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“石油和涡轮机优势”伊丽莎白女王级战列舰的澎湃动力

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根据约翰·菲舍尔海军上将的理念,他制定了对英国战列舰的基本要求。除了强大的火力装备外,战列舰还必须具备当时的高速度。

“无畏”战列舰获得了它的涡轮机。



在设计“无畏舰”时,显然四缸三级膨胀蒸汽机已经达到了技术发展的极限,但是菲舍尔花了很大力气来克服人们保守的观念,他得到了涡轮发明者查尔斯·帕森斯和皇家海军关键人物的支持:试验中心主任埃德蒙·弗鲁德和舰队首席机械工程师、亚德明兰特中将达恩斯顿的支持,以便在1905年做出将战列舰改用涡轮的关键决定。

与蒸汽机相比,涡轮动力装置在重量上实现了显著的节约(在“无畏舰”上,涡轮的重量和尺寸差异使得有可能节省多达1000吨以增强装甲防护,而且不包括减少的维护人员),但仍然需要解决节省燃料的问题。问题在于,涡轮的主要优势表现在最大航速上,在日常运行中并不需要最大航速,而且在巡航和低速行驶时,燃料消耗却相对较高。试图通过安装降低功率的巡航涡轮并通过单级减速器连接到螺旋桨轴来解决这个问题,但最终问题只增加了,因为巡航涡轮只能以一种模式运行 - 不能调节转速。

伊丽莎白战列舰



虽然在“无畏舰”上使用涡轮动力装置的经验在查尔斯·帕森斯的积极参与下使得主要涡轮得以更灵活地使用并实现了可接受的燃料经济性,但在建造下一代战列舰时完全放弃巡航涡轮并不可行。随后,通过结构改进,采用可调节多级涡轮和应用减速装置,可以将涡轮的总体效率提高,其中涡轮轴与螺旋桨轴的连接不再是直接刚性连接,而是通过传动比为10:1的单级减速器连接。在这种情况下,螺旋桨轴的转速保持在300转/分钟左右,而涡轮轴的转速提高到3000转/分钟,从而允许使用工作压力较高的锅炉设备。

"女王伊丽莎白"、"勇猛" 和 "马来亚"号上安装的巴布科克-威尔科克斯锅炉



到20世纪初,大多数海上强国已经确定了各自舰队使用的锅炉类型。英国皇家海军主要选择使用巴布科克-威尔科克斯(Babcock-Wilcox)和亚罗(Yarrow)类型的锅炉。

斯蒂芬·威尔科克斯于1856年获得了新型锅炉的专利,并于1867年与乔治·巴布科克共同创立了生产该锅炉的公司。根据现代分类,该锅炉属于多室分段锅炉。其主要特点是加热管是以15度或更大角度排列的直管,这些管子的两端通过扩口连接到特殊形状的垂直集管上,这些集管又与主要的蒸汽生成集管连接,实际上起到了加热管和下降管的作用。为了增加燃烧产物的热传递效率,加热管之间安装了特殊的隔板,使气体流在锅炉内部的路径延长,从而提高了热效率。

巴布科克-威尔科克斯海军型锅炉,图解



锅炉的设计极其简单和高效,这种加热管的布置在清洁或更换时不会出现问题。因此,不久之后,巴布科克-威尔科克斯锅炉获得了全球的认可,并且所有自称为主要海上强国的国家都开始生产这种锅炉。

巴布科克-威尔科克斯型锅炉的管道部分



根据性能指标:当使用煤炭燃料时,燃烧强度不超过150公斤/平方米的炉排面积;混合燃料时,燃烧强度不超过175公斤/平方米。尽管由于相对于亚罗型锅炉,巴布科克-威尔科克斯锅炉的燃烧室体积较小,导致其强化燃烧的能力受到限制,但它具有与亚罗锅炉接近的蒸汽生产能力,易于适应石油燃料,可进行现代化改造,最重要的是可以在行军条件下无须完全拆卸锅炉进行维修,这些特点使得皇家海军部在选择主要锅炉时陷入了犹豫。

阿尔弗雷德·亚罗首次采用了三集管水管锅炉的设计方案,其中两个下部水集管和一个上部汽水集管位于等腰三角形的顶点。集管通过几排直立的下降管和加热管连接,并通过扩口连接固定在集管中。为了方便在生产过程中进行扩口,集管被设计为可拆卸的,上部部分平坦或具有较大半径的圆角。集管本身通过铆接连接组装,端部配有维修用的检查口。

雅罗双流锅炉



锅炉的设计非常成功,唯一的难题是管道的维修和更换,但几乎所有海上细管锅炉都存在这个缺点。此外,部分管道不需要更换,而是可以封堵,这在实际操作中也得到了应用,并且这一缺点被接受了。相对于这一缺点,该锅炉具有显著的优点:除了生产简单和成本低廉外,还可以进行高强度燃烧(允许燃料燃烧量临时增加40%),并且其大燃烧室容积使得锅炉容易先适应混合燃料,随后又适应石油燃料。这种类型的锅炉能够很好地应对快速温度变化,能够快速进入工作状态,并且在相对较低的工作压力(12.3,最大18.96)下,其蒸汽生产能力不逊于其他类型的锅炉。此外,该锅炉在发展和现代化方面展现出了巨大的潜力。

1917年斯卡帕-弗劳的巴翰号战列舰



因此,海军部面临着在两个制造商之间做出复杂选择的挑战。不得不提的是,海军部对战列舰的要求中明确规定了最高航速为25节,而根据计算,这需要至少75000马力的动力装置。显然,这一目标只能通过将未来战列舰的锅炉转换为使用石油作为主要燃料来实现,因为混合煤-石油燃料的锅炉被认为是没有前途的。

此外,起到决定性作用的还有丘吉尔在担任海军大臣期间的努力。到1914年,英国通过他的努力获得了英波石油公司(Anglo-Persian Oil Company)的控股权,这使得英国不再担心依赖外部的液体燃料供应。

1917年的瓦里安特号战列舰,搭载了布朗-柯蒂斯式涡轮机



但是,海军部最终未能选择唯一的锅炉制造商(同样也未能选择唯一的涡轮制造商),因此“伊丽莎白女王”级战列舰的动力装置各不相同——它们使用了不同类型的锅炉(Babcock-Wilcox或Yarrow)和涡轮机(Parsons或Brown-Curtis)的组合。“厌战”号(Warspite)的动力装置由“Hawthorn Leslie”公司制造,“伊丽莎白女王”号(Queen Elizabeth)和“马来亚”号(Malaya)的动力装置则由“Wallsend Shipway”公司制造,其余两艘的动力装置则由相应的制造公司生产。不变的是动力装置的布局和组成:在四个舱室中安装24台锅炉,分为两根烟囱排烟(每根烟囱12台锅炉),以及四台涡轮机:两台高压涡轮机和两台低压涡轮机,分布在三个舱室内。高压涡轮机位于船舷两侧,驱动外侧轴;低压涡轮机位于中央舱室,驱动内侧轴,且在中央舱室内还安装有蒸汽冷凝器。

经过改装的战列舰“沃斯佩特”



在“厌战”号(Warspite)上安装了Yarrow锅炉和Parsons涡轮机。在1915年4月11日的测试中,这些设备在强化模式下输出了75,510马力,使得舰船速度达到了24.65节。

根据设计,燃料储备为3,500吨,以确保5,000英里的航程,但由于超载,实际储备量不超过2,800吨。因此,可以推测实际航程不超过4,000英里。此外,船上还储存了最多100吨的煤,用于辅助锅炉,为浴室、厨房和洗衣房提供热水和蒸汽。

"巴肯战列舰"改装后的中部



在服役期间,“伊丽莎白女王”级战列舰进行了多次现代化改造,但首先获得新动力系统的是“厌战”号(Warspite),这一改造于1934至1937年在朴茨茅斯船厂进行。此前,在哈斯拉(Haslar)市的海军部液体燃料研究中心进行了相关研究,结果是开发了新的海军部型锅炉。这种锅炉实际上是对Yarrow锅炉的深度改进,专为石油燃料进行了优化。大体积的燃烧室和液体燃料的高热值大大增强了燃烧过程的效率,但也带来了热量传递的挑战。

不规则形状的下水集管在曲率变化处成为应力集中的区域,长期运行后容易出现裂纹。此外,由于锅炉采用自然循环,温差不足以有效冷却材料,导致降温管和沸腾管的寿命显著缩短。

“伊丽莎白女王”级战列舰,搭载帕森斯涡轮机。



第一个问题相对简单地解决了,通过使集水器在整个横截面上都呈圆形来解决。但要改善循环问题,就必须进行大量工作。最终,为了增加温差,决定在管道的末端弯曲,从而增加它们之间的距离。新构造在1927年首先在驱逐舰上进行了测试,然后为战列舰的现代化准备了增强版,将工作压力提高到20.4Pa,并增加了蒸汽产量。此外,在下水和沸腾管之间安装了过热器,进一步改善了锅炉中的循环。

海军部型锅炉,示意图。



最终,"威尔斯派特"号上的24台旧锅炉被6台新的Admiralty型号锅炉所取代,同时涡轮机也得到了改进。直接传动涡轮机被带齿轮传动的帕森斯涡轮机所取代,包括一个简单类型的减速器。每台涡轮机在轴上输出20,000马力,转速为每分钟300转(总功率为80,000马力)。每个新锅炉都安装在单独的舱室中,通过纵向隔板分隔开,船首的锅炉舱被空出来,可以用于其他用途。

海军部型锅炉的管道部分。



三座容纳机器和涡轮机的隔舱被纵向和横向隔板分隔,最终形成了四个独立的机舱和四个独立的涡轮机舱。类似的现代化改造也应用于“伊丽莎白女王”号和“英勇”号战舰(这艘战舰曾一度是该型战舰中最慢的),但在海军部总工程师的坚持下,这些战舰上的锅炉数量增加到了八个,并且出于维护战舰生存能力的考虑,取消了纵向隔板。机舱的配置也有所不同,不仅是涡轮机的位置,还包括隔舱的划分。旧的隔板被拆除,涡轮机重新排列,并安装了新的纵向和横向隔板。

战列舰“勇敢号”(1943年5月5日)在现代化改造后安装了8台海军部型锅炉。



前两个舱内安置了涡轮机,后两个舱则安装了辅助设备。新动力装置显著减轻了重量并提高了经济性(见表1)。



这些战列舰以这种状态迎来了第二次世界大战。有趣的是,在20世纪20年代,英国海军指挥部在规划新战列舰舰队的建设时,已经不再计划建造“快速”战列舰,也没有计划大幅提高其速度。尽管最初的战列舰设计中规定的速度是25节,但英国海军上将们已经准备接受更为适中的23节速度。

1944年,装备有海军部型锅炉的战列舰“伊丽莎白女王号”



而且,在建造“伊丽莎白女王”级战舰后,英国人在建造下一代战舰——“复仇”级战列舰时,便已经为了加强装甲而降低了航速。而在稍作停顿后建造的“纳尔逊”级新型战列舰,也正是为了适应这样的速度要求而设计的。考虑到日本的“长门”号战列舰正是按照“快速战列舰”的理念建造的,这一决定显得相当奇怪,但不久之后,时间证明了一切。

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