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(jié)構(gòu)設(shè)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(qū)域面大、可實現(xiàn)無人操作等優(yōu)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(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，并通過流體動力學(xué)軟件測算了結(jié)構(gòu)參數(shù)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(wěn)定；當(dāng)進(jìn)口截面相同時，進(jìn)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(jié)果將有力指導(dǎo)消防水炮設(shè)計，設(shè)計方案可行。

水力自擺；消防水炮；結(jié)構(gòu)設(shè)計；射流特性

引言

消防水炮被廣泛應(yīng)用于各類火災(zāi)場所，其優(yōu)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(huán)境下操作，容易導(dǎo)致?lián)渚炔涣?，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(kuò)大水柱覆蓋區(qū)域和改變水炮炮頭的噴射方向等方式，對水炮進(jìn)行改良。目前往往通過水輪機(jī)的帶動來改變炮頭方向，然而這種自擺結(jié)構(gòu)炮頭在水平方向上擺動幅度很大，整體結(jié)構(gòu)也十分笨重，因此也無法在消防作戰(zhàn)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(xiàn)自擺，并可實現(xiàn)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(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并著重對其射流特性進(jìn)行研究。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

以閥控缸水力自動換向裝置為例，裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。水從進(jìn)水口進(jìn)入閥芯與閥體形成的空腔，之后經(jīng)過水道墊板進(jìn)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(cè)的碰撞塊緊緊壓著碰頭，以至出水口被堵住，導(dǎo)致閥芯內(nèi)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(qū)使下不斷循環(huán)往復(fù)，使活塞桿反復(fù)運動，實現(xiàn)主動換向。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流特性的影響

采用流體動力學(xué)軟件考察流道截面、進(jìn)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(jié)構(gòu)

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(chǎn)生重大影響[5]?，F(xiàn)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(wěn)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(chǎn)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(wěn)，因此射流更加穩(wěn)定。

圖2 流道截面形狀不同時的速度流線分布

2.2 進(jìn)口壓力

消防水炮也受進(jìn)口壓力的影響。圖3(a)和圖3(b)為進(jìn)口壓力不同時，消防水炮的壓力對比圖。進(jìn)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(wěn)定。由于現(xiàn)在常用的水力驅(qū)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(fā)生傾倒。當(dāng)進(jìn)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(jìn)口壓力增加，消防水炮的流道壓力也會增加，因此穩(wěn)定性減小。

圖3 進(jìn)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(chǎn)生了最為關(guān)鍵的影響，因此為減少水炮內(nèi)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(nèi)部結(jié)構(gòu)更加合理。

通過流體仿真得到出口速度圖，如圖4所示。當(dāng)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(dāng)出口速度增大時，通徑也隨之增大。然而，當(dāng)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(dǎo)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(jié)合點最佳。

圖4 通徑不同時的出口速度對比圖

3 結(jié)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(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，并研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)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(wěn)，因此射流情況也更加穩(wěn)定；從進(jìn)口壓力來看，當(dāng)進(jìn)口截面相同時，進(jìn)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(dāng)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(jié)論將有力指導(dǎo)消防水炮設(shè)計。

[1]陸菊紅, 王永福, 李瑜璋. 我國消防裝備技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略的探討[J]. 消防科學(xué)與技術(shù), 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(shè)計及流場仿真[J].機(jī)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(jié)構(gòu)設(shè)計及數(shù)值模擬研究[J]. 機(jī)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(jiān)督。