水力自擺式消防水炮結構設計及射流特性

何華俊

（金華市公安消防支隊，浙江金華，321000）

水力自擺式消防水炮結構設計及射流特性

何華俊

（金華市公安消防支隊，浙江金華，321000）

水力自擺式消防水炮具有覆蓋火場區域面大、可實現無人操作等優點。以閥控缸水力自動換向裝置為例，對水力自擺式消防水炮結構進行了設計，并通過流體動力學軟件測算了結構參數對射流特性的影響。分析表明：圓形流道比方形流道的射流情況更加穩定；當進口截面相同時，進口壓力越大，射流特性越好；水炮通徑變大時，出口壓力也變大，但增量反而變小。上述分析結果將有力指導消防水炮設計，設計方案可行。

水力自擺；消防水炮；結構設計；射流特性

引言

消防水炮被廣泛應用于各類火災場所，其優點為流量大、覆蓋面廣[1,2]。然而，消防水炮一般無法在有毒、易爆場所或火勢較大的環境下操作，容易導致撲救不力，這是因為目前常用的消防水炮炮頭無法靈活改變方向。因此，需要通過擴大水柱覆蓋區域和改變水炮炮頭的噴射方向等方式，對水炮進行改良。目前往往通過水輪機的帶動來改變炮頭方向，然而這種自擺結構炮頭在水平方向上擺動幅度很大，整體結構也十分笨重，因此也無法在消防作戰中靈活運用[3,4]。

針對這一問題，最有效的解決方法為使用水力自擺式消防水炮，其在自動換向裝置的作用下實現自擺，并可實現無人操作。本文以自動換向裝置為例，對水力自擺式消防水炮進行結構設計，并著重對其射流特性進行研究。

1 結構設計

以閥控缸水力自動換向裝置為例，裝置結構如圖1所示。水從進水口進入閥芯與閥體形成的空腔，之后經過水道墊板進入水液壓缸；與此同時，水液壓缸右腔排水將活塞及活塞桿向右推動到指定位置，這時位于左側的碰撞塊緊緊壓著碰頭，以至出水口被堵住，導致閥芯內阻尼孔的水流流速和壓力損失變小。這時，水力換向閥左腔，將閥芯向右推動到水力換向閥右邊，將活塞桿向左推動。這一過程在水壓的驅使下不斷循環往復，使活塞桿反復運動，實現主動換向。

2 結構參數對射流特性的影響

采用流體動力學軟件考察流道截面、進口壓力和炮身通徑對射流特性的影響。

圖1 閥控缸水力自動換向裝置結構

2.1 流道截面

消防水炮流道截面的形狀會對其射流特性產生重大影響[5]。現分析兩種主要流道形式——圓形和方形流道的射流情況。圖2(a)和圖2(b)分別為兩者的速度流線圖。由于彎管處的能量損失變大，流場平穩性降低，所以通過彎管時的速度會有較大差異。與圓形流道相比，方形流道彎管處會產生更大的紊流；并且與方形流道相比，圓形流道在炮頭處的流速更加平穩，因此射流更加穩定。

圖2 流道截面形狀不同時的速度流線分布

2.2 進口壓力

消防水炮也受進口壓力的影響。圖3(a)和圖3(b)為進口壓力不同時，消防水炮的壓力對比圖。進口壓力越大，彎管處壓力越大，各壁面所承受的壓力也越大，消防水炮也越不穩定。由于現在常用的水力驅動自擺消防水炮后坐力普遍較大，所以在壁面壓力過大時，消防水炮可能會發生傾倒。當進口壓力增大到特定程度時，出口速度的增幅呈減小趨勢，這也說明隨著進口壓力增加，消防水炮的流道壓力也會增加，因此穩定性減小。

圖3 進口壓力不同時的壓力分布

2.3 炮身通徑

炮身的幾何形狀對消防水炮射流產生了最為關鍵的影響，因此為減少水炮內部壓力和能量損失，要通過選擇合適的消防水炮通徑尺寸，使其內部結構更加合理。

通過流體仿真得到出口速度圖，如圖4所示。當通徑從 50 mm加大到60 mm 時，出口速度也逐漸增大；但通徑從60 mm加大到 65 mm時，出口速度的增加并不明顯，這是因為在通徑較大時，流體傳動過程中的能量損失也較大，所以當出口速度增大時，通徑也隨之增大。然而，當通徑不斷增大到一定值時，其紊流程度和能量損失也變大，導致消防水炮的出口速度隨著通徑增大，增量反而變小。綜合來看，通徑為60 mm時，水炮性能和制造成本的結合點最佳。

圖4 通徑不同時的出口速度對比圖

3 結論

以閥控缸水力自動換向裝置為例，對水力自擺式消防水炮結構進行了設計，并研究了結構參數對射流特性的影響。從流道截面來看，圓形流道比方形流道的炮頭流速更加平穩，因此射流情況也更加穩定；從進口壓力來看，當進口截面相同時，進口壓力越大，射程越大，消防水炮的射流特性越好；從炮身通徑來看，當水炮的通徑變大時，其所承受的壓力也變大，并且出口速度隨著通徑的增大，增量反而變小。以上結論將有力指導消防水炮設計。

[1]陸菊紅, 王永福, 李瑜璋. 我國消防裝備技術發展戰略的探討[J]. 消防科學與技術, 2000, 11(4): 40-41.

[2]Zhong M, Fan W, Liu T M, et al. China: some key technologies and the future developments of fire safety science[J]. Safety Science, 2004, 42(7): 627-637.

[3]胡國良, 梁炬星. 水力自擺式消防水炮的設計及流場仿真[J].機床與液壓, 2010, 38(11): 45-48.

[4]Hu G L, Liang J X. Design and Jet Characteristics Study of a Liqumatic Fire Water Monitor with Self-Swinging Device[J]. Advanced Materials Research, 2010, 97-101: 2801-2805.

[5]胡國良, 高志剛. 水力自擺移動式消防水炮結構設計及數值模擬研究[J]. 機床與液壓, 2012, 40(15): 10-13.

Structure Design on Hydraulic Self-swing Fire Water Monitor and its Jet Characteristics

HE Hua-jun
(Jinhua Public Security Fire Brigade, Jinhua, Zhejiang,321000, China)

Hydraulic self-swing fire water monitor has its advantages such as large coverage of fire area and feasibility of unmanned operation. Structure design on hydraulic self-swing fire water monitor is carried out based on an example of hydraulic automatic reversing device for valve control cylinder, and the influences of structure parameters on the jet characteristics are investigated using fluid dynamics software. The analysis shows that, the jet of circular channel is more stable than that of square channel; when the inlet channel is the same, better jet characteristics can be obtained under a larger inlet pressure; the outlet pressure will be larger under a larger channel diameter, but the increment will be smaller. The above results will effectively guide the design of fire monitor.

Hydraulic Self-swing; Fire Water Monitor; Structure Design; Jet Characteristics

TU998.13

A

2095-8412 (2016) 06-1104-03

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.012

何華俊(1977-)，男，漢族，浙江義烏人，工程師。研究方向：消防監督。