03.05 快速战列舰诞生的技术基础是什么?

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实际上来说,快速战列舰的诞生,有赖于动力技术的发展,早期无畏舰动力水平较低,为了达到高航速,必须安装更重的主机和大量的锅炉,结果一方面动力系统本身占用了大量吨位,另外一方面庞大的动力舱室又要求更大得防护面积,结果就是快速主力舰不得不在防护水平上做出妥协,也就是所谓战列巡洋舰。

狮号战列巡洋舰是典型的一战前战巡,42台锅炉将舰体拉的很长,而驱动四个螺旋桨的只是2台直结式汽轮机组。

对于快速战列舰的诞生比较重要的动力技术大致有以下几个

燃油锅炉,燃油热值高于煤炭,而且使用方便,但是燃油锅炉对于动力提升的效果并不是非常明显,但是它是锅炉技术发展的基础之一。

伊丽莎白女王级一般被认为是第一种快速战列舰,不过其动力系统并未成熟,除燃油锅炉外并没有采用什么新技术,其锅炉数量仍然达到了24台。

细管水管锅炉(small-tube boiler),细管意味着更大的加热面积和更高的蒸汽转换率

蒸气压强和蒸汽温度的提高,这点是最直观反映动力系统性能提高的,无畏号战列舰炉压1724kPa,长门级炉压1972kPa,为了达到26节航速堆了21台锅炉,乔治五世级炉压爬到了2800kPa/371摄氏度,而北卡罗来纳级达到了3960kPa/454摄氏度,南达科他级和衣阿华级则升级到4137kPa/454摄氏度,当然喜欢追求极限的德国人更变态,俾斯麦级的蒸汽达到了6800kPa/450摄氏度,当然,追求极限是要付出代价的,德国二战所有使用超高压过热炉战舰,除了俾斯麦级一个死的早,一个整天宅之外,包括沙恩霍斯特级和所有驱逐舰在内没有一条不饱受蒸汽管线故障之苦的。

沙恩霍斯特级的锅炉与俾斯麦级性能接近,终其一生饱受蒸汽管线故障之苦

衣阿华级是战列舰航速的王者,不过美国佬没有像德国人那样追求蒸气压力的极限,衣阿华级直到80年代仍能跑出34节的非正式航速记录

再有一个就是汽轮机的齿轮减速联动装置,在这个装置投入使用之前,蒸汽轮机面临巨大的转速问题,一方面是汽轮机最优转速和螺旋桨最优转速有着巨大的落差,汽轮机最优转速往往超过2000RPM以上,低于这个转速汽轮机效率会严重下降,而螺旋桨最优转速在200-300多RPM,如果转速过高会产生严重的空泡效应,导致推进效率严重下降,而且螺旋桨本身的机械性能也不足以承受过高的转速,所以早期直结式汽轮机必须将就螺旋桨的转速,这就严重影响了汽轮机的效率,同时,直结式汽轮机还有一个麻烦,就是高低压涡轮组的转速也有很大差距,如果联结同一个螺旋桨的话转速没法匹配,这就导致只能在高低压涡轮组各驱动一个螺旋桨,和只使用高压涡轮组之间选择,前者效率倒是比较高,但是变成了一台汽轮机驱动两个螺旋桨,对提升总功率,提高航速不利,后者牺牲了效率,但是对功率提高的贡献也非常有限,历史上一战之前英国人选择了前者,德国人选择了后者,而强调效率和航程的美国人一度选择了电驱动,即用涡轮组驱动发电机发电,再用电动机驱动螺旋桨,但是这种方式需要额外的空间和重量来安装发电机和电动机,而且发电机和电动机的功率也要受到空间和重量限制。1910年帕森斯发明了齿轮减速联结装置,这样一来不但解决了汽轮机和螺旋桨转速匹配问题,同时还解决了高低压汽轮机联动的问题,这样使得可以用一台完整的汽轮机而不是仅仅一个涡轮组来驱动单个螺旋桨,不过齿轮减速联动装置成熟到足以安装在主力舰上要到一战后期了,英国第一个配备帕森斯齿轮联动减速汽轮机的大型战舰是1915年开工的勇敢级大型轻巡洋舰。


无畏号的左舷汽轮机组示意图,3是高压倒车涡轮组,6是高压进车涡轮组,18是低压倒车涡轮组,19是低压进车涡轮组,22是巡航涡轮组,可以看出高低压涡轮组各自驱动一个主轴,巡航涡轮组与低压涡轮组共轴,巡航时只使用内侧螺旋桨。


勇敢级大型轻巡洋舰是英国首先采用齿轮减速汽轮机的大型战舰




美国人在内华达号上实验性的采用了早期带齿轮减速的汽轮机,在宾夕法尼亚级上试用了带齿轮减速巡航涡轮组的直结式汽轮机,最终从新墨西哥级开始全面采用汽轮机+电驱动方式

更换高压过热炉和齿轮减速汽轮机的好处,声望号是个典型例证,30年代改造中,声望号把42台老式水管炉换成了8台2800kPa级高压锅炉,并且把两台直结式汽轮机换成了四台齿轮减速式汽轮机,结果不但总功率从112000轴马力提升到120000轴马力,而且减重2800吨,同时还腾出了前锅炉舱作为高炮弹药库和其他用途。在声望号之前接受类似改造的厌战号战列舰因为是第一个接受类似改造,所以相对保守一些,除更换齿轮减速汽轮机外,用6台高压锅炉替换了24台老式锅炉,总功率略有下降(75000轴马力降到72000轴马力),但是同样节省了1500吨重量用于加强防护和增加高炮。两舰在二战中的抢眼表现跟动力改造也不无关系。

1939年改造后的声望号,通过全面动力改造声望号节省了2800吨重量和前锅炉舱的空间,声望号和厌战号也是英国在间战期仅有的两艘进行了彻底动力改造的老主力舰,它们在二战期间的活跃与此不无关系

从声望号和厌战号改造可以看出,新的动力技术使得30年代设计师在设计主力舰时不必再为如何平衡航速和防护,如何堆积更多锅炉来提高航速而挠头,要知道第一代快速战列舰伊丽莎白女王级为了达到24节航速堆了24台锅炉,而长门级虽然采用了齿轮减速汽轮机,仍然为26节航速堆了21台锅炉,到了30年代之后设计快速战列舰对于发达工业国家已经是轻而易举的事情了,当然,像德国人那种追求极限的做法,搞成轮机兵的噩梦也是有些过分了。


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