多功能消防水枪设计原理

1、多功能消防水枪设计原理 弓孝菊，叶丽华，邵霞（江苏大学，江苏 镇江 212013）摘要利用使水流产生预旋的原理使直流水枪增加喷雾功能，调节预旋装置可改变雾化角，并实现 直流、喷雾功能的转换 。采用圆环缝隙出流 ，使部分水流从喷嘴四周喷出 ，形成可调节的伞形开花水流。 这一水枪集直流、喷雾、人员保护开花水流于一身，是一种可同时用于扑灭火灾、保护消防人员安全的 新型多功能消防水枪。关键词 安全工程；消防水枪；设计；直流；喷雾中图分类号TJ53+ 3文献标识码A文章编号1003188X(2004)05015303消防水枪根据喷出的不同水流，分为直流水 枪、喷雾水枪、开花水枪。本文根据消防部队提高 灭

2、火能力的要求，研制了一个具有直流、喷雾、开 花功能的消防水枪。研制的思路是：根据流体力学 的原理，参照喷灌喷头的设计理论，在直流水枪的 流道内设置使水流产生预旋的装置，使水流在离心 力作用下，将压力水流变成喷雾水流。同时在喷嘴 的收缩段开孔, 使部分水流沿管外壁进入开花调节 阀, 从喷嘴四周喷出,形成伞形开花水流，从而达到 扑灭火灾、保护消防人员安全的目的。对于中近程喷头来说，其喷管长度取（56） D 2 较合适。(2) 锥管收缩角度。锥管的作用是把水的压能 通过流道断面的收缩、最大限度地变为动能。锥管 的收缩角度大，断面收缩快，往往会产生新的涡流， 而锥角过小，则锥管长度增加很大。试验证明，

3、锥 管的收缩角度 þ =12°14°比较合适。(3) 喷管直径。通常把喷管截面积与喷嘴出口 截面积之比称为收缩程度（ n ）。根据流动观察及试 验，当收缩程度增大到 n =9 时，出口紊流程度减弱； 当 n =910 时，紊流程度几乎不变； n 再增加，紊 流程度反而加大。射程试验表明，当 n 9 时，射 程随 n 的增加而增加；过后，如果 n 再增加，喷头 射程增加很少。因此，收缩程度应取 n =89。亦即 喷管直径 D 2=(2.833.0) d 1（ d 1 为喷嘴直径）。1.3喷嘴 喷嘴的型式较多，本文选择结构简单、加工方便的圆锥形喷嘴。其主要结构参数有：

4、喷嘴直径 d、 喷嘴圆柱段长度 l 、喷嘴内腔角。喷嘴直径已定为 d=16mm，喷嘴内腔角选择与 锥管收缩角相等，可使水流在水枪内做到平顺，不 产生转折引起的水流干扰。喷嘴出口通常有一个圆柱段，目的是使水流出 口后喷嘴不致过分收缩。根据孔口出流的水流特点， 圆柱长度应在 10mm 左右。1.4直流开关在直流水枪的喷管上安 装一控制开关，通过这 个开关的开启或关闭达到控制喷射水流的大小。根 据水枪多功能设计的要求，选择球阀作为控制开关。1.5结构尺寸1直流设计在喷灌喷头的设计理论中，大中型喷头多采用直管稳流锥管过渡喷嘴出流的型式。直流水枪设计也采用这一型式，水枪相应的主要部件有接口、 喷管（直管

5、+锥管段）和喷嘴。1.1 接口及喷嘴直径根据 GB8181-87消防水枪性能要求和试验方 法中的规定，消防水枪的喷嘴直径为 13mm、16mm、19mm、22mm 等 4 个系列。本文选择直径为 16mm 的 喷嘴作为多功能水枪的喷嘴，相应选择接口尺寸为 D 1=50mm。1.2 喷管（直管、锥管段）(1) 喷管长度。喷管是指与水带接口断面至喷 嘴入口断面之间的一段联接管。实验研究表明：射 程随喷管相对长度（喷管长度与喷管内径）增加而 增加，开始射程增长率很快，继续增加喷管相对长 度时，射程增长的速度则大大减慢下来。因此，从 经济效益来看，对于远射程喷头来说，喷管长度可 以适当长一些，采用（

6、78） D 2（ D 2 为喷管内径）；收稿日期 2004-03-07水枪型式为直管稳流锥管过渡喷嘴出流，喷嘴直径为 16mm；喷嘴出口圆柱段长度 10mm；喷嘴 锥角为 14°；锥管收缩角为 14°；直管直径为 45mm， 长度为 270mm，接口尺寸为 50mm。接口与直管间设 一圆弧过渡，则相应的直流流道如图 1 所示。3直流与喷雾工况的转换3.1 出流和断流开关目前，已确定选用球阀作为水流出流、断流的 开关装置，在球阀外安装操作手柄来开闭水流，球 阀安装位置位于喷管入口之前，球阀直径选为 $ 75； 通道尺寸为 $ 45，与喷管直径相同。这样，在出流 情况下，不会对

7、水流造成干扰。3.2直流水枪与喷雾水枪的转换装置 球阀通道是一段长 61mm、直径为 45mm 的直管段。为了减小多功能消防水枪的总体长度，同时又 为了工况转换时的方便，将喷雾水枪的导流装置安 装在球阀通道内。于是，在直流水枪的基础上，实 现了喷雾水枪的设计。3.3直流、喷雾和断流 3 种状态的转换 在安装了导流装置的喷雾水枪上，反过来如何实现直流水枪，是值得研究的问题。试验中发现， 将喷雾水枪的导流装置倒转 180°，可作为直流水枪 使用。这时的水流先反向经过圆弧导流叶片，然后 进入十字形稳流器进行整流，再加上喷管的作用， 使得喷嘴出口的水流基本不存在沿圆周方向的切向 速度，从而满

8、足直流水枪对流态的要求。只是导流 装置是一个局部阻力部件，对直流 水枪的射程、流 量会产生一定的影响。于是，通过球阀手柄的操作，可以实现直流水 枪、喷雾水枪、断流 3 种状态的转换，并同时可调 节直流水枪、喷雾水枪的射程和流量。直管 锥管 喷嘴 10图 1 直流水枪流道图 2喷雾设计在直流的基础上，要进行喷雾设计，只能改变水流的内部流动结构。假设当离开喷嘴的水流不仅存在沿轴向的速度而且还存在沿圆周方向的速度， 射流离开喷嘴后就会出现较大的扩散角，在空气阻 力的作用下，射流便出现雾化，改变切向速度便可 改变其扩散角，从而改变雾化程度。为了使水枪流道内的水流出现预旋，关键是设 计一组导流叶片，使平

9、顺的水流经过导流叶片后， 出现沿圆周方向的切向速度。(1) 选择了多种导流叶片进行试验，确定选择 圆弧形导流叶片。(2) 将导流叶片的安装位置确定为喷管的入口 处，这是因为喷管长度是保证直流水枪时进行水流 流态调整所必须的一段直管段。(3) 由于在喷管入口处的水流是紊乱的， 而水 流进入导流叶片时希望也是比较平顺的，由于水枪 总体尺寸的限制，不可能在导流叶片前加一较长直 管段进行流态调整。为此，在导流叶片前加稳流器， 其作用是增加流道中横向环流的碰壁机会，使横向 环流尽快消失。对稳流器的各种形式进行对比，以 较短的直管段达到整流的目的，选择十字形结构型 式的稳流器。(4) 将稳流器和导流叶片结

10、合在一起，即在圆 弧导流叶片前加一段稳流器，单一导流片如图 2 所 示；两者结合组成导流装置，如图 3 所示。4开花水流设计人员保护伞形开花水流的作用，是在火场与消防人员之间用雾状水幕将两者隔开，用于保护消防人员的人身安全。在直流水枪的锥管上对称开 4 个出流孔（如图4 所示），在锥管外设置一个套管，套管与锥管之间 的圆环缝隙作为水流的通道，同时在喷嘴紧靠锥管 的外侧设置一个水流导向，利用套管的调节进行水 流扩散角、出流流量的调节。图 4 开花水 流出流孔（锥管） 5多功能消防水枪图 2 导流叶片图 3 导流装置 在直流水枪的喷管入口处加上设计 的导流装 置，经过试验，这一水枪可达到喷雾水枪的

11、要求。5.1整体设计多功能消防水枪的整体设计包括喷嘴、人员保- 154 - 45 16 45 261.5R60785027078398护水幕工况的调节装置、锥管、喷管、直流水枪与喷雾水枪的转换装置、与水带的连接等。5.2喷射性能测试 由于目前尚无多功能消防水枪的性能测试标 准，所以采用单一功能的水枪性能测试标准进行。(1) 多功能消防水枪喷射性能测试按 GB8181-87消防水枪性能要求和试验方法的要求 进行，如表 1 所示。表 1多功能消防水枪喷射性能测试 喷嘴口径 (mm)压力 (MPa)流量 (L/min)射程 (m)喷洒宽度 (m)雾化角 (°)直流水枪 喷雾水枪 16160

12、.350.35327.0297.031.017.07.340(2) 人员保护开花水枪的测试在直流水枪工 况时，打开人员保护开花调节装置，雾化角可调节 范围为 90°190°，水幕直径为 8m，达到有效地 对消防人员进行保护。测试结果显示，这一多功能水枪在作为单一功 能水枪使用时,满足 GB8181-87消防水枪性能要求 和试验方法的要求。参考文献1李世英. 喷灌喷头理论与设计M. 北京：兵器工业出版社，1995.罗惕乾. 流体力学M. 北京：机械工业出版社，2003.GB8181-87，消防水枪性能要求和试验方法S.23Design of a New Kind of Mul

13、ti-function Hydraulic GiantGONG Xiao-ju, YE Li-hua, SHAO Xia(School of Energy Resources and Power Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)Abstract The straight flow hydraulic giant has the function of spray by making the flow of waterpre-swirl. The spray angle can be changed and dif

14、ferent function (straight flow, spray) can be switchedthrough adjust the pre- swirl equipment. According to the water out of circular hole, the water spouting from the sides of swirl sprayer can be adjusted to get umbrella shape water flow. This new kind of multi- function hydraulic giant has the fu

15、nction of extinguishing fire and protecting fire fighter.Key words safety engineering; hydraulic giant; design; straight flow; spray（上接第152页）Design and Research of for Afforestation TurfFENG Ai-guo1 , WU Fu-ming2 , ZHANG Ru-kun1(1.Engineering and Technology College, Yunnan Agr icultural University,

16、Kunming 650201,China;2.KunmingAgricultural Mechanical Academy, Kunming 650201, China)Abstract This research analyzed the structure, main parameter, work component, work principle of the reclaimer. The structural design and test -manufacture of the conveyer was carried out at the same time. After the application and practice, the design reached the expected result and improved the productivity at the large extent. The reclaimer may be appied extensively for the plant