УСТРОЙСТВО ПОЖАРНОЙ НАСОСНО-РУКАВНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЕЕ АДАПТАЦИИ К НИЗКИМ ТЕМПЕРАТУРАМ
APPARATUS OF A FIREFIGHTING PUMP AND HOSE SYSTEM FOR INCREASING ADAPTATION THEREOF TO LOW TEMPERATURES

Предлагаемое изобретение относится к противопожарной технике, в частности к техническим средствам, повышающим надежность функционирования пожарных насосно-рукавных систем (ПНРС) в низкотемпературных условиях.
Ввиду отсутствия гидрантов воду для тушения часто приходится забирать из открытых естественных и искусственных водоисточников (рек, прудов, озер, колодцев, ям-копаней и т.п.). При работе от открытых водоисточников пожарные насосно-рукавные системы, помимо центробежного насоса собственно в сборе с коллектором и напорными вентилями, напорными рукавными линиями и пожарными стволами, содержат вакуумную систему и всасывающую рукавную линию, которая включает всасывающую сетку с обратным клапаном и всасывающие рукава.
Каждый всасывающий рукав в сборе конструктивно состоит из гибкого резинового трубопровода, армированного стальной проволочной спиралью и соединительных головок по его концам. В кольцевой канавке каждой головки располагается резиновое уплотнительное кольцо. Всасывающие рукава, применяемые с пожарными насосами, должны быть герметичными, не иметь местных вздутий, разрывов, деформации, отслаивания внутреннего резинового слоя и т.п. (см. Пожарная техника: Учебник / Под ред. М.Д. Безбородько - М.: Академия ГПС МЧС России, 2004. - 550 с.).
Для предварительного заполнения водой пожарного насоса и всасывающей рукавной линии при заборе воды из открытого водоисточника известна система с автономным приводом (А.С. №1618427 СССР А62С 25/00. Система заполнения водой пожарного насоса и всасывающей рукавной линии пожарного автомобиля / Егоров Г.И., Ильясов P.M., Титов Н.В. // Открытия. Изобретения. - 1991. - №1. - с. 29.).
Данная система имеет дополнительный насос, который установлен снаружи всасывающей сетки и связан с всасывающей рукавной линией посредством трубопровода с установленным в нем обратным клапаном. Трубопровод дополнительного насоса присоединен выше обратного клапана всасывающей сетки. Дополнительный насос имеет электрический привод, подключенный к бортовой электросети пожарного автомобиля. Система заполняет полости пожарного насоса и всасывающей рукавной линии подачей воды под напором. После чего включают привод пожарного насоса. Недостатками такой системы являются увеличенные массогабаритные параметры всасывающей сетки в сборе, низкая надежность дополнительного электронасоса и необходимость в более мощном электрогенераторе шасси пожарного автомобиля.
Наиболее распространены типовые вакуумные системы пожарных центробежных насосов предназначенные для предварительного заполнения полостей насоса и всасывающих рукавов водой из открытого водоисточника посредством их вакуумирования. Типовая вакуумная система содержит штатные вакуумный насос, вакуумный кран предназначенный для сообщения/разобщения вакуумного насоса с полостью насоса и имеющий два положения: «Открыто» и «Закрыто», а также соединительный трубопровод. Для контроля полноты заполнения водой указанных полостей вакуумный кран располагается в самой верхней точке коллектора спецагрегата.
Алгоритм действий оператора насоса зимой при заборе воды из открытого водоисточника с использованием исправной типовой вакуумной системы состоит в следующем. Для исключения появления воронки и засасывания, таким образом, воздуха всасывающую сетку собранной всасывающей рукавной линии погружают в воду на глубину не менее 300 мм, а другой ее конец - присоединяют к всасывающему патрубку спецагрегата. Вакуумный кран устанавливается в положение «Открыто».
Затем необходимо включить вакуумный насос, который выключают лишь после того, как из его выпускного отверстия польется струя воды. Это означает, что пожарный насос и всасывающая линия полностью заполнены водой и готовы к работе. Затем включают привод спецагрегата. Рабочее колесо насоса начинает вращаться и, вследствие действия центробежных сил, манометр фиксирует наличие давления воды в его корпусе. После чего оператор сначала медленно открывает клапан напорного вентиля свободного патрубка и, при устойчивой работе насоса, можно подавать огнетушащие вещества (воду или пену) через другие вентили на тушение либо охлаждение конструкций и т.п.(см. Пожарная техника: Учебник / Под ред. М.Д. Безбородько - М.: Академия ГПС МЧС России, 2004. - 550 с.).
В экстремально-низких метеорологических условиях температура воды в открытых водоисточниках опускается до плюс 0,3°С (см. Алешков М.В. Повышение работоспособности напорных рукавных линий при тушении пожаров в условиях низких температур: дис. канд. техн. наук. / ВИПТШ МВД РФ. - М.: 1990. - 293 с.). Зимой при заборе воды из открытых водоисточников велика доля отказов пожарных насосно-рукавных систем при пуске воды в напорную магистральную рукавную линию. Особенно это имеет место при повышенных высотах всасывания (см. Егоров Г.И. Повышение работоспособности систем насосных установок пожарных автомобилей: дисс…канд. техн. наук / ВИПТШ МВД РФ. - М.: 1993. - 170 с.) либо когда непосредственный подъезд к водоисточнику затруднен или невозможен и потому пожарный автомобиль вынуждены располагать на некотором удалении. В данном случае его всасывающая линия естественно будет состоять из нескольких рукавов, которые вмещают значительные высокоинертные массы холодной и вязкой воды.
Отказы ПНРС зимой обусловлены следующими объективными и субъективными причинами. Так, объективным являются следующий фактор. При понижении температуры воздуха от плюс 30°С (303 К) до минус 30°С (243 К) его вязкость уменьшается наполовину (см. Исаченко В.П., Осипова В.А. и др. Теплопередача. М.: Энергоиздат, 1981. - 416 с.). В результате значительно возрастает способность холодного маловязкого воздуха "затекать" через какие-либо неплотности во всасывающую линию и в насос собственно.
3
6
6
2
Кроме того, при понижении температуры воды с 20°С до 0°С ее плотность повышается незначительно - с 998,2 до 999,9 кг/м. А кинематическая вязкость увеличивается существенно: с 1,006⋅10 до 1,789⋅10 м/с - на 77,8%, т.е. практически вдвое (см. Михеев М.А. Основы теплопередачи / М.А. Михеев, И.М. Михеева. - М.: Энергия, 1973. - 320 с.). Таким образом, зимой значительно возрастает инерционность воды, находящейся в открытом водоисточнике и во всасывающей линии насоса. Именно этим объясняется следующий факт. В результате резкого открытия клапана напорного вентиля (например, вследствие его примерзания к седлу либо низкой квалификацией оператора и т.п.) спецагрегата и, одновременно, запаздывания открытия обратного клапана всасывающей сетки и, соответственно, запаздывания поступления холодной вязкой воды из открытого водоисточника во всасывающую линию, происходит выброс некоторого количества воды в напорную рукавную линию с последующим срывом работы насосно-рукавной системы. Другими словами, имеет место невыполнение условия баланса масс отводимой от пожарного насоса воды и подводимой.
Субъективной причиной ухудшения герметичности всасывающей линии зимой являются физико-механические свойства материалов пожарных рукавов. Так, известно (см. В.И. Веттегрень, В.Н. Ложкин, М.А. Савин. Эффективная эксплуатация основных пожарных автомобилей при низких температурах: монография - 2-е изд., перераб. и доп. - Екатеринбург: УрИ ГПС МЧС России. 2019. 356 с.), что при понижении температуры резинотехнические изделия утрачивают высокоэластичные свойства, происходит переход в стеклообразное состояние и возрастание жесткости резины. Потеря резиной эластичности ведет к нарушению герметичности и поломкам деталей - разрушению уплотнений, манжет, диафрагм и т.п. Негерметичность всасывающей линии зимой часто связана с тем, что теряют эластичность - «дубеют» - резиновые уплотнительные кольца соединительных головок рукавов. Так же имеют место случаи отслоения внутреннего резинового слоя рукавов и т.п.
Рассмотрим физику процессов происходящих в пожарном центробежном насосе, когда зимой, вследствие нарушения герметичности всасывающей линии, в его полость поступает воздух. Следовательно, внутри спецагрегата будет иметь место двухфазная водо-воздушная среда. Под действием центробежных сил вращающееся рабочее колесо нагнетает к периферии корпуса более плотную среду - воду, поступившую из водоисточника. А воздух, как менее плотная фаза, естественно сосредотачивается вблизи оси его вращения. Таким образом, в спецагрегате образуется воздушная пробка. Очевидно, что динамика увеличения ее размеров и объема прямо зависит от размеров негерметичности всасывающей линии, величин подач насоса и частот вращения рабочего колеса. По мере роста габаритов пробки увеличивается ее гидравлическое сопротивление, что препятствует поступлению в насос холодной и потому весьма вязкой воды. Увеличивающаяся в размерах воздушная пробка приводит к понижению интенсивности подачи воды либо пены в очаг пожара (см. Приказ МЧС России от 16.10.2017 г. №444 «Об утверждении Боевого устава подразделений пожарной охраны, определяющего порядок организации тушения пожаров и проведения АСР»), не позволяет пожарным насосам обеспечивать необходимые, складывающиеся по оперативной обстановке, величины расходов вплоть до полного прекращения подачи огнетушащих веществ.
Постоянное поступление воздуха через неплотности также делает невозможным создание спецагрегатами необходимых напоров, соответственно сокращаются дальности полета струй (- что также отрицательно влияет на безопасность личного состава) и которые, к тому же, из требуемых компактных становятся распыленными, появляются проблемы с реализацией гидродинамического способа пожаротушения.
Таким образом, нарушение герметичности всасывающих линий при низких температурах существенно ухудшает оперативность действий, тактические возможности и эффективность боевых расчетов.
Между тем известно, что каждая минута среднестатистического пожара, например в 2018 году, обошлась российскому обществу более чем в 13000 руб. полного ущерба (а каждая секунда - свыше 200 руб.) и гибелью 0,001882 человек, т.е. порядка 6 жертв на каждые 100 пожаров (см. В.И. Веттегрень, В.Н. Ложкин, М.А. Савин. Эффективная эксплуатация основных пожарных автомобилей при низких температурах: монография - 2-е изд., перераб. и доп. - Екатеринбург: УрИ ГПС МЧС России. 2019. 356 с.).
Совершенно очевидно, что зимой в условиях цейтнота и стрессовой ситуации пожара весьма актуальным будет техническое решение, направленное на уменьшение объема, а еще лучше - на полное удаление воздушной пробки из полости работающего спецагрегата.
Именно данная типовая конструкция пожарной насосно-рукавной системы и ее вакуумной системы, а также алгоритм действий оператора при работе спецагрегата от открытых водоисточников в условиях низких температур, по мнению заявителя, является прототипом изобретения.
Задачей заявляемого изобретения является повышение надежности пожарных насосно-рукавных систем при работе от открытых водоисточников в низкотемпературных условиях, предотвращение срыва их работы, вследствие нарушения герметичности всасывающей рукавной линии за счет модернизации конструкции вакуумной системы и изменения алгоритма управления ею и при минимальных доработках устройств гидравлического оборудования.
Поставленная задача решается тем, что вакуумную систему насоса необходимо дополнить рядом деталей и узлов и, соответственно, изменить алгоритм управления ею. Так, в частности, доукомплектовать следующими элементами: дополнительным вакуумным краном аналогичной конструкции с типовым и также имеющем два положения: «Открыто» и «Закрыто»; его заборной трубкой в обтекаемым пилоне; трехходовым краном-тройником имеющем три положения: «Забор воды», «Удаление воздуха» и «Форсированный забор»; а также трубопроводами, сообщающими оба вакуумных крана с тройником и далее с вакуумным насосом.
Дополнительный вакуумный кран предлагается смонтировать на всасывающем патрубке крышки центробежного насоса Данный узел предназначен для принудительного удаления поступающего через неплотности воздуха, который, при работе спецагрегата, локализуется в области близкой к оси его вращающегося рабочего колеса. Заборная трубка дополнительного вакуумного крана размещена внутри всасывающего патрубка крышки пожарного насоса, зафиксирована там с помощью пилона обтекаемого сечения, а ее срез, исполнен под углом 45° к оси трубки, обращен в сторону рабочего колеса и расположен в кольцевом зазоре между ступицей рабочего колеса насоса и его лопатками.
С помощью соединительного трубопровода и трехходового крана-тройника (в положении «Забор воды») при заборе воды будет обеспечено сообщение открытого штатного вакуумного крана с вакуумным насосом, а сразу после забора воды - их разобщение. Затем, уже после включения привода пожарного насоса, трехходовой кран переводят в положение «Удаление воздуха» и соединительный трубопровод будут сообщать открытый дополнительный вакуумный кран с тройником и далее с вакуумным насосом. Таким образом, в течение всего времени пожаротушения (ликвидации ЧС, аварии) воздух, попадающий через неплотности всасывающей линии, будет принудительно отсасываться из полости спецагрегата и, тем самым, будет минимизирована вероятность срыва работы ПИРС.
На фиг. 1 представлен продольный разрез пожарного центробежного насоса с функциональной схемой модернизированной вакуумной системой, работающей в режиме «Забор воды» (привод пожарного насоса и его стационарный пеносмеситель условно не показаны). Конструкция включает следующие элементы и сборочные единицы: 1 - корпус насоса в сборе с коллектором и напорными вентилями; 2 - рабочее колесо на валу с двумя подшипниками; 3 - крышка насоса со всасывающим патрубком; 4 - штатный вакуумный кран имеющий два положения «Открыто» и «Закрыто»; 5 - трубопровод, сообщающий штатный вакуумный кран 4 с трехходовым краном-тройником 6 имеющем три положения «Забор воды», «Удаление воздуха» и «Форсированный забор»; 7 - вакуумный насос; 8 - дополнительный вакуумный кран с двумя положениями «Открыто» и «Закрыто»; 9 - заборная трубка дополнительного вакуумного крана в пилоне обтекаемого сечения; 10 - трубопровод сообщающий дополнительный вакуумный кран 8 с трехходовым краном-тройником 6.
На фиг. 2 представлен продольный разрез пожарного центробежного насоса с функциональной схемой модернизированной вакуумной системой, работающей в режиме «Отсос воздуха» (название позиций одинаковы с фиг. 1).
Сравнение заявляемого технического решения с прототипом показывает, что оно отличается следующими признаками:
• в конструкции пожарной насосно-рукавной системы, в частности на крышке насоса со всасывающим патрубком смонтирован дополнительный вакуумный кран, с двумя положениями: «Открыто» и «Закрыто», а его заборная трубка размещена в пилоне обтекаемого сечения, который в свою очередь, расположен внутри всасывающего патрубка крышки пожарного насоса. Такое сечение пилона оказывает минимальное гидравлическое сопротивление потоку холодной и потому весьма вязкой воды. Причем концевой срез заборной трубки исполнен под углом 45 ° к ее оси, обращен в сторону рабочего колеса и расположен в кольцевом зазоре между ступицей рабочего колеса насоса и его лопатками;
• в конструкции пожарной насосно-рукавной системы предусмотрен трехходовой кран-тройник имеющий три положения: «Забор воды» и «Удаление воздуха» и «Форсированный забор»; а также имеется трубопроводы, соединяющие штатный и дополнительный вакуумные краны с тройником. С помощью трехходового крана-тройника при заборе воды будет обеспечено сообщение открытого штатного вакуумного крана с вакуумным насосом, а сразу после забора воды - их разобщение. Затем, уже после включения привода пожарного насоса, трехходовой кран и соединительный трубопровод обеспечат сообщение открытого дополнительного вакуумного крана с вакуумным насосом и, следовательно, отсос воздуха, поступающего в спецагрегат через неплотности всасывающей линии в продолжении всей его работы на пожаре.
Таким образом, можно предположить, что заявляемое техническое решение соответствует критерию «новизна».
Изобретение содержит в основном стандартные элементы из области пожарного машиностроения, а дополнительный вакуумный кран идентичен штатному. Аналогично трехходовой кран и соединительные трубопроводы могут быть приобретены в качестве стандартных изделий или изготовлены на стандартном оборудовании с использованием известных технологических процессов, поэтому он соответствует критерию «промышленная применимость».
При проведении боевых действий по тушению пожара (ликвидации ЧС) в зимних условиях пожарную насосно-рукавную систему с вакуумной системой такой конструкции следует применять согласно следующему алгоритму.
По прибытии оперативного расчета на пожарном автомобиле к месту вызова по возможности его устанавливают от открытого водоисточника для работы с минимальными удалением и высотой всасывания и производится боевое развертывание. Для исключения появления воронки и засасывания воздуха всасывающую сетку собранной всасывающей рукавной линии погружают в воду на глубину не менее 300 мм, а другой конец всасывающей линии - присоединяют к всасывающему патрубку спецагрегата. Для забора воды из открытого водоисточника штатный вакуумный кран 4 устанавливают в положение «Открыто», а трехходовой кран 6 - в положение «Забор воды». Затем необходимо включить вакуумный насос 7. Струя воды из его выпускного отверстия означает, что пожарный насос и всасывающая линия полностью заполнены водой и готовы к работе. После чего штатный вакуумный кран 4 - закрывают, а трехходовой кран 6 устанавливают в положение «Удаление воздуха». Затем включают привод спецагрегата. Рабочее колесо 2 насоса начинает вращаться и, вследствие действия центробежных сил, манометр фиксирует наличие давления воды в его корпусе. Далее дополнительный вакуумный кран 8 устанавливают в положение «Открыто». (Диагностировать наличие воздуха в струе воды, истекающей из вакуумного насоса можно по следующим внешним признакам: шуршание и щелчки, разрывы сплошности потока, что означает, что поток двухфазный, водо-воздушный. Очевидно, что по этим признакам можно судить о величине негерметичности всасывающей рукавной линии. Напротив - отсутствие указанных признаков свидетельствует о герметичности всасывающей рукавной линии.) Затем оператор сначала медленно открывает клапан напорного вентиля свободного патрубка и, при устойчивой работе насоса, можно подавать воду через другие вентили.
Очевидно, что предлагаемая модернизированная вакуумная система позволяет также существенно сократить время забора воды из открытого водоисточника. Разумеется, при этом должна несколько изменяется последовательность действий оператора. В частности, после выполнения всех предварительных процедур боевого развертывания, следует открыть оба вакуумных крана, а трехходовой кран - поставить в третье положение «Форсированный забор» (см. фиг. 3), т.е. сообщить оба вакуумных крана с работающим вакуумным насосом. (Естественно, что для реализации данного режима будет необходим вакуумный насос большей производительности.) После забора воды штатный вакуумный кран 4 следует закрыть, а дополнительный вакуумный кран 8 остается открытым в течение всего времени работы пожарного насоса.
Техническим результатом заявляемого изобретения является исключение срывов пожарных насосно-рукавных систем при работе от открытых водоисточников в низкотемпературных условиях, минимизации времени локализации и ликвидации пожаров и других ЧС, снижения величин материального ущерба, количества травмированных и летальных исходов, в конечном счете - повышение адаптации пожарной насосно-рукавной системы к низким температурам при обеспечении пожарных насосов указанным гидравлическим оборудованием.
Таким образом, данным техническим решением нивелируется негативное влияние низких температур на пожарные насосно-рукавные системы в процессе забора и подачи воды от открытых водоисточников и достигается повышение их приспособленности к суровым природно-климатическим условиям для безусловного выполнения поставленных боевых задач.
Предложенный вариант технического решения конструктивно прост и может найти применение в пожарных автомобилях для Севера последней генерации, а также и в парке пожарных автомобилях исполнения У в осенне-зимний период эксплуатации.
Разумеется, также и в летнее время такая модернизированная вакуумная система и предлагаемый алгоритм действий оператора насоса обеспечат забор воды из открытого водоисточника и ее гарантированную подачу при выполнении задач по тушению и ликвидации аварий, других ЧС и их последствий даже при наличии некоторой негерметичности всасывающей линии.