CN101107078A - 用于喷射烟雾云的灭火喷嘴 - Google Patents

Abstract

一种用于产生涡旋云雾形态(76)的烟雾喷嘴(10)，上述涡旋云雾具有向前推进力分量，这能保证操作者远离火源(74)安全站立，并能够远距离控制将相对大的云雾喷向火源或者火源周围。排放喷嘴包括圆柱状轴承元件(16)以及圆筒状轴筒部件(40)，其具有多个排放孔(42)横穿，该排放孔(42)横穿转子旋转轴(20)并与其成锐角(α)。一对产生雾状的喷嘴(10)具有逆时针旋转的转子，产生逆时针旋转的云雾(76，78)上述云雾沿着共同涡旋(80)融合。这产生混合的雾状云，其具有磁力向前推力分量，能够远程控制雾状云。

Description

用于喷射烟雾云的灭火喷嘴

技术领域

本发明一般地涉及流体排放喷嘴，而具体地说涉及一种用于产生具有前推力分量的涡漩(旋转)雾形态。

背景技术

喷射排放喷嘴具有许多应用，而灭火就是一个具体的方面。已经公知的是，水不仅吸收热，而且也吸收火的大量有毒气体，并有助于清除烟气。当水分解为精细喷射或者喷雾时这样最有效。喷射发生喷嘴以比传统流体排放喷嘴较大体积来分配排水量，其中在传统排放喷嘴中，水以聚焦形态的散射密实流排放。喷射发生喷嘴对于抗击内部火灾特别有用，并经常用于通过围绕消防队员形成喷水屏蔽而提供对消防队员的防护。

传统的喷射发生喷嘴一般地包括外壳、用于把来自例如消防软管的水补给源从入口引导到喷嘴排放端的通路以及用于把水形成微粒以向上断开成细流的装置。多个开口与喷嘴的排放端相交，用于从喷嘴向上把排放射流直接散射。用于使水形成微粒的普通使用装置为内部叶轮，该内部叶轮响应穿过外壳内倾斜叶轮表面的水流而旋转。

传统喷射发生喷嘴的一个限制是，必须获得高压水源以形成排放喷射流的足够喷射。由于排放喷嘴出口基本上小于供应软管，以形成扩散喷流，在喷嘴外壳内形成反压力，从而限制出流速率。通过利用内部叶轮以使水微粒化还需要轴承等等，这增加了喷嘴成本以及机械复杂性。

第5,351,891号美国专利及其他专利示出了固定、不旋转的喷头，其中排放孔喷射集中、会聚的射流排放形态。

在第4,697,740号美国专利中公开的喷嘴为在传统喷头基础上显著的改进，它具有产生大量云雾或者细烟雾的能力，对抑制火焰特别有效。这通过旋转喷嘴是可以实现的，其中在旋转喷嘴中，排放孔径向地向外喷射水滴，从而产生静态云雾形态。因为云雾相对于喷嘴保持静态或者集中，所以就对于灭火工作人员有必要把旋转喷嘴紧靠在火焰附近设置，以使其具有有效覆盖范围。此外，通过把喷嘴靠近火源放置，烟雾云遇到上升气流，并远离火焰被牵拉。由于静态云在方向上不是可控的，因此对于喷嘴有必要让操作者关注，以便它可随时复位，以围绕消防队员维持保护性热屏蔽，或者围绕火源维持抑制烟雾云。

传统雾云发生器喷嘴的限制在于，雾云的运动或者烟雾形态在任何特定方向都不是可控制的，并倾向于保持集中于喷嘴或者任意地漂移。经常需要消防队员带着危险接近烈火，以形成烟雾云，并保持集中到火焰上，以建立消防队员安全工作的热屏蔽，并抑制该火焰，直到它被熄灭或者被控制。这把消防人员暴露于严重烧伤和烟熏的危险，特别在包含化学燃料源燃烧的地方。为此，通常在改进消防设备方面有连续的需求，特别是围绕烈火场合使用的喷水设备，在喷水设备中需要的改进为，延长标准防护服和呼吸设备的安全操作限制，以及允许消防队员安全地工作以及有效地靠近火源。

发明内容

一种根据本发明的改进的云雾发生器喷嘴产生具有前推力分量的雾形态，允许以相对于火源在偏远位置安全站立的操作者进行方向控制，并在火源上或者其周围设置相对较大的烟雾或者云雾。该排放喷嘴包括在一端封闭而在相对端开口的圆筒轴承元件；用于把轴承元件连接到流体源的装置；以及与该轴承元件至少一部分同心设置并环绕它以及与该轴承元件配合在其间形成环形腔的圆筒套筒元件。该轴承元件在开口和封闭端之间具有流体通路和使流体进入该通路以穿过其中向外流动的多个槽。

该套筒元件具有多个在该环形腔和套筒元件外部之间连通的孔口。根据发明的重要方面，该孔口以相对于喷嘴轴线成锐角向前喷射角度延伸的孔口，从而当水滴排放时把向前定向运动分量施加给水滴。另外，该排放孔横向地延伸到套筒元件半径距离，用于把旋转扭矩施加给套筒元件，从而产生具有前推力分量的涡旋(旋转)雾形态。当该转子套筒响应由穿过该孔口向外水流施加的反作用力旋转时，该水微粒化为形成精细烟雾或者云雾的雾滴，并以定向运动的正向分量沿着涡旋轨迹排放。当该环形腔增压时，在该腔室中的水用作液体轴承，以当套筒元件围绕轴承元件旋转时支撑该套筒元件。

根据发明的一个方面，一对烟雾产生喷嘴设置有以彼此反转关系旋转的转子。该喷嘴设置在横向分离的喷射位置，并瞄准火源。每个喷嘴产生涡旋(旋转)烟雾形态或者具有前推力分量、与另一个具有反转关系涡旋的云雾。该反转云雾沿着共同的旋涡交叉和混合，从而沿着该旋涡彼此增强，并产生具有放大前矢量推力分量的共同旋转烟雾云形态，能够进行云雾的方向控制，用于远距离定位。

根据另一个实施例，双反转喷嘴固定到具有内部泵和机载动力单元的内装、轻便容器组件中。该轻便罐单元被橇装，并能够独立操作，或者可吊在直升机下面，或者装在卡车上，用于在可利用道路进入的运输和组装中。

根据发明的又一个实施例，一对轻便、自立的三脚架单元每个均配备反转喷嘴，该三脚架单元设置在安全、偏远的位置，并瞄准火源。反转喷嘴的输出沿着共同的旋涡结合，以把保护性烟雾幕或者云雾喷射到火源上或者围绕火源喷射，用于灭火和热屏蔽目的。这允许消防队员迅速地安设三脚架单元，在热屏蔽防护下获得起始控制，然后重新设置三脚架单元，并当火被控制时逐渐地靠近移动，然后在火源附近安全地工作。

根据发明的手持实施例，喷嘴组件具有把手轴和钝圆(圆顶状)缓冲器盖，用于在工业火灾场合烟雾或者云雾的手控应用，其中在该场合中，避免了对例如在增压管道和容纳腐蚀性化学药品的罐容器周围的工厂基础设施的侵入。在此实施例中，喷嘴包含在手持消防装置内。该喷嘴安装在具有开口端的空心轴元件上；用于把轴元件连接到供应软管以便加压流体提供给喷嘴的软管连接装置；以及固定到轴承元件封闭端的缓冲器盖。该缓冲器盖保护转子并阻止对管材及其他工厂设备的侵入破坏。

附图说明

图1为根据本发明设计的雾发生喷嘴的立面图；

图2为沿着图1中2-2线的图1中喷嘴的剖面图；

图3为图1中所示雾发生喷嘴转子套筒部件的透视图；

图4为沿着图1中4-4线的转子套筒部件的剖面图；

图5为图1中所示雾发生喷嘴轴承元件部分的透视图；

图6为沿着图5中6-6线的轴承元件部分的剖面图；

图7为根据本发明设计的部分断开的救火装置侧面立面图，其中具有缓冲器盖以及固定在其中的雾发生喷嘴；

图8为喷嘴的轴承元件部分的透视图；

图9为双反转喷嘴设备的平面图，其中该设备用于产生具有以反转关系涡旋的前推力分量的涡旋(旋转)烟雾形态或者云雾；

图10为示出了一对轻便、自立三脚架单元的透视图，每个三脚架单元配备反转喷嘴机构，用于产生融合的云雾，从而产生靠近化学火源的热云雾幕；

图11为内装轻便罐单元的侧面图，其中具有内部泵、机载的动力单元和双反转喷嘴；

图12为其前立面图；以及

图13为示出了在图11中轻便罐单元上的进水管道、泵、驱动电机、集管和双雾产生喷嘴互连的简图。

实现发明的最佳方式

参见图1和2，根据本发明的雾发生喷嘴10螺纹联接到联接元件12，而该联接元件12随后螺纹联接到例如水管或者软管的流体管道14。水管14适合于连接到用于为喷嘴10增压的供应主管(未示出)。

在图2、5和6中可以看到，该喷嘴10包括圆筒轴承元件16，其中该元件16具有沿着旋转纵轴20从螺纹基座元件22延伸到封闭顶部元件24的流体通道18。轴承元件16的缩减直径侧壁部26具有多个轴向延伸分配开口，这些开口为以在其上成角度间隔布置的长槽28形式。该槽28的结合排放区28大于供应管道14的截面积，从而把加压水30导入到通道18内，实际上没有施加反压力。

在图2中清楚地看到，该基座部22在32处形成螺纹，并作为凸件用于与在联接件12凹端上对应螺纹34配合，把轴承元件16联接到流体管道14的对应凹端上，这也可在图2中清楚地看到。该螺纹基座元件22敞开，以使水流动，并带有圆柱形轴肩延伸部22A，延伸部把螺纹基座部连接到缩减直径侧壁部。同样地，封闭顶部元件24具有圆柱形轴肩延伸部24A，使其连接到缩减直径侧壁部。

参见图2、3和4，联接转子套筒40，用于在轴承元件16上旋转，以形成喷嘴10。该转子套筒40为中空、圆筒状元件，横穿多个孔口42，优选的是，这些孔口42沿着围绕转子套筒40圆周的相应平行线等距隔开。根据发明的重要特征，排放孔42以相对于转动轴20成锐角倾斜角α横向地穿过转子侧壁46，因此当雾滴排放时为它们提供定向运动的正向分量。

如图2所示，角度α优选在大约30-45度范围，而更优选在大约35-42度范围。这与第4,697,740号美国专利中所示的装置不同，在该专利中，孔眼42以与转动轴20成直角延伸。这种布置产生以喷嘴转动轴为中心的静态云雾，而不形成与转动轴一致的向前方向的云雾运动分量。

该孔口42还以相对于转子套筒40的对应半径直线R成锐角Φ交叉延伸，从而当水穿过孔口42排放时旋转力作用到套筒40上。如图4所示，角度Φ优选为从孔口轴A到主半径直线R测量为大约30度。此测量在孔口42与半径直线R偏离距离K而获得的，其中对于R＝1英寸(2.54厘米)，K＝1/4英寸(0.635厘米)。

转子套筒40与轴承元件16同心设置，并可相对于轴承元件16旋转。同样在图2中清楚地示出，转子套筒40完全围绕中心部26和槽28并与基座元件22和顶部元件24部分重叠。转子套筒40包括径向凸缘部40A、40B，这些凸缘部把套筒40保持与轴承元件16大致同心定位。凸缘部40A、40B的尺寸设计成允许有少量径向以及轴向端隙。

环形腔44限定在轴承元件16和转子套筒40之间。当水30在压力下流入通路18中时，环形腔44利用水增压，以在转子套筒40旋转期间浮漂时提供水垫。流入到通路18内的水将穿过槽28流入到环形腔44，并穿过孔口42向外，从而使转子套筒40围绕轴承元件16旋转。

穿过孔口42排水30形成反作用力，该反作用力具有与转子套筒40曲面46相切的分量以及与之垂直的分量。相切分量以这样几乎相同方式把旋转运动作用到套筒40上，即喷气发动机涡轮机通过穿过发动机喷嘴的燃烧气体流产生的反作用力而形成旋转。与转子套筒40旋转有关的离心力把水滴分散为细雾。水滴以基本上螺旋形态向外行进。因此，水滴被运送足够距离，以能够让喷嘴10有效地用于灭火目的。

喷嘴10比传统喷嘴排放更大的水量，提供1260每分钟加仑(79.49每秒升)并以较大区域散布雾或者烟，而相比之下，传统的收敛形喷嘴为65每分钟加仑(4.10每秒升)。由于通过圆筒轴承和可旋转套筒操作而呈现的显著低回压，并由于没有在传统机械滚柱轴承结构中具有的摩擦载荷，从而获得改进容积流率输送。

根据发明的另一个方面，在图7和8在示出了手持消防装置50。该装置50包括具有其一端密封的端盖54的空心轴52和从轴52向外延伸用于与消防软管58等等联接啮合的连接器配件56。喷嘴10和缓冲器盖60安装在轴52的相对端。该缓冲器盖具有圆形面62，以在前端上提供相对光滑表面，用于当围绕例如机器、流动管道、管材、水箱等等建筑结构工作时抵抗穿入。缓冲器盖60优选为由不锈钢原料加工。水流排放口66形成在所述空心轴52的前开口端。Y形分支连接件56提供了整体形成在轴元件上的入口，用于连接到高压水供应软管58。优选的是，该流体排放喷嘴10、轴52和连接器配件56由不锈钢原料制成。

轴52的前端具有内螺纹32，用于与在轴承元件16上的对应外螺纹38啮合，以把喷嘴10联接到轴52上。在一个实施例中，缓冲器盖60整体地形成在轴承元件16的前端上。在可选择实施例中，轴承元件16在顶部24或者其附近设置有外螺纹，该螺纹用于与在缓冲器盖60上的对应内螺纹啮合。在另外实施例中，喷嘴10紧靠布置在缓冲器盖60后面，并与空心轴52齐平。根据此布置，喷嘴10避免由于喷嘴与建筑结构和设备偶然啮合而导致的损坏。

再次参考图7和8，安全环67、69分别形成在缓冲器盖60外表面上和空心轴52上。安全环67、69是紧靠转子套筒40前部和后部设置的环状焊珠。安全环67使建筑结构与转子套筒40损害性啮合最小化。安全环69用作相同目的。根据此布置，转子套筒40被阻止可使其弯曲并引起失衡的破坏性冲击力。

下面参见图9和图10，自立三脚架单元70、72具有反转喷嘴10和高压水管道71、73，用于安置在远离酷热火源的安全、偏远的位置，其中火源例如为在图10中示出的石油化学加工厂74的燃烧部。雾滴的漩涡云从反转喷嘴排放，由螺旋线76、78表示。这些漩涡雾云每一个均具有把雾沿着喷嘴轴线20向前喷射云雾的前推力分量。该漩涡雾滴向前行进，并沿着共同的旋涡80融合，以把保护性雾幕或者云喷射到火源74上或者围绕该火源74喷射，用于灭火和热屏蔽目的。这使消防队员迅速地安设三脚架单元，在热屏蔽防护下获得起始控制，然后当需要要保持云雾集中于火焰上时重新设置三脚架单元。

与套筒元件40旋转有关的离心力使水微粒化成为细分散的雾滴，并以盘绕、螺旋形态76、78向前排放云雾。从可利用的高压供应干管可获得扩大的覆盖范围，而由于基本上减小的反压力，获得了较大的接近供应管流速率的输送速率，因此能够使其灭火并在消防队员接近前使火源降温。

由于排出水滴的细碎微粒化特性，来自火源74的热量将使大约80％水滴迅速变成蒸汽，从而通过把排出水滴温度增加到闪蒸点以及通过气化潜热而去除来自火焰的热，其中该气化潜热使水滴过渡到气态。例如，一立方英尺水将产生大约1700立方英尺(48.14立方米)蒸汽。产生的蒸汽形成围绕火源74的覆盖层，这就降低可利用的氧气量，以便灭火。此外，雾和蒸汽遍及环绕火源的结构蔓延并到达别的方式不能到达的空间。即使火焰不能完全熄灭，该火源也将被控制，足以使带着另外软管和消防设备的消防队员工作并靠近走动，来熄灭火焰。

喷嘴10的优选规格如下：

喷嘴净重：24磅(10.89千克)

转子材料：添加碳的特氟隆

在转子中排放孔眼的倾斜角α：35°-42°

在转子中排放孔眼孔径：3/16英寸(4.76毫米)

喷嘴管材料：Schedule40不锈钢无缝管

喷嘴水管接头：11/2英寸直径(3.81厘米)松下(火焰型)或者11/2英寸直径(3.81厘米)闸阀

在175每平方英寸磅(1230公斤每平方厘米)喷嘴流速每分钟加仑：1260每分钟加仑(79.5每秒升)

用以上给出优选尺寸构造的喷嘴10为消防队员提供更多防护，并还提供较高容积流率。具体地说，该此改进设计提供的防护为更浓雾形态。在接近燃烧结构或者化学火焰时，该更浓雾形态使消防队员经受的温度降低非常多。

在例如化学、石油等等工业环境中，遍及工厂运行管道、电气、水等等***。在更开放的工厂环境中并不总是需要锋利尖端，该环境经常密集设置有维持工厂运转的重要补给线。在工业环境中，大多数火灾与工厂制造的产品有关，例如液化石油气、气油、柴油机和喷气燃料等。改进的喷嘴10为消防队员提供任何给定火灾场合的选择。该钝圆缓冲器盖对周围基础设施没有穿透破坏的危险。

下面参见图11、12和13，轻便罐单元82利用改进喷嘴10，用于对付火灾。轻便罐单元82被橇装，并能够独立操作，把高压水供应到装在三脚架上或者手持的喷嘴操作中，或者可吊在直升机下面，用于远距离空中操作，或者装在卡车上，用于运输和组装以供应手持灭火喷嘴或者装在三脚架上的喷嘴，用于其中可利用道路进入的操作中。

该罐单元82包括1500加仑(5678升)不锈钢罐84，其中该不锈钢罐84具有盘形端部、两个垫架86和88、内装的潜水泵90、电驱动电机92、进水管道94、位于罐底侧的单向填充阀96、98和100、分配集管102和内部互连管道。排放管道104、106穿过罐的一个盘形端108以向下50度倾斜角从集管延伸。有两个3英寸(7.62厘米)直径不锈钢管道，形成该罐***的工作端。两个雾发生器10安装在排放管道的末端。这些喷嘴的转子孔口以某一角度钻孔，这提供了雾形态的前推力和彼此相对的反向旋转转子运动。

如图9所示，随着两个雾发生器形态76、78彼此交叉或者汇集，在相反方向的旋转在两个喷嘴之间形成推进旋涡80。此旋涡向云雾增加了向前的推力。

在野火操作中，该轻便罐单元82通过直升机带到野火现场。该罐单元82通过直升机下面牵绳吊起，在燃烧林冠附近远距离位置游荡，同时云雾74从双喷嘴喷射到燃烧林冠上。当云雾接触燃烧林冠时，它几乎立即地转化为蒸汽，从而冷却周围温度，并除去来自该区域的巨大热量。还用浓雾覆盖该区域，这些浓雾从燃烧林冠除去大量氧气。该罐***82当装载1500加仑(5678升)水时在大约120英尺(36.6米)宽和大约四分之一英里(402米)长的区域提供云雾。

用于罐单元内装驱动电机92的电源位于直升机内，并通过其中一个机组人员操作。罐单元还可以安装在可在火焰前面散开的卡车或者越野汽车上。罐***在林冠下面的较低海拔形成浓雾覆盖物。此浓雾冷却环境温度，并同时渗透森林地面植物，从而降低了火灾三元素的燃料元素。

工业实用性

本领域的技术人员可以理解是，本发明的雾发生喷嘴10除轻便消防设备之外还具有许多应用。例如，喷嘴10可联接到硬水管或者柔软水管，并安装到温室内中央位置或者需求进行湿度控制的其它封闭空间内。喷嘴10可根据需要定期地增压，以排放大量烟雾，烟雾将遍及封闭空间蔓延以维持需求的湿度水平。此外，喷嘴10的***可作为自动灭火***不可分割一部分而安装在建筑结构内。

Claims (9)

1.一种用于发生云雾(76、78)或者烟雾的改进喷嘴组件，包括组合为：

轴承元件(16)，该元件具有在一端封闭而在相对端开口的管状侧壁(26)，该管状侧壁限定流体通路(18)，并具有形成在侧壁上的分配开口(28)，用于允许流体通过开口端进入通路以穿过该侧壁向外流动；以及

转子(40)，该转子具有布置在轴承元件上的侧壁元件(46)，用于围绕转动轴(20)旋转，并从那里径向地隔开限定其间的环形腔(44)，该侧壁元件由多个排放孔(42)横穿，而该排放孔(42)穿过转子形成并与该环形腔连通，其中该孔口围绕该转子以预定位置布置，每一个孔口以相对于旋转轴(20)成锐角(α)横向地穿过侧壁元件。

2.根据权利要求1的改进喷嘴，其中该锐角(α)在从大约30度到大约45度的范围。

3.根据权利要求1的改进喷嘴，其中该锐角(α)在从大约35度到大约42度的范围。

4.一种具有转子(40)的云雾或者烟雾产生喷嘴(10)，该转子具有穿过其中以与喷嘴旋转轴线(20)横向成向前投影角度(α)延伸的排放孔(42)，从而产生具有前推力分量的涡旋云雾形态(76)。

5.灭火设备，包括组合为：

第一自立三脚架单元(70)，该单元配备有具有在顺时针方向旋转的转子(40)的流体排放喷嘴(10)，横穿该转子有排放孔(42)，该排放孔以与喷嘴轴线(20)横向成向前投影角度(α)贯穿该转子延伸，用于产生具有前推力分量的涡旋云雾形态(76)；以及

第二自立三脚架单元(72)，该单元配备有具有在逆时针方向旋转的转子(40)的流体排放喷嘴(10)，横穿该转子有排放孔(42)，该排放孔以与喷嘴轴线(20)横向成向前投影角度(α)贯穿该转子延伸，用于产生具有前推力分量的涡旋云雾形态(78)。

6.一种灭火装置(50)，包括组合为：

管状(52)轴(52)，该管状轴具有封闭端部(54)和围绕流道的侧壁，排放口(66)形成在所述管状轴的一端，而入口装置(56)形成在所述第一和第二轴端部之间的侧壁，用于导入加压水；

水排放喷嘴组件(10)，安装在与轴排放口(66)连通的轴上，该排水喷嘴组件包括具有封闭端部(24)和开口端部(22)的轴承元件(16)，以及还包括安装在轴承元件上用于从该轴向外排放水的旋转元件(40)；以及

固定到轴承元件(16)封闭端部(24)上的缓冲器盖(60)。

7.根据权利要求6的灭火装置，其中该缓冲器盖(60)包括圆顶状覆盖物。

8.一种轻便罐单元(82)，能够独立操作，用于把高压水供应到装在三脚架上或者手持的喷嘴操作中，或者可吊在直升机下面，用于远距离空中操作，或者装在卡车上，用于运输和组装以供应手持灭火喷嘴或者装在三脚架上的喷嘴，用于灭火操作，该罐单元包括组合为：

具有用于装盛消防用水的水箱的罐组件(82)，该罐组件包括一对把该罐支撑在垂直工作位置的垫架(86、88)；

具有布置在该罐水箱内入口和排放口的潜水泵(90)；

布置在该罐水箱内的潜水驱动电机(92)，该潜水驱动电机与泵(90)驱动联接；

布置在该罐水箱内并与泵入口联接的入水管道(94)；

布置在该罐水箱内并与泵排放口联接的集管(102)；

布置在该罐水箱内的互连管道，该互连管道包括与分配集管(102)流体连通的第一和第二排放管(104、106)，该排放管中每一个具有从罐水箱中伸出的端部，用于输送一定量的高压水；

第一流体排放喷嘴(10)，该喷嘴安装在第一排放管(104)的伸出端部并与该分配集管(104)流体连通，用于接收高压水流；以及

第二流体排放喷嘴(10)，该喷嘴安装在第二排放管(106)的伸出端部并与该分配集管(104)流体连通，用于接收高压水流。

9.根据权利要求8的轻便罐单元，

第一流体排放喷嘴(10)包括用于在顺时针方向旋转的转子(40)，该转子横穿有排放孔口(42)，该排放孔口穿过转子以与喷嘴轴(20)成前投射角(α)相交而延伸，用于形成具有前推力分量的涡旋雾形态(76)；以及

第二流体排放喷嘴(10)包括用于在逆时针方向旋转的转子(40)，该转子横穿有排放孔口(42)，该排放孔口穿过转子以与喷嘴轴(20)成前投射角(α)相交而延伸，用于形成具有前推力分量的涡旋雾形态(76)。

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