科普利獎章得主的物理學家群像(四) 蒸汽渦輪機之父 (中):七海稱雄

  • 阿文開講
  • 撰文者:高崇文
  • 發文日期:2023-05-24
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上一回阿文介紹了發明了科普利獎章得主,發明蒸氣渦輪機的工程師,帕森斯,以及他如何讓發電機的效率大幅提高,帶來工業革命新一波的高潮。這一回阿文要介紹的是帕森斯的工程發明對航海事業產生的重大影響。還請諸位看官們賞光。

帕森斯很早對將航海事業有興趣,所以他在1894 年決定在 Wallsend-on-Tyne 創立一個獨立的公司,負責將蒸汽渦輪應用到海上運輸。這家後來被稱為 The Parsons Marine Steam Turbine Co., Ltd. 的公司立即著手建造一艘小船,這艘船就是長度為 100 英尺,排水量為 44 噸的杜賓娜號 (Turbinia)。要將蒸汽渦輪機放到船上當作動力來源,最早遇到的困難是螺旋槳難以配合渦輪產生的高速旋轉。杜賓娜號的渦輪機以 2000 R.P.M 的速度驅動一個螺旋槳。試驗結果令人失望。帕森斯嘗試改變螺旋槳的設計,但可以獲得的最快速度僅為 20 節左右。(船的速度一般常以「節(Knot) 」來表示,一節等於每小時行走一海浬的速度,而一海浬等於1852公尺,也就是說「一節」約等於每秒0.5144公尺的速度。)很明顯,要嘛渦輪機沒有發揮它該有的功率,要嘛就是螺旋槳的效率極低。為了解決這個問題,帕森斯設計了一種特殊的儀器,用來測量渦輪對傳動軸施加的扭矩。這台儀器是現代扭力計的原型,利用這個發明,帕森斯確信問題出在螺旋槳上,而不是渦輪機上。

 其實類似的困難也發生在配備往復式發動機的新型魚雷艇上。帕森斯和海軍當局得出相同的結論,原因就是由於水無法跟隨快速移動的螺旋槳葉片,因此在葉片尖端留下了一個空洞,因此讓推進力耗損掉所造成的。這種現象,現在稱為『空化』(cavitation),它也會發生在離心泵和水輪機中。帕森斯解決這個難題的方法是在杜賓娜號裝了三個軸,每個軸帶有三個螺旋槳,這樣整個推進力就被分配給了九個螺旋槳。通過這種改變,該船的速度達到了 34 節( 63 公里/小時;39 英里/小時)以上。這是一項非常了不起的成就,因為當時最快的驅逐艦也幾乎無法超過 27 節(50 公里/小時;31 英里/小時)。

 帕森斯不只是工程天才,更是個公關高手。他利用1897 年為慶祝維多利亞女王登基鑽石禧年而舉行的大型海軍閱兵上,露了一手,開啟了蒸汽渦輪機在海上的新紀元。當船隻在斯皮特黑德 (Spithead) 附近集結時,帕森斯親自操縱的杜賓娜號就在威爾斯親王、外國政要和海軍大臣面前,疾馳而過,一艘艘軍艦都被它超越,這當然引起了轟動! 海軍部無法忽視這樣的示範,馬上委託帕森斯建造一艘 30 節渦輪驅動的驅逐艦毒蛇號(H.M.S. Viper,H.M.S. 是 Her Majesty's ship  His Majesty's ship 的縮寫,英國海軍的軍艦都是以此命名)但是海軍向帕森斯要求先付 100,000 英鎊的保證金,以防船舶不符合預期。幸好毒蛇號 (HM.S. Viper) 進行正式測試時,渦輪機產生 12,000 馬力,船速超過 37 節,海軍開出的條件都得到滿足。大約在同一時間建造的第二艘渦輪驅動的驅逐艦眼鏡蛇 (HMS Cobra) 也由海軍接收,加入海軍。這是軍艦使用蒸汽渦輪機的濫觴。1902 年海軍部訂購了四艘 3000 噸級巡洋艦時,決定將其中一艘H.M.S.Amethyst(紫水晶號)配備渦輪機,以便將其性能與配備普通往復式發動機的三艘姊妹船的性能進行比較。結果發現,紫水晶號表現太好了,以至於海軍終於克服了對渦輪機械的偏見,自此更加重視渦輪機,這也為蒸氣渦輪機在海上的普遍採用敞開了大門。1905 年海軍部任命的海軍設計委員會建議未來渦輪機械應專門用於所有級別的軍艦。由於這一決定,無畏號 (HMS Dreadnought),當時世界上速度最快、武裝最強大的戰艦,也採用渦輪機。海軍大臣決定採用渦輪機械是因為它減輕了重量,也減少了工作部件的數量,因此減少了故障的可能性;工作平穩,操作方便,大功率時節省煤耗,從而節省鍋爐房空間,節省機房配套;還因為該系統提供了增強的保護,因為船上的發動機較低。種種優點讓蒸氣渦輪機成為高速軍艦的主要動力來源。

事實上,「無畏號」下水服役後,由於其技術與設計之先進遠超過同時代的戰艦,故以其為名自成一種新型戰艦的類別 ——「無畏艦」。這與啟用蒸汽渦輪當然有密布可分的關係!隨著「無畏艦」逐漸成為海軍實力、乃至於國力的重要指標,各國於是展開競相建造規模巨大的「無畏艦」,這場競賽包括了歐洲、亞洲和美洲的強國,尤其是英國與德國最為激烈、建造數量也最多。「無畏艦」造艦競賽一定程度上促成了第一次世界大戰的爆發,並一直持續到開戰當年。僅僅五年內,造艦技術迅速發展,「無畏艦」在火砲口徑、噸位、裝甲和推進力都有了飛躍性的提高,甚至出現了在前述的技術指標上發展到極致的「超無畏艦」,而原先領先全球的「無畏號」反而在開戰之後成為落伍的二線戰艦。第一次世界大戰結束後,列強為了避免再因造艦競賽重起戰端,召開了「華盛頓裁軍會議」,以此限制各國海軍軍艦的噸位和武裝,日本與西方國家衝突的導火線就埋根於此,台灣的命運也與此息息相關,以後當為無畏艦專寫一篇才是。

 導致海軍部放棄往復式發動機轉而支持海軍艦艇渦輪機的大多數原因,同樣也適用於大部分商船。事實上,快速班輪的服務條件需要在海洋中全速不間斷航行,這使得渦輪機顯得更加有優勢。1901 年帕森斯推出了第一艘渦輪動力蒸汽客船愛德華國王號 (TS King Edward);緊隨其後的是亞歷山德拉皇后號 (TS Queen Alexandra),第一艘穿越大西洋的渦輪船則是1903 年按照克里斯托弗·弗內斯爵士的命令建造的蒸汽遊艇 Emerald號,第二年,艾倫航運公司訂購了兩艘 13000 噸的船隻,弗吉尼亞號 (Virginian) 和維多利亞 (RMS Victorian) 號,來往於利物浦-加拿大的載客服務。這兩艘都是由渦輪機推動的。1904 年,英國政府與 Cunard 公司達成協議,該公司要建造兩艘平均航速至少為 24.5 節的新班輪,以便不僅可以用作快速郵遞員,還可以在戰爭的情況下當作海軍輔助船。他們的推進機械問題被提交給了海軍部和主要造船公司的強有力的委員會代表,他們明確表示支持渦輪機。這一決定,再加上海軍部在海軍中完全採用渦輪推進的決定,表明了渦輪機在海上的霸權。兩艘新班輪命名為「盧西塔尼亞號 ( Lusitania)」和「毛里塔尼亞號 (Mauretania)」於 1906 年下水,並於隔年投入使用。毛里塔尼亞號排水量為 38,000 噸,在 48 小時的全功率試驗中獲得了 26.04 節的速度,其渦輪機產生了 70,000 馬力。她以最快的穿越速度獲得了『大西洋藍絲帶』的稱號。她的姊妹船盧西塔尼亞號在 1917 年被一艘德國潛艇在沒有警告的情況下擊沉,造成 1000 多名乘客和船員喪生。毛里塔尼亞號於 1935 年退役,並在工作了 28 年後功成身退而被解體。

無畏艦、盧西塔尼亞艦和毛里塔尼亞艦,這些艦艇和其他艦艇的性能證明了渦輪機在推進所有軍艦和最快的商船,都優於往復式發動機的巨大優勢。但由於螺旋槳的正常速度遠低於渦輪機所需的轉速,因此龐大的慢速輪船和貨船船隊還無法使用渦輪機。渦輪機和螺旋槳的最有效速度之間存在差異,原因在於它們各自工作的介質:蒸汽和水的密度存在巨大差異。要嘛將渦輪機的直徑變成很大來保持葉片的圓周速度,要嘛通過使用大量的葉片排來降低每個渦輪機的蒸汽速度,在任何一種情況下,尺寸都會變得過大。帕森斯意識到,唯一真正解決問題的方法是在渦輪機和傳動軸之間提供某種連接,使每個渦輪機都能以最有利於效率的速度運行,因此他再次將注意力轉向機械傳動裝置。帕森斯隨後在渦輪機和螺旋槳之間引入了齒輪裝置,這又是向前邁出的一大步,因為它不僅縮小了機器的尺寸,並且提高了效率,而且使普通貨船能夠通過使用渦輪機。他進行了詳盡的實驗,以確定可以採用什麼樣的齒速,以及可以在安全和耐用的情況下始終如一地傳輸什麼樣的動力。結果令人鼓舞,為陸地和海上的渦輪機械開闢了新的可能性。為了對海上工作中齒輪的使用進行實際測試,帕森斯船用汽輪機公司於 1909 年購買了一艘排水量為 4350 噸的舊貨船 「維斯帕西亞號 (Vespasian)」,並更換了她的發動機。實驗的成功已成為歷史。在鍋爐和蒸汽壓力相同的情況下,用齒輪渦輪機代替原來的機器,使燃料消耗減少了 15%。傳動裝置運轉良好,在維斯帕西亞號完成數年的商業服務後,她的船體被拆解,渦輪機和傳動裝置被轉移到另一艘船上。

 為了使齒輪在新職責所要求的速度和功率條件下,安靜地工作而且不劣化,它們的齒在形狀和節距方面都必須非常精確。在普通的切齒方法中,切齒機主輪中可能存在的每一個節距誤差,必然會在被切輪中再現。沒有一個主輪在數學上是完美的,帕森斯要求的精度比任何普通齒輪切割機都高。因此,他將注意力轉向生產更好的齒輪,帕森斯在 1912 年為此設計了所謂的「帕森斯蠕變機制」。通過這種機制,使機器的工作台的旋轉速度略快於主輪,從而使後者中存在的任何誤差都能螺旋地分佈在被切割的輪子周圍,而不是集中在圓周的一部分.結果是,出於所有實際目的,在工作中完全消除了主輪不可避免的缺陷。「蠕動」(creep) 切割齒輪的系統讓齒輪傳動裝置達到完善。此後,渦輪機就不再受到驅動機械速度的所有限制,因為每台渦輪機都可以用它最有效的速度運行,兩者之間的連接是通過適當的齒輪裝置實現的。

 齒輪渦輪機很快被用作蒸汽船的推進機械,從慢速貨船到最快的軍艦和班輪,因為即使在快速船舶的情況下,人們也認識到使用高速渦輪機和齒輪裝置的組合比直接使用渦輪機更經濟。齒輪傳動帶來的改進可以通過下面的比較來說明。早期的直接耦合船用渦輪機的蒸汽消耗量約為每軸馬力小時 15 或 16 磅,而到 1923 年,齒輪裝置在相同功率下的蒸汽消耗量不到 10 磅,如果避免蒸汽過熱的話,甚至可以減少到 8 磅或更少。如果我們考慮到螺旋槳由於其較低的速度而同時提高的效率,可以公平地說,通過引入齒輪,帕森斯實現了與最初應用渦輪機所帶來的燃油經濟性相當的燃油經濟性到海上。它甚至成功地應用於軋鋼廠的驅動和其他類似要求苛刻的工作,並且經常被用來代替普通蒸汽機來驅動工廠的主軸。

 即使在保留往復式發動機的情況下,渦輪機在非常低的壓力下使用蒸汽工作的能力也經常被利用,通過安裝渦輪機可以從迄今為止都被浪費掉的發動機的廢氣中,產生額外的動力。在其他情況下,渦輪機可用於產生所需的功率,同時在給定溫度和壓力下提供任何所需量的部分膨脹蒸汽,用來加熱和其他的工作。在所有這些發展中,帕森斯都發揮了主導作用,讓渦輪機械滿足最多樣化的要求,從而使工廠和工業企業能夠比以前更便宜、更高效地生產自己的動力。

 帕森斯為了解決工程問題顯出的巨大決心常常是他成功的關鍵。當他意識到徹底空化問題的重要性時,他不惜建造了一個帶有玻璃側面的油箱,可以在其中高速運行模型螺旋槳。螺旋槳被間歇性的光線強烈照亮,閃光的速度根據螺旋槳的旋轉進行調節,從而可以使葉片看起來靜止或旋轉得很慢。人們認識到在接近沸點的水下工作會產生空化作用,因此第一個實驗是用熱水進行的。然而,人們發現通過在水箱中的水上方保持真空更方便獲得相同的結果,並且以這種方式詳盡地研究了空化的性質。通過這些研究獲得的知識極大地改進了高速螺旋槳的設計,帕森斯發起的研究方法現在已被普遍採用。

 與空化現象密切相關的是螺旋槳葉片的腐蝕,儘管最初並未意識到兩者之間的聯繫。侵蝕已成為一個如此嚴重的問題,以至於 1915 年海軍部任命了一個委員會來報告這個問題。鑑於帕森斯在螺旋槳設計方面的經驗,他被要求在委員會任職,正是他提出侵蝕可能是空化的次要影響。現在普遍接受的觀點是,典型的空化空間不斷塌陷,導致水在螺旋槳金屬上的錘擊。這個。由於空腔中沒有任何可觀的空氣或氣體來軟化打擊,因此錘擊可能很容易達到破壞性強度。帕森斯還有一個典型的特點,就是他不會接受任何不能被實驗支持的理論,甚至是自己的理論,所以他決定自己去驗證他自己的想法。他採用的方法既簡單直接又巧妙。他製作了一個空心黃銅錐體,其頂端有一個小孔,可以用一塊金屬板將其封閉以進行操作。這個圓錐面朝下放在水箱中,當裝滿水時,它會突然向下,直到被水箱底部的橡膠墊阻止。橡膠的彈性允許錐體中的水在錐體停止後繼續向下運動片刻,從而導致錐體頂部出現真空空間。這個空間立即坍塌,並且發現回流的水以通常足以刺穿板的力撞擊板。以這種方式獲得了高達每平方英寸 140 噸的壓力,實驗結果毫無疑問地表明,正如他所建議的那樣,由於空化引起的錘擊作用可以完全解釋螺旋槳葉片中遇到的損壞。這顯現出帕森斯作為科學人嚴謹的一面。

第一次世界大戰爭結束後,石油發動機開始挑戰渦輪機的霸主地位,特別是對於慢速商船和適中的速度。然而,渦輪機具有機械結構更簡單的優點,帕森斯通過在海上採用更高的蒸汽壓力和溫度,試圖使其燃料消耗更接近於燃油發動機的燃料消耗。1926 年,商船的條件並沒有超過每平方英寸 200 磅的壓力和 500° F 的溫度。在海軍工作中,軍艦中的蒸汽壓力只有大約275 磅。在陸地上許多中心站已經在使用壓力為 500 或 600 磅、過熱到 750° F 或更高的蒸汽,而在某些情況下,已經採用了大約 1400 磅/平方英寸的壓力。帕森斯強烈地認為,海洋工程師應該利用更高的壓力和溫度帶來的經濟優勢。知道實際演示是說服懷疑者的最可靠和最快捷的方式,他安排了一艘小型客船『喬治五世國王』(King George V) 的設備,配備 3500 馬力的齒輪渦輪機。以每平方英寸 550 磅的蒸汽工作,過熱至 750° F。蒸汽由 Yarrow 型水管鍋爐供應。喬治五世國王號是海上高壓蒸汽的先驅。雖然裝置比較小,而且內河輪船短途停靠頻繁的條件也對實驗不利,但機器還是達到了設計者的預期,在短時間內完成了滿載試航商業服務,顯示渦輪機每軸馬力小時的蒸汽消耗量僅為 8.01 磅。帕森斯的這項事業再次為海洋工程師開闢了一個新領域,海上更高的壓力很快變得普遍。在接下來的幾年裡,有許多大西洋和太平洋班輪在 350 和 400 磅壓力下運行蒸汽,1931 年,海軍部批准了採用 500 磅每平方英尺的鍋爐壓力,這讓渦輪機的效能又再度提升了。

渦輪機在海上的成功不亞於它在陸地上的成就。船隻現在能以以前不可能的速度行駛,並在最波濤洶湧的海面上保持這種速度。在軍艦中,渦輪機械比發動機更容易被保護好,燃油經濟性更高,維護成本更低。渦輪推進使商船在速度和經濟性方面同樣受益,同時增加了貨物和乘客的可用空間並減少了振動。這些優勢的累積效應足以使渦輪機在短短幾年內成為公認的世界所有海軍以及所有最快遠洋客輪的原動機。大英帝國在世紀交替之際依然能夠七海稱雄,帕森斯功不可沒。

 

帕森斯除了蒸汽渦輪機之外,還有其他許多各式各樣的工程以及科學的成就,光是蒸氣渦輪機就寫滿兩集,所以他的其他豐功偉業只好留到下集,還請各位不要轉台喔!

參考資料:

  1. 中文 英文維基相關條目
  2. Steinberg, D., & Parsons, R. (1942). The Steam Turbine and Other Inventions of Sir Charles Parsons,see http://www.houseofdavid.ca/parsons.htm 
  3. https://blog.softinway.com/charles-par ... tribution-to-engineering/