаметры тех же отверстий, м.Степень поджатия в конфузорных соплах для сварки должна изменятьсяв пределах от 2 до 4. Для широкого применения при вылетах электродаН < 2D0, в том числе и при сварке на ветру, можно рекомендовать конфузорыс п = 2,5.Построениепрофилированнойобразующейконфузораможетпроизводиться по одной из параболических функций [16, 29]:f(х) = 1/(1+х2)q, f(х) = 1/(εhх2)q, f(х) = l-х2 q ,где l – длина конфузора, м;х – текущая осевая координата, м;q – произвольный коэффициент, который во всех случаях ≥ 1.Для ряда значений q этих функций задачи полностью решены ипостроены образующие диффузоров, однако, при перевороте оси координатони превращаются в конфузоры (Рис.
65).Диффузоры построены при q = 2 и n = 1/2, n = 1/3, n = 1/4. Дляпостроения конфузоров по этим графикам входное отверстие потока следуетрасполагать в конце оси x, а выходное в её начале. В этом случае поджатиепотока в конфузоре составит n = 2; 3; 4 [29, 34, 60].111Рис. 65. Кривые образующих для диффузоров [65]Длина конфузора должна быть равна сумме двух выходных диаметров идлины цилиндрического участка на конце конфузора, который равен 0,25D0.Уменьшение длины конфузора приводит к ухудшению его характеристик, аувеличение длины не имеет противопоказаний (Рис.
66).Влияние конфузора на поток, протекающий по нему, аналогичновлиянию сетки, снижает относительную неравномерность поля скоростей засчет поджатия потока и ослабляет вращение потока, чтоуменьшает турбулентность.существенно112Рис. 66. Конструкция проточной части и вид сварочной горелкис конфузорным сопломЕсли среднюю по сечению потока скорость обозначить через Vср, аскорость в данной точке через V, то средний скоростной напор будетhср = ρVср2/2, а скоростной напор в данной точке h = ρV2/2. В таком случаеразность скоростных напоров в отдельных точках и среднего значениясоставит величину абсолютной неравномерности ∆h = h – hср, а отношениеабсолютной неравномерности поля скоростей к величине среднего напорабудет называться относительной неравномерностью поля скоростей:е = ∆h/hср .Если относительная неравномерность поля скоростей во входномсечении конфузора составит е1, а поджатие потока n, то относительнаянеравномерность поля скоростей в выходном сечении конфузора составит[90]:е0 = е1 /n2.Следовательно, относительная неравномерность в выходном сечениипропорциональна отношению относительной неравномерности во входномсечении к квадрату степени пожатия потока.113Показатель турбулентности можно характеризовать ее степенью, т.е.отношением пульсации скорости V/ к средней скорости потока Vср:ε = √(V/) 2/ Vср .Таким образом, у конфузоров со степенью поджатия от 2 до 4, степеньтурбулентности ε на выходе из сопла стремится к нулю [65].
Поэтомуприменение конфузорного сопла позволит сохранить форму и размеры ядразащитной струи при высоких скоростях ее истечения.Конфузор – одна из самых важных частей горелки, которая требуетвысокой точности при изготовлении. Внутренняя поверхность конфузорадолжна быть идеально гладкой и иметь параболическую форму. При этомнеобходимо обеспечить плавное сопряжение поверхностей по заданнымразмерам. Для проверки внутренней поверхности изготавливается шаблон.Изготавливается сопло из стали 08Х18Н10Т, 08Х18Н9Т, 12Х18Н9Т по ГОСТ5632–72 «Стали высоколегированные и сплавы коррозионно-стойкие,жаростойкие и жаропрочные.
Марки». Кромки выходного отверстия сопласледует выполнять тонкими с величиной притупления, приблизительноравной 0,5 мм и углом заточки сопла наружу, составляющем 15–18°.Кроме формы конфузора, на профиль скорости на срезе сопла и наснижение турбулентности в канальном потоке наиболее существенноевлияние оказывает сетка, устанавливаемая во входном сечении сопласварочной горелки.Разработка оптимальных сеток основана на теории выравниваниянеоднородного поля скоростей в канале [56, 60, 65, 81].
Газовый поток вканале на значительном удалении от сетки состоит из двух трубок течения сплощадью поперечного сечения σ11 и σ12, движущихся при незначительныхскоростях V11 и V12. Поэтому статическое давление P и плотность газа ρ назначительном удалении от сетки для обеих трубок течения газа одинаковы иравны между собой (Рис. 67).1141С2Рис. 67. Схема выравнивающего действия сетки на поле скоростей в канале:С – сетка, 1 – сечение перед сеткой, 2 – сечение за сеткойНа расстоянии около 2D0 поперечного сечения от сетки в каналеначинаетсяперестройкасопротивлениемтечения,сетки,чтокотороевызваноаэродинамическимхарактеризуетсябезразмернымкоэффициентом ξ:ξ =2ΔР/ ρV2ср ,где Vср – средняя скорость перетекания потока через сетку, м/с;ΔР – перепад статического давления на сетке, Па.Торможение струи на сетке приводит к уменьшению её кинетическойэнергии ρV2/2 и росту потенциальной энергии статического давления ΔР.Поэтому по мере приближения к сетке скорость V11 падает более интенсивно,чем V12, а давление ΔР1 увеличивается более интенсивно, чем ΔР2.
Избытокстатического давления ΔР1 – ΔР2 приводит к расширению трубки течения,двигающейся со скоростью V11, и уменьшению поперечного сечения трубкитечения, двигающейся со скоростью V12. Изменение геометрии струи,начавшееся на расстоянии двух диаметров трубки течения перед сеткой,заканчивается на таком же расстоянии за сеткой, где давление по сечениюканала в целом выравнивается.115Этовыравниваниескоростейсвязаносаэродинамическимсопротивлением сетки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
