水力自摆式消防水炮结构设计及射流特性

何华俊

（金华市公安消防支队，浙江金华，321000）

水力自摆式消防水炮结构设计及射流特性

何华俊

（金华市公安消防支队，浙江金华，321000）

水力自摆式消防水炮具有覆盖火场区域面大、可实现无人操作等优点。以阀控缸水力自动换向装置为例，对水力自摆式消防水炮结构进行了设计，并通过流体动力学软件测算了结构参数对射流特性的影响。分析表明：圆形流道比方形流道的射流情况更加稳定；当进口截面相同时，进口压力越大，射流特性越好；水炮通径变大时，出口压力也变大，但增量反而变小。上述分析结果将有力指导消防水炮设计，设计方案可行。

水力自摆；消防水炮；结构设计；射流特性

引言

消防水炮被广泛应用于各类火灾场所，其优点为流量大、覆盖面广[1,2]。然而，消防水炮一般无法在有毒、易爆场所或火势较大的环境下操作，容易导致扑救不力，这是因为目前常用的消防水炮炮头无法灵活改变方向。因此，需要通过扩大水柱覆盖区域和改变水炮炮头的喷射方向等方式，对水炮进行改良。目前往往通过水轮机的带动来改变炮头方向，然而这种自摆结构炮头在水平方向上摆动幅度很大，整体结构也十分笨重，因此也无法在消防作战中灵活运用[3,4]。

针对这一问题，最有效的解决方法为使用水力自摆式消防水炮，其在自动换向装置的作用下实现自摆，并可实现无人操作。本文以自动换向装置为例，对水力自摆式消防水炮进行结构设计，并着重对其射流特性进行研究。

1 结构设计

以阀控缸水力自动换向装置为例，装置结构如图1所示。水从进水口进入阀芯与阀体形成的空腔，之后经过水道垫板进入水液压缸；与此同时，水液压缸右腔排水将活塞及活塞杆向右推动到指定位置，这时位于左侧的碰撞块紧紧压着碰头，以至出水口被堵住，导致阀芯内阻尼孔的水流流速和压力损失变小。这时，水力换向阀左腔，将阀芯向右推动到水力换向阀右边，将活塞杆向左推动。这一过程在水压的驱使下不断循环往复，使活塞杆反复运动，实现主动换向。

2 结构参数对射流特性的影响

采用流体动力学软件考察流道截面、进口压力和炮身通径对射流特性的影响。

图1 阀控缸水力自动换向装置结构

2.1 流道截面

消防水炮流道截面的形状会对其射流特性产生重大影响[5]。现分析两种主要流道形式——圆形和方形流道的射流情况。图2(a)和图2(b)分别为两者的速度流线图。由于弯管处的能量损失变大，流场平稳性降低，所以通过弯管时的速度会有较大差异。与圆形流道相比，方形流道弯管处会产生更大的紊流；并且与方形流道相比，圆形流道在炮头处的流速更加平稳，因此射流更加稳定。

图2 流道截面形状不同时的速度流线分布

2.2 进口压力

消防水炮也受进口压力的影响。图3(a)和图3(b)为进口压力不同时，消防水炮的压力对比图。进口压力越大，弯管处压力越大，各壁面所承受的压力也越大，消防水炮也越不稳定。由于现在常用的水力驱动自摆消防水炮后坐力普遍较大，所以在壁面压力过大时，消防水炮可能会发生倾倒。当进口压力增大到特定程度时，出口速度的增幅呈减小趋势，这也说明随着进口压力增加，消防水炮的流道压力也会增加，因此稳定性减小。

图3 进口压力不同时的压力分布

2.3 炮身通径

炮身的几何形状对消防水炮射流产生了最为关键的影响，因此为减少水炮内部压力和能量损失，要通过选择合适的消防水炮通径尺寸，使其内部结构更加合理。

通过流体仿真得到出口速度图，如图4所示。当通径从 50 mm加大到60 mm 时，出口速度也逐渐增大；但通径从60 mm加大到 65 mm时，出口速度的增加并不明显，这是因为在通径较大时，流体传动过程中的能量损失也较大，所以当出口速度增大时，通径也随之增大。然而，当通径不断增大到一定值时，其紊流程度和能量损失也变大，导致消防水炮的出口速度随着通径增大，增量反而变小。综合来看，通径为60 mm时，水炮性能和制造成本的结合点最佳。

图4 通径不同时的出口速度对比图

3 结论

以阀控缸水力自动换向装置为例，对水力自摆式消防水炮结构进行了设计，并研究了结构参数对射流特性的影响。从流道截面来看，圆形流道比方形流道的炮头流速更加平稳，因此射流情况也更加稳定；从进口压力来看，当进口截面相同时，进口压力越大，射程越大，消防水炮的射流特性越好；从炮身通径来看，当水炮的通径变大时，其所承受的压力也变大，并且出口速度随着通径的增大，增量反而变小。以上结论将有力指导消防水炮设计。

[1]陆菊红, 王永福, 李瑜璋. 我国消防装备技术发展战略的探讨[J]. 消防科学与技术, 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]胡国良, 梁炬星. 水力自摆式消防水炮的设计及流场仿真[J].机床与液压, 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]胡国良, 高志刚. 水力自摆移动式消防水炮结构设计及数值模拟研究[J]. 机床与液压, 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

何华俊(1977-)，男，汉族，浙江义乌人，工程师。研究方向：消防监督。