CC BY
3УДК 614.845
ВЛИЯНИЕ НАСАДКА С ВНУТРЕННЕЙ СПИРАЛЬНОЙ НАРЕЗКОЙ НА ФОРМИРОВАНИЕ ГАЗОПОРОШКОВОГО ПОТОКА
А.С. Константинова.
Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России
Представлен насадок с внутренней спиральной нарезкой для порошкового огнетушителя, позволяющий повысить огнетушащий эффект. Проведена аналогия между силами, воздействующими на частицу порошка при прохождении вдоль канавок нарезки, и силами, воздействующими на частицу воды в колесе центробежного насоса. Приведены результаты огневых испытаний огнетушителя, оснащенного разработанным насадком.
Ключевые слова: насадок с внутренней спиральной нарезкой, закрутка потока, огневые испытания, порошковый огнетушитель
INFLUENCE OF A PACKING WITH AN INTERNAL SPIRAL THREAD ON THE FORMATION OF A GAS-POWDER SRTEAM
A.S. Konstantinova. Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia
A nozzle with an internal spiral thread for a powder fire extinguisher is presented, which allows to increase the fire extinguishing effect. An analogy is drawn between the forces acting on a powder particle when passing along the groove grooves and the forces acting on a water particle in a centrifugal pump wheel. The results of fire tests of a fire extinguisher equipped with the developed nozzle are presented.
Keywords: nozzles with internal spiral thread, swirling flow, fire tests, dry powder fire extinguisher
Экспериментально определено [1, 2], что существенный вклад в эффект тушения очага пожара газопорошковой струей вносит механизм срыва пламени. Таким образом, возникает задача сохранения скорости газопорошкового потока при движении его к очагу горения. Добиться этого можно путём снижения потерь энергии частицами порошка из-за турбулентных завихрений потока на выходе из насадка огнетушителя.
По аналогии со стволом нарезного оружия [3, 4] автором разработан насадок на огнетушитель с внутренней спиральной нарезкой, далее - нарезной насадок (рис. 1).
В поперечном сечении газопорошкового потока, движущегося через такой насадок, можно условно выделить две области: периферийную, подверженную закрутке, и центральную (осевую), движущуюся прямолинейно и имеющую более высокую скорость, чем периферийная. На выходе из насадка закрученный периферийный поток окружает центральную часть газопорошковой струи, повышая ее компактность и сохраняя скорость, достаточную для тушения очага горения, на большем расстоянии.
Эффект закрутки потока рассмотрен в работе [5] (применительно к центробежному насосу). В этой работе исследовано влияние закрутки потока жидкости на входе в центробежный насос и оценена эффективность метода повышения эксплуатационных показателей насоса путём устранения закрутки потока. Далее рассмотрены силы, воздействующие на частицу порошка при прохождении вдоль канавок нарезки, и проведена аналогия с силами, воздействующими на частицу воды в центробежном насосе.
Рис. 1. Нарезной насадок
Жидкость поступает в колесо насоса при некотором значении угла атаки. Под углом атаки понимают геометрический угол, образованный хордой лопатки колеса насоса и касательной к ней. Струйка жидкости войдя в контакт с колесом центробежного насоса, совершает после этого сложное движение, одновременно вращаясь с колесом и перемещаясь вдоль его лопаток от входа к выходу (рис. 2).
Рис. 2. Векторы скоростей частицы воды в центробежном насосе: их и и2 - окружные скорости частицы на входе в колесо и на выходе из него соответственно; Wl и w2 - относительные скорости частицы (направлены по касательным к лопатке);
сх и с2 - абсолютные скорости частицы
Поскольку оптимальным значениям подачи и напора соответствует максимум КПД, то всякие отклонения от их значений связаны с ухудшением экономичности эксплуатации. Следовательно, для обеспечения высокой экономичности эксплуатации насосного агрегата необходимо создать такие условия, чтобы отсутствовала закрутка потока жидкости на входе в насос.
Представим насадок с внутренней нарезкой в виде развертки, разрезав его вдоль образующей (рис. 3).
/ У У\а
к Lmc
dn
Рис. 3. Развертка нарезного насадка: Ьш - длина шага нарезки; d - диаметр шланга; Ьнас - длина насадка; а - угол наклона канавок
нарезки к образующей
Для движения частицы порошка внутри нарезного насадка аналогией окружной скорости и1 частицы воды в рабочем колесе будет скорость движения частицы порошка вдоль оси насадка (рис. 4). Аналогией относительной скорости W частицы воды будет вектор Wп, отражающий воздействие на частицу нарезки.
Рис. 4. Векторы скоростей частицы порошка в нарезном насадке: их и и2 - осевые скорости частицы на входе в насадок и на выходе из него соответственно; Wl и W2 - относительные скорости частицы (направлены по касательным к канавкам нарезки);
сх и с2 - абсолютные скорости частицы
С увеличением угла к (sin к) растет сопротивление насадка, следовательно, увеличиваются потери энергии. Это объясняет экспериментально установленный худший эффект тушения при использовании насадка с шагом нарезки 15 мм относительно насадка с шагом нарезки 20 мм.
Проведена аналогия количества лопаток рабочего колеса и количества нитей нарезки насадка. На рис. 5 графически изображено распределение скоростей в каналах рабочего колеса центробежного насоса.
Рис. 5. Распределение скоростей в каналах рабочего колеса: I - идеальный случай (бесконечно большое число бесконечно тонких лопаток); II - относительный вихрь жидкости между лопатками; III - распределение скоростей жидкости, вызванное неравномерностью давления лопаток на жидкость
На рис. 6 представлено распределение скоростей частицы порошка в зависимости от удаления от поверхности спиральной нарезки.
I п
Рис. 6. Распределение скоростей частиц порошка в нарезном насадке: I - распределение осевых скоростей частиц при удалении от стенок насадка; II - распределение касательных скоростей частиц при удалении от стенок насадка
Для насадка бесконечное число нитей нарезки означает гладкую поверхность насадка - в этом случае потери минимальны.
Центробежный насос используют для преобразования вращательного движения рабочего колеса в поступательное движение перекачиваемой жидкости. Нарезной насадок служит обратной цели - использование поступательного движения порошка (энергия давления вытесняющего газа в огнетушителе) для придания потоку вращательного движения. Для этого вместо подвижного рабочего колеса используют неподвижный элемент насадка - внутреннюю спиральную нарезку.
Для центробежного насоса закрутка потока жидкости при входе в рабочую полость имеет отрицательный эффект (снижает КПД). Нарезной насадок положительно влияет на газопорошковый поток, снижая его турбулентность на выходе из насадка и улучшая тем самым огнетушащий эффект.
Проведена экспериментальная оценка эффективности тушения жидких углеводородов при подаче огнетушащего порошкового состава с применением нарезного насадка.
В эксперименте использовано следующее оборудование:
- установка для определения огнетушащего эффекта порошка в поперечном сечении газопорошкового потока [6, 7];
- огнетушитель ОП-1(з)-ВСЕ, изготовитель ООО «Ярпожинвест», г. Ярославль, рабочее давление огнетушителя 1,4+/-0,2 МПа;
- насадки с различными характеристиками - с внутренней нарезкой и с гладкой внутренней поверхностью (рис. 7), различной длины (50, 100, 150 мм) и с различным шагом нарезки (15 и 20 мм).
100
В ходе экспериментов огнетушитель устанавливали на заданном расстоянии от плоскости расположения экспериментальных очагов под заданным углом к горизонту. Экспериментальные очаги установки заполняли горючим - растворителем-646 [8, 9], поджигали и осуществляли подачу порошка к установке. Ход экспериментов фиксировали с помощью видеозаписи.
На основании данных эксперимента построены графики зависимости огнетушащего эффекта от длины насадка и от шага нарезки (табл.).
Таблица. Количество потушенных очагов в зависимости от длины насадка и шага нарезки
Шаг нарезки, мм Суммарное количество потушенных очагов для заданной длины насадка
15 20 Без нарезки
Длина насадка, мм 50 8 13 13 34
100 11 13 12 36
150 5 9 10 24
Суммарное количество потушенных очагов для заданного шага нарезки 24 35 35 -
Из данных таблицы видно, что наилучшие результаты получены при использовании насадка средней длины (100 мм) с шагом нарезки 20 мм. Худшие результаты получены при использовании насадков длиной 150 мм с шагом нарезки 15 мм.
На основании анализа протоколов экспериментов и просмотра видеозаписей сделаны следующие выводы:
- при использовании нарезного насадка формируется более компактный газопорошковый поток (с меньшей площадью поперечного сечения), который при этом обладает большей дальностью полета струи;
- наибольшее отличие при подаче порошка с нарезным насадком и при его отсутствии можно наблюдать на расстоянии 3 м - в первом случае потушено в три раза больше очагов. На основании того, что при прохождении газопорошкового потока через зону горения параллельно поверхности горючей жидкости наибольший вклад в тушение вносит эффект срыва пламени, можно предположить, что разница в количестве потушенных очагов возникает из-за большей скорости потока при применении насадка;
- при использовании нарезного насадка на видеозаписи видно закручивание потока при его движении к очагу пожара;
- при применении нарезного насадка длиной 100 мм скорость потока выше, чем при использовании более коротких насадков [10];
- с уменьшением насыпной плотности порошка (то есть с увеличением доли крупных фракций) растет компактность и эффективная дальность струи.
Полученные результаты создают основу для совершенствования методики определения огнетушащей способности порошковых составов.
Литература
1. Константинова А.С., Кожевин Д.Ф., Поляков А.С. Экспериментальное определение преобладающего механизма тушения горения углеводородов порошковым составом // Актуальные проблемы пожарной безопасности, предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций: материалы XI Междунар. науч.-практ. конф. Кокшетау: КТИ МЧС РК, 2020. С. 73-76.
2. Константинова А.С., Поляков А.С. О необходимости учета преобладающего механизма тушения при испытаниях огнетушащих порошков // Обеспечение безопасности жизнедеятельности: проблемы и перспективы: сб. материалов XV Междунар. науч.-практ. конф. молодых ученых: в 2-х т. Минск: УГЗ, 2021. Т. 1. Ч. 2. С. 369-370.
3. Трофимов В.Н., Трофимов А.В. Современные охотничьи боеприпасы для нарезного оружия. Гильзы, пороха, капсюли, пули, патроны, элементы баллистики: справ. М.: Изд. дом Рученькиных, 2003. 352 с.
4. Миньков С.И., Тетера В.А. Патроны для охотничьего нарезного оружия. Каталог-справочник. Киров: Изд-во «ВНИИОЗ», 1997.
5. Поляков A.C, Макаров В.Г., Квашнин Б.С. Руководство к лабораторным работам по дисциплине «Техника службы горючего». Л.: Военная ордена Ленина Aкадемия тыла и транспорта, 1989. Ч. 1.
6. Константинова A.C, Кожевин Д.Ф., Поляков A.C Система экспериментальных очагов пожара: пат. РФ RU 2749639 C1, заяв. M 2020130295 от 14.G9.2G2G; опубл. 16.G6.2G21, Бюл. M 17.
7. Установка для определения распределения частиц огнетушащего порошка в поперечном сечении нестационарного газового потока / A.C Константинова [и др.] // Сибирский пожарно-спасательный вестник. 2G2G. M 4 (19). С. 2G-24.
8. Константинова A.C, Поляков A.C О выборе продуктов нефтепереработки для системы экспериментальных очагов пожара при определении огнетушащей эффективности порошковых составов // Нефтепереработка и нефтехимия. 2G21. M 7. С. 41-46.
9. Пожаровзрывобезопасность веществ и материалов и средства их тушения: справ. изд.: в 2-х кн. / A.H. Баратов [и др.]. М.: Химия, 199G. Кн. 2. 384 с.
10. Константинова A.Q, Поляков A.C Комплексная оценка полезности насадка с внутренней спиральной нарезкой при порошковом пожаротушении // Техносферная безопасность. 2G21. M 3. С. 3-13.
References
1. Konstantinova A.S., Kozhevin D.F., Polyakov A.S. Eksperimental'noe opredelenie preobladayushchego mekhanizma tusheniya goreniya uglevodorodov poroshkovym sostavom // Aktual'nye problemy pozharnoj bezopasnosti, preduprezhdeniya i likvidacii chrezvychajnyh situacij : materialy XI Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. Kokshetau: KTI MCHS RK, 2020. S. 73-76.
2. Konstantinova A.S., Polyakov A.S. O neobhodimosti ucheta preobladayushchego mekhanizma tusheniya pri ispytaniyah ognetushashchih poroshkov // Obespechenie bezopasnosti zhiznedeyatel'nosti: problemy i perspektivy: sb. materialov XV Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. molodyh uchenyh: v 2-h t. Minsk: UGZ, 2021. T. 1. Ch. 2. S. 369-370.
3. Trofimov V.N., Trofimov A.V. Sovremennye ohotnich'i boepripasy dlya nareznogo oruzhiya. Gil'zy, poroha, kapsyuli, puli, patrony, elementy ballistiki: sprav. M.: Izd. dom Ruchen'kinyh, 2003. 352 s.
4. Min'kov S.I., Tetera V.A. Patrony dlya ohotnich'ego nareznogo oruzhiya. Katalog-spravochnik. Kirov: Izd-vo «VNIIOZ», 1997.
5. Polyakov A.S., Makarov V.G., Kvashnin B.S. Rukovodstvo k laboratornym rabotam po discipline «Tekhnika sluzhby goryuchego». L.: Voennaya ordena Lenina Akademiya tyla i transporta, 1989. Ch. 1.
6. Konstantinova A.S., Kozhevin D.F., Polyakov A.S. Sistema eksperimental'nyh ochagov pozhara: pat. RF RU 2749639 C1, zayav. M 2G2G13G295 ot 14.G9.2G20; opubl. 16.06.2021, Byul. tt° 17.
7. Ustanovka dlya opredeleniya raspredeleniya chastic ognetushashchego poroshka v poperechnom sechenii nestacionarnogo gazovogo potoka / A.S. Konstantinova [i dr.] // Sibirskij pozharno-spasatel'nyj vestnik. 2G2G. M 4 (19). S. 20-24.
8. Konstantinova A.S., Polyakov A.S. O vybore produktov neftepererabotki dlya sistemy eksperimental'nyh ochagov pozhara pri opredelenii ognetushashchej effektivnosti poroshkovyh sostavov // Neftepererabotka i neftekhimiya. 2G21. M 7. S. 41-46.
9. Pozharovzryvobezopasnost' veshchestv i materialov i sredstva ih tusheniya: sprav. izd.: v 2-h kn. / A.N. Baratov [i dr.]. M.: Himiya, 1990. Kn. 2. 384 s.
10. Konstantinova A.S., Polyakov A.S. Kompleksnaya ocenka poleznosti nasadka s vnutrennej spiral'noj narezkoj pri poroshkovom pozharotushenii // Tekhnosfernaya bezopasnost'. 2G21. M 3. S. 3-13.
