艦船水幕系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究

萬新斌，于姝雯

(中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

0 引 言

艦船為滿足使命任務(wù)需求，一般均設(shè)置水幕系統(tǒng)以防護(hù)核、生物和化學(xué)等武器的襲擊，保護(hù)艦船和人員的安全。

一般水幕系統(tǒng)具有水幕防護(hù)和洗消功能，有些艦船還需另外配置紅外降溫系統(tǒng)，同時(shí)設(shè)置泡沫滅火系統(tǒng)，造成管路、噴頭眾多，系統(tǒng)布置繁復(fù)。本文提出艦船水幕系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，將水幕系統(tǒng)與紅外降溫系統(tǒng)、泡沫滅火系統(tǒng)共管設(shè)計(jì)，使得1 套水幕系統(tǒng)同時(shí)具備多種水幕功能，提高艦船集成優(yōu)化程度，降低管路布置難度，減少系統(tǒng)重量。

1 水幕系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 水幕系統(tǒng)耗水量計(jì)算

根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)并參照有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定全艦水幕防護(hù)、水幕洗消、紅外降溫和泡沫滅火4 種工況下的水幕（消防水、洗消液或泡沫液）噴灑強(qiáng)度，如水幕防護(hù)和洗消工況下的噴灑強(qiáng)度[1]為：甲板平面I 類區(qū)6 L/min·m2；甲板平面II 類區(qū)2 L/min·m2；上層建筑前壁15 L/min·m；上層建筑側(cè)壁10 L/min·m；上層建筑后壁8 L/min·m。泡沫工的噴灑強(qiáng)度為4.1 L/min·m2。

根據(jù)全艦布置情況，得出不同類型甲板的面積和上層建筑外壁周邊長。按規(guī)定的噴灑強(qiáng)度，計(jì)算出露天甲板平面及上層建筑外壁在各工況下的耗水量。

為滿足水幕、洗消和紅外降溫工況的不同需求，取各工況的最大耗水量作為各區(qū)域的耗水量需求值。由于泡沫滅火工況時(shí)，其他區(qū)域（如側(cè)壁和上建等）的水幕系統(tǒng)不工作，可通過設(shè)置水幕及泡沫兩用噴頭以滿足不同的流量特性需求，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的共管設(shè)計(jì)。

1.2 水幕系統(tǒng)噴水量的設(shè)計(jì)

根據(jù)不同艦船露天甲板和上層建筑的結(jié)構(gòu)形式，選取相應(yīng)型式的水幕噴頭，通常采用的水幕噴頭型式有360°水平面噴頭、90°仰角噴頭、壁式噴頭等。噴頭的型式、數(shù)量及布置的位置，需滿足全艦露天甲板、上層建筑側(cè)壁的水幕全覆蓋和噴灑強(qiáng)度要求。

為便于布置和調(diào)整，每種噴頭應(yīng)采取盡量少的流量、噴射半徑和壓力設(shè)計(jì)點(diǎn)，一般不多于3 個(gè)。通過對(duì)全艦露天甲板和上層建筑壁面的噴頭布置，可得出水幕系統(tǒng)的設(shè)計(jì)噴水量。并對(duì)全艦消防泵進(jìn)行配置設(shè)計(jì)，確定其數(shù)量、額定流量和揚(yáng)程。

1.3 水幕系統(tǒng)分區(qū)設(shè)計(jì)

根據(jù)全艦消防泵的數(shù)量、消防總管的布置情況，以及露天甲板和上層建筑的布置情況，可對(duì)全艦的水幕區(qū)域進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)水幕系統(tǒng)的分區(qū)供水和獨(dú)立控制。

分區(qū)劃分應(yīng)使得每個(gè)區(qū)域的噴頭盡量集中布置、噴水量盡可能均衡，一般每個(gè)區(qū)的供水量控制在150～250 m3/h，同時(shí)要便于洗消液制備裝置和泡沫比例混合裝置向各個(gè)分區(qū)供應(yīng)噴射液。每臺(tái)消防泵均向消防總管供水，由消防總管向各水幕分區(qū)供水。

1.4 水幕分區(qū)管路設(shè)計(jì)

各水幕分區(qū)采用分層、分區(qū)輸送噴射液的方式，消防水由消防總管接入各水幕分區(qū)主管，混合后形成相應(yīng)噴射液，通過支管送至各層水幕分區(qū)，各層水幕分區(qū)輸送管再通過支管分配噴射液至每個(gè)噴頭，每個(gè)支管上的噴頭設(shè)計(jì)壓力盡量相同。

將橫向、縱向布置的噴頭進(jìn)行分段，噴射液從主管向每段支管供水，為保證噴頭末端壓力、流量均衡，噴頭均布在支管兩邊（橫向噴頭布置形式見圖1）。

圖 1 管路連接形式Fig. 1 The pipe connection pattern

2 水幕系統(tǒng)阻力計(jì)算

采用流體阻力計(jì)算軟件如Flowmaster，Pipenet，F(xiàn)lunet（本文案例中采用Flowmaster）對(duì)全艦水幕洗系統(tǒng)進(jìn)行阻力計(jì)算建模，主要是對(duì)消防泵、管路、閥件（截止閥、止回閥、蝶閥）、各種彎頭和三通進(jìn)行建模并設(shè)置其特性參數(shù)，采用軟件內(nèi)閥門、管路、彎頭等元件等效系統(tǒng)實(shí)際結(jié)構(gòu)，以使模型最大程度接近實(shí)際系統(tǒng)，保證阻力計(jì)算的準(zhǔn)確性[24]。

建模過程中，需定義消防泵的揚(yáng)程-流量特性曲線（見圖2）以及各類噴頭的壓力-流量特性曲線（見圖3）。

圖 2 消防泵揚(yáng)程流量曲線Fig. 2 The head curve of the fire pump

圖 3 360°噴頭流量曲線Fig. 3 The flow curve of the 360-degree sprayer

水幕系統(tǒng)末端（噴頭）建模如圖4 所示。

利用不可壓縮流體穩(wěn)態(tài)阻力計(jì)算方法對(duì)水幕系統(tǒng)進(jìn)行阻力計(jì)算得出各消防泵和水幕分區(qū)的工作流量、水幕噴頭的工作壓力等。

3 水幕系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

以滿足消防泵不超過額定流量，各支管流量不低于設(shè)計(jì)流量、不超過設(shè)計(jì)流量10%，水幕噴頭壓力不低于設(shè)計(jì)壓力、不高于霧化壓力等條件為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)水幕系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

圖 4 水幕系統(tǒng)末端模型Fig. 4 The partial pipe model of the terminal of the water curtain system

主要的優(yōu)化措施有：調(diào)整水幕分區(qū)設(shè)置、調(diào)整管路直徑和設(shè)置阻力調(diào)節(jié)裝置（節(jié)流孔板、壓力調(diào)節(jié)閥、流量調(diào)節(jié)閥）等，以實(shí)現(xiàn)水幕系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 水幕系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)船案例

采用本文水幕系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，對(duì)某艦的水幕系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

4.1 水幕系統(tǒng)耗水量計(jì)算

通過對(duì)全艦露天甲板面積和上層建筑外壁的各個(gè)工況的需水量進(jìn)行核算，確定某艦水幕系統(tǒng)需水量為2 522 m3/h，泡沫滅火工況的耗水量為1 510 m3/h。

4.2 水幕系統(tǒng)設(shè)計(jì)噴水量

在1 甲板平面布置360°噴頭，在水幕防護(hù)、紅外降溫、洗消工況時(shí)，噴頭的工作壓力為0.25 MPa、設(shè)計(jì)流量為9 m3/h；在泡沫工況時(shí)，噴頭工作壓力為0.5 MPa、設(shè)計(jì)流量為12 m3/h；其余壁式噴頭和90°平面仰角噴頭的設(shè)計(jì)工作壓力均為0.5 MPa，流量為5～10.1 m3/h。

各個(gè)區(qū)域的設(shè)計(jì)流量及需水量對(duì)比情況如表1 所示，各區(qū)域設(shè)計(jì)流量均大于耗水量。

表 1 各甲板不同工況下的消防水量Tab. 1 Fire water demandof the decks in different conditions

4.3 水幕系統(tǒng)分區(qū)設(shè)計(jì)

將全艦甲板平面和壁面劃分為16 個(gè)水幕分區(qū)，共配置7 臺(tái)消防泵，每臺(tái)流量為400 m3/h。將16 個(gè)分區(qū)劃分為前區(qū)和后區(qū)，水幕系統(tǒng)工作時(shí)，3 臺(tái)消防泵向前區(qū)的水幕分區(qū)供水，前區(qū)需水量為1 058 m3/h，消防泵供水量為1 200 m3/h。

另外4 臺(tái)消防泵向后區(qū)的水幕分區(qū)供水，需水量為1 464 m3/h，消防泵供水量為1 600 m3/h。

泡沫滅火工況時(shí)由4 臺(tái)消防泵供水，總量為1 600 m3。

4.4 阻力計(jì)算結(jié)果分析

1）消防泵流量計(jì)算結(jié)果

圖 5 消防泵工作流量Fig. 5 The actual working flow of the fire pumps

水幕系統(tǒng)工作時(shí)每臺(tái)消防泵流量（最小值為467 m3/h）均大于其額定流量15%左右，流量過大容易引起消防泵電機(jī)過載。

2）水幕分區(qū)流量計(jì)算結(jié)果

圖 6 #1～#9 水幕分區(qū)工作流量Fig. 6 The actual working flow from the 1st to the 9th partition

由于系統(tǒng)阻力不平衡度大，使得#1～#9 水幕分區(qū)為供水量遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)流量35%～41%。而#10～#16 水幕分區(qū)因相對(duì)位置較高，其總流量在設(shè)計(jì)流量附近，其中12#水幕分區(qū)供水量小于設(shè)計(jì)流量，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

3）水幕噴頭壓力計(jì)算結(jié)果

#1～#3、#5～#9、#11 分區(qū)大多噴頭工作壓力均高于正常工作壓力（0.25 MPa），基本在0.65 MPa 以上，部分接近霧化壓力（0.8 MPa）；#4、#10、#12～#16 分區(qū)部分噴頭壓力不足，低于設(shè)計(jì)壓力。

本文僅示出1 甲板#1 分區(qū)和上層建筑#12 水幕分區(qū)的噴頭壓力。

圖 7 #10～#16 水幕分區(qū)工作流量Fig. 7 The actual working flow from the 10st to the 16th partition

圖 8 #1 水幕分區(qū)各噴頭工作壓力Fig. 8 The actual working pressure of the sprayers located in the 1st partition

圖 9 #12 水幕分區(qū)各噴頭工作壓力Fig. 9 The actual working pressure of the sprayers located in the 12th partition

4.5 水幕系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)上述阻力計(jì)算結(jié)果中發(fā)現(xiàn)的問題，采用調(diào)整管子通徑和在各水幕分區(qū)總管上設(shè)置節(jié)流孔板的方法，對(duì)水幕系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

將壓力偏小（或偏大）的噴頭供水管徑適當(dāng)增大（或減小），可以有效起到調(diào)整末端噴頭壓力，平衡水幕分區(qū)流量的作用。

在各水幕分區(qū)前面增加節(jié)流孔板以調(diào)整各水幕分區(qū)的流量和各噴頭的出口壓力。節(jié)流孔板的型式分為單板或多板、單孔或多孔節(jié)流孔板[1,5]。根據(jù)本艦水幕系統(tǒng)特點(diǎn)，經(jīng)過多次優(yōu)化計(jì)算，最終確定每個(gè)水幕分區(qū)的孔板孔徑和孔數(shù)如表2 所示。

表 2 節(jié)流孔板參數(shù)Tab. 2 The parameters of the restriction orifices

4.6 優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比分析

1）消防泵流量計(jì)算結(jié)果

優(yōu)化后水幕系統(tǒng)中各消防泵的工作流量均降至額定流量附近，且各泵流量均衡，最大偏差為1.4%。

圖 10 消防泵工作流量Fig. 10 The comparison of the actual working flow of the fire pumps before and after optimization

2）水幕分區(qū)流量計(jì)算結(jié)果

優(yōu)化后，各水幕分區(qū)流量有了較大的改善，均在設(shè)計(jì)流量值以上，且有適當(dāng)?shù)挠嗔浚?1～#9 水幕分區(qū)優(yōu)化前后流量對(duì)比如圖11 所示。

圖 11 #1～#9 水幕分區(qū)工作流量Fig. 11 The comparison of the actual working flow from the 1st to the 9th partition before and after optimization

3）水幕噴頭壓力計(jì)算結(jié)果

優(yōu)化后，各甲板水幕噴頭工作壓力趨于均衡，均在工作壓力之上，遠(yuǎn)離霧化臨界壓力，滿足噴頭的使用及設(shè)計(jì)要求。

其中#1、#12 水幕分區(qū)的噴頭壓力優(yōu)化前后對(duì)比情況如圖12 和圖13 所示。

圖 12 #1 水幕分區(qū)噴頭優(yōu)化前后工作壓力Fig. 12 The comparison of the actual working pressure of the sprayers located in the 1st partition before and after optimization

圖 13 #12 水幕分區(qū)噴頭優(yōu)化前后工作壓力Fig. 13 The comparison of the actual working pressure of the sprayers located in the 12th partition before and after optimization

5 結(jié) 語

本文提出艦船水幕系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并以某艦水幕系統(tǒng)為例，進(jìn)行了共管、分區(qū)設(shè)計(jì)，使得水幕系統(tǒng)可兼具水幕防護(hù)、水幕洗消、紅外降溫及泡沫滅火等功能，避免管路和噴頭的重復(fù)配置，實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的集成化設(shè)計(jì)。

后續(xù)還進(jìn)行了水幕系統(tǒng)典型區(qū)域驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果誤差在工程允許范圍之內(nèi)。在實(shí)船應(yīng)用過程中，采用節(jié)流孔板進(jìn)行流量調(diào)節(jié)的方式也可以用流量調(diào)節(jié)閥或壓力調(diào)節(jié)閥替代。