一种消防炮机构设计及其方法与流程

1.本发明涉及消防用具设计方法技术领域，具体涉及一种消防炮机构设计及其方法。


背景技术：

2.消防水炮是消防实战中运用最广泛的灭火装备之一，它使得消防人员能够站在离火场辐射热、爆炸危险、有毒浓烟区较远的地方进行灭火，同时消防水炮不仅灭火效率高，而且威力大，从而在移动的消防车、消防船上或常规灭火设备中都得到广泛运用。在一些容易发生恶性区域性火灾场所中，如石油化工、机场、码头等，消防炮同样起到了不可替代的作用。
3.消防炮具有流量大、射程远和工作稳定可靠等特点，已成为消防实战中运用最广泛的灭火装备之一。传统的消防炮由于炮体自身结构存在多个弯曲，造成水流动能量损失直接影响了消防炮射程，增加了能耗，降低了灭火效率，常见的传统消防炮主要由进口连接附件、炮体、喷射部件组成。炮体通过调节水平方向的选择和竖直方向的俯仰运动实现喷射方向的改变。但传统的炮体是由若干节弯曲的管道通过串联方式连接在一起，利用蜗轮蜗杆传动改变两节相邻的弯管之间的位置，通过弯管的旋转实现喷射方向的改变。这种串联结构形式的消防炮由于炮体自身的弯曲，对水流形成较大的阻力，由此造成的压力损失直接影响了射程，增加了能耗，降低了灭火效率。


技术实现要素：

4.本发明目的是提供一种消防炮机构设计及其方法，解决了管道受到水力阻力大、消防炮射程大，增加了能耗，降低了灭火效率的技术问题，是通过如下方案实现的。
5.为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种消防炮机构设计，其特征在于，包括由喷嘴、炮管、炮管支座、中心主轴、动平台、支撑杆、摇杆、蜗轮蜗杆、轴承支座、蜗轮轴机架和电机组成，炮管在炮管支座的固定下与中心主轴连成一体，电机带动上蜗杆，上蜗轮与中心轴一起转动带动炮管与喷嘴进行360旋转，实现消防炮工作时的其中一个水平旋转运动，同时电机带动下蜗杆进而传动下蜗轮，下蜗轮中开有装销的螺纹孔，而下摇杆中开有放轴承的槽，将销安装在蜗轮的螺纹孔中进而与下摇杆中的轴承相配合，当下蜗轮转动时，销迫使下摇杆在一定角度范围进行往复摇摆，下摇杆往下拉动或向上推动上摇杆，上摇杆带动动平台在垂直方向进行俯仰运动
6.一种消防炮机构设计方法，其特征在于，包括消防接口、主流通径和喷嘴直径；所述消防接口为内扣式、卡口式、螺纹式任意一种；
7.所述主流通径中流道内径一般为等截面的圆形管道；
8.所述喷嘴的结构包括流道形状、整体长度和进出口直径大小，当消防炮的额定流量和额定工作压力确定后，由于水射流需要以一定的射流速度才能达到射程要求，因此喷嘴的出口直径相应确定，喷嘴直径的大小与消防炮在一定的工作压力下过流能力的大小相
对应，工作压力不变，喷水流量随着喷嘴的直径增大而增大，消防炮喷嘴的出口速度可以按照如下计算：
[0009][0010]
其中：v
out
：喷嘴水流出口速度，m/s；
[0011]
g:重力加速度，9.8m/s；
[0012]
h1:喷嘴出口压力水头，即水流的压力势能，m，压力与压力水头之间的转换关系为1mpa，相当于100m；
[0013]
消防炮流量与喷嘴出口面积的关系：
[0014]
q＝a
0vout
[0015]
式中q为水炮流量，l/s：a0为喷嘴出口截面积,mm2；
[0016]
喷嘴出口面积计算：
[0017][0018]
式中d0为喷嘴出口直径，mm；
[0019]
综上所得，整理喷嘴直径表达式：
[0020][0021]
消防炮的额定工作压力为1mpa，由于水流在直管流道内压力损失为0.0125mpa，同时水流从地面到达直管流道入口垂直高度需要能量从而引起压力损失，则喷嘴最终入口压力为：
[0022]
p1＝p
额-δp
1-ρgh
×
10-6
[0023]
式中：p1为喷嘴入口压强，mpa；p
额
为消防炮额定工作压强，mpa；
[0024]
p为水的密度，1000kg/m3；
[0025]
h为消防炮动平台的高度，0.65m，
[0026]
计算得出：
[0027][0028][0029]
通过比较
[0030][0031]
判断水流为湍流,不是还是缓流。
[0032]
进一步的，还包括炮管流道的入口速度，由流体的连续性可知：
[0033][0034]
式中：vm为水炮炮管流道入口速度，m/s，a1为水炮炮管流道入口截面积，mm2；
[0035]
炮管流道截面积如下式计算：
[0036][0037]
式中：d1为流道通径,mm；
[0038]
由上述可计算水炮的入口速度为：
[0039][0040]
进一步的，所述喷嘴为低压喷嘴、空心锥形喷嘴、流线型喷嘴任意一种，流线型喷嘴具有一条类似于正切函数在x轴上从-π/2到π/2的函数图的流道母线，流道母线用以下方程表示：
[0041][0042][0043]
x为流道母线上的点投影到坐标x轴上的值，d1为喷嘴流体入口处的直径，d0为喷嘴出口处的直径，β为流道角的大小，在0-85
°
之间取值，y为流道上的点投影到y坐标轴上的值，h为喷嘴长度。
[0044]
进一步的，所述消防接口还包括由铝合金制成的密封圈套，密封圈套一端带有沟槽，另一端用来连接水带，所述消防接口上的圆形凸起的部分与沟槽相连接。
[0045]
本发明的技术效果在于：
[0046]
1、对消防炮的灭火系统进行了分析，根据国家相关标准和市场上的产品信息确定了消防炮性能参数和结构参数。通过机构创新和结合机械设计相关理论知识，设计出了满足消防炮工作时所需要的两个转动自由度的串、并混联机构-基于并联结构的消防炮，成功将直管流道运用在消防炮上。并运用第三强度理论对消防炮炮管壁进行了应力校核和验证；
[0047]
2、针对消防炮流线型喷嘴长度最佳取值问题，采用fluent数值模拟方法仿真不同长度的流线型喷嘴对消防炮射流性能影响，通过分析喷嘴射流的速度、压力以及湍动能物理变化规律得出最佳的长度取值范围。确定长度值后，采用三维建模软件建立喷嘴实体剖面模型，并运用matlab计算得到了喷嘴流道母线不同角度对应的坐标值。通过分析消防炮喷嘴的喷射介质以及磨损程度等，对喷嘴的材质进行了选择；
[0048]
3、以传统串联结构消防炮和本项目设计的基于并联结构消防炮为研究对象，运用相关水力学理论知识对两者的流道压降和射流反冲力进行了计算，并运用fluent软件对两者的流道压力场进行了仿真分析，结果验证了并联结构的消防炮水力学性能的优越性。
附图说明
[0049]
图1为本发明消防炮机构的正视图；
[0050]
图2为本发明消防炮机构的左视图；
[0051]
图3为本发明流线型喷嘴函数图的流道母线；
[0052]
图4为本发明流线型喷嘴的剖视图；
[0053]
图5为本发明不同使用方式的消防炮对应俯仰角范围表格。
[0054]
附图标记、1-炮管；2-炮管支座；3-电机；4-上蜗杆；5-上蜗轮；6-下蜗杆；7-下蜗轮；8-下摇杆；9-上摇杆。
具体实施方式
[0055]
参照附图1-4，一种消防炮机构设计，其特征在于，包括由喷嘴、炮管、炮管支座、中心主轴、动平台、支撑杆、摇杆、蜗轮蜗杆、轴承支座、蜗轮轴机架和电机组成，炮管1在炮管支座2的固定下与中心主轴连成一体，电机3带动上蜗杆4，上蜗轮5与中心轴一起转动带动炮管1与喷嘴进行360旋转，实现消防炮工作时的其中一个水平旋转运动，同时电机3带动下蜗杆6进而传动下蜗轮7，下蜗轮7中开有装销的螺纹孔，而下摇杆8中开有放轴承的槽，将销安装在蜗轮的螺纹孔中进而与下摇杆8中的轴承相配合，当下蜗轮7转动时，销迫使下摇杆8在一定角度范围进行往复摇摆，下摇杆8往下拉动或向上推动上摇杆9，上摇杆9带动动平台在垂直方向进行俯仰运动
[0056]
一种消防炮机构设计方法，其特征在于，包括消防接口、主流通径和喷嘴直径；所述消防接口为内扣式、卡口式、螺纹式任意一种；
[0057]
所述主流通径中流道内径一般为等截面的圆形管道；
[0058]
所述喷嘴的结构包括流道形状、整体长度和进出口直径大小，当消防炮的额定流量和额定工作压力确定后，由于水射流需要以一定的射流速度才能达到射程要求，因此喷嘴的出口直径相应确定，喷嘴直径的大小与消防炮在一定的工作压力下过流能力的大小相对应，工作压力不变，喷水流量随着喷嘴的直径增大而增大，消防炮喷嘴的出口速度可以按照如下计算：
[0059][0060]
其中：v
out
：喷嘴水流出口速度，m/s；
[0061]
g:重力加速度，9.8m/s；
[0062]
h1:喷嘴出口压力水头，即水流的压力势能，m，压力与压力水头之间的转换关系为1mpa，相当于100m；
[0063]
消防炮流量与喷嘴出口面积的关系：
[0064]
q＝a
0vout
[0065]
式中q为水炮流量，l/s：a0为喷嘴出口截面积,mm2；
[0066]
喷嘴出口面积计算：
[0067][0068]
式中d0为喷嘴出口直径，mm；
[0069]
综上所得，整理喷嘴直径表达式：
[0070][0071]
消防炮的额定工作压力为1mpa，由于水流在直管流道内压力损失为0.0125mpa，同时水流从地面到达直管流道入口垂直高度需要能量从而引起压力损失，则喷嘴最终入口压
力为：
[0072]
p1＝p
额-δp
1-ρgh
×
10-6
[0073]
式中：p1为喷嘴入口压强，mpa；p
额
为消防炮额定工作压强，mpa；
[0074]
p为水的密度，1000kg/m3；
[0075]
h为消防炮动平台的高度，0.65m，
[0076]
计算得出：
[0077][0078][0079]
通过比较
[0080][0081]
判断水流为湍流,不是还是缓流。
[0082]
本方案的具体实施例为，还包括炮管流道的入口速度，由流体的连续性可知：
[0083][0084]
式中：vm为水炮炮管流道入口速度，m/s，a1为水炮炮管流道入口截面积，mm2；
[0085]
炮管流道截面积如下式计算：
[0086][0087]
式中：d1为流道通径,mm；
[0088]
由上述可计算水炮的入口速度为：
[0089][0090]
本方案的具体实施例为，所述喷嘴为低压喷嘴、空心锥形喷嘴、流线型喷嘴任意一种，流线型喷嘴具有一条类似于正切函数在x轴上从-π/2到π/2的函数图的流道母线，流道母线用以下方程表示：
[0091][0092][0093]
x为流道母线上的点投影到坐标x轴上的值，d1为喷嘴流体入口处的直径，d0为喷嘴出口处的直径，β为流道角的大小，在0-85
°
之间取值，y为流道上的点投影到y坐标轴上的值，h为喷嘴长度。
[0094]
本方案的具体实施例为，所述消防接口还包括由铝合金制成的密封圈套，密封圈套一端带有沟槽，另一端用来连接水带，所述消防接口上的圆形凸起的部分与沟槽相连接。
[0095]
本方案的具体实施例为，消防炮的设计性能指标参数主要包括工作流量、工作压
力、射程和水炮的俯仰角。只有这些参数选择正确，才能保障所设计的消防炮满足工作要求。
[0096]
(1)工作流量
[0097]
消防炮工作时，在消防炮泵增压的作用下，水流从流道口进入，从喷嘴口喷射到空气中。水流喷射流量的多少主要跟喷射的时间、工作压力和喷嘴的直径有关。在工作压力条件下，单位时间内从喷嘴喷出的水流体积即为工作流量，单位为l/s，也可以用l/min表示。因此在工作压力一定的条件下，喷嘴直径越大，工作流量越大。相反，喷嘴直径一定，工作压力越大，工作流量越大。一般情况下随着流量的增加，灭火的效率也不断的提高。
[0098]
(2)工作压力
[0099]
消防炮泵是用作输送水或其它泡沫溶液等液体灭火剂的专用泵，当消防炮工作时，消防泵在出口处所能提供的压力为工作压力，也是消防炮喷射管入口压力，单位为mpa。工作压力与喷嘴出口处的压力存在着一定的差值。因为当流体在流道内流动时，流体与内壁之间和流体层之间产生摩擦而导致能量损失，同时由于流体在流道内的流动状态不同，导致的压力损失不同。因此提高流道内壁的光滑程度和减小流体的湍流强度是减小压力损失的主要办法。
[0100]
(3)消防炮射程
[0101]
射程一般主要是指消防水炮在仰角30
°
时所能达到的水平射程，主要受到工作压力、流量和水炮仰角以及外界工作环境等因素的影响。水炮射程的确定主要是依据水炮与被保护对象的距离以及被保护对象的高度进行选择。当按照实际要求设计消防水泡的工作压力时，发现与额定工作压力不一致，实际工作压力不应超出规定的范围。消防水炮的设计射程可以按照下面的计算公式确定：
[0102][0103]
其中：
[0104]ds
：水炮的设计射程，m；
[0105]dso
：在额定工作压力状态下水炮的射程，m；
[0106]
pe：水炮的设计工作压力，mpa；
[0107]
po：水炮的额定工作压力，mpa。
[0108]
水炮的设计流量参数按下式计算：
[0109][0110]
其中：
[0111]qs
：水炮的设计流量，l/s；
[0112]qs0
：水炮的额定流量，l/s。
[0113]
(4)水炮俯仰角
[0114]
水炮的俯仰角是指消防炮工作时在水平方向旋转时，竖直方向俯仰角度范围。水炮的俯仰角越大，则工作范围越大，但是使用方式的不同对俯仰角的范围要求不同。传统的
消防炮主要依靠装在弯曲炮管身上的蜗轮蜗杆来实现不同的俯仰角。
[0115]
由说明书附图5可知，消防水炮的使用方式不同，其喷嘴距离地面的水平高度也不同，因此水炮所要求的最小俯角和最大仰角不同，水平回转角也有不同的要求。
[0116]
本方案的具体实施例为，消防水炮主流通径指的是水流从炮管入口至出水口部分的流道内径。流道内径一般为等截面的圆形管道。传统消防炮的流道由于存在多个弯道，因此截面路径发生急剧的变化，导致水流在流道内壁的摩擦增加，引起沿程压力损失的增大。当水流流经弯道时，弯道曲率半径小，截面变化急水流产生局部湍流同时引起局部阻力损失。消防水炮主流通径与消防接口相对应，所以当消防接口确定后，主流通径大小也相应确定。圆形流道通径用直径表示，单位为mm，用当量直径表示非圆形流道。
[0117]
本方案的具体实施例为，喷嘴的结构主要包括三部分：流道形状、整体长度和进出口直径大小。消防泵提供一定压力的作用，水流以一定的流量进入炮管流道，经过整个流道后最终到达喷嘴出口处以水柱的形式喷射到空气中。当消防炮的额定流量和额定工作压力确定后，由于水射流需要以一定的射流速度才能达到射程要求，因此喷嘴的出口直径相应确定。喷嘴直径的大小与消防炮在一定的工作压力下过流能力的大小相对应，工作压力不变，喷水流量随着喷嘴的直径增大而增大。
[0118]
本方案的具体实施例为，层流是指流体稳定的沿轴向运动，流线之间层次分明，互不参杂，流体质点不发生垂直于主流方向的横向运动。与层流相对应的是紊流，指流体作不定常运动，具有复杂、无规则和随机的特点。层流与紊流可以用一个参数re，即雷诺数的值来判断，雷诺通过大量的实验测定得到下临界雷诺数re＝2320，上临界雷诺数re＝13800
[0119]
当时，流体状态为层流；当时，
[0120]
流体状态为过渡流。由于一般情况下2320很难达到，因此取2000作为下临界雷诺数的值。而上临界由于实验条件的不同数值差异很大，所以上临界雷诺数没有实用意义，因此，将下雷诺数作为层流与紊流的判断依据。
[0121]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

技术特征：
1.一种消防炮机构设计，其特征在于，包括由喷嘴、炮管、炮管支座、中心主轴、动平台、支撑杆、摇杆、蜗轮蜗杆、轴承支座、蜗轮轴机架和电机组成，炮管在炮管支座的固定下与中心主轴连成一体，电机带动上蜗杆，上蜗轮与中心轴一起转动带动炮管与喷嘴进行360旋转，实现消防炮工作时的其中一个水平旋转运动，同时电机带动下蜗杆进而传动下蜗轮，下蜗轮中开有装销的螺纹孔，而下摇杆中开有放轴承的槽，将销安装在蜗轮的螺纹孔中进而与下摇杆中的轴承相配合，当下蜗轮转动时，销迫使下摇杆在一定角度范围进行往复摇摆，下摇杆往下拉动或向上推动上摇杆，上摇杆带动动平台在垂直方向进行俯仰运动。2.一种消防炮机构设计方法，其特征在于，包括消防接口、主流通径和喷嘴直径；所述消防接口为内扣式、卡口式、螺纹式任意一种；所述主流通径中流道内径一般为等截面的圆形管道；所述喷嘴的结构包括流道形状、整体长度和进出口直径大小，当消防炮的额定流量和额定工作压力确定后，由于水射流需要以一定的射流速度才能达到射程要求，因此喷嘴的出口直径相应确定，喷嘴直径的大小与消防炮在一定的工作压力下过流能力的大小相对应，工作压力不变，喷水流量随着喷嘴的直径增大而增大，消防炮喷嘴的出口速度可以按照如下计算：其中：v
out
：喷嘴水流出口速度，m/s；g:重力加速度，9.8m/s；h1:喷嘴出口压力水头，即水流的压力势能，m，压力与压力水头之间的转换关系为1mpa，相当于100m；消防炮流量与喷嘴出口面积的关系：q＝a
0vout
式中q为水炮流量，l/s：a0为喷嘴出口截面积,mm2；喷嘴出口面积计算：式中d0为喷嘴出口直径，mm；综上所得，整理喷嘴直径表达式：消防炮的额定工作压力为1mpa，由于水流在直管流道内压力损失为0.0125mpa，同时水流从地面到达直管流道入口垂直高度需要能量从而引起压力损失，则喷嘴最终入口压力为：p1＝p
额-δp
1-ρgh
×
10-6
式中：p1为喷嘴入口压强，mpa；p
额
为消防炮额定工作压强，mpa；p为水的密度，1000kg/m3；h为消防炮动平台的高度，0.65m，计算得出：
通过比较判断水流为湍流,不是还是缓流。3.根据权利要求2所述的一种消防炮机构设计方法，其特征在于，还包括炮管流道的入口速度，由流体的连续性可知：式中：v
m
为水炮炮管流道入口速度，m/s，a1为水炮炮管流道入口截面积，mm2；炮管流道截面积如下式计算：式中：d1为流道通径,mm；由上述可计算水炮的入口速度为：4.根据权利要求2所述的一种消防炮机构设计方法，其特征在于，所述喷嘴为低压喷嘴、空心锥形喷嘴、流线型喷嘴任意一种，流线型喷嘴具有一条类似于正切函数在x轴上从-π/2到π/2的函数图的流道母线，流道母线用以下方程表示：π/2到π/2的函数图的流道母线，流道母线用以下方程表示：x为流道母线上的点投影到坐标x轴上的值，d1为喷嘴流体入口处的直径，d0为喷嘴出口处的直径，β为流道角的大小，在0-85
°
之间取值，y为流道上的点投影到y坐标轴上的值，h为喷嘴长度。5.根据权利要求4所述的一种消防炮机构设计方法，其特征在于，所述消防接口还包括由铝合金制成的密封圈套，密封圈套一端带有沟槽，另一端用来连接水带，所述消防接口上的圆形凸起的部分与沟槽相连接。

技术总结
本发明涉及一种消防炮机构设计及其方法，包括由喷嘴、炮管、炮管支座、中心主轴、动平台、支撑杆、摇杆、蜗轮蜗杆、轴承支座、蜗轮轴机架和电机组成，炮管在炮管支座的固定下与中心主轴连成一体，电机带动上蜗杆，上蜗轮与中心轴一起转动带动炮管与喷嘴进行360旋转，实现消防炮工作时的其中一个水平旋转运动，同时电机带动下蜗杆进而传动下蜗轮，下蜗轮中开有装销的螺纹孔，而下摇杆中开有放轴承的槽，将销安装在蜗轮的螺纹孔中进而与下摇杆中的轴承相配合，当下蜗轮转动时，销迫使下摇杆在一定角度范围进行往复摇摆，下摇杆往下拉动或向上推动上摇杆。有益效果：本发明提高消防炮的灭火射程，增加灭火的反应敏捷程度，切实提高灭火效率。效率。效率。


技术研发人员：方正 乐党救 唐珏菁 李浩翥 柯章驹 陈敏 周二合 杨益芳
受保护的技术使用者：合肥中科贝伦科技有限公司
技术研发日：2022.09.26
技术公布日：2023/1/6