Re: [閒聊] "改良型艦本式タービン"這個裝備是什麼?

[keins (Paragraph 11, confirm)]

: 推 g3sg1: 渦輪機跟鍋爐用鋼是不是該分開來看啊?                      11/17 22:10
: → g3sg1: 還有 老美一開始似乎也不太會做減速齒輪 不然也不會有蒸汽   11/17 22:10
: → g3sg1: 電力推進系統                                             11/17 22:11


渦輪機應用在船舶推進的發展，主要有幾個階段：
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A. 渦輪直結(Direct-drive turbine)：
最早期渦輪機的出力軸直接與螺旋槳大軸串連。
日本的金剛、扶桑，美國Wyoming以前的渦輪推進戰艦，
以及英國幾乎全部的一戰時戰巡都是使用這種型式。

優點：適合高速大出力運轉

跟原本的往復機相較之下，大部分的蒸氣能量都用於渦輪葉片與大軸的迴轉，
且迴轉接點只剩下渦輪機大軸兩端的軸承部位，
高速運動時不會跟往復機一樣出現迴轉關節的過熱燒結問題，
因此比較適合高速運轉，也比較能承受實戰時的長時間過載輸出要求。


缺點：
1. 經濟速度巡航時的推進效率偏低，影響續航力

低速巡航的時候重視的是節省燃料，運轉效率相形之下就比較重要。
然而螺旋槳的最佳推進效率是出現在轉速100~120 rpm左右，
而渦輪機的最佳運轉效率則是出現在數千rpm，
雙方直接連結的結果，就是渦輪機不可能在高效率的區間運作。

這問題對於拚高速的情形也就算了，
但是對於重視燃料經濟性的巡航狀態，則會有非常嚴重的影響。
以美國海軍的Delaware級戰艦測試結果來說：

Delaware(BB-28)(往復)           9,750 nm@10kt
N. Dakota(BB-29)(渦輪直結)      6,560 nm@10kt

這對於一戰前夕忙著瘋狂大造、且世界各地都有海軍基地的英國人來說，
反正就是多燒一點煤炭，還可以睜隻眼閉隻眼；
而技術後進國的日本則是沒得挑也就算了，
但對於海外基地相隔遙遠的美國來說，就是很難接受的事情。

也因此美國雖然在進入無畏艦時代的BB-29~33有使用渦輪直結式推進，
但是Delaware級的實測結果出來以後，發現這樣的續航力難以接受，
因此渦輪直結的採用只到當時已經開工的Wyoming級為止，
之後計畫的紐約級還是回到往復機。

2. 與往復機相比之下，倒車必須裝備專用的倒車渦輪

渦輪機的葉片角度與蒸氣進出方向是固定的，
輸入蒸氣後的迴轉方向無法逆轉，
無法像往復機一樣將蒸氣供給的順序逆轉即可倒車，
因此倒車時必須另外裝備專用的倒車渦輪。

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B. 部分減速式渦輪(Partial geared turbine, PGT)

直結渦輪的經濟效率問題受到各國海軍重視之後，
接下來出現的就是部分減速渦輪了。
採用這種結構的有英國的QE級(3艘)、日本的伊勢級、
美國的Nevada、Pennsylvania級、New Mexico與Idaho。

優點：

1. 巡航時的燃油效率改善

其實它的原理就是另外追加一組經濟巡航時使用的巡航渦輪，
而巡航渦輪可以透過減速齒輪組與部分的螺旋槳大軸連結，
進行低速巡航時，只將主蒸汽管的蒸氣輸入到巡航渦輪。

由於減速齒輪組的齒輪比關係，
巡航渦輪可以在上千rpm的高轉速狀態運作，
而螺旋槳還是可以維持110 rpm左右的經濟狀態，
如此就可以讓雙方都維持在比較高效率的狀態下運轉，
節省巡航時的燃料消費。

以美國來說，Nevada級的兩艘分別採用此種形式與往復機，
結果在10-15 kt的狀態下，
使用此形式的Nevada的燃油消費率比往復機的Oklahoma減少11%，
因此直到電氣推進的時代為止，美國海軍的幾艘戰艦都是維持這個形式。

缺點：
1. 高速下的燃油效率還是無法改善

2. 仍然需要前述的倒車渦輪

3. 齒輪組的製作、組裝問題與費用

雖然說是低出力的巡航專用，
但是巡航渦輪的轉速仍然有2000 rpm以上、傳輸動力也相當大，
因此齒輪的齒型設計、機械加工能力、機械材料性質，
以及現場組裝時的精度等等，都必須非常小心謹慎，
同時減速齒輪組本身的製作也不便宜。

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C. 電氣推進 (美國only)

在B項目中提到的部分減速法雖然可以改善巡航時的效率，
但高速的狀態還是無法改善；
對於這個問題，美國的民間廠商是同時尋求兩種解法：
Westinghouse設法開發全齒輪減速的方案(在下面會提到)，
而GE主推的就是電氣推進了，原因則是想要把自家的重電產品推廣銷路。

美國海軍先在Jupiter級給炭艦上安裝電氣推進式主機
(USS Jupiter(AC-3)就是之後的USS Langley(CV-1))，
確認其表現良好之後，決定在New Mexico級上進行測試：
該級的New Mexico與Idaho上使用部分減速式渦輪機，
而Mississipi則採用電氣推進主機。
由於結果相當良好，因此美國海軍在未來的幾級戰艦上都採用這套系統，
包含Tennessee級、Colorado級、Lexington級與未成的S. Dakota級。



優點：

1. 燃油效率的改進
這個方案可以完全解決渦輪與螺旋槳軸的出力效率問題：
以Mississipi來說，
全出力狀態下時的渦輪/發電機轉速是2,100 rpm，而螺旋槳大軸轉速是167 rpm。
(部分直結狀態的Arizona則是渦輪與大軸都是240 rpm：
渦輪機的轉速壓在240 rpm的話，想也知道這效率是慘不忍睹啊...)

在Mississipi上的測試結果，發現在10-16 kt航行時，
其燃油效率比同級的另外兩艘要改善17~32%。

2. 水下防禦能力的大幅強化
不管是往復機、直結或部分減速式渦輪機，或是之後的全齒輪減速渦輪，
螺旋槳大軸一定得經過狹長的軸隧區間，然後串接到輪機的輸出軸，
如果高速航行中螺旋槳或軸隧附近遭到水雷或魚雷破壞，
有可能因為大軸脫離軸承位置而造成水密隔艙損壞，
連帶導致空間廣大的機艙大量進水，嚴重影響船隻的生存能力。
(這是後來Prince of Wales的致命傷)

但如果是電氣推進，就可以不受到這樣的設計制約了。
以California的配置來說：

========螺旋槳軸=======電動機----       鍋爐    鍋爐    鍋爐    鍋爐
                                |
                                |
====螺旋槳軸=======電動機----   |  --------
                            |   |  |      |
                          控制室---     渦輪+發電機     渦輪+發電機

                            |   |  |                      |
====螺旋槳軸=======電動機----   |  ------------------------
                                |
                                |
========螺旋槳軸=======電動機---        鍋爐    鍋爐    鍋爐    鍋爐

(---：電纜線)

由於渦輪與發電機室完全被兩舷方面的鍋爐艙包覆起來，
除非是磁性引信造成的船底正下方進水，
否則一般魚雷的側方向攻擊只能破壞單一鍋爐艙，
完全不可能威脅到渦輪與發電機艙，損管時也幾乎沒有斷電問題。

同時，由於蒸氣管的連結距離極短，
也沒有許多的出力軸得貫通隔艙，推進軸也可以設計得更短，
這些都有利於重要艙間的水密性。

就算是發生軸隧大量進水，也只會影響到空間較小的電動機艙，
對於控制室與其他電動機仍然不造成影響，更不會影響到渦輪機，
因此這樣的設計對水下防禦有相當大的幫助。

3. 推進方式的多元化
在直結、部分減速或是部份的全齒輪減速船艦，
低速巡航時多半都只會使用四軸之中的二軸
(內二或外二軸都有可能，依設計而定)，
其原因是只有這幾軸有連結到巡航或高壓渦輪，
而另外的二軸則是跟低壓渦輪串接，只有在高出力的四軸運轉狀態下才會動作--
但是停止的這兩顆螺旋槳就會成為運轉時的阻力，影響航行時的速度發揮。

(日本的蒼龍與飛龍雖然是非常近似的設計，
但是飛龍的設計就有考慮到這問題，巡航時可以四軸一同運作以減少阻力)

然而對於電氣推進船隻來說，只要分電盤的開關切換方式修改一下，
要一軸、二軸還是四軸航行幾乎是任君選擇，沒有太多的制約問題。

同時電氣推進船隻也不需要裝備倒車專用渦輪，
因為只要電動機或發電機的極性方向反轉，立刻就可以切換成倒車狀態，
自然就不需要專用的倒車渦輪--
而電氣推進船隻也有其他船舶所沒有的特殊專長，那就是可以全速倒車。
(對於美系航艦來說，
設計考慮之一是艦艏的飛行甲板被破壞時還能從艦尾方向起降飛機，
因此倒車航速必須至少有20 kt，而電氣推進的Lexington級自然就沒這問題)

此外，Lexington級在和平時期時，也有支援過Tacoma市的電力供應過，
這算是電氣推進船的另類用途。


缺點：
1. 重量、佔用空間、費用等等的上升
以Mississipi級來說，她的輪機總重量是2,588噸，
比起同級的另兩艘都重了約300噸。
同時，多出的電動機等配備當然也要占用額外的空間，製作費用也會上升。

因此對於不太需要在乎重量問題的美國戰艦來說，用這樣的設計可以接受，
但是對於寸土寸金、惜重如命的條約型重巡來說，自然就沒辦法採用了。

2. 動力轉換損失的上升
以全齒輪減速來說，齒輪組造成的動力損耗大約是2%，
但電氣推進的部分則是有發電+電動機的損失，合計是10%左右。

(全齒輪減速的部分要等晚點再寫了)

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"對付20架想把你擊落的噴火式，或是20架蘇聯戰鬥機，
這可能是非常刺激，甚至可以說是好玩；
但是面對40架空中堡壘的機槍火網時，你會覺得一生犯下的罪過開始在你眼前閃過。"

--1943/10/4, 德國空軍JG1聯隊長Hans Philipp中校(擊落紀錄206架)留下的書信。
  四天後，Philipp在對B-17空中堡壘機隊的攔截任務中死於機槍之下。

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→ HHiiragi: 混亂中的一篇好文(′・ω・‵)
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推 Solaro:  (′・ω・‵)b
推 twodahsk: 還有一篇，幸福
推 a951l753vin: NICE!!
推 grant790110: 居然回2篇
推 ginmokusei: (′・ω・‵)推
推 fetoyeh: 推keins大
推 Swallow43: 推~~~(結果我找攻略時間還沒看這篇時間花的久