之前写给知乎“如何评价泰坦尼克号在邮轮史上的地位”的回答

我对机械技术方面的历史还算比较感兴趣，所以打算从泰坦尼克号，或者说奥林匹克级邮轮的动力系统方面说说她（们）在邮轮发展历程上的作用，虽然这和泰坦尼克号事故所引发的航海技术、标准变更，以及她的设计建造历史意义是无法比拟的。

(相关资料图)

先说我的看法：泰坦尼克号蒸汽机-蒸汽轮机的“联合机械系统”（combined machinery）是船用蒸汽轮机技术尚不发达的产物，它在技术路线上走入了死胡同，随着齿轮减速技术和电传动技术的成熟而被淘汰，而泰坦尼克号是使用的“组合机械系统”船舶中最具代表性，也是最大的船舶。

要想理清楚泰坦尼克号蒸汽机-蒸汽轮机组合系统的来历，必须先讲明白蒸汽轮机的上船的历史。1884年，英国工程师查尔斯·帕森斯（Charles Parsons）发明了反动式蒸汽轮机，这种蒸汽轮机允许蒸汽在动叶栅和静叶栅之间膨胀，将蒸汽包含的内能转换为动能释放到转子上，从而极大地提高了蒸汽轮机的转速，热效率达到了惊人的70%-80%。整个19世纪80年代反动式蒸汽轮机在发电行业取得了巨大的成功，帕森斯决定进军船舶工业，在造船业掀起一次动力革命。1894年，他和同事建造了第一艘蒸汽轮机船，涡轮尼亚号（. Turbinia），这艘小艇在试航中跑出了节的高速，达到了高航速的预期效果。尽管英国海军部在帕森斯研发船用蒸汽轮机时就给予了关注，但为了向造船业宣传自己的成果，帕森斯还是决定搞个大新闻。1897年6月26日，为了纪念维多利亚女王即位60周年（Diamond Jubilee，“钻石大庆”），皇家海军在斯皮特黑德湾（Spithead）举行阅舰式，威尔士亲王、王储爱德华出席。涡轮尼亚号突然闯入阅舰式现场，当着王储的面在两列军舰中来回穿梭，而海军的纠察艇无论如何也追不上涡轮尼亚。这次“演出”让帕森斯的船用蒸汽轮机获得了海量关注，海军部也真正对蒸汽轮机重视起来。同年“帕森斯船用蒸汽轮机公司”（Parsons Marine Steam Turbine Company）成立，为海军和商船提供蒸汽轮机。

船用蒸汽轮机初期存在着许多问题，从涡轮尼亚到20世纪10年代的早期蒸汽轮机船都直接将蒸汽轮机安装在螺旋桨轴上。反动式蒸汽轮机只有在高航速下才能获得高效率，这或许适用于发电机，但不适用于轮船螺旋桨。首先，对于轮船来说，经济航速（蒸汽时代为10节）下螺旋桨转速常常在70转/分钟以下，而蒸汽轮机动辄百转/分钟的特性虽然让船舶获得了高航速，但也极大的消耗了燃料，低速就会导致不完全膨胀的蒸汽被排出造成大量浪费，早期的蒸汽轮机船都是名副其实的“煤老虎”。其次，高转速会使螺旋桨产生“空化效应”（Cavitation）：高速旋转让螺旋桨背面的压力迅速下降，而溶解在水中的气体会在低压下析出，这些空气或者附着在螺旋桨上产生“气蚀”缩短螺旋桨寿命，或者被推入尾流降低螺旋桨推力，造成“有力使不出”。另外，蒸汽轮机叶片朝向固定，若是要让轮机倒转，必须在汽缸内安装倒车涡轮，或在螺旋桨轴上单独安装倒车汽轮机。帕森斯在建造涡轮尼亚号时注意到了这些问题。他给出的解决方案，一是安排一台高压汽轮机、一台中压汽轮机和一台低压汽轮机，好让蒸汽完全膨胀，相对应的涡轮尼亚这条45吨的小艇装上了3条螺旋桨轴；其次是缩小螺旋桨直径和增加螺旋桨数量，减少空化效应影响。于是涡轮尼亚就有了9个螺旋桨，形象相当怪异。

在小型船艇上或许还能糊弄一下，但随着蒸汽轮机运用到商船中，这些问题愈发突出。帕森斯开始寻找解决方案。1908年他提出了两个方案，一个是为蒸汽轮机安装减速齿轮系统（Reduction Gear），通过齿轮减速箱平衡功率和转速的矛盾；另一个就是蒸汽轮机-蒸汽机搭配的“联合机械系统”（Combined Machinery），当船低速巡航、港内移动和倒退时使用往复式蒸汽机，高速巡航时打开低压蒸汽轮机。两套方案都在1908年进行了试验。

减速齿轮方案早在1897年就提出了，并制作了一个小模型用于试验，但直到1908年才在真正的轮船上实验。帕森斯买来一艘4,350排水量的老货轮韦帕芗号（. Vespasian），这条货船原来安装有一台900马力的三胀往复式蒸汽机，帕森斯的团队对它进行了改造。它的锅炉、螺旋桨轴全部保持原样，蒸汽机被卸下，替换为蒸汽轮机-齿轮减速。蒸汽轮机由一个高压汽轮机和一个低压汽轮机组成，它们的输出动力轴通过一个小齿轮啮合在一个大齿轮上，大齿轮安装在螺旋桨轴上，通过大小齿轮减速，蒸汽轮机1700转/分钟的转速被降低到螺旋桨轴的70转/分钟。按照帕森斯的说法，整条船的经济性增加了15%，更换新螺旋桨后增加了20%。

对于联合机械系统方案，帕森斯拉拢了威廉·丹尼和兄弟造船厂（William Denny and Brothers, 简称“丹尼厂”），哈兰德和沃尔夫造船厂（Harland & Wolff，简称“哈沃厂”）以及白星航运（White Star Line）参与实验。丹尼厂是最早和帕森斯公司合作的企业，他们在1901年制造了第一艘蒸汽轮机商船爱德华国王号 (. King Edward)。1908年，帕森斯与丹尼厂建造了第一艘联合机械系统货船奥塔基号（. Otaki）。这条船排水量9900吨，最高航速13节。该船采用两台三胀往复式蒸汽机，经过两台蒸汽机后的9磅/平方英寸（约公斤/平方厘米）压力蒸汽进入一台低压蒸汽轮机，蒸汽轮机在巡航时提供了全船三分之一的动力，奥塔基号和姊妹船奥拉里号（. Orari）同等航速下节省约12%煤炭。6个月后，白星航运的客船劳伦铁克号（. Laurentic 1908）在哈沃厂贝尔法斯特厂区下水，为奥林匹克级邮轮的动力系统开展验证，与奥塔基号采用一样的动力布局。通过论证实验，劳伦铁克号与姊妹船梅岗蒂克号（. Megantic）相比，在相同煤炭消耗量下，劳伦铁克号比梅岗蒂克号多产生20%的动力；在同等航速下，劳伦铁克号比梅岗蒂克号少消耗12%-15%的煤炭。

1908年的白星正在迫切地为即将建造的巨型邮轮寻找可靠的动力系统，以应对冠达航运卢西塔尼亚号（. Lusitania）和毛里塔尼亚号（. Mauretania）的竞争压力。卢西塔尼亚级邮轮采用了全蒸汽轮机推进，成为当时跨大西洋客轮中吨位最大、速度最快、设施最豪华的船，毛里塔尼亚号甚至将其28节的跨洋均速记录保持了22年。白星的客船向来注重服务质量，自19世纪末开始便不再追求速度。但新船的速度相较卢西塔尼亚级不能太慢，那么采用蒸汽轮机几乎是必然选择。在这时帕森斯找上白星和哈沃厂，向他们推销了联合机械系统方案。对于白星来说，这是一套能维持一定航速又能节省成本的方案；对于哈沃厂来说，它可以利用自己制造活塞引擎的技术积累生产新型船只，不用完全向帕森斯的蒸汽轮机低头。于是，在1908年最后敲定的奥林匹克级邮轮方案中，它们将会是一批联合机械系统的船舶。

奥林匹克级邮轮的动力布局几乎和在劳伦铁克号一致，不过更加庞大。泰坦尼克号采用两台四缸三胀立式往复蒸汽机和一台低压蒸汽轮机，分别放置在前后两个轮机舱内。蒸汽从主蒸汽管出来后先进入两台往复式蒸汽机，在它的四只汽缸内进行三次膨胀。每台蒸汽机的指示马力为75转/分钟时15000马力。随后，经过三次膨胀的蒸汽闯过切换阀（Change-over Valve）进入低压蒸汽轮机，进行第四次做功膨胀。若是轮船在倒退或低速前进时，切换阀会将蒸汽直接导入冷凝器，低压蒸汽轮机不工作。切换阀的控制杆安装在左舷往复式蒸汽机的回动机操作杆旁边，若是要倒车反转引擎，必须先关闭蒸汽轮机，才能操作左舷往复式蒸汽机倒转。据奥林匹克号的轮机员回忆，一般当往复式蒸汽机的前进转速达到50转以上时，才会打开蒸汽轮机，蒸汽轮机的转速约在蒸汽机转速的倍左右，最高输出指示马力16000马力，而它输入的蒸汽压力仅仅为9磅/平方英寸，是往复式蒸汽机高压缸最高工作压力的4%左右。由于蒸汽轮机不负责倒车，奥林匹克级省去了倒车汽轮机，节省了许多空间。在航速上，奥林匹克级的跨洋均速是21节，最高航速24节，泰坦尼克号撞上冰山时的航速约22节。虽然比卢西塔尼亚级的24节的跨洋均速要慢许多，但仍然比当时大多数航速仅有10-15节的客轮快上不少。船体大、成熟的往复式蒸汽机技术和三桨轴布局，奥林匹克号的震动小许多，乘坐体验比毛卢好上不少，后者因螺旋桨水流高速拍打船身产生了不小的震动，冠达和约翰·布朗船厂直到玛丽王号（. Queen Mary）都没能彻底解决这一问题。此外，奥林匹克级的经济性比卢西塔尼亚级高上不少。拿1911年奥林匹克号首航举例，奥林匹克号烧掉了3540吨煤，毛里塔尼亚号吨位仅为她的70%，在第三次跨洋航程中4,976吨煤，煤炭多消耗%，跨洋均速仅提升13%。

奥林匹克级邮轮的成功应用，让帕森斯对自己的产品充满了信心。在1910年代，他实际上更看好联合机械系统的前景。中小型船舶不用购买整套昂贵的蒸汽轮机系统，只加装一台低压蒸汽轮机，就可获得高航速、高经济性，不久的将来，更多的船会用上自己的蒸汽轮机，彻底颠覆整个船舶动力工业。但事实上，蒸汽机-蒸汽轮机动力布局在一战后快速消亡了，基本上只有哈沃厂造的少数产品沿用了这种布局。对于数量众多的客船和货船来说，大部分船是单螺旋桨或双螺旋桨，三螺旋桨和四螺旋桨船到了低航速船只里并不多见。许多船厂并不会为了提高一点航速和增加一点经济性，就将单螺旋桨或双螺旋桨船改成适应联合机械系统的三螺旋桨船，这样对于客户来说成本太高了。直到二战，大量的自由轮仍然采用往复式蒸汽机和单轴螺旋桨。

此外，20年代船用内燃机技术开始成熟，许多低速商船开始使用低速内燃机，哈沃厂最后也发挥了自己制造活塞式发动机的技术积累优势，于1921年开始探索船用内燃机科技，帕森斯丢掉了哈沃厂这个大客户，来自哈沃厂的蒸汽轮机订单快速减少。内燃机上船意味着，蒸汽设备（锅炉、蒸汽冷凝器等）开始在商船上消失，蒸汽轮机失去了外燃机全套设备，更缩窄了联合机械系统的应用市场。内燃机船（仅指商船）不可能为了额外增加一台蒸汽轮机而增加一套外燃机设备，更何况内燃机船已经没有往复式蒸汽机，这让低压蒸汽轮机上船毫无意义。

另一套动力系统方案，即蒸汽轮机的齿轮减速方案在20年代逐渐成熟。随着齿轮制造成本不断降低和蒸汽轮机在船上更合理的布局，蒸汽轮机现在可以充分发挥它高效率的优势，成为了高速船舶的首选。一战后下水的高速邮轮都是蒸汽轮机船，比较经典的布局是一根螺旋桨轴由4只汽缸6个汽轮机驱动，构成一个引擎（Engine）。另外，20年代美国人开始试验电传动技术（Eletric-Drive）。既然蒸汽轮机高速高效适用于发电，那么便先用蒸汽轮机发电，利用电流控制电机驱动螺旋桨。这种布局的客船比较著名的有胡佛总统号（. President Hoover），她的跨洋（太平洋）均速有22节。

除了奥林匹克级等少数跨洋客轮外，一战后再也没有跨洋客轮使用联合机械系统，它在技术进步和市场需求的两面夹击下快速衰亡。泰坦尼克号及其姊妹船成为了采用该型动力系统的最大船舶，是造船业探索新型船舶动力系统，解决蒸汽轮机弊端的一次尝试。这套技术方案的失败说明帕森斯、哈沃厂并没有真正理解船舶运营商对不同船只种类的需求，高速客轮需要蒸汽轮机提供充沛动力，普通商船客船需要与经济性匹配的航速，泰坦尼克号这种旷世巨轮终究是少数，无法支撑起这条技术路线继续发展的市场。而低速柴油机的出现替代了蒸汽机的生态位，使得联合机械系统逐步丧失应用空间。泰坦尼克号不过是这套失败技术路线的又一艘试验品罢了。

参考资料：

提到船只的维基百科

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

THE STEAM TURBINE by Sir CHARLES A. PARSONS, .

The ShipBuilder杂志，1907年11月毛里塔尼亚纪念特刊、1911年6月奥林匹克号和泰坦尼克号纪念特刊

《船用蒸汽机与蒸汽轮机》

Harland & Wollf Collection

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