CN104784856B - 一种消防炮头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消防炮头，属于消防水炮技术领域，包括锥形节、直管段；所述直管段内部设有高通低阻格栅式整流器，直管段一端焊接有底端法兰，底端法兰和与炮座S弯上的法兰通过螺栓9配对连接，直管段另一端通过连接管连接锥形节的一端，所述锥形节的另一端设有加厚炮口；本发明的设计中采用聚水性能更高的炮头收缩角设计，优化后更加合理的喷嘴口径与炮管锥度、长度的结构匹配关系；此外，新型设计的高通低阻格栅式整流器，在炮管内表面设计并加工有能使水炮射流介质生成轴向漩涡的螺旋式膛线，以及能最大发挥聚水效果、且具有加工经济性的炮头零件内表面质量技术要求。

Description

一种消防炮头

技术领域

本发明涉及消防水炮技术领域，特别涉及一种大射程、高聚水的消防炮头设计，主要应用于大型海上消防船、海巡船、仓库与码头，以及石油储罐区、机场与高铁站等大空间建筑与大型消防场所里面的大型消防炮头。

背景技术

随着国民经济的快速发展，各种大型展览馆、体育馆、大型商场、高铁站、客运大厅等公众聚集性建筑物急剧增加；大型仓库、大规格码头、石油储罐区、大型厂房等大空间建筑物不断涌现；在海运业蒸蒸日上的同时，消防形势变得日趋严峻；海盗现象依然存在，海洋资源的争夺也近乎白热化，各国海巡船之间互射水炮现象时有发生。当发生火灾或危险时，由于火灾特性与普通建筑明显不同，存在火势蔓延快、人员疏散困难、火灾扑救难度大等特点，普通建筑中所普遍采用的火灾探测器与自动喷水灭火系统远不能满足新形势下的灭火及特殊要求。如果能使用大射程与高聚水相结合的新型消防水炮，并采用火灾自动定位系统与消防炮无缝结合，则完全可以在保证消防设施及人员安全的前提条件下，实现上述情形以及各种易燃易爆特殊场合的主动式远程高效定点扑救。

消防炮能将一定流量与压力的由水、泡沫混合液或干粉等组成的灭火剂从其炮头以射流形式高速喷出，迅速地将势能(压力能)转化为动能，从而扑灭一定距离以外的火灾。无论是陆用或船用消防炮，其安装形式可分为移动式和固定式两种，操作形式可分为手动和遥控两种。消防炮由炮头和炮座两部分组成，炮座实现水平回转与俯仰动作，炮头是实现能量转换的核心部件，从炮头出口喷射出的流体射程、聚水程度等与炮头的结构设计以及性能参数等息息相关。

消防炮头属于局部射流，一般要求射出去的液体能够相对集中地喷射到被保护物上，理想的情形是射流液柱具有最小的发散角度、最大的直线度以及最远的射程(或最高的扬程)，在快到达需要保护的目标物时迅速地发散成液滴云或雾化。由于射流破碎与不稳定现象的客观存在，以及受到消防系统最大流量与最大扬程的限制，所以传统炮头在设计时更多关注最大射程、射流的散落段及其雾化能力，以便优先满足大面积消防灭火的需要，对于射流的集中度即聚水程度问题则不能同时兼顾。近几年，随着技术进步，消防炮系统尤其是动力分系统的技术水平稳步提升，主泵性能参数也大为增强，已经能够满足大射程、高聚水消防炮的设计基础条件；但由于长期以来对消防炮聚水性能研究的不够重视，造成在该领域理论研究、设计准则与经验以及试验数据等方面的严重不足；另一方面，先进的监控手段日新月异，已经完全可以通过将监控系统与大射程高聚水的高性能消防水炮进行联锁实现早期预警，达到发现即启动的快速反应能力，最大程度缩短反应时间，将火灾或危险消灭在初始阶段。早期火灾具有着火面积相对较小、火势相对不旺等特点，这时最需要的往往是高集中度的大流量灭火剂的定点扑救，传统的常规消防水炮远不能满足这个要求。

经检索，尚未发现有大射程、高聚水的高效远程、主动式定点扑救消防炮头的相关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效率、高聚水、大射程的消防炮头。

本发明的技术方案为：一种消防炮头，包括锥形节、直管段；

所述直管段内部设有高通低阻格栅式整流器，直管段一端焊接有底端法兰，底端法兰和与炮座S弯上的法兰通过螺栓配对连接，直管段另一端通过连接管4连接锥形节的一端，所述锥形节的另一端设有加厚炮口；

所述格栅式整流器为格子式直通型结构，由隔板围成多个便于射流介质通过的蜂窝网状的格子通孔，格栅式整流器的各个格子边长的分布由最内圈向外按规律逐渐缩小，缩小系数0.8～0.9，格子间的各个隔板厚度范围在2.0mm～3.5mm；

所述锥形节为3°炮头收缩角的炮管，所述炮管内表面设计并加工有能使水炮射流介质生成轴向漩涡的螺旋式膛线。

进一步，所述锥形节内部结构的直线度达到6级以上精度，粗糙度Ra<0.8微米。

进一步，所述格栅式整流器的每个格子的横截面为正方形或正五边形。

进一步，所述格栅式整流器在进口方向各个格子的隔板修成弧状的流线形，整流器的轴向长度范围在200mm～800mm，最大外径与轴向长度的比值为0.6～0.8。

进一步，所述格栅式整流器内各个隔板采用插接法、定位后点焊连接，并修圆焊口。

进一步，所述直管段与连接管、锥形节与连接管都通过细芽螺纹进行连接。

进一步，所述加厚炮口内表面为一个光滑的圆柱面，加厚炮口与锥形节为一个铸造整体。

本发明的高效聚水、大射程、远程定点主动扑救式消防炮头设计，其有益效果包括：

(1)聚水性能更高的炮头收缩角设计；(2)优化后更加合理的喷嘴口径与炮管锥度、长度的结构匹配关系；(3)反映喷嘴口径等结构参数与压力、流量以及射程等性能参数之间匹配关系的经验计算公式与方法；(4)新型设计的高通低阻格栅式整流器，为了平衡内表面边界层对流速的影响；(5)在炮管内表面设计并加工有能使水炮射流介质生成轴向漩涡的螺旋式膛线，以及能最大发挥聚水效果、且具有加工经济性的的炮头零件内表面质量技术要求；(6)计及外部风力影响的射程计算修正方法。

附图说明

图1为本发明高效、聚水、大射程消防炮头的结构示意图。

图2为数值计算时炮头收缩角分别为3°与5°的等距条件下的速度云图。

图3为格栅式整流器设计示意图。

图4为炮管内部水体外表面螺旋膛线设计示意图。

图中：1、加厚炮口；2、锥形节；3、接管前密封；4、连接管；5、接管后密封；6、直管段；7、格栅式整流器；8、底端法兰。

具体实施方式

下面结合附图1～图4对本发明作进一步说明。

图1为本发明所述的高效、聚水、大射程的消防炮头，包括加厚炮口1、锥形节2、接管前密封3、连接管4、接管后密封5、直管段6、格栅式整流器7、底端法兰8等部件组成。该炮头与整个水炮装置的连接是通过炮头右端的底部法兰8与炮座S弯上的法兰10配对，并通过螺栓9进行连接。底端法兰8与直管段6通过连续焊接的方法连接在一起；焊接时应保证底端法兰8与直管段6的垂直度达到6级精度以上。格栅式整流器7安装在与直管段6内部，松紧程度要合适，装好后在两端每个端面上每隔20mm左右进行点焊，以便将整流器7与直管段6变成一个整体。直管段6与连接管4、锥形节2与连接管4都通过细芽螺纹进行连接；安装时可使用单层或双层生料带实现密封。加厚炮口1内表面为一个光滑的圆柱面；加厚炮口1与锥形节2为一个铸造整体，无其它连接关系。

如图1所示，本发明的高效、聚水、大射程的消防炮头，右端的底部法兰8用来与炮座进行连接，开机时一定流量、非定常、带压的消防介质由此首先进入炮头部件的格栅式整流器7；整流器7内部的格栅设计成图3所示的正六边形-格子式直通型，格子的各隔板厚度在保证强度、刚度的条件下得到尽量减薄，因而能保证整座水炮的通流量；从进口方向看，各格子的隔板尽量修成弧形以降低流动阻力和沿程损失；从出口方向看，各格子的隔板尽量修成弧形以尽量降低尾流强度及长度；整流器7内部各隔板表面粗糙度足够的高，因此边界层可以足够的薄，整流器的轴向长度范围在200mm～800mm，最大外径与轴向长度的比值为0.6～0.8，轴向长度尺寸则按推荐的经验公式设计经过修正。湍流强度极大的消防介质经过整流器7，湍流流态得以充分发展并逐渐变得线性和有序，然后进入锥形短接管4；依据面积比定理，消防介质的流速明显加快。再继而，速度明显加快后的消防介质进入炮头锥形节2，锥形节2采用聚水性能更高的3°收缩角，经过CFD流场计算优化了的收缩角设计，使得从炮头出口处的射流扩散角更小变小，破碎长度加长；同时也使得喷射出的消防介质更集中，射程也更远。

如图2所示，左右的两个图片分别为3°收缩角和5°收缩角的炮头射出3米处截面上的速度云图，可以看出，3°角的消防介质流态无论从速度分布的均匀度、还是从直线度等方面来说，都要明显优于5°度角的。

如图3所示，所述格栅式整流器7为格子式直通型结构，由隔板围成多个便于射流介质通过的蜂窝网状的格子通孔，每个格子的横截面为正六边形，格栅式整流器7的各个格子边长的分布由最内圈向外按规律逐渐缩小，缩小系数0.8～0.9，格子间的各个隔板厚度范围在2.0mm～3.5mm；各个隔板采用插接法、定位后点焊连接，并修圆焊口。

图4为炮管内部水体外表面的螺旋膛线示意图。本发明的高效聚水大射程的消防炮头，在锥形炮管2内表面设计并加工了能使水炮射流介质生成轴向漩涡的螺旋式膛线，这样能使消防介质经过锥形炮管后，在速度得到进一步提升的同时也将形成类似滑膛炮弹的旋转惯性，能有力提高射程以及出口到落点之间的介质集中度，实现更好的聚水效果。另外，锥形炮管2内部结构的直线度达到6级以上精度，以及粗糙度Ra<0.8微米的高表面质量等，都进一步降低了炮管2内表面的边界层厚度及炮管沿程损失，在提高消防介质射出线性的同时，射程也将得到又一次明显的提高。

上述附图根据实际需要所给出的一个实施例，整流器的轴向长度为600mm，整流器7内部的格栅设计成图3所示的正六边形，格栅式整流器7的各个格子边长的分布由最内圈向外按规律逐渐缩小，缩小系数0.85，格子间的各个隔板厚度为3.0mm，使之符合设计要求。

本发明的设计有以下特点：

1)炮头收缩角通过CFD流场计算及优化，将收缩角由常规的中心值5°左右修改到中心值3°左右甚至更小，使得从炮头出口处的射流扩散角变小，破碎长度加长；同时也使得喷射出的消防介质更集中，射程也更远。炮头收缩角减小后，通过对射流流场的CFD计算并结合对炮头本身的结构优化设计，首先建立起新的喷嘴直径系列，然后可以建立起新喷嘴直径系列与炮管锥度及长度的结构匹配关系，并进一步可以建立起喷嘴口径等结构参数与压力、流量以及射程等性能参数之间的新的匹配关系。在计算与确定真实射程的时候需要计及外部风力、海拔高度等影响因素，并对射程计算值加以修正。

2)新型的高通低阻式格栅整流器设计成正六边形格子式的直通型；为了平衡内表面边界层对流速的影响，格子边长的分布由最外圈向内按规律逐渐缩小，比例缩小系数来源于CFD数值计算及优化设计；格子的各隔板厚度在保证强度、刚度的条件下尽量减薄；在进口方向，各格子的隔板尽量修成弧形以降低阻力；整流器的轴向长度尺寸按推荐的经验公式设计并结合CFD数值计算的结果加以修正。

3)消防炮头在炮管内表面设计并加工有能使水炮射流介质生成轴向漩涡的螺旋式膛线。另外，为了尽可能提高射程以及出口到落点之间的介质集中度，实现更好的聚水效果，炮头部件的直线度要达到6级精度以上，对炮头零件内表面要进行精加工，达到粗糙度Ra<0.8微米的表面质量技术要求。为提高通过能力，整流器内各隔板的连接尽可能采用插接法，定位后点焊，并修圆焊焊口以降低整流器阻力与隔板表面的流体介质边界层厚度。

应理解上述施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种消防炮头，其特征在于，包括锥形节(2)、直管段(6)；

所述直管段(6)内部设有高通低阻格栅式整流器(7)，直管段(6)一端焊接有底端法兰(8)，底端法兰(8)和与炮座S弯上的法兰(10)通过螺栓(9)配对连接，直管段(6)另一端通过连接管(4)连接锥形节(2)的一端，所述锥形节(2)的另一端设有加厚炮口(1)；

所述格栅式整流器(7)为格子式直通型结构，由隔板围成多个便于射流介质通过的蜂窝网状的格子通孔，格栅式整流器(7)的各个格子边长的分布由最内圈向外按规律逐渐缩小，缩小系数0.8～0.9，格子间的各个隔板厚度范围在2.0mm～3.5mm；

所述锥形节(2)为3°炮头收缩角的炮管，所述炮管内表面设计并加工有能使水炮射流介质生成轴向漩涡的螺旋式膛线。

2.根据权利要求1所述的一种消防炮头，其特征在于，所述锥形节(2)内部结构的直线度达到6级以上精度，粗糙度Ra＜0.8微米。

3.根据权利要求1所述的一种消防炮头，其特征在于，所述格栅式整流器(7)的每个格子的横截面为正方形或正五边形。

4.根据权利要求1或3所述的一种消防炮头，其特征在于，所述格栅式整流器(7)在进口方向各个格子的隔板修成弧状的流线形，整流器的轴向长度范围在200mm～800mm，最大外径与轴向长度的比值为0.6～0.8。

5.根据权利要求1所述的一种消防炮头，其特征在于，所述格栅式整流器(7)内各个隔板采用插接法、定位后点焊连接，并修圆焊口。

6.根据权利要求1所述的一种消防炮头，其特征在于，所述直管段(6)与连接管(4)、锥形节(2)与连接管(4)都通过细芽螺纹进行连接。

7.根据权利要求1所述的一种消防炮头，其特征在于，所述加厚炮口(1)内表面为一个光滑的圆柱面，加厚炮口(1)与锥形节(2)为一个铸造整体。