艦船水幕系統設計方法研究

萬新斌，于姝雯

(中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

0 引 言

艦船為滿足使命任務需求，一般均設置水幕系統以防護核、生物和化學等武器的襲擊，保護艦船和人員的安全。

一般水幕系統具有水幕防護和洗消功能，有些艦船還需另外配置紅外降溫系統，同時設置泡沫滅火系統，造成管路、噴頭眾多，系統布置繁復。本文提出艦船水幕系統設計方法，將水幕系統與紅外降溫系統、泡沫滅火系統共管設計，使得1 套水幕系統同時具備多種水幕功能，提高艦船集成優化程度，降低管路布置難度，減少系統重量。

1 水幕系統設計

1.1 水幕系統耗水量計算

根據相關規范標準并參照有關試驗數據，確定全艦水幕防護、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）噴灑強度，如水幕防護和洗消工況下的噴灑強度[1]為：甲板平面I 類區6 L/min·m2；甲板平面II 類區2 L/min·m2；上層建筑前壁15 L/min·m；上層建筑側壁10 L/min·m；上層建筑后壁8 L/min·m。泡沫工的噴灑強度為4.1 L/min·m2。

根據全艦布置情況，得出不同類型甲板的面積和上層建筑外壁周邊長。按規定的噴灑強度，計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域的耗水量需求值。由于泡沫滅火工況時，其他區域（如側壁和上建等）的水幕系統不工作，可通過設置水幕及泡沫兩用噴頭以滿足不同的流量特性需求，實現系統的共管設計。

1.2 水幕系統噴水量的設計

根據不同艦船露天甲板和上層建筑的結構形式，選取相應型式的水幕噴頭，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、數量及布置的位置，需滿足全艦露天甲板、上層建筑側壁的水幕全覆蓋和噴灑強度要求。

為便于布置和調整，每種噴頭應采取盡量少的流量、噴射半徑和壓力設計點，一般不多于3 個。通過對全艦露天甲板和上層建筑壁面的噴頭布置，可得出水幕系統的設計噴水量。并對全艦消防泵進行配置設計，確定其數量、額定流量和揚程。

1.3 水幕系統分區設計

根據全艦消防泵的數量、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，可對全艦的水幕區域進行分區設計，以實現水幕系統的分區供水和獨立控制。

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

1.4 水幕分區管路設計

各水幕分區采用分層、分區輸送噴射液的方式，消防水由消防總管接入各水幕分區主管，混合后形成相應噴射液，通過支管送至各層水幕分區，各層水幕分區輸送管再通過支管分配噴射液至每個噴頭，每個支管上的噴頭設計壓力盡量相同。

將橫向、縱向布置的噴頭進行分段，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 水幕系統阻力計算

采用流體阻力計算軟件如Flowmaster，Pipenet，Flunet（本文案例中采用Flowmaster）對全艦水幕洗系統進行阻力計算建模，主要是對消防泵、管路、閥件（截止閥、止回閥、蝶閥）、各種彎頭和三通進行建模并設置其特性參數，采用軟件內閥門、管路、彎頭等元件等效系統實際結構，以使模型最大程度接近實際系統，保證阻力計算的準確性[24]。

建模過程中，需定義消防泵的揚程-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

水幕系統末端（噴頭）建模如圖4 所示。

利用不可壓縮流體穩態阻力計算方法對水幕系統進行阻力計算得出各消防泵和水幕分區的工作流量、水幕噴頭的工作壓力等。

3 水幕系統優化設計

以滿足消防泵不超過額定流量，各支管流量不低于設計流量、不超過設計流量10%，水幕噴頭壓力不低于設計壓力、不高于霧化壓力等條件為優化目標，對水幕系統進行優化調整。

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

主要的優化措施有：調整水幕分區設置、調整管路直徑和設置阻力調節裝置（節流孔板、壓力調節閥、流量調節閥）等，以實現水幕系統的優化設計。

4 水幕系統設計實船案例

采用本文水幕系統設計方法，對某艦的水幕系統進行設計和優化。

4.1 水幕系統耗水量計算

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

4.2 水幕系統設計噴水量

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

各個區域的設計流量及需水量對比情況如表1 所示，各區域設計流量均大于耗水量。

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 水幕系統分區設計

將全艦甲板平面和壁面劃分為16 個水幕分區，共配置7 臺消防泵，每臺流量為400 m3/h。將16 個分區劃分為前區和后區，水幕系統工作時，3 臺消防泵向前區的水幕分區供水，前區需水量為1 058 m3/h，消防泵供水量為1 200 m3/h。

另外4 臺消防泵向后區的水幕分區供水，需水量為1 464 m3/h，消防泵供水量為1 600 m3/h。

泡沫滅火工況時由4 臺消防泵供水，總量為1 600 m3。

4.4 阻力計算結果分析

1）消防泵流量計算結果

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

水幕系統工作時每臺消防泵流量（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過載。

2）水幕分區流量計算結果

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

由于系統阻力不平衡度大，使得#1～#9 水幕分區為供水量遠超過設計流量35%～41%。而#10～#16 水幕分區因相對位置較高，其總流量在設計流量附近，其中12#水幕分區供水量小于設計流量，達不到設計要求。

3）水幕噴頭壓力計算結果

#1～#3、#5～#9、#11 分區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 分區部分噴頭壓力不足，低于設計壓力。

本文僅示出1 甲板#1 分區和上層建筑#12 水幕分區的噴頭壓力。

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

圖 8 #1 水幕分區各噴頭工作壓力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 水幕系統優化設計

針對上述阻力計算結果中發現的問題，采用調整管子通徑和在各水幕分區總管上設置節流孔板的方法，對水幕系統進行優化設計。

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

在各水幕分區前面增加節流孔板以調整各水幕分區的流量和各噴頭的出口壓力。節流孔板的型式分為單板或多板、單孔或多孔節流孔板[1,5]。根據本艦水幕系統特點，經過多次優化計算，最終確定每個水幕分區的孔板孔徑和孔數如表2 所示。

表 2 節流孔板參數Tab. 2 The parameters of the restriction orifices

4.6 優化前后結果對比分析

1）消防泵流量計算結果

優化后水幕系統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）水幕分區流量計算結果

優化后，各水幕分區流量有了較大的改善，均在設計流量值以上，且有適當的余量，#1～#9 水幕分區優化前后流量對比如圖11 所示。

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

3）水幕噴頭壓力計算結果

優化后，各甲板水幕噴頭工作壓力趨于均衡，均在工作壓力之上，遠離霧化臨界壓力，滿足噴頭的使用及設計要求。

其中#1、#12 水幕分區的噴頭壓力優化前后對比情況如圖12 和圖13 所示。

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

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

5 結 語

本文提出艦船水幕系統優化設計方法，并以某艦水幕系統為例，進行了共管、分區設計，使得水幕系統可兼具水幕防護、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配置，實現了該系統的集成化設計。

后續還進行了水幕系統典型區域驗證試驗，試驗結果與計算結果誤差在工程允許范圍之內。在實船應用過程中，采用節流孔板進行流量調節的方式也可以用流量調節閥或壓力調節閥替代。