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涡喷消防车发展应用及技术创新

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热度80票  浏览3次 时间:2017年4月18日 12:13
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    时间回到1993年的11月,上海金山化工总厂金山海滩上。一个面积为520平方米、直径约26米、注入6吨重油的油池被点燃了。只见油池上空火焰烈烈,浓烟滚滚,猛烈燃烧的油火瞬间窜向空中形成几十米高的火柱,发出震耳欲聋的呼啸声,火焰产生的辐射热使得未加防护的人员和车辆无法靠近。这时,只见一辆形状怪异酷似大炮的消防车噶然而至,随着飞机发动机的轰鸣声响起,一股乳白色的雾状水从”炮口”高速射出。起初,雾状水柱像一把凿子插入火焰中心,然后左右横扫,射流所到之处火焰迅速被吞食。短短77秒,耗水2.8吨,大火就被扑灭。

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图1、涡喷消防车灭520平方米油池火只用77秒
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    ——这是消防权威部门在金山石化总厂组织的扑灭大型油池火的实战演习。那辆形状怪异、酷似大炮的“大力士”消防装备就是世界仅有、中国首台涡轮喷气消防车。同时参加演习的有4台从美国、奥地利进口的消防车,6门大口径泡沫消防炮和100多名专业消防人员。扑灭大型油池火的记录是:使用水和泡沫液100多吨、灭火用时120秒钟。
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    ——灭520平方米油池火,77秒与120秒、2.8吨与100吨、2人与100人之差。这就是涡喷消防车的风采!
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    为了使人们更多地了解、更好地使用涡喷消防车,本文就涡喷消防车的研制、生产与发展过程做一简述。
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    一、涡喷消防车是灭火装备中的巨无霸

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    涡喷消防车是将航空燃气涡轮发动机作为喷射灭火剂的动力,将其安装在汽车底盘上,配置常规消防车的水箱、泡沫灭火剂箱、水泵。涡喷发动机产生出4000千瓦的喷射功率,它以高速气体射流为载体,使流量为80升/秒的直流水与高速气体射流在加速器内发生撞击,产生出大流量的“气体-细水雾”射流(或“气体-泡沫-超细干粉灭火剂”射流),实现了大比表面积灭火剂的远距离、高强度的喷射,有效喷射距离可达60~80米,瞬间可覆盖200平方米的火场面积,比常规消防车的灭火能力高出8~10倍,功率质量比大于100千瓦/吨。涡喷消防车是世界上具有高速行驶能力的喷射功率最大的喷射细水雾或复合灭火剂的消防车,已在机场和油田消防中发挥出巨大灭火威力,主要用于油田、石化工厂、天然气泵站、机场等需要快速扑灭油气大火的场所。

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    早在80年代,前苏联就有人将米格-21飞机的发动机置于嘎斯-51汽车上试验灭火;之后,美国德克萨斯州也有人做过类似实验。真正轰动世人的是科威特油井灭火。1991年在海湾战爭结束后,来自10个国家的27支灭火队为扑灭科威特727口油井大火,众志成诚、各显其能。其中匈牙利人将2台Я-11Φ-300(即米格-21歼击机上的WP-7发动机)型航空涡轮喷气发动机并列安装在T-34坦克上,利用喷射功率大于10000kw的涡喷发动机产生的高速气流,将注入气流的海水切割成雾状水喷向油井大火,先后用12秒到120秒不等时间扑灭数口油井大火,令参加灭火战斗的10个国家26支消防队大开眼界。
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图2、匈牙利涡喷消防坦克

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    由于科威特油井灭火初现涡喷消防车的威力,于是乎在上世纪90年代,国内外掀起研制涡喷消防车的小热潮。国外除匈牙利外,俄罗斯、德国等也研制生产了涡喷消防车。
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    俄罗斯是将1台BK-1型涡轮喷气发动机(国产型号为wp-5飞机发动机)安装在10×8载重卡车底盘上,涡喷发动机可沿轴线作300°的水平旋转和45°的上仰。在涡喷发动机喷口的左右两侧安装有4支射水枪,将水直接射入高速气流中,使水射流与高速气体射流撞击而成为细水雾,如图3所示。
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图3、俄罗斯涡喷车

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    德国是将2台原用于教练机的退役涡轮风扇发动机并列安装在汽车底盘上,以此作为喷射平台,成为涡扇消防车,见图4。
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图4、德国研制的涡喷车
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    国内也有五、六家先后参与研制。他们中既有院校如北京航空学院、南京航空学院等,研发尚未走出实验室而作罢;也有企业介入如吉林、佛山等地,样机未能成型即告失败;十年前,还有二个军工单位合作为油田研制出坦克加二台发电机的样机,至今无法使用而作古。2008年初发生在大江南北的雪灾期间,苏州一家公司研制的涡喷消防车吹雪清路,曾受到某电视台的报道,其实,此涡喷消防车仅仅是在东风汽车上绑一台涡喷五发动机而已,离涡喷消防车之概念尚远。
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    由于涡喷消防车使用的是军队退役航空燃气涡轮发动机,因此,价格低廉,成本可控的优点为涡喷车的开发应用奠定了物质基础。由此衍生出的还有涡喷扫雪车、涡喷洗消车、涡喷防暴车等系列新装备。

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    二、空军课题组是涡喷消防车的发明先驱
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    综上所述,国内外这些研发者虽然对涡喷消防车的发展起到了积极的推动作用,但均不是涡喷消防车的先驱者和主流。主流和先驱者是谁呢?这里我讲一个故事:
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    上世纪80年代初的一天,云南航空兵某部。年轻的机务处主任正在雨天参加发动机排故后的试车。只见发动机喷出的高速尾气射流卷起地面积水,将水撞击撕裂成水雾,犹如一条蛟龙,翻滚不息,射向远方。他凝视着蔚为壮观的水雾,瞬间产生了一个新的想:为什么不能利用涡喷发动机强气流喷射的水雾来进行消防灭火呢?经过多次观察,他发现:不仅尾气携带雾状水的高速射流对火焰的切割破坏作用很大,而且微水滴在火焰中汽化时的吸热降温作用、水珠汽化生成大量水蒸汽对火焰的缺氧窒息作用十分明显。从此,用涡喷发动机作为喷射动力喷水灭火的想法一直萦绕在他脑海里。转眼到1986年,他被调入研究所工作,专职从事航空安全研究。这期间他翻阅收集了许多飞机失火的资料,走访了消防专业院所,征求了众多消防专家们的意见,结合自己空气动力学专业知识,形成了涡喷消防车初步的设计方案。之后,研究所成立了以他任组长的课题组,并向空军机关递交了一份研制“涡喷发动机尾气-水雾消防车”的立项报告。1988年空军机关正式批准了这项课题,拨付了专项研制经费,研制涡喷消防车的的工作全面展开!

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    故事讲到此,这个年轻的机务主任就是后来的涡喷消防车的发明人、空军装备研究院航空装备研究所航空发动机专家、国务院安全生产委员会专家组成员、现为江苏卡威专用车制造有限公司研发中心主任的姬永兴高级工程师。

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    春去冬来。在以姬永兴为首的九人课题组的艰苦努力下,经过几十次试验,原理样车出来了,同时于1990年3月13号申请了发明专利和实用新型专利(发明专利申请号90101257.2;公布日期:1994年10月16日;公布号:ZL90101257.2;专利有效期二十年)。

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    在原理样车取得大量试验数据的基础上,终于在1991年研制出了工程样车,并交付部队担负战备任务。该工程样车以红岩卡车底盘为承载工具,以wp-5飞机发动机为喷射动力,设计载有6000升水和1000升轻水泡沫灭火剂。

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    1992年10月,该工程样车在北京通过技术鉴定,而后经国家消防装备检测中心定型检验:名称:涡喷消防车,型号:BXF5300GXFWP70。由于空军研究所无申报消防车的资质,经协商便以“北京消防器材厂”的名义申报国家目录:公布日期:1998.3.12,公布目录文件编号:机械汽(1998)191,取名为“海潮牌”。至此,经国家检测公告的世界首创、中国首台涡喷消防车列入消防新装备。

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    回顾我国研制涡喷消防车的历程,研发工作开始最早。从1986年开始总体论证,1991年研制出工程样车,1992年通过技术鉴定,到1996年5月通过国家定型检验,1998年3月公布目录,整整用了十年时间。

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    说中国是涡喷消防车的发源地,以姬永兴高工为首的课题组是研制涡喷消防车的先驱者,名副其实,当之无愧。
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    三、能量转换装置是涡喷消防车的技术诀窍

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    纵观中外涡喷消防车,从地域上分,有欧洲式和中国式两家;从喷射方式上分,有喷气式、喷水式、超细水雾射流式3种。

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    所谓喷气式,是指将涡轮喷气发动机简单地固定在载体上(如汽车、坦克等),利用涡轮发动机的尾气将火吹灭。在一定意义上讲,喷气式是原始的涡喷消防车

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    所谓喷水式,是把水送入喷气发动机喷口外面的气流中,靠气流冲击形成的水雾灭火,欧州型应属于喷水型涡喷消防车。他们在设计上的共同缺点是:没有设计水与高速气体射流的动能交换装置,而是在大气中无约束条件下由水、气射流直接撞击,在撞击中交换动能,这样的能量交换方法使气、水射流的能量交换不充分,水雾的粒径较大,射流的扩散角较大,未能获得更远的喷射距离。更重要的欧式涡喷消防车不可喷泡沫。可以说喷水式是不成功的涡喷消防车。(图5、图6)
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图5俄罗斯涡喷消防车喷射的是散状水雾
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图6德国涡喷消防车的动能小喷射距离近

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    我国涡喷消防车属超细水雾射流式涡喷消防车,它克服了上述国内外涡喷消防车的致命缺点,在灭火机理、灭火方式等方面有重大突破。为什么这么说呢?

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    简单地将水射入气体流,在高速气流的撞击下能够形成水雾。但是,多大粒度的雾状水灭火效率最高?雾状水以多大的喷流强度灭火最有效?从什么角度喷射雾状水的灭火威力最大?如何才能使尾气-水雾射流的扩散角最小?怎样实现粒度适宜的大流量的雾状水的高强度、远距离的喷射?如何喷射化学灭火剂而提高灭油火的效率?此外,退役航空发动机品种繁多、推力各异,如何选型?如何防止因操作不当出现喘振现象以至造成事故?这些技术难点不解决,虽然也应用了气流和水流的两相射流技术,但所形成的雾状水灭火效率很低,实现不了射流的连续、高速、远距离喷射。
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    中国的涡喷消防车研发者是航空发动机专家,是研究空气动力学的行家。他们经过无数次的反复实验,终于从失败中找到了通向成功的路径,在涡喷发动机喷口后方设计了“尾气-水雾”换能装置,在枪管形的“换能装置”中,直流水射流与高速气体射流被约束在其中产生猛烈撞击,发生动能交换,直流水被切割成细水雾,射出的细水雾射流获取很大的动能,使水雾射流的扩张角很小,射速很高,水雾粒度细,喷射距离远。
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    有了换能装置,使两相射流技术发挥到极致,实现了大流量雾状水的远距离、高强度、大覆盖面积的喷射。充分达到了高速尾气-水雾射流对火焰稳定燃烧有强劲的切割破坏作用;大流量雾状水在高速尾气的携带下切入火焰迅速窒息燃烧的作用;雾状水全部气化时吸热冷却降温的作用。

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    同时,有了换能装置,创造了喷射泡沫灭火剂的新方法。在水中加入6%的水成膜泡沫剂,涡喷消防车高速气体射流冲击、剪切泡沫混和液时,由于空气的体积流量是液体体积流量的几十倍,在强气流作用下所有的混和液均生成粒径为2~3mm的没有液态水存在的泡沫珠(“干泡沫”)。如喷射1分钟,泡沫珠射流便能形成平均5厘米厚、覆盖200平方米面积的泡沫层。泡沫珠坠地后没有流动性,但却有很好的附着力,直接吸附在形状复杂的物体表面,形成稳定的泡沫覆盖层,免除了泡沫射流需经流淌才能形成均匀覆盖层所需的时间,有强大的阻止油火复燃的能力。喷射泡沫灭火剂的这种新方法,使涡喷消防车成为扑灭石油石化火的大力神、巨无霸(图7)。
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图7我国涡喷消防车喷射超细水雾加泡沫可达100米远

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    能量转换技术是涡喷消防车喷射超细水雾的技术核心,由此而创造的换能器是涡喷消防车的技术诀窍,也是区别于其他各类涡喷消防车的重要特征。

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    四、技术创新是涡喷消防车市场化的根本途径
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    与任何一项新技术新产品的发明一样,从构思立项、开发研制到批量生产进入市场,涡喷消防车也经历了市场的艰苦磨练和业界的严格考验,在创新中发展,在发展中成熟。

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    我国涡喷消防车的从发展进程上大体分为两个阶段:

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    第一阶段,从1992年空军研究所研制出第一辆工程样车算起到2003年,这阶段是军内发展时期。这里需要着重指出的是,解放军5721厂为涡喷车的工艺改造、技术完善做了艰苦细致的探索,逐步形成了小批量生产,先后为空军和海军机场配备近20多台涡喷消防车,并随战机出口2台到国外。该厂生产装备到部队的涡喷消防车先后4次成功扑灭军用飞机火,在涡喷消防车的发展轨迹上,落下了浓重一笔。
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    第二阶段,从2003年到现在,这阶段是民用市场推广阶段。这里,北京海力普涡喷装备技术研究所在民用市场的推广上做了巨大工作。该所制作宣传资料,参加消防展会,组织实战演习,与空军研究所、解放军5721厂联合进行市场推广,成功地向石油行业销售了两台,首次成为石油战线的消防装备,使涡喷消防车从军品走向民用市场迈出了可喜一步。
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    从技术层面上,国内先后研制生产了三种不同规格型号的涡喷消防车。第一代是半驾驶楼式,第二代为全方位式,第三代是无水箱式。新的第四代消防车也将出现。
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图8I型涡喷消防车

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图9Ⅱ型涡喷消防车

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图10III型涡喷消防车

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    这里需要指出的是,涡喷消防车从军品变为民用,起初。暴露出了许多问题。

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    首先是航空燃气涡轮发动机的启动问题。在军用机场,本身是航空燃气涡轮发动机的使用者,有一套完善的后勤保障设备和技术人员。但是,当脱离机场条件装备到地方消防队时,启动所需几十公斤笨重的电瓶无法得到长期维护和使用;而只有机械师和飞行员共同配合操作才能把飞机发动机启动起来的繁琐规程,简直无法为消防队员掌握。
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    其次是灭火成本。飞机发动机燃烧的是航空专用油料,十分昂贵,用作消防车灭火,用量很大,成本很高;此外航空燃油是专用油料,消防队根本买不到这种燃油。
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    再次,消防队大部分人员没有接触过飞机发动机,对涡喷消防车望而生畏,感到技术含量高,担心出了故障“没法捏”。

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    上述暴露的问题,严重影响涡喷消防车的普及,极大地制约了涡喷消防车在灭火战场上的神威。

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    为了解决这些制约涡喷消防车进入民用市场的难题,作为原课题组成员之一的航空发动机专家刘锦海高级工程师,又成立技术攻关小组,与生产厂家经过细致的设计和反复试验,终于攻克了难关。首先解决了“汽改柴”的问题,即用柴油替代航空汽油作为涡喷发动机的燃料,大大解决了买不到和使用成本高的问题;其次研发出用液压马达启动航空发动机的系统装置,一改繁琐而容易发生故障的操作程式,使航空发动机的启动如同汽车驾驶员启动汽车一样十分简单。该技术创新的成果于2004年首次应用到半驾驶楼型号的涡喷消防车上,首台装备到石油系统消防队,受到消防官兵的一致好评。(图11)
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图11技术创新后的新型涡喷消防车装备油田参加检阅
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    对涡喷消防车的技术创新技术改造,大大拓宽了民用市场前景,也迎来了新一轮的“涡喷热”。2007年,在海力普涡喷装备技术研究所和原课题组成员的帮助下,又把涡喷技术移植到安徽明光厂,仿制出以奔驰底盘为载体的涡喷消防车(图12)。2009年,有山东的青岛、临沂,辽宁的丹东等省市的一些企业单位也计划生产涡喷消防车。
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图12以奔驰底盘为载体的涡喷消防车
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    江苏卡威专用汽车制造有限公司投入5000万元巨资,建设一座占地400亩、厂房、科研楼和灭火试验场齐全的涡喷车生产基地。这里聚集了以四川消防厂原厂长刘军为首的有7个高工组成的生产经营团队;以涡喷消防车发明人姬永兴高级工程师为首,有航空发动机专家刘锦海高级工程师、油田灭火专家刘玉身高级工程师等10人组成的科研中心;同时,购置了能够实现配件模具化、整车模块化的一大批数控机床、激光切割等先进设备。卡威人正以“人无我有、人有我精”的全新姿态进入消防车生产领域,并全力使之成为业内旗舰。目前,正加紧对原有涡喷消防车进行技术改进,在新颖外观设计、有效控制喷射温度、进一步提高喷射距离和大幅度降低工作噪声等方面将会有重大突破。
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图13江苏卡威专用汽车制造有限公司研制的新型涡喷消防
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    江苏卡威专用汽车制造有限公司的加盟,这无疑将会进一步推动涡喷消防车技术的发展,拓展涡喷消防车的应用领域,使这珠消防装备家族里的奇葩绽放得更加鲜艳绚丽。

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    注:本文引用了空军装备研究院航空装备研究所姬永兴先生、大庆石油管理局消防支队刘玉身高工已发表和未发表文章里的相关资料,特此说明并致谢。
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