Инжекционные атмосферные газовые горелки. Принцип действия инжекторной горелки. Работа горелки низкого давления

Стандартным инструментом газосварщика является сварочная горелка, она обеспечивает специальное газосварочное пламя, нагревает и расплавляет металл. Вместе с тем такая горелка должна соответствовать некоторым техническим требованиям, например, обеспечивать бесперебойное устойчивое газосварочное пламя нужной формы, иметь специальную систему регулировки, постоянно устанавливать режим этого пламени, работать без необходимости ремонта длительное время, быть прочной, удобной и безопасной, и соответствовать всем стандартам массы таких горелок. Такие требования зачастую выполняют лишь грамотно сконструированные горелки, которые изготовлены лишь из качественных и надежных материалов.

Для изготовления сварочных горелок используется чаще всего латунь, а для того, чтобы уменьшить массу горелки используют алюминиевые сплавы. Сварочные горелки изготавливают еще и для определенных горючих газов, которые сжигаются в печи вместе с воздухом и кислородом. Для сварочной техники преимущественно используют ацетилено-кислородные горелки, они имеют различную мощность и способны сваривать сталь шириной до 30 мм. Существуют разные виды подобных горелок, некоторые из них вырабатывают большую мощность, которая обеспечивает сварку тонких сталей.

Виды

По конструкции сварочные горелки разделяют на два вида:

• инжекторные с низким давлением;
• безинжекторные с высоким давлением.

Понять к какому виду относится необходимая горелка, можно с помощью наличия инжектора для подсоса горючей смеси. Применять инжектор приходится из-за давления горючего газа, при высоком давлении горючего газа, он способен самостоятельно поступать в горелку, поэтому инжектор не обязателен. Именно поэтому безинжекторные горелки называют горелками высокого давления. В случае, когда давление не слишком велико, используется инжектор для принудительной подачи горючего газа в горелку. Они и носят название горелки низкого давления. Когда давление достигает лишь 0,5 ати, единственным средством станет горелка низкого давления.

Безинжекторные горелки

Учитывая то, что в горелках высокого давления присутствует инжектор, конструкция такого прибора намного проще, чем у горелки с низким давлением. На рисунке показана схема поступления горючей смеси в безинжекторную горелку. Она работает по следующему принципу:

1. Кислород проходит в неё через специальный шланг из резины в вентиль 1, а затем в смеситель 3.
2. В смесителе поток кислорода расходится на маленькие струи и проходит дальше в сопло смешения под номером 4. Таким же образом кислород поступает и через регулировочный вентиль 2.
3. Благодаря смесителю 3 смесь попадает в камеру смешения 5. Увеличение сечения газового потока способствует уменьшению его скорости, поэтому смесь кислорода и газа заканчивает свою циркуляцию и обеспечивает на выходе однородную горючую смесь.
4. Полученная смесь попадает на трубку наконечника 6, а далее через калиброванный канал мундштука 7, который выполнен из красной меди, выходит и тут же сгорает, что и образует горючее сварочное пламя.

Чтобы обеспечить правильное необходимое пламя, этот поток должен выходить из мундштука с точной скоростью, которая равна скорости горения смеси. Если эта скорость меньше нормы, то может произойти переход пламени из мундштука вверх горелки, что грозит взрывом горючей смеси внутри самой горелки. Если же скорость больше необходимой, пламя оторвется от мундштука, удалится от его среза и вскоре затухнет. Определить нужную скорость помогут несколько данных: состав горючей смеси, диаметр выходного канала и конструкция мундштука. Получить постоянную скорость истечения горючей смеси можно, лишь подсчитав все эти величины.

Нормальной скоростью истечения в ацетилено-кислородных горелках считается скорость 70-160 м/с. Для того, чтобы создать нормальную скорость газа на выходе, потребуется давление 0,5-0,7 атмосфер. Давление для ацетилена и кислорода почти одинаково.

Горелки высокого давления предназначены как для ацетилена, так и для метана или водорода. Данные горелки просты в использовании и конструкции, хорошо держат постоянную бесперебойную скорость истечения горючей смеси. Даже при таких плюсах безинжекторные горелки используют редко за счет того, что для них требуется ацетилен достаточного давления, которые редко встречаются на производстве.

Инжекторные горелки

На рисунке слева показано устройство инжекторной горелки. Здесь кислород попадает в вентиль 1, затем в конус инжектора 3 и камеру смешения 5. Выходит из инжектора 4 и стремительно засасывает горючий газ, далее полученная смесь кислорода и газа попадает в трубку наконечника 6 и вырывается через мундштук 7. За счет кислорода, давление становится ниже достаточного атмосферного. При этом оно должно быть беспрерывным и составлять порядка 3,5 атмосфер.

Основным минусом инжекторной горелки является непостоянный состав горючей смеси. Притом, что она способна работать на низких давлениях, её все же используют гораздо чаще, чем горелку высокого давления, ведь на производстве выгоднее работать на низком давлении и этот фактор остается решающим. А вот ацетилен высокого или достаточного давления производится еще не в таких масштабных количествах. К тому же, инжекторная горелка способна работать еще и на высоком давлении, и чем оно больше, тем эффективность её работы больше. Когда давление ацетилена довольно низкое, становятся легко заметны любые незначительные изменения состава горючей смеси из-за влияния нагрева горелки и увеличения сопротивления горючей смеси.

работа с газовой горелкой (есть русские субтитры)

Для того, чтобы работа инжекторной горелки была как можно дешевле, газосварщики постоянно используют универсальные горелки со сменными наконечниками. Такая инжекторная горелка состоит из главной и сменной части, то есть наконечника, который соединяется с помощью накидной гайки с основной постоянной частью ствола горелки. Этот ствол состоит из рукоятки, системы регулировочных вентилей, соединительных ниппелей и труб, а наконечник включает в себя смесительную камеру, трубку наконечника и мундштук.

Инжекционная газовая горелка низкого давления по принципу организации смешения газа с воздухом относится к газовым горелкам с частичным предварительным смешением.

Струя газа в горелке под давлением выходит из сопла (1) с большой скоростью и за счет своей энергии захватывает в конфузоре (2) воздух, увлекая его внутрь горелки. Смешение газа с воздухом происходит в смесителе, состоящем из конфузора (2), горловины (3) и диффузора (4). Разрежение, создаваемое инжектором, возрастает с увеличением давления газа в горелке, и при этом изменяется количество подсасываемого первичного воздуха (от 30 до 70%), необходимого для полного сгорания газа. Количество воздуха, поступающего в газовую горелку, можно изменять при помощи регулятора (6) первичного воздуха, представляющего собой шайбу, вращающуюся на резьбе. При вращении регулятора изменяется расстояние между шайбой и конфузором, и таким образом регулируется подача воздуха.

Инжекционная газовая горелка низкого давления:
1 - сопло; 2 - конфузор; 3 - горловина; 4 - диффузор; 5 - огневой насадок; 6 - регулятор первичного воздуха.

Для обеспечения полного сгорания топлива в газовой горелке часть воздуха поступает за счет разрежения в топке. Регулирование расхода вторичного воздуха производится путем изменения разрежения в топке.

Инжекционные горелки низкого давления выполняются огневыми насадками (5) разной формы.

Инжекционные газовые горелки обладают свойством саморегулирования, т.е. возможностью обеспечения постоянства соотношения между количеством поступающего в горелку газа и количеством подсасываемого ими первичного воздуха. При этом, если подача воздуха в горелку при помощи шайбы отрегулирована по цвету пламени или показанию газоанализатора на полное сгорание газа и газовая горелка работает спокойно без шума, то дальнейшее изменение ее нагрузки можно проводить, увеличивая или уменьшая только расход газа, не меняя положения воздушной шайбы.

Изменяя режим работы газовой горелки, необходимо следить за устойчивостью ее пламени, так как на характер горения газа влияют не только количество подаваемого в нее первичного воздуха, но и количество вторичного воздуха, поступающего в топку.

Инжекционная горелка среднего давления ИГК конструкции Ф.Ф.Казанцева относится к горелкам с полным предварительным смешением и устойчиво работает при давлении газа 2... 60 кПа (200... 6 000 мм вод. ст.).

Газ, поступающий в газовую горелку через газовое сопло (4), инжектирует воздух в необходимом для сжигания количестве. В смесителе (2), состоящем из конфузора, горловины и диффузора, осуществляется полное перемешивание газа с воздухом.

Инжекционная горелка ИГК среднего давления конструкции Ф. Ф. Казанцева:
1 - пластинчатый стабилизатор горения; 2 - смеситель; 3 - регулятор подачи воздуха; 4 - газовое сопло; 5 - гляделка.

В конце диффузора в газовой горелке установлен пластинчатый стабилизатор (1), который обеспечивает устойчивую работу горелок без отрыва и проскока пламени в широком диапазоне нагрузок. Стабилизатор горения состоит из тонких стальных пластин, расположенных на расстоянии примерно 1,5 мм одна от другой. Пластины стабилизатора стянуты между собой стальными стержнями, которые на пути движения газовоздушной смеси создают зону обратных токов горячих продуктов горения, за счет теплоты которых происходит непрерывное поджигание газовоздушной смеси. Фронт пламени удерживается на определенном расстоянии от устья горелки.

Регулирование подачи воздуха производится с помощью регулятора (3). На внутренней его поверхности укреплен клеем шумопоглощающий материал. В регуляторе выполнено смотровое окно — гляделка (5) для наблюдения за целостностью стабилизатора.

К недостаткам инжекционных горелок относятся:

• значительные габариты горелок по длине, особенно горелок увеличенной производительности (например, горелка ИГК-250-00 номинальной производительностью 135 м3/ч имеет длину 1 914 мм);
• высокий уровень шума у инжекционных горелок среднего давления при истечении газовой струи и инжектировании воздуха;
• зависимость поступления вторичного воздуха от разрежения в топке (для инжекционных горелок низкого давления), плохие условия смесеобразования в топке, приводящие к необходимости увеличения общего коэффициента избытка воздуха до 1,3...1,5 и даже выше для обеспечения полного сгорания топлива.

Горелки разделяются на инжекторные и безынжекторные, однопламенные и многопламенные, для газообразных горючих (ацетиленовые и др.) и жидких (пары керосина). Наибольшее применение имеют инжекторные горелки, работающие на смеси ацетилена с кислородом.

Схема и принцип работы инжекторной горелки. Горелка состоит из двух основных частей - ствола и наконечника (рис. 64). Ствол имеет кислородный 1 и ацетиленовый 16 ниппели с трубками 3 и 15 , рукоятку 2 , корпус 4 с кислородным 5 и ацетиленовым 14 вентилями. С правой стороны горелки (если смотреть по направлению течения газов) находится кислородный вентиль 5 , а с левой стороны - ацетиленовый вентиль 14 . Вентили служат для пуска, регулирования расхода и прекращения подачи газа при гашении пламени. Наконечник, состоящий из инжектора 13 , смесительной камеры 12 и мундштука 7 , присоединяется к корпусу ствола горелки накидной гайкой.

Инжектор 13 представляет собой цилиндрическую деталь с центральным каналом малого диаметра - для кислорода и периферийными, радиально расположенными каналами - для ацетилена. Инжектор ввертывается в смесительную камеру наконечника и находится в собранной горелке между смесительной камерой и газоподводящими каналами корпуса горелки. Его назначение состоит в том, чтобы кислородной струей создавать разреженное состояние и засасывать ацетилен, поступающий под давлением не ниже 0,01 кгс/см 2 . Разрежение за инжектором достигается благодаря высокой скорости (порядка 300 м/с) кислородной струи. Давление кислорода, поступающего через вентиль 5, составляет от 0,5 до 4 кгс/см 2 .

Инжекторное устройство показано на рис. 65.

В смесительной камере кислород перемешивается с ацетиленом и смесь поступает в канал мундштука. Горючая смесь, выходящая из мундштука со скоростью 100 - 140 м/с, при зажигании горит, образуя ацетилено-кислородное пламя с температурой до 3150°С.

В комплект горелки входит несколько номеров наконечников. Для каждого номера наконечника установлены размеры каналов инжектора и размеры мундштука. В соответствии с этим изменяется расход кислорода и ацетилена при сварке.

Конструкция пропан-бутан-кислородных горелок отличается от ацетилено-кислородных горелок тем, что перед мундштуком имеется устройство 10 (рис. 64) для подогрева пропан-бутан-кислородной смеси. Дополнительный нагрев необходим для повышения температуры пламени. Обычный мундштук заменяется мундштуком измененной конструкции.

Техническая характеристика инжекторных горелок. В настоящее время промышленность выпускает сварочные горелки средней мощности - "Звезда", ГС-3 и малой мощности - "Звездочка" и ГС-2. В эксплуатации находятся также горелки "Москва" и "Малютка", выпускавшиеся до 1971 г.

Горелки "Москва", "Звезда" и ГС-3 предназначены для ручной ацетиленокислородной сварки стали толщиной 0,5 - 30 мм.

В комплект горелки средней мощности входит ствол и семь наконечников, присоединяемых к стволу горелки накидной гайкой (табл. 15), Обязательный комплект включает наконечники № 3, 4 и 6, чаще всего необходимые при выполнении сварочных работ, остальные наконечники поставляются по требованию потребителя. Горелки "Звездочка", ГС-2 и "Малютка" поставляются с наконечниками № 0, 1, 2, 3. В горелках "Звезда", ГС-3, "Звездочка" мундштуки изготовляются из бронзы Бр.Х 0,5, металла более стойкого, чем медь МЗ, применявшаяся для изготовления мундштуков горелок "Москва" и "Малютка". По этой причине срок службы выпускаемых горелок повышен по сравнению с выпускавшимися ранее.

Горелки типа ГС-3 работают с рукавами диаметром 9 мм. Горелки малой мощности "Малютка", "Звездочка" и ГС-2 предназначены для сварки сталей толщиной 0,2 - 4 мм. Горелки ГС-2 работают с резиновыми рукавами диаметром 6 мм.

Для пропан-бутан-кислородной смеси промышленность выпускает горелки типов ГЗУ-2-62-I и ГЗУ-2-62-II; первая предназначена для сварки стали толщиной от 0,5 до 7 мм, вторая - для подогрева металла. Для пламенной очистки поверхности металла от ржавчины, старой краски и т. д. выпускается ацетиленокислородная горелка Г АО (горелка ацетиленовая, очистка). Ширина поверхности, обрабатываемой горелкой за один проход, составляет 100 мм.

Для закалки металла выпускаются наконечники НАЗ-58 к стволу горелки ГС-3.

Сварку и другие виды обработки металлов пропан-бутан-кислородным пламенем можно производить горелкой ГЗМ-2-62М с четырьмя наконечниками.

Нарушение работы инжекторного устройства приводит к обратным ударам пламени и снижению запаса ацетилена в горючей смеси. Запас ацетилена представляет собой увеличение его расхода при полностью открытом ацетиленовом вентиле горелки по сравнению с паспортным расходом для данного номера мундштука. Причинами этих неполадок могут быть засорение кислородного канала, чрезмерное увеличение его диаметра вследствие износа ацетиленовых каналов, смещение инжектора по отношению к смесительной камере и наружные повреждения инжектора. Для нормальной работы горелки диаметр выходного канала мундштука должен быть равен диаметру канала смесительной камеры, а диаметр канала инжектора - в 3 раза меньше.

Посадочное место инжектора отрегулировано для инжекторов, входящих в комплект горелки.

Инжекторы горелки "Москва" можно использовать в горелке "Звезда", а инжекторы горелки "Малютка" - в горелке "Звездочка".

Проверка горелки на инжекцию (разрежение) проводится каждый раз перед началом работы и при смене наконечника. Для этого с ниппеля снимается ацетиленовый рукав и открывается кислородный вентиль. В ацетиленовом ниппеле исправной горелки должен создаваться подсос, обнаруживаемый прикосновением пальца к отверстию ниппеля.

Поддержание мундштука в надлежащем состоянии обеспечивает нормальное пламя по форме и размерам (см. гл. X). Мундштуки работают в условиях высокой температуры, подвергаются механическому разрушению от брызг при сварке и требуют ухода за ними (чистка, охлаждение и т. д.). Риски, задиры, нагар на стенках отверстия выходного канала мундштука снижают скорость выхода горючей смеси и способствуют образованию хлопков и обратных ударов, искажают форму пламени. Эти недостатки устраняют подрезкой торца мундштука на 0,5 - 1 мм, калибровкой и полировкой выходного отверстия.

После каждого ремонта детали горелок обязательно обезжиривают бензином марки Б-70.

Безынжекторные горелки работают под одинаковым давлением кислорода и ацетилена, равным от 0,1 до 0,8 кгс/см 2 . Эти горелки обеспечивают более постоянный состав горючей смеси в процессе работы. Безынжекторные горелки можно питать ацетиленом, либо от баллонов, либо от генераторов среднего давления.

Специальные горелки. Для газопламенной обработки материалов иногда целесообразно применять специальные горелки. Промышленностью выпускаются горелки для нагрева металла с целью термической обработки, удаления краски, ржавчины, горелки для пайки, сварки термопластов; пламенной наплавки и др. Принципиальное устройство специальных горелок во многом аналогично горелке, используемой для сварки металлов. Отличие состоит в форме и размерах мундштуков, а также в тепловой мощности, форме и размерах пламени. Специальные горелки выпускают для любого горючего газа.

Контрольные вопросы

1. Почему для газовой сварки из горючих газов употребляют главным образом ацетилен?

2. Расскажите о классификации ацетиленовых генераторов.

3. Какую роль выполняет в горелке инжектор?

4. Какое влияние оказывает инжекторное устройство и устройство мундштука на работу горелки?

5. Какие бывают специальные горелки?

В инжекторных горелках подача горючего газа в сме­сительную камеру производится за счет подсоса его стру­ей кислорода, вытекающего с большой скоростью из от­верстия сопла. Этот процесс подсоса газа более низкого давления струей кислорода, которая подводится с более

высоким давлением, называется инжекцией. Горелки, в которых используется подобный принцип действия, на­зываются инжекторными.

Для нормальной работы инжекторных горелок требу­ется, чтобы давление ацетилена было значительно ниже, чем давление кислорода (0,001-0,12 МПа и 0,15-0,5 МПа соответственно).

На рис. 61 приведена схема устройства инжекторной горелки.

Горелка состоит из двух основных частей - ствола и наконечника. Ствол имеет кислородный ниппель 1 и аце­тиленовый ниппель 16 с трубками 3 и 15, рукоятку 2, корпус 4 с двумя вентилями - ацетиленовым 14 и кис­лородным 5.

Вентиля служат для пуска и прекращения подачи газа при гашении пламени, а также для регулировки расхода.

Наконечник горелки состоит из смесительной каме­ры 12, инжектора 13, трубки 11 с ниппелем наконечни­ка б и мундштука 7. Весь узел наконечника подсоеди­няется к корпусу ствола горелки специальной накид­ной гайкой.

Инжектор 13 (рис. 62) - это цилиндрическая деталь с центральным каналом для кислорода и периферийными радиально расположенными каналами для ацетилена. Центральный канал имеет очень маленький диаметр.

Рис. 62. Схема инжекторного устройства

Для нормальной инжекции необходим правильный вы* *

бор зазора между торцом инжектора и конусом смеси — , тельной камеры.

Разряжение за инжектором (подсасывающее ацетилен) достигается за счет высокой скорости кислородной струи (до S00 м/сек). Давление кислорода, который поступает через вентиль 5, составляет от 0,5 до 4 кгс/см2.

В смесительной камере ацетилен смешивается с кис­лородом и смесь поступает в канал мундштука. Смесь выходит из мундштука со скоростью 50-170 м/сек.

Нагрев наконечника горелки снижает инжекцию и уменьшает разряжение в камере инжекции, что умень­шает поступление ацетилена в горелку. Это, в свою оче — 1 редь, ведет к усилению окислительного действия свароч­ного пламени. Чтобы восстановить нормальный состав сва­рочного пламени, сварщик должен по мере нагревания наконечника увеличивать поступление ацетилена, откры­вая ацетиленовый вентиль.

В комплект горелки входит несколько наконечников разных номеров. Для каждого наконечника установлены размеры каналов инжектора и размеры мундштука.

Конструкция пропан-кислородных горелок отличает­ся наличием перед мундштуком устройства 10 для подо­грева пропан-кислородной смеси. Дополнительный нагрев нужен для повышения температуры пламени.

Безынжекторные горелки. В безынжйкторных горел­ках горючий газ и кислород подаются примерно под оди­наковым давлением (0,05-0,01 МПа). В горелке отсут­ствует инжектор: вместо него имеется простое смеситель­ное сопло, которое ввертывается в трубку наконечника горелки (рис. 63).

Кислород по рукаву через ниппель 4, вентиль 3 и спе­циальные дозирующие каналы поступает в смеситель го­релки. Аналогично поступает в горелку и ацетилен.

Рис. 63. Схема безынжекторной горелки

Для образования нормального сварочного пламени го­рючая смесь должна вытекать из горелки с определенной скоростью, а именно со скоростью горения. Если скорость истечения больше скорости горения, то пламя будет от­рываться от мундштука и гаснуть. Если же, наоборот, скорость истечения меньше скорости горения, то горю­чая смесь будет загораться внутри наконечника.

В связи с этим сварочные посты дополнительно обору­дуют автоматическими регуляторами, обеспечивающими равенство давлений ацетилена и кислорода.

Инжекционные горелки — горелки, в которых образование газовоздушной смеси происходит за счет энергии струи газа. Инжектор является основным элементом инжекционной горелки. С помощью инжектора доставляется воздух из окружающего пространства внутрь горелок.

Горелки могут быть полного предварительного смешения газа с воздухом или с неполной инжекцией воздуха, это разделения зависит от количества воздуха, поставляемом инжектором.

Горелки с неполной инжекцией воздуха по способу смешения газа относятся к горелкам с частичным предварительным смешением. В этом случае в зону горения поступает только часть воздуха необходимого для сгорания, оставшаяся часть добывается из окружающего пространства. Работа этих горелок возможна при низком давлении газа. Еще они носят название инжекционные горелки низкого давления. Состоят инжекционные горелки из регулятора подачи первичного воздуха, сопла, смесителя и распределительного коллектора.

Регулятор подачи первичного воздуха 1 (рис. 1) состоит из вращающегося диска или шайбы, занимается непосредственно регулированием количества поступающего в горелку первичного воздуха. Форсунка 2 необходима для превращения потенциальной энергии давления газа в кинетическую, другими словами она придает газовой струе скорость, обеспечивающую подсос воздуха. Смеситель газовой горелки состоит из трех частей: конфузора 3, горловины 4 и диффузора 5. В конфузоре при выходе газовой струи из сопла создается разрежение и подсос воздуха. Горловина 4 – самая узкая часть смесителя, в ней происходит выравнивание струи газовоздушной смеси. В диффузоре 5 происходит окончательное перемешивание газовоздушной смеси и увеличение ее давления за счет снижения скорости.

Инжекционные атмосферные газовые горелки

Рис. 1: а – низкого давления, б – горелка для чугунного котла, 1 – регулятор подачи первичного воздуха, 2 – сопло, 3 – конфузор, 4 – горловина, 5 – диффузор, 6 – распределительный коллектор, 7 – отверстия

Газовоздушная смесь из диффузора перемещается в распределительный коллектор б, распределяющий ее по отверстиям 7. Форма коллектора и расположение отверстий зависят от типа и назначения горелок.

Достоинства и недостатки инжекционных горелок

К достоинствам инжекционных горелок относятся:

• простота конструкции;
• устойчивая работа горелки при изменении нагрузок;
• надежность работы и простота обслуживания;
• отсутствие вентилятора, для его привода, воздухопроводов к горелкам;
• возможность саморегулирования, т. е. поддержания постоян ного соотношения газ-воздух.

К недостаткам инжекционных горелок относятся:

• значительные габариты горелок по длине, особенно горелок увеличенной производительности (например, горелка ИГК-250-00 номинальной производительностью 135 м3/ч имеет длину 1 914 мм);
• высокий уровень шума у инжекционных горелок среднего давления при истечении газовой струи и инжектировании воздуха;
• зависимость поступления вторичного воздуха от разрежения в топке (для инжекционных горелок низкого давления), плохие условия смесеобразования в топке, приводящие к необходимости увеличения общего коэффициента избытка воздуха доос=1,3…1,5 и даже выше для обеспечения полного сгорания топлива.

Горелки полного смешения газа с воздухом работают обычно в диапазоне давлений от 2 кПа до 6 кПа. С помощью повышенного давления газа обеспечивается инжекция необходимого для полного сгорания газа воздуха. Этот вид горелок еще называют инжекционные горелки среднего давления. Применение эти горелки нашли в основном в отопительных котлах и для обогрева промышленных печей. Тепловая мощность горелок полного смешения обычно не превышает 2 МВт. Громоздкость смесителей и борьбы с проскоком пламенем является основной помехой повышения их мощности.