消防炮主要結(jié)構(gòu)簡析與主要設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算

邵大財(cái)，張志榜，張世鳳

(南京消防器材股份有限公司，江蘇南京 211112)

0 概述

消防炮按噴射介質(zhì)可分為三種類型:1)消防水炮;2)消防空氣泡沫炮;3)消防干粉炮。其中消防水炮以水作介質(zhì)、射程遠(yuǎn)、對環(huán)竟無污染，是遠(yuǎn)距離撲救一般固體物質(zhì)強(qiáng)有力的消防裝備。消防水炮的撲救場所非常廣泛，滅火救援作用十分顯著。

消防滅火救援中應(yīng)將流量大、射程遠(yuǎn)的消防炮作為一種重要的滅火裝備，由于它的這種性能對消防人員實(shí)施消防救援具有保護(hù)意義，所以流量大、射程遠(yuǎn)的消防炮是消防產(chǎn)品中有巨大開發(fā)潛力的消防裝備。

1 消防炮的結(jié)構(gòu)

消防炮通常由三部分組成如圖1。水平回轉(zhuǎn)角度、俯仰角度是對消防炮操作的2個基本要求，其操作的靈活性和可靠性與操作部件有關(guān)。壓力、流量、射程則是消防炮的3個基本性能參數(shù)，其中射程對消防炮的滅火性能起著十分重要的作用，也是衡量消防炮性能的關(guān)鍵參數(shù)。

圖1 消防炮的結(jié)構(gòu)

1.1 炮座部件

為了使消防炮具有水平回轉(zhuǎn)、附仰回轉(zhuǎn)的功能，通常消防炮的炮管制成“S”或“U”型，一般炮管材料則選用輸送流體用無縫鋼管與彎頭焊接而成，也有采用鑄造的。炮管的粗糙度，水平回轉(zhuǎn)、俯仰回轉(zhuǎn)與炮管連接處端面的縫隙，直接影響消防炮的射程。

a)壓力表的設(shè)置

消防炮壓力表接口應(yīng)設(shè)置在消防炮的進(jìn)水口處如圖1，其作用是消防炮在作噴射性能試驗(yàn)時，便于測量進(jìn)水口壓力或直接配備帶有壓力表的消防炮供用戶選用。目前市場上的消防炮一般都沒有配壓力表，也沒有設(shè)置壓力表接口，這不便于工程安裝后的驗(yàn)收試驗(yàn)。有的消防炮雖然配有壓力表，但壓力表設(shè)置的位置不恰當(dāng)，將壓力表設(shè)置在U型彎管的內(nèi)側(cè)。根據(jù)GB19156-2003《消防炮通用技術(shù)條件》中水炮性能參數(shù)表里規(guī)定的流量、壓力以及要達(dá)到的射程，其中的壓力是指消防炮進(jìn)口處的壓力。顯然消防炮進(jìn)口處壓力與消防炮U型彎管處壓力是不同的，這是因?yàn)橛袎核谙琅趦?nèi)流動其壓力降是很大的，不可忽略。所以壓力表位置不可隨便設(shè)置。

b)炮座的管徑與流量和流速的關(guān)系

消防炮的管徑是根據(jù)流量Q及流速V兩者來決定的。在流量Q一定的條件下，管徑隨著所選擇流度V的大小而不同，流速大，則管徑小，炮的體積就會小，炮的造價低。但流速大，會導(dǎo)致水頭損失較大，炮的射程會小一點(diǎn)。相反，流速小，管徑大，炮的體積就會大，炮的造價高。但是炮管內(nèi)液體流速的降低會減少水頭損失，從而可以增加炮的射程。

所以在確定消防炮管徑時，應(yīng)作經(jīng)濟(jì)比較。采用一定的流速既能滿足一定的噴射性能又能使消防炮的制造總成本較低，這種流速稱為經(jīng)濟(jì)流速，一般為10 m/s～15 m/s。

c)炮座管徑的計(jì)算

式中:D-炮管內(nèi)徑(m);

Q-消防炮的額定流量(m3/s);

V-流速(m/s)。

d)水流通過消防炮其能量的變化［1］

根據(jù)伯努利方程:

式中:P-壓強(qiáng)水頭;

V2/2g-流速水頭;

h-位置水頭;

HL-磨察損失。

P+V2/2g+h為單位質(zhì)量液體具有的機(jī)械能;也稱為總水頭。

上式表示理想液體做恒定流動時，沿同一流線，單位質(zhì)量液體的機(jī)械能守恒。水流經(jīng)過消防炮噴射出去其水流的總水頭除因管子的磨察阻力產(chǎn)生熱能而損失掉其余應(yīng)轉(zhuǎn)變成動能。磨察阻力的大小主要與流速和管道內(nèi)表面的光滑度有關(guān)，而流速的大小與管徑有關(guān)，可見管徑和管道內(nèi)表面的光滑度決定磨察阻的大小，是影響消防炮射程的主要因數(shù)之一。

1.2噴射部件

噴射部件的組成如圖2。噴射部件是消防炮的關(guān)鍵部件，其導(dǎo)流器、穩(wěn)流管、噴嘴的設(shè)計(jì)將極大地影響消防炮的滅火性能。

圖2 噴射頭

a)導(dǎo)流器

由于有壓水流從輸送管道進(jìn)入炮管流速急劇增加，一般從5 m/s以下急速升到10 m/s～15 m/s，(在供水管中鑄鐵管內(nèi)的流速一般為3 m/s以下，鋼管內(nèi)的流速一般為5 m/s以下。)而消防炮噴嘴口的流速可達(dá)30～50 m/s。又因?yàn)椋瑸榱耸瓜琅诰哂兴交剞D(zhuǎn)、附仰回轉(zhuǎn)的功能，通常消防炮的炮管制成“S”或“U”型，這就使流進(jìn)炮體內(nèi)水流的流態(tài)變得非常紊亂(產(chǎn)生旋渦和軸向旋轉(zhuǎn)等)。因此就需要在流體進(jìn)入噴嘴前進(jìn)行整流，即在噴嘴前的穩(wěn)流管內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流器。這是一個影響消防炮射程最為關(guān)鍵的因數(shù)。

通常三凌型導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)較合理如圖2，水流被分割得均勻?qū)ΨQ，而且對水流通過時的阻力較小。導(dǎo)流器的長度也是關(guān)鍵的一個參數(shù)，不易過長也不能太短。只有長度適中時，才能獲得最佳射程。

b)噴嘴

1)噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與作用

噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是由錐管、錐管兩端的過渡圓弧及噴嘴直段出口所組成的一個整體，噴嘴體呈流線型如圖3。在噴嘴的出口處設(shè)有凹形沉孔，其作用是防止噴嘴出口磕碰而影響噴射性能。在加工工藝方面，噴嘴采用鍛造、車加工，等方法制成。噴嘴與穩(wěn)流管的連接采用焊接，與螺紋連接的噴嘴相比，該噴嘴設(shè)計(jì)合理，工藝先進(jìn)，生產(chǎn)效率高、成本低、外形美觀，水流阻力小等優(yōu)點(diǎn)。

噴嘴的作用主要有二個:一是確定消防炮的額定流量;二是將水的壓能全部轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽埽a(chǎn)生射流，形成密實(shí)的水柱噴射出去達(dá)到滅火的目的。

圖3 噴嘴

2)噴嘴出口的內(nèi)徑計(jì)算［2］

式中:Q-消防炮的額定流量(L/s);

d-消防炮噴嘴出口的內(nèi)徑(mm);

P-消防炮的額定公作壓力(MPa)。

3)消防炮噴嘴的錐度

消防炮噴嘴錐度一般由試驗(yàn)獲得，其經(jīng)驗(yàn)值為13.5°。

2 操作部件

操作部件的組成如圖4。該傳動機(jī)構(gòu)具有自鎖的功能，即用手輪操縱消防炮的水平回轉(zhuǎn)和俯仰回轉(zhuǎn)至目標(biāo)位置后，消防炮的回轉(zhuǎn)部位不須要另外增設(shè)鎖緊機(jī)構(gòu)就可自鎖，炮身不會因水柱的反力而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。采用該操作機(jī)構(gòu)時還應(yīng)考慮水平回轉(zhuǎn)手輪操縱的靈活性，由于消防炮在工作時水平回轉(zhuǎn)座不僅要承受消防炮自身的質(zhì)量，而且還要承受噴射水柱的反力。因此要在水平回轉(zhuǎn)座內(nèi)設(shè)置軸承，如圖1中的左視圖，這有利于提高消防炮的操縱性能和可靠性能。

3 結(jié)論

在消防炮的設(shè)計(jì)中，炮座管內(nèi)徑和噴嘴內(nèi)徑是兩個最基本，也是最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)要數(shù)，它不僅要通過計(jì)算，還要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)、調(diào)整，才能確定。而炮管內(nèi)壁包括穩(wěn)流管及噴嘴內(nèi)壁的光滑度不能忽視，只要選擇合適的表面處理，就可獲得。導(dǎo)流器設(shè)置是必須的，只有獲得均勻順直的水流，才能獲得理想的噴射效果。

圖4 操作部件

［1］張維佳.水力學(xué)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［2］劉德民.WSTSKP型數(shù)空消防炮的結(jié)構(gòu)分析與數(shù)值摸擬［EB/OL］.中國科技論文在線http://www.paper.edu.cn2006-11.