舰船水幕系统设计方法研究

万新斌，于姝雯

(中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011)

0 引 言

舰船为满足使命任务需求，一般均设置水幕系统以防护核、生物和化学等武器的袭击，保护舰船和人员的安全。

一般水幕系统具有水幕防护和洗消功能，有些舰船还需另外配置红外降温系统，同时设置泡沫灭火系统，造成管路、喷头众多，系统布置繁复。本文提出舰船水幕系统设计方法，将水幕系统与红外降温系统、泡沫灭火系统共管设计，使得1 套水幕系统同时具备多种水幕功能，提高舰船集成优化程度，降低管路布置难度，减少系统重量。

1 水幕系统设计

1.1 水幕系统耗水量计算

根据相关规范标准并参照有关试验数据，确定全舰水幕防护、水幕洗消、红外降温和泡沫灭火4 种工况下的水幕（消防水、洗消液或泡沫液）喷洒强度，如水幕防护和洗消工况下的喷洒强度[1]为：甲板平面I 类区6 L/min·m2；甲板平面II 类区2 L/min·m2；上层建筑前壁15 L/min·m；上层建筑侧壁10 L/min·m；上层建筑后壁8 L/min·m。泡沫工的喷洒强度为4.1 L/min·m2。

根据全舰布置情况，得出不同类型甲板的面积和上层建筑外壁周边长。按规定的喷洒强度，计算出露天甲板平面及上层建筑外壁在各工况下的耗水量。

为满足水幕、洗消和红外降温工况的不同需求，取各工况的最大耗水量作为各区域的耗水量需求值。由于泡沫灭火工况时，其他区域（如侧壁和上建等）的水幕系统不工作，可通过设置水幕及泡沫两用喷头以满足不同的流量特性需求，实现系统的共管设计。

1.2 水幕系统喷水量的设计

根据不同舰船露天甲板和上层建筑的结构形式，选取相应型式的水幕喷头，通常采用的水幕喷头型式有360°水平面喷头、90°仰角喷头、壁式喷头等。喷头的型式、数量及布置的位置，需满足全舰露天甲板、上层建筑侧壁的水幕全覆盖和喷洒强度要求。

为便于布置和调整，每种喷头应采取尽量少的流量、喷射半径和压力设计点，一般不多于3 个。通过对全舰露天甲板和上层建筑壁面的喷头布置，可得出水幕系统的设计喷水量。并对全舰消防泵进行配置设计，确定其数量、额定流量和扬程。

1.3 水幕系统分区设计

根据全舰消防泵的数量、消防总管的布置情况，以及露天甲板和上层建筑的布置情况，可对全舰的水幕区域进行分区设计，以实现水幕系统的分区供水和独立控制。

分区划分应使得每个区域的喷头尽量集中布置、喷水量尽可能均衡，一般每个区的供水量控制在150～250 m3/h，同时要便于洗消液制备装置和泡沫比例混合装置向各个分区供应喷射液。每台消防泵均向消防总管供水，由消防总管向各水幕分区供水。

1.4 水幕分区管路设计

各水幕分区采用分层、分区输送喷射液的方式，消防水由消防总管接入各水幕分区主管，混合后形成相应喷射液，通过支管送至各层水幕分区，各层水幕分区输送管再通过支管分配喷射液至每个喷头，每个支管上的喷头设计压力尽量相同。

将横向、纵向布置的喷头进行分段，喷射液从主管向每段支管供水，为保证喷头末端压力、流量均衡，喷头均布在支管两边（横向喷头布置形式见图1）。

图 1 管路连接形式Fig. 1 The pipe connection pattern

2 水幕系统阻力计算

采用流体阻力计算软件如Flowmaster，Pipenet，Flunet（本文案例中采用Flowmaster）对全舰水幕洗系统进行阻力计算建模，主要是对消防泵、管路、阀件（截止阀、止回阀、蝶阀）、各种弯头和三通进行建模并设置其特性参数，采用软件内阀门、管路、弯头等元件等效系统实际结构，以使模型最大程度接近实际系统，保证阻力计算的准确性[24]。

建模过程中，需定义消防泵的扬程-流量特性曲线（见图2）以及各类喷头的压力-流量特性曲线（见图3）。

图 2 消防泵扬程流量曲线Fig. 2 The head curve of the fire pump

图 3 360°喷头流量曲线Fig. 3 The flow curve of the 360-degree sprayer

水幕系统末端（喷头）建模如图4 所示。

利用不可压缩流体稳态阻力计算方法对水幕系统进行阻力计算得出各消防泵和水幕分区的工作流量、水幕喷头的工作压力等。

3 水幕系统优化设计

以满足消防泵不超过额定流量，各支管流量不低于设计流量、不超过设计流量10%，水幕喷头压力不低于设计压力、不高于雾化压力等条件为优化目标，对水幕系统进行优化调整。

图 4 水幕系统末端模型Fig. 4 The partial pipe model of the terminal of the water curtain system

主要的优化措施有：调整水幕分区设置、调整管路直径和设置阻力调节装置（节流孔板、压力调节阀、流量调节阀）等，以实现水幕系统的优化设计。

4 水幕系统设计实船案例

采用本文水幕系统设计方法，对某舰的水幕系统进行设计和优化。

4.1 水幕系统耗水量计算

通过对全舰露天甲板面积和上层建筑外壁的各个工况的需水量进行核算，确定某舰水幕系统需水量为2 522 m3/h，泡沫灭火工况的耗水量为1 510 m3/h。

4.2 水幕系统设计喷水量

在1 甲板平面布置360°喷头，在水幕防护、红外降温、洗消工况时，喷头的工作压力为0.25 MPa、设计流量为9 m3/h；在泡沫工况时，喷头工作压力为0.5 MPa、设计流量为12 m3/h；其余壁式喷头和90°平面仰角喷头的设计工作压力均为0.5 MPa，流量为5～10.1 m3/h。

各个区域的设计流量及需水量对比情况如表1 所示，各区域设计流量均大于耗水量。

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

4.3 水幕系统分区设计

将全舰甲板平面和壁面划分为16 个水幕分区，共配置7 台消防泵，每台流量为400 m3/h。将16 个分区划分为前区和后区，水幕系统工作时，3 台消防泵向前区的水幕分区供水，前区需水量为1 058 m3/h，消防泵供水量为1 200 m3/h。

另外4 台消防泵向后区的水幕分区供水，需水量为1 464 m3/h，消防泵供水量为1 600 m3/h。

泡沫灭火工况时由4 台消防泵供水，总量为1 600 m3。

4.4 阻力计算结果分析

1）消防泵流量计算结果

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

水幕系统工作时每台消防泵流量（最小值为467 m3/h）均大于其额定流量15%左右，流量过大容易引起消防泵电机过载。

2）水幕分区流量计算结果

图 6 #1～#9 水幕分区工作流量Fig. 6 The actual working flow from the 1st to the 9th partition

由于系统阻力不平衡度大，使得#1～#9 水幕分区为供水量远超过设计流量35%～41%。而#10～#16 水幕分区因相对位置较高，其总流量在设计流量附近，其中12#水幕分区供水量小于设计流量，达不到设计要求。

3）水幕喷头压力计算结果

#1～#3、#5～#9、#11 分区大多喷头工作压力均高于正常工作压力（0.25 MPa），基本在0.65 MPa 以上，部分接近雾化压力（0.8 MPa）；#4、#10、#12～#16 分区部分喷头压力不足，低于设计压力。

本文仅示出1 甲板#1 分区和上层建筑#12 水幕分区的喷头压力。

图 7 #10～#16 水幕分区工作流量Fig. 7 The actual working flow from the 10st to the 16th partition

图 8 #1 水幕分区各喷头工作压力Fig. 8 The actual working pressure of the sprayers located in the 1st partition

图 9 #12 水幕分区各喷头工作压力Fig. 9 The actual working pressure of the sprayers located in the 12th partition

4.5 水幕系统优化设计

针对上述阻力计算结果中发现的问题，采用调整管子通径和在各水幕分区总管上设置节流孔板的方法，对水幕系统进行优化设计。

将压力偏小（或偏大）的喷头供水管径适当增大（或减小），可以有效起到调整末端喷头压力，平衡水幕分区流量的作用。

在各水幕分区前面增加节流孔板以调整各水幕分区的流量和各喷头的出口压力。节流孔板的型式分为单板或多板、单孔或多孔节流孔板[1,5]。根据本舰水幕系统特点，经过多次优化计算，最终确定每个水幕分区的孔板孔径和孔数如表2 所示。

表 2 节流孔板参数Tab. 2 The parameters of the restriction orifices

4.6 优化前后结果对比分析

1）消防泵流量计算结果

优化后水幕系统中各消防泵的工作流量均降至额定流量附近，且各泵流量均衡，最大偏差为1.4%。

图 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）水幕分区流量计算结果

优化后，各水幕分区流量有了较大的改善，均在设计流量值以上，且有适当的余量，#1～#9 水幕分区优化前后流量对比如图11 所示。

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

3）水幕喷头压力计算结果

优化后，各甲板水幕喷头工作压力趋于均衡，均在工作压力之上，远离雾化临界压力，满足喷头的使用及设计要求。

其中#1、#12 水幕分区的喷头压力优化前后对比情况如图12 和图13 所示。

图 12 #1 水幕分区喷头优化前后工作压力Fig. 12 The comparison of the actual working pressure of the sprayers located in the 1st partition before and after optimization

图 13 #12 水幕分区喷头优化前后工作压力Fig. 13 The comparison of the actual working pressure of the sprayers located in the 12th partition before and after optimization

5 结 语

本文提出舰船水幕系统优化设计方法，并以某舰水幕系统为例，进行了共管、分区设计，使得水幕系统可兼具水幕防护、水幕洗消、红外降温及泡沫灭火等功能，避免管路和喷头的重复配置，实现了该系统的集成化设计。

后续还进行了水幕系统典型区域验证试验，试验结果与计算结果误差在工程允许范围之内。在实船应用过程中，采用节流孔板进行流量调节的方式也可以用流量调节阀或压力调节阀替代。