Способ создания газокапельной струи и устройство для его осуществления

Группа изобретений относится к способам и устройствам создания газокапельной струи, используемой для пожаротушения, и может быть использована при тушении торфяника, лесных пожаров, пожаров в высотных зданиях и т.п. Группа изобретений обеспечивает улучшение термодинамического цикла установки пожаротушения, использующей газотурбинный двигатель, повышение ее экономичности и эффективности пожаротушения вследствие замены воздуха, содержащего окислитель (кислород) и используемого для создания газокапельной струи, на продукты сгорания, практически не содержащие окислителя. Способ включает подачу жидкости и газового рабочего тела, создаваемого с помощью газотурбинного двигателя, диспергирование жидкости, смешивание диспергированной жидкости с газовым рабочим телом и ускорение полученного двухфазного газокапельного потока. В качестве газового рабочего тела используют частично отработанные продукты сгорания газотурбинного двигателя, отбираемые между его ступенями турбины, которое охлаждают перед его смешиванием с диспергированной жидкостью в теплообменнике, а жидкость, нагретую в теплообменнике, направляют в камеру сгорания. Установка для осуществления способа содержит монтажную раму, газотурбинный двигатель, состоящий из компрессора, камеры сгорания и турбины, имеющей, по крайней мере, две ступени и выходное сопло, его топливную систему, топливный бак, механически связанные с двигателем электрогенератор и водяные насосы высокого, среднего и низкого давления, накопительную емкость для жидкости, связанное с ней водозаборное устройство, выполненное в виде приемного рукава, соединенного с насосом низкого давления, поворотный пожарный ствол, привод его поворота, систему управления, которая связана с приводом поворота пожарного ствола и электрогенератором, трубопроводы, камеру смешивания жидкости и газового рабочего тела пожарного ствола, связанную с входом подачи жидкости и имеющую входы подачи газового рабочего тела, пенообразующее устройство, соединенное трубопроводом с узлом его подачи в узел смешивания жидкости и газового рабочего тела пожарного ствола. При этом установка снабжена, по крайней мере, одним выходом газового рабочего тела, выполненным между ступенями турбины и связанным, по крайней мере, с одним теплообменником и устройством охлаждения газового рабочего тела, которыми снабжена установка. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Предлагаемая группа изобретений относится к способам и устройствам создания газокапельной струи, используемой для пожаротушения.

Предлагаемая группа изобретений может быть использована в устройствах, работающих автономно и в которых используют технологию получения высококонцентрированных струй, имеющих большую дальность и мелкодисперсный состав капель.

Предлагаемые изобретения могут быть использованы при тушении торфяника, лесных пожаров, пожаров в высотных зданиях и т.п., т.к. они обеспечивают увеличение скорости огнегасящей струи и большую дальность, повышая этим тушащие свойства струи.

Известен способ создания газокапельной струи, включающий подачу жидкости и газового потока, диспергирование жидкости, смешивание диспергированной жидкости с газовым потоком и ускорение полученного двухфазного газокапельного потока (Патент РФ №2107554, кл. А 62 С 31/02, 1998).

Недостатками известного способа являются ограниченный характер используемых путей формирования двухфазного потока, снижающих эффективность газокапельной струи, в частности потери кинетической энергии жидкости при формировании дисперсного потока газокапельной структуры.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ создания газокапельной струи, включающий подачу жидкости и газового потока, диспергирование жидкости, смешивание диспергированной жидкости с газовым потоком и ускорение полученного двухфазного газокапельного потока (см. патент РФ №2243036 по кл. В 05 В 7/00, 2004 г.).

Известна установка для пожаротушения, например, устанавливаемая на автомобиле, которая состоит из емкости для огнегасящей жидкости, насоса высокого давления, связанного с емкостью и подающего жидкость в пожарный ствол (см. каталог «Пожарные машины» за 2002 г.).

Недостатком известной конструкции является использование воздуха, который поддерживает очаг пожара.

Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому изобретению является установка, включающая монтажную раму, газотурбинный двигатель, состоящий из компрессора, камеры сгорания и турбины, имеющей, по крайней мере, две ступени и выходное сопло, его топливную систему, топливный бак, механически связанные с двигателем, электрогенератор и водяные насосы высокого, среднего и низкого давления, накопительную емкость для жидкости, связанное с ней водозаборное устройство, выполненное в виде приемного рукава, соединенного с насосом низкого давления, поворотный пожарный ствол, привод его поворота, систему управления, которая связана с приводом поворота пожарного ствола и электрогенератором, трубопроводы, узел смешивания жидкости и газа пожарного ствола, связанный с входом подачи жидкости и имеющей входы подачи газового рабочего тела, пенообразующее устройство, соединенное трубопроводом с узлом его подачи в узел смешивания жидкости и газового рабочего тела пожарного ствола (патент РФ №2236876 по кл. А 62 С 3/00, 2004 г.).

Недостатками известной установки являются:

- невысокая экономичность из-за низкого кпд использования газотурбинной установки, т.к. используемый в пожарной системе воздух, отбираемый от основного компрессора или от дополнительного компрессора, не совершает работы расширения на турбине; Тепло, содержащееся в воздухе после компрессора (температура воздуха после компрессора может быть порядка 500-700 К), безвозвратно теряется, нагревая воду, и вместе с ней выбрасывается в атмосферу. Также теряется тепло, выбрасываемое из сопла двигателя;

- использование воздуха в качестве рабочего газа, воздух, используемый для разгона капель и попадающий в очаг горения, является хорошим окислителем, способствующим горению.

Задачами, решаемыми предлагаемой группой изобретений, являются:

- создание экономичной автономной модульной установки, позволяющей получать струю огнегасящей жидкости с повышенной дальностью и скоростью полета и использовать ее как самостоятельно, так и в комплектации с различными носителями (автомобиль, самолет, вертолет и т.д);

- улучшение термодинамического цикла установки пожаротушения, использующей газотурбинный двигатель, и повышение ее экономичности;

- замена воздуха, содержащего окислитель (кислород) и используемого для создания газокапельной струи, на продукты сгорания, практически не содержащие окислителя.

Технический результат в предлагаемом изобретении достигают созданием способа создания газокапельной струи, включающего подачу жидкости и газового рабочего тела, создаваемого с помощью газотурбинного двигателя, диспергирование жидкости, смешивание диспергированной жидкости с газовым рабочим телом и ускорение полученного двухфазного газокапельного потока, в котором согласно изобретению в качестве газового рабочего тела используют частично отработанные продукты сгорания газотурбинного двигателя.

Охлаждение газового рабочего тела перед его смешиванием с диспергированной жидкостью позволяет получить дополнительную работу на турбину путем впрыска жидкости, нагретой в теплообменниках, и подвода ее в качестве дополнительного рабочего тела (испаренной жидкости) в камеру сгорания и получения дополнительной работы на турбине.

Технический результат в предлагаемом изобретении достигают созданием установки, включающей монтажную раму, газотурбинный двигатель, состоящий из компрессора, камеры сгорания и турбины, имеющей, по крайней мере, две ступени и выходное сопло, его топливную систему, топливный бак, механически связанные с ним двигателем, электрогенератор и водяные насосы высокого, среднего и низкого давления, накопительную емкость для жидкости, связанное с ней водозаборное устройство, выполненное в виде приемного рукава, соединенного с насосом низкого давления, поворотный пожарный ствол, привод его поворота, систему управления, которая связана с приводом поворота пожарного ствола и электрогенератором, трубопроводы, узел смешивания жидкости и газа пожарного ствола, связанный с входом подачи жидкости, и имеющей входы подачи газового рабочего тела, пенообразующее устройство, соединенное трубопроводом с узлом его подачи в узел смешивания жидкости и газового рабочего тела пожарного ствола, в которой согласно изобретению она снабжена, по крайней мере, одним выходом газового рабочего тела, выполненным между ступенями турбины и связанным, по крайней мере, с двумя теплообменниками и устройством охлаждения газового рабочего тела, которыми снабжена установка.

Изобретение характеризуется также тем, что жидкостной контур одного из теплообменников установленного в выхлопном сопле двигателя связан входом с водяным насосом высокого давления, а выходом - со вторым теплообменником, установленным в контуре газового рабочего тела и с выходом газового рабочего тела, выполненным между ступенями турбины, при этом выход жидкостного контура второго теплообменника связан с входом в камеру сгорания, при этом контур газового рабочего тела связан с выходом газового рабочего тела, выполненным между ступенями турбины, который связан со вторым теплообменником, соединенным выходом газового рабочего тела с устройством охлаждения газового рабочего тела.

Изобретение характеризуется также тем, что устройство охлаждения газового рабочего тела связано с теплообменником и камерой смешивания пожарного ствола, а также с выходом жидкости из насоса среднего давления.

Наличие теплообменников позволяет получить дополнительную работу на турбине, т.к. в них происходит охлаждение газового рабочего тела и подвод тепловой энергии к жидкости. Вода в теплообменнике перегревается либо испаряется и затем полученное парожидкостное рабочее тело подают в камеру сгорания, куда его впрыскивают, при этом образуется дополнительное рабочее тело, позволяющее получить дополнительную работу на турбине.

Использование в качестве теплоносителя в теплообменниках топлива газотурбинного двигателя также позволяет снизить общий расход топлива и таким образом сделать установку более экономичной.

В этом случае топливо подается из топливной системы двигателя в теплообменники и после нагрева и испарения направляется в камеру сгорания.

Использование в предлагаемой установке газотурбинного двигателя, являющегося источником мощности, позволяет получать высокоэнергетическое газовое рабочее тело в виде продуктов сгорания и повысить эффективность работы получаемой газокапельной струи.

Проведенные патентные исследования показали, что не известны технические решения с указанной совокупностью существенных признаков в аналогичных способах создания газокапельной струи и устройствах для их осуществления, т.е. группа предлагаемых решений соответствует критерию «новизна».

При анализе известных аналогов и прототипа не обнаружено предложение с совокупностью существенных признаков, изложенных в формуле изобретения, из чего следует, что для специалистов, занимающихся способами создания газокапельной струи и устройствами для их осуществления, они явным образом не следуют из уровня техники и, следовательно, соответствуют критерию изобретения «изобретательский уровень».

Считаем, что сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления группы изобретений.

Предлагаемая группа изобретений, а именно способ создания газокапельной струи и устройство для его осуществления поясняются нижеследующим описанием способа и конструкции и чертежом, где показана схема установки для создания газокапельной струи.

Установка для создания газокапельной струи включает монтажную раму 1, установленные на ней газотурбинный двигатель, соединенный с ним механически, например, трансмиссией (на черт. не показано) водяной насос среднего давления 2, водяной насос низкого давления 3, водяной насос высокого давления 4 и электрогенератор 5, водозаборное устройство 22, трубопроводы 6, привод поворота пожарного ствола 7, система управления установки 8, связанная с электрогенератором 5 и приводом поворота пожарного ствола 7.

Газотурбинный двигатель включает компрессор 9, камеру сгорания 10, турбину, состоящую, по крайней мере, из двух ступеней 11 и 12, выходное сопло 13, топливную систему 14 с топливным баком 15. При этом двигатель связан с пожарным стволом, выполненным в виде газодинамического сопла 16, соединенного с ним устройства смешивания жидкости и газового рабочего тела (камерой смешения) 17.

Пожарный ствол может быть установлен отдельно от монтажной рамы 1 в зависимости от условий размещения установки на транспортном носителе, но он обязательно соединен через камеру смешения 17 трубопроводом с насосом среднего давления 2, выходом газового рабочего тела 18, отбираемого между ступенями 11 и 12 турбины, и с приводом поворота ствола 7.

С целью уменьшения потерь энергии насос высокого давления 4, приводимый от трансмиссии, соединен входным трубопроводом с резервным водяным баком 19, а выходным трубопроводом с теплообменником 20, установленным в выходном сопле 13 двигателя.

Выход трубопровода из теплообменника 20 соединен с входом теплообменника 21, установленным в выходе газового рабочего тела 18, выход теплоносителя из теплообменника 21 соединен с камерой сгорания 10, куда поступает либо перегретая вода, либо пар, либо их смесь. Продукты сгорания из теплообменника 21 поступают в теплообменник 27, соединенный трубопроводом с выходом из насоса среднего давления для воды 2 и каналом с камерой смешения 17 для охлажденных продуктов сгорания с парами воды.

В качестве теплоносителя вместо воды может использоваться топливо. В этом случае теплоноситель (топливо) подается из блока 14.

Водозаборное устройство выполнено в виде приемного рукава 22, соединенного с насосом низкого давления 3, связанного с газотурбинным двигателем, и соединено через обратные клапаны с накопительной емкостью для жидкости 19.

Пенообразующее устройство, связанное с устройством смешивания жидкости и газа пожарного ствола, выполнено в виде емкости с пенообразователем 23, соединенной трубопроводом 24 с закрывающим краном 25 и узлом его подачи 26 в камеру смешения 17.

Работа предлагаемой установки для создания газокапельной струи происходит следующим образом.

Предварительно автономную установку подготавливают к работе, заполняя емкость 23 пенообразователем, емкость 19 - жидкостью, а емкость 15 - топливом.

Закрепляют ее на транспортном носителе, например автомобиле или вертолете, и доставляют в зону тушения пожара. Установку располагают на необходимом расстоянии от очага пожара.

Затем запускают газотурбинный двигатель, который через механическую трансмиссию приводит в движение насос среднего давления 2, насос высокого давления 4, электрогенератор 5.

Насос высокого давления подает воду в теплообменник 20, соединенный с теплообменником 21, и из теплообменника 21 в камеру сгорания 10 газотурбинного двигателя.

Насос среднего давления по трубопроводам подает огнегасящую жидкость (воду) из накопительной емкости жидкости 19 в устройство смешивания жидкости и газового рабочего тела 17. В устройство смешивания 17 также подают газовое рабочее тело (продукты сгорания), отбираемое между ступенями турбины по каналу 18 и необходимое для диспергирования жидкости и разгона двухфазного газокапельного потока.

С целью максимального покрытия зоны пожара с помощью системы управления установки 8 и привода поворота 7 пожарного ствола его поворачивают в горизонтальной и вертикальной плоскости.

В случае тушения легковоспламеняющихся горючих жидкостей применяют пенообразователь, которым заполнена емкость 23. Для этого открывают закрывающий кран 25 и пенообразователь по трубопроводу 24 поступает через узел его подачи 26, например, эжекторного типа в устройство смешивания 17.

Смешивание жидкости и газового рабочего тела производят любым известным способом (например, как в прототипе) и заявитель не претендует на новизну.

Смешиваясь с огнегасящей жидкостью, пенообразователь создает на выходе из пожарного ствола пену, которая покрывает очаг пожара, прекращая поступление кислорода, необходимого для горения.

При использовании всего запаса огнегасящей жидкости (воды) в накопительной емкости 19 возможно наполнение ее дополнительным количеством жидкости от внешнего источника, например водоема или автоцистерны.

В первом случае (водоем) включают насос низкого давления 3, работающий от газотурбинного двигателя, через муфту сцепления 29, причем насос 3 соединен с приемным рукавом 22, который через обратные клапаны связан с накопительной емкостью для жидкости 19 и начинают закачивание жидкости.

В случае пополнения запаса жидкости от пожарной машины насос низкого давления не используют, т.к. у машины есть свой насос, который и используют.

В данной ситуации приемный рукав 22 подключается к выходному каналу пожарной машины и через обратные клапаны непосредственно будет связан с накопительной емкостью для жидкости 19.

Использование отбора газового рабочего тела из пространства между ступенями турбины позволяет снизить энергетические затраты на 8-20% в зависимости от параметров системы.

Также проведена оценка использования газотурбинного двигателя с параметрами:

Расход воздуха G=9 кг/с

Степень сжатия компрессора 71=9

Температура газового рабочего тела перед турбиной T=1190 K

Потери энергии в форме тепла при использовании двигателя с данными параметрами снижаются на 13-15% в зависимости от эффективности работы теплообменников.

1. Способ создания газокапельной струи, включающий подачу жидкости и газового рабочего тела, создаваемого с помощью газотурбинного двигателя, диспергирование жидкости, смешивание диспергированной жидкости с газовым рабочим телом и ускорение полученного двухфазного газокапельного потока, отличающийся тем, что в качестве газового рабочего тела используют частично отработанные продукты сгорания газотурбинного двигателя, отбираемые между ступенями турбины газотурбинного двигателя, которое охлаждают перед его смешиванием с диспергированной жидкостью в теплообменнике, при этом жидкость, нагретую в теплообменнике, направляют в камеру сгорания.

2. Установка для создания газокапельной струи, включающая монтажную раму, газотурбинный двигатель, состоящий из компрессора, камеры сгорания и турбины, имеющей, по крайней мере, две ступени и выходное сопло, его топливную систему, топливный бак, механически связанные с двигателем электрогенератор и водяные насосы высокого, среднего и низкого давления, накопительную емкость для жидкости, связанное с ней водозаборное устройство, выполненное в виде приемного рукава, соединенного с насосом низкого давления, поворотный пожарный ствол, привод его поворота, систему управления, которая связана с приводом поворота пожарного ствола и электрогенератором, трубопроводы, камеру смешивания жидкости и газового рабочего тела пожарного ствола, связанную с входом подачи жидкости и имеющую входы подачи газового рабочего тела, пенообразующее устройство, соединенное трубопроводом с узлом его подачи в узел смешивания жидкости и газового рабочего тела пожарного ствола, отличающаяся тем, что она снабжена, по крайней мере, одним выходом газового рабочего тела, выполненным между ступенями турбины и связанным, по крайней мере, с одним теплообменником и устройством охлаждения газового рабочего тела, которыми снабжена установка.

3. Установка по п.2, отличающаяся тем, жидкостный контур одного из теплообменников, установленного в выхлопном сопле двигателя, связан входом с водяным насосом высокого давления, а выходом со вторым теплообменником, установленным в контуре газового рабочего тела и на выходе газового рабочего тела, выполненном между ступенями турбины, при этом выход жидкостного контура второго теплообменника связан с входом в камеру сгорания, при этом контур газового рабочего тела связан с выходом газового рабочего тела, выполненным между ее ступенями турбины, который связан со вторым теплообменником, соединенным выходом газового рабочего тела с устройством охлаждения газового рабочего тела.

4. Установка по п.2, отличающаяся тем, что устройство охлаждения газового рабочего тела связано с одним из теплообменников и камерой смешивания пожарного ствола, а также с выходом жидкости из насоса среднего давления.

5. Установка по п.2, отличающаяся тем, что в качестве теплоносителя в теплообменнике использовано топливо газотурбинного двигателя.