Истечение жидкости из пожарных стволов

Насадкой, или стволом, называется присоединенная к отверстию в стенке трубка, длина которой составляет 3-4 диаметра отверстия. Различают следующие основные типы насадок:

1) цилиндрические (внешние – а и внутренние – б);

2) конические (сходящиеся – в и расходящиеся – г);

3) коноидальные с закругленными очертаниями по форме сжатия струи – д.

Большое влияние на скорость истечения и расход жидкости из насадок оказывает форма продольного профиля насадки. Например, устройство плавного закругления на входе может полностью устранить внутреннее сжатие струи и вызвать увеличение скорости и расхода.

а б в г д

Рис. 10. Типы насадок:

а, б – цилиндрические внешний и внутренний; в – конический сходящийся;

г – конический расходящийся; д – коноидальный

За принцип истечения жидкости из пожарных стволов взято истечение жидкости из внешней цилиндрической насадки.

Внешние цилиндрические насадки. Струя жидкости при входе в насадку сжимается, после чего вновь расширяется и заполняет все сечение насадки. В промежутке между сжатым сечением и стенками насадки образуется вихревая зона. Так как струя выходит из насадки полным сечением, то коэффициент сжатия ε=1, а коэффициенты расхода μ= ε, φ= φ, т.е. для цилиндрической насадки коэффициенты расхода и скорости имеют одинаковую величину.

Составляя уравнение Бернулли для сечений I-I и II-II, взятых на свободной поверхности жидкости в сосуде и в месте выхода струи из насадки, и рассуждая точно также, как и в случае истечения жидкости из отверстия в тонкой стенке, получим следующие расчетные формулы:

1) для скорости истечения из насадки

, (50)

где φ – коэффициент скорости,

(51)

ξ – коэффициент сопротивления.

2) для расхода при истечении из насадки (приложение 1, табл. 6)

,

где μ – коэффициент расхода;

F – живое сечение насадки.

Напор перед насадкой из этой формулы определится как

. (52)

Формулу для расхода из насадка вида

(53)

можно преобразовать как

, (54)

где называется проводимостью насадки.

Соответствующее выражение для напора:

, (55)

где называется сопротивлением насадки.

Значения проводимостей p и сопротивлений s для насадок различного диаметра при μ=1 следующие:

d,мм
р, для Н, м	0,588	0,891	1,26	1,68	2,17	2,73	3,56	5,02
s для Q,	2,89	1,26	0,634	0,353	0,212	0,134	0,079	0,04

Пожарные струи

Рис. 11. Типичная форма насадок пожарных стволов для получения сплошных струй

Для получения дальнобойных струй, обладающих достаточно большой ударной силой, в пожарной технике используют ручные и лафетные стволы с насадками 13, 16, 19, 22, 25 мм, лафетные стволы имеют насадки 28, 32, 38, 50 и 65 мм.

В насадке происходит преобразование потенциальной энергии давления в энергию движения. Для придания струе большой скорости диаметр выходного сечения насадки должен быть меньше диаметра подводящего трубопровода.

Типичная форма насадок, дающих удовлетворительное качество струй, показана на рисунке 12. Коническая часть насадки с углом конусности от 8 до 15⁰ переходит в цилиндрическую, длина которой для ручных стволов составляет около одного диаметра, а для лафетных стволов ²/₃ – ³/₄ диаметра выходного сечения насадки. На конце цилиндрической части насадки обычно делается кольцевая выточка для защиты выходной кромки от повреждений, ухудшающих качество получаемых струй. Коническая часть насадки позволяет снизить потери энергии при переходе к пьезометрическому напору скоростной, а цилиндрическая часть служит для уменьшения образующегося сжатия сечения струи при выходе ее из насадки. На качество струи большое влияние также оказывают условия подхода воды к насадке. Вода должна подходить прямолинейными струями; наличие вращения потока вокруг своей оси сильно снижает качество струи, так как возникающие центробежные силы способствуют ее раздроблению. Вращение потока возможно при прохождении воды в изгибах труб вследствие разности давления на противоположных стенках трубы. В этих случаях устраивают специальные успокоители (выпрямители), разбивающие общее сечение потока на несколько сечений меньших площадей, что способствует восстановлению нормального распределения скоростей в потоке (рис. 12).

Рис. 12. Сечение успокоителей:

а – трубчатая форма; б – комбенированная трубчатая радиальная форма;

в – радиальная форма

Успокоитель устраивают таким образом, чтобы все его секции были одинаковой площади и имели такую длину, при которой бы поток сформировался и стал прямолинейным, что соответствует 10–15 диаметрам секции. Концы выпрямителей должны быть тщательно заострены, а поверхность по возможности гладкой. Поток на выходе из выпрямителя перед насадкой должен быть «обжат» на величину площади поперечного сечения стенок выпрямителя, что исключает появление дополнительных завихрений и разрывов в потоке от внезапного расширения. Обжатый поток подается в насадку, где струя окончательно формируется.

Струей называется поток жидкости, не ограниченный стенками, который движется в массе такой же или другой жидкости. Водяные струи могут быть разделены на сплошные, получаемые от ручных и лафетных стволов, и распыленные, образуемые от специальных насадок-распылителей.

Сплошные водяные струи

Сплошные водяные струи отличаются своей компактностью, большой дальностью полета и сильным динамическим воздействием. Такие струи наиболее часто используют при тушении пожаров, на торфоразработках, в системах орошения и т.д.

Следует отметить что сплошные струи в действительности отвечают своему определению при наборе 2–3 м. При больших напорах, обычно применяемых для пожаротушения в струе можно выделить две её части, а именно: сплошную, или компактную, и раздробленную. В компактной части сохраняется сплошность потока, струя имеет цилиндрическую или близкую к ней форму; в раздробленной части струи сплошность потока нарушается, струя разрывается на все более мелкие части и расширяется (рис. 13).

Рис. 13. Сплошная водяная струя:

1 –компактная часть струи; 2 – раздробленная часть струи; l – дальность струи;

R – радиус действия компактной струи

Понятие компактной струи является относительным, поскольку резкой грани между нею и раздробленной частью струи не существует.

Понятие компактной части струи позволят оценить качество струй водяных стволов, так как большая длина компактной части струи и, следовательно, большая длина всей струи имеют место при наиболее совершенных с гидравлической точки зрения стволе и насадке.

Разрушение струи происходит под влиянием действующих на ней сил тяжести, сопротивление воздуха и внутренних сил, вызываемых турбулентностью потока и колебательно-волновым характером движения жидкости в струе.

Уравнение траектории сплошной струи выводят из предположения, что все ее частицы движутся подобно твердому телу, брошенному под углом к горизонту (рис. 14).

Рис. 14. Расчет теоретической траектории сплошной струи

В этом случае уравнение траектории струи, на которую действуют силы инерции F_i , тяжести G и сопротивления воздуха F_K в параметрической форме может быть представлено в виде:

; (56)

, (57)

где x и y – координаты частицы струи в произвольно выборочной точке;

u – начальная скорость движения струи при выходе из насадки;

θ – угол наклона ствола к горизонту;

t – время;

d –диаметр струи;

k – коэффициент сопротивления трению в воздухе.

Исключим время, для чего из уравнения (56) найдем значение

,

и, подставив это значение в уравнение (57), получим

.

Заменяя в полученном выражении, где Н – напор у насадка, получим уравнение траектории струи, которая по своей форме представляет параболу

. (58)

Полагая в формуле (58) y=0, определим x=l_T – теоретическую дальность полета струи:

. (59)

Из выражения (59) видно, что максимальная теоретическая дальность полета струи имеет место при угле наклона ствола θ=45⁰.

. (60)

В действительности формула (60) дает результат, совпадающий с опытными данными лишь при напорах Н=3,5 – 7м. При напоре 10 м наибольшая дальность полета струи будет достигнута при θ=30-34⁰. Несовпадение теоретических и практических данных особенно на раздробленном участке объясняется сложной структурой струи, всвязи с чем движение ее частиц как отдельных материальных точек является несовершенной моделью. До сих пор не удалось получить аналитически уравнение траектории струи, отвечающей действительности, так как не изучены законы сопротивления, которая возникает при движении струи в воздухе. Поэтому для расчета струи используют эмпирические данные.

Вертикальные струи

Свободная водяная струя при истечении из вертикально направленного ствола со скоростью U теоретически поднимается на высоту , так как в насадке вся потенциальная энергия переходит в кинетическую (рис. 15).

Рис. 15. Вертикальная струя

Однако при движении струи часть энергии расходуется на преодоление сопротивлений вследствие трения струи о воздух, и поэтому струя поднимается на несколько меньшую величину Н_В. Разность величин H- Н_В =h назовем потерей высоты струи. Ее можно определить по формуле:

, м.

Аналогичной зависимости для потерь напора по длине трубы при подстановке вместо λ коэффициента сопротивления трению в воздухе k и вместо l высоты струи Н_В .

Таким образом, теоретическую высоту вертикальной струи можно установить из равенства:

, м

или после подстановки

, м, (61)

откуда определим высоту вертикальной струи

, м. (62)

Эта зависимость аналогична формуле, предположенной Люгером (1895 г.),

, м, (63)

в которой коэффициент φ определяют по эмпирической формуле:

(64)

где d – диаметр выходного сечения насадки, мм.

Значения коэффициента φ для различных диаметров насадки приведены в таблице 4.

Таблица 4

d, мм	φ	d, мм	φ	d, мм	φ
	0,0165 0,0129 0,0097		0,0077 0,0061 0,0050		0,0039 0,0028 0,0014

Фриман для расчета высоты вертикальных струй, получаемых при напорах от 7 до 70 м, предложил формулу

Н_В=Н(1-0,000113Н/d), м,(65)

где d – диаметр насадки, м.

Для практических расчетов формулы Люгера (63) и Фримана (64) можно считать равноценными.

Анализируя формулы (63) и (64), можно установить, что увеличение высоты вертикальной струи связано с увеличением диаметра насадки и напора. Однако по достижении своей максимальной величины величина высоты струи не изменяется, как бы сильно не увеличивался напор. Так, из формулы Люгера находим, что предельная величина Н_В,которая получается при неограниченном увеличении Н, будет равна:

.

Так как величина φ зависит только от диаметра (64), то при больших напорах увеличение высоты струи возможно только при увеличении диаметра насадки.

Исходя из формулы (68) Фримана, приравняем первую производную нулю, получим значение, при котором наблюдается максимальная высота струи:

; .

Предельные величины напора Н, с превышением которых не наблюдается увеличения высоты струи, приведены в таблице 5.

Таблица 5

d, мм	Н, м	d, мм	Н, м	d, мм	Н, м

Следует отметить, что предельные величины напоров значительно больше номинальных величин Н, принятых для работы пожарных стволов.

Иногда при расчетах требуется определить такое значение напора, при котором можно получить струю заданной величины. Из формулы Люгера находим

, м. (66)

Величину компактной части струи для насадков диаметром до 28 мм определяют как часть всей вертикальной по формуле:

, м, (67)

где f – коэффициент, значения которого зависят от всей высоты вертикальной сплошной струи. Эти значения, полученные на основе опытных данных, приведены ниже.

НВ,м
f	0,84	0,84	0,82	0,8	0,77	0,75	0,69	0,65	0,62

Наклонные струи

В практических условиях пожаротушения применяют струи, имеющие различные углы наклона. Если при одном и том же наклоне у насадки постепенно изменяется угол наклона ствола, то конец компактной части струи будет описывать траекторию авс, которую принято называть огибающей кривой компактной струи, а наиболее удаленные капли струи – траекторию а’в’с’, называемую огибающей кривой раздробленной струи (рис. 16). Расстояния по прямой от насадка до граничных кривых соответственно называют радиусом действия компактной струи R_K и радиусом действия раздроблнной струи R_P.

Расчет наклонных струй ведут по отношению к данным, полученным для вертикальных струй. Из рисунка 17 видно, что расстояние от насадка до огибающей кривой раздробленной струи возрастает с уменьшением угла наклона R_P к горизонту. Зависимость величины радиуса действия раздробленной струи от высоты вертикальной струи определяют по формуле:

, (68)

где β – коэффициент, зависящий от угла наклона R_P к горизонту. На рисунке этот угол обозначен букойα.

Рис. 16. Траектория сплошной струи:

I – огибающая кривая компактных струй;

II – огибающая кривая раздробленных струй

Значения коэффициента β в зависимости от α определены опытным путем.

Угол наклона радиуса действия струи к горизонту α, град
β	1,4	1,3	1,2	1,12	1,07	1,03

Не надо смешивать угол наклона радиуса действия струи с углом наклона ствола. Последний для наклона струй всегда больше угла наклона R_P к горизонту. Например, наибольшая дальность полета струи наблюдается при угле наклона ствола 30⁰, а угол наклона радиуса действия струи при этом равен нулю.

Огибающая кривая компактной струи для ручных стволов с диаметром насадки не больше 25 мм мало отличается от дуги окружности, описанной радиусом R_К, равным высоте компактной части вертикальной струи:

.(69)

Для насадков больших диаметров, например для лафетных стволов, линия авс более вытянута вдоль горизонтальной оси. Фактических данных из-за большой трудности поставки экспериментов для таких насадков немного. В справочных таблицах обычно приведены величины, отражающие зависимость между радиусом действия компактной струи, диаметром насадка, напором и расходом жидкости (табл. 6, 7).

При пожаротушении применяют чаще всего не раздробленную, а компактную часть сплошной струи.

Анализ фактических данных, выполненный ВНИИПО МВД России, позволил установить, что минимальная длинна компактных струй, которыми можно тушить наружные пожары с помощью ручных стволов, должна составлять не менее 17 м. Получение таких струй для наиболее распространенных ручных стволов с насадками 13, 16, 19, 22, 25 мм требует создания напора перед насадкой от 25 до 33 м. В настоящее время для характеристики струи за основу берут не длину компактной части, а напор у насадки. Рабочими напорами для ручных стволов следует считать напоры в пределах 30-50 м. Для лафетных стволов с насадками 28 мм и выше обычно рекомендуется напор от 50 до 70 м. Дальнейшее увеличение напора не имеет смысла, так как начиная с 70 м, прирост дальности полета струй и их компактной части заметно уменьшается.

Таблица 6

	Диаметры насадок, мм
RK
H,м	Q,л/с	H,м	Q,л/с	H,м	Q,л/с	H,м	Q,л/с	H,м	Q,л/с
	8,1	1,7	7,8	2,5	7,7	3,5	7,6	4,6	7,5	5,6
	11,2		10,7	2,9	10,4	4,1	10,2	5,4	10,1	6,9
	14,9	2,3	14,1	3,3	13,6	4,6	13,2	6,1	12,9	7,8
	19,1	2,6	17,7	3,8	16,9	5,2	16,3	6,8	15,9	8,7
	23,9	2,9	21,8	4,2	20,6	5,7	19,8	7,5	19,2	9,6
	29,7	3,2	26,5	4,5	24,7	6,2	23,6	8,2	22,7	10,4
	33,2	3,4	29,2	4,8	27,1	6,5	25,7	8,5	24,7	10,8
	37,1	3,6	32,2	5,1	29,6	6,8		8,9	26,8	11,3
	46,8		39,4	5,6	35,6	7,5	33,2	9,7	31,5	12,2
	60,9	4,6	48,7	6,2	43,1	8,2	40,6	10,6	37,3	23,3
	82,2	5,3	61,5		52,7	9,1	47,7	11,7	44,3	14,5
	-	-	80,6		66,2	10,2	58,5	12,9	53,5	15,9
	-	-	-	-	86,2	11,6	75,5	14,5	65,8	17,7
	-	-	-	-	-	-	95,4	16,5	82,8	19,8

Таблица 7

	Диаметры насадок, мм
Напор у насадка Н, м
RK, м	Q,л/с	RK, м	Q,л/с	RK, м	Q,л/с	RK, м	Q,л/с
		14,9	26,5	19,4		27,4		47,5
		16,2	28,5		29,5	29,7		51,5
		17,2	30,5	22,5		31,7
	31,5	18,3	32,5	23,8		33,6	35,5	58,3
		19,3		25,1	35,5	35,4	37,5	61,4
	34,3					37,2		64,4
	35,5	21,1		27,6		38,2	40,5	67,3
	36,5		37,5	28,6		40,4	41,5
		22,8	37,5	29,7	39,5	41,9	42,5	72,6
	-	-	-	-		43,4	43,5	75,3
	-	-	-	-	40,5	44,8	44,5	77,8
	-	-	-	-	-	-	45,5
	-	-	-	-	-	-		82,5

Контрольные вопросы

1. Что такое насадка (пожарные стволы)?

2. Типы насадок.

3. Расход воды через насадки.

4. Потери напора при истечении воды через насадки.

5. Пожарные струи.

6. Теоретическая дальность полета сплошной струи.

7. Теоретическая высота вертикальной струи.

8. Теоретический радиус наклонной струи.

9. Теоретический радиус компактной струи.