УДК. 621. 791.01
Магистрант
А.Ш. Бабаханов,
ст. преп. З,Д. Эрматов, доц., к.т.н. Н.С. Дуняшин
К ВОПРОСУ РАСЧЕТА КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОПЛАМЕННЫХ
ГОРЕЛОК
В настоящее время
в большинстве развитых стран значительное место в различных отраслях
промышленности занимает газопламенная обработка материалов. Термин
“газопламенная обработка” охватывает ряд технологических процессов, связанных с
обработкой металлов и неметаллических материалов высокотемпературным газовым
пламенем. К таким процессам относятся сварка и наплавка, кислородно-флюсовая и
плазменно-дуговая резка металлов и неметаллических материалов, пайка,
поверхностная закалка, газовая и плазменная металлизация, нанесение
неметаллических покрытий, очистка поверхности, перераспределения внутренних
напряжений в металле, изменение свойств неметаллических материалов и др.
На кафедре “Машины и технология
сварочного производства” разработана программа в объектно-ориентированной
программной среде Delphi 6 по выбору типа газопламенной
горелки и определению ее основных конструктивных параметров.
Первоначально согласно предложенной
классификации выбирается тип горелки по следующим параметрам [1-3]:
1) по способу смешения горючего газа
с кислородом:
- инжекторные;
- безынжекторные – горелки
постоянного и равного давления для горючего газа и окислителя;
2) по роду применяемого горючего
газа:
- ацетиленовые;
- для
газов заменителей ацетилена (водород, метан, пропан-бутан, природный газ);
- для сжиженных газов;
3) по роду применяемого окислителя:
- кислородные;
- воздушные;
4) по числу корпусов горелки:
- однокорпусные;
- двукорпусные;
- многокорпусные;
5) по форме поверхности мундштука
горелки:
- плоские;
- цилиндрические;
- контурные;
6) по виду и количеству отверстий
для горючей смеси:
- односопловые;
- многосопловые;
- щелевые;
7) по назначению:
- универсальные;
- специализированные (для сварки,
пайки, наплавки, напыления, термообработки, правки, очистки поверхности,
обработки неметаллических материалов).
Многосопловые горелки дополнительно
классифицируются по следующим параметрам:
1) по числу рядов сопел:
- однорядные;
- многорядные;
2) по расположению сопел в ряду:
- линейные;
- кольцевые;
- контурные;
3) по расположению сопел на корпусе
горелки:
- одноторцевая;
- двуторцевая.
Исходными данными для расчета
газопламенных горелок по данной методике,
являются предельные часовые расходы горючего газа Vг,
м3/ч.
Расход кислорода Vк определяется из принятого для
сварки соотношения между объемами кислорода и горючего газа в смеси:
Vк=bVг,
где b
- оптимальное соотношение кислорода и горючего газа в смеси (для ацетилена - b=1,1; метана - 1,5; водорода - 0,4;
пропан-бутана - 3,5).
Расход горючей смеси состоит из
суммы расходов горючего газ и кислорода:
Vсм=Vг+Vк.
Расчет конструктивных параметров
инжекторных и безынжекторных горелок осуществляется в следующей
последовательности:
1) По часовому расходу горючей смеси
определяется диаметр сопла горелки, мм:
,
где Scм
– коэффициент скорости распространения пламени, представляющий собой отношение
скорости распространения пламени в смеси с кислородом к скорости
распространения пламени ацетилено-кислородной смеси при соотношении кислорода и
ацетилена b=1,1 (для
ацетилена Sсм=1;
метана – 0,4; водорода – 1,2; пропан-бутана – 0,27)
n – число сопел (для односопловых
горелок n=1, для многосопловых n
вводится пользователем, в зависимости от площади одновременно обрабатываемой
поверхности)
2) Диаметр выходного
канала мундштука dм:
.
Полученные размеры
диаметров выходного канала сопел округляются до стандартных размеров сверл.
Длина выходного
цилиндрического канала мундштука устанавливается из расчета: 
,
мм.
Рис. 1. Схема
инжекторной горелки:
1 – мундштук; 2 – трубка
наконечника; 3 – диффузор; 4 – смесительная камера; 5 – инжекторная камера; 6 –
инжектор; 7 – конфузор.
Рис. 2. Схема
безынжекторной горелки:
1 –калибровочные
дозирующие отверстия; 2 – смесительная камера; 3 - трубка наконечника; 4 –
мундштук; 5 – конфузор.
3) Угол конфузора (
)
при сохранении внешней формы и размеров мундштука сказывается в основном на
устойчивости пламени (
=12° при dc < 0,7 мм, 
=10° при dc= 0,7-1,1 мм, 
=8° при dc= 1,1 - 3,5 мм, 
=12° dc>3,5 мм [4].
Длина конфузора (lк) практически
принимается равной: 
4) Для однопламенных
горелок справедливо равенство между диаметрами цилиндрического канала
смесительной камеры и выходного канала мундштука 
, т.к. при 
увеличивается сопротивление истечению газов
из дозирующих отверстий, а при 
уменьшается скоростной напор газов в
смесительной камере и пламя может погаснуть. Для многопламенных горелок: 
.
Длина смесительной
камеры горелки: 
.
5) Оптимальная длина
диффузора: 
Диаметр выходного канала
диффузора при 
составляет: для угла 
, 
,
для 
,
и
для 
,
.
Наличие диффузора в
безынжекторной горелке не является обязательным. Вместо него достаточно иметь
небольшое коническое расширение на выходе из смесительной камеры.
6) Внутренний диаметр
трубки наконечника (dm) инжекторной горелки следует
принимать несколько больше диаметра выходного канала диффузора во избежание
удара смеси газов при входе в топку и образования местных завихрений, отрицательно
сказывающихся на инжекции (
).
Для безынжекторных горелок можно принять трубки с меньшими внутренним
диаметром, чем для инжекторной горелки.
7) Для инжекторных
горелок диаметр выходного канала инжектора (dи) можно определить из упрощенной формулы
адиабатного истечения кислорода из сопел в атмосфере с критической скоростью:
,
мм.
где Vк —
объемный расход кислорода в м3/час;
Рк —избыточное
(манометрическое) давление кислорода перед инжектором в МПа.
Интервал давлений
кислорода, соответствующий рабочему интервалу мощности наконечников горелки,
при котором достигается достаточно высокий коэффициент инжекции, сравнительно
полное использование кислорода в баллоне и обеспечивается надежная работа
газовой сети; составляет Рк=0,2—0,4 МПа.
Длина выходного
цилиндрического канала инжекторов может быть принята равной:
.
Расчет проходных сечений
каналов для производится по наибольшей мощности пламени горелки по формуле:
,
где 
— наибольшая мощность
пламени горелки в м3/час;
— максимально допустимая
скорость горючего газа в каналах горелки в м/сек.
Рис. 3. Инжектор и
входной участок смесительной камеры.
Диаметры инжекторной
камеры D3 и головки инжектора D4, определяются из
расчета 
=20
м/сек по формуле:
Один из диаметров при
этом устанавливается конструктивно (обычно D4= 8 мм).
При расчете инжектора
горелки определяются: зазор между инжектором и инжекторной камерой в конусной
части инжектора (
)
и расстояние между торцом инжектора и входным сечением канала смесительной
камеры (
).
Величина 
определяется по формуле:
,
мм
где Fг- площадь нормального
сечения между инжектором и инжекторной камерой d конусной части на
выходе у торца инжектора d мм2;
d1 — диаметр торца
инжектора в мм;
— угол конуса инжектора в
град.
Диаметр торца инжектора:
d1 = 2dи.
Угол конуса инжектора и
смесительной камеры a принимается обычно равным 90°.
Расстояние между торцом
инжектора и входным сечением канала смесительной камеры (
)
определяется по формуле
8) Для безынжекторных
горелок диаметры дозирующих отверстий dк и dг можно определить по формуле
адиабатического истечения газов из сопел:
,
где V – объемный расход газа
в м3/ч; P1 – избыточное давление
газа перед дозирующими отверстиями или входе в горелку (обычно Р1 не должно превышать
0,12МПа), МПа; Б – коэффициент (для кислорода Б=0,43; воздуха Б – 0,45;
ацетилена – 0,46; метана –0,58 водорода – 1,98, пропан-бутана – 0,335) [5].
ЛИТЕРАТУРА
1. Быков В.В.,
Файзулина Т.С. Газопламенные горелки. М.: Машиностроение, 1974. 72с.
2. Нинбург А.К.
Газопламенная обработка металлов с использованием газов-заменителей ацетилена.
М.: Машиностроение, 1976. 152 с.
3. Петров Г.П.,
Буров Н.Г. Технология и оборудование газопламенной обработки металлов. Л.:
Машиностроение, 1970. 288 с.
4. Нечаев В.Д. Методика
расчета инжекторных ацетилено-кислородных сварочных горелок. - Сварочное
производство, 1955, № 9, с. 13-16.
5. Нечаев В.Д. Методика
расчета безинжекторных горелок. - Сварочное производство, 1963, № 6, с. 31-34.
Узбекистан, г. Ташкент, Мирзо -Улугбекский район, ул.
Муминова д.9, кв. 27. Индекс 100041