電氣時代 船用蒸汽輪機，電傳動和齒輪傳動的演變過程，以及列剋星敦號航母的故事

19世紀末的英國克萊德河,河水被煤煙染成墨色。 船類如巨獸骨架一般,刺向天空,錘擊轟鳴,晝夜不息。 全球半數商船和四成的戰艦誕生於此。 1897年,帕森斯駕船衝進女王閱兵艦陣,戲耍了皇家海軍, 贏得海軍部的兩艘驅逐艦訂單,船用蒸汽輪機從此登上歷史舞臺。 但帕森斯發現,蒸汽輪機力大是猛,雖然很好,但它是個雙刃艦,燃料耗費也極爲驚人。 軍艦隻有打仗時需要高速,平時更關注續航距離和節省燃料。 帕森斯在每根軸上串聯兩個螺旋槳,採用渦輪直連螺旋槳的四軸推進佈局, 蒸汽渦輪分成三種,高速渦輪用於飆速度,低速渦輪用於巡航,還有專門後退的倒車渦輪。 即便這樣,低速時燃料消耗也極高,帕森斯被迫提議加裝小型傳統蒸汽機用於巡航。 這兩艘艦雖然有些缺點,但畢竟獲得了前所未有的高速,證明了蒸汽輪機的價值。 帕森斯用來闖陣的小艇在驅動軸上串了三個螺旋槳,驅逐艦上串了兩個。 這種方法只適合小型船隻,大船的螺旋槳很沉重,沒法多加。 軍艦噸位越大,渦輪和螺旋槳的轉速矛盾就越明顯。 帕森斯渦輪的理想轉速是每分鐘2000轉,而螺旋槳是每分鐘200, 在快會出現致命的空泡現象,造成效率下降和腐蝕嚴重。 兩者連在一起,就只好取中間值,把轉速定到每分鐘800轉左右, 結果是渦輪和螺旋槳的效率都不理想,並且高低速渦輪再加上倒車渦輪的系統實在是過於複雜。 1906年,英國服役了劃時代的無尾艦,最高航速達到21節。 帕森斯認爲如果用齒輪來減速,航速還能進一步提高。 但在當時,齒輪船動並不現實,面對軍艦數萬馬力的動力軸,齒輪的齒根極易斷裂。 重壓下潤滑油膜破裂,金屬齒輪會摩擦到恆熱,產生嚴重的焊接效應。 只齒輪在涅合的瞬間衝擊巨大,噪音震動全船,甚至可以將主軸扭斷。 帕森斯開始研究改進齒輪箱,但海軍部的官僚們卻認爲夠用就行,固守多軸佈局,拒絕顛覆時改動。 事情很快有了變化,新的煙柱在地平線生起。 在德國基爾港,國家意志與資本結合,催生出更龐大的船物,面對強有力的競爭者,英國海軍部的官僚們沒法再保守了。 無位艦使之前的戰列艦全部過時,這是彎道超車的好機會。 1890年鐵血宰相俾斯麥下臺後,德國開始擴張海軍,英國則強勢回應。 軍備競賽開始了,兩國每年都有5艘左右的鉅艦下水,雙方都拼盡了全力。 老牌英國血條更厚一些,1912年後,德國意識到無法贏得競賽,開始放棄戰列艦,轉向潛艇。 這樣的競爭下,技術升級很快,齒輪傳動逐漸成熟。 1913年,帕森斯將齒輪成功應用在郵輪特萊西瓦尼亞號,英國海軍不再疑慮,開啓變革。 起先工程師嘗試斜齒輪,這會產生巨大的側推力,軸承很快會被頂壞,這催生了人字形齒輪的出現。 它消除了側推力,傳動變得極其平穩,噪聲和震動大幅降低。 冶金學家在鋼材中加入鎳、鉻、木等元素,開發出滲碳淬火工藝,在保證齒息韌性的同時,提高齒面硬度。 專用的齒輪磨牀使加工精度提升到微米級,保證了鎳合順暢,它減少了磨損,齒輪效率提高到90%以上。 同時採用高壓噴油系統,強制覆蓋油膜。 連軸器也很關鍵,它能有效補償偏移,隔離震動。 它也能容納軍艦在風浪中,船體彎曲的偏差,否則船體的微小變形會傳遞給齒輪,造成崩裂。 1884年,德國馬克思·羅曼和馬克思·斯托爾特福特發明了摩擦離合器。 發動機可以空載啓動,逐步傳遞功率,輪齒不必承受啓動衝擊,壽命大增。 連軸器、離合器和震動阻尼器成爲齒輪傳動的核心部件。 快速的造艦週期,使齒輪技術迅速迭代,最終成爲主流,主力艦速度達到30節以上。 在這個期間,德國還出現了液力傳動,泵輪和渦輪兩者相對,至於密閉撬體。 由泵輪攪動機油作爲介質,衝擊渦輪液片,實現動力傳遞。 它完美解決轉速矛盾,實現無極變速和迅速倒車。 其運行平穩,磨損小,效率已能超過80%。 德國將它應用在一些輔助艦隻和輕巡洋艦上。 雖然它理念很超前,但德國攻克了齒輪技術後,就停止研發了。 二戰後,液力傳動在內燃機車、重型卡車領域煥發新生,其柔性傳動理念,至今仍在現代船舶的可變矩螺旋槳等系統中延續。 當英德激烈競爭時,大西洋彼岸美國的船務和鋼廠開始以更大的規模轟鳴,一個未來的海上巨人已經肌肉豐滿。 1905年,沙俄海軍遠征,繞了半個地球,然後被日本擊敗。 僅兩年後,一支實力強大的美國艦隊開始環球航行。 此時,美國開始擴張,總統西奧多羅斯福提出胡蘿蔔加大棒的政策,促成了這次威懾性遠航。 艦隊刷上難於維護的白色油漆,史稱大白艦隊。 這支強大的艦隊沿途靠岸聯歡,後期還參與了意大利墨西拿地震的人道救災,一副人畜無害的樣子。 它展示了遠航能力,宣告了新興海上強國的誕生,美國從此坐上牌桌,成爲列強的一員。 沙俄艦隊由德國運煤船跟隨,才完成遠航。 大白艦隊也遇到了相同問題,多次因缺煤而停航。 美國此時沒有海外基地,無法全球作戰,所以1909年美國撥款給遠洋艦隊建造運煤船,共有四艘。 一艘後來在百慕大海域沉沒,也有資料記載爲三艘的。 運煤之外,它們還有更重要的用途。 無衛艦時代到來,大白艦隊已經落伍,新的造艦計劃肩在弦上,採用哪種技術路線,事關國運。 這些運煤船的個頭不小,排水量近兩萬噸,是很好的實驗品牌。 它們船體相同,其中一艘採用傳統蒸汽機作爲測評標準,其他船則交給工程師發揮,測試最新的渦輪和船動技術。 工程師們大師拳腳,組隊競爭,實驗各種技術路線。 其一是蒸汽輪機,由帕森斯渦輪對陣科蒂斯渦輪。 帕森斯渦輪是反動式,蒸汽多級膨脹,轉速較低,能直連螺旋槳。 科蒂斯渦輪屬於衝動式,採用高壓噴嘴,蒸汽膨脹,推動圓盤高速旋轉。 特點是體積小,可以達到很高的功率密度。 其二是傳動方案,由通用公司的威廉·艾米特對陣西屋公司的威斯汀豪斯。 艾米特主張電傳動,讓渦輪帶動發電機,再驅動電動機。 威斯汀豪斯主推齒輪傳動,此時他的公司已經被摩根財團抄底,雖然還是總裁,但已經失去了控股權。 他鬥志不減,聯合海軍少將梅爾維爾和工程師麥卡爾發明了船用減速齒輪系統,推動相關研發和技術整合。 1914年,運煤船先後下水海事。 綜合測試結果,採用電傳動的木星號勝出。 它採用科蒂斯渦輪機驅動交流發電機,供電給兩臺交流電機,驅動兩根螺旋槳軸。 發電機爲二級,電動機有36級,實現18比1的減速比,使渦輪機和螺旋槳都能獲得最佳轉速。 改變這36個線圈的通斷狀態,就可以調速,這是天才的發明。 啓動和倒車時,則使用電阻器進行電流的大小和幻象控制。 它後來改裝爲藍利號航空母艦,是美國航母的起點,在1942年戰成。 美國開始走電傳動路線,在新墨西哥級、田納西級和科羅拉多級等多艘戰略艦上採用電傳動方案。 1921年,列剋星敦級戰略巡洋艦開工建造,排水量3萬多噸,航速33節,設計極具暴力美學。 在這個期間,歐洲打完了一戰。 1916年,英德艦隊在日德蘭的濃霧中迎頭相撞。 巨炮怒吼,水柱如山,風帆時代的浪漫對決,變成國家工業、研發與組織效率的冰冷比拼。 一戰中,美國先發戰爭財,在參戰摘果時,實力大增。 英國戰後衰落,無力再搞軍備競賽了。 1922年的《華盛頓海軍條約》,各國商定了主力艦的噸位比例。 每英的比例相同,美國贏得了和舊日海洋霸主平起平坐的地位。 根據條約,列剋星敦級的兩艦被改造成航母。 這反倒因禍得福,兩艦渦輪電推的強勁動力,成爲其作爲航母的寶貴資本。 它裝備了16座重油鍋爐,驅動4臺渦輪發電機,帶動牽引電機驅動4根推進軸,總功率達18萬馬力。 它很靈活,改變航速只需要調節電流大小,功率控制精準,倒車響應更快,這在躲避魚雷時很重要。 它不需要長軸,佈局很靈活,爲機庫,彈藥庫等功能騰出空間。 1930年,塔克馬士大旱,水庫缺水,列剋星敦號充當城市電網的臨時電站,緩解了停電危機。 在運煤船實驗中,威斯汀豪斯主推的減速齒輪落敗,多少有點冤枉,跟它搭班的那個帕森斯渦輪機老出故障。 美國海軍更支持科蒂斯渦輪,它是本土技術,而帕森斯是英國的,美國不希望受制於他國。 科蒂斯渦輪機的轉速極高,帶來的是金屬疲勞和崩裂,20年代連續發生事故。 1927年,通用電器的威爾弗雷德·坎貝爾發明了彈性支撐,便捷面葉片和振動傳感器,解決了這個問題。 在美國強大的工業能力整合下,現代蒸汽輪機最終出現,在高壓區採用衝動,低壓區用反動,兼顧了帕森斯和科蒂斯渦輪的優點,後來居上。 減速齒輪的創新是浮動框架,高速旋轉的小齒輪不是剛性固定,它的四周有油壓活塞,像四個彈簧一樣頂着,使它自動找正,自動補償受力,避免局部過載。 它容錯性好,降低精度要求,極爲可靠,在當今減速器領域廣泛應用,是柔性設計的典範。 美國海軍繼續支持減速齒輪,給西烏大量訂單,但威斯汀豪斯已經沒有時間了,它不斷被架空,1911年清空股份,完全脫離了西烏公司。 它戰鬥力爆表,改用私人實驗室繼續研究,和工程師麥卡爾採用通信的方式來討論技術問題。 這時距離它逝世還有三年,這期間它完善了減速齒輪,發明空氣減震器,改進渦輪和研究熱泵,在它臥牀癱瘓的最後一年,還構思了電動輪椅。 威斯汀豪斯習慣於埋頭工作,不愛宣傳,它發明的鐵路制動支撐了美國鐵路的發展和西進運動。 它普及的交流電、天然氣網絡建設是美國工業化的堅實根基,它一生的發明多達360多項,雖然比不上愛迪生的1000多項,但有評價認爲它對於美國國力提升的貢獻是大於愛迪生和特斯拉的。 之後工程師不斷優化,研發了精密滾齒機和鎳革合金鋼,優化了表面淬火技術。 到了30年代,減速齒輪已經脫胎換骨,傳動效率達到98%以上,在可靠性、維護性和經濟性上遠超電傳動,達到當時艦用齒輪的最高水平。 一些戰列艦開始了改裝工作,將電傳動改成齒輪傳動。二戰美國大造自由輪時,齒輪產能不足,下水了一些電傳動油輪。 但艦船方面,除了列剋星噸級的兩艦和藍利號航母外,大洋上已經沒有電傳動的軍艦了。 在華盛頓海軍談判中,有一匹黑馬在噸位談判中拿到不小的份額,這就是日本。 日俄戰爭後,日本緊跟步伐,在引進和吃透了歐美的技術後,開始自研。 他們將美國的二級減速齒輪改爲一級,減小了減速比,渦輪機也慢了一些,這降低了材料要求,適合日本薄弱的工業基礎。 但日本研發了新的特種缸,提高了過路壓力,在另一方面進行了彌補,形成適合日本國情的艦本式系統,成爲主力艦的核心動力。 1942年,美日航母編隊在珊瑚海展開了類似拳擊手一樣的互錘。 美軍艦載機炸沉了日軍輕型航母翔鳳號,重創了重型航母翔鶴號,但列剋星敦號也吃了日軍艦載機的炸彈和魚雷,艦體傾斜。 此時電傳動的優勢顯現,它沒有機械貫通連接,局部進水不影響整體,船員通過調整燃油,平衡了艦體。 航母仍有25節航速,甚至還能降落飛機,堅持了數小時。 電傳動的缺陷也隨之顯現了,日軍魚雷破壞了燃油艙,汽油揮發瀰漫全艦,被電纜火花點燃,引發了壯觀和可怕的迅暴,中置無法收拾,對破自成。 有資料說如果當時封閉一些區域,也許能避免,這對於滿是電纜的電傳動軍艦來說其實並不現實。 在最後時刻,電傳動讓它奔跑得比普通軍艦更頑強,也讓它毀滅得更徹底。 它的同級艦薩拉託加號航母撐到了戰爭結束,不過也碰上過遭受潛艇攻擊,魚雷爆炸的震動和進水,導致全船短路停電,癱瘓幾個小時的事故。 領先時代的電傳動技術,至此在艦船上消失,彎道超車變成了彎道翻車。 最好的技術往往不是最領先的,而是在時間、技術和成本上最合適的。 60年後,電傳動重現江湖,導彈、相控陣雷達、電磁炮和電磁彈射等新型用電設備促進了船用綜合電力系統的誕生,一個新的時代開啓了。