3.2. Расчёт насосно-рукавных систем с ручными стволами

Гидравлический расчёт насосно-рукавных систем сводится к решению следующих основных задач:

1. Определение максимального расхода через рукавную систему, геометрические параметры которой известны (т.е. известны диаметры рукавов и насадков стволов, высота превышения стволов по вертикали над осью насоса), известна также характеристика насоса.

2. Определение напора насоса, если заданы расчетный расход воды (напор перед стволом), вид насосно-рукавной системы, а также диаметр и длина рукавных линий.

3. Определение предельной длины насосно-рукавной системы по расчетному расходу воды и напору насоса.

При определении расхода воды Q по заданному напору насоса (задача 1) необходимо учитывать характеристику рукавной системы и характеристику насоса, то есть

, (3.1)

где S_c – сопротивление рукавной системы, зависящее от ее вида и диаметра установленных на ней пожарных стволов; z – высота подъема пожарных стволов над осью насоса; H_н = a – bQ² – характеристика используемого насоса.

Тогда максимальный расчетный расход воды, подаваемый насосно-рукавной системой, составит:

. (3.2)

Для рукавной системы (см. рис. 3.1, а), состоящей из одного рукава, сопротивление вычисляют по формуле

S_с = S_р + S_ст, (3.3)

где S_р – сопротивление рукава заданного диаметра длиной L = 20 м; S_ст – сопротивление насадка пожарного ствола.

При последовательном соединении рукавов (рис. 3.1,б) общее сопротивление системы составит:

S_с = S_мn_м + S_рn_р + S_ст, (3.4)

где S_м,S_р – соответственно сопротивление одного магистрального и рабочего рукава; n_м,n_р – количество рукавов в магистральной и рабочей линиях соответственно.

Сопротивление смешанной системы с тремя пожарными стволами, показанной на рисунке 3.1,г, определяется как сумма сопротивлений магистральной и рабочих линий

, (3.5)

где S₁, S_2,, S₃ – сопротивление одного рукава соответственно в первой, второй и третьей линиях; n₁, n₂, n₃ – количество рукавов в линиях; S_ст1, S_ст2, S_ст3 –сопротивление насадков стволов.

Подставляя найденное значение Q (3.2) в характеристику насоса, находим максимальный напор Н_н, который может создать насос, работая совместно с данной рукавной системой, то есть рабочая точка насоса будет задана параметрами Q_н и Н_н.

Для определения требующегося напора насоса в зависимости от расхода воды (задача 2), необходимо располагать всеми параметрами конкретной рукавной системы. В этом случае напор насоса определяется по формуле

Н_н = h_p + H_cв + z₁ + z₂ + h_вc, (3.6)

где h_p – потери напора в рукавной системе; H_cв – свободный напор перед стволом; z₁ – высота подъема стволов над осью насоса; z₂ – высота всасывания; h_вc – потери напора во всасывающей линии.

В практических расчетах напор насоса определяется по формуле

Н_н = S_сQ² + z, (3.7)

где S_с – сопротивление рукавной линии, зависящее от вида рукавной системы; Q – расчетный расход воды; z – высота подъема пожарных стволов над осью насоса.

Для примера рассмотрим решение этой задачи при использовании насосно-рукавной системы со смешанным соединением, показанной на рисунке 3.2. Система включает пожарный автонасос, установленный на пожарном гидранте, магистральную рукавную линию из n_м стандартных рукавов диаметром d_м сопротивлением S_м одного рукава, трехходовое рукавное разветвление, расположенное на высоте z_A по вертикали относительно оси насоса (потери насоса в разветвлении составляют h_A), три рабочие рукавные линии с диаметром рукавов d_p1, d_p2, d_p3  (сопротивление одного стандартного рукава S₁, S₂, S₃ соответственно) по n₁, n₂, n₃ рукавов в каждой линии, и три пожарных ствола диаметром d_ст1, d_ст2, d_ст3 с сопротивлениями S_ст1, S_ст2, S_ст3, поднятыми на высоту z₁, z₂, z₃, по вертикали относительно рукавного разветвления.

Рис. 3.2. Расчетная схема насосно-рукавной системы:

1 − пожарный гидрант; 2 − колонка пожарная;

3 − всасывающие рукава; 4 − пожарный автонасос;

5 − магистральная рукавная линия; 6 − разветвление

рукавное трехходовое; 7 − рабочие рукавные линии;

8 − стволы пожарные ручные

Определим требующийся напор насоса при условии, что из первого ствола с диаметром насадка d_ст1 необходимо по условиям тушения пожара получить струю с расходом Q₁ (что соответствует радиусу компактной части R_к). В этом случае напор в точке А (на рукавном разветвлении) должен быть равен

H_A1 = S_p1Q²₁ + z₁ = (S₁n₁ + S_ст1)Q²₁ + z₁. (3.8)

При этом напоре по двум другим рабочим рукавным линиям расход воды составит:

По магистральной линии суммарный расход составит:

Q_м = Q₁ + Q₂ + Q₃.

Напор на насосе составит:

H^тр_н = n_мS_мQ²_м + H_A1 + z_A + h_A. (3.9)

Если насосно-рукавная система симметрична, то есть магистральные и рабочие рукавные линии включают одинаковое количество рукавов одного диаметра, одинаковые стволы подняты на одну и ту же высоту Z относительно оси насоса, то решение задачи несколько упрощается и напор определяется по формуле

H^тр_н = S_сQ² + z + h_A. (3.10)

Сопротивление рукавной системы вычисляют как

, (3.11)

где  – количество магистральных линий; δ – количество рабочих линий.

Возможность подачи расчетного расхода воды на тушение пожара выбранной насосно-рукавной системы можно оценить расчетом, используя аналитический вид характеристики данного насоса. Для этого необходимо значение расхода Q подставить в уравнение характеристики насоса H = a – bQ² и определить максимальный напор H^max_н, который может обеспечить насос при максимальном числе оборотов.

Если H^max_н  H^тр_н, то подача расчётного расхода воды выбранной насосно-рукавной системы возможна. В других случаях, при H^max_н < H^тр_н система не выполнит поставленную задачу и потребуется принятие других технических решений, например, уменьшение гидравлического сопротивления рукавной системы или использование другого более мощного насоса.

Предельная длина магистральной рукавной линии (задача 3), например для насосно-рукавной системы, показанной на рисунке 3.2, определяется из выражения (3.9). При этом используется аналитический вид характеристики пожарного насоса, то есть

а −bQ²_н = n_мS_мQ²_м + H_A + z_A + h_A , (3.12)

где Q_н – подача насоса; Q_м – расход воды в магистральной рукавной линии (причём Q_н = Q_м); H_A – напор в рукавном разветвлении для обеспечения расчетных расходов воды через пожарные стволы, z_A – высота превышения (по вертикали) разветвления над осью насоса, h_A – потери напора в разветвлении.

Из выражения (3.12) предельная длина магистральной линии (в количестве 20 метровых стандартных рукавов) определится так:

, (3.13)

причем в случае получения дробного числа округление производится в сторону уменьшения.