森林消防泵灭火体系及便携式四级消防泵研制

陈文龙， 张荣山， 仲伟兵， 黄 勇， 袁露华

(江苏林海动力机械集团有限公司，江苏 泰州 225300)

在森林消防灭火中，水是天然的灭火剂。水的比热容和汽化潜热大，在升温和汽化时可吸收大量的热量，能对燃烧物进行有效地冷却，而且水在受热蒸发时会产生大量的水蒸气占据燃烧空间，阻碍空气进入燃烧区，从而阻断燃烧。此外，水经消防泵增压后动能增加，能以更大的动能冲散燃烧物，减弱燃烧强度[1]。水泵灭火具有扑灭火线迅速、拦截火头安全高效、清理火场彻底、应用范围广泛、费用低廉等特点，早在上世纪70年代，美国，加拿大、澳大利亚等国家在森林灭火中消防泵就已广泛应用[2-3]。我国通过近三十年的发展，以水灭火为基础的森林防火灭火技术及设备研究发展迅速，已成功开发便携式消防泵、高扬程柱塞消防泵、高扬程隔膜泵、以及高压细水雾消防泵等类型森林消防泵系列产品，和以消防泵为基础的森林消防水灭火系列技术，消防泵已成为水源丰富地区森林防火的优选设备。

1 我国森林消防泵研发情况和主要应用

我国早期森林消防采用手抬机动泵，由于手抬机动泵主要是为工矿和城镇消防设计，流量较大，扬程不高，重量较重，在森林防火中运输转场极不方便，目前在森林消防设备体系中，主要用于近距离森林消防及补水设备使用。

90年代初，北京林业大学与林海集团合作研发生产BJL4和BJL5微型消防泵，最高扬程达80 m，最大流量150 L/min，整机质量约15 kg。与手抬机动消防泵相比，该系列消防泵具有重量轻、体积小便于携带等优点，适应野外火场林火扑灭环境，在我国一些林区得到推广应用，使用效果较好。

本世纪以来，林海集团等企业先后成功开发高扬程柱塞消防泵、高扬程隔膜泵、以及高压细水雾消防泵、便携式森林消防泵(型号有SFBA10/2、QB260-TB等)等类型消防泵系列产品。其中，高扬程柱塞消防泵单机扬程极高，最高扬程可达500 m，工作扬程可达300 m。该类泵型由于柱塞直接与水接触，水中杂质、磨粒极易导致柱塞磨损损坏，故使用中，柱塞泵对水质要求较高，在森林消防中通常与消防水罐车配合，使用水罐车携带的清洁水源进行林火消防扑救。

隔膜泵单机最高扬程可达500 m，工作扬程可达300～400 m，水平输送距离达3 000 m。隔膜泵工作时，由于仅隔膜与介质水接触，并且往复行程小，可应用于含有细小砂砾的水源，可使用水罐车水源或灾区附近的自然水源进行消防扑救，单台机器即可对垂直高度350 m 左右的山岭实施覆盖作业，特别适用于南方地区山体海拔低、水源丰富的区域[4]。

柱塞泵和隔膜泵设备较重，不便于林区转场搬运，目前在森林水灭火系统中，通常与消防车辆配合，用于车辆易于到达的林区进行消防作业。柱塞泵与隔膜泵同属于容积泵，受发动机性能限制，水泵容积不能过大设计，水泵最高转速低，故两种泵型均难以设计成大流量。

2010年以来，国内多家企业参照加拿大Wick250型便携式森林消防泵，开发出国产同类别森林消防产品，主要有林海集团SFBA10/2便携式森林消防泵、陕西航天动力QB260-TB型便携式消防泵等。与90年代的BJL4、BJL5微型消防泵相比，重量相当，便于携带，机动灵活，且具有更高的扬程和更大的流量，可进行单泵架设使用，也可通过并联、串联、或通过中继水池进行接力，达到更高扬程、更长距离水源输送，目前已被国内森林消防广泛应用，并在实际林火扑救中发挥了重要作用。国内典型类型消防泵性能主要技术性能对比见表1。

表1 国内典型消防泵性能对比

在实际森林火灾扑救中，由于森林火灾突发性强、地点不确定、往往无路可达、消防车辆及设备难以通过道路送达扑救现场，经常需要人力长时间、长距离地背负消防设备行进，因此，便携式森林消防泵成为森林消防水泵的优先设备。目前在国内，便携式消防泵多采用SFBA10/2等国产便携式森林消防泵，也有采用进口WICK250森林消防泵。为提高灭火效率和更好地适应林区高低落差地形，选择较高扬程和流量的水泵比较有利。WICK375是加拿大生产的高扬程森林消防泵，该泵采用4级离心泵，泵组与发动机快速安装组接分体结构形式，最大扬程可达260 m。与WICK250、SFBA10/2等森林消防泵相比，扬程高，串接数量减少，流量大，灭火效率大幅提高，且能够快速拆分人工携带转场。该泵已在国内部分森林防火地区采购，用户使用体验良好。为替代进口，弥补国内高扬程大流量便携式森林消防泵欠缺，林海集团自行研发了SFBD12/3.5便携式四级森林消防泵。

2 SFBD12/3.5四级森林消防泵的研发

SFBD12/3.5便携式四级森林消防泵开发包含消防泵动力汽油机设计开发、消防泵泵头开发、以及机组整体开发等。消防泵总体结构设计采用泵体与发动机分体结构设计，通过快速卡箍连接发动机与泵体法兰，实现快速组装；拆分后能够减轻重量便于人工携带转运，SFBD12/3.5森林消防泵结构、泵头与发动机动力快速连接结构如图1、图2所示。

图1 SFBD12/3.5森林消防泵结构图

图2 泵头与发动机动力快速连接结构图

为减轻发动机重量，缸体采用镀陶工艺，以保证耐磨性能；发动机设计减压装置，保证良好的起动性能；汽油机动力设计了手起动装置和电起动装置，方便现场起动操作和保证起动装置可靠性；电起动装置采用高性能起动电机，具有质量轻、功率大等特点，起动电机与发动机一体设计，便于现场直接发挥起动效能。

消防泵动力采用升功率较高的二冲程汽油机设计。为尽可能给消防泵泵头提供最大的功率，同时尽可能控制机组质量、以便于人工携带，汽油机主要参数设计为：缸径72 mm、排量210 CC；通过优化设计二冲程汽油机进排气扫气角度、相位、和缸头燃烧室形状等参数，汽油机最大功率达到12马力；汽油机缸体、曲轴箱体等采用铝合金材质，以减消防泵泵头采用高扬程、大流量四级离心泵结构设计，消防泵泵体采用蜗壳式结构，第一级、第二级和第三级均设计为导叶式压水室结构，末级设计成带导叶的螺旋式压水室结构，四级水泵泵头结构如图3所示；其进水口径50 mm、出水口径40 mm，最大扬程达到270 m、最大流量超过386 L/min，整机质量25 kg，可以通过串接达到更大扬程和更远距离输送。由于采用四级离心设计，水泵泵轴长，高速运转时轴跳动偏大，普通的机械密封会产生密封不可靠的现象，产生渗漏，经优化选型试验，选用弹性补偿平衡型机械密封。便携式森林消防泵主要性能参数见表2。

图3 四级水泵泵头结构

表2 SFBD12/3.5便携式森林消防泵主要性能参数

消防泵发动机动力与泵体采用分体快速组装结构，汽油机动力输出轴与高扬程水泵离心泵头联结采用弹性体联轴节传送动力，通过快速可拆卸卡箍连接动力与泵头两部分法兰，分体状态下的单体质量轻，方便人工携带进入森林火灾扑救现场，使用时可实现无工具快速组合装配。

为减轻机组整体质量，机组机架结构件采用轻质铝合金材料；为防止水泵缺水引发发动机转速超速导致发动机及水泵破坏，在汽油机动力上设计了超速保护装置，采用点火线圈的信号频率作为发动机转速反馈，通过电路逻辑控制防止发动机超速，同时可有效排除发动机转速波动，使机器运行更加平稳可靠；利用发动机磁电机加装发电线圈绕组，设计开发了电源输出和USB电源接口输出，工作时可作为照明电源、以及给其他设备提供电源输出，为救火现场提供便利。

3 SFBD12/3.5便携式四级森林消防泵的应用前景

SFBD12/3.5便携式森林消防泵采用快速连接结构，火场救灾能够快速组装；分体质量轻，便于人工林区携带；具备手起动和电起动功能，设置超速保护装置，使用方便，可靠性高；该泵采用四级离心泵结构，扬程最高、流量大，对水质要求不高，适应野外水源取水进行林火扑救，也可应用于城市高层建筑的消防灭火。国内外主要便携式消防泵性能对比见表3，与国内原有普遍使用的8马力森林消防泵相比，本消防泵扬程提高60%左右，使用效能相当于2台8马力森林消防泵串联。本消防泵采用通用接口，可以与国内现有8马力森林消防泵装备串联使用，有效减少串联台数，提高灭火效率，减轻作业强度。该消防泵的成功研发为国内森林消防替代进口设备，提供一款国产化高扬程、大流量、便携式森林消防泵，是对我国现有森林防火设备的重要补充。

表3 国内外主要便携式消防泵性能对比