消防炮主要結構簡析與主要設計參數計算

邵大財，張志榜，張世鳳

(南京消防器材股份有限公司，江蘇南京 211112)

0 概述

消防炮按噴射介質可分為三種類型:1)消防水炮;2)消防空氣泡沫炮;3)消防干粉炮。其中消防水炮以水作介質、射程遠、對環竟無污染，是遠距離撲救一般固體物質強有力的消防裝備。消防水炮的撲救場所非常廣泛，滅火救援作用十分顯著。

消防滅火救援中應將流量大、射程遠的消防炮作為一種重要的滅火裝備，由于它的這種性能對消防人員實施消防救援具有保護意義，所以流量大、射程遠的消防炮是消防產品中有巨大開發潛力的消防裝備。

1 消防炮的結構

消防炮通常由三部分組成如圖1。水平回轉角度、俯仰角度是對消防炮操作的2個基本要求，其操作的靈活性和可靠性與操作部件有關。壓力、流量、射程則是消防炮的3個基本性能參數，其中射程對消防炮的滅火性能起著十分重要的作用，也是衡量消防炮性能的關鍵參數。

圖1 消防炮的結構

1.1 炮座部件

為了使消防炮具有水平回轉、附仰回轉的功能，通常消防炮的炮管制成“S”或“U”型，一般炮管材料則選用輸送流體用無縫鋼管與彎頭焊接而成，也有采用鑄造的。炮管的粗糙度，水平回轉、俯仰回轉與炮管連接處端面的縫隙，直接影響消防炮的射程。

a)壓力表的設置

消防炮壓力表接口應設置在消防炮的進水口處如圖1，其作用是消防炮在作噴射性能試驗時，便于測量進水口壓力或直接配備帶有壓力表的消防炮供用戶選用。目前市場上的消防炮一般都沒有配壓力表，也沒有設置壓力表接口，這不便于工程安裝后的驗收試驗。有的消防炮雖然配有壓力表，但壓力表設置的位置不恰當，將壓力表設置在U型彎管的內側。根據GB19156-2003《消防炮通用技術條件》中水炮性能參數表里規定的流量、壓力以及要達到的射程，其中的壓力是指消防炮進口處的壓力。顯然消防炮進口處壓力與消防炮U型彎管處壓力是不同的，這是因為有壓水在消防炮內流動其壓力降是很大的，不可忽略。所以壓力表位置不可隨便設置。

b)炮座的管徑與流量和流速的關系

消防炮的管徑是根據流量Q及流速V兩者來決定的。在流量Q一定的條件下，管徑隨著所選擇流度V的大小而不同，流速大，則管徑小，炮的體積就會小，炮的造價低。但流速大，會導致水頭損失較大，炮的射程會小一點。相反，流速小，管徑大，炮的體積就會大，炮的造價高。但是炮管內液體流速的降低會減少水頭損失，從而可以增加炮的射程。

所以在確定消防炮管徑時，應作經濟比較。采用一定的流速既能滿足一定的噴射性能又能使消防炮的制造總成本較低，這種流速稱為經濟流速，一般為10 m/s～15 m/s。

c)炮座管徑的計算

式中:D-炮管內徑(m);

Q-消防炮的額定流量(m3/s);

V-流速(m/s)。

d)水流通過消防炮其能量的變化［1］

根據伯努利方程:

式中:P-壓強水頭;

V2/2g-流速水頭;

h-位置水頭;

HL-磨察損失。

P+V2/2g+h為單位質量液體具有的機械能;也稱為總水頭。

上式表示理想液體做恒定流動時，沿同一流線，單位質量液體的機械能守恒。水流經過消防炮噴射出去其水流的總水頭除因管子的磨察阻力產生熱能而損失掉其余應轉變成動能。磨察阻力的大小主要與流速和管道內表面的光滑度有關，而流速的大小與管徑有關，可見管徑和管道內表面的光滑度決定磨察阻的大小，是影響消防炮射程的主要因數之一。

1.2噴射部件

噴射部件的組成如圖2。噴射部件是消防炮的關鍵部件，其導流器、穩流管、噴嘴的設計將極大地影響消防炮的滅火性能。

圖2 噴射頭

a)導流器

由于有壓水流從輸送管道進入炮管流速急劇增加，一般從5 m/s以下急速升到10 m/s～15 m/s，(在供水管中鑄鐵管內的流速一般為3 m/s以下，鋼管內的流速一般為5 m/s以下。)而消防炮噴嘴口的流速可達30～50 m/s。又因為，為了使消防炮具有水平回轉、附仰回轉的功能，通常消防炮的炮管制成“S”或“U”型，這就使流進炮體內水流的流態變得非常紊亂(產生旋渦和軸向旋轉等)。因此就需要在流體進入噴嘴前進行整流，即在噴嘴前的穩流管內設置導流器。這是一個影響消防炮射程最為關鍵的因數。

通常三凌型導流器的結構較合理如圖2，水流被分割得均勻對稱，而且對水流通過時的阻力較小。導流器的長度也是關鍵的一個參數，不易過長也不能太短。只有長度適中時，才能獲得最佳射程。

b)噴嘴

1)噴嘴的結構設計與作用

噴嘴的結構設計是由錐管、錐管兩端的過渡圓弧及噴嘴直段出口所組成的一個整體，噴嘴體呈流線型如圖3。在噴嘴的出口處設有凹形沉孔，其作用是防止噴嘴出口磕碰而影響噴射性能。在加工工藝方面，噴嘴采用鍛造、車加工，等方法制成。噴嘴與穩流管的連接采用焊接，與螺紋連接的噴嘴相比，該噴嘴設計合理，工藝先進，生產效率高、成本低、外形美觀，水流阻力小等優點。

噴嘴的作用主要有二個:一是確定消防炮的額定流量;二是將水的壓能全部轉變為動能，產生射流，形成密實的水柱噴射出去達到滅火的目的。

圖3 噴嘴

2)噴嘴出口的內徑計算［2］

式中:Q-消防炮的額定流量(L/s);

d-消防炮噴嘴出口的內徑(mm);

P-消防炮的額定公作壓力(MPa)。

3)消防炮噴嘴的錐度

消防炮噴嘴錐度一般由試驗獲得，其經驗值為13.5°。

2 操作部件

操作部件的組成如圖4。該傳動機構具有自鎖的功能，即用手輪操縱消防炮的水平回轉和俯仰回轉至目標位置后，消防炮的回轉部位不須要另外增設鎖緊機構就可自鎖，炮身不會因水柱的反力而發生偏轉。采用該操作機構時還應考慮水平回轉手輪操縱的靈活性，由于消防炮在工作時水平回轉座不僅要承受消防炮自身的質量，而且還要承受噴射水柱的反力。因此要在水平回轉座內設置軸承，如圖1中的左視圖，這有利于提高消防炮的操縱性能和可靠性能。

3 結論

在消防炮的設計中，炮座管內徑和噴嘴內徑是兩個最基本，也是最關鍵的設計要數，它不僅要通過計算，還要經過實驗、調整，才能確定。而炮管內壁包括穩流管及噴嘴內壁的光滑度不能忽視，只要選擇合適的表面處理，就可獲得。導流器設置是必須的，只有獲得均勻順直的水流，才能獲得理想的噴射效果。

圖4 操作部件

［1］張維佳.水力學［M］.北京:中國建筑工業出版社，2008.

［2］劉德民.WSTSKP型數空消防炮的結構分析與數值摸擬［EB/OL］.中國科技論文在線http://www.paper.edu.cn2006-11.