之前寫(xiě)給知乎“如何評(píng)價(jià)泰坦尼克號(hào)在郵輪史上的地位”的回答

我對(duì)機(jī)械技術(shù)方面的歷史還算比較感興趣，所以打算從泰坦尼克號(hào)，或者說(shuō)奧林匹克級(jí)郵輪的動(dòng)力系統(tǒng)方面說(shuō)說(shuō)她（們）在郵輪發(fā)展歷程上的作用，雖然這和泰坦尼克號(hào)事故所引發(fā)的航海技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)變更，以及她的設(shè)計(jì)建造歷史意義是無(wú)法比擬的。

先說(shuō)我的看法：泰坦尼克號(hào)蒸汽機(jī)-蒸汽輪機(jī)的“聯(lián)合機(jī)械系統(tǒng)”（combined machinery）是船用蒸汽輪機(jī)技術(shù)尚不發(fā)達(dá)的產(chǎn)物，它在技術(shù)路線上走入了死胡同，隨著齒輪減速技術(shù)和電傳動(dòng)技術(shù)的成熟而被淘汰，而泰坦尼克號(hào)是使用的“組合機(jī)械系統(tǒng)”船舶中最具代表性，也是最大的船舶。

要想理清楚泰坦尼克號(hào)蒸汽機(jī)-蒸汽輪機(jī)組合系統(tǒng)的來(lái)歷，必須先講明白蒸汽輪機(jī)的上船的歷史。1884年，英國(guó)工程師查爾斯·帕森斯（Charles Parsons）發(fā)明了反動(dòng)式蒸汽輪機(jī)，這種蒸汽輪機(jī)允許蒸汽在動(dòng)葉柵和靜葉柵之間膨脹，將蒸汽包含的內(nèi)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能釋放到轉(zhuǎn)子上，從而極大地提高了蒸汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，熱效率達(dá)到了驚人的70%-80%。整個(gè)19世紀(jì)80年代反動(dòng)式蒸汽輪機(jī)在發(fā)電行業(yè)取得了巨大的成功，帕森斯決定進(jìn)軍船舶工業(yè)，在造船業(yè)掀起一次動(dòng)力革命。1894年，他和同事建造了第一艘蒸汽輪機(jī)船，渦輪尼亞號(hào)（T.S. Turbinia），這艘小艇在試航中跑出了34.5節(jié)的高速，達(dá)到了高航速的預(yù)期效果。盡管英國(guó)海軍部在帕森斯研發(fā)船用蒸汽輪機(jī)時(shí)就給予了關(guān)注，但為了向造船業(yè)宣傳自己的成果，帕森斯還是決定搞個(gè)大新聞。1897年6月26日，為了紀(jì)念維多利亞女王即位60周年（Diamond Jubilee，“鉆石大慶”），皇家海軍在斯皮特黑德灣（Spithead）舉行閱艦式，威爾士親王、王儲(chǔ)愛(ài)德華出席。渦輪尼亞號(hào)突然闖入閱艦式現(xiàn)場(chǎng)，當(dāng)著王儲(chǔ)的面在兩列軍艦中來(lái)回穿梭，而海軍的糾察艇無(wú)論如何也追不上渦輪尼亞。這次“演出”讓帕森斯的船用蒸汽輪機(jī)獲得了海量關(guān)注，海軍部也真正對(duì)蒸汽輪機(jī)重視起來(lái)。同年“帕森斯船用蒸汽輪機(jī)公司”（Parsons Marine Steam Turbine Company）成立，為海軍和商船提供蒸汽輪機(jī)。

船用蒸汽輪機(jī)初期存在著許多問(wèn)題，從渦輪尼亞到20世紀(jì)10年代的早期蒸汽輪機(jī)船都直接將蒸汽輪機(jī)安裝在螺旋槳軸上。反動(dòng)式蒸汽輪機(jī)只有在高航速下才能獲得高效率，這或許適用于發(fā)電機(jī)，但不適用于輪船螺旋槳。首先，對(duì)于輪船來(lái)說(shuō)，經(jīng)濟(jì)航速（蒸汽時(shí)代為10節(jié)）下螺旋槳轉(zhuǎn)速常常在70轉(zhuǎn)/分鐘以下，而蒸汽輪機(jī)動(dòng)輒百轉(zhuǎn)/分鐘的特性雖然讓船舶獲得了高航速，但也極大的消耗了燃料，低速就會(huì)導(dǎo)致不完全膨脹的蒸汽被排出造成大量浪費(fèi)，早期的蒸汽輪機(jī)船都是名副其實(shí)的“煤老虎”。其次，高轉(zhuǎn)速會(huì)使螺旋槳產(chǎn)生“空化效應(yīng)”（Cavitation）：高速旋轉(zhuǎn)讓螺旋槳背面的壓力迅速下降，而溶解在水中的氣體會(huì)在低壓下析出，這些空氣或者附著在螺旋槳上產(chǎn)生“氣蝕”縮短螺旋槳壽命，或者被推入尾流降低螺旋槳推力，造成“有力使不出”。另外，蒸汽輪機(jī)葉片朝向固定，若是要讓輪機(jī)倒轉(zhuǎn)，必須在汽缸內(nèi)安裝倒車(chē)渦輪，或在螺旋槳軸上單獨(dú)安裝倒車(chē)汽輪機(jī)。帕森斯在建造渦輪尼亞號(hào)時(shí)注意到了這些問(wèn)題。他給出的解決方案，一是安排一臺(tái)高壓汽輪機(jī)、一臺(tái)中壓汽輪機(jī)和一臺(tái)低壓汽輪機(jī)，好讓蒸汽完全膨脹，相對(duì)應(yīng)的渦輪尼亞這條45噸的小艇裝上了3條螺旋槳軸；其次是縮小螺旋槳直徑和增加螺旋槳數(shù)量，減少空化效應(yīng)影響。于是渦輪尼亞就有了9個(gè)螺旋槳，形象相當(dāng)怪異。

在小型船艇上或許還能糊弄一下，但隨著蒸汽輪機(jī)運(yùn)用到商船中，這些問(wèn)題愈發(fā)突出。帕森斯開(kāi)始尋找解決方案。1908年他提出了兩個(gè)方案，一個(gè)是為蒸汽輪機(jī)安裝減速齒輪系統(tǒng)（Reduction Gear），通過(guò)齒輪減速箱平衡功率和轉(zhuǎn)速的矛盾；另一個(gè)就是蒸汽輪機(jī)-蒸汽機(jī)搭配的“聯(lián)合機(jī)械系統(tǒng)”（Combined Machinery），當(dāng)船低速巡航、港內(nèi)移動(dòng)和倒退時(shí)使用往復(fù)式蒸汽機(jī)，高速巡航時(shí)打開(kāi)低壓蒸汽輪機(jī)。兩套方案都在1908年進(jìn)行了試驗(yàn)。

減速齒輪方案早在1897年就提出了，并制作了一個(gè)小模型用于試驗(yàn)，但直到1908年才在真正的輪船上實(shí)驗(yàn)。帕森斯買(mǎi)來(lái)一艘4,350排水量的老貨輪韋帕薌號(hào)（S.S. Vespasian），這條貨船原來(lái)安裝有一臺(tái)900馬力的三脹往復(fù)式蒸汽機(jī)，帕森斯的團(tuán)隊(duì)對(duì)它進(jìn)行了改造。它的鍋爐、螺旋槳軸全部保持原樣，蒸汽機(jī)被卸下，替換為蒸汽輪機(jī)-齒輪減速。蒸汽輪機(jī)由一個(gè)高壓汽輪機(jī)和一個(gè)低壓汽輪機(jī)組成，它們的輸出動(dòng)力軸通過(guò)一個(gè)小齒輪嚙合在一個(gè)大齒輪上，大齒輪安裝在螺旋槳軸上，通過(guò)大小齒輪減速，蒸汽輪機(jī)1700轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速被降低到螺旋槳軸的70轉(zhuǎn)/分鐘。按照帕森斯的說(shuō)法，整條船的經(jīng)濟(jì)性增加了15%，更換新螺旋槳后增加了20%。

對(duì)于聯(lián)合機(jī)械系統(tǒng)方案，帕森斯拉攏了威廉·丹尼和兄弟造船廠（William Denny and Brothers, 簡(jiǎn)稱(chēng)“丹尼廠”），哈蘭德和沃爾夫造船廠（Harland & Wolff，簡(jiǎn)稱(chēng)“哈沃廠”）以及白星航運(yùn)（White Star Line）參與實(shí)驗(yàn)。丹尼廠是最早和帕森斯公司合作的企業(yè)，他們?cè)?901年制造了第一艘蒸汽輪機(jī)商船愛(ài)德華國(guó)王號(hào) (T.S. King Edward)。1908年，帕森斯與丹尼廠建造了第一艘聯(lián)合機(jī)械系統(tǒng)貨船奧塔基號(hào)（S.S. Otaki）。這條船排水量9900噸，最高航速13節(jié)。該船采用兩臺(tái)三脹往復(fù)式蒸汽機(jī)，經(jīng)過(guò)兩臺(tái)蒸汽機(jī)后的9磅/平方英寸（約0.6公斤/平方厘米）壓力蒸汽進(jìn)入一臺(tái)低壓蒸汽輪機(jī)，蒸汽輪機(jī)在巡航時(shí)提供了全船三分之一的動(dòng)力，奧塔基號(hào)和姊妹船奧拉里號(hào)（S.S. Orari）同等航速下節(jié)省約12%煤炭。6個(gè)月后，白星航運(yùn)的客船勞倫鐵克號(hào)（S.S. Laurentic 1908）在哈沃廠貝爾法斯特廠區(qū)下水，為奧林匹克級(jí)郵輪的動(dòng)力系統(tǒng)開(kāi)展驗(yàn)證，與奧塔基號(hào)采用一樣的動(dòng)力布局。通過(guò)論證實(shí)驗(yàn)，勞倫鐵克號(hào)與姊妹船梅崗蒂克號(hào)（S.S. Megantic）相比，在相同煤炭消耗量下，勞倫鐵克號(hào)比梅崗蒂克號(hào)多產(chǎn)生20%的動(dòng)力；在同等航速下，勞倫鐵克號(hào)比梅崗蒂克號(hào)少消耗12%-15%的煤炭。

1908年的白星正在迫切地為即將建造的巨型郵輪尋找可靠的動(dòng)力系統(tǒng)，以應(yīng)對(duì)冠達(dá)航運(yùn)盧西塔尼亞號(hào)（R.M.S. Lusitania）和毛里塔尼亞號(hào)（R.M.S. Mauretania）的競(jìng)爭(zhēng)壓力。盧西塔尼亞級(jí)郵輪采用了全蒸汽輪機(jī)推進(jìn)，成為當(dāng)時(shí)跨大西洋客輪中噸位最大、速度最快、設(shè)施最豪華的船，毛里塔尼亞號(hào)甚至將其28節(jié)的跨洋均速記錄保持了22年。白星的客船向來(lái)注重服務(wù)質(zhì)量，自19世紀(jì)末開(kāi)始便不再追求速度。但新船的速度相較盧西塔尼亞級(jí)不能太慢，那么采用蒸汽輪機(jī)幾乎是必然選擇。在這時(shí)帕森斯找上白星和哈沃廠，向他們推銷(xiāo)了聯(lián)合機(jī)械系統(tǒng)方案。對(duì)于白星來(lái)說(shuō)，這是一套能維持一定航速又能節(jié)省成本的方案；對(duì)于哈沃廠來(lái)說(shuō)，它可以利用自己制造活塞引擎的技術(shù)積累生產(chǎn)新型船只，不用完全向帕森斯的蒸汽輪機(jī)低頭。于是，在1908年最后敲定的奧林匹克級(jí)郵輪方案中，它們將會(huì)是一批聯(lián)合機(jī)械系統(tǒng)的船舶。

奧林匹克級(jí)郵輪的動(dòng)力布局幾乎和在勞倫鐵克號(hào)一致，不過(guò)更加龐大。泰坦尼克號(hào)采用兩臺(tái)四缸三脹立式往復(fù)蒸汽機(jī)和一臺(tái)低壓蒸汽輪機(jī)，分別放置在前后兩個(gè)輪機(jī)艙內(nèi)。蒸汽從主蒸汽管出來(lái)后先進(jìn)入兩臺(tái)往復(fù)式蒸汽機(jī)，在它的四只汽缸內(nèi)進(jìn)行三次膨脹。每臺(tái)蒸汽機(jī)的指示馬力為75轉(zhuǎn)/分鐘時(shí)15000馬力。隨后，經(jīng)過(guò)三次膨脹的蒸汽闖過(guò)切換閥（Change-over Valve）進(jìn)入低壓蒸汽輪機(jī)，進(jìn)行第四次做功膨脹。若是輪船在倒退或低速前進(jìn)時(shí)，切換閥會(huì)將蒸汽直接導(dǎo)入冷凝器，低壓蒸汽輪機(jī)不工作。切換閥的控制桿安裝在左舷往復(fù)式蒸汽機(jī)的回動(dòng)機(jī)操作桿旁邊，若是要倒車(chē)反轉(zhuǎn)引擎，必須先關(guān)閉蒸汽輪機(jī)，才能操作左舷往復(fù)式蒸汽機(jī)倒轉(zhuǎn)。據(jù)奧林匹克號(hào)的輪機(jī)員回憶，一般當(dāng)往復(fù)式蒸汽機(jī)的前進(jìn)轉(zhuǎn)速達(dá)到50轉(zhuǎn)以上時(shí)，才會(huì)打開(kāi)蒸汽輪機(jī)，蒸汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速約在蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的2.2倍左右，最高輸出指示馬力16000馬力，而它輸入的蒸汽壓力僅僅為9磅/平方英寸，是往復(fù)式蒸汽機(jī)高壓缸最高工作壓力的4%左右。由于蒸汽輪機(jī)不負(fù)責(zé)倒車(chē)，奧林匹克級(jí)省去了倒車(chē)汽輪機(jī)，節(jié)省了許多空間。在航速上，奧林匹克級(jí)的跨洋均速是21節(jié)，最高航速24節(jié)，泰坦尼克號(hào)撞上冰山時(shí)的航速約22節(jié)。雖然比盧西塔尼亞級(jí)的24節(jié)的跨洋均速要慢許多，但仍然比當(dāng)時(shí)大多數(shù)航速僅有10-15節(jié)的客輪快上不少。船體大、成熟的往復(fù)式蒸汽機(jī)技術(shù)和三槳軸布局，奧林匹克號(hào)的震動(dòng)小許多，乘坐體驗(yàn)比毛盧好上不少，后者因螺旋槳水流高速拍打船身產(chǎn)生了不小的震動(dòng)，冠達(dá)和約翰·布朗船廠直到瑪麗王號(hào)（R.M.S. Queen Mary）都沒(méi)能徹底解決這一問(wèn)題。此外，奧林匹克級(jí)的經(jīng)濟(jì)性比盧西塔尼亞級(jí)高上不少。拿1911年奧林匹克號(hào)首航舉例，奧林匹克號(hào)燒掉了3540噸煤，毛里塔尼亞號(hào)噸位僅為她的70%，在第三次跨洋航程中4,976噸煤，煤炭多消耗40.5%，跨洋均速僅提升13%。

奧林匹克級(jí)郵輪的成功應(yīng)用，讓帕森斯對(duì)自己的產(chǎn)品充滿(mǎn)了信心。在1910年代，他實(shí)際上更看好聯(lián)合機(jī)械系統(tǒng)的前景。中小型船舶不用購(gòu)買(mǎi)整套昂貴的蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)，只加裝一臺(tái)低壓蒸汽輪機(jī)，就可獲得高航速、高經(jīng)濟(jì)性，不久的將來(lái)，更多的船會(huì)用上自己的蒸汽輪機(jī)，徹底顛覆整個(gè)船舶動(dòng)力工業(yè)。但事實(shí)上，蒸汽機(jī)-蒸汽輪機(jī)動(dòng)力布局在一戰(zhàn)后快速消亡了，基本上只有哈沃廠造的少數(shù)產(chǎn)品沿用了這種布局。對(duì)于數(shù)量眾多的客船和貨船來(lái)說(shuō)，大部分船是單螺旋槳或雙螺旋槳，三螺旋槳和四螺旋槳船到了低航速船只里并不多見(jiàn)。許多船廠并不會(huì)為了提高一點(diǎn)航速和增加一點(diǎn)經(jīng)濟(jì)性，就將單螺旋槳或雙螺旋槳船改成適應(yīng)聯(lián)合機(jī)械系統(tǒng)的三螺旋槳船，這樣對(duì)于客戶(hù)來(lái)說(shuō)成本太高了。直到二戰(zhàn)，大量的自由輪仍然采用往復(fù)式蒸汽機(jī)和單軸螺旋槳。

此外，20年代船用內(nèi)燃機(jī)技術(shù)開(kāi)始成熟，許多低速商船開(kāi)始使用低速內(nèi)燃機(jī)，哈沃廠最后也發(fā)揮了自己制造活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)積累優(yōu)勢(shì)，于1921年開(kāi)始探索船用內(nèi)燃機(jī)科技，帕森斯丟掉了哈沃廠這個(gè)大客戶(hù)，來(lái)自哈沃廠的蒸汽輪機(jī)訂單快速減少。內(nèi)燃機(jī)上船意味著，蒸汽設(shè)備（鍋爐、蒸汽冷凝器等）開(kāi)始在商船上消失，蒸汽輪機(jī)失去了外燃機(jī)全套設(shè)備，更縮窄了聯(lián)合機(jī)械系統(tǒng)的應(yīng)用市場(chǎng)。內(nèi)燃機(jī)船（僅指商船）不可能為了額外增加一臺(tái)蒸汽輪機(jī)而增加一套外燃機(jī)設(shè)備，更何況內(nèi)燃機(jī)船已經(jīng)沒(méi)有往復(fù)式蒸汽機(jī)，這讓低壓蒸汽輪機(jī)上船毫無(wú)意義。

另一套動(dòng)力系統(tǒng)方案，即蒸汽輪機(jī)的齒輪減速方案在20年代逐漸成熟。隨著齒輪制造成本不斷降低和蒸汽輪機(jī)在船上更合理的布局，蒸汽輪機(jī)現(xiàn)在可以充分發(fā)揮它高效率的優(yōu)勢(shì)，成為了高速船舶的首選。一戰(zhàn)后下水的高速郵輪都是蒸汽輪機(jī)船，比較經(jīng)典的布局是一根螺旋槳軸由4只汽缸6個(gè)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，構(gòu)成一個(gè)引擎（Engine）。另外，20年代美國(guó)人開(kāi)始試驗(yàn)電傳動(dòng)技術(shù)（Eletric-Drive）。既然蒸汽輪機(jī)高速高效適用于發(fā)電，那么便先用蒸汽輪機(jī)發(fā)電，利用電流控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳。這種布局的客船比較著名的有胡佛總統(tǒng)號(hào)（S.S. President Hoover），她的跨洋（太平洋）均速有22節(jié)。

除了奧林匹克級(jí)等少數(shù)跨洋客輪外，一戰(zhàn)后再也沒(méi)有跨洋客輪使用聯(lián)合機(jī)械系統(tǒng)，它在技術(shù)進(jìn)步和市場(chǎng)需求的兩面夾擊下快速衰亡。泰坦尼克號(hào)及其姊妹船成為了采用該型動(dòng)力系統(tǒng)的最大船舶，是造船業(yè)探索新型船舶動(dòng)力系統(tǒng)，解決蒸汽輪機(jī)弊端的一次嘗試。這套技術(shù)方案的失敗說(shuō)明帕森斯、哈沃廠并沒(méi)有真正理解船舶運(yùn)營(yíng)商對(duì)不同船只種類(lèi)的需求，高速客輪需要蒸汽輪機(jī)提供充沛動(dòng)力，普通商船客船需要與經(jīng)濟(jì)性匹配的航速，泰坦尼克號(hào)這種曠世巨輪終究是少數(shù)，無(wú)法支撐起這條技術(shù)路線繼續(xù)發(fā)展的市場(chǎng)。而低速柴油機(jī)的出現(xiàn)替代了蒸汽機(jī)的生態(tài)位，使得聯(lián)合機(jī)械系統(tǒng)逐步喪失應(yīng)用空間。泰坦尼克號(hào)不過(guò)是這套失敗技術(shù)路線的又一艘試驗(yàn)品罷了。

參考資料：

提到船只的維基百科

Titanic’s?Prime Mover – An Examination of Propulsion and Power by Samuel Halpern

THE STEAM TURBINE by Sir CHARLES A. PARSONS, K.C.B.

The ShipBuilder雜志，1907年11月毛里塔尼亞紀(jì)念特刊、1911年6月奧林匹克號(hào)和泰坦尼克號(hào)紀(jì)念特刊

《船用蒸汽機(jī)與蒸汽輪機(jī)》

Harland & Wollf Collection