В Российской Федерации наблюдается тенденция к снижению количества пожаров. Так, исходя из статистических данных ВНИИПО МЧС России [1] в 2019 году на территории Российской Федерации произошло 131840 пожаров, что на 1004 пожара меньше чем в 2018 году. Однако присутствует отрицательная динамика увеличения такого показателя, как прямой ущерб, в 2019 году, по сравнению с 2018 годом он увеличился на 12, 7 % и составил 15 517 156 тыс. руб. Такие высокие показатели прежде всего связаны не с количеством пожаров, а с их «качеством», т.е. с каждым годом пожары становятся все масштабней (по площади пожара, по виду и количеству пожарной нагрузки) и тушение пожаров становится сложной задачей.

Для обеспечения пожарной безопасности различных объектов защиты, а именно непосредственно тушения пожаров, в случае их возникновении, требуется применение современных технических средств. На сегодняшний день для тушения пожаров применяются разнообразные приборы подачи огнетушащих веществ (далее ОТВ), в том числе и пожарные стволы (Рис 1).

Рисунок 1 -Линейный ряд универсальных стволов

Современные приборы подачи ОТВ имеют широкий спектр возможностей, таких как изменяемый расход, изменяемая геометрия струи, возможность комбинированной ОТВ. Так же можно и охарактеризовать современные пожарные лафетные стволы, применяемые в стационарных установках пожаротушения, так как по конструктивному исполнению они не отличаются от ручные стволов, изменены только габаритные показатели, для обеспечения пропускной способности большего количества ОТВ.

Вышеуказанные приборы подачи ОТВ, отличаются от предшествующих их стволов с конусными насадками, с полым объемом (Рис 2), как по внешнему виду, так и по функциональным возможностям при тушении пожаров.

Рисунок 2 – Ствольная техника конусного типа

Конструкция современных пожарных стволов разработана на основании эмпирическим или полуэмпирическим расчетов. Производители ствольной техники подстраиваются под требования нормативных документов в области обеспечения пожарной безопасности, чтобы сертифицировать свою продукцию. Научная необоснованность движения ОТВ в насадках современных пожарных стволов отрицательно влияет в первую очередь, на организацию пожарной безопасности стационарными установками пожаротушения, так как для расстановки лафетных пожарных стволов на объекте защиты (Рис 3) требуется знать их тактические возможности, а именно: баллистику струй ОТВ, дальность компактной части струи, дальность раздробленной части струи, интенсивности подачи ОТВ в разных частях струи.

Рисунок 3 – Пример расстановки современных лафетных стволов

Интенсивность подачи ОТВ напрямую влияет на качество тушения, а на интенсивность влияет расход, у новых видов пожарных стволов расход можно определить только эмпирическим путем, методики и зависимости определения расхода, как для конусных стволов, отсутствуют. Также отсутствие методик оценки современных стволов негативно влияет на управление силами и средствами на пожаре, не позволяет в документах предварительного планирования использовать значения расходов из приборов подачи ОТВ, для достижения точки локализации пожара, когда фактический расход на тушение пожара больше, чем требуемый (Q_ф ≥ Q_тр). Также возникает вопрос о таком показателе, как «глубина тушения», у современных стволов, имеющих большую дальность подачи, чем у конусных стволов, площадь соприкосновения и эффективного воздействия на поверхность горения будет больше, чем у устаревших типов стволов. Но на сегодняшний день применяются показатели для стволов конусного типа (Рис. 2), отсюда вытекает коллизия результатов расчетов и фактических данных, в следствии чего идет «подгонка» теоретических расчетов и практических результатов тушения. Вышеуказанные проблемы требуют углубленного изучения современных типов пожарных стволов.

Самую главную роль при формировании эффективных струй ОТВ современных стволов при тушении пожаров играет универсальный насадок (Рис. 4), как на ручных пожарных стволах, так и на лафетных.

Рисунок 4 – Чертеж универсального насадка

В самом же универсальном насадке, самую главную роль играет дефлектор-это тарельчатый диск, который располагается непосредственно после поперечного сечения трубопровода ствола, на определенном расстоянии, тем самым образуя кольцевой щелевой зазор, через который огнетушащие вещество может выходить из ствола в разные стороны, с углом факела распыла струи 120º и более. Далее, уже с помощью внешнего регулятора (бампера), струя регулируется до требуемого угла факела распыла, или до формы сплошной струи (Рис. 5).

а)       б)

Рисунок 5 – Возможности универсального насадка
при образовании струй ОТВ

а – струя ОТВ с углом факела распыла 120º; б – сплошная струя

На Рис. 5 можно наблюдать, как происходит истечение жидкости из отверстий. При многократных исследования и эмпирических испытаниях было выявлено, что на расход, при истечении жидкости из насадков влияет: форма и площадь поперечного сечения выходного отверстия(ω), коэффициент местного сопротивления (ζ), коэффициент сжатия (ε) [2]. Формула для определения расхода жидкости из насадка имеет вид:

Q = µ · ω $\sqrt{2gH}$          (1)

где:

µ – коэффициент насадка

ω – площадь поперечного сечения насадка, м²;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

H – напор у отверстия, м.в.ст.

µ = ε · φ            (2)

где:

ε – степень сжатия жидкости;

φ – коэффициент скорости;

Степень сжатия оценивается коффициентом сжатия (ε):

ε = $\frac{{\mathrm{S}}_{\mathrm{c}}}{{\mathrm{S}}_{\mathrm{o}}}$ = ${\left(\frac{d_c}{d_o}\right)}^2$ ,         (3)

где:

S_c и S_o – площадь поперечного сечения струи и отверстия;

d_c и d_o – диаметр поперечного сечения струи и отверстия

Коэффициент скорости определяется по формуле:

φ = $\frac{1}{\sqrt{\alpha + \zeta }}$            (4)

где:

α – коэффициент Кориолиса (равен 1)

ζ – коэффициент местного сопротивления

Формула (1) не подходит для универсальных насадков, так как не коррелируются многие показатели. И если площадь поперечного сечения струи определить не так сложно, на Рис. 5а. видно, что площадь поперечного сечения выхода ОТВ (ω) является кольцо, отсюда следует, что она будет равна:

ω = $\frac{\pi (\mathrm{D}\mathrm{с}\mathrm{ }-\mathrm{ }\mathrm{D}\mathrm{д}) }{4}$            (5)

где:

D_с – радиус струи на выходе из поперечного сечения кольцевого зазора, м²;

D_д – радиус дефлектора, м²

Требуются дополнительные исследования и определения таких показатели, как степень сжатия жидкости(ε), коэффициент местного сопротивления (ζ) для универсального насадка. Также требуется изучения влияния внутренних конструктивных элементов в корпусе ствола (например успокоитель), который также выполняют функцию держателя ножки тарельчатого дефлектора.

Кроме этого, формирующий поток, насадок, как конструктивная часть современных универсальных стволов образует струи ОТВ, отличающиеся от струй, образованных конусными стволами. Струей называется поток жидкости, не ограниченный стенками, движущийся в массе такой же жидкости или в газовой среде. В предыдущих исследованиях [3] выявлено, для более эффективной дальности подачи жидкости из насадка идеальная форма поперечного сечения
 насадка – круглая. Данные научные исследования легли в основу создания стволов конусно типа.

Из универсальных же насадков жидкость выходит с одинаковой скоростью на всех участках разреза струи в отличии от сплошной струи, выходящей из конусного насадка, где она имеет значительно большую скорость в центре, чем по краям, и уже на выходе имеет тенденцию к распаду. Вакуум, создаваемый внутри прямой распыляющей струи
 (Рис. 5б), фокусирует струю к центру после прохождения небольшого расстояния от насадка и равномерно заполняет весь внутренний объем капельной массой.

Сплошная струя сформированная универсальным насадком имеет одинаковую скорость в разрезе, она получается тугой и стабильной, по дальности данная сплошная струя превосходит струю, получаемую из конусного насадка. При этом данная струя состоит не из сплошного, близкого к ламинарному, потока жидкости, а из капельных масс, в следствии чего данные массы намного лучше поглощают тепловую энергию из-за многократно увеличившейся площади контактной поверхности.

Универсальный насадок формирует пены низкой кратности. При выходе из насадка, пена формируется уже в полете при контакте потока распыленной массы с воздухом. В результате дальность подачи будет значительно выше, чем у стволов, формирующих воздушно-механическую пену, в которых турбулентный поток образуется уже в самом стволе.

Все вышеуказанные факторы говорят о преимуществах ствольной техники с универсальным насадком, но научно не изучена и не обоснована баллистика струй, формируемыми универсальным насадком. Также не рассчитаны зоны эффективной подачи струи из стволов с универсальным насадком.

При применении ствольной техники и для создания новых образцов требуется знать ряд физических показателей, такие как коэффициент местного сопротивления в полости насадка перед дефлектором, коэффициент сжимаемости жидкости в универсальных насадках. На данные показатели будут влиять геометрические показатели тарельчатого дефлектора и габаритные показатели внутреннего корпуса ствола. В данной работе предлагаются схематичные разнообразные формы и конструкции универсальных насадков. (Рис.6)

Рисунок 6 – Схемы предлагаемых насадков

а) плоский тарельчатый дефлектор и прямая форма полости корпуса; б) плоский тарельчатый дефлектор и изменяемая форма полости корпуса; в) дефлектор с угловым подъемом и прямая форма полости корпуса; г) дефлектор с угловым подъемом и прямая форма трубопровода изменяемая форма полости корпуса.

Перед практическим изготавливанием предлагаемых насадков требуется компьютерное моделирование истечения жидкости из разных видов предлагаемых насадков, обоснование требований, обеспечивающих дальность подачи и эффективную площадь орошения не только к дефлектору и к форме корпуса насадка, но и к конструктивно элементу – бамперу, который влияет на угол факела распыла струи и расход.

Данные исследования помогут вывести и теоретически обосновать научные формулы движения жидкостей в универсальных насадках, получить тактико-технически показатели современных видов ствольной техники, что в дальнейшем послужит основой для разработки документов предварительного планирования, для управления силами и средствами на пожаре, а также теоретической основой для расстановки средств противопожарной защиты, в виде лафетных пожарных стволов на объектах различных отраслей энергетики.

Литература:

1. Пожары и пожарная безопасность в 2019 году: Статистический сборник. Под общей редакцией Д.М. Гордиенко. - М.: ВНИИПО, 2020, - 125 с.: ил. 42.
2. Абросимов Ю.Г., Иванов А.И., Качалов А.А. и др. Гидравлика и противопожарное водоснабжение: Учебник. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2003, 392 с.
3. Тарасов-Aгалаков Н.A. Практическая гидравлика в пожарном деле. AЛ.: Минкомун- хоз, 1959, с. 127.