消防水枪根据喷出的不同水流，分为直流水枪、喷雾水枪、开花水枪。根据消防部队提高灭火能力的要求，研制了一个具有直流、喷雾、开花功能的消防水枪。研制的思路是：根据流体力学的原理，参照喷灌喷头的设计理
论，在直流水枪的流道内设置使水流产生预旋的装置，使水流在离心力作用下，将压力水流变成喷雾水流。同时在喷嘴的收缩段开孔, 使部分水流沿管外壁进入开花调节阀, 从喷嘴四周喷出,形成伞形开花水流，从而达到扑灭火灾、保护消防人员安全的目的。
1 直流设计
在喷灌喷头的设计理论中，大中型喷头多采用直管稳流--锥管过渡--喷嘴出流的型式，直流水枪设计也采用这一型式，水枪相应的主要部件有接口喷管 直管+锥管段）和喷嘴。
1.1 接口及喷嘴直径
根据 GB8181-87《消防水枪性能要求和试验方法》中的规定，消防水枪的喷嘴直径为 13mm1619mm22mm等 4个系列。本文选择直径为 16mm的喷嘴作为多功能水枪的喷嘴，相应选择接口尺寸为D 1=50mm
1.2 喷管 直管 锥管段
(1) 喷管长度。喷管是指与水带接口断面至喷嘴入口断面之间的一段联接管。实验研究表明：射程随喷管相对长度（喷管长度与喷管内径）增加而增加，开始射程增长率很快，继续增加喷管相对长度时，射程增长的速度则大大减慢下来。因此，从经济效益来看，对于远射程喷头来说，喷管长度可以适当长一些，采用（7~8 ）D 2（ D 2为喷管内径）：对于中近程喷头来说 其喷管长度取 5~6 D 2较
合适
(2) 锥管收缩角度 锥管的作用是把水的压能通过流道断面的收缩 最大限度地变为动能 锥管的收缩角度大 断面收缩快 往往会产生新的涡流而锥角过小 则锥管长度增加很大 试验证明 锥管的收缩角度 b =12 14比较合适
(3) 喷管直径 通常把喷管截面积与喷嘴出口截面积之比称为收缩程度 n 根据流动观察及试验 当收缩程度增大到 n =9时 出口紊流程度减弱当 n =910时 紊流程度几乎不变 n 再增加 紊流程度反而加大 射程试验表明 当 n 9时 射程随 n 的增加而增加 过后 如果 n 再增加 喷头射程增加很少 因此 收缩程度应取 n =89 亦即喷管直径 D 2=(2.833.0)d 1 d 1为喷嘴直径
1.3 喷嘴
喷嘴的型式较多 本文选择结构简单 加工方便的圆锥形喷嘴 其主要结构参数有 喷嘴直径 d喷嘴圆柱段长度 l 喷嘴内腔角 喷嘴直径已定为 d=16mm喷嘴内腔角 选择与锥管收缩角相等 可使水流在水枪内做到平顺 不产生转折引起的水流干扰 喷嘴出口通常有一个圆柱段 目的是使水流出口后喷嘴不致过分收缩 根据孔口出流的水流特点圆柱长度应在 10mm左右 1.4 直流开关 在直流水枪的喷管上安装一控制开关 通过这个开关的开启或关闭达到控制喷射水流的大小 根据水枪多功能设计的要求 选择球阀作为控制开关
1.5 结构尺寸
水枪型式为直管稳流 锥管过渡 喷嘴出流喷嘴直径为 16mm喷嘴出口圆柱段长度 10mm喷嘴锥角为 14 锥管
收缩角为 14 直管直径为 45m长度为 270mm接口尺寸为 50mm接口与直管间设一圆弧过渡 则相应的直流流道如图 1所示
2 喷雾设计
在直流的基础上 要进行喷雾设计 只能改变水流的内部流动结构 假设当离开喷嘴的水流不仅存在沿轴向的速度而且还存在沿圆周方向的速度射流离开喷嘴后就会出现较大的扩散角 在空气阻力的作用下 射流便出现雾化 改变切向速度便可改变其扩散角 从而改变雾化程度
为了使水枪流道内的水流出现预旋 关键是设计一组导流叶片 使平顺的水流经过导流叶片后出现沿圆周方向的切向速度
(1) 选择了多种导流叶片进行试验 确定选择圆弧形导流叶片
(2) 将导流叶片的安装位置确定为喷管的入口处 这是因为喷管长度是保证直流水枪时进行水流流态调整所必须的一段直管段
(3) 由于在喷管入口处的水流是紊乱的 而水流进入导流叶片时希望也是比较平顺的 由于水枪总体尺寸的限制 不可能在导流叶片前加一较长直管段进行流态调整 为此 在导流叶片前加稳流器其作用是增加流道中横向环流的碰壁机会 使横向环流尽快消失 对稳流器的各种形式进行对比 以较短的直管段达到整流的目的 选择十字形结构型式的稳流器
(4) 将稳流器和导流叶片结合在一起 即在圆弧导流叶片前加一段稳流器 单一导流片如图 2所示 两者结合组成导流装置 如图 3所示
在直流水枪的喷管入口处加上设计的导流装置 经过试验 这一水枪可达到喷雾水枪的要求。
3 直流与喷雾工况的转换
3.1 出流和断流开关
目前 已确定选用球阀作为水流出流 断流的开关装置 在球阀外安装操作手柄来开闭水流 球阀安装位置位于喷管入口之前 球阀直径选为f 7通道尺寸为f 45与喷管直径相同 这样 在出流情况下 不会对水流造成干扰
3.2 直流水枪与喷雾水枪的转换装置
球阀通道是一段长 61mm直径为 45mm的直段 为了减小多功能消防水枪的总体长度 同时又为了工况转换时的方便 将喷雾水枪的导流装置安装在球阀通道内 于是 在直流水枪的基础上 实现了喷雾水枪的设计
3.3 直流 喷雾和断流 3种状态的转换
在安装了导流装置的喷雾水枪上 反过来如何实现直流水枪 是值得研究的问题 试验中发现将喷雾水枪的导流装置倒转 180可作为直流水枪使用 这时的水流先反向经过圆弧导流叶片 然后进入十字形稳流器进行整流 再加上喷管的作用使得喷嘴出口的水流基本不存在沿圆周方向的切向速度 从而满足直流水枪对流态的要求 只是导流装置是一个局部阻力部件 对直流水枪的射程 流量会产生一定的影响 于是 通过球阀手柄的操作 可以实现直流水枪 喷雾水枪 断流 3种状态的转换 并同时可调节直流水枪 喷雾水枪的射程和流量
4 开花水流设计
人员保护伞形开花水流的作用 是在火场与消防人员之间用雾状水幕将两者隔开 用于保护消防人员的人身安全 在直流水枪的锥管上对称开 4个出流孔 如图4所示 在锥管外设置一个套管 套管与锥管之间的圆环缝隙作为水流
的通道 同时在喷嘴紧靠锥管的外侧设置一个水流导向 利用套管的调节进行水流扩散角 出流流量的调节
5 多功能消防水枪
5.1 整体设计
多功能消防水枪的整体设计包括喷嘴 人员保护水幕工况的调节装置 锥管 喷管 直流水枪与喷雾水枪的转换装置 与水带的连接等。
5.2 喷射性能测试
由于目前尚无多功能消防水枪的性能测试标准，所以采用单一功能的水枪性能测试标准进行(1) 多功能消防水枪喷射性能测试按GB8181-87消防水枪性能要求和试验方法的要求进行，如表1所示
表 1 多功能消防水枪喷射性能测
| | 喷嘴口径mm | 压力mpa | 流量L/min | 射程m | 喷射宽度m | 雾化角° |
| 直流水枪 | 16 | 0.35 | 327.0 | 31.0 | | |
| 喷雾水枪 | 16 | 0.35 | 297.0 | 17.0 | 7.3 | 40 |
