DE69924972T2 - Verfahren und vorrichtung zum löschen von bränden mit hilfe von flugzeugen - Google Patents

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    • B64D1/16Dropping or releasing powdered, liquid, or gaseous matter, e.g. for fire-fighting

Description

  • Gebiet des Standes der Technik
  • Eine Erfindungsgruppe bezieht sich auf Brandbekämpfungstechniken und die Luftfahrttechnik, nämlich Brandbekämpfungseinrichtungen im Flugwesen, die zum Löschen von Brandherden auf unzugänglichen Territorien, in mehrstöckigen Gebäuden oder in Fällen eingesetzt werden, in denen die Abgabe des Feuerlöschmittels von einer ziemlich großen Höhe aus erfolgen muss.
  • Stand der Technik
  • Gegenwärtig sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zum Löschen von Feuer durch Freisetzen von Flüssigkeit aus speziellen Behältern an Bord eines Luftfahrzeugs, vorzugsweise von Flugzeugen, bekannt.
  • So ist beispielsweise aus dem Patent PL 127704 eine Vorrichtung bekannt, die für die Feuerlöschung mit Hilfe von Flugzeugen ausgelegt ist, und die Behälter für die Flüssigkeitsspeicherung, zwei sich verengende Ablauföffnungen für die Flüssigkeit, einen mit dem oberen Teil der Behälter verbundenen Lufteinlass und gesteuerte Ablaufventile aufweist.
  • Die Verwendung von zwei Öffnungen für den Flüssigkeitsablauf ermöglicht einen unterschiedlichen Flüssigkeitsverbrauch abhängig von der Kombination der Ventilöffnungen. Dies ermöglicht wiederum die Feuerlöschung auf einem großen Territorium oder die Erzeugung langer geschlossener Zonen von um den Brandherd herum fallender Flüssigkeit. Die bekannte Vorrichtung verwendet den ankommenden Luftstrom zur Flüssigkeitsaustreibung aus den Behältern und ist eine abnehmbare Einheit, die an Bord eines Mehrzweckflugzeuges befestigt werden kann.
  • Bei einem bekannten Verfahren des Flüssigkeitsablasses aus einem Luftfahrzeug (Patent FR 2610894 ) kommt ein Flüssigkeitsabfluss durch ein Zweigrohr zum Einsatz, das aus dem Flugzeugrumpf in die Richtung entgegengesetzt zur Flugrichtung austritt. Der Flüssigkeitsauslass bei diesem Stand der Technik erfolgt sowohl unter der Schwerkraft als auch durch einen Überdruck von etwa 0,5 Bar, der durch ein Druckaufbausystem in dem Flüssigkeitsbehälter erzeugt wird.
  • Bei einem anderen bekannten Verfahren des Flüssigkeitsauslasses aus einem Flugzeug (Patent CA 975733 ) wird ein Flüssigkeitsauslass durch ein Loch in dem Tankboden verwendet. Während des Ablaufprozesses erfolgt eine Zerstäubung der Flüssigkeit zu Tropfen, während sie durch ein Profilgitter hindurch geht, das in dem Auslassabschnitt des Abflusslochs angeordnet ist.
  • Bei einer zur beanspruchten analogen Vorrichtung wird das Feuer mit Hilfe eines Flugzeugs gelöscht (Patentanmeldung RU 94012947A1 ). Die bekannte Vorrichtung hat einen Flüssigkeitsauslass in Form eines gerichteten Strahls, der parallel zum ankommenden Luftstrom ist, innerhalb des Bereichs eines Flugzeugeintrittswinkels in der zur Flugrichtung entgegengesetzten Richtung. An der Grenze eines freien Strahls in der direkten Nähe des Auslassquerschnitts eines Abflusszweigrohrs wird ein Druckbereich erzeugt, der bezogen auf den Luftdruck, der den restlichen Teil des Strahls überströmt, größer ist und mit der Entfernung der Grenze von der Strahlachse zunimmt. Der an der Frontfläche eines Flüssigkeitsstrahls ankommende Luftstrom wird nach unten geneigt, so dass die zu dem Strahl senkrechte Luftstromkomponente verringert wird. Aufgrund dessen wird eine Abnahme des Impulses, der auf die Frontstrahlfläche einwirkt und eine Abnahme der Strahlverformung, d.h. eine gerichtete Flüssigkeitsstromsteuerung, erreicht. Dieser Effekt wird bei der Konstruktion bei dem Stand der Technik mit Hilfe von speziellen aerodynamischen Flächen erreicht, die vor dem Strahl unter einem Ablaufzweigrohr angeordnet sind, oder mit Hilfe eines profilierten Winkelflügels verwirklicht, der den Strahl umschließt.
  • Eine zur beanspruchten Vorrichtung analoge Vorrichtung löscht Feuer mit Hilfe eines Flugzeugs (Anmeldung RU 94012947A1 ). Die bekannte Vorrichtung hat eine Abflusseinheit mit einem Zweigrohr mit rundem Querschnitt, das parallel zum Luftfahrzeugrumpf entgegengesetzt zur Flugrichtung gerichtet und außerhalb des Luftfahrzeugs angeordnet ist. Der Aufbau der Abflusseinheit hat ferner einen Ringflügel, der mit dem Zweigrohr mit Hilfe von Pylonen verbunden ist. Im Luftstrom umschließt ein Kreisflügel einen freien Flüssigkeitsstrahl und erzeugt einen Überdruckbereich an seiner Grenze bezogen auf den Druck des Luftstroms, der über den restlichen Teil des Strahls strömt. An seinem Boden hat der Flügel ein S-förmiges Profil, aufgrund dessen der auf die Frontfläche des Strahls auftreffende Luftstrom sich nach unten neigt. Dies führt zu einer Verringerung des auf die Frontfläche des Strahls übertragenen Impulses und somit zu einer Verringerung seiner Verformung. Der Profilflügel ermöglicht auf diese Weise die Steuerung eines gerichteten Flüssigkeitsstroms.
  • Die Internationale Anmeldung WO 98/01231 beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung eines Gas-Tröpfchen-Strahls sowie eine Vorrichtung zu seiner Durchführung. Das Verfahren umfasst die Zuführung von in einem Gasstrom dispergierter Flüssigkeit und die Beschleunigung des erzeugten zweiphasigen Tröpfchen-Stroms in einer gasdynamischen Düse. Zur Erhöhung des Zuführbereichs des Gas-Tröpfchen-Stroms werden der Druck P am Düseneinlass und die relative Flüssigkeitskonzentration g in dem Zweiphasenstrom aus den folgenden Bedingungen ausgewählt P ≥ 2·105Pa, P·g ≤ 5,7·108 Pa,wobei g = G1/Gg mit G1 als Flüssigkeitsmassenstrom und Gg als Gasmassenstrom.
  • Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens hat Zuführsysteme für Gas und Flüssigkeit, eine Mischkammer für die dispergierte Flüssigkeit und das Gas sowie eine gasdynamische Düse. Die Länge L eines Profildüsenkanals ist abhängig von dem Durchmesser dcr des engsten Düsenquerschnitts L ≥ dcr.
  • Aus der EP 0 388 033 A2 ist eine Zerstäubungsdüse bekannt, die bei der Brandbekämpfung verwendet wird. Die Einheit hat ein System für die Zuführung von Flüssigkeit und Gas in einer toroidförmigen Mischkammer, in der Flüssigkeitsdispersion und das Mischen mit einem Gasstrom erfolgen. Die Mischkammer ist an die Umgebungsluft über zylindrische Kanäle angeschlossen, die den gleichen Abstand voneinander längs des Kreises haben durch den der Gas-Tröpfchen-Strom zugeführt wird.
  • US 3 494 423 beschreibt eine Brandbekämpfungseinheit, die an Bord eines Hubschraubers montiert ist. Die Brandbekämpfungseinheit hat ein Ausstoßsystem für die Löschflüssigkeitsabgabe aus Behältern, die an Bord des Hubschraubers montiert sind, Rohrleitungen sowie einen an einer Teleskopstange angebrachten Flüssigkeitszerstäuber. Von einem Kompressor eines Hubschrauberturbinentriebwerks zugeführtes Druckgas wird als Behälterdruckgas für das Austreiben von Flüssigkeit durch das Gas verwendet. Der Flüssigkeitszerstäuber ist mit einem Profilkanal in Form eines Diffusors versehen. Bei dem Vorgang der Feuerbekämpfung von Bord des Hubschraubers aus erfolgt eine Stangenverlängerung über eine maximal mögliche Distanz, um den Einfluss der Luftströme zu reduzieren, die sich von dem Hubschrauberrotor aus nach unten bewegen. Ein Pilot steuert die Zuführungsrichtung eines Gas-Tröpfchen-Stroms mit Hilfe von Antrieben und Mechanismen für die Azimuthbewegung des Zerstäubers. Dabei wird eine Flüssigkeitsdispersion ohne vorheriges Mischen von Flüssigkeit und Behälterdruckgas erzeugt.
  • Eine Vorrichtung und ein Verfahren für die Brandbekämpfung von Bord eines Luftfahrzeugs aus sind auch aus der US 4 979 571 bekannt. Die Anlage hat Behälter mit Feuerlöschflüssigkeit, Schaum und verflüssigtem Gas. Die Flüssigkeits- und Gaszuführungssysteme sind mit einer Mischkammer für Löschflüssigkeit und Schaumbildungsmittel und mit einer Mischkammer für Flüssigkeit und Gas verbunden. Die Anlage hat ferner Rohrleitungen, ein gesteuertes Wendestrahlrohr, Mechanismen und Antriebe für die Wendestrahlrohrbewegungssteuerung sowie eine Zerstäuberdüse. In Betrieb werden die Löschflüssigkeit und das Schaumbildungskonzentrat in die erste Mischkammer mit Hilfe von Pumpen eingeführt, anschließend die Mischung durch Rohrleitungen in die zweite Kammer geführt, wo Druckgas injiziert wird, um den Schaumerzeugungswirkungsgrad zu steigern. Danach wird das gasreiche Gemisch durch die Rohrleitungen der Zerstäuberdüse zugeführt, mit deren Hilfe ein gerichteter Schaumstrom erzeugt wird. Die Richtungssteuerung der Schaumstromzuführung wird von Bord eines Hubschraubers dadurch ausgeführt, dass das Wendestrahlrohr zusammen mit der Düse in Vertikalrichtung bewegt wird.
  • Das dem beanspruchten Verfahren ähnlichste Verfahren ist ein in dem Patent US 3 604 509 beschriebenes Verfahren zur Brandlöschung unter Verwendung eines Luftfahrzeugs. Zu dem Verfahren nach diesem Stand der Technik gehören die Flüssigkeitsdispersion in einem Gasstrom, die Beschleunigung eines erzeugten zweiphasigen Stroms in einer gasdynamischen Düse sowie eine gerichtete Zuführung eines beschleunigten Gas-Tröpfchen-Stroms zum Brandherd von Bord des Luftfahrzeugs aus. Es wird ein Schaum erzeugendes Fluid als Flüssigkeit für die Brandlöschung bei dem Aufbau nach dem Stand der Technik verwendet, der eine Mischkammer und eine Düsenform festlegt, mit deren Hilfe ein gerichtetes Tropfen von erzeugtem Schaum von Bord des Luftfahrzeugs aus auf den Brandherd in die Praxis umgesetzt wird. Die Wahl des Schaum erzeugenden Fluids und der Parameter des Gases, die in die Strömungsmischkammer transportiert werden, sowie die Wahl der Düsenabmessungen bei der Konstruktion nach dem Stand der Technik hängt von einer gewünschten Schaumkugelgröße und dem erforderlichen Schaumverbrauch ab.
  • Der vorstehend erörterte Stand der Technik offenbart einen Flüssigkeitsbehälter, der für das Feuerlöschen ausgelegt ist, eine Mischkammer für Flüssigkeit und Gas, die über eine Rohrleitung mit dem Behälter und einem Gasstromzuführungssystem verbunden ist, eine Einrichtung zur Schaum erzeugenden Fluiddispersion, die in die Mischkammer transportiert wird, eine gasdynamische Düse zum Zuführen eines Gas-Tröpfchen-Stroms in den Brandherd, sowie ein Steuersystem für einen gerichteten Gas-Tröpfchen-Strom. Bei dieser Vorrichtung wird ein Schaum erzeugendes Fluid als Arbeitsfluid verwendet und es wird ein Problem zur Erzeugung eines Schaumstroms mit einer Kugelgrößensteuerung gelöst. Die vom Düsenauslass während eines Einsatzvorgangs erzeugten Schaumkugeln haben eine vernachlässigbare Anfangsgeschwindigkeit, jedoch eine große externe Oberfläche, die die Erzeugung eines gerichteten Zweiphasenstroms in einem 50-m-Bereich, der bezüglich externer Wirkungsfaktoren stabil ist, nicht ermöglicht.
  • Die zu den beanspruchten Erfindungen analogen Lösungen dienen einer Erhöhung der Löschsubstanzkonzentration bei gerichteter Zuführung von Bord eines Luftfahrzeugs aus. Diese Auslegungen beseitigen die Wirkung des ankommenden Luftstroms nur teilweise und lassen die Steuerung eines Gas-Tröpfchen-Strahls in einem Breitenbereich von Richtungen nicht zu und kompensieren auch Trägheitskräfte nicht, die auf den Strahl von der Luftfahrzeugseite aus einwirken. Das heißt, dass es die ähnlichen Lösungen nach dem Stand der Technik nicht ermöglichen, die Verteilungsfaktoren und vor allem die aerodynamischen Kräfte vollständig zu kompensieren, die auf einen gerichteten Strom eines Löschfluids wirken, so dass sie somit einen begrenzten Feuerlöschwirkungsgrad haben.
  • Die Hauptfaktoren, die einen Einfluss auf den Brandlöschwirkungsgrad haben, sind der Verbrauch an Löschsubstanzen, von der ein Strom auf den Brandherd gerichtet wird, sowie die Größe und Geschwindigkeit der Löschsubstanztropfen bei der Brandstellenannäherung. Der Feuerlöschwirkungsgrad nimmt mit dem Verbrauch von Löschfluid und seiner Fallgeschwindigkeitserhöhung sowie mit der Tropfengrößenabnahme zu.
  • Bei Ausgestaltungen nach dem Stand der Technik ergibt sich ein Flüssigkeitssprühstrahl bei einer Zuführung des Gas-Tröpfchen-Strahls mit relativ niedriger Geschwindigkeit von Bord eines Flugzeugs aus, weshalb sich die Geschwindigkeit der sich einem Brandherd annähernden Tropfen als ziemlich gering (vergleichbar mit der Geschwindigkeit von Regentropfen) erweist, und der Effekt eines Gas-Tröpfchen-Strahls mit einem Luftstrom mit hoher Geschwindigkeit in seiner Dispersion und einer Abweichung von einer gewünschten Richtung resultiert. Diese Faktoren bestimmten hauptsächlich einen relativ niedrigen Feuerlöschwirkungsgrad mit den Vorrichtungen und Feuerlöschverfahren nach dem Stand der Technik, wenn sie mit Hilfe eines Luftfahrzeugs angewendet werden.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die patentierten Erfindungen beruhen auf dem Problem, den Wirkungsgrad der Brandlöschung bei Einsatz eines Luftfahrzeugs zu steigern, das durch Erzeugung eines fein dispergierten Zweiphasenstroms mit hoher Geschwindigkeit und hoher Konzentration der Löschsubstanz gelöst wird, die unter dem Einfluss von Verwirbelungskräften sowie des ankommenden Luftstroms Stabilität zeigt. Die Eigenschaften eines Zweiphasenstroms werden unter bestimmten Bedingungen in Folge einer gewünschten Strömungsstruktur und eines längeren Bereichs bereitgestellt, d.h. durch Aufrechterhalten einer ausreichend hohen Geschwindigkeit von Flüssigkeitsstromtröpfchen bei einer Distanz von mehr als 50 m.
  • Dieses technische Ergebnis wird dadurch erreicht, dass ein Verfahren zum Feuerlöschen unter Einsatz eines Luftfahrzeugs in die Praxis umgesetzt wird, bei welchem eine Flüssigkeit in einem Gasstrom dispergiert wird, ein erzeugter zweiphasiger Strom in einer gasdynamischen Düse beschleunigt wird und ein beschleunigter Gas-Tröpfchen-Strahl an Bord des Luftfahrzeugs direkt auf einen Brandherd gerichtet wird, wobei nach der Erfindung der Druck P an einem Einlass der Düse und die relative Flüssigkeitskonzentration g in dem zweiphasigen Strom aus den folgenden Bedingungen ausgewählt werden P ≥ 2·105 Pa P·g ≤ 5,7·108 Pa,wobei g = G1/Gg, wenn G1 der Flüssigkeitsmassenstrom und Gg der Gasmassenstrom sind.
  • Der Gas-Tröpfchen-Strahl wird in der gasdynamischen Düse beschleunigt, die einen profilierten Düsenkanal aufweist, dessen Länge L aus der Bedingung gewählt wird: L > 2dexit,wobei dexit ein Durchmesser eines Austrittsquerschnitts der gasdynamischen Düse ist, der abhängig von einer möglichen Flughöhe H aus der Bedingung gewählt wird: dexit ≥ 0,04 H/g.
  • Eine vollständige oder teilweise Kompensation der Verwirbelungskräfte, die auf den Gas-Tröpfchen-Strahl wirken, der von Bord eines Luftfahrzeugs frei strömt, wird dadurch ausgeführt, dass ein Strahlgeschwindigkeitsvektor in Relation zu einem Bewegungsgeschwindigkeitsvektor des Luftfahrzeugs geändert wird, und dass der Gas-Tröpfchen-Strahl durch Steuerung der Rotation der Düse und/oder des Drucks und/oder des Flüssigkeits- und/oder des Gasmassenstroms am Düseneinlass gesteuert wird.
  • Bevorzugt wird auch eine vollständige oder teilweise Kompensation der Verwirbelungskräfte, die auf den frei strömenden Gas-Tröpfchen-Strom von Bord eines Luftfahrzeugs wirken, indem ein Strahlgeschwindigkeitsvektor bezogen auf einen Luftfahrzeuggeschwindigkeitsvektor geändert wird.
  • Zur Bewirkung der Brandbekämpfung ist es erwünscht, einen Gas-Tröpfchen-Strahl durch Drehen einer Düse und/oder durch Steuern des Drucks und/oder des Flüssigkeitsverbrauchs und/oder des Gasverbrauchs am Düseneinlass zu steuern.
  • Zum Erreichen der vollständigsten Kompensation der Verwirbelungskräfte wird der Geschwindigkeitsneigungswinkel W des Gas-Tröpfchen-Stroms bezogen auf eine Luftfahrzeugsgeschwindigkeit V aus einem Minimierungszustand des gesamten Strahlimpuls längs seiner Flugbahn in Richtung der verwirbelten Kräfteeinflüsse gewählt.
  • Im einfachsten Fall, wenn ein aerodynamischer Kraftwert, der auf einen Gas-Tröpfchen-Strahl wirkt, vernachlässigt werden kann, wird der Neigungswinkel α der Gas-Tröpfchen-Strahlgeschwindigkeit W bezogen auf die Luftfahrzeuggeschwindigkeit V so gewählt, dass die Projektion des Vektors W zur Richtung des Vektors V in die entgegengesetzte Richtung bezogen auf den Vektor V gerichtet wird und die Bedingung erfüllt wird, cosα = –|V|/|W|.
  • Um den Gas-Tröpfchen-Strahl kompakt zu machen, d.h. um eine Quergröße eines zweiphasigen Stroms zu kompensieren und zu reduzieren, wird die Verwendung einer ringförmigen gasdynamischen Düse bevorzugt.
  • Der Gasstrom kann mit Hilfe wenigstens eines Kompressors oder einer Turbokompressoreinheit erzeugt werden.
  • Zu diesem Zweck kann eine Turbokompressoreinheit verwendet werden, die Teil eines Strahlturbinentriebwerks an Bord des Luftfahrzeugs ist.
  • Es ist möglich, Gas hinter der Strahltriebwerksturbine zu verwenden.
  • Zur Erzeugung des Gasstroms kann ein kalter Gasstrom eines Mantelstrahltriebwerks verwendet werden.
  • Als Flüssigkeit für die Brandlöschung kann Wasser verwendet werden.
  • Vorzugsweise wird als Luftfahrzeug ein Flugzeug oder ein Hubschrauber verwendet.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindungen werden nachstehend unter Bezug auf eine spezielle Ausführungsform beschrieben, die in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist, in denen
  • 1 ein Funktionsschema einer Feuerlöschvorrichtung nach der Erfindung ist,
  • 2 eine Ansicht einer Vorrichtungsanordnung an Bord eines Luftfahrzeugs ist,
  • 3 eine schematische Ansicht einer Mischkammer und einer gasdynamischen Düse ist,
  • 4 eine schematische Ansicht einer Mischkammer und einer ringförmigen gasdynamischen Düse ist,
  • 5 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung mit einer Luftzuführung aus einem Strahltriebwerk (TJE) ist,
  • 6 eine schematische Ansicht eines TJE-Systems mit einer Zuführung von Gas in Form eines Verbrennungsprodukts ist und
  • 7 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung mit einer Luftzuführung aus einem zusätzlichen Kompressor ist.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
  • Mit Hilfe einer Vorrichtung, deren Funktionsschema in 1 gezeigt ist, kann ein Feuerlöschverfahren ausgeführt werden.
  • Die Feuerlöschvorrichtung hat ein System 1 zum Zuführen der zum Feuerlöschen vorgesehenen Flüssigkeit, ein Gaszuführsystem 2, eine Mischkammer 3 für Flüssigkeit und Gas, eine gasdynamische Düse 4, eine steuerbare Plattform 5 mit einem Verschiebemechanismus, in der eine Düse 4 mit einer Kammer installiert sind, und ein Steuersystem 6, die an Bord eines Luftfahrzeugs, beispielsweise eines Flugzeugs 7 in seinem Heckteil (siehe 2) angeordnet sind.
  • Die Düse 4 wird mit Hilfe der bewegbaren Plattform 5 in die gewünschte Richtung ausgerichtet. Für eine vollständige Kompensation störender aerodynamischer Kräfte wird der Neigungswinkel des Geschwindigkeitsvektors W des Gas-Tröpfchen-Strahls 8 bezüglich des Geschwindigkeitsvektors V der Luftfahrzeugbewegung aus der Bedingung der Impulswertminimierung des Gesamtstrahls längs seiner Flugbahn in der Richtung der Einwirkung der Störkraft gewählt. Im betrachteten Fall fällt der Geschwindigkeitsvektor V mit der Symmetrieachse 9 des Rumpfaufbaus des Flugzeugs 7 (siehe 2) zusammen.
  • Wenn unter Einsatzbedingungen der Vorrichtung ein Wert der aerodynamischen Kräfte, die auf den Gas-Tröpfchen-Strahl wirken, vernachlässigt werden kann, wird ein Neigungswinkel der Geschwindigkeit W des Gas-Tröpfchen-Stroms bezogen auf die Geschwindigkeit V des Luftfahrzeugs so gewählt, dass die Projektion des Vektors W auf die Richtung des Vektors V in entgegengesetzter Richtung zum Vektor V gerichtet ist, und die folgende Bedingung erfüllt wird: cosα = |V|/|W|.
  • Bei der Erfüllung dieser Bedingungen wird ein Gas-Tröpfchen-Strahl 8 vertikal nach unten bezogen auf die Oberfläche der Erde gerichtet, wenn der Winkel zwischen den Vektoren V und W ebenfalls in der Vertikalebene liegt oder einen kleinen Winkel zur Vertikalebene bildet, die durch die Luftfahrzeugachse 9 geht. Das letztere Verfahren kann in dem Fall verwendet werden, in welchem es aus irgendeinem Grund erforderlich ist, einen Strahl der Löschsubstanz in einem bestimmten Winkel zur Vertikalebene zu richten.
  • Als Quelle für das Gas, beispielsweise Luft, kann entweder ein Gasflaschensystem oder eine Turbokompressoreinheit als Teil eines Standardstrahltriebwerks, beispielsweise TB7-117, verwendet werden. Diese Einheit kann einen Gasverbrauch von mr = 8,5 kg/s bei einem Druck von bis zu 4·105 Pa bereitstellen, der den Mischkammerdruck bestimmt. Die Flüssigkeit für das Feuerlöschen, bei diesem Beispiel Wasser, ist in speziellen Behältern angeordnet und wird der Mischkammer mit Hilfe eines Ausstoß- oder Pumpentransportsystems zugeführt.
  • Der Mischkammerauslass 3 ist mit dem Düseneinlass 4 (siehe 3) verbunden, während der Einlass mit dem Gaszuführsystem über ein Zweigrohr 10 und dem Flüssigkeitszuführsystem über einen Hohlraum 11 und direkt über Löcher 12 in der Trennwand verbunden ist. In diesem Fall dient die vorgesehene Trennwand der Mischkammer als Flüssigkeitsdispergiereinrichtung.
  • Die Parameter des Luftstroms, der in die Mischkammer eingeführt wird, und die Größe der Löcher 12 werden im Hinblick auf eine gewünschte Größe von Flüssigkeitströpfchen gewählt, die von dem Hohlraum 11 der Mischkammer 3 in Form von dünnen Strahlen zugeführt werden. Zu erwähnen ist, dass auch andere Methoden der Flüssigkeitszuführung zur Kammer 3 möglich sind, beispielsweise mit Hilfe von Injektoren, wie es auf ähnliche Weise in Flüssigkeitstreibmittelmotoren ausgeführt wird. Für die Flüssigkeitszuführung zu der Mischkammer 3 kann ein Ausstoßzuführsystem mit der von einer Turbokompressoreinheit gepumpten Luft oder eine von einem Turbokompressoraggregat in einem Elektromotor angetriebene Pumpe verwendet werden.
  • Der so erhaltene Gas-Tröpfchen-Strom wird der Düse 4 zugeführt, wo er bis auf die gewünschte Geschwindigkeit beschleunigt wird. Am Auslass der Düse 4 wird ein gerichteter Gas-Tröpfchen-Strahl erzeugt, der in einer geforderten Richtung mit Hilfe eines Steuersystems 6 bezogen auf die Geschwindigkeit V des Luftfahrzeugs ausgerichtet wird.
  • Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung verwendet eine ringförmige gasdynamische Düse 4 mit einem zentralen Gehäuse (siehe 4). Diese Düsenausgestaltung ermöglicht es, einen Gas-Tröpfchen-Strahl mit einer relativ gleichförmigen Wassertropfenverteilung längs des Strahlquerschnitts zu kompaktieren (zu komprimieren), und somit die Feuerlöschflüssigkeitskonzentration in dem auf den Brandherd gerichteten Zweiphasenstrahl zu steigern.
  • Eine der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung verwendet ein Strahltriebwerk als Gasquelle (siehe 5 bis 7), das einen Diffusor 14, einen Kompressor 15, eine Brennkammer 16, eine Turbine 17 und eine Düse 18 hat. Der Luftstrom wird von dem Kompressorauslass 15 (siehe 5) zugeführt und gelangt über eine Gaszuführrohrleitung 19 in die Mischkammer 3, wohin auch die dispergierte Flüssigkeit aus dem Hohlraum 11 gelangt. Der erhaltene Zweiphasenstrom gelangt in der gleichen Richtung zur Düse 4, wo seine Beschleunigung erfolgt.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann das Arbeitsgas in die Mischkammer 3 aus dem Turbinenauslass 7 über eine Rohrleitung 20 (6) zugeführt werden. Es kann auch ein Mantelstromstrahltriebwerk verwendet werden, bei welchem das Arbeitsgas entweder aus dem einen oder aus beiden Triebwerksgasströmen gleichzeitig entnommen wird.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung (siehe 7) verwendet eine spezielle Gasturbineneinheit mit einem Kompressor 15, einer Brennkammer 16, einer Turbine 17 für den Antrieb des Kompressors 15, einer Düse 18 und einer freien Turbine 21, die einen Kompressor 22 antreibt, der dazu dient, den Arbeitsgasstrom zu erhalten. Die Luft geht von dem Kompressor, gegebenenfalls zusammen mit Verbrennungsprodukten, durch die Gasrohrleitung 23 in die Mischkammer 3, wo sie mit einer dispergierten Flüssigkeit gemischt wird. Dann wird der erhaltene Zweiphasenstrom in der Düse 4 beschleunigt.
  • Mit Hilfe der vorstehend erwähnten Vorrichtung wird ein Feuerlöschverfahren unter Einsatz eines Luftfahrzeugs wie folgt durchgeführt.
  • Ein Gasstrom, in welchem die dispergierten Flüssigkeitstropfen durch Öffnungen 12 des Hohlraums 11 verteilt sind, wird der Mischkammer 3 (siehe 3) durch eine Zweigleitung 10 zugeführt. Der in Folge der Mischung von Flüssigkeit und Gas erzeugte Zweiphasenstrom wird in der gasdynamischen Düse 4 beschleunigt. Die Richtung der Düse 4 und dementsprechend der Geschwindigkeitsvektor W des Gas-Tröpfchen-Strahls 8 werden so gewählt, dass eine Verteilung eines Zweiphasenstroms in der Brandherdrichtung in einer vertikalen Ebene während des Luftfahrzeugflugs bereitgestellt wird.
  • Der Einlassdruck P der Düse 4 und die relative Flüssigkeitskonzentration g in dem Zweiphasenstrom werden aus folgenden Bedingungen gewählt: P ≥ 2·105Pa P·g ≤ 5,7·108 Pa,wobei g = G1/Gg, wenn G1 der Flüssigkeitsmassenstrom und Gg der Gasmassenstrom sind.
  • Die maximalen Werte des Gasdrucks Pmax und die relative Flüssigkeitskonzentration gmax werden aus der Bedingung der hochdichten Kompaktheit von Flüssigkeitsteilchen in einem Gasstrom gewählt, wenn eine dispergierte Flüssigkeitsstrukturbildung in dem Zweiphasenstrom möglich ist. Diese Bedingung wird durch die Gleichung gekennzeichnet Pmax = πRTr1/(1 – π/6)gmax,wobei π = 3,1416, R die Gaskonstante der Zweiphasenstromgasphase (R = 287 J/kg·K), T die Gastemperatur in dem Zweiphasenstrom am Düsenauslass (für die betrachteten Bedingungen T = 300 K) und r1 die Flüssigkeitsdichte in dem Zweiphasenstrom (r1 = 1000 kg/m3) sind.
  • Berücksichtigt man reale marginal akzeptable Möglichkeiten der Umsetzung des patentierten Feuerlöschverfahrens in die Praxis, kann diese Bedingung in der folgenden Form geschrieben werden: Pmax·gmax = 5,7·108 Pa. Aus dieser Bedingung ist zu sehen, dass bei Umsetzung der Erfindung in die Praxis die Druck- und Massenstromwerte aufgrund von P·g ≤ 5,7·108 Pa zu wählen sind. Der niedrige Gasdruckwert am Einlass der Düse 4 wird aus der Realbedingung einer Zweiphasenstromerzeugung gewählt, wobei ihre Austrittsgeschwindigkeit für ein wirksames Feuerlöschen von einer zugeordneten Flughöhe des Luftfahrzeugs auf (H ≥ 50 m) ausreicht: P ≥ 2·105 Pa.
  • Die Wahl der notwendigen Parameter in Übereinstimmung mit den angegebenen Bedingungen bietet eine Lösung eines technischen Problems, die im Hinblick auf die Strahlstabilität und die beträchtliche Strahlgeschwindigkeit beim Eintritt in die Brandherdzone vorgeschlagen wird. Im Verlauf der Bildung des Zweiphasenstroms in der Mischkammer 3 und seiner Beschleunigung in der Düse 4 wird eine geforderte Flüssigkeitsdispersion (Größe der Tropfen) gebildet.
  • In dem betrachteten Beispiel wird der Flüssigkeitsstrom zu G1= 100 kg/s, der Gasstrom zu Gg = 8,5 kg/s bei einem Druck P bis zu 4·105 Pa gewählt. Mit diesen Werten für den Durchsatz und den Druck wird die Austrittsgeschwindigkeit des Strahls W = 130 m/s.
  • Die Steuerung des Gas-Tröpfchen-Stroms wird durch eine Düsendrehung mit Hilfe einer Bewegungsplattform 5, das Steuern des Drucks und des Flüssigkeitsstroms und des Gasdrucks am Einlass der Düse 4 bewirkt.
  • Die Wahl des Neigungswinkels des Strahlgeschwindigkeitsvektors bezogen auf den Geschwindigkeitsvektor der Luftfahrzeugbewegung kompensiert die Störkräfte vollständig oder teilweise, die auf den Gas-Tröpfchen-Strom wirken, der frei von Bord eines Luftfahrzeugs abströmt (siehe 2).
  • Um die möglichst vollständige Kompensierung der störenden aerodynamischen Kräfte zu erreichen, wird der Neigungswinkel α des Vektors W des Gas-Tröpfchen-Stroms bezogen auf den Geschwindigkeitsvektor V des Luftfahrzeugs aus der Minimierung des Strahlimpuls-Gesamtwerts längs seiner Flugbahn in der Richtung der störenden Krafteinwirkungen gewählt. Für die in Betracht gezogene Ausführungsform der Erfindung (siehe 2) wird der Neigungswinkel des Geschwindigkeitsvektors W des Gas-Tröpfchen-Stroms bezogen auf den Geschwindigkeitsvektor V des Luftfahrzeugs so gewählt, dass die Projektion des Vektors W auf die Richtung des Vektors V entgegengesetzt bezüglich des Vektors V gerichtet ist und die folgende Bedingung erfüllt ist: cosα = |V|/|W|.
  • Wenn unter Realbedingungen bei der Ausführung der Erfindung das Luftfahrzeug in der Nähe des Brandherdes mit einer Geschwindigkeit von 80 m/s (290 km/h) in einer Höhe von 50 m und mit dem gewählten Neigungswinkel des Geschwindigkeitsvektors α = 130° fliegt, beträgt die Geschwindigkeit des Gas-Tröpfchen-Strahls an der Brandherdoberfläche mehr als 50 m/s. Unter diesen Bedingungen ist die Größe der Flüssigkeitströpfchen in dem Gas-Tröpfchen-Strahl kleiner als 100 μm. Mit diesen Parametern wird, wie Untersuchungen zeigten, ein hoher Feuerlöschwirkungsgrad gewährleistet.
  • Da die Geschwindigkeit des Gas-Tröpfchen-Strahls umgekehrt proportional zur Flüssigkeitskonzentration und seine Ausbreitung gleich proportional zur Flüssigkeitskonzentration ist, verwendet man bevorzugt eine Strahlkompaktheit, wobei die Möglichkeit der Erhöhung des Gasdrucks am Düseneingang begrenzt ist. Dies erfolgt aufgrund der Flüssigkeitströpfchenbeschleunigung mit geringer Flüssigkeitskonzentration und der darauf folgenden Bildung eines Hochgeschwindigkeits-Gas-Tröpfchen-Strahls mit hoher Konzentration am Düsenaustritt. Diese Bedingungen werden durch Verwendung einer profilierten ringförmigen Düse 4 in der jeweiligen Weise (siehe 4) bereitgestellt.
  • Zur Bereitstellung einer geforderten Ausbreitung eines Gas-Tröpfchen-Strahls auf den unterschiedlichen Höhen eines Luftfahrzeugflugs, die durch den Luftfahrzeugtyp (Flugzeug oder Hubschrauber) bestimmt ist, wird der Durchmesser dexit des Austrittsquerschnitts der Düse abhängig von der möglichen Flughöhe in der Nähe eines Brandherdes nach der folgenden Bedingung gewählt: dexit ≥ 0,04 H/g,wenn H die Flughöhe des Luftfahrzeugs ist.
  • Die Beschleunigung des zweiphasigen Gas-Tröpfchen-Stroms bis zu einer gewünschten Feuerlöschgeschwindigkeit W einer Strahlabgabe wird durch Verwendung der Düse 4 mit einer profilierten Kanallänge L erreicht, die nach der Bedingung gewählt wird, L > 2dexit.
  • Die durchgeführten Berechnungen haben gezeigt, dass es bei der Wahl der erforderlichen Parameter entsprechend den oben erwähnten Bedingungen möglich ist, ein Feuer bei einer Luftfahrzeuggeschwindigkeit innerhalb des Bereichs von Null bis 400 km/h in einer Flughöhe von bis zu 200 m zu löschen (es sind Optimalwerte angegeben, obwohl eine höhere Geschwindigkeit und eine größere Höhe möglich sind). Zu erwähnen ist, dass die heutzutage zum Feuerlöschen verwendeten Tankluftfahrzeuge mit einer Fluggeschwindigkeit von bis zu 300 km/h und in Höhen bis zu 100 m operieren.
  • Mit Hilfe einer Turbokompressoreinheit (siehe 5 bis 7) wird ein Gasstrom erzeugt, der einer Mischkammer 3 zugeführt wird. Zur Erzeugung eines Luftstroms können einige Turbokompressoreinheiten verwendet werden.
  • Zur Verringerung des Gewichts und zur Vereinfachung des Vorrichtungsaufbaus wird eine Turbokompressoreinheit verwendet, die Teil eines Strahltriebwerks (TJE) ist, das ein Flugzeug oder einen Hubschrauber antreibt.
  • Bei einer der Ausführungsformen des Verfahrens wird der Mischkammer 3 ein Gasstrom aus dem Auslass des Kompressors 15 zugeführt, der von einer Turbine 17 angetrieben wird (siehe 5). Ein Zweiphasenstrom, der in der Mischkammer 3 als Folge des Mischens mit der dispergierten Flüssigkeit erhalten wird, gelangt in die Düse 4, wo er beschleunigt wird.
  • Bei einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens wird das Arbeitsgas der Mischkammer 3 vom Turbinenauslass 17 durch das Rohr 20 (siehe 6) zugeführt. Für diesen Zweck kann auch ein Mantelstromstrahltriebwerk mit einer Arbeitsgasabnahme an einem oder gleichzeitig an beiden Triebwerksdurchgängen verwendet werden.
  • Bei einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens (siehe 7) wird eine spezielle Gasturbineneinheit mit einer freien Turbine 21 verwendet, die einen Kompressor 22 antreibt, um den Arbeitsgasstrom zu erhalten. Die Luft wird gegebenenfalls zusammen mit den Verbrennungsprodukten aus dem Kompressor durch das Gasrohr 23 der Mischkammer 3 zugeführt, wo sie mit einer dispergierten Flüssigkeit gemischt wird. Dann wird der Zweiphasenstrom in der Düse 4 beschleunigt.
  • Zu erwähnen ist, dass zur Erzeugung eines Gasstroms, der der Mischkammer 3 zugeführt wird, sowohl ein Kompressor als Teil des Strahltriebwerks des Luftfahrzeugs als auch ein Kompressor verwendet werden kann, der speziell für den Feuerlöschsystembetrieb ausgelegt ist und die Gaszuführung mit einem gewünschten Druck zu der Kammer 3 gewährleistet.
  • Somit erlaubt das Verfahren eine Steigerung des Feuerlöschwirkungsgrads aufgrund der Erzeugung eines Hochgeschwindigkeits-Zweiphasenstrahls mit einer Tropfendispersion und einer Löschflüssigkeitskonzentration, die für ein effektives Feuerlöschen erforderlich ist. Die Beibehaltung der Zweiphasen-Strahl-Parameter bei der Annäherung an den Brandherd erfolgt aufgrund einer bestimmten Struktur des beschleunigten Stroms und der erforderlichen Geschwindigkeit der Flüssigkeitstropfen, was durch die Wahl der Parameter entsprechend den Bedingungen bereitgestellt wird, die schließlich die Strahlausbreitung bestimmen.
  • Zum Erreichen eines Ziels der Erfindung wird folgendes bereitgestellt:
    • a) Aufrechterhalten einer Kompaktheit eines Gas-Tröpfchen-Stroms längs seiner ganzen Bewegungsbahn vom Düsenaustrittsquerschnitt bis zum Brandherd.
    • b) Ein bestimmter Bereich der Tropfengröße in dem Strahl von 20 μm bis 200 μm
    • c) Eine Überschussgeschwindigkeit des Tropfens in dem Strahl beim Annähern an den Brandherd über der freien Fallgeschwindigkeit der Tropfen (die Geschwindigkeit des Gas-Tröpfchen-Strahls am Brandherd liegt im Bereich von 1 m/s bis 100 m/s).
  • Gewerbliche Verwertbarkeit
  • Es kann ein Verfahren, das zum Feuerlöschen von einem Luftfahrzeug ausgelegt ist, in unterschiedlichen Tätigkeitsbereichen verwendet werden, wo die Feuerlöschgeräte an Bord eines Luftfahrzeugs oder Hubschraubers angeordnet werden müssen, beispielsweise in der Landwirtschaft oder Forstwirtschaft zum Löschen von Feuern auf einem großen Territorium.
  • Die effektivste Verwendung der Erfindungen besteht im Löschen von schwierig zugänglichen Brandherden, wo der effektivste Löschflüssigkeitsdurchsatz erforderlich ist. Die Erfindungen können auch erfolgreich zum Löschen von Feuern mit größerer Brandstärke eingesetzt werden, beispielsweise bei einem brennenden Ölstrom, einem brennenden Ölbohrloch usw.
  • Bevorzugt werden die Erfindungen beim Entwickeln der Luftfahrzeugtechnologie als ein in der Luftfahrzeugausgestaltung integriertes System sowie als abnehmbare Einheit verwendet, die an Bord eines Mehrzweckluftfahrzeugs angeordnet werden, wenn es erforderlich ist.
  • Obwohl eine Gruppe von patentierten Erfindungen lediglich in Verbindung mit einer bevorzugten Ausgestaltung beschrieben worden ist, wissen die Spezialisten auf diesem Technologiebereich, dass Änderungen oder andere Ausgestaltungen vorgenommen werden können, ohne von dem Gegenstand abzuweichen, wie er in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Feuerlöschen unter Einsatz eines Luftfahrzeugs (7), bei welchem eine Flüssigkeit in einem Gasstrom dispergiert wird, ein erzeugter zweiphasiger Strom in einer gasdynamischen Düse (4) beschleunigt wird, und ein beschleunigter Gas-Tröpfchen-Strahl (8) von Bord des Luftfahrzeugs (7) direkt auf einen Brandherd gerichtet wird, wobei der Druck P an einem Einlass der Düse und die relative Flüssigkeitskonzentration g in dem zweiphasigen Strom aus den folgenden Bedingungen ausgewählt werden: P ≥ 2·105 Pa P·g ≤ 5,7·108 Pa,wo g = G1/Gg; G1 – Flüssigkeitsmassenstrom; Gg – Gasmassenstrom, dadurch gekennzeichnet, dass der Gas-Tröpfchen-Strahl in der gasdynamischen Düse (4) beschleunigt wird, die einen profilierten Düsenkanal aufweist, dessen Länge L aus der Bedingung gewählt wird: L > 2dexit,wobei dexit ein Durchmesser eines Austrittsquerschnitts der gasdynamischen Düse (4) ist, der abhängig von einer möglichen Flughöhe H des Luftfahrzeugs aus der Bedingung gewählt wird: dexit ≥ 0,04 H/g,und eine vollständige oder teilweise Kompensation der auf den von Bord des Luftfahrzeugs (7) frei strömenden Gas-Tröpfchen-Strahl (8) einwirkenden störenden Kräfte durchgeführt wird, indem ein Strahlgeschwindigkeitsvektor in Relation zu einem Bewegungsgeschwindigkeitsvektor des Luftfahrzeugs geändert wird, und der Gas-Tröpfchen-Strahl (8) durch Steuerung der Rotation der Düse und/oder des Drucks und/oder Steuerung des Flüssigkeits- und/oder Gasmassenstroms am Einlass der Düse gesteuert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flughöhe aus der Bedingung gewählt wird: H ≤ 200 m.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel α des Gas-Tröpfchen-Strahl-Geschwindigkeitsvektors W bezüglich des Bewegungsgeschwindigkeitsvektors V des Luftfahrzeugs derart gewählt wird, dass die Projektion des Vektors W auf die Richtung des Vektors V in Relation zum Vektor V gegengerichtet ist und die Bedingung erfüllt wird: cosα = –|V|/|W|.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gasdynamische Düse (4) eine ringförmige gasdynamische Düse ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaststrom mit Hilfe wenigstens eines Kompressors oder einer Turbokompressoreinheit erzeugt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom mit Hilfe wenigstens einer Turbokompressoreinheit, die Teil des Strahlturbinentriebwerks des Luftfahrzeugs ist, erzeugt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Abgas einer Turbine verwendet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Gasstroms das Arbeitsmedium des zweiten Durchgangs eines Bypass-Strahlturbinentriebwerks verwendet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssigkeit Wasser verwendet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Luftfahrzeug ein Flugzeug oder ein Hubschrauber verwendet wird.
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