新型艏部露天甲板防雨风口设计形式研究

魏文俊，陆雅楠

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

0 引 言

舱室通风系统主要用于实现非空调舱室的换气通风和部分空调区域的机械送风（或排风），为舱室和设备提供换气或散热等服务；空调系统主要用于实现空气处理，为舱室提供具有一定温度、湿度和清洁度的空气。通风系统和空调系统的送风（或排风）装置均通过风管和舱面的通风口与露天环境连接。参照GJB 4000—2000《舰船通用规范》［1］对露天通风口的一般要求，应为舱室通风系统的露天进风口和排风口采取防止海浪、雨水和杂物进入风管的措施。由此可知，位于露天环境中的通风口应具有一定的防海浪和雨水侵袭的作用，设计人员在对此类通风口进行选型时，尤其是在船首这类在船舶航行过程中易上浪的区域，往往采用鹅颈式通风筒（或菌型通风筒）。本文所述露天通风口采用通风围井、箱式可闭防雨风口、水密蝶阀和泄水管相结合的形式：用通风围井和箱式可闭防雨风口取代鹅颈式通风筒；将水密蝶阀与泄水管相结合，进一步防止舱室在雨水、上浪或大风浪环境下出现渗水的情况。

综上所述，本文主要针对通风系统和空调系统中的露天通风口提出一种新的通风口形式，并对其在某工作船上的实际使用情况进行介绍，分析其与常规通风口形式的区别和优缺点，为艏部露天甲板的通风口设计提供一种新的思路。

1 2 种通风口形式概述

1.1 常规通风口形式

一般船舶的通风系统和空调系统为防止送风（或排风）装置与露天环境接通时有海浪、雨水和杂物进入其中，其通风口往往采用鹅颈式通风筒或菌型通风筒设计，见图1。通风筒的布置将“尽量贴近舷侧，不影响人员通行”作为准则之一。

图1 一般船舶采用的通风口形式

该形式通风筒与风管的连接形式一般分为以下3 种：

1）通风筒与钢制风管在甲板面两侧对接焊；

2）通风筒延伸至甲板面下方，与钢制风管采用法兰连接；

3）通风筒与甲板面对接焊，甲板下采用通风围井形式，钢制风管与通风围井焊接。

受通风筒的安装位置、钢制风管的安装空间和施工可行性等因素的影响，在不同的安装情况和施工环境下采取不同的连接形式。在此，忽略安装空间和施工可行性等因素的影响，假设上述3 种连接形式的安装结果相同，鹅颈式通风筒与菌型通风筒的安装形式和安装结果也相同，不再对通风筒的形式与风管的连接形式做区分论述。如图1b所示，该形式通风筒与风管的连接形式仅为在甲板面两侧对接焊。

1.2 本文所述通风口形式

本文所述露天甲板的通风口形式是将1.1 节所述常规通风筒形式改为通风围井结合箱式可闭防雨风口的形式，见图2。

图2 本文所述通风口形式

该通风口形式更贴近舷侧结构，基本上不影响人员通行。该形式通风口与风管的连接形式：通风口和钢制风管分别与通风围井连接，由通风围井作为连接钢制风管与露天甲板通风口的媒介。

1.3 本文所述通风口形式详解

1.3.1 各要素分析

1）通风围井作为钢制风管与箱式可闭风口的中间连接件，其作用与风管相同。因此，通风围井不参与结构强度，只需确保其装焊之后的焊缝质量满足气密性要求即可。通风围井的外形尺寸主要由舷侧的船体结构型式、尺寸和钢制风管的尺寸等因素确定。图3 为通风围井及其开孔。

图3 通风围井及其开孔

（1）如图3b所示，借助甲板反顶的横向结构确定通风围井在纵向的间距，并将其作为通风围井在纵向的面板的一部分。

（2）如图3a 所示，H由钢制风管的安装高度决定，以满足风管安装要求为主。W1和W2由甲板面的开孔尺寸和位置决定，其中：甲板面的开孔尺寸由风管尺寸决定；开孔位置的选取以不破坏舷侧球扁钢结构为原则。

（3）在确定甲板反顶的通风围井尺寸和甲板面的开孔尺寸之后，甲板上方的通风围井只需覆盖甲板开孔即可，其余面板与舷墙保持在同一平面上。

（4）在满足《经1988 年议定书修订的1966 年国际船舶载重线公约》（后文简称《国际载重线公约》）［2］和《国际海上人命安全公约》（International Convention for Safety of Life at Sea，简称SOLAS公约）对干舷甲板和上层建筑甲板的各种开口的高度的要求之后，即可确定甲板上方的通风围井的开孔高度h。

2）钢制风管与通风围井的连接形式主要有3 种，即：与通风围井对接焊；配复板延伸至通风围井内部；在通风围井内部加装导流管。［3］这3 种连接形式分别是从施焊空间、误差调整、导流和管道阻力损失等不同角度考虑得到的。本文仅对露天通风口的形式进行介绍，因此假设这3 种风管连接形式的管道阻力损失相同，不做区分论述。

3）箱式可闭防雨风口由本体、雨水分离装置、密闭盖、手柄（或手轮）、不锈钢丝网（或防火网）和重磅板等组成，见图4。箱式可闭防雨风口能防止风雨进入风口所处的通风管道内部；当海浪拍击风口时，本体内的水能迅速流出，水密盖关闭之后不得有水进入风口所处的通风管道内部，保证通风管道与外界水密隔断；雨水分离效果大于90%，并满足一定的通风效果要求。箱式可闭防雨风口的雨水分离效果受内部叶片的折弯形式、角度和转向，以及本体的形式、与风雨和上浪的角度等因素的影响。同理，因本文的研究对象仅为露天通风口形式，故假设上述几种情况下的雨水分离效果相同，均满足大于90%。

图4 箱式可闭风口示意图

4）考虑到风雨天气、艏部上浪等环境因素，以及箱式可闭风口并非水密的特点，通风围井内部仍会少量进水。因此，在通风围井底部设置泄水管，使其不会存在大量积水，不会产生积水无法排出和积水从钢制风管进入工作舱室的风险。此外，考虑到在暴雨环境、大风浪海况下艏部上浪严重，船员需暂时关闭露天甲板的通风口的情况，在通风围井外界的第一根钢制风管上加装水密蝶阀（见图5），可将其作为第二道关闭措施，具有使船员在恶劣环境下避免外出引起风险，便于船员在工作舱室内及时关闭水密蝶阀，以及节省船员达到操作位置的时间等优点。对于与水密蝶阀外接的第一根钢制风管，采用局部抬高的设计思路，进一步降低因恶劣环境下进水量大、泄水管排水速度有限和船员关闭水密蝶阀不及时导致雨水通过钢制风管进入舱室的风险。

图5 泄水管和水密蝶阀示意图

1.3.2 应用案例

以某工作船（以下称为“目标船”）的某路风管为例，工作舱室内新风管的规格为280 mm ×120 mm。参考目标船舷侧的结构型式（见图6），甲板舷侧的T型材间距为1 000 mm，钢制风管的宽度仅为280 mm，通风围井在纵向的面板间距可取1 000 mm。根据钢制风管的安装高度和施工可行性，通风围井的高度可取500 mm。将围井面板与T型材焊接，并对结构焊角进行补孔，确保通风围井的气密性满足要求。

图6 目标船的通风围井

通风围井在甲板面上的开孔尺寸按钢制风管的规格选择，如图3b所示，风管宽度a =280 mm，风管高度b=120 mm。然而，考虑到甲板面上方的通风围井面板尽可能地靠近舷墙布置，以减小通风围井的纵向尺寸，需对a和b的尺寸做适当调整，按流量当量直径确定其等效直径，按水利粗糙管［4］推导得到

式（1）中：DL为流量当量直径，mm；a为风管宽度，mm；b为风管高度，mm。

将a=280 mm和b=120 mm代入式（1），可得DL≈180.57 mm。另外，根据《实用供热空调设计手册》，在某些公共建筑的空调安装工程中，受层高和吊顶高度的制约，无法采用矩形风管统一的标准尺寸，不得不尽量减小矩形断面的高度，为满足这种要求，取其最大的长边与短边之比为4［5］。因此，当尽可能减小风管高度b时，满足a与b之比不超过4。根据式（1）反推得到甲板开孔尺寸换算结果见表1。

表1 甲板开孔尺寸换算结果

由表1 可知，甲板开孔的尺寸不小于350 mm×100 mm即可，考虑到甲板开孔应带倒角的原则，取甲板开孔为腰圆孔，尺寸为Ø100 mm×350 mm。

如图6b 所示，将甲板开孔边缘与球扁钢的间距，以及通风围井的面板与甲板开孔边缘的间距定为15 mm，此时通风围井的纵向尺寸为最小尺寸。可在满足风道流通面积和阻力要求的情况下，使甲板上方的通风围井更贴近舷侧，进而节省空间。同理，由厂商根据箱式可闭防雨风口的有效通风面积计算，将目标船的箱式可闭防雨风口的规格定为500 mm×350 mm。参考目标船的甲板落水系统，在通风围井底部设置一根型号为DN32 的泄水管，用于防止通风围井内部产生少量积水。在与通风围井连接的钢制风管上增设水密蝶阀，对与其连接的钢制风管做局部抬高处理，作为恶劣海况下的进一步防水措施。最后，经该船船东认可，将此处的水密蝶阀制作成遥控蝶阀，便于船员更快捷地操作（见图7）。

图7 目标船通风口三维模型和现场实物

2 2 种设计形式对比

2.1 常规通风口形式的优缺点

以往的船舶采用通风筒与钢制风管连接的形式，其主要优点如下：

1）通风筒与钢制风管的装焊形式简单，只要考虑施焊空间即可；

2）通风筒规格的选择空间较大，不受工作舱室内钢制风管规格的影响。

该形式的缺点也比较明显，例如：

1）考虑到施焊空间和施工可行性问题，通风筒的位置不能完全贴近舷墙结构，当通风筒规格较大时，会在一定程度上影响人员通行的空间，靠近舷侧外板开孔的位置也影响人员使用缆绳的空间；

2）当外界气候环境恶劣，因风雨天气、艏部上浪等环境因素导致钢制风管内少量进水时，若没有采取有效的泄水措施，会引发积水锈蚀钢制风管或积水进入工作舱室的风险。

2.2 本文所述通风口的优缺点

目标船的露天通风口采用通风围井、箱式可闭防雨风口、泄水管和水密蝶阀相结合的形式，该形式的主要优点如下：

1）合理利用甲板面上方的舷墙结构，采用通风围井的形式，能在一定程度上节省舷侧的人员通行空间，在船舶营运过程中，该通风口形式不会影响人员使用缆绳的空间。

2）甲板反顶采用通风围井的形式，装焊更方便。同时，不用考虑钢制风管的施焊空间和安装问题等。

3）通风围井底部可设置泄水管，对产生的积水进行排泄。

4）可在通风围井外界的钢制风管上设置水密蝶阀，便于船员在恶劣海况下从舱室内部关闭，降低外出关闭阀门产生的风险。

5）当露天甲板的箱式可闭防雨风口没有及时关闭时，通过通风围井底部的泄水管、舱室内部的水密蝶阀和局部抬高的钢制风管，可降低工作舱室进水的风险。

该形式也存在一定的缺点，例如：

1）当考虑甲板上方通风围井的尺寸时，围井壁与舷墙的间距取决于甲板面的开孔尺寸和位置，而开孔尺寸由钢制风管的尺寸决定，布置位置受甲板反顶结构件位置的限制。对于规格较大的钢制风管而言，不宜采用该设计形式。

2）在装焊通风围井过程中，最后一块面板只能采取单面焊的形式，通过钢制风管在围井面板上的开孔，只能对围井内部的局部空间进行涂装修补。

3）箱式防雨风口的雨水分离效果约为90%，排除极端恶劣的气候环境，其防雨能力弱于常规通风筒。

2.3 2 种设计形式对比

通过对目标船采用的设计形式的优缺点进行分析，并对比2 种设计形式（见表2）可知，相比常规的通风筒形式，目标船采用的通风口形式在结构紧凑性、安装性、美观性和泄水措施等方面具有一定优势。

表2 2 种设计形式的对比

3 结 语

通风系统和空调系统的送风（或排风）装置均通过风管和舱面的通风口与露天环境连接，因此露天环境的进风口和排风口应有防止海浪、雨水和杂物进入风管内的有效防护措施。相比采用鹅颈式通风筒和菌型通风筒的设计形式，在舷侧采用通风围井、箱式可闭防雨风口、泄水管和水密蝶阀相结合的形式，只需通风围井的尺寸、甲板开孔和箱式可闭防雨风口的有效通风面积满足工作舱室对送风（或排风）的需求，箱式可闭防雨风口的开孔高度满足《国际载重线公约》和SOLAS的安全准则即可。通过采用上述设计形式，可达到露天甲板的通风口结构形式紧凑、通风围井可泄水、舱室内部可关闭、工作舱室进水的风险下降和美观性提升等目的，从而为艏部露天甲板的通风口设计提供一种新的思路。同时，通过对甲板面开孔位置和舷侧结构强度进行计算分析，为后续进一步优化上述设计形式提供了一个方向。