Влияние насадков на качество сплошных струй
Для получения сплошных дальнобойных струй, обладающих достаточно большой ударной силой, в практике пожаротушения используются стволы (ручные, лафетные) с насадками. Назначение насадка- обеспечение точности подачи, безопасности огнеборца и эффективного использования ресурсов.
Дальность полета струи является важным параметром для пожаротушения, особенно при тушении крупных пожаров, пожаров с высокой интенсивностью теплового излучения, с возможными взрывами. В этих условиях важно обеспечить максимальную эффективность и дальность подачи воды и, тем самым, безопасность работы пожарных.
Полет водяной пожарной струи определяют воздушная среда (сопротивление воздуха), угол струи относительно горизонта, скорость истечения из насадка пожарного ствола и направления внутренних струй. Следует отметить, что дальность водяной струи зависит от ее компактности. Наилучшая практическая дальность получается при угле наклона ствола порядка 30º.
Важную роль компактность струй, создаваемых ручными пожарными стволами, особенно играет при тушении пожаров при сильном ветре. Ветровые воздействия на струю пожарного ствола тем значительнее, чем больше диаметр струи пожарного ствола. Известно, что при тушении открытых пожаров компактность струи имеет решающее значение, фактически, чем компактнее струя воды из пожарного ствола, тем эффективнее пожаротушение.
Дальность подачи воды, расход струи, ее форма обеспечиваются насадком пожарного ствола. В насадке происходит преобразование потенциальной энергии давления в энергию движения. Для придания струе большой скорости диаметр выходного сечения насадка должен быть меньше диаметра подводящего трубопровода. В коническом насадке явление внутреннего сжатия сказывается меньше (например, в сравнении с цилиндрическим насадком), но появляется сжатие струи на выходе из насадка. Это влечет за собой, с одной стороны, увеличение коэффициента скорости, а с другой – уменьшение коэффициента сжатия. Поэтому при малых углах конусности коэффициент расхода сначала увеличивается, а затем, достигнув максимального значения при угле конусности порядка 13°, начинает убывать. Струи, полученные из этих насадков, обладают большой удельной кинетической энергией вследствие малой величины гидравлических сопротивлений насадка. Именно поэтому такие насадки применяют в пожарных стволах. Коноидальный насадок имеет форму струи, выходящей из отверстия: его входной участок имеет сложную поверхность двоякой кривизны, а выходной участок – цилиндрический. Это позволяет устранить сжатие струи на выходе из насадка и получить максимальную удельную кинетическую энергию струи. Из-за сложности изготовления такие насадки не применяются в пожарных стволах и имеют исключительно теоретическую значимость.
Таким образом, анализ особенностей истечения из различных видов насадков позволяет обосновать конструктивное оформление насадков пожарных стволов. Типичная форма насадков пожарных стволов для получения сплошных струй, дающих удовлетворительное качество струй, является комбинированной, состоящей из конической и цилиндрической частей. Коническая часть насадка с углом конусности от 8 до 15º переходит в цилиндрическую, длина которой для ручных стволов составляет около одного диаметра, а для лафетных − 2/3 – 3/4 диаметра выходного сечения насадка. На конце цилиндрической части насадка делается кольцевая выточка для защиты выходной кромки от повреждений, ухудшающих качество получаемых струй.
Коническая часть насадка позволяет снизить потери энергии при переходе пьезометрического напора в скоростной, а цилиндрическая часть служит для уменьшения образующегося сжатия сечения струи при выходе ее из насадка. Однако конструкция этого насадка обладает существенным недостатком. При повышении напора до 40-50 м в цилиндрической части образуется вакуум, в насадке начинается кавитация, и качество струи снижается.
На качество струи оказывают большое влияние также условия подхода воды к насадку. Вода должна подходить к насадку прямолинейными струями. Наличие вращения потока вокруг своей оси сильно снижает качество струи, так как возникающие центробежные силы способствуют распылу струи. Вращение потока возможно при прохождении воды в изгибах труб вследствие разности давления на противоположных стенках трубы.
Для устранения отмеченных недостатков предлагаются различные технические решения. Устраивают специальные выпрямительные устройства (успокоители), разбивающие общее сечение потока на несколько сечений меньших площадей, что способствует восстановлению нормального распределения скоростей в потоке. Успокоитель устраивают таким образом, чтобы все его секции были одинаковой площади и имели такую длину, при которой бы поток сформировался и стал прямолинейным. Поток на выходе из выпрямителя перед насадком 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 насадок, где струя окончательно формируется.
Для стволов с большим расходом в научной статье https://vestnik.sibpsa.ru/wp-content/uploads/2024/v3/N34_142-148.pdf авторами предлагается решение в виде насадка для обеспечения большой дальности водяной струи, представляющего из себя конфузор с внутренними конфузорами расчетного профиля по сечению.
