多功能消防水枪设计原理

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1、多功能消防水枪设计原理弓孝菊，叶丽华，邵霞（江苏大学，江苏镇江212013）[摘要]利用使水流产生预旋的原理使直流水枪增加喷雾功能，调节预旋装置可改变雾化角，并实现直流、喷雾功能的转换。采用圆环缝隙出流，使部分水流从喷嘴四周喷出，形成可调节的伞形开花水流。这一水枪集直流、喷雾、人员保护开花水流于一身，是一种可同时用于扑灭火灾、保护消防人员安全的新型多功能消防水枪。[关键词]安全工程；消防水枪；设计；直流；喷雾[中图分类号]TJ53+3[文献标识码]A[文章编号]1003─188X(2004)05─0153─03消防水

2、枪根据喷出的不同水流，分为直流水枪、喷雾水枪、开花水枪。本文根据消防部队提高灭火能力的要求，研制了一个具有直流、喷雾、开花功能的消防水枪。研制的思路是：根据流体力学的原理，参照喷灌喷头的设计理论，在直流水枪的流道内设置使水流产生预旋的装置，使水流在离心力作用下，将压力水流变成喷雾水流。同时在喷嘴的收缩段开孔,使部分水流沿管外壁进入开花调节阀,从喷嘴四周喷出,形成伞形开花水流，从而达到扑灭火灾、保护消防人员安全的目的。对于中近程喷头来说，其喷管长度取（5~6）D2较合适。(2)锥管收缩角度。锥管的作用是把水的压能通过流

3、道断面的收缩、最大限度地变为动能。锥管的收缩角度大，断面收缩快，往往会产生新的涡流，而锥角过小，则锥管长度增加很大。试验证明，锥管的收缩角度þ=12°～14°比较合适。(3)喷管直径。通常把喷管截面积与喷嘴出口截面积之比称为收缩程度（n）。根据流动观察及试验，当收缩程度增大到n=9时，出口紊流程度减弱；当n=9～10时，紊流程度几乎不变；n再增加，紊流程度反而加大。射程试验表明，当n≤9时，射程随n的增加而增加；过后，如果n再增加，喷头射程增加很少。因此，收缩程度应取n=8～9。亦即喷管直径D2=(2.83～3.0)

4、d1（d1为喷嘴直径）。1.3喷嘴喷嘴的型式较多，本文选择结构简单、加工方便的圆锥形喷嘴。其主要结构参数有：喷嘴直径d、喷嘴圆柱段长度l、喷嘴内腔角θ。喷嘴直径已定为d=16mm，喷嘴内腔角θ选择与锥管收缩角相等，可使水流在水枪内做到平顺，不产生转折引起的水流干扰。喷嘴出口通常有一个圆柱段，目的是使水流出口后喷嘴不致过分收缩。根据孔口出流的水流特点，圆柱长度应在10mm左右。1.4直流开关在直流水枪的喷管上安装一控制开关，通过这个开关的开启或关闭达到控制喷射水流的大小。根据水枪多功能设计的要求，选择球阀作为控制开关。

5、1.5结构尺寸1直流设计在喷灌喷头的设计理论中，大中型喷头多采用直管稳流—锥管过渡—喷嘴出流的型式。直流水枪设计也采用这一型式，水枪相应的主要部件有接口、喷管（直管+锥管段）和喷嘴。1.1接口及喷嘴直径根据GB8181-87《消防水枪性能要求和试验方法》中的规定，消防水枪的喷嘴直径为13mm、16mm、19mm、22mm等4个系列。本文选择直径为16mm的喷嘴作为多功能水枪的喷嘴，相应选择接口尺寸为D1=50mm。1.2喷管（直管、锥管段）(1)喷管长度。喷管是指与水带接口断面至喷嘴入口断面之间的一段联接管。实验研究

6、表明：射程随喷管相对长度（喷管长度与喷管内径）增加而增加，开始射程增长率很快，继续增加喷管相对长度时，射程增长的速度则大大减慢下来。因此，从经济效益来看，对于远射程喷头来说，喷管长度可以适当长一些，采用（7~8）D2（D2为喷管内径）；[收稿日期]2004-03-07水枪型式为直管稳流—锥管过渡—喷嘴出流，喷嘴直径为16mm；喷嘴出口圆柱段长度10mm；喷嘴锥角为14°；锥管收缩角为14°；直管直径为45mm，长度为270mm，接口尺寸为50mm。接口与直管间设一圆弧过渡，则相应的直流流道如图1所示。3直流与喷雾工况

7、的转换3.1出流和断流开关目前，已确定选用球阀作为水流出流、断流的开关装置，在球阀外安装操作手柄来开闭水流，球阀安装位置位于喷管入口之前，球阀直径选为$75；通道尺寸为$45，与喷管直径相同。这样，在出流情况下，不会对水流造成干扰。3.2直流水枪与喷雾水枪的转换装置球阀通道是一段长61mm、直径为45mm的直管段。为了减小多功能消防水枪的总体长度，同时又为了工况转换时的方便，将喷雾水枪的导流装置安装在球阀通道内。于是，在直流水枪的基础上，实现了喷雾水枪的设计。3.3直流、喷雾和断流3种状态的转换在安装了导流装置的喷雾

8、水枪上，反过来如何实现直流水枪，是值得研究的问题。试验中发现，将喷雾水枪的导流装置倒转180°，可作为直流水枪使用。这时的水流先反向经过圆弧导流叶片，然后进入十字形稳流器进行整流，再加上喷管的作用，使得喷嘴出口的水流基本不存在沿圆周方向的切向速度，从而满足直流水枪对流态的要求。只是导流装置是一个局部阻力部件，对直流水枪的射程、流量会产生一定的影