Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 6561
(13) U
(46) 2010.10.30
(51) МПК (2009)
A 62C 31/00
(54) КАВИТАЦИОННЫЙ НАСАДОК ПОЖАРНОГО СТВОЛА
(21) Номер заявки: u 20091096
(22) 2009.12.28
(71) Заявитель: Учреждение "Научно-ис-
следовательский институт пожар-
ной безопасности и проблем чрез-
вычайных ситуаций" Министерства
по чрезвычайным ситуациям Рес-
публики Беларусь (BY)
(72) Авторы: Карпенчук Игорь Васильевич;
Петуховский Сергей Геннадиевич; Пар-
мон Валерий Викторович; Черневич
Ольга Владимировна (BY)
(73) Патентообладатель: Учреждение
"Научно-исследовательский институт
пожарной безопасности и проблем
чрезвычайных ситуаций" Министер-
ства по чрезвычайным ситуациям Рес-
публики Беларусь (BY)
(57)
1. Кавитационный насадок пожарного ствола, содержащий корпус с присоединитель-
ной 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 конфигура-
ции: участка линейного сужения, характеризующегося углом конусности 15°, участка
сферического сужения, цилиндрического участка и конически расходящегося участка, ха-
рактеризующегося углом конусности 70°; причем длина каждого из участков пропорцио-
нальна диаметру выходного отверстия насадка, значение которого определяется
следующим выражением:
15
2
37
вн
37
0 ,
3p
Qp256
d








νπ
β
ξ=
где π - 3,14; p - плотность жидкости; Q - расход жидкости;
Фиг. 1
BY6561U2010.10.30

2. BY 6561 U 2010.10.30
2
ξ - параметрический коэффициент размерности, равный 0,98×10-2
;
ν - коэффициент кинематической вязкости жидкости;
pвн - абсолютное внешнее давление за насадком;
β - угол конусности сопла.
2. Насадок по п. 1, отличающийся тем, что участок линейного сужения имеет следу-
ющие параметры: длина от 7 до 8 раз больше диаметра d0 выходного отверстия насадка,
начальный диаметр равен 8d0, 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 раза больше диаметра d0 выходного отверстия насадка.
(56)
1. BY4895U.
2. RU 2124913.
3. US 5125579.
4. US 5261494.
5. BY3950U.
6. Бочаров В.П. Расчет и проектирование устройств гидравлической струйной техни-
ки. - Киев: Техника, 1987. - 127 с.
7. Девяткин Ю.Ф. Распиливание жидкости Гидродинамика газожидкостных систем. -
М.: Машиностроение, 1977. - 207 с.
8. Гиль B.C. Исследование динамики движения свободной струи капельной жидкости
лазерными методами. - Минск: Препринт ЦТМО АН БССР, 1971. - 42 с.
9. Пажи Д.Г. и др. Форсунки в химической промышленности. - М.: Химия, 1971. - 224 с.
10. Дэйч М.Е. Газодинамика диффузоров и выхлопных патрубков турбомашин. - М.:
Энергия, 1970. - 384 с.
Полезная модель относится к противопожарной технике, используемой для пожаро-
тушения и ликвидации других чрезвычайных ситуаций, и может быть использована для
распыления огнетушащих средств с целью создания мелкодисперсной струи.
Известен насадок-распылитель [1] на ручной пожарный ствол, состоящий из цилиндри-
ческого корпуса, перфорированной пластины, устанавливаемой в корпусе насадка и деля-
щей общий поток жидкости на радиально симметричные струи, при этом тонкодисперсное
распыление осуществляется сеткой, закрепленной на выходном конце корпуса насадка фик-
сирующей гайкой. Недостатками насадка являются сложность изготовления, низкая и неод-
нородная дисперсность создаваемой распыленной струи жидкости.
Известен насадок ручного пожарного ствола [2] для использования при малых, сред-
них и повышенных расходах воды с целью снижения ее входного давления при сохране-
нии эффективности пожаротушения в режиме сплошной струи или проникающей
дальнобойной рассеянной струи воды. Для этого выходной кольцевой канал насадка вы-
полняют так, что профили выходной части внутренней стенки корпуса и поверхности вы-
ходного 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

3. BY 6561 U 2010.10.30
3
в форме овалоида и, следовательно, ограниченные возможности в формировании распы-
ленной 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 [3]. Известен также пожарный ствол [4], который имеет
регулируемое кольцевое выходное отверстие для выпуска сплошной струи воды с различ-
ным диаметром струи, которое образовано конусообразным выходным наконечником об-
текателя, 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, обеспе-
чивающих 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, дальнобойно-
го, но относительно узкого факела мелких капель воды и водяной пыли, широкий тумано-
образный 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 обес-
печивающего возможности снижения входного давления воды без потери эффективности
пожаротушения. Наиболее близким к предлагаемому является насадок [5], который вы-
полнен в виде кольцевой трубки Вентури с криволинейным конфузором, форма кривизны
которого выполнена гиперболической. Геометрические размеры насадка заданы уравне-
нием, 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 за-
весы (защитного экрана) при тушении пожара.
Недостатками прототипа являются низкая и неоднородная дисперсность создаваемой
распыленной струи жидкости ввиду недостаточного достижения конструкцией насадка
кавитационного эффекта.
Задачей полезной модели является повышение дисперсности и однородности создава-
емой 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 се-
ток, в котором, согласно полезной модели, проточный кавитирующий тракт выполнен в
виде четырех участков различной конфигурации:
участка линейного сужения L1, 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,
конически расходящегося участка длиной L4 = (1,1 ÷ 1,2)d0, с углом конусности
α = 70°;

4. BY 6561 U 2010.10.30
4
диаметром:
15
2
37
вн
37
0 ,
3p
Qp256
d








νπ
β
ξ= (1)
где π = 3,14; p - плотность жидкости; Q - расход жидкости;
ξ - параметрический коэффициент размерности, равный 0,98×10-2
;
ν - коэффициент кинематической вязкости жидкости;
pвн - абсолютное внешнее давление за насадком;
β - угол конусности сопла.
Сущность полезной модели отражена на чертежах - фиг. 1, на котором представлена
схема кавитирующего тракта; а также фиг. 2, отображающей общее устройство насадка.
Насадок - распылитель (устройство формирования струи) на ручной пожарный ствол
содержит корпус 5 с присоединительной резьбой 6 для присоединения к пожарному ство-
лу. В корпус заключен проточный кавитирующий тракт, обеспечивающий формирование
мелкодисперсной струи пожаротушащей жидкости и включающий последовательно: уча-
сток линейного сужения 1; участок сферического сужения 2; цилиндрический участок 3;
конически расходящийся участок 4. За кавитирующим трактом в корпусе насадка поме-
щена его цилиндрическая выходная часть 7 с набором сеток, помещаемым в насадок при
необходимости.
Эффект распыления в системе пожаротушения может быть достигнут путем обеспе-
чения 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, образо-
ванию 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 рассматри-
ваемом случае это атмосферное давление. В полостях струйных элементов (насадках и
распылителях) протекают сложные гидродинамические явления, связанные как с геомет-
рией струйного устройства, так и с самой рабочей средой. Точный учет всех явлений, со-
путствующих 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 рассчи-
танные качества распыления среды при заданных параметрах ее истечения, а также реоло-
гические свойства распыляемой среды и далее выполнить следующие этапы и условия:
1) Расчет диаметра выходного отверстия - сопла - предлагаемого насадка производит-
ся, исходя из обеспечения необходимого расхода при заданном перепаде давления.
В первом приближении задаемся диаметром выходного сечения сопла
,
p2
p
Q4
d0
πµ
=
(1)
где p - плотность жидкости;
µ - коэффициент расхода (для распыляющих насадков на начальной стадии проекти-
рования может быть принят µ = 0,6 [6]);

5. BY 6561 U 2010.10.30
5
Q - расход жидкости;
P - давление.
2) Расчет проточной части насадка производится исходя из минимизации гидравличе-
ских потерь.
Обычной функцией, выполняемой соплами во многих струйных аппаратах, является
повышение дальнобойности. В таких случаях их геометрия представляет плавно очерчен-
ный 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 распыли-
вания жидкостей. Здесь в отличие от предыдущего случая весьма желательно появление
неустойчивости течения на выходе из сопла, что обычно достигается резкими изломами
проточного тракта [7, 8]. Последняя мера неизбежно вызывает вихреобразование и, в ко-
нечном итоге, увеличение потерь. Поэтому цель оптимизации в данном случае заключает-
ся в получении решения, когда, с одной стороны, обязательно должна присутствовать
задаваемая форма неустойчивости, а с другой - коэффициент расхода насадка желательно
сохранить как можно более высоким. Исходя из этого, была разработана схема проточно-
го тракта распыливающего насадка (рис. 1).
Сужающаяся часть проточного тракта насадка выполнена в виде двух участков, участ-
ка линейного сужения 1 длиной L1, и участка 2 сферического сужения длиной L2. Цилин-
дрический участок 3 длиной L3 необходим для создания истечения типа "истечение через
отверстие с острой кромкой". Такие условия истечения обеспечивают максимальное воз-
мущение на выходе, т.к. линии тока при подходе к цилиндрическому участку имеют мак-
симальные значения углов схождения. С другой стороны длина цилиндрической части
проточного тракта должна превышать ее диаметр более чем в два раза. В противном слу-
чае, 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 обеспечива-
ется при угле α = 70°.
Эксперименты с высокоскоростными струями [8] показали, минимум гидравлических
потерь наблюдается при углах конусности β = 13÷15° и соотношения диаметров на входе
и выходе в насадок D1/d0 > 8, поэтому в расчетах принимаем
D1 = 8d0. (2)
Длину линейного сужения L1 рекомендуется назначить не более чем D1 [9], поэтому
принимаем длину линейного сужения равной D1, т.е.
L1 = 8d0. (3)
Определим конечный диаметр линейного сужения D2,
D2 = D1-2tg β/2 L1 = 8d0-16tg (β/2)d0. (4)
Принимаем угол β = 15°, получаем
D2 = 6,0d0. (5)
Найдем длину сферического сужения
2
dD
L
2
0
2
2
2
−
=
(6)
или
L2 = 3,0d0. (7)
Проточный тракт спроектирован таким образом, чтобы в его внутреннюю полость
вписывалась поверхность, очерченная насадком коноидального профиля, обеспечивающе-

6. BY 6561 U 2010.10.30
6
го минимум гидравлических потерь. Такой профиль сужающегося насадка может быть
рассчитан по формуле Витошинского [10],
,
l
x1
l3
x1
r
r
11
r
r
12
2
2
12
2
2
0
*
*





 −





 −














−−
=
(8)
где r, x - текущие поперечная и продольная координаты
r0 = 0,5D1, (9)
r* = 0,5d0, (10)
3
LLL
l 3211 ++
= . (11)
Считая, что входная и выходная кромки проточного тракта насадка лежат на "профиле
Витошинского", определим длину цилиндрического участка. При этом известна радиаль-
ная координата искомой точки. Поскольку искомое значение x задано неявно, определим
ее подбирая r1, тогда длина цилиндрического участка 3 определяется как
L3 = 2,5d0. (12)
Длина расширяющейся части проточного тракта при α = 70° будет
L4 = 1,1d0. (13)
3) Расчет насадка с использованием эффекта кавитации.
Возникновение кавитации в рассматриваемом типе канала может происходить в ци-
линдрическом участке 3. Кроме того, необходимо учитывать, что на возникновение и раз-
витие кавитации влияет внешнее противодавление на выходе из сопла. В
рассматриваемом случае это атмосферное давление.
Кавитационные явления в сопле насадка возникают при условии [6]
( ) ,Re
d
p
3
2
pp
3
2
0
2
нпвн β
ϑ
+≥ (14)
где pвн - давление за соплом;
pнп - давление насыщенных паров;
p - плотность жидкости;
ϑ - средняя скорость на выходе из сопла;
β - угол конусности сопла.
После преобразований, пренебрегая величиной давления насыщенных паров, вслед-
ствие его малости по сравнению с давлением перед соплом, получим формулу для опре-
деления диаметра выходного отверстия, необходимого для достижения кавитационного
эффекта при прохождении огнетушащей жидкости через участки 1-3 кавитирующего
насадка:
,
3p
Qp256
d 15
2
37
вн
37
0








νπ
β
ξ=
(1)
где π = 3,1415; p - плотность жидкости; Q- расход жидкости;
ξ - параметрический коэффициент размерности, равный 0,98×10-2
;
ν - коэффициент кинематической вязкости жидкости;
pвн- абсолютное внешнее давление за насадком.
Насадок работает следующим образом. Вода или раствор поверхностно-активного ве-
щества (ПАВ) через ручной пожарный ствол с навинченным на него посредством присо-

7. BY 6561 U 2010.10.30
7
единительной резьбы 6 корпусом 5 насадка попадает на участок линейного сужения 1 ка-
витирующего тракта, где общий поток по уменьшающемуся диаметру конуса фокусирует-
ся 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 цилин-
дрического 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 сфериче-
ского 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 движе-
ние в направлении к входу в цилиндрический участок 3, образуя завихрения. Длина ци-
линдрического 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, по-
этому возрастание текущих местных скоростей вихревых потоков жидкости создают из-
менения 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 гидродинами-
ческий кавитационный эффект, приводящий к насыщению жидкости пузырьками газа (па-
ра), 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 се-
ток в цилиндрической выходной части 7, установленной на выходе насадка распылителя.
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.