打造无畏的心脏1905年10月2日,皇家海军划时代的“无畏”号战列舰公开下水,震惊了全球海军,作为第一艘“全装重型主炮”(All Big Gun)的战列舰,“无畏”号的出现开启了“无畏舰”时代的来临,从此“全装重型主炮”的战列舰,被统称为“无畏舰”,而在此之前的战列舰,则被称为“前无畏舰”。
与引人瞩目的“全装重型主炮”的武备设计一样,“无畏”号战列舰在动力设计上同样是划时代的,在“无畏”号上,蒸汽轮机第一次作为战列舰的动力主机出现,从此成为了战列舰动力的主流,不过,战列舰汽轮机动力的发展,并非像“全装重型主炮”概念那样迅速一统天下,而是经历了相当曲折的过程。
“无畏”号与直结式汽轮机汽轮机的历史,并不比往复式蒸汽机晚,甚至早在公元一世纪,亚历山大里亚的希律就记载了一种后来被称为“希律的引擎”的反动式(反作用)汽轮机的雏形,1551年,奥斯曼埃及学者塔奇.阿尔丁介绍了一种蒸汽涡轮驱动的旋转烤架,17世纪,传教士费迪南德.韦伯斯特(南怀仁)曾经设想过一种用蒸汽涡轮驱动的汽车,18世纪后期,瓦特也曾经试制过一种早期反动式蒸汽轮机。
希律的引擎不过,真正意义上的现代蒸汽轮机是查尔斯.帕森斯在1884年制造,这台蒸汽轮机用于带动一台7.5千瓦发电机,之后蒸汽轮机发电机组立即风靡一时直至今日,而帕森斯的公司也从中赚取了大量的利润,不过对于帕森斯来说,在攻克汽轮机发电之后,他的下一个目标就转向了作为船用公里的汽轮机组。
帕森斯帕森斯早期汽轮发电机相比起往复式蒸汽机,蒸汽轮机没有活塞连杆等往复运动组件,运动方式更加平顺,振动和噪音,尤其是在高速运转时的振动远远小于往复式蒸汽机,而且更容易承受更大的蒸汽压力,功重比和空间尺寸更是远远强于往复式蒸汽机,而在用于发电的实践中发现,汽轮机的热效率也比往复式蒸汽机有极大的进步,这些优势简直是为船用动力天造地设的。
一般认为,帕森斯是在1891年才开始考虑将蒸汽轮机用于船用动力,但是他在1884年申请汽轮机专利时,就已经将汽轮机作为船用动力纳入了考量,在他的涡轮发电机事业走上正轨之后,帕森斯就开始着手设计涡轮机驱动的船只。
1893年,帕森斯成立了帕森斯航海蒸汽轮机公司,正式开始船用蒸汽轮机的试制和实验工作,1894年,第一艘汽轮机动力的44吨快艇“透平尼亚”号(Turbinia)下水,不过,由于一系列问题,“透平尼亚”号直到1897年4月1日的试航中,才达到了帕森斯预定要达到的“超过30节航速”的目标。
透平尼亚号试航1897年6月26日,纪念维多利亚女王即位60周年的阅舰式上,作为不速之客的“透平尼亚”号凭借超过34.5节的最大航速,当着包括威尔士亲王和海务大臣为首的诸多政要媒体的面,冲破警戒线窜入了阅舰式编队,当着所有人的面把追逐它的巡逻艇戏耍了一番。
尽管英国海军部从一开始就在关注帕森斯的实验,但是这个大胆的举动还是成功地吸引了皇家海军和公众的注意力,皇家海军在1899年下水的驱逐舰“蝰蛇”号(HMS Viper)和“眼镜蛇”号(HMS Cobra)实验性的安装了蒸汽轮机,尽管这两艘驱逐舰在1901年先后因为触礁和风暴失事,但是实验数据以及蒸汽轮机在爱德华国王号蒸汽游船上的成功使用仍然说服了皇家海军在1905年决定未来的主要作战舰只全部采用蒸汽轮机作为动力,而第一艘使用蒸汽轮机作为动力的战列舰,就是划时代的“无畏”号。
透平尼亚号闯入阅舰式蝰蛇号驱逐舰无畏号为了叙述规范,我们这里对蒸汽轮机进行一些定义,我们把一组共用封闭外壳和主轴的涡轮盘称为一个涡轮组,把完成从锅炉输入蒸汽到最终蒸汽冷凝这样一个完整的蒸汽循环的机构称为一套或一台蒸汽轮机,一台/套蒸汽轮机中可能只有一个涡轮组,也可能包括若干个涡轮组,可能只有一个动力输出轴,也可能有多个动力输出轴。
在早期蒸汽轮机舰船上,无论是“无畏”号还是“透平尼亚”号,蒸汽轮机动力输出方式是与蒸汽涡轮发电机相同的所谓直结式,即涡轮组的输出轴直接连结主轴驱动螺旋桨转动。
“无畏”号一共安装了两台蒸汽轮机,每台蒸汽轮机各有高压和低压两级,分别直接驱动一根主轴,其中高压级驱动外侧主轴,低压级驱动内侧主轴,因为汽轮机只能向一个方向旋转,所以为了实现倒伡,每级都各有一个进伡涡轮组和一个倒伡涡轮组,此外为了提高低速巡航时的发动机热效率,在内侧主轴上还串联了一个进伡巡航涡轮组,这样每台主机各有5个涡轮组,驱动两个螺旋桨,通过蒸汽阀门和离合器进行控制。
“无畏”号的直结式汽轮机对于当时的皇家海军来说相当成功,汽轮机的运转明显比往复式蒸汽机更为平顺,设计输出功率23000轴马力的主机在试航时达到了27000轴马力,21.6节的试航航速也比21节设计航速高出了0.6节。
无畏号左舷机舱示意图