水面艦艇甲板上浪后排水問題解決方案

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(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，上海 201108)

在大風(fēng)浪工況航行時(shí)，水面艦艇需要沖過海浪甚至產(chǎn)生埋艏現(xiàn)象，此時(shí)艦艇甲板尤其是艏部甲板經(jīng)常會積蓄數(shù)噸海水[1-5]。傳統(tǒng)的艦艇艏部甲板基本上采用開敞設(shè)計(jì)，甲板周圍布置一圈欄桿，當(dāng)艦艇恢復(fù)正常狀態(tài)時(shí)，海水可以迅速從艦艇兩側(cè)排出。

隨著現(xiàn)代海軍裝備的生命力和戰(zhàn)斗力日益強(qiáng)大，其設(shè)計(jì)理念和方法也發(fā)生重大轉(zhuǎn)變。其中隱身性能逐漸成為水面艦艇最重要的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)之一[6-9]，是艦艇現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志。為了獲得良好的隱身性，在設(shè)計(jì)時(shí)對上層建筑和露天甲板采用舷墻遮蔽措施的方法已經(jīng)成為隱身設(shè)計(jì)的基本手段之一，開敞甲板周圍的欄桿也逐步被舷墻所替代，在這些部位會形成“阱”結(jié)構(gòu)。“阱”結(jié)構(gòu)在甲板上浪時(shí)，會積蓄大量海水，同時(shí)因?yàn)橄蠅Φ脑O(shè)置使海水難以快速順利排出。對整個(gè)艦艇的總體性能可能產(chǎn)生一些不利影響。目前我國的水面艦艇設(shè)計(jì)規(guī)范對該情況并沒有提出具體設(shè)計(jì)要求。

艦船隱身設(shè)計(jì)與甲板上浪后排水問題的解決方案需進(jìn)行有效結(jié)合，以達(dá)到切合實(shí)際的現(xiàn)代艦船設(shè)計(jì)理念，為今后相關(guān)規(guī)范內(nèi)容補(bǔ)充完善提供參考。

1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的相關(guān)內(nèi)容

水面艦艇積水一般包括露天甲板積水(包括上浪海水、露天雨水和甲板沖洗水等)、艦內(nèi)艙底積水。露天雨水、甲板沖洗水由甲板漏水系統(tǒng)排至舷外，艦內(nèi)艙底積水主要通過艙底水系統(tǒng)排至舷外。當(dāng)水面艦艇設(shè)置有舷墻時(shí)，在高海情狀況下，落在露天甲板的上浪海水是通過安裝在舷墻上的排水舷口排出的。排水舷口即舷墻上的開孔，可讓從舷側(cè)進(jìn)入甲板的水自由流向舷外。當(dāng)舷墻在露天甲板部分形成“阱”時(shí),在舷墻上開設(shè)的排水口,可以迅速排除甲板積水。船舶在風(fēng)浪中航行作業(yè)，當(dāng)甲板上浪時(shí)，如不能及時(shí)排除甲板上的積水，連續(xù)上浪沖擊會使甲板上的積水越來越多，形成自由液面，總體重量不斷增加，重心逐漸升高，致使船舶穩(wěn)性明顯降低。由此可見，排水舷口的面積設(shè)置是否足夠，設(shè)置方位是否合理，在風(fēng)浪中會影響到船舶的安全。對于干舷較低排水量較小的艦船受甲板上浪的影響更為嚴(yán)重。

1.1 《CCS鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定

《CCS鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》[10]中明確規(guī)定：排水舷口應(yīng)能迅速排出甲板積水和放盡積水，舷墻上的排水舷口面積應(yīng)按照《1966年國際載重線公約》[11]1988年議定書修正案附件B附則Ⅰ第24條的要求設(shè)計(jì)?！?966年國際載重線公約》1988年議定書附件B修正案具體內(nèi)容如下。

1)如果舷墻在干舷甲板和上層建筑甲板的露天部分形成阱，則應(yīng)采取足夠的措施迅速排出甲板積水和放盡積水。

在上層建筑甲板上的每個(gè)阱內(nèi)，最小面積應(yīng)為按下式算得面積的一半：

當(dāng)阱內(nèi)舷墻長度(l)為20 m或小于20 m時(shí)，A=0.7 + 0.035lm2；當(dāng)l超過20 m時(shí)，A=0.07lm2。在任何情況下，l值都不應(yīng)大于0.7 L。

如果舷墻平均高度大于1.2 m，則所需面積對每0.1 m高度差,按每米阱長增加0.004 m2。如果舷墻平均高度小于0.9 m，則所需面積對每0.1 m高度差，按每米阱長減少0.004 m2設(shè)計(jì)。

2)排水舷口的下邊緣應(yīng)盡可能接近甲板。所需排水舷口面積的2/3應(yīng)分布在阱內(nèi)最接近舷弧最低點(diǎn)的1/2長度范圍內(nèi)。所需排水舷口面積的1/3應(yīng)沿剩下的阱長平均分布。在舷弧為零或舷弧很小的露天干舷甲板或露天上層建筑甲板上，排水舷口面積應(yīng)沿阱長平均分布。

3)舷墻上所有排水舷口，應(yīng)使用間距約為230 mm的欄桿或鐵條保護(hù)。如排水舷口設(shè)有蓋板，則應(yīng)有足夠空隙以防堵塞。鉸鏈的銷子或軸承應(yīng)采用耐腐蝕材料。蓋板不應(yīng)裝設(shè)鎖緊裝置。

1.2 《艦艇裝置和系統(tǒng)》中相關(guān)規(guī)定

蘇聯(lián)《艦艇裝置和系統(tǒng)》設(shè)計(jì)規(guī)范：有舷墻的艦艇，當(dāng)強(qiáng)烈波浪時(shí)，落到上甲板上的水是通過安裝在舷墻上的舷部排水孔(露天排水孔)排出。露天排水孔的總面積不小于上甲板舷墻面積的10%，而艏樓甲板不小于5%。當(dāng)防護(hù)放射性沾染的水幕防護(hù)系統(tǒng)工作時(shí)，在上甲板和艏樓甲板上積聚大量的水。為了快速將這些水排出舷外，在上甲板上安裝尺寸大的槽型可拆排水孔，以便將沾染的水直接從上甲板排到舷外。也可避免內(nèi)部艙室被沾染。

1.3 規(guī)范內(nèi)容分析

根據(jù)各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的內(nèi)容，民船設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于排出因?yàn)橄蠅Χ鸬纳侠朔e水問題，有比較明確且操作性很強(qiáng)的詳細(xì)要求，蘇聯(lián)的艦船設(shè)計(jì)規(guī)范雖然內(nèi)容較為簡單寬泛，但仍有明確的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也可以量化計(jì)算。

2 排水舷口設(shè)置實(shí)例分析

國內(nèi)某型水面艦艇，其總體布置實(shí)際情況：船體采用長橋樓設(shè)計(jì)，艏部設(shè)置舷墻，為典型“阱”結(jié)構(gòu)。該處舷墻長度為21 m，舷墻高度為1 m，甲板面積約為140 m2，在大風(fēng)浪高速航行時(shí)統(tǒng)計(jì)出的實(shí)際上浪頻率大約為20 次/h。所需要設(shè)置排水舷口的最小面積，應(yīng)按照保證每次上浪后的水量能在下一次上浪前及時(shí)排除的原則設(shè)計(jì)。

GJB4000-2000《艦船通用規(guī)范》[12]關(guān)于設(shè)置舷墻引起甲板上浪后積水排出的內(nèi)容并無明確的描述。在實(shí)船設(shè)計(jì)上參考了甲板漏水口的設(shè)計(jì)排水流速，并結(jié)合實(shí)際上浪水量和上浪頻率預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)，最終估算出在舷墻上開設(shè)排水舷口的面積約為1.0 m2。

分別按照《1966年國際載重線公約》和《艦艇裝置和系統(tǒng)》的方法進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算內(nèi)容見表1。

表1 各計(jì)算方法的排水舷口面積取值

由表1可知，按照《1966年國際載重線公約》和《艦艇裝置和系統(tǒng)》計(jì)算，需要設(shè)置的排水舷口面積分別為1.47 m2和2.1 m2，兩種結(jié)果均大于1.0 m2，滿足實(shí)際使用需求。但從實(shí)際效果來說，顯然是開口面積越大，排水效果更好。但艦船的使命任務(wù)與一般民船存在很大差異，在設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮艦艇的隱身性。開口越大其隱身效果必然越差，且《1966年國際載重線公約》中也明確該公約適用的船舶種類中“不包含軍船在內(nèi)”。

為充分融合排水效果和隱身性能，排水舷口位置應(yīng)盡量按照長條形狀均勻布置在舷墻的底部最低處，并仍然需要考慮艦船的隱身性能?？梢越梃b法國海軍的“阿基坦”級護(hù)衛(wèi)艦排水舷口(見圖1)的隱身性設(shè)計(jì)，舷墻外部舷口位置處理成與艦艇該部位線型一致的遮蔽結(jié)構(gòu)。

圖1 法國海軍的“阿基坦”級護(hù)衛(wèi)艦排水舷口

3 結(jié)論

搜集整理了國內(nèi)主要的民船和國外艦艇設(shè)計(jì)規(guī)范中對甲板上浪的主要規(guī)定和設(shè)計(jì)要求等內(nèi)容。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)對排水舷口的設(shè)置無據(jù)可依，只能采取估算或者參考民船的設(shè)計(jì)規(guī)范，致使設(shè)計(jì)出的方案可能達(dá)不到最優(yōu)的設(shè)計(jì)效果。通過水面艦艇甲板上浪后排水問題解決方案探討，提出舷墻遮蔽的水面艦船開設(shè)排水舷口的相關(guān)建議，為今后相關(guān)規(guī)范內(nèi)容補(bǔ)充完善提供參考。