科普利獎章得主的物理學家群像(四) 蒸汽渦輪機之父 (上)：發電巨人
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- 撰文者：高崇文
- 發文日期：2023-05-11
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上一回我們介紹了科普利獎章1923年的得主蘭姆爵士，下一位拿到科普利獎的物理學家是兩年之後，1925年頒給了愛因斯坦，這位當然不用再另外介紹。三年之後的1928年，科普利獎則是頒給了一位另類的物理學家，也許稱呼他是發明家，工程師更為貼切，他就是蒸汽渦輪機之父，查爾斯·阿爾杰農·帕森斯 (Charles Algernon Parsons) 。帕森斯得到科普利獎時，早就功成名就，而且也已經七十高齡了。在公眾的心目中，他的名字總是與蒸汽渦輪機連在一起，儘管他對科學和工程進步的貢獻遠遠不止於此。他作為工程師的名聲可與大約一個世紀前的瓦特相媲美，他的影響力甚至可能比瓦特更廣泛，更深遠。不過有關他的漢文資料卻顯得相當稀少，就讓阿文我來填滿這個缺憾吧。
查爾斯·阿爾傑農·帕森斯 (Charles Algernon Parsons) 1854 年 6 月 13 日出生於倫敦，是著名天文學家第三代羅斯伯爵，威廉·帕森斯 (William Parsons, 3rd Earl of Rosse) 最小的兒子。帕森斯家族領地是愛爾蘭奧法利郡的比爾 (Birr)，其實從 1620 年到 1901 年，比爾鎮被稱為帕森斯敦 (Parsonstown)。 帕森斯的父親在比爾鎮建造了巨大的 6 英尺反射望遠鏡遠近馳名。他家的祖先在 16 世紀末從英格蘭遷移到了愛爾蘭。這個家庭培養了眾多在政治、軍事和科學領域的人才。帕森斯的父親既是傑出的工程師又是天文學家，還當過皇家學會主席 (1848-1854)。家族所在地，比爾鎮，成為當時主要科學家的聚會場所，因此查爾斯·帕森斯從小就在濃厚的學術氛圍中成長。帕森斯與他的三個哥哥一起，都是在愛爾蘭的家中由家庭教師教導，這些家教都精通科學，後來也都成為在伯爵的天文工作中擔任實用助手。（哈！所以正港的貴族沒有在吵學區的啦！）其中一位家教是後來的愛爾蘭皇家天文學家羅伯特·鮑爾爵士。他在17 歲時進入都柏林的三一學院，在那裡他待了兩年，然後於 1873 年前往劍橋。當時劍橋還沒有工程學院，但帕森斯參加了機械和應用力學等講座，他的數學也學得很好，在 1877 年的畢業考 (Tripos) 以第十一名的優異成績畢業。
從劍橋畢業後，帕森斯先是在位於紐卡索（Newcastle upon Tyne）的威廉·阿姆斯特朗爵士公司 (W.G. Armstrong) 的埃爾斯維克工廠當了四年的學徒。貴族少爺跑去工廠當學徒，可以說是非常罕見的事。這個經歷對於伯爵之子來說可不尋常，但是這也練就了帕森斯的實作功力。他隨後在利茲的 Messrs Kitson 公司工作了兩年，在那裡他開發了一台四缸高速外擺線蒸汽機，他還忙於用火箭推進魚雷的實驗。1884 年，他在位於泰恩河畔蓋茨黑德的 Clarke, Chapman and Co. 公司成為合夥人，並負責他們新組建的電機部門。他立即投入到生產實用蒸汽渦輪機的問題上，並於同年建造了他的第一台蒸汽渦輪機。
帕森斯第一台小型渦輪機的成功，象徵了蒸汽工程史一段最具革命性變革的開始。因為渦輪機是通過蒸汽的速度，而不是靠它的壓力來產生動力，所以不會受往復式蒸汽機的機械限制。它的發明讓機器產生的功率增加了一百倍，而且還提供了驅動發電機和許多其他類型的機器所需要的高速旋轉運動。可以這麼說，渦輪機讓蒸汽成為真正划算的動力來源。
帕森斯發明蒸汽渦輪可以算是大勢所趨。因為往復式蒸汽機已經稱霸了一百年，實際上也到了發展的極限。幾代工程師的辛勞將它提升到了非常高的水準，沒有進一步的設計改進能夠對其效率產生任何實質性的提高。此外，由於尺寸和重量的考慮，往復式發動機的功率僅限於幾千馬力的單位，因此如果蒸汽工程想要再進步，也只能另闢蹊徑。在工程的領域也好，其他的領域也是如此，一旦追求完美，最後的結局都是走向停滯，因此如果要繼續取得進展，勢必要做出根本性的改變。雖然這個道理大家都懂，但在帕森斯的同代人之中，也只有帕森斯從渦輪原理中看到了擺脫往復式發動機限制的方法，或者更準確地說，只有他擁有將可能性變為現實的天才和勇氣。從他最早的專利中可以清楚地看出，他從一開始就預見到渦輪機應用的多樣性，他以令人欽佩的方式解決了一個接一個的實際工程難題。帕森斯讓它贏得了人們對蒸汽動力生產的標準類型原動機的認可，渦輪機不再是一個精巧的玩具，而是穩定而可靠的動力來源了。
蒸汽渦輪的本質就是利用蒸汽噴射的速度來產生動力，而不是像普通的往復式發動機那樣利用蒸汽的壓力來驅動活塞。很明顯，蒸汽射流可以通過作用在輪子圓周上的葉片來轉動輪子，就算當蒸汽從旋轉輪子或臂中的孔切線逃逸時，它還是可以通過自身的反應來產生動力。事實上，這兩種裝置都早已被發明了，但用這兩種方法建造實用渦輪機卻沒那麼簡單。其中最大的困難，在於利用蒸汽的極快速度。即使是在相對低壓下逃逸到大氣中的蒸汽，也很容易以超過每秒 2500 英尺或每小時超過 1700 英里的速度行進，而流入高度真空的高壓蒸汽甚至可能會達到這個速度的兩倍。為了在簡單的渦輪機中有效地利用這種速度，葉片或其他運動元件必須以蒸汽的一半左右的速度行進，否則蒸汽的射流能量絕大部分都會被浪費掉。因此，那麼高的葉片轉速會讓葉片故障，因為它們無法根本承受這麼大的離心力，所以不可行。
其實早在一百年前，著名的工程師，瓦特，憑藉他良好的工程師直覺，就已經意識到這一事實，他寫給合夥人博爾頓的一封信中，他就表明了這一點。他的合夥人曾表示擔心擬議中的蒸汽輪機有可能對他們的發動機的業務產生影響，但瓦特以『沒有上帝能使物體每秒移動 1000 英尺 』。這樣的評論讓他的合夥人閉嘴。儘管今天的大型渦輪機，其葉尖的運行速度甚至比瓦特認為只有在上帝的特殊安排下才能實現的速度還快，但在帕森斯開始工作的時候，這樣的速度依然是高到不可行。因此，他必須將蒸汽速度和葉片速度降低到可控的程度，來確保蒸汽速度和葉片速度之間能夠保持適當關係。他是如何解決這個問題的呢？
這正是帕森斯顯現他天才之處。他注意到，蒸汽射流的速度顯然取決於引起流動的壓力差。 於是乎他想到，可以通過一系列步驟，使蒸汽的分段來膨脹。將蒸汽的整個膨脹細分為許多個階段的話，每個階段壓力下降都夠小，葉片的速度變成相對適中，這樣就就可以達到他的目的了。帕森斯這個將蒸汽的整個膨脹細分為許多個階段的原則仍然是所有高效渦輪機設計的基礎呢。
為了實現這個想法，帕森斯建造了一個渦輪機，由一個封閉在外殼中的圓柱形轉子組成。蒸汽沿著兩者之間的環形空間流動，它必須通過交替地固定在外殼和轉子之間的葉片環。每個環的葉片之間的通道實際上形成了一組噴嘴，其中可以讓蒸汽分段膨脹。在通過每個固定葉片環時，由於這種膨脹，蒸汽獲得了一定的速度，這樣形成的射流驅動隨後的一排葉片，以此釋放它們的動能。葉片之間的通道也充當噴嘴，允許進一步的分段膨脹，因此移動葉片部分受到進入它們的蒸汽的『作用』和部分離開它們的蒸汽的『反應』推動。這個精巧的設計就能完美達到帕森斯原先的構想了。
不過帕森斯還有許多實際的問題需要解決。首先他不僅要發明合適的葉片的形狀，而且還要達到完全超出當時工程能力能達到的製造條件。舉例來說，他為了在小型渦輪機中獲得所需的葉片速度，必須先建造一個每分鐘 1000 轉的轉子。這比當時最快的往復式發動機快 50 多倍，而且它需要發明一種新型軸承，因為以這樣的速度運行的轉子不可能沒有振動，該軸承不可避免地失去數學上的完美平衡，所以他必須想辦法讓這些軸承保持持續潤滑，並且必須設計一種全新控制機器速度的方法。此外，蒸汽的流動會導致葉片的端部推力，帕森斯必須防止這種推力傳遞到軸承上，因為這可能會造成麻煩，他必須想辦法讓蒸汽均勻地流向每一端。帕森斯不斷地改良蒸汽渦輪的設計，並尋找更多的運用機會。
渦輪機最明顯的應用就是拿來驅動發電機。當時正是電力事業起步的時候。1882年湯瑪士愛迪生在倫敦Holborn Viaduct興建第一座發電廠，英國成為全世界第一個以燃煤發電的國家。但由於虧損嚴重，最終於1886年9月關閉。最早的發電機是由往復式發動機飛輪上的皮帶以每分鐘 1000 到 1500 轉的速度驅動。帕森斯打算建造可以直接由他的渦輪機以每分鐘 18,000 轉的速度驅動的發電機，由此做出一個小型、簡單且獨立的發電機組。當時電機工程還處於非常初級的狀態，主要依賴於經驗知識，霍普金森(John Hopkinson, 1849–1898) 提出磁路理論並製定電氣設計的基本原理還是兩年後的事。他要同時解決電機和機械問題，因為核心中的磁力變化比任何迄今為止建造的機器都要快得多，而所需的機械應力要由電樞表面的金屬產生5.5 噸的離心力來提供。帕森斯以他在渦輪機設計中表現出的同樣大膽的態度來面對這個問題，並取得了同樣驚人的成功。帕森斯在1884年建造的渦輪機和發電機都達到原先設計的要求。他最早的發電機是雙極型 (bipolar type) 的，在 100 伏時輸出 75 安培。經過多年使用，這個歷史悠久的裝置候來被送給南肯辛頓的科學博物館，在那裡被精心保存以供後代參考。
渦輪機發電並不是馬上就大受歡迎的。儘管到了 1888 年，約有 200 台渦輪發電機已經在運轉，但他們幾乎只用於船舶照明任務，還沒有電燈公司注意到他們。隨著電力需求不斷增長，產業界不僅需要更大的發電機組，而且需要更高的輸電電壓，以便能更經濟地提供服務給更廣泛的業者。早期的做法是產生大約 2000 伏特的電壓，並在需要時通過變壓器提高電壓。工程師Sebastian de Ferranti (1864-1930) 於 1889 年通過設計大型低速交流發電機為他著名的多弗（Deptford）發電站產生 10,000 伏的單相電流，在高發電電壓發展上處於領先地位。然而，這些機器並不普及，對整個行業的影響很小。因此，帕森斯決定，他必須親自將渦輪機成為發電機的主流。1889年，他離開原來的公司，在紐卡索成立了C. A. Parsons and Company，按照他的設計生產渦輪發電機。 同年，他成立了紐卡斯爾和地區電氣照明公司（DisCO）。
1890 年，DisCo 開設了福斯班克斯發電站，這是世界上第一個使用渦輪發電機發電的發電站。該公司於 1890 年 1 月在 Forth Banks 的一個車站配備了一對 75 千瓦的渦輪交流發電機。但即使是這種服務也未能引起任何普遍的興趣，帕森斯不得不冒著財務風險，成立電力公司向，劍橋 (1892 年) 和斯卡伯勒 (1893 年) 供電。為的是提供用戶足夠的信心來安裝渦輪機械。結果幸運之神降臨，大都會電力供應公司的倫敦總站在1894 年出了狀況，差點因往復式發動機造成的麻煩而完全關閉，幸好渦輪機成功地挽救情勢，這件事確定了渦輪機的優勢地位。越來越大的機組不斷被要求，隨著尺寸不斷增加，渦輪機的優勢變得更加明顯。
然而用渦輪機發電，卻還有個沒料到的的障礙。蒸汽渦輪機本質上是一個高速原動機，直接連接到可以高速運行的機械時，它就能顯示出最大的優勢。 這個速度適用於大範圍的發電機，但較小尺寸的交流發電機和大多數連續電流發電機需要以低於最佳渦輪速度來運行，因為渦輪速度可能太高而無法直接驅動，甚至在許多情況下甚至是不可行的。使渦輪機的速度獨立於被驅動機械的速度的明顯方法是在兩者之間插入減速齒輪。帕森斯在 1896 年開發出他的渦輪機齒輪傳動，建造了一個由 150 千瓦組成的齒輪裝置。以 4800 R.P.M. 運行的交流發電機由轉速為 9600 R.P.M. 的渦輪機驅動（4800 R.P.M 代表每分鐘4800轉的縮寫）。 第二年，他為小型蒸汽發射器配備了轉速不低於 19,600 R.P.M. 的渦輪機。通過單螺旋齒輪以 1400 R.P.M. 驅動兩個螺旋槳軸。這兩種裝置都非常成功。此後蒸汽渦輪發電事業進展非常迅速。1900 年，帕森斯製造了 1000 千瓦的發電機組。接著他在 1905 年提供了一對 1500 千瓦，11,000 伏特的渦輪交流發電機為肯特郡的 Frindsbury 發電站供電。首次真正向現代條件邁進。 一旦證明可以為這麼高的電壓安全地製造高速交流發電機以後，蒸汽渦輪機很快就成為一種常見的發電設備。和以前一樣，當傳輸需要更高的電壓時，它們是通過使用變壓器來獲得的，這些變壓器通常永久地連接到它們所服務的機器上。而在 1912 年，他著手建造一台輸出功率為 25,000 千瓦的渦輪交流發電機，這是當時世界上最大、效率最高的發電機組。這台機器安裝在芝加哥市的 Fisk Street 發電站，並證明它非常成功，以至於帕森斯在 1923 年還獲得了一份 50,000 千瓦機組的合同。
帕森斯為了提升渦輪機的經濟效應，可以說是不遺餘力。他利用通過給水來再生加熱，來達到改善蒸汽輪機裝置的熱力循環，雖然 James Weir 於 1876 年就提出這個想法。但卻是帕森斯於 1916 年在 Blaydon Burn 發電站首次應用這一原理，通過從渦輪機中提取的不同壓力下的部分膨脹蒸汽逐步加熱給水，這個過程現在成為世界上每一個高效的蒸汽發電廠都加以採用的程序了。這些進步的結果，加上他多產的大腦帶來其他改進，使他能夠製造出能夠以不超過每小時 9280 B.T.U. 的熱量消耗運行的發電機組。(1 BTU代表1英磅的水升高華氏1度 (1℉) 所需要的熱量。 通常 1 Kcal 大約是 4 BTU 左右。)
然而，在帕森斯看來，在 11,000 伏特左右的電壓下仍嫌不夠高。因此，他用他一貫的精力和洞察力解決了這個問題，結果在 1928 年他生產了可以產生25,000 千瓦，它的電壓是 36,000 伏特的渦輪交流發電機。它於同年安裝在 倫敦北邊的Brimsdown 發電站。該機器的繞組是按照全新的原理構造的，它可以產生 36,000 伏的電壓，而不會使繞組的絕緣層承受比普通 11,000 伏發電機更大的應力。這台機器非常成功，帕森斯再次為發電機樹立了新標準。在英國和國外，許多最重要的發電站現在都採用了直接以 36,000 伏特發電的做法，從而消除了以前所需大型昂貴的升壓變壓器。
帕森斯的種種發明對當時的經濟發展影響重大，因為蒸汽發電站發電的電價主要取決於三個因素，那就是發電所需的燃料量、電站和設備的資本費用以及工廠的運行和維護費用。在所有這些方面，渦輪機械的影響都是很深遠的。不同於往復式發動機的時代，一個現代化的電站可以用一小部分燃料來運行，這主要是因為渦輪機的效益比往復式蒸汽機大上許多。由於單個渦輪單元的尺寸較大，所以資本和人工費用也變得比較低。渦輪機械的簡單性和可靠性大大提高，也讓維護成本也大大降低。所以帕森斯的工作而產生的燃料經濟收益是難以估量的。僅僅在英國的發電站，每年就可以省下數百萬噸煤呢。
由於文明生活的便利幾乎完全取決於工業用途的電力供應，從這個角度來看，查爾斯·帕森斯爵士在蒸汽使用方面帶來的革命性改進對人類福祉做出了巨大的貢獻。光是這項成就就足以使他名垂青史了，但是他的豐功偉業遠不止於此，阿文下一回要介紹他如何將蒸汽渦輪機引進船上，造成海上運輸史上的大變革，敬請期待！
參考資料：