潜艇疏水系统发展趋势探讨

汪正清，陈小邹，王 楠，支 平

(1.武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉430064;2.中国船舶重工集团公司第七〇四研究所，上海200031)

0 引 言

疏水系统是潜艇重要的生命力保障系统，其主要功能是进行舱底疏水和应急疏水。

1)舱底疏水:在正常水下航行时，定期排除日常舱底积水，保证潜艇正常航行;

即负责完成对舱底少量积水进行收集、转移至污水舱储存，在极限深度内向舷外排放，以及内部液舱、围壁和发射管注、疏水等功能。

2)应急疏水:在战损或者海损时，应急排除异常舱底浸水，保证潜艇的不沉性。

在水下状态时，应急疏水条件比较复杂、多变。大深度时，需利用高压舱底泵排出浸水，以辅助提高潜艇正浮力和调整纵倾姿态;浅深度时，系统还可利用大排量主疏水泵或其它海水泵排出浸水。在水上状态时，应急疏水与水面舰船有着基本相同的抗沉性要求。因此，潜艇疏水系统实际上是兼具了全深度和大流量的工作特性，泵的扬程和管路承压能力需与舷外海水压力相匹配。而在受限的安装空间内，由于平台、动力、武备和辅机系统功能与物性高度集成，使得疏水系统设计较为复杂，同时，还要积极适应系统低噪声运行、油污水环保与隐蔽排放新技术需求。

文献［1］对国内舰船污水处理系统现状和问题进行了介绍，提出舱底污水分类处理模式和降低污水排放噪声要求，建议增设油污水处理功能，并使排污泵在额定点附近工作。文献［2］介绍了美国水面舰船“油污控制系统” (OPCS)，其采用了重力/离心分离和聚结工作原理，排放海域则限制在50 n mile 以外。文献［3］指出美国潜艇用类似装置采用重力分离工作原理，排放海域限制在12 n mile以外。实测舱底污水处理后的含油量20 ppm。对于污水舱汇聚的油、水，因其成份和浓度更复杂，处理后排放的浓度要高出很多。

1 系统原理

疏水系统的工作原理是:

1)在正常航行中，对每个隔舱舱底、特殊部位日常积水或内部液舱，采用舱底泵及其吸入管路、滤网进行收集和疏干，转运至污水舱暂存，油水分离处理或直排舷外;

2)在应急状态下，对隔舱(反应堆舱除外)浸水，采用舱底泵、主疏水泵，或借用其它系统的海水泵进行快速疏水;

3)在特定工况下，借用舱底泵为武器系统发射管注水或疏水作重量平衡，以及为均衡系统辅助调整中性浮力和纵倾姿态。

文献［4］对国外潜艇疏水系统的现状、演变，以及系统工作原理进行了较为详尽的阐述。

2 设计思想

2.1 满足总体性能与系统功能新要求

2.1.1 以日常舱底疏水为主

致使日常舱底积水的三类主要因素是:空气冷凝水、系统泄放水和油水泄漏。具体指的是基准面以下未包覆绝热材料的壳体，舱壁底层结构和海水管路、附件等表面温差产生的空气冷凝水;蒸汽动力和空气冷却器辅机系统泄放水;系统与设备密封连接处的油水泄漏等。目前，上述3 种因素导致的积水量大、排放频繁问题仍然是困扰潜艇使用的一大难题。对某型潜艇舱底积水量进行理论估算的结论是:

1)每天产生的舱底积水总量约为水下正常排水量▽↓的3‰，这对于1 台舱底泵的排量Qb是足够的。其中，空气冷凝水、系统泄放水和油水泄漏分别约占积水总量的27%、33%和40%;

2)对于独立密闭空间内的空气冷凝水，70%来源于舱底积水自由表面蒸发，它是空气与积水的循环水量;其余30%来源于人体呼吸、排汗和结构设备浸湿表面蒸发;

3)舱底积水总量估算值与实际值可能会有一定的偏差，预计应是生活人员超编、舱底违规排放，以及少量临时性冲洗排放等造成的;

4)计入舱底积水的最低数量难以在现役舰船上得到大幅减小;

5)从使用经验上看，主、辅机舱由于蒸汽动力和辅助设备较多，热环境复杂，积水量相对较大，是舱底疏干重点部位，其次才是工作居住保障的舱室。比较实用的设计是尽可能地保证作为疏干用途的泵组就地布置于该舱室。

现代潜艇以水下性能为主，舱底泵是全深度下排放舱底污水或意外浸水的唯一使用手段，也是大深度下辅助均衡备用手段和应急抗沉手段。欧美国家单壳体潜艇储备浮力10%～15%，没有水上沉性设计要求，未设置应急疏水系统，而是以舱底疏水系统为主，适当增大单台舱底泵的排量。美国“鲟鱼”级核潜艇正常排水量为4 140 t，仅有1 台高压离心泵进行疏水;英国最新型“机敏”级核潜艇正常排水量为6 700 t，采用了1 台高压双速舱底泵疏水，其在230 m 深度下的最大排水量为60 t/h;法国“阿哥斯塔”级常规潜艇正常排水量为1 490 t，干脆未设应急疏水系统，其活塞式舱底泵排量在潜望深度为40 m3/h，在极限深度为20 m3/h。

从总体趋势上看，我国潜艇未来应该会越来越重视日常舱底疏水功能，尤其是其声隐身性能的持续改进需要，污水分离装置应加紧进行技术储备。

高压舱底泵的扬程Pb原则上必须按照不低于极限深度He 工作要求进行设计，这与国内外众多工程经验是相符合的。舱底泵总排量ΣQbi(i = 1，2，3，…)设计的一般依据:一是潜艇正常排水量和舱底积水总量需要，二是极限深度下应急疏水需要，三是分布式布置和保障功能需要。电动往复柱塞式舱底泵排量Qb往往比较小，一般不超过20 m3/h。系统上必须按设计规范要求配置多台，采取分布式安装和集中式控制。大深度下数台舱底泵同时排水能力有限，在水下动力抗沉中的贡献不明显。尽管如此，潜艇水下正常排水量▽↓呈略有增长趋势，总排量ΣQbi技术指标不应减小。

2.1.2 兼顾水上应急疏水

二战早期常规潜艇下潜深度均较浅，应急疏水系统具备全深度工作能力是做得到的，疏干隔舱浸水时间一般要求水上状态1 h，水下状态(100 m)2 h。R 级潜艇正常排水量为1 320 t，它在C 级基础上，由单一总管改进为舱底疏水和应急疏水双总管设计，其应急疏水能力为:潜望深度为220 m3/h，125 m 深度为62 m3/h，极限深度为40 m3/h。

现代潜艇如果在大深度水下发生意外，艇体或通海管路产生进水，隔舱总浸水量从水上抗沉性简化计算的角度考虑为全淹没，而不是部分淹没并形成空气垫，以此对舱底泵在水下应急疏水抗沉设计上无法实现，抗沉效果也不明显。其次，次生灾害(高压海水雾化、电气线路短路等)难以控制，也不大具备可操性。鉴于双壳体潜艇上采用“大分舱制”设计思想，会使得海损条件下的应急疏水设计变得愈加困难。最终，还是必须坚持“浮、堵、疏”的损管工作原则，保证最低限度的堵漏和排干隔舱浸水。

俄罗斯和其他主要欧美国家一样，基本上放弃了水下应急疏水的苛刻要求，转而对水面状态应急疏水作出规定:主疏水泵排量约占总排量的70%～80%，连续工作时间为1 h;主疏水泵最大工作深度为120 m，再往深处，只有依靠舱底泵。

如此看来，在应急疏水任务使命仍然不变的约束下，我国目前仍然应该重视水上不沉性设计，设置相对独立的舱底疏水系统和应急疏水系统是合理的，对水面应急疏水系统的能力要求也不会轻易降低。它要求潜艇在安全上浮至水面后，疏水系统的功能与其它舰艇基本相同， 《舰船建造规范》要求设计排干时间为1.5～2 h。

隔舱应急疏水应遵循流量最大化的设计原则，总排量ΣQej(j = 1，2，3，…)在相应等级破损、堵漏后，排干净最大一个隔舱浸水的时间须满足规范要求，据此选择系统海水泵的配置与联合工作组合。在某些特殊工作深度，具有自吸功能的主疏水泵能对隔舱进行应急疏水，其扬程在泵串联时保证大于耐压隔壁强度。考虑到实际上一旦发生海损事故，只要有条件上浮，是不可能等到整舱浸水的，这一点与理论假设条件有很大出入。综合参照水面舰船现行设计规范和使用经验，提出应急疏水系统设计改进建议如下:

1)在相应等级破损且堵漏成功后，排干普通隔舱浸水的时间不大于2.5 h;

2)对于大容积隔舱，考虑应急疏水总排量ΣQej不小于该舱机电设备总体积ΣV 对应的海水重量ΣW，亦即不超过本隔舱总容积的25%。

鉴于在水面上设备正常工作的有利条件，建议适当增强与其它海水系统应急互备能力，以便使可调用的海水泵数量更多。

2.1.3 兼顾水下应急救生

遵循现行设计规范，尽量将若干台舱底泵分别布置于各救生舱，这多是出于抗沉救生方面的考虑。对本舱设闸救生疏水和邻近隔舱应急疏水，是作为战斗舰船生命力保障极为重要的措施。

国外潜艇通常习惯于设置若干个救生舱，并按照需要配备相应数量的水下脱险装置，如设闸逃生装置、快速上浮脱险装置以及集体漂浮救生舱。

1)在安装有设闸救生装置时，可利用其设闸室向艇内传递食品和淡水，这要求在极限深度内均能有效工作。舱底泵此时用于向舷外排放来自设闸室的进水。当设闸内容物占据空间较大时，向舱底排放的外来海水量估计不会大。

特殊情况下，如果设置设闸逃生装置的救生舱高度有限制，其顶部设闸室只能传递食品和淡水，人员需自主逃生时，事前须向整个舱注水形成气垫，舱底泵此时无法起作用。

2)在采用快速上浮脱险装置逃生时，其最大工作深度在国外一般不超过180 m。由于是单人式逃生，向舱底排放的水量和次数较多，该救生舱必须配置舱底泵，同时兼顾首舱鱼雷、导弹发射管内疏水的需要。为减少同类设备规格，提高通用性和互换性，宜设置全深度工作的舱底泵。通常该装置还具备设闸功能;

3)在中央指挥舱顶部设置多人集体漂浮救生舱，能大大提高自救脱险能力。这种干式逃生手段安全、高效和可靠，其邻近隔舱人员在应急时可向其集结。此时，若进水时有高压海水在隔舱内形成雾化的影响，以救人为先的原则，可以不考虑在本舱设置舱底泵对本舱或邻舱进行应急疏水。

或可换用其它隔舱布置舱底泵排出浸水。将舱底泵向尾移至邻近隔舱安装后，一来可以腾出空间用于本舱其它重要系统的优化布置，二来它可与均衡系统一起放置在近浮心位置布置，减少吸入管路长度，提高均衡流量性能，解决吸入管路气蚀问题。

2.2 着力实现舱底污水疏干高效能

我国目前多是尽可能针对一些无热绝缘的通海系统管路、附件表面，以及内部液舱平面舱壁裸露的表面采取空气冷凝水防护措施，对部分积水多的部位采用了可移动式污水泵汲水。电动往复式舱底泵即使能干吸、效率高，在水面舰船上也较少采用。舱底疏干采用具有一定自吸能力，且体积和重量较小的离心式泵组，在结构和效率上的优势是明显的。美国“鲟鱼”级核潜艇上配置5 台辅助疏干泵，俄罗斯某常规潜艇与R 级潜艇最大的不同就是，舱底疏水改为6 台小型疏干泵。在后续产品宜居环境设计中，我们认为防止舱底积水仍有优化改进的必要。

1)继续深入地推行“干舱底设计”理念，开展舱壁与管壁防凝水，舱底积水死区与通道等整体设计，从积水源头和疏排手段上综合加以改进;

2)系统须将原先“疏排一体、高低不分”单一设计，改为“疏排分离、噪声匹配”的分级设计。

主要方法是在每个隔舱采用低功率设计的小扬程(小于0.5 MPa)和小排量(1.5 m3/h)离心式疏干泵，将舱底污水进行收集和驳运至污水舱。离心式疏干泵专门用于增强舱底疏干效果，但并不负责向舷外排放，以尽量回避使用原先功率较大和振动、噪声难以控制的舱底泵。这一点与欧美国家和俄罗斯后续潜艇在每个隔舱各配置1 台小型离心疏干泵的设计经验是相符合的。但需注意的是，小型离心疏干泵对吸入管路的紧密性较为敏感，易由于空气进入而使其工作中断，应当尽量防止舱底杂物对支路隔离阀门密封面紧密性的破坏作用。

另外，文献［1］还提出了适当采取小扬程排污泵，以部分替代原大功率高压舱底泵排污，并降低排放噪声的建议，也是值得工程上考虑的设备配置方案。

3)在积水较多的主、辅机舱，设置低压疏干泵;

4)辅助配置少量1～2 台的可移动、便携式汲水装置。

2.3 适应声隐身疏水和污水洁净排放新趋势

2.3.1 声隐身疏水

对于高扬程舱底泵，仍要采用往复柱塞式泵组，需适当减小其体积和重量，降低设备自身振动、空气噪声，以及管路中流体介质的压力脉动向艇外传递，设备安装在集成双层或单层浮筏上。建议采用双速泵，与相应等级工作深度匹配，并兼顾浮力调整排水备用的需要。

2.3.2 舱底污水洁净排放

理论计算表明，对于以4～8 kn 低速航行的潜艇，在50～250 m 深度以内，油污上浮滞后距离理论上不超过300～3 000 m，这对于在150～300 m 低空以(300～500)km/h 速度飞行的反潜直升机来说，临空时间很短［5］。

表1 油污水排放滞后距离/mTab.1 OWW discharging lagged distance/m

因此，舱底污水低压浅深度排放和高压大深度排放污水对潜艇航迹隐身的意义不大，在非安全海域航行，白天和能见度良好时，严格禁止进行此类操作，采用污水洁净排放确有必要。

为满足码头海区环保和水下隐蔽航行需求，研究增设潜用小型化污水分离装置，可自然解决大深度下航迹可能暴露的问题。显然，如能做到航迹和噪声两类隐蔽式排放，则对系统排水速度也可不作过高要求。污水分离装置主要有利用油、水密度差原理的重力分离法和聚合分离法2 种类型。为增强分离效果，要在分离器中将污水加热，以加大油、水的密度差和油滴上浮速度，降低水的运动粘度ν (m2/s)和油滴上浮阻力。加热温度以40℃～60℃为宜，最高不应超过70℃，防止油滴高温破碎。采用超滤膜处理也是有效的［6］。

根据某潜艇的理论计算和实际调研，舱底积水量一般在10～20 m3/d。又据有关资料显示，污水含油浓度700～5 000 ppm 之间［7］(以实际测定值为准)。则污水分离装置的技术指标倾向于:污水处理量1.5～2 m3/h，排放油量为30 L/d，排放浓度为15 ppm (12 n mile 以内)和100 ppm (公海)。对于连续排污距离(L/nmile)可暂不作要求。

油污水分离设备复杂，维护麻烦，使用时有较多不便［8］。对于潜艇来产，该设备还面临着设备体体积小型化、重量轻型化和功耗合理化等难题需要进一步深入有效地研究和解决。

3 计算方法

3.1 应急疏水系统估算

作为应急疏水用泵的排量Qe和扬程Pe估算要求如下:

1)在水面状态下，排干工作时间T 应为排出“隔舱已浸水量Vj+ 艇体或管路破口处自由进水量(Q0× 堵漏工作时间T1)”的总时间;

式中:Qe为应急疏水泵的排量，m3/h;Q0为自由进水流量，m3/h;T为应急排干时间，h;T1为堵漏工作时间，h;Vj为隔舱已浸水量，m3;A为破口面积，A=0.785 × d2，m2;g为重力加速度，m/s2;Cq为流量系数，Cq=Cv×Cs;Cv为流速系数，取0.97;Cs为收缩系数，锐口取0.62，圆口取0.97;u0为进水流速，m/s;h 破口深度，m。

2)不考虑排水前、后的平均吃水变化和纵倾姿态，应急疏水泵的扬程Pe主要考虑克服“舷外浅水背压压差Δh+进、出口管路阻力损失R1”。

3.2 舱底疏水系统估算

主要计算内容是验算系统中最不利点疏水管路阻力损失R2与舱底泵扬程Pb的匹配性。

3.3 隔舱进水流量修正公式

考虑隔舱是否进行供气顶压两种情况。

1)隔舱无压时，进水流量修正公式［9］:

式中:Q1为进水流量，m3/h;H1为破口深度，m;u1为进水流速，m/s。

2)隔舱有压时，进水流量修正公式:

式中:Q2为进水流量，m3/h;H2为破口深度，m;u2为进水流速，m/s;Pc为隔舱反压，，Pa;P1为人工反压，Pa;Vc为隔舱净容，m3;ρw为海水密度，kg/m3。

4 结 语

本文通过阐述潜艇疏水系统总体需求和功能要求，力图较为全面地论述系统设计原则、配置标准和计算方法，并对声隐身疏水和洁净排放2个重点发展方向进行了探讨。归纳起来的主要结论有:

1)采取“以日常舱底疏水为主、兼顾水上应急疏水和水下应急救生”的设计原则，符合未来作战使用和技术发展总体趋势。相关设计规范、标准，以及计算方法需进行适应性修订;

2)积极推动和落实“疏排分离、噪声匹配”的分级设计具有强烈的现实意义，技术上可行;

3)开展声隐身疏水和洁净排放技术的深入研究，可使得潜艇疏水系统重新焕发生机;

4)疏水系统与其他海水系统集成互联互通，实现多泵异地协同疏水，可以增强系统活力。

［1］秦子明，汪正清，王晓东，等.舰船生活水处理系统现状与展望［J］.舰船科学技术，2013，35(3):5－10.QIN Zi-ming，WANG Zheng-qing，WANG Xiao-dong，et al.Status and outlook of living water processing system on naval vessels［J］.Ship Science and Technology，2013，35(3):5－10.

［2］吴始栋.环境友好舰船及其废物处理技术的进展［J］.舰船科学技术，2005，27(6):99－104.WU Shi-dong.The environmentally friendly ship and progress of its waste treatment techn iques［J］.Ship Science and Technology，2005，27(6):99－104.

［3］United States Environmental Protection Agency，Uniform national discharge standards for vessels of the armed forces.http://unds.bah.com.2011.11.6.

［4］王楠，余栋高，汪国祥，等.潜艇疏水系统分析研究［J］.舰船科学技术，2004，26(S):33－36.WANG Nan，YU Dong-gao，WANG Guo-xiang，et al.The analysis on the drain system in submarine［J］.Ship Science and Technology，2004，26(S):33－36.

［5］众勰.潜艇基础知识［M］.北京:国防工业出版社，1985.

［6］韩小波，徐筱欣，董玉海，等.船舶舱底含油污水分离试验研究［J］.造船技术，2008，3(283):30－32.

［7］姚齐国.旋流技术在船舶油污水分离中的应用［J］.佳木斯大学学报:自然科学版，2008，26(6):770－772.

［8］李国祥，许乐平，尹衍升.船舶含油污水处理新技术探讨［J］.中国水运，2012，12(4):123－124.

［9］K.吉克，R.吉克［德］.技术公式手册［M］.北京:科学出版社，2000:N7.