渦噴消防車發(fā)展應(yīng)用及技術(shù)創(chuàng)新

渦噴消防車開展應(yīng)用及技術(shù)創(chuàng)新2021-12-2109:40慧聰消防網(wǎng)【慧聰消防網(wǎng)】時(shí)間回到1993年的11月，上海金山化工總廠金山海灘上。一個(gè)面積為520平方米、直徑約26米、注入6噸重油的油池被點(diǎn)燃了。只見(jiàn)油池上空火焰烈烈，濃煙滾滾，猛烈燃燒的油火瞬間竄向空中形成幾十米高的火柱，發(fā)出震耳欲聾的吼叫聲，火焰產(chǎn)生的輻射熱使得未加防護(hù)的人員和車輛無(wú)法靠近。這時(shí)，只見(jiàn)一輛形狀怪異酷似大炮的消防車噶然而至，隨著飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的轟鳴聲響起，一股乳白色的霧狀水從〞炮口〞高速射出。起初，霧狀水柱像一把鑿子插入火焰中心，然后左右橫掃，射流所到之處火焰迅速被吞食。短短77秒，耗水2.8噸，大火就被撲滅?！矆D1〕圖1、渦噴消防車滅520平方米油池火只用77秒――這是消防權(quán)威部門在金山石化總廠組織的撲滅大型油池火的實(shí)戰(zhàn)演習(xí)。那輛形狀怪異、酷似大炮的“大力士〞消防裝備就是世界僅有、中國(guó)首臺(tái)渦輪噴氣消防車。同時(shí)參加演習(xí)的有4臺(tái)從美國(guó)、奧地利進(jìn)口的消防車，6門大口徑泡沫消防炮和100多名專業(yè)消防人員。撲滅大型油池火的記錄是：使用水和泡沫液100多噸、滅火用時(shí)120秒鐘。――滅520平方米油池火，77秒與120秒、2.8噸與100噸、2人與100人之差。這就是渦噴消防車的風(fēng)采！為了使人們更多地了解、更好地使用渦噴消防車，本文就渦噴消防車的研制、生產(chǎn)與開展過(guò)程做一簡(jiǎn)述。一、渦噴消防車是滅火裝備中的巨無(wú)霸渦噴消防車是將航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)作為噴射滅火劑的動(dòng)力，將其安裝在汽車底盤上，配置常規(guī)消防車的水箱、泡沫滅火劑箱、水泵。渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生出4000千瓦的噴射功率，它以高速氣體射流為載體，使流量為80升/秒的直流水與高速氣體射流在加速器內(nèi)發(fā)生撞擊，產(chǎn)生出大流量的“氣體-細(xì)水霧〞射流〔或“氣體-泡沫-超細(xì)干粉滅火劑〞射流〕，實(shí)現(xiàn)了大比外表積滅火劑的遠(yuǎn)距離、高強(qiáng)度的噴射，有效噴射距離可達(dá)60～80米，瞬間可覆蓋200平方米的火場(chǎng)面積，比常規(guī)消防車的滅火能力高出8～10倍，功率質(zhì)量比大于100千瓦/噸。渦噴消防車是世界上具有高速行駛能力的噴射功率最大的噴射細(xì)水霧或復(fù)合滅火劑的消防車，已在機(jī)場(chǎng)和油田消防中發(fā)揮出巨大滅火威力，主要用于油田、石化工廠、天然氣泵站、機(jī)場(chǎng)等需要快速撲滅油氣大火的場(chǎng)所。早在80年代，前蘇聯(lián)就有人將米格-21飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)置于嘎斯-51汽車上試驗(yàn)滅火；之后，美國(guó)德克薩斯州也有人做過(guò)類似實(shí)驗(yàn)。真正轟動(dòng)世人的是科威特油井滅火。1991年在海灣戰(zhàn)??結(jié)束后，來(lái)自10個(gè)國(guó)家的27支滅火隊(duì)為撲滅科威特727口油井大火，眾志成誠(chéng)、各顯其能。其中匈牙利人將2臺(tái)Я-11Φ-300〔即米格-21殲擊機(jī)上的WP-7發(fā)動(dòng)機(jī)〕型航空渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)并列安裝在T-34坦克上，利用噴射功率大于10000kw的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的高速氣流，將注入氣流的海水切割成霧狀水噴向油井大火，先后用12秒到120秒不等時(shí)間撲滅數(shù)口油井大火，令參加滅火戰(zhàn)斗的10個(gè)國(guó)家26支消防隊(duì)大開眼界?！矆D2〕圖2、匈牙利渦噴消防坦克由于科威特油井滅火初現(xiàn)渦噴消防車的威力，于是乎在上世紀(jì)90年代，國(guó)內(nèi)外掀起研制渦噴消防車的小熱潮。國(guó)外除匈牙利外，俄羅斯、德國(guó)等也研制生產(chǎn)了渦噴消防車。俄羅斯是將1臺(tái)BK-1型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)(國(guó)產(chǎn)型號(hào)為wp-5飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī))安裝在10×8載重卡車底盤上，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)可沿軸線作300°的水平旋轉(zhuǎn)和45°的上仰。在渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)噴口的左右兩側(cè)安裝有4支射水槍，將水直接射入高速氣流中，使水射流與高速氣體射流撞擊而成為細(xì)水霧，如圖3所示。圖3、俄羅斯渦噴車德國(guó)是將2臺(tái)原用于教練機(jī)的退役渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)并列安裝在汽車底盤上，以此作為噴射平臺(tái)，成為渦扇消防車，見(jiàn)圖4。圖4、德國(guó)研制的渦噴車國(guó)內(nèi)也有五、六家先后參與研制。他們中既有院校如北京航空學(xué)院、南京航空學(xué)院等，研發(fā)尚未走出實(shí)驗(yàn)室而作罷；也有企業(yè)介入如吉林、佛山等地，樣機(jī)未能成型即告失?。皇昵?，還有二個(gè)軍工單位合作為油田研制出坦克加二臺(tái)發(fā)電機(jī)的樣機(jī)，至今無(wú)法使用而作古。2021年初發(fā)生在大江南北的雪災(zāi)期間，蘇州一家公司研制的渦噴消防車吹雪清路，曾受到某電視臺(tái)的報(bào)道，其實(shí)，此渦噴消防車僅僅是在東風(fēng)汽車上綁一臺(tái)渦噴五發(fā)動(dòng)機(jī)而已，離渦噴消防車之概念尚遠(yuǎn)。由于渦噴消防車使用的是軍隊(duì)退役航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，因此，價(jià)格低廉，本錢可控的優(yōu)點(diǎn)為渦噴車的開發(fā)應(yīng)用奠定了物質(zhì)根底。由此衍生出的還有渦噴掃雪車、渦噴洗消車、渦噴防暴車等系列新裝備。二、空軍課題組是渦噴消防車的創(chuàng)造先驅(qū)綜上所述，國(guó)內(nèi)外這些研發(fā)者雖然對(duì)渦噴消防車的開展起到了積極的推動(dòng)作用，但均不是渦噴消防車的先驅(qū)者和主流。主流和先驅(qū)者是誰(shuí)呢？這里我講一個(gè)故事：上世紀(jì)80年代初的一天，云南航空兵某部。年輕的機(jī)務(wù)處主任正在雨天參加發(fā)動(dòng)機(jī)排故后的試車。只見(jiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的高速尾氣射流卷起地面積水，將水撞擊撕裂成水霧，猶如一條蛟龍，翻滾不息，射向遠(yuǎn)方。他凝視著蔚為壯觀的水霧，瞬間產(chǎn)生了一個(gè)新的想：為什么不能利用渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)氣流噴射的水霧來(lái)進(jìn)行消防滅火呢？經(jīng)過(guò)屢次觀察，他發(fā)現(xiàn)：不僅尾氣攜帶霧狀水的高速射流對(duì)火焰的切割破壞作用很大，而且微水滴在火焰中汽化時(shí)的吸熱降溫作用、水珠汽化生成大量水蒸汽對(duì)火焰的缺氧窒息作用十清楚顯。從此，用渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)作為噴射動(dòng)力噴水滅火的想法一直縈繞在他腦海里。轉(zhuǎn)眼到1986年，他被調(diào)入研究所工作，專職從事航空平安研究。這期間他翻閱收集了許多飛機(jī)失火的資料，走訪了消防專業(yè)院所，征求了眾多消防專家們的意見(jiàn)，結(jié)合自己空氣動(dòng)力學(xué)專業(yè)知識(shí)，形成了渦噴消防車初步的設(shè)計(jì)方案。之后，研究所成立了以他任組長(zhǎng)的課題組，并向空軍機(jī)關(guān)遞交了一份研制“渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣-水霧消防車〞的立項(xiàng)報(bào)告。1988年空軍機(jī)關(guān)正式批準(zhǔn)了這項(xiàng)課題，撥付了專項(xiàng)研制經(jīng)費(fèi)，研制渦噴消防車的的工作全面展開！故事講到此，這個(gè)年輕的機(jī)務(wù)主任就是后來(lái)的渦噴消防車的創(chuàng)造人、空軍裝備研究院航空裝備研究所航空發(fā)動(dòng)機(jī)專家、國(guó)務(wù)院平安生產(chǎn)委員會(huì)專家組成員、現(xiàn)為江蘇卡威專用車制造研發(fā)中心主任的姬永興高級(jí)工程師。春去冬來(lái)。在以姬永興為首的九人課題組的艱苦努力下，經(jīng)過(guò)幾十次試驗(yàn)，原理樣車出來(lái)了，同時(shí)于1990年3月13號(hào)申請(qǐng)了創(chuàng)造專利和實(shí)用新型專利〔創(chuàng)造專利申請(qǐng)?zhí)?0101257.2；公布日期：1994年10月16日；公布號(hào)：ZL90101257.2；專利有效期二十年〕。在原理樣車取得大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的根底上，終于在1991年研制出了工程樣車，并交付部隊(duì)擔(dān)負(fù)戰(zhàn)備任務(wù)。該工程樣車以紅巖卡車底盤為承載工具，以wp-5飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)為噴射動(dòng)力，設(shè)計(jì)載有6000升水和1000升輕水泡沫滅火劑。1992年10月，該工程樣車在北京通過(guò)技術(shù)鑒定，而后經(jīng)國(guó)家消防裝備檢測(cè)中心定型檢驗(yàn):名稱：渦噴消防車，型號(hào)：BXF5300GXFWP70。由于空軍研究所無(wú)申報(bào)消防車的資質(zhì)，經(jīng)協(xié)商便以“北京消防器材廠〞的名義申報(bào)國(guó)家目錄：公布日期：1998.3.12，公布目錄文件編號(hào)：機(jī)械汽〔1998〕191，取名為“海潮牌〞。至此，經(jīng)國(guó)家檢測(cè)公告的世界首創(chuàng)、中國(guó)首臺(tái)渦噴消防車列入消防新裝備?；貞浳覈?guó)研制渦噴消防車的歷程，研發(fā)工作開始最早。從1986年開始總體論證，1991年研制出工程樣車，1992年通過(guò)技術(shù)鑒定，到1996年5月通過(guò)國(guó)家定型檢驗(yàn)，1998年3月公布目錄，整整用了十年時(shí)間。說(shuō)中國(guó)是渦噴消防車的發(fā)源地，以姬永興高工為首的課題組是研制渦噴消防車的先驅(qū)者，名副其實(shí)，當(dāng)之無(wú)愧。三、能量轉(zhuǎn)換裝置是渦噴消防車的技術(shù)訣竅縱觀中外渦噴消防車，從地域上分，有歐洲式和中國(guó)式兩家；從噴射方式上分，有噴氣式、噴水式、超細(xì)水霧射流式3種。所謂噴氣式，是指將渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單地固定在載體上〔如汽車、坦克等〕，利用渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣將火吹滅。在一定意義上講，噴氣式是原始的渦噴消防車所謂噴水式，是把水送入噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)噴口外面的氣流中，靠氣流沖擊形成的水霧滅火，歐州型應(yīng)屬于噴水型渦噴消防車。他們?cè)谠O(shè)計(jì)上的共同缺點(diǎn)是：沒(méi)有設(shè)計(jì)水與高速氣體射流的動(dòng)能交換裝置，而是在大氣中無(wú)約束條件下由水、氣射流直接撞擊，在撞擊中交換動(dòng)能，這樣的能量交換方法使氣、水射流的能量交換不充分，水霧的粒徑較大，射流的擴(kuò)散角較大，未能獲得更遠(yuǎn)的噴射距離。更重要的歐式渦噴消防車不可噴泡沫?？梢哉f(shuō)噴水式是不成功的渦噴消防車?！矆D5、圖6〕圖5俄羅斯渦噴消防車噴射的是散狀水霧圖6德國(guó)渦噴消防車的動(dòng)能小噴射距離近我國(guó)渦噴消防車屬超細(xì)水霧射流式渦噴消防車，它克服了上述國(guó)內(nèi)外渦噴消防車的致命缺點(diǎn)，在滅火機(jī)理、滅火方式等方面有重大突破。為什么這么說(shuō)呢？簡(jiǎn)單地將水射入氣體流，在高速氣流的撞擊下能夠形成水霧。但是，多大粒度的霧狀水滅火效率最高？霧狀水以多大的噴流強(qiáng)度滅火最有效？從什么角度噴射霧狀水的滅火威力最大？如何才能使尾氣-水霧射流的擴(kuò)散角最??？怎樣實(shí)現(xiàn)粒度適宜的大流量的霧狀水的高強(qiáng)度、遠(yuǎn)距離的噴射？如何噴射化學(xué)滅火劑而提高滅油火的效率？此外，退役航空發(fā)動(dòng)機(jī)品種繁多、推力各異，如何選型？如何防止因操作不當(dāng)出現(xiàn)喘振現(xiàn)象以至造成事故？這些技術(shù)難點(diǎn)不解決，雖然也應(yīng)用了氣流和水流的兩相射流技術(shù)，但所形成的霧狀水滅火效率很低，實(shí)現(xiàn)不了射流的連續(xù)、高速、遠(yuǎn)距離噴射。中國(guó)的渦噴消防車研發(fā)者是航空發(fā)動(dòng)機(jī)專家，是研究空氣動(dòng)力學(xué)的行家。他們經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的反復(fù)實(shí)驗(yàn)，終于從失敗中找到了通向成功的路徑，在渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)噴口前方設(shè)計(jì)了“尾氣-水霧〞換能裝置，在槍管形的“換能裝置〞中，直流水射流與高速氣體射流被約束在其中產(chǎn)生猛烈撞擊，發(fā)生動(dòng)能交換，直流水被切割成細(xì)水霧，射出的細(xì)水霧射流獲取很大的動(dòng)能，使水霧射流的擴(kuò)張角很小，射速很高，水霧粒度細(xì)，噴射距離遠(yuǎn)。有了換能裝置，使兩相射流技術(shù)發(fā)揮到極致，實(shí)現(xiàn)了大流量霧狀水的遠(yuǎn)距離、高強(qiáng)度、大覆蓋面積的噴射。充分到達(dá)了高速尾氣-水霧射流對(duì)火焰穩(wěn)定燃燒有強(qiáng)勁的切割破壞作用；大流量霧狀水在高速尾氣的攜帶下切入火焰迅速窒息燃燒的作用；霧狀水全部氣化時(shí)吸熱冷卻降溫的作用。同時(shí)，有了換能裝置，創(chuàng)造了噴射泡沫滅火劑的新方法。在水中參加6％的水成膜泡沫劑，渦噴消防車高速氣體射流沖擊、剪切泡沫混和液時(shí)，由于空氣的體積流量是液體體積流量的幾十倍，在強(qiáng)氣流作用下所有的混和液均生成粒徑為2～3mm的沒(méi)有液態(tài)水存在的泡沫珠〔“干泡沫〞〕。如噴射1分鐘，泡沫珠射流便能形成平均5厘米厚、覆蓋200平方米面積的泡沫層。泡沫珠墜地后沒(méi)有流動(dòng)性，但卻有很好的附著力，直接吸附在形狀復(fù)雜的物體外表，形成穩(wěn)定的泡沫覆蓋層，免除了泡沫射流需經(jīng)流淌才能形成均勻覆蓋層所需的時(shí)間，有強(qiáng)大的阻止油火復(fù)燃的能力。噴射泡沫滅火劑的這種新方法，使渦噴消防車成為撲滅石油石化火的大力神、巨無(wú)霸〔圖7〕。圖7我國(guó)渦噴消防車噴射超細(xì)水霧加泡沫可達(dá)100米遠(yuǎn)能量轉(zhuǎn)換技術(shù)是渦噴消防車噴射超細(xì)水霧的技術(shù)核心，由此而創(chuàng)造的換能器是渦噴消防車的技術(shù)訣竅，也是區(qū)別于其他各類渦噴消防車的重要特征。四、技術(shù)創(chuàng)新是渦噴消防車市場(chǎng)化的根本途徑與任何一項(xiàng)新技術(shù)新產(chǎn)品的創(chuàng)造一樣，從構(gòu)思立項(xiàng)、開發(fā)研制到批量生產(chǎn)進(jìn)入市場(chǎng)，渦噴消防車也經(jīng)歷了市場(chǎng)的艱苦磨練和業(yè)界的嚴(yán)格考驗(yàn)，在創(chuàng)新中開展，在開展中成熟。我國(guó)渦噴消防車的從開展進(jìn)程上大體分為兩個(gè)階段：第一階段，從1992年空軍研究所研制出第一輛工程樣車算起到2003年，這階段是軍內(nèi)開展時(shí)期。這里需要著重指出的是，解放軍5721廠為渦噴車的工藝改造、技術(shù)完善做了艱苦細(xì)致的探索，逐步形成了小批量生產(chǎn)，先后為空軍和海軍機(jī)場(chǎng)配備近20多臺(tái)渦噴消防車，并隨戰(zhàn)機(jī)出口2臺(tái)到國(guó)外。該廠生產(chǎn)裝備到部隊(duì)的渦噴消防車先后4次成功撲滅軍用飛機(jī)火，在渦噴消防車的開展軌跡上，落下了濃重一筆。第二階段，從2003年到現(xiàn)在，這階段是民用市場(chǎng)推廣階段。這里，北京海力普渦噴裝備技術(shù)研究所在民用市場(chǎng)的推廣上做了巨大工作。該所制作宣傳資料，參加消防展會(huì)，組織實(shí)戰(zhàn)演習(xí)，與空軍研究所、解放軍5721廠聯(lián)合進(jìn)行市場(chǎng)推廣，成功地向石油行業(yè)銷售了兩臺(tái)，首次成為石油戰(zhàn)線的消防裝備，使渦噴消防車參軍品走向民用市場(chǎng)邁出了可喜一步。從技術(shù)層面上，國(guó)內(nèi)先后研制生產(chǎn)了三種不同規(guī)格型號(hào)的渦噴消防車。第一代是半駕駛樓式，第二代為全方位式，第三代是無(wú)水箱式。新的第四代消防車也將出現(xiàn)。圖8I型渦噴消防車圖9Ⅱ型渦噴消防車圖10III型渦噴消防車這里需要指出的是，渦噴消防車參軍品變?yōu)槊裼?，起初。暴露出了許多問(wèn)題。首先是航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)問(wèn)題。在軍用機(jī)場(chǎng)，本身是航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的使用者，有一套完善的后勤保障設(shè)備和技術(shù)人員。但是，當(dāng)脫離機(jī)場(chǎng)條件裝備到地方消防隊(duì)時(shí)，啟動(dòng)所需幾十公斤笨重的電瓶無(wú)法得到長(zhǎng)期維護(hù)和使用；而只有機(jī)械師和飛行員共同配合操作才能把飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)起來(lái)的繁瑣規(guī)程，簡(jiǎn)直無(wú)法為消防隊(duì)員掌握。其次是滅火本錢。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的是航空專用油料，十分昂貴，用作消防車滅火，用量很大，本錢很高；此外航空燃油是專用油料，消防隊(duì)根本買不到這種燃油。再次，消防隊(duì)大局部人員沒(méi)有接觸過(guò)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)渦噴消防車望而生畏，感到技術(shù)含量高，擔(dān)憂出了故障“沒(méi)法捏〞。上述暴露的問(wèn)題，嚴(yán)重影響渦噴消防車的普及，極大地制約了渦噴消防車在滅火戰(zhàn)場(chǎng)上的神威。為了解決這些制約渦噴消防車進(jìn)入民用市場(chǎng)的難題，作為原課題組成員之一的航空發(fā)動(dòng)機(jī)專家劉錦海高級(jí)工程師，又成立技術(shù)攻關(guān)小組，與生產(chǎn)廠家經(jīng)過(guò)細(xì)致的設(shè)計(jì)和反復(fù)試驗(yàn)，終于攻克了難關(guān)。首先解決了“汽改柴〞的問(wèn)題，即用柴油替代航空汽油作為渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料，大大解決了買不到和使用本錢高的問(wèn)題；其次研發(fā)出用液壓馬達(dá)啟動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)裝置，一改繁瑣而容易發(fā)生故障的操作程式，使航空發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)如同汽車駕駛員啟動(dòng)汽車一樣十分簡(jiǎn)單。該技術(shù)創(chuàng)新的成果于2004年首次應(yīng)用到半駕駛樓型號(hào)的渦噴消防車上，首臺(tái)裝備到石油系統(tǒng)消防隊(duì)，受到消防官兵的一致好評(píng)?！矆D11〕圖11技術(shù)創(chuàng)新后的新型渦噴消防車裝備油田參加檢閱對(duì)渦噴消防車的技術(shù)創(chuàng)新技術(shù)改造，大大拓寬了民用市場(chǎng)前景，也迎來(lái)了新一輪的“渦噴熱〞。2007年，在海力普渦噴裝備技術(shù)研究所和原課題組成員的幫助下，又把渦噴技術(shù)移植到安徽明光廠，仿制出以奔馳底盤為載體的渦噴消防車〔圖12〕。2021年，有山東的青島、臨沂，遼寧的丹東等省市的一些企業(yè)單位也方案生