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。
直结式汽轮机的问题蒸汽轮机在“无畏”号上的应用,无疑是成功的,但是随着汽轮机动力的大规模使用,作为舰船动力的直结式汽轮机的问题也开始暴露出来,这就是直结式汽轮机在舰船上并不像在发电厂那样能够提升效率,甚至在绝大多数情况下,直结式汽轮机的效率还不如三级膨胀往复式蒸汽机。
直结式蒸汽轮机效率低下的首要原因,就是蒸汽轮机转速与螺旋桨转速无法匹配,从而导致了严重的效率下降,对于蒸汽轮机来说,要提高热效率,转速至少要达到每分钟一千多转甚至高达数千上万转,而且汽轮机体积越小,工作压力越高,转速也越高,而对螺旋桨来说,最佳的转速区间在几十转到一两百转,而螺旋桨转速越高,空化现象就越严重,而空化现象不但会造成螺旋桨推力和效率严重下降,还会对螺旋桨本身造成空化腐蚀。
在往复式蒸汽机的时代,由于当时的往复式蒸汽机本身转速就低,所以螺旋桨空化现象并不明显,但是蒸汽轮机的高转速使得空化现象成了一个绕不过去的坎儿,在帕森斯对“透平尼亚”号进行试航的时候,螺旋桨空化现象就严重困扰着试航的整个过程,这也是“透平尼亚”下水后用了差不多三年时间才把航速提升到30节以上的主要原因。
最后帕森斯在透平尼亚的三根主轴上各装了3个18英寸直径的螺旋桨,并且加大了螺旋桨桨叶面积以减轻空化现象,这样才算让“透平尼亚”号的航速达标,但是在“无畏”号这种正规战列舰上,显然是不可能像“透平尼亚”这样的实验型快艇那样采用这种近乎无厘头的解决方案的,所以“无畏”号一方面加大螺旋桨桨叶面积,另一方面将汽轮机转速限制在350转以下,这个折衷的转速,对减轻螺旋桨空化现象保证推力有着明显的作用,但是这样低的转速下,汽轮机的热效率又受到了严重影响,尤其是在巡航状态下,汽轮机的转速更低,热效率更为低下,为了对付这个问题,“无畏”号专门设置了一个与低压级同轴的巡航涡轮组。
透平尼亚号尾部,可见每个轴上串联的螺旋桨除了汽轮机和螺旋桨转速无法匹配导致效率降低的问题之外,直结式汽轮机还面临另外一个问题,就是为了提高蒸汽热能的利用率,蒸汽轮机最好能够和多级膨胀往复式蒸汽机一样设置多个压力级,而对应每个压力级至少要有一个涡轮组,但直结式汽轮机在同一时间只能由一个涡轮组驱动一根主轴,这样一来直结式汽轮机的压力级数量就受到了主轴数量限制。
“透平尼亚”号采用一台蒸汽轮机的高中低压级各自驱动一根主轴的方式来提升蒸汽热能的利用率,到了“无畏”号上,显然不可能再这么玩,但是“无畏”号仍然尽可能的在每台蒸汽轮机内设置了高低两个压力级并各自驱动一个螺旋桨。
无畏号每台汽轮机设置了两个高低压力级,各自驱动一根主轴从“透平尼亚”号和“无畏”号的蒸汽轮机动力和传动系统设计上我们可以看出,英国皇家海军在面对直结式汽轮机的效率和推力损失问题上,首先保障的是减少空化现象带来的推力损失,至于直结式汽轮机效率降低带来的续航力甚至较三级膨胀往复式蒸汽机有所下降的问题,对于加煤站遍布全球且财大气粗的日不落帝国皇家海军来说来说并不是什么大问题,这也是皇家海军在1905年决定在主要水面舰艇上全面采用蒸汽轮机动力的底气,不过其他主要海军国家在采用汽轮机动力上,就明显要纠结的多了。