018125 B1 018125 B1 (11) 018125

Евразийское
патентное
ведомство
(19)
(11)
018125
(13)
B1
(12)
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ
(45)
Дата публикации и выдачи патента
2013.05.30
(21)
(51) Int. Cl. A62C 31/02 (2006.01)
B05B 1/00 (2006.01)
Номер заявки
201001582
(22)
Дата подачи заявки
2010.11.01
(54)
КАВИТАЦИОННЫЙ НАСАДОК ПОЖАРНОГО СТВОЛА
(72)
Изобретатель:
(74)
Представитель:
Карпенчук Игорь Васильевич,
Петуховский Сергей Геннадиевич,
Пармон Валерий Викторович,
Черневич Ольга Владимировна (BY)
Гончаров В.В. (BY)
B1
где π=3,14; ρ - плотность жидкости; Q - расход жидкости; ξ - параметрический коэффициент
размерности, равный 0,98×10-2; v - коэффициент кинематической вязкости жидкости; рвн абсолютное внешнее давление за насадком.
(57)
B1
Изобретение относится к противопожарной технике, используемой для пожаротушения и
ликвидации других чрезвычайных ситуаций, и может быть использовано для распыления
огнетушащих средств с целью повышения дисперсности и однородности создаваемой посредством
насадка струи огнетушащего состава, что по сравнению с прототипом при равном расходе
жидкости позволяет достичь большей эффективности пожарного ствола при пожаротушении
за счет получения в насадке мелкодисперсного огнетушащего состава. Предлагаемый
кавитационный насадок характеризуется тем, что кавитирующий тракт выполнен в виде
последовательно расположенных участков различной конфигурации: участка линейного сужения,
характеризующегося углом конусности 15°, участка сферического сужения, цилиндрического
участка и конически расходящегося участка, характеризующегося углом конусности 70°; причем
длина каждого из участков пропорциональна произведению соответствующего коэффициента на
диаметр выходного отверстия насадка, значение которого определяется следующим выражением:
018125
(56) RU-С1-2184619
SU-A1-1405852
JP-A-2007185600
JP-A-2000167438
018125
(31) u20091096
(32) 2009.12.29
(33) BY
(43) 2011.06.30
(71)(73) Заявитель и патентовладелец:
УЧРЕЖДЕНИЕ "НАУЧНОИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ИНСТИТУТ ПОЖАРНОЙ
БЕЗОПАСНОСТИ И ПРОБЛЕМ
ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ"
МИНИСТЕРСТВА ПО
ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ
РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ (BY)
018125
Изобретение относится к противопожарной технике, используемой для пожаротушения и ликвидации других чрезвычайных ситуаций, и может быть использовано для распыления огнетушащих средств с
целью создания мелкодисперсной струи.
Известен насадок-распылитель (патент РБ №4895, опубл. 30.12.2008) на ручной пожарный ствол, состоящий из цилиндрического корпуса, перфорированной пластины, устанавливаемой в корпусе насадка и
делящей общий поток жидкости на радиально симметричные струи, при этом тонкодисперсное распыление
осуществляется сеткой, закрепленной на выходном конце корпуса насадка фиксирующей гайкой.
Недостатками насадка являются сложность изготовления, низкая и неоднородная дисперсность создаваемой распыленной струи жидкости.
Известен насадок ручного пожарного ствола по патенту РФ № 2124913, опубл. 20.01.1999, для использования при малых, средних и повышенных расходах воды с целью снижения ее входного давления
при сохранении эффективности пожаротушения в режиме сплошной струи или проникающей дальнобойной рассеянной струи воды. Для этого выходной кольцевой канал насадка выполняют так, что профили выходной части внутренней стенки корпуса и поверхности выходного наконечника обтекателя
имеют кривизну, возрастающую в направлении к выходу из ствола, а радиусы поперечных сечений этих
поверхностей уменьшаются в том же направлении. При таком исполнении ствола в режиме дальнобойной рассеянной струи входное давление снижается в среднем в 2 раза по сравнению с известными стволами. Однако недостатком ствола с известным насадком является сложность его изготовления из-за наличия в конструкции комбинации кольцевой формы канала с рассевающим телом в форме овалоида и,
следовательно, ограниченные возможности в формировании распыленной струи, в частности при создании защитного экрана (водяной завесы) и управлении факелом на выходе из насадка.
Известны пожарные стволы, имеющие кольцевой выходной канал для потока воды. Кольцевой канал обычно образован выходной частью насадка ствола и выходной частью обтекателя, установленного в
полости корпуса, либо стенки корпуса и закрытым концом питательной трубки, установленной в полости
корпуса, например американский ручной пожарный ствол ULTIMATIC-125, патент США № 5125579.
Известен также пожарный ствол по патенту США № 5261494, опубл. 16.11.93 г. Он имеет регулируемое кольцевое выходное отверстие для выпуска сплошной струи воды с различным диаметром струи,
которое образовано конусообразным выходным наконечником обтекателя, установленного в полости
корпуса ствола вдоль его оси, и профилированной выходной частью внутренней стенки корпуса. Профили наконечника и выходной части внутренней стенки корпуса имеют короткие участки сопряженных
поверхностей, обеспечивающих посадку обтекателя на стенку корпуса с целью перекрытия ствола. Известные пожарные стволы с кольцевым выходным каналом позволяют изменять расход воды в широком
диапазоне, а также получать кроме проникающего дальнобойного, но относительно узкого факела мелких капель воды и водяной пыли широкий туманообразный факел либо зонтообразный защитный водяной экран.
Основным недостатком известных пожарных стволов с кольцевым выходным каналом является относительно случайный, с точки зрения гидродинамики, выбор профиля этого канала, имеющего вид от
конического до цилиндрического либо извилистого, но не обеспечивающего возможности снижения
входного давления воды без потери эффективности пожаротушения. Наиболее близким к предлагаемому
является насадок по патенту РБ №3950, опубл. 30.10.2007, который выполнен в виде кольцевой трубки
Вентури с криволинейным конфузором, форма кривизны которого выполнена гиперболической. Геометрические размеры насадка заданы уравнением, связывающим гидродинамические параметры струи, ее
газосодержание с радиусом цилиндрической части насадка и углом конусности диффузора. Пожарный
ствол с данным насадком обеспечивает подачу сплошной или распыленной (с изменяющим углом факела) струи воды или раствора поверхностно-активного вещества (ПАВ), создание водяной завесы (защитного экрана) при тушении пожара.
Недостатками прототипа являются низкая и неоднородная дисперсность создаваемой распыленной
струи жидкости ввиду недостаточного достижения конструкцией насадка кавитационного эффекта.
Задачей изобретения является повышение дисперсности и однородности создаваемой посредством
насадка струи огнетушащего состава, что, по сравнению с прототипом, при равном расходе жидкости
позволяет достичь большей эффективности пожарного ствола при пожаротушении за счет получения в
насадке мелкодисперсного огнетушащего состава.
Достижение технической цели в соответствии с этой задачей осуществляется тем, что предлагается
кавитационный насадок пожарного ствола для получения мелкодисперсного огнетушащего состава, содержащий корпус с присоединительной резьбой для пожарного ствола, проточный кавитирующий тракт,
цилиндрическую выходную часть с набором сеток, в котором согласно изобретению проточный кавитирующий тракт выполнен в виде четырех участков различной конфигурации:
участка L1 линейного сужения длиной L1=(7-8)d0, начальным диаметром D1=8d0 и конечным диаметром D2=(5,8-6,0)d0, углом конусности β=15°;
участка сферического сужения длиной L2=(2,8-3,0)d0;
цилиндрического участка L3=2,5d0;
-1-
018125
конически расходящегося участка длиной L4=(1,1-1,2)d0 с углом конусности α=70°, диаметром
где d0 - диаметр выходного отверстия насадка;
π=3,1415;
ρ - плотность жидкости;
Q - расход жидкости;
ξ - параметрический коэффициент размерности, равный 0,98×10-2;
v - коэффициент кинематической вязкости жидкости;
р вн - абсолютное внешнее давление за насадком.
Сущность изобретения отражена на чертежах, где на фиг. 1 представлена схема кавитирующего
тракта; на фиг. 2 - общее устройство насадка.
Насадок-распылитель (устройство формирования струи) на ручной пожарный ствол содержит корпус 5 с присоединительной резьбой 6 для присоединения к пожарному стволу. В корпус заключен проточный кавитирующий тракт, обеспечивающий формирование мелкодисперсной струи пожаротушащей
жидкости и включающий последовательно: участок линейного сужения 1; участок сферического сужения 2; цилиндрический участок 3; конически расходящийся участок 4. За кавитирующим трактом в корпусе насадка помещена его цилиндрическая выходная часть 7 с набором сеток, помещаемым в насадок
при необходимости.
Эффект распыления в системе пожаротушения может быть достигнут путем обеспечения кавитационного режима истечения жидкости из насадка и распылителя, которые и служат основными кавитирующими элементами. При возникновении кавитации в потоке жидкости происходит образование, рост
и схлопывание кавитационных микрокаверн. Их схлопывание происходит по типу микровзрывов, при
этом в потоке жидкости возникают знакопеременные пульсации местных давлений и скоростей, образование кумулятивных микроструй. Все эти факторы способствуют улучшению качества распыливания,
образованию мелкодисперсной распыляемой среды.
Возникновение кавитации в насадках пожарных стволов и распылителей, как правило, может программироваться в выходной части. Кроме того, необходимо учитывать то, что на развитие кавитации
влияет внешнее противодавление на выходе из сопла. В рассматриваемом случае это атмосферное давление. В полостях струйных элементов (насадках и распылителях) протекают сложные гидродинамические
явления, связанные как с геометрией струйного устройства, так и с самой рабочей средой. Точный учет
всех явлений, сопутствующих работе струйного устройства, представляет практически невыполнимую
задачу. Однако на основании проведенных исследований, опыта разработок и применения гидравлических струйных аппаратов авторы разработали следующий алгоритм расчета параметров струйных устройств при заданных расходе и давлении.
При расчете проточной части распыляющего устройства необходимо учесть рассчитанные качества
распыления среды при заданных параметрах ее истечения, а также реологические свойства распыляемой
среды и далее выполнить следующие этапы и условия:
1) расчет диаметра выходного отверстия - сопла предлагаемого насадка - производится исходя из
обеспечения необходимого расхода при заданном перепаде давления. В первом приближении задаемся
диаметром выходного сечения сопла
где ρ - плотность жидкости;
µ - коэффициент расхода (для распыляющих насадков на начальной стадии проектирования может
быть принят µ=0,6[1]);
Q - расход жидкости;
p - давление;
2) расчет проточной части насадка производится исходя из минимизации гидравлических потерь.
Обычной функцией, выполняемой соплами во многих струйных аппаратах, является повышение
дальнобойности. В таких случаях их геометрия представляет плавно очерченный сходящийся канал и
основная задача их оптимизации определена достаточно точно и заключается в нахождении максимального коэффициента расхода либо минимального коэффициента местного сопротивления.
Принципиально другое положение при расчете насадков, используемых для распыливания жидкостей. Здесь в отличие от предыдущего случая весьма желательно появление неустойчивости течения на
выходе из сопла, что обычно достигается резкими изломами проточного тракта [2, 3]. Последняя мера
неизбежно вызывает вихреобразование и, в конечном итоге, увеличение потерь. Поэтому цель оптимизации в данном случае заключается в получении решения, когда, с одной стороны, обязательно должна
присутствовать задаваемая форма неустойчивости, а с другой - коэффициент расхода насадка желательно
-2-
018125
сохранить как можно более высоким. Исходя из этого, была разработана схема проточного тракта распыливающего насадка (фиг. 1).
Сужающаяся часть проточного тракта насадка выполнена в виде двух участков, участка линейного
сужения 1 длиной L1 и участка 2 сферического сужения длиной L2. Цилиндрический участок 3 длиной L3
необходим для создания истечения типа "истечение через отверстие с острой кромкой". Такие условия
истечения обеспечивают максимальное возмущение на выходе, так как линии тока при подходе к цилиндрическому участку имеют максимальное значения углов схождения. С другой стороны, длина цилиндрической части проточного тракта должна превышать её диаметр более чем в два раза. В противном случае образующаяся на передней кромке отрывная область (второй источник возмущений) может достигать выходного отверстия и сглаживать эффект истечения через отверстие с острой кромкой.
Для расширяющейся части 4 длиной L4 должен быть принят такой угол раскрытия, при котором истечение происходит так, что жидкость не касается стенок. Это обеспечивается при угле α=70°.
Эксперименты с высокоскоростными струями [3] показали: минимум гидравлических потерь наблюдается при углах конусности β=13-15° и соотношении диаметров на входе и выходе в насадок
D1/d0>8, поэтому в расчетах принимаем
Длину линейного сужения L1 рекомендуется назначить не более чем D1 [5], поэтому принимаем
длину линейного сужения равной D1, т.е.
Определим конечный диаметр линейного сужения D2
Принимаем угол β=15°, получаем
Найдем длину сферического сужения
или
Проточный тракт спроектирован таким образом, чтобы в его внутреннюю полость вписывалась поверхность, очерченная насадком коноидального профиля, обеспечивающего минимум гидравлических
потерь. Такой профиль сужающегося насадка может быть рассчитан по формуле Витошинского [4]
где r, x - текущие поперечная и продольная координаты
Считая, что входная и выходная кромки проточного тракта насадка лежат на "профиле Витошинского", определим длину цилиндрического участка. При этом известна радиальная координата искомой
точки. Поскольку искомое значение x задано неявно, определим её подбирая r1, тогда длина цилиндрического участка 3 определяется как
Длина расширяющейся части проточного тракта при α=70° будет
3) Расчет насадка с использованием эффекта кавитации.
Возникновение кавитации в рассматриваемом типе канала может происходить в цилиндрическом
участке 3. Кроме того, необходимо учитывать, что на возникновение и развитие кавитации влияет внешнее противодавление на выходе из сопла. В рассматриваемом случае это атмосферное давление.
Кавитационные явления в сопле насадка возникают при условии [1]
где p вн - давление за соплом;
p нп- давление насыщенных паров;
ρ - плотность жидкости;
ϑ - средняя скорость на выходе из сопла;
-3-
018125
β - угол конусности сопла.
После преобразований, пренебрегая величиной давления насыщенных паров вследствие его малости по сравнению с давлением перед соплом, получим формулу для определения диаметра выходного
отверстия, необходимого для достижения кавитационного эффекта при прохождении огнетушащей жидкости через участки 1-3 кавитирующего насадка:
где π=3,1415;
ρ - плотность жидкости;
Q - расход жидкости;
ξ - параметрический коэффициент размерности, равный 0,98×10-2;
v - коэффициент кинематической вязкости жидкости;
Р вн - абсолютное внешнее давление за насадком.
Насадок работает следующим образом.
Вода или раствор поверхностно-активного вещества (ПАВ) через ручной пожарный ствол с навинченным на него посредством присоединительной резьбы 6 корпусом 5 насадка попадает на участок линейного сужения 1 кавитирующего тракта, где общий поток по уменьшающемуся диаметру конуса фокусируется на участок сферического сужения 2. Для придания струе жидкости необходимой кинетической
энергии участок 1 имеет следующие параметры (фиг. 1): длина L1=(7-8)d0, начальный диаметр D1=8d0;
конечный диаметр D2=(5,8-6,0)d0; где d0 - диаметр цилиндрического участка 3; угол конусности β=15°.
С целью снижения входного давления огнетушащей жидкости диаметры поперечных сечений внутренней стенки участка 1 кавитационного тракта уменьшаются в направлении выхода из насадка, а внутренняя поверхность участка 2 сферического сужения на его длине, равной L2=(2,8-3,0)d0, выполнена с
кривизной, возрастающей в направлении к выходу из ствола. При таком выполнении входной части (участки линейного и сферического сужения 1, 2) кавитирующего тракта насадка жидкость, находясь под
действием центростремительной силы со стороны внутренней стенки с возрастающей кривизной участка
2, в любом осевом продольном сечении канала приобретает вращательное движение в направлении к
входу в цилиндрический участок 3, образуя завихрения. Длина цилиндрического участка L3=2,5d0. Так
как d0<D1, то цилиндрический участок 3 не способен пропустить всю жидкость так же быстро, как она
поступает на вход насадка, поэтому возрастание текущих местных скоростей вихревых потоков жидкости создают изменения в ее однородном давлении. Таким образом, на входе в участок 3 происходит понижение давления огнетушащей жидкости вследствие повышения местных скоростей в ее потоке из-за
столкновения с искривляющейся поверхностью, и возникает гидродинамический кавитационный эффект,
приводящий к насыщению жидкости пузырьками газа (пара) и усилению ее мелкодисперсности. Конически расходящийся участок 4 служит для формирования факела огнетушащей струи на выходе ее из насадка. Экспериментально подтверждены оптимальные параметры участка 4: длина L4=(1,1-1,2)d0 с соответствующим углом конусности α=70°.
Окончательное тонкодисперсное распыление водяных струй происходит на наборе сеток в цилиндрической выходной части 7, установленной на выходе насадка распылителя.
Источники информации
1. Бочаров В.П. Расчет и проектирование устройств гидравлической струйной техники. Киев: Техника, 1987, 127 с.
2. Девяткин Ю.Ф. Распыливание жидкости Гидродинамика газожидкостных систем. М.: Машиностроение, 1977, 207 с.
3. Гиль B.C. Исследование динамики движения свободной струи капельной жидкости лазерными
методами. Минск: Препринт ЦТМО АН БССР, 1971, 42 с.
4. Дэйч М.Е. Газодинамика диффузоров и выхлопных патрубков турбомашин. М.: Энергия, 1970,
384 с.
5. Пажи Д.Г. и др. Форсунки в химической промышленности. М.: Химия, 1971, 224 с.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Кавитационный насадок пожарного ствола, содержащий корпус с присоединительной резьбой
для пожарного ствола, проточный кавитирующий тракт, цилиндрическую выходную часть с набором
сеток, отличающийся тем, что проточный кавитирующий тракт выполнен в виде последовательно расположенных участков различной конфигурации: участка линейного сужения, характеризующегося углом
конусности 15°, участка сферического сужения, цилиндрического участка и конически расходящегося
участка, характеризующегося углом конусности 70°, причем длина каждого из участков пропорциональна произведению соответствующего коэффициента на диаметр выходного отверстия насадка, значение
которого определяется следующим выражением:
-4-
018125
где π =3,14;
ρ - плотность жидкости;
Q - расход жидкости;
ξ - параметрический коэффициент размерности, равный 0,98×10-2;
v - коэффициент кинематической вязкости жидкости;
р вн - абсолютное внешнее давление за насадком.
2. Насадок по п.1, отличающийся тем, что участок линейного сужения имеет следующие параметры: длина от 7 до 8 раз больше диаметра d0 выходного отверстия насадка, начальный диаметр равен 8 d0,
а конечный диаметр от 5,8 до 6 раз больше, чем d0.
3. Насадок по п.1, отличающийся тем, что длина участка сферического сужения от 2,8 до 3 раз
больше диаметра d0 выходного отверстия насадка.
4. Насадок по п.1, отличающийся тем, что длина цилиндрического участка в 2,5 раза превышает его
диаметр d0.
5. Насадок по п.1, отличающийся тем, что длина конически расходящегося участка от 1,1 до 1,2 раз
больше диаметра d0 выходного отверстия насадка.
Фиг. 1
Фиг. 2
Евразийская патентная организация, ЕАПВ
Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2
-5-