消防炮主要结构简析与主要设计参数计算

邵大财，张志榜，张世凤

(南京消防器材股份有限公司，江苏南京 211112)

0 概述

消防炮按喷射介质可分为三种类型:1)消防水炮;2)消防空气泡沫炮;3)消防干粉炮。其中消防水炮以水作介质、射程远、对环竟无污染，是远距离扑救一般固体物质强有力的消防装备。消防水炮的扑救场所非常广泛，灭火救援作用十分显著。

消防灭火救援中应将流量大、射程远的消防炮作为一种重要的灭火装备，由于它的这种性能对消防人员实施消防救援具有保护意义，所以流量大、射程远的消防炮是消防产品中有巨大开发潜力的消防装备。

1 消防炮的结构

消防炮通常由三部分组成如图1。水平回转角度、俯仰角度是对消防炮操作的2个基本要求，其操作的灵活性和可靠性与操作部件有关。压力、流量、射程则是消防炮的3个基本性能参数，其中射程对消防炮的灭火性能起着十分重要的作用，也是衡量消防炮性能的关键参数。

图1 消防炮的结构

1.1 炮座部件

为了使消防炮具有水平回转、附仰回转的功能，通常消防炮的炮管制成“S”或“U”型，一般炮管材料则选用输送流体用无缝钢管与弯头焊接而成，也有采用铸造的。炮管的粗糙度，水平回转、俯仰回转与炮管连接处端面的缝隙，直接影响消防炮的射程。

a)压力表的设置

消防炮压力表接口应设置在消防炮的进水口处如图1，其作用是消防炮在作喷射性能试验时，便于测量进水口压力或直接配备带有压力表的消防炮供用户选用。目前市场上的消防炮一般都没有配压力表，也没有设置压力表接口，这不便于工程安装后的验收试验。有的消防炮虽然配有压力表，但压力表设置的位置不恰当，将压力表设置在U型弯管的内侧。根据GB19156-2003《消防炮通用技术条件》中水炮性能参数表里规定的流量、压力以及要达到的射程，其中的压力是指消防炮进口处的压力。显然消防炮进口处压力与消防炮U型弯管处压力是不同的，这是因为有压水在消防炮内流动其压力降是很大的，不可忽略。所以压力表位置不可随便设置。

b)炮座的管径与流量和流速的关系

消防炮的管径是根据流量Q及流速V两者来决定的。在流量Q一定的条件下，管径随着所选择流度V的大小而不同，流速大，则管径小，炮的体积就会小，炮的造价低。但流速大，会导致水头损失较大，炮的射程会小一点。相反，流速小，管径大，炮的体积就会大，炮的造价高。但是炮管内液体流速的降低会减少水头损失，从而可以增加炮的射程。

所以在确定消防炮管径时，应作经济比较。采用一定的流速既能满足一定的喷射性能又能使消防炮的制造总成本较低，这种流速称为经济流速，一般为10 m/s～15 m/s。

c)炮座管径的计算

式中:D-炮管内径(m);

Q-消防炮的额定流量(m3/s);

V-流速(m/s)。

d)水流通过消防炮其能量的变化［1］

根据伯努利方程:

式中:P-压强水头;

V2/2g-流速水头;

h-位置水头;

HL-磨察损失。

P+V2/2g+h为单位质量液体具有的机械能;也称为总水头。

上式表示理想液体做恒定流动时，沿同一流线，单位质量液体的机械能守恒。水流经过消防炮喷射出去其水流的总水头除因管子的磨察阻力产生热能而损失掉其余应转变成动能。磨察阻力的大小主要与流速和管道内表面的光滑度有关，而流速的大小与管径有关，可见管径和管道内表面的光滑度决定磨察阻的大小，是影响消防炮射程的主要因数之一。

1.2喷射部件

喷射部件的组成如图2。喷射部件是消防炮的关键部件，其导流器、稳流管、喷嘴的设计将极大地影响消防炮的灭火性能。

图2 喷射头

a)导流器

由于有压水流从输送管道进入炮管流速急剧增加，一般从5 m/s以下急速升到10 m/s～15 m/s，(在供水管中铸铁管内的流速一般为3 m/s以下，钢管内的流速一般为5 m/s以下。)而消防炮喷嘴口的流速可达30～50 m/s。又因为，为了使消防炮具有水平回转、附仰回转的功能，通常消防炮的炮管制成“S”或“U”型，这就使流进炮体内水流的流态变得非常紊乱(产生旋涡和轴向旋转等)。因此就需要在流体进入喷嘴前进行整流，即在喷嘴前的稳流管内设置导流器。这是一个影响消防炮射程最为关键的因数。

通常三凌型导流器的结构较合理如图2，水流被分割得均匀对称，而且对水流通过时的阻力较小。导流器的长度也是关键的一个参数，不易过长也不能太短。只有长度适中时，才能获得最佳射程。

b)喷嘴

1)喷嘴的结构设计与作用

喷嘴的结构设计是由锥管、锥管两端的过渡圆弧及喷嘴直段出口所组成的一个整体，喷嘴体呈流线型如图3。在喷嘴的出口处设有凹形沉孔，其作用是防止喷嘴出口磕碰而影响喷射性能。在加工工艺方面，喷嘴采用锻造、车加工，等方法制成。喷嘴与稳流管的连接采用焊接，与螺纹连接的喷嘴相比，该喷嘴设计合理，工艺先进，生产效率高、成本低、外形美观，水流阻力小等优点。

喷嘴的作用主要有二个:一是确定消防炮的额定流量;二是将水的压能全部转变为动能，产生射流，形成密实的水柱喷射出去达到灭火的目的。

图3 喷嘴

2)喷嘴出口的内径计算［2］

式中:Q-消防炮的额定流量(L/s);

d-消防炮喷嘴出口的内径(mm);

P-消防炮的额定公作压力(MPa)。

3)消防炮喷嘴的锥度

消防炮喷嘴锥度一般由试验获得，其经验值为13.5°。

2 操作部件

操作部件的组成如图4。该传动机构具有自锁的功能，即用手轮操纵消防炮的水平回转和俯仰回转至目标位置后，消防炮的回转部位不须要另外增设锁紧机构就可自锁，炮身不会因水柱的反力而发生偏转。采用该操作机构时还应考虑水平回转手轮操纵的灵活性，由于消防炮在工作时水平回转座不仅要承受消防炮自身的质量，而且还要承受喷射水柱的反力。因此要在水平回转座内设置轴承，如图1中的左视图，这有利于提高消防炮的操纵性能和可靠性能。

3 结论

在消防炮的设计中，炮座管内径和喷嘴内径是两个最基本，也是最关键的设计要数，它不仅要通过计算，还要经过实验、调整，才能确定。而炮管内壁包括稳流管及喷嘴内壁的光滑度不能忽视，只要选择合适的表面处理，就可获得。导流器设置是必须的，只有获得均匀顺直的水流，才能获得理想的喷射效果。

图4 操作部件

［1］张维佳.水力学［M］.北京:中国建筑工业出版社，2008.

［2］刘德民.WSTSKP型数空消防炮的结构分析与数值摸拟［EB/OL］.中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn2006-11.