S型固定式不锈钢消防水炮的结构设计.docx

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S型固定式不锈钢消防水炮的结构设计

S型不锈钢消防水炮的结构设计

摘要

在神秘莫测的大自然中，火灾不受时间、空间的限制，而且发生的频率还是非常的高。

自从伟大的人类会用火的时候，这种灾害也接着应运而生；随之人们防范和治理火灾的消防工作也就应运而生，从此与我们人类结下了不解之缘，随着人类社会的发展，我相信消防技术也将日渐完美。

本课题设计的消防水炮是将一定流量及一定压力的水，通过能量转换，将势能转换成动能，以很高的速度从炮头喷嘴中喷出，从而形成射流，起到扑灭一定距离外火灾的消防设备。

消防水炮的组成一般有炮身及炮头。

炮身是一个过流部件，用来改变水平、俯仰喷射角度，炮身上一般还装有其他的驱动机构，例如手轮、液压马达或电动机等，从而形各种形式的消防水炮，如手动式、液控式及电动式等消防水炮；接下来说一下炮头，炮头呢，它是将告诉从炮身流出的水的势能转变为动能，其中其最关键组成部分是喷嘴，它也是最终实现射流形状的部件，是流体输送过程中至关紧要的部件。

喷嘴从根本上决定了消防炮出水射流的作用：

要想保证消防水炮射程就要保证让炮身及液体流动的流线始终保持着平行的关系，始终将液流保持平行流线而且匀速流动，这样就可以显著增加消防水炮的射程，同时也可以使消防水炮在直流射击状态效果显得更加明显。

关键词:

结构，消防水炮，s型，控制

StructuraldesignoftypeSstainlesssteelfirewatermonitor

Abstract

在神秘莫测的大自然中，火灾不受时间、空间的限制，而且发生的频率还是非常的高。

自从伟大的人类会用火的时候，这种灾害也接着应运而生；随之人们防范和治理火灾的消防工作也就应运而生，从此与我们人类结下了不解之缘，随着人类社会的发展，我相信消防技术也将日渐完美。

Inthemysteriousnature,firenottimeandspaceconstraints,andthefrequencyofoccurrenceisveryhigh.Sincethetimeofthegreatmanoffire,thisdisasterwillthenemergeasthetimesrequire;thenpeoplepreventionandmanagementoffireprotectionworkwillemergeasthetimesrequire,andfromourhumanforgestheindissolublebound,withthedevelopmentofhumansociety,Ibelievethattechnologywillalsoincreasinglyperfect.

Thistopicdesignfiregunistheflowandpressureofthewater,theenergyconversion,theconversionofpotentialenergyintokineticenergy,withhighspeedfromthenozzleinthespraygunhead,therebyformingajet,toputoutadistancefireprotectionequipment.Forthecurrentstatusofclassroomlighting,thereisanintelligentdesignconceptsandideas.Pyroelectricinfraredsensor（PIR）isusedastheinfraredsignalsensor,infraredsignalisusedtodetectanddealwithhumanradiation,soastojudgewhethertheclassroomofhumanexistence.Photoelectricsensorisusedassensortodetectambientlightsignal,processingenvironmentilluminancesignalintheclassroom,inordertodeterminewhethertheluminosityclassreachesacertainvalue.

Compositionoffiregunusuallyhaveagunandagunhead.Gunisaflowcomponents,usedtochangethelevelofinjectionangle,pitch,gungenerallyisalsoprovidedwithadrivingmechanismofother,suchasthehandwheel,hydraulicmotorormotor,soastoformthevariousformsofartilleryfire,suchasmanual,hydrauliccontroltypeandelectrictypefiregun;thensaidthegunhead,cannonfirst,itisthepotentialenergytransformationwilltellfromthegunoutofthewatertokineticenergy,whichisthekeypartofthenozzle,itisultimatelythejetshapecomponents,istheprocessoffluidconveyingofcriticalcomponents.Theartilleryfirenozzlewaterjetfromthefundamentalrole:

toensurefiregunrangetoensurethatthestreamlinebodyandliquidflowhasalwaysmaintainedaparallelrelation,alwayskeepparallelstreamlineflowanduniformflow,whichcansignificantlyincreasethefirewatergunrange,alsocanmakeafireguntheeffectofDCfiringstateismoreobvious.

Keywords:

structure,firegun,s,control

目录

第一章绪论1

1.1本课题研究背景1

1.2本课题设计意义3

1.3本课题的国内外发展现状4

1.4消防水炮的种类及应用5

1.5消防水炮的组成部分6

1.6消防水炮的结构及性能特点6

1.7消防水炮的维护保养7

第二章本课题的研究内容及预期目标8

2.1本课题的研究内容8

2.2本课题的预期目标8

2.3消防水炮的方案设计10

第三章消防水泡的设计计算10

3.1出水口水流射程的设计10

3.2影响消防水炮射程因素的分析13

3.3压力水管拉力的强度校核13

第四章消防水炮的应用前景14

4.1我国的火灾形势14

4.2发展展望15

参考文献18

谢辞18

第1章绪论

消防水炮是由炮身及炮头构成的，它是将流过炮身的一定流速的液体由炮头射出，炮头之上安装有喷嘴，喷嘴是整个消防水炮的关键部位，它决定着从炮头射出也留的形状，是流体从炮身流动的关键部位。

在我国，部分水炮的炮头还具有流量调节功能。

水流通过水炮的时候，要经过几个过程，如整流、能量装换和喷射等。

水流经过流道的时候，还会产生各种状况如流量分布不均匀、漏流、紊流等，这些都可能从一定程度上带来不必要的能量损失，能量损失今儿就会导致消防水炮的射程大大的减小，影响水炮的使用性能。

从喷嘴喷出后的水流，他的密集段越长越好，如果水炮出口的稳流，其密集程度越高，那么喷出的水流会在喷出水炮后的更长一段距离内发散，所以我们需要降低水流出口前的紊流程度，使得水流不至于过早的分散。

所以呢减少流道的能量损失，就可以大大降低水流的紊流程度，可以提高水炮的射程，从而使消防水炮的使用性能从根本上得到大大的提高。

而我国每年发生的消防事故不计其数，在事故中造成了巨大的损失。

这不仅仅是人力物力上的损失，最重要的是许多无辜的生命造成了伤害。

并且其后期投入也消耗了我国巨大的人力物力。

而消防水炮可以快速消灭火灾，从而为我国解决一大难题。

1.1本课题研究背景

在我国，对于消防水炮，其研究技术的开发还是相对滞后的，在市场需求和研究方向上虽说已与某些发达国家的技术非常相接近，但是其研究手段还是与西方国家存在着一定的差距，例如仍采用传统的落后的经验方法，不但使试制成本居高不下，而且试制的周期比较长、其成功率低下，进而使总体设的计水平不高，严重影响了着我国消防水炮产业的发展。

通过近几年在各方面的引进、消化、吸收，我国已形成一系列较为成熟的系列产品，使其压力达到0.8MPa，流量达到32L/s，在技术上取得了重大的进步是的消防水炮工业得到了长足的发展。

但是随着我国近几年经济的高速发展，基层建设不断完善，建筑物运来越多，灭火保护对象的发生了巨大的变化，需要的灭火强度也是越来越大，因而需要消防水炮也要进行改变，向大流量、远射程及自动化等一系列的方向发展。

比如我国的储油罐的容积目前面积已经大达到15万m3，而且这种油罐直径长达100m，高度达30m，防火堤距离油罐有20m左右，这就要求消防水炮的射程不仅要足够远，并且还要达到相当的高度，而我国现有消防队由于没有相应的装备，车载炮、移动炮等都无法对付这种油罐的火灾。

因此提高炮的射程，已是我国消防装备更新中的一个重要内容，消防水炮工业已经变成一个相当紧迫的课题。

如果开发大型消防水炮还是沿用老一辈人留下来的老手段、老方式，通过大量的试验来对消防水炮进行进一步的定型，这样就使得其试验费用变的非常高昂，而且其开发周期也是很长，与此同时这样的设计很难得到最佳的设计。

因此必须通过现今的高新技术，运用现代的技术手单，利用相关流场仿真分析及试验研究来优化消防水炮的结构参数，并进行相似试验分析，从而得出符合我国现今国情社会形式的消防水炮的标准设计准则。

在消防实战中消防水炮运是用最广泛的灭火装备之一，它具有在火场辐射热、爆炸危险、有毒浓烟区等许多危险系数高的曲云之外的安全区域施行远距离灭火、冷却保护并且其具有灭火效率相当高、威力相当大等特点，从而使其在消防车、消防船等移动的、常规的灭火设备中成为必备装备，与此同时在石油化工、机场、码头等恶性、区域性火灾扑救中起到了不可替代的作用。

从而在消防工作中起到至关重要的作用。

1.2本课题设计意义

火灾，它的发展速度非常快，其危害极也是相当的大，是一种非常严重的灾害。

一旦发生火灾，人们通常是利用效率高、速度快捷的灭火工具对其尽早进行扑灭，防止火灾进一步的蔓延，因此消防水炮在消防灭火领域所发挥的作用是越来越大，成为消防工作不可缺少的重要组成部分，直接影响消防工作的质量应当引起我们的重视。

为了达到良好的灭火效果，保护火灾区域人员不受伤害，从最大限度上减少人们的财产损失，通常消防水炮被设有柱状/雾状射流变换喷嘴，以达到更好的灭火效果。

在国民经济和社会发展中，消防工作是其的重要的组成部分，是社会主义经济市场发展的不可缺少的保障条件。

消防工作直接关消系人民生命财产的安全和社会的稳定，影响着我国社会主义现代化的建设。

近年来，在我国发生了一些重大火灾，一场火灾不但造成了巨大的人员伤亡，许多人一夜之间变得无家可归，一无所有，而且造成了巨大的经济损失，上百万、上千万甚至几亿元的财富顷刻间化为乌有，这不仅给许多家庭带来不幸，而且使还严重影响了国家现代化建设的步伐。

不仅如此，而且事故的善后处理也是相当繁重，往往牵制了政府很多精力，严重影响了经济建设的发展和社会的稳定，并且有些特殊性的火灾事故还成为国内外舆论的焦点，在社会上造成了严重的不良影响，这种教训是十分沉痛和深刻的。

因此，做好消防工作，预防和减少火灾事故特别是群死、群伤的恶性火灾事故发生，具有十分重要的意义，对我国社会主义现代化建设的步伐也具有任重而道远的作用。

1.3本课题的国内外发展现状

在国外，目前的消防水炮的发展方向正在朝着更大的流量、更远的射程方向发展。

对于车载消防水炮方面，如机场型消防车，由于其底盘功是率越来越大，所配水泵的流量已能达到100L/s、扬程远大120m，因而所配消防水炮流量已经有100L/s，射程在90m以上，在固定灭火系统机消防船中，已有流量为200L/s，射程在120m以上的消防水炮出现。

并且还有进一步大型化的趋势。

并且其功能也是日益增多，除了集中射流外，还增加了喷雾功能；与此同时还能与火灾探测报警相连，并且具有自动定位瞄准功能等。

其消防水炮的发展已经是变的相当的先进。

在我国对于消防水炮，对其技术研究的开发还是相对滞后，虽说在市场需求和研究方向上我国已经与某些工业发达国家的技术相接近，但从总体上来看其研究手段还是相对落后，与西方国家存在着一定的差距，其经验方法还是比较传统，并且试制成本居高不下、试制周期长、成功率低下、总体设计水平不高，从而严重制约着我国消防水炮产业的发展，在特殊活在下，消防工作还是难以进行有效的开展。

目前通过近几年人们的不断努力，不断地进行引进、消化、吸收，我国的消防水炮其压力已经达到0.8MPa,流量达到32L/s甚至是更高，已形成一系列较为成熟的系列产品。

但是随着改革开放以来，我国社会主义事业的发展是突飞猛进，基础建设也是日新月异，因而灭火保护对象也发生了巨大的变化，需要的灭火强度也是越来越大，因此需要消防水炮也需要进行更大的改进，以适应我国现代化建设的步伐，向着大流量、远射程及自动化方向高速发展。

1.4消防水炮的种类及应用

图1：

流量可调手轮式固定消防水炮图2：

PL32-150型系列固定泡沫-水两用炮

图3：

PL32型固定泡沫-水两用炮图4：

PS20.PS25型固定水炮

以上四种固定式消防水炮有着相当大的特点，其功能齐全，炮身可作水平回转、俯仰转动、从而能够对火灾进行全方位的覆盖，并且能够实现定位锁紧，从最大限度上节省人力；其流量可调节、射程远、能作直流和喷雾喷射。

能够满足一些常规的消防灭火工作。

这样的水炮由于其灵活性比较高，适用于空间大的场所库房、博物馆、展览馆、档案馆、飞机库、体育馆、会议室、演播厅及古建筑；环境比较恶劣的工作场所，如：

粉尘、腐蚀气体、高温、低温等环境；石化、冶金、电力等工业行业中的重要场所，如：

油罐区、油库、油码头、高温炉、电缆沟；消防车、消防船、油船、港口、油田等。

1.5消防水炮的组成部分

1）供水系统

主要由水源、消防水泵、高位水箱或气压稳压装置、水泵接合器和管路组成，其目的在于能给装置提供快速的、充足的水源。

2）执行系统

由灭火装置、电源装置、火灾自动报警装置等中间执行装置组成，即当发生火情时，执行灭火及报警动作的相关组件。

3）控制系统

由联动控制柜及区域控制箱、系统电源控制器、计算机火灾（视频）监控系统组成。

其目的在于对供水系统和执行系统进行控制，可灵活的实现手动、自动以及现场、消防中心的各种操作。

有效完成从发现火灾直至扑灭火灾等一系列动作。

并能使自动跟踪定位射流灭火系统通过输入模块和输入输出模块直接与火灾自动报警中心连接，保证火灾报警系统的整体性

1.6消防水炮的结构及性能特点

1）消防水炮的结构特点：

消防水炮由消防炮体、现场控制器组成。

它结合微控技术、红外传感探测技术、机械转动控制技术、图像传输技术，自动寻找着火点精确定位并有效快速扑灭火源；根据着火点远近自动进行直流柱状或喷雾散花式射水，有效灭火同时保护到人身及财物安全；具有现场手动操作控制及图像显示功能；可根据其他消防报警系统的联动信号进行强制启动探测火源；采用红外双波段探测技术在有效探测火源的同时提高抗环境干扰的能力；并可进行地面灵敏度参数设置及调试。

2）消防水炮的性能特点

1、流量大，射程远，扑灭早期火灾更迅速；

2、转动机构具有离合功能有效保护电机；

3、带有电动操作柱状/雾状喷嘴；

4、双波段探测有效提高抗干扰能力；

5、具有现场手动人工操控功能；

6、具有图像传输现场画面功能；

7、具有与其他消防报警系统联动功能；

8、现场地面灵敏度参数设置，方便调试；

9、可远距离控制，最远可达1200米；

10、重量轻，结构紧凑，维修简便。

1.7消防水炮的维护保养

1、炮应在使用压力范围内使用。

2、应经常检查炮的完好性和操作灵活性，发现紧固件松动，应及时修理，使炮一直处于

良好的使用状态。

3、射水操作时，松开锁紧螺钉，调整好炮的喷射方向和角度，然后提高至所使用的压力。

4、转动射流调节环即可实现水的支流变换为开花，或将开花变换为直流。

5、每次使用后，应喷射一段时间的清水，然后将炮内水放净。

6、炮转动部位应经常加润滑剂，以保证转动灵活。

7、喷射时，炮口前绝对不能站人。

8、炮不能用以扑灭带电设备，以免触电。

9、非工作状态下，炮应置水平状态，并用防雨布盖好。

10、质量保证六年免费维

第二章本课题的研究内容及预期目标

2.1本课题的研究内容

1.熟悉AutoCAD二维设计软件和Pro/E三维设计软件。

2.设计S型固定式不锈钢消防水炮，包括底座连接部分、炮身和炮头以及手动转动部件。

要求提供详细的设计计算过程及设计图纸。

3.通过毕业设计基本掌握选题、调研（文献综述）、方案确定、系统设计计算及仿真分

4.要求了解国内外消防水炮系列产品的发展概况及其工作原理。

5.制作实体消防水炮，并且进行一次真正的消防实验，验证其真正的实验效果。

2.2本课题的预期目标

1）流量100L/s；

2）射程≥85m；

3）额定工作压力1.2MPa；

4）工作压力范围0.7～1.4MPa；

5）水平回转角度360；

6）俯仰角－400～＋700；

7）炮身整体内径在尽量小的情况下，工作压力为1.2MPa时，出口流量达到≥100L/s；

8）整体外观紧凑、美观、流线型强。

2.3消防水炮的方案设计

为了本方案的最终确定，我们进行了大量的工作进行了大量的工作，，做了大量的实验，主要有以下两方面：

1）在网络上大量搜索资料了解消防水炮的结构，功能，以及它在国内外的发展现状。

2）与相关厂家取得了联系，并且借用厂家现有的资料，对消防水炮的构造性能有了进一步了解。

3）搜集以前的师兄的毕业设计，有炮身结构进行改进，更加完善自己所设计的消防水炮。

从而画出了消防水炮的装配图：

消防水炮左视图

消防水炮主视图

消防水炮左视图

第三章消防水炮的设计计算

3.1出水口水流射程的设计

根据参考文献可知，如果在理想状态下（不考虑空气阻力，风力等一切外力的影响），我们假设消防水炮射处与水流达到处于同一水平面的情况下，消防水炮的喷射作抛物线运行。

其理论射程公式为：

在垂直方向上的飞行时间：

水流飞行的总时间为：

水流射程：

式中：

d0－射程（m）；

v－水流喷射速度（m/s）；

θ－水流喷射时与水平面角度（0）；

t1－水流向上飞行时间（s）；

t－水流飞行总时间（s）；

g－重力加速度（9.8m/s2）。

我们可以看出当?

?

当θ=3.14/4时，射程达到最大值时水流具有最大射程。

本水炮设计要求射程≥85m，所以：

要使水炮的射程不小于85m，其出水口的速度v0必须大于28.86m/s；如果控制出水管的流速大小，就要求对喷嘴芯和喷雾喷嘴配合尺寸进行合理设计。

根据流量连续方程我们可知，在水流速度恒定不变的情况下，适当减少面积可以提高消防水炮内水流的速度。

通过一系列的测绘数据和许多人的经验值设计出水口的喷雾喷嘴其和合适值为138mm。

设计的喷嘴芯与喷雾喷嘴的配合组成的圆环形面积出口直接决定了出水口的流速v0，它们的配合如下所示

喷雾喷嘴与喷嘴芯配合图

出水的实际面积为最小喷雾喷嘴的最小管径与喷嘴芯之间的圆环面积：

根据给定的设计要求，射出的最小流量是100L/s；所以出口的速度为：

3.2影响消防水炮射程因素的分析

消防水炮的射程是指从消防水炮出口到达水流集中降落点的距离。

消防水炮的射程主要取决于工作压力和射出流量的大小，当然其他的影响因素也很多。

比如说流道的结构，水流的喷射状态，水流喷射的仰角，喷射时的风向、风速。

都可以对射程起到一定的影响，下面主要分析几个重要的影响因素：

1）一般来说，射程是随着工作压力的增加而增加。

这是由于，射流初速度是射程的前提，在地球引力的作用下，较大的初速度是理论上获得较远射程的先决条件。

在消防水炮流量一定的情况下，较大的压力可以获得较远的射程。

喷嘴直径一定时，射程随着压力的增大而增加，开始增长的很快，而到了一定的程度，增长速度变慢，到最后不再增加。

因为压力过大，水流和空气发生相对作用，部分水流粉碎的相当厉害，变成细小水滴，惯性变小，飞行距离也相应变近了。

所以压力并非越高越好，到一定程度的时候，进一步增加压力，只能提高水流的雾化能力，而不能增加射程。

在消防水炮喷嘴截面积确定的时候，消防水炮的流量越大，单位时间内通过消防水炮喷嘴的水流越多，从而消防水炮喷出的水流速度越高，水柱也更加充实，射程当然也就较远。

2）喷射仰角对射程的影响

从（2-3）式可以看出当450的时候，射程达到最大值。

实际上由于空气阻力、水流自身作用、以及消防员操作等因素，消防水炮喷射时的最大射程并不是在450。

经过对国内外的各种试验资料的分析，水枪的最大射程应该是在喷射角度300左右的时候。

此时的消防水炮不但射程远，而且也便于消防员操作。

3）消防水炮结构对射程的影响

消防水炮由法兰接口、水炮炮身、喷头等几部分组成，部分水炮炮头还具有流量调节功能。

水流通过水炮的时候，要经过整流、能量装换和喷射几个过程。

水流经过流道的时候会产生流量分布不均匀、漏流、紊流等多种状况，这些都可能带来能量损失，能量损失就会导致水炮的射程减小。

水流从喷嘴喷出后，密集段越长越好，如果水炮出口的紊流程度越高，那么喷出的水流会在喷出水炮后一段距离之间发散，所以需要降低水流出口前的紊流程度，使得水流不至于过早的分散。

所以说减少流道的能量损失，降低水流的紊流程度，可以提高水炮的射程。

4）风速、地球引力对射程的影响

前面我们已经分析了在理想状况下的喷射情况，但是在实际工作的时候，或多或少有风力影响的，当风速大，而且是顺风的时候，在一定程度上可以提高消防水炮的射程，一旦风速过大，对消防作战也是有害处的，风力的作用可以导致消防水炮喷射出的水流过早的发散，从而影响水流的射程和到达目的地水流的流量；如果风向是逆向的时候，显然对消防水泡的工作是及其不利的，逆风不但会使得喷射射程降低，水流过早的发散