蒸汽机和皇家海军

蒸汽机和皇家海军

作者:约翰M马伯

英国海军对于蒸汽动力并非一般人想象的那样热衷，虽然格拉斯哥的亨利·贝尔著名的“彗星”号蒸汽船早在1812年8月就在克莱德河畔公开亮相，但第一艘属于海军的以蒸汽为动力的军舰直到瓦特的改良式蒸汽机以及他的行星齿轮传动装置问世40年之后，才姗姗地加入到皇家海军作战序列内的。

早期蒸汽机的改进与发展

1821年，依然沉浸在特拉法尔加胜利的英国海军，带着几分不情愿地进入了蒸汽时代。在这一年，他们开始测试海军拥有的第一艘木壳蒸汽船——排水量212吨的“猴子”号。

这只是一艘装有简陋的80匹马力蒸汽机以明轮为推进方式的“极难收拾干净的破东西”【注释：出自“猴子”号的船长，某英国海军上尉的叙述，似乎这条船会被起这么一个猥琐名字也是因为这种观点】。“猴子”号是一条拖轮，或者说根本没有什么正儿八经的任务，只是为了测试。皇家海军真正计划加入作战舰艇序列的，是在1823年购买的另一艘船，“彗星”号，和亨利贝尔的那艘同名。“彗星”号是英国海军内第一艘专门为作战建造的238吨汽船，雏形中的武装拖轮。海军在其甲板上架上了几尊6磅炮。

“猴子”号和“彗星”号同属于最原始的第一代蒸汽船，安装着粗陋的桥状横梁式蒸汽机，笨重而古怪的蒸汽机显得非常不协调，好似在船上载着一台巨大的蒸汽抽水泵。

一年以后，1824年，海军的另一艘蒸汽船，即298吨的“闪电”号，因首次参与了海上战斗而名噪一时。这艘同样被建成武装拖轮的小船参加了英国海军在北非针对巴巴利海盗清剿和支持他们的4个巴巴利国家的海岸封锁。在阿尔及尔沿岸，“闪电”号凭借其蒸汽动力的特性多次在无风条件下侵入巴巴利帕夏们的港口，成功执行了海军的封锁和摧毁海盗船的任务，一度使保守的英国海军将领刮目相看。“闪电”号和她的两个前辈有所区别的是，这艘船安装的主机采用的是2台并排反向布置的侧杠杆式蒸汽机，一种基于桥状横梁式蒸汽机的改良产品，通过缩小汽缸和曲柄体积，并将整套设备横置来实现更轻、重心更低、也更为可靠的结果。2台蒸汽机被设计成都能独立运转，以便在其中一台“罢工”的时候另一台仍能输出动力。

在这段时期，虽然英国海军在运用蒸汽动力船舶时取得了一定的经验，蒸汽机本身也在不断的完善之中，但是皇家海军给予这些拥有着巨大侧舷明轮的古怪船舶的定义，依然停留在拖轮之上，而非真正的“战舰”。

在无风的时候，蒸汽机动力船舶和传统的帆船相比，优势是非常明显。但是这种优势很多时候并不足够可靠，从海上吹来的一阵风就会将这种优点吹得一干二净。不论是原始的桥状横梁式蒸汽机还是稍加改良的侧杠杆式蒸汽机，其汽缸工作压力都只略高于大气压力，也就是说无法提供更多的动力。同样，安装在船体两侧用来驱动的明轮笨重又易损，运转这对大家伙本身就要损耗掉相当多的能量。因为当时技术条件下蒸汽机的这些不足，在整个19世纪前叶，包括英国海军在内的各国海上力量，都投入了持续但却有限的热情。

在这一时期，侧杠杆式引擎常常被安装在一些早期的蒸汽战舰中，例如第一代的明轮护卫舰，1837年下水的“蛇妖”号和1839年完成的“独眼巨人”号。当然，对蒸汽主机的改进也是连续的、渐进的。例如1840年前后，泰晤士河畔的MS&CoM船厂就采用了新的设计，将两个汽缸竖立安装，与一对曲柄连接后构成了一种直立的蒸汽引擎，即所谓的直列式蒸汽机系统。这种引擎的每个汽缸都通过一根短连杆连接到曲柄，而这些连杆的小头被设计成了可开启的气嘴，以便在运作中排出冷凝液和并维持冷凝器里所必须负压状态。这番改进的效果是卓著的，这种短小的连杆的直列式设计所占空间比侧杠杆式更小，整套系统也轻巧。不过，由于增加了活动部件，这种设计容易产生不必要的磨损并导致转速不匀的现象。

船用推进器的改变

蒸汽机正在得到逐步的改良，变得更可靠和更成熟，输出功率也越来越大。但是，随着主机可靠性和动力的加强，明轮推进装置的缺点却在逐渐暴露。笨重的明轮和巨大的传动装置带来的功率上的损耗以及可靠性上的担忧，而明轮本身由于占据船体侧面相当大的面积，也使它挤占了在侧舷安装火炮的空间，更留下了战斗中容易受损的危险。19世纪中前期，海军希望的在船用推进装置方面的变革，绝非逐步进行改良那么简单。

螺旋桨的概念早在达芬奇的手稿中就有出现，不过达芬奇将其用在了人类的飞天梦中。在上个世纪中叶，一个瑞士学者为木匠的手工活所启发设计出一种在水下旋转的螺旋桨推进器，希望借此能使船舶摆脱船桨的束缚。然而，在那个蒸汽机都未实用化的年代里，这种超前的发明注定会无疾而终，直到18世纪中前期，机械装置的逐步成熟使那些书本中的古老创意有了实现的可能。

19世纪30年代末，英国海军部正在密切关注着法兰西斯·佩蒂特·史密斯等人对螺旋桨这一古老构想的再发展。基于自身努力和一些意外的巧合，史密斯在几年内逐步掌握了船用螺旋桨推进技术的核心，桨叶的设计也由螺旋形演变成了现在常见双桨叶造型。

1840年4月，来自皇家海军的代表们和史密斯与他的伙伴一起，在多佛亲眼目睹了由螺旋桨驱动的“阿基米德”号的航行试验。这艘由海军出资的船从1839年开始建造，其只是为了展示史密斯发明的双叶螺旋桨。试验结果空前成功。

从一系列高度肯定的内部报告开始，当时的海军部对它的出现给予了史密斯本人亦始料未及的热情。1840年12月，海军以一种对待蒸汽明轮船时所截然不同的态度，迫切地签下了订购第一艘螺旋桨蒸汽船的合同。这艘船后来被命名为“响尾蛇”号，在设计上基于当时标准的木质单桅纵帆船。海军的胃口非常大，在之后的几年内，几乎每年都会签订数艘订购此类船舶的合同，到了1844年，海军已经签陆续签下了十几份订购合约，包括一系列以螺旋桨来驱动的蒸汽护卫舰和港口用拖轮。

蒸汽螺旋桨护卫舰“傲慢”、“勇敢”和“狂暴”号是这一时期海军蒸汽船中的精华，也是代表着现代军舰起源的某个重要标志。“傲慢”于1848年4月5在朴次茅斯下水，作为一艘辅助大舰队行动执行辅助任务蒸汽护卫舰，承建方JP&Son船厂的设计师将“傲慢”号配备的双汽缸单胀筒形主机安装在水线以下，希望能借此防御敌方炮火的伤害，这成了近代战舰防护设计的起源。而在这艘船的引擎设计方面，为了节约横向船只的空间，连杆直接穿过汽缸盖同活塞杆连接，从而取消了活塞杆的结构，这无疑又是一个进步。

英国海军内将蒸汽和螺旋桨合二为一的“努力”，在经历了差不多1/4个世纪之后，实现了。

从单筒形汽缸到三胀式

英国海军首次尝试以蒸汽机驱动大型舰艇是在1861年，海军在这一年建造战列舰“勇士”号的排水量高达9210吨。

尽管海军对“勇士”号寄予厚望，但她却算不上世界上第一艘铁甲舰，“勇士”号的建成时间比法国的“光荣”号（5900吨）略晚。尽管未能摘得世界上第一艘铁甲舰的桂冠，但“勇士”号仍旧有值得炫耀之处：“光荣”号相当部分的船体仍为木质结构，而“勇士”号却是全金属船体。全金属结构、有铁质装甲板保护、采用蒸汽机为动力驱动一个两叶螺旋桨航行。，凭借着世界上第一艘全金属战舰的头衔，这艘船时至今日仍旧停泊在朴茨茅斯港内，供人缅怀那个伟大的时代。

回归到本文的主题上，下面将详细叙述一下“勇士”号的动力系统和驱动装置。

“勇士”号的推进方式为单轴驱动双叶螺旋桨，另配有帆索作为辅助动力系统。她的主机为2套直列式侧杠杆式蒸汽机，共同驱动一个螺旋桨轴，机组的锅炉压力为20磅/平方英寸【注释：大气压力为15磅/平方英寸，基于资料来源的问题，这里和下面需要用到此类数据的地方就不转换成公制了，以避免不必要混淆】。在海试的时候，“勇士”号的螺旋桨曾达到过54转/分钟的速率，在这个转速下，这艘船的平均航行速度为14.35节。在当时，就那么大的船而言，这是个令人震惊的航速。

“勇士”号的动力系统优点众多，但是缺点依旧，某些缺点是蒸汽机诞生至今也遗传至今的。“勇士”号主机的筒状汽缸和活塞的密闭程度依然不够，活塞和桶壁的缝隙很容易导致蒸汽无谓的大量流失，损耗大量的热量。这个问题取决于加工设备的精确度，需要等待各种精密加工设备进一步发展才有望解决，这绝非一朝一夕之功。此外，基于蒸汽机本身设计上的问题，由于活塞运动本身的特性，蒸汽机汽缸的活塞整日与缸壁摩擦运作，曲柄的衔接部分也同样整天工作，这导致了磨损问题成了蒸汽机在工作中的家常便饭，也使得蒸汽主机的日常维护工作相对繁琐，需要耗费大量人力来完成。基于运用成本方面的问题，蒸汽船的出现地点暂时还只限于海军。

在19世纪后半叶，变化是无时无刻都存在的。19世纪60年代，正是机械加工技术出现飞跃性进步的年代，亦是上面所说的有望解决加工问题的契机出现的年代。金属车床、自调节车床、牛头刨床等一系列工作母机的诞生使机械加工精确度越来越高，也使得复杂设备之间的微小契合和密封逐渐变成可能。机械加工技术的进步造成了一系列的改变，不仅机械设计上的僵局被解开了，大量以更高效率被建造出来的机械和蒸汽机，其生产成本也被大幅度降低了，而矿山的机械化也进一步降低了煤炭和金属矿石的价格。蒸汽机得到了发展，也开始被普及。

顺应着时代的发展，名为复胀式蒸汽机的新式主机诞生了。

单动到双动的转变曾是瓦特对蒸汽机的重大改良之一，即利用阀门从活塞的两端引入蒸汽驱动活塞，更为有效的利用了蒸汽。在锅炉还很原始的那个年代，经过这么一次动作之后，温度略高于沸点的蒸汽便会降温到了沸点，接近冷凝状态的蒸汽不再具备做功的价值，而需要通过冷凝器重新凝结成水，补充回锅炉内。

随着机械加工技术和金属制造业的进步，锅炉亦在和蒸汽机一起同步发展。在19世纪70年代初，锅炉的工作压力已经从最初的20磅/平方英寸提高到了120磅/平方英寸，进而达到了150磅/平方英寸以上，差不多是10个大气压力的程度，而蒸汽温度也提升到了接近200摄氏度。如此高压的蒸汽，在推动了一次活塞动作之后，仍旧能保持着很高的温度，如果将这些蒸汽直接转入冷凝器，将会是能量上的巨大浪费。于是，工程师们相到了设计二级膨胀主机——即将两个汽缸串联，来自于锅炉的高温蒸汽首先进入第一个锅炉做功，然后经过串联的蒸汽管道排入下一个汽缸，继续推动第二个活塞运动，然后再将充分利用后的蒸汽导入冷凝器内还原成水送回锅炉。

设计这种蒸汽机的原始目的是为了建造跨大西洋航行的高速邮船。1878年，搭载着复胀式直列蒸汽机的“彩虹”号和“水星”号邮船下水，并在试航中实现了高达20节的航速。

海军从中得到启发，在其资助下，复胀式蒸汽机进一步升级成了三胀式，从一组工作压力可达200磅/平方英寸的锅炉引来的高温高压蒸汽可以在驱动高、中、低三个不同工作温度的汽缸后才被冷凝成水，而三胀式蒸汽机对蒸汽压力的利用率也实现了最大化。

在这个时期，海军已经全面进入了蒸汽铁甲时代。1880年，海军上将级战列舰的首舰“科林伍德”号下水，结束了自从“光荣”号开启的辉煌但也纷繁的铁甲舰时代，将之后相当一段时间内的海军主力舰造型进行了某种程度上的规范。主力舰构造和武器系统的发展不在本文讨论范畴，这里只对其动力装置进行介绍。“科林伍德”号装有2套汉弗莱公司生产的倒置式三胀往复式蒸汽机，输出功率11500马力，试航时达到过16.5节的航速。所谓的“三胀”就如前所述，无非是在复胀的基础上增加了一级气缸，而所谓的“倒置”是指早期立式蒸汽机相反，汽缸是安装在曲柄上方的呈倒置状态安装的。

三胀式蒸汽机是传统的往复蒸汽机的巅峰之作。在这以后，船用往复式蒸汽机的式样和工作原理被基本统一了下来，在其后虽然也有一些小的改进，比如说在1908~1909期间建造的，排水量高达14800吨的米诺陶级装甲巡洋舰上，采用了滑油式冷凝散热系统，但总的来说，直到第二次世界大战时期还大量安装在护航舰、辅助巡洋舰、扫雷舰里的那些采用三胀式蒸汽机，和它们大约半个世纪前的原型相比并没有太大的变化。

蒸汽轮机

路从来不会只有一条，往复式蒸汽机由直列单胀演变成了复胀，进而发展成三胀的同时，新的蒸汽推进系统已在酝酿和实验之中。这条路将不在遵循气缸和膨胀的原理，而是采用亚历山大里亚的希罗【注释：古希腊著名的数学家，工程师，对空气压缩现象颇有研究】用来制造螺旋玩具的方法，来设计一种可以为文明世界提供强大动力的机器。

同样，蒸汽涡轮机的力学原理也是人们早就知道的。在古代，亚历山大里亚的希罗就曾经根据这个原理制造玩具。在十八世纪末，博尔顿曾担心已作出设计的蒸汽涡轮机可能成为蒸汽机制造业的有力竞争者。但是他的同伙詹姆士·瓦特安慰他说：“除非有上帝能使东西以每秒一千英尺的速度运动，蒸汽涡轮机就不会对我们有什么害处。”可是由于具备了钢和精密工程学两项条件，法国的拉瓦尔（Laval）在公元1889年造了一部涡轮机，其转子的边缘速度超过每秒1500英尺。人们已经知道，蒸汽从涡轮到真空的直接膨胀，可以产生每秒4000英尺左右的速度，而要获得高效率，就必须使涡轮机转子的速度相当于这个数字的一半。这样的转子速度仍然比较危险，而且也难以应用。这使机器的用途非常有限。在拉瓦尔的涡轮机中，蒸汽以单级膨胀的方式通过单个转子，这是产生上述不合要求的速度的原因。英国的查尔斯·帕森斯爵士（CharlesParsons，公元1854－1931）在公元1884年获得了一种涡轮机的发明专利；在他的机器中，蒸汽经过一系列分级膨胀并通过几个转子，这样产生的速度就比较便于控制。拉瓦尔涡轮机的转速由每分钟10000转提高到30000转，帕森斯涡轮机的转速则可以低得多，从每分钟750转提高到18000转。

1884年，查尔斯·帕森斯“阁下”为一种用于发电的并流反应汽轮机申请了专利。蒸汽在膨胀时依次通过多层交替排列并成45度的定叶片和动叶片来驱动轴轮。但是其18000转/每分的高转速使得发明家直接排除了任何将它作为舰船动力的想法。十年后，帕森斯突然意识到这一点，并将申请了“用于船舶推进的蒸汽轮机”的专利。同一年的1894年，在利用数学模型对所需功率大致估算后，帕森斯在44.5吨的游艇“特比尼亚”上安装了一套汽轮机。双端水管锅炉产生的蒸汽压力在155磅/平方英寸时，轴向汽轮机驱动单轴速度达到了2400转/分。在这种高转速下，涡凹（螺旋浆叶高速冲击水面形成的乱流和空泡）浪费了大部分动力，“特比尼亚”号的速度只能达到可怜的19.75节。

根本的矛盾在于汽轮机的叶片在较高转速时效率较高，但螺旋桨需要较低的速度才能有效运行。在缺乏精确减速传动技术的当时，汽轮机和螺旋桨只能直连。所以直接传动式汽轮机需要一个较大直径的轴轮以在降低工作轴速时让外围叶片的保持一个较高的速度。“特比尼亚”里的空间是有限，但其后的改造相当成功：动力部分被修改为三轴，蒸汽在右-左-中的三个压力依次下降的轮机组内三次做功后才被排出。由于轮机是不可反转的，中心轴的配有一个独立的倒车轮机组。每根轴都有三个螺旋浆可以尽可能扩大叶片面积。尽管螺旋桨的转速依然过高，在最大2400轴马力的推动下“特比尼亚”航行速度达到了可圈可点的34.5节。

汽轮驱逐舰

特比尼亚重建后的首次亮相是在1897年6月的斯皮特海德，维多利亚女皇的即位60周年阅舰仪式上，它的表现令在场的各界人士为之震惊。紧接着在1898年英国海军部从帕森斯汽轮机有限公司订购了344吨级的汽轮驱逐舰“毒蛇”，在各方面同当代30节航速的驱逐舰都高度类似。几乎在同一时间，泰恩河上的阿姆斯特朗船厂自行筹资生产的375吨驱逐舰“眼镜蛇”在海试结束后也被卖给了海军部。这两艘船都有以下特点：四轴的复合汽轮机、外轴高压、内轴低压、并有倒车轮机。“毒蛇”在轴上有双桨，而“眼镜蛇”为三桨，它们都在海试中可以达到34海里/时，虽然是在无武备的轻装状态下。1901年它们正式加入现役，但可惜的是两者在一年之内斗遭遇不幸。“毒蛇”在奥尔德尼岛外卡斯盖海域因为风浪龙骨受损，而“眼镜蛇”在约克郡海岸的恶劣天气中船体直接断成两截。

从试验中，人们看到了了在低速运行时直连汽轮机差强人意的表现。1904年豪颂雷思里公司建造的装有四轴复胀式汽轮机的420吨驱逐舰“维洛斯”号上在四轴复合式轮机之外还安装了两座三胀式往复主机，和低压汽轮机一起驱动内轴。往复主机的废气直接排入外轴的高压轮机组。速度超过13节时离合装置会自动切断往复主机的功能。其后建造的540吨级“河流”级“伊甸”号，用专门的巡航轮机取代了往复机。1905年3月阿姆斯特朗交货的3000吨巡洋舰“紫水晶”在12000轴马力时航速达到22.5节，而安装了9800轴马力三胀主机的同级舰只有21.75节。，它同年由第一海军大臣费希尔上将为首的英国海军部设计委员会鉴于过去累积的充分经验，决定在所有的驱逐舰及以上的新造舰上装备蒸汽轮机。

虽然帕森斯不可能是活唯一活跃在这一领域的工程师，但是英国海军不断增加的新型舰艇都采用了帕森斯设计的反动式轮机。德.拉瓦尔（瑞典）在1889年已经申请了单级脉冲轮机的专利，而哈图（法国）和寇蒂斯（美国）也在1896年双双为复速级式汽轮机申请了专利。1906年2月10日在朴次茅斯，装有四轴的帕森斯直连轮机的17900吨全主炮大型战列舰“无畏”号下水，这也标志着在主力舰上装备蒸汽轮机的开端。“无畏”号是按照在21海里/时，最大输出量达到23000轴马力而设计的。无畏号像它的前辈一样以煤为燃料，尽管在此之前费希尔曾不断地向上级说明石油的优势。他的努力最终使得其后的“部落”级驱逐舰采用了以石油为主的混烧锅炉，但在此之后1910年“毕格尔”级又恢复了全煤设计。

在20世纪进入第二个十年时，布朗·寇蒂斯脉冲轮机受到了广泛的欢迎，它首先于1911年安装在4800吨级的巡洋舰“布里斯托尔”上，随后为许多为皇家海军建造的驱逐舰和大型船只里使用。其最大的优点在低功率时燃料消耗低、所以布朗·寇蒂斯的脉冲轮机成了除帕森兹式外的又一个好选择。直到20世纪20年代的一系列的叶片损伤事故，人们才渐渐失去吸引力。

齿轮[减速]传动轮机

与此同时，在1909年帕森兹公司重新改造了已使用了22年的货物大轮船“韦斯帕西恩”，为它安装了一个复合式单级减速齿轮传动轮机，比起原先的三级扩展式往复汽轮机，节约了15%的燃料。它也让汽轮机和螺旋桨能够在各自的最佳速度区间内运作，同时汽轮机转子的直径也相应的减小了。海军部对此兴趣浓厚，它们在1910年预定了两艘“阿彻隆”级的驱逐舰（“獾”和“海狸”），都安装了半传动主机、高压和巡洋汽轮机通过减速机组和低压轮机的传动轴延长部相连。全传动的帕森斯反动脉冲式主机首次出现是在1914年，被安装在驱逐舰“利奥尼达斯”和“晨星”中。

1918年，所有新建造的驱逐舰和驱逐舰以上的军舰都装配了单级齿轮[减速]传动轮机，同一年，伦敦的联合航运公司订购的装有双齿轮（减速）传动装置的汽轮“索姆塞特”也到货。这种新设计使得汽轮机转速进一步提升，也有效降低了造价和运营成本。“索姆塞特”的表现是成功的，但双齿轮（减速）传动装置在其他船只上的运用与道德很大的问题，以至于英国的造船师们一致认为类似设计是不可靠的。因此除了1930年安装在桑尼克罗夫特建造的“冥河”里的实验性高压主机（500磅/平方英寸）外，皇家海军在1939年二战爆发之前的年月里的研发都集中于装有一级高压脉冲轮机和全脉冲后置汽轮机的帕森斯反动式的单级减速齿轮传动轮机上。1936年后挥之不去的战争威胁使得皇家海军被迫继续使用相对可靠的成熟技术，因此30年代的轮机设计一直到50年代初都没有太大的变化。

战后发展

太平洋战争暴露了英国汽轮引擎军舰在蒸汽效率方面的问题，在有着双齿轮（减速）传动装置和先进的蒸汽条件美国海军军舰前相形见绌。所以在1943年英国海军部要求造船业在计划建造中的“大胆”级驱逐舰上赶超美国的技术水平并为此也建立了一个新的组织，名为“帕森斯和海事工程师汽轮机研发协会”（英文字母简称为“PAMETRADA”）来，这是一个研究与试验的机构。结果，战争结束后，八艘“大胆”级的军舰被推迟到20世纪50年代才完工。这时皇家海军已经能充分利用PAMETRADA的发展成果，和英国电力公司、汤普生休斯顿公司在电力供应行业上的经验。

与此同时，设计一个用于快速反潜舰艇的小型主机的要求应运而生。英国皇家海军舰艇“托基”正式投入使用是在1956年6月。双齿轮（减速）传动装置和精心设计的汽轮机在巡航速度上表现良好，在不需要太高蒸汽压力的情况下实现了较高的巡航效率。除去细微的改进，此舰上的Y-100型主机被安装在了所有早期型12式的护航舰上。同时它推动了后来Y-160型主机在“勒安德耳”级“宽横梁”舰只的发展。它是皇家海军的最后一种蒸汽轮机，在当时的各国海军中也是世界一流的。此级的舰艇最后一个艘“阿里阿德涅”号于1973年服役，其时皇家海军已经在护卫舰及以上的所有舰级中统一使用燃气轮机。

如今只有在核潜艇的应用中才能感受蒸汽和齿轮[减速]传动轮机的些许未来。但是日益减少的石油产量也许会导致人们对蒸汽动力产生新的兴趣。尽管如此，当前许多曾在轮机舱里饱受热浪之苦的官兵们对一个时代的逝去并无怀念。

注释：1.“关于史密斯专利螺旋桨和其在阿基米德号上运用的报告”爱德华查佩尔上校，RN，1840年于伦敦

2.这是早于有名的“拔河”之前的事，拔河指的是是在螺旋浆船“滚筒”和明轮船“阿列克陀”之间的较量，发生于1845年4月3日。

3.有趣的是，双齿轮（减速）传动装置在1915年已经被美国海军引进，这其中遇到的问题也在1918年解决了。