03.05 快速戰列艦誕生的技術基礎是什麼?

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實際上來說,快速戰列艦的誕生,有賴於動力技術的發展,早期無畏艦動力水平較低,為了達到高航速,必須安裝更重的主機和大量的鍋爐,結果一方面動力系統本身佔用了大量噸位,另外一方面龐大的動力艙室又要求更大得防護面積,結果就是快速主力艦不得不在防護水平上做出妥協,也就是所謂戰列巡洋艦。

獅號戰列巡洋艦是典型的一戰前戰巡,42臺鍋爐將艦體拉的很長,而驅動四個螺旋槳的只是2臺直結式汽輪機組。

對於快速戰列艦的誕生比較重要的動力技術大致有以下幾個

燃油鍋爐,燃油熱值高於煤炭,而且使用方便,但是燃油鍋爐對於動力提升的效果並不是非常明顯,但是它是鍋爐技術發展的基礎之一。

伊麗莎白女王級一般被認為是第一種快速戰列艦,不過其動力系統並未成熟,除燃油鍋爐外並沒有採用什麼新技術,其鍋爐數量仍然達到了24臺。

細管水管鍋爐(small-tube boiler),細管意味著更大的加熱面積和更高的蒸汽轉換率

蒸氣壓強和蒸汽溫度的提高,這點是最直觀反映動力系統性能提高的,無畏號戰列艦爐壓1724kPa,長門級爐壓1972kPa,為了達到26節航速堆了21臺鍋爐,喬治五世級爐壓爬到了2800kPa/371攝氏度,而北卡羅來納級達到了3960kPa/454攝氏度,南達科他級和衣阿華級則升級到4137kPa/454攝氏度,當然喜歡追求極限的德國人更變態,俾斯麥級的蒸汽達到了6800kPa/450攝氏度,當然,追求極限是要付出代價的,德國二戰所有使用超高壓過熱爐戰艦,除了俾斯麥級一個死的早,一個整天宅之外,包括沙恩霍斯特級和所有驅逐艦在內沒有一條不飽受蒸汽管線故障之苦的。

沙恩霍斯特級的鍋爐與俾斯麥級性能接近,終其一生飽受蒸汽管線故障之苦

衣阿華級是戰列艦航速的王者,不過美國佬沒有像德國人那樣追求蒸氣壓力的極限,衣阿華級直到80年代仍能跑出34節的非正式航速記錄

再有一個就是汽輪機的齒輪減速聯動裝置,在這個裝置投入使用之前,蒸汽輪機面臨巨大的轉速問題,一方面是汽輪機最優轉速和螺旋槳最優轉速有著巨大的落差,汽輪機最優轉速往往超過2000RPM以上,低於這個轉速汽輪機效率會嚴重下降,而螺旋槳最優轉速在200-300多RPM,如果轉速過高會產生嚴重的空泡效應,導致推進效率嚴重下降,而且螺旋槳本身的機械性能也不足以承受過高的轉速,所以早期直結式汽輪機必須將就螺旋槳的轉速,這就嚴重影響了汽輪機的效率,同時,直結式汽輪機還有一個麻煩,就是高低壓渦輪組的轉速也有很大差距,如果聯結同一個螺旋槳的話轉速沒法匹配,這就導致只能在高低壓渦輪組各驅動一個螺旋槳,和只使用高壓渦輪組之間選擇,前者效率倒是比較高,但是變成了一臺汽輪機驅動兩個螺旋槳,對提升總功率,提高航速不利,後者犧牲了效率,但是對功率提高的貢獻也非常有限,歷史上一戰之前英國人選擇了前者,德國人選擇了後者,而強調效率和航程的美國人一度選擇了電驅動,即用渦輪組驅動發電機發電,再用電動機驅動螺旋槳,但是這種方式需要額外的空間和重量來安裝發電機和電動機,而且發電機和電動機的功率也要受到空間和重量限制。1910年帕森斯發明了齒輪減速聯結裝置,這樣一來不但解決了汽輪機和螺旋槳轉速匹配問題,同時還解決了高低壓汽輪機聯動的問題,這樣使得可以用一臺完整的汽輪機而不是僅僅一個渦輪組來驅動單個螺旋槳,不過齒輪減速聯動裝置成熟到足以安裝在主力艦上要到一戰後期了,英國第一個配備帕森斯齒輪聯動減速汽輪機的大型戰艦是1915年開工的勇敢級大型輕巡洋艦。


無畏號的左舷汽輪機組示意圖,3是高壓倒車渦輪組,6是高壓進車渦輪組,18是低壓倒車渦輪組,19是低壓進車渦輪組,22是巡航渦輪組,可以看出高低壓渦輪組各自驅動一個主軸,巡航渦輪組與低壓渦輪組共軸,巡航時只使用內側螺旋槳。


勇敢級大型輕巡洋艦是英國首先採用齒輪減速汽輪機的大型戰艦




美國人在內華達號上實驗性的採用了早期帶齒輪減速的汽輪機,在賓夕法尼亞級上試用了帶齒輪減速巡航渦輪組的直結式汽輪機,最終從新墨西哥級開始全面採用汽輪機+電驅動方式

更換高壓過熱爐和齒輪減速汽輪機的好處,聲望號是個典型例證,30年代改造中,聲望號把42臺老式水管爐換成了8臺2800kPa級高壓鍋爐,並且把兩臺直結式汽輪機換成了四臺齒輪減速式汽輪機,結果不但總功率從112000軸馬力提升到120000軸馬力,而且減重2800噸,同時還騰出了前鍋爐艙作為高炮彈藥庫和其他用途。在聲望號之前接受類似改造的厭戰號戰列艦因為是第一個接受類似改造,所以相對保守一些,除更換齒輪減速汽輪機外,用6臺高壓鍋爐替換了24臺老式鍋爐,總功率略有下降(75000軸馬力降到72000軸馬力),但是同樣節省了1500噸重量用於加強防護和增加高炮。兩艦在二戰中的搶眼表現跟動力改造也不無關係。

1939年改造後的聲望號,通過全面動力改造聲望號節省了2800噸重量和前鍋爐艙的空間,聲望號和厭戰號也是英國在間戰期僅有的兩艘進行了徹底動力改造的老主力艦,它們在二戰期間的活躍與此不無關係

從聲望號和厭戰號改造可以看出,新的動力技術使得30年代設計師在設計主力艦時不必再為如何平衡航速和防護,如何堆積更多鍋爐來提高航速而撓頭,要知道第一代快速戰列艦伊麗莎白女王級為了達到24節航速堆了24臺鍋爐,而長門級雖然採用了齒輪減速汽輪機,仍然為26節航速堆了21臺鍋爐,到了30年代之後設計快速戰列艦對於發達工業國家已經是輕而易舉的事情了,當然,像德國人那種追求極限的做法,搞成輪機兵的噩夢也是有些過分了。


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