主题：【原创】小猫的原创：旧日本海军主力舰主机发展史 -- 妖猫drake
家园 【原创】小猫的原创：旧日本海军主力舰主机发展史 小猫又要挖个坑了，呵呵。最近加班较多，估计要慢慢更新，今天尽量把日俄战争的写完。
1.前传 前无畏时代的主力舰之心
自人类建立海军开始，装备着强有力武备和坚固防护的主力舰便是浩瀚大洋上绝对的王者。但即便手握利剑身披重甲，若是只能缓慢蠕动或者干脆动弹不得，那最多也就是只牙尖爪利的海龟而已。所以，通过澎湃动力驱使主力舰纵横四海的主机实在是责任重大。
从十九世纪后期日本建立近代海军开始直到1945年旧海军土崩瓦解，日本海军在主机关部（锅炉，主机）设计和技术方面始终弥漫着一股英伦气息，但在其中又受到了对其他国家如法国德国和美国海军主机方面的影响，最终形成一股独特的和风主机流派。
1.1 直立“行走”之前
当海军与航海技术一起走进蒸汽时代时，民船与军舰可谓兄弟同“心”，简陋的陆用火筒锅炉推动与蒸汽机车相同的早期单缸摇臂式往复蒸汽机为明轮提供动力，1807年最初的汽船“克莱蒙梭”的航速只有5英里/小时，不到六节，与风帆战舰相比毫无优势。直到1828年，双动摇臂式蒸汽机开始被逐步用作舰船主机，但因为明轮推动效率较低，因此战舰的航速并未得到显著提升。好在1840年英国海军开始试验螺旋桨推进，当时被称为“暗轮”推进方式。头一个采用这种推进方式的巨舰“勇士”号在澎湃的蒸汽之心和螺旋桨的默契配合下获得了14.5节的可观航速。至此，螺旋桨和蒸汽机这对小搭档开始逐步将老爷爷风帆和长兄明轮一起挤出大洋。
在1844年兰开夏设计出复炉管锅炉前，蒸汽锅炉就是个空心的装水大圆筒，最初是立式，后来被改为卧式锅壳，锅壳下方就是燃烧室。但是由于这种加热方式受热面积有限，就算把锅炉做的很大，蒸汽却总是不够，而且压力有限，只有约0.8兆帕。随着金属加工技术的提高，设计师们开始琢磨着通过在锅壳内部增加火筒的方式提高受热面积。所谓火筒，不是其中烧火，而是在火筒接通燃烧室，炙热的烟气从火筒中流向烟囱，一路上对锅壳内的水加热，这种锅炉被称为火筒锅炉。
人们在掌握比较成熟的钢管生产加工技术之后又琢磨着把火筒换成散热面积更大的火管，仍然是火（烟气）在管内流过。在锅壳的存水线以下同时装入火筒和火管，从燃烧室流出的炙热烟气经火筒后再流过火管，每通过一次锅壳存水被称为一个回程，火筒和火管的转换处被称为背，根据背是否没入水中有干背和湿背之分，这种多回程火筒火管式锅炉又被称为苏格兰船用锅炉，因为其体积相对较小，也更容易做成符合船舱隔断的长方体，所以至今仍在船舶动力装置中北使用。其形状和尺寸可与轮船机舱配合较好，锅炉本身也较轻，所以一直在船舶上使用。
无论是火筒或者火管式锅炉，我们都将之归为“锅壳式”锅炉，这种锅炉的传热面积更大，蒸汽产出和压力均得以提高，到1860年，船用锅炉的压力已达到1.4甚至1.8兆帕的水平。不过此时的船用锅炉也比当年富尔顿使用的要庞大很多，与之相配的机械传统装置也已经大不相同。
1850年至1860年的舰用主机一般被布置在船底，因为此时的蒸汽机直接驱动螺旋桨，不得不和螺旋桨轴保持在同一平面。而且此时的舰船锅炉有一比较糟糕的特性，就是每隔数小时就必须打开锅壳清洗其中海水析出的盐分，而随之而来的蒸汽压力降低和锅壳腐蚀问题造成舰船的蒸汽主机“心病”频发。1860年之后，通过将部分蒸汽在金属表面冷凝方式收集纯净水送回锅炉以逐步降低锅炉内部盐分浓度的冷凝器投入使用，同时锅壳的材质被更多的换成较难被热盐腐蚀的钢，一系列措施使得由于直接使用海水导致的问题得到解决，锅炉内压力被提高到2.1~2.5兆帕左右，当然这其中也有第一代安全阀的作用。
1865年，最初的高低压两缸二胀式蒸汽机被设计出来，从锅炉出来的高压蒸汽首先在较小的高压气缸做功。当高压气缸活塞回退时、蒸气被驱入第二个汽缸推动它的活塞。这中多级做功的方式使得蒸汽内能使用效率提高了大约25%。通过控制高低压缸活塞面积，配合同时期发明的偏心曲轴，复式多段膨胀可以为螺旋桨提供连续而平稳的驱动力。
到1870年，蒸汽锅炉的外形得到进一步优化，卧式圆形锅壳问世，由于此种锅壳可以通过轧制加工，材料力学性能进一步提高，炉内压力几乎被提升一倍，达到4.2兆帕左右。
十年之后，舰船用蒸汽锅炉压力已达6.3兆帕，经过十多年的发展，复式膨胀已经发展到三缸三胀，而针对气缸横卧导致的内部磨损，立式气缸被发明出来。一系列的技术进步最终使得皇家海军敢于在1879年服役的“无畏”级战列舰上面取消桅帆。
而1882年，燃烧室强制通风技术又将锅炉的蒸汽产出量提高近一倍。说起强制通风或者叫压力送风技术，其实就是通过鼓风机增加锅炉燃烧室内的空气流动，提高炉压和氧量，使得燃烧更为迅速和充分。不过最初英国人搞出的强制送风技术并非是在锅炉上作手脚，而是在整个锅炉室进行密闭，通过鼓风机进行强制送风，结果锅炉工被折磨的东倒西歪，由于当时加煤还是人工进行，所以实际航速并未得到太大提高。后来改为封闭燃烧室，通过鼓风机进行强制送风，这种方式锅炉工仍然会因为燃烧加速，燃料消耗大幅度提高而苦不堪言，但是实际航速却能够提高近一节。
当然在锅炉内压增大的情况下，锅壳的强度要跟上，好在此时高磷生铁炼钢法或者叫托马斯法被发明出来，锅壳内压承受力超过8.4兆帕。此时的三胀三缸主机的热效率又得到15%的提升，在1888年入役的“本鲍”号上搭载了三缸直立式三胀蒸汽机，其锅炉内压已达到9.5兆帕。
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本帖一共被 2 帖 引用 (帖内工具实现)家园 【原创】小猫的原创：旧日本海军主力舰主机发展史（七） 前无畏舰时代的主力舰主机发展史到本篇告一断落，无畏舰时代小猫也许会再开个帖子，呵呵
“无畏”舰时代——新动力时代
“无畏”舰时代的动力系统，简言之就是重油混烧或专烧锅炉+蒸汽涡轮机。看似“无畏”是横空出世，但实际上，不过是压垮骆驼的最后一根稻草而已，就算英国海军自己，在“无畏”同时期的装甲巡洋舰“米诺陶”用的也还是亚罗式锅炉和四缸三胀蒸汽机，而此前蒸汽轮机只被装在驱逐舰上进行过实验。关于英国海军和蒸汽轮机的很多故事还是留到“无畏舰”时代去讲，这里就大概提下因“无畏”级而被落后的各国主力舰动力系统。
法国人在十九世纪后期算是舰船动力的领跑者之一。自1882年，瑞典的C.G.P.de拉瓦尔制成第一台5马力（3.67千瓦）的单级冲动式汽轮机开始，法国海军就在密切关注，但与英国海军类似，所有的实验都仅限于小型战舰试装，而最初的蒸汽涡轮发动机主力舰是1907年的“半无畏舰”“丹东”级，而1907年仍在建造的“自由”级3、4号舰仍沿用三缸蒸汽机。
德国海军在蒸汽涡轮发动机方面就显得更为迟钝。由于执着于独立开发，德国主力舰机关部进入“无畏”时代比英法德日美都要晚，1908年的赫尔戈兰级仍在使用四缸蒸汽机，而1909年的“凯撒”级才总算是第一级装备涡轮机的战列舰。1908年的“冯.德坦恩”号则是最初装备蒸汽涡轮发动机的德国主力舰。
美国海军对于蒸汽轮机同样充满热情，尤其是经过“大白舰队”全球巡航，美国海军更进一步认识到主机节能的必要性。因此自单级冲动式汽轮机被发明开始，美国国内的布朗.柯蒂斯公司就开始研制自己的蒸汽轮机，而且很早就取得成功，制成了齿轮减速蒸汽轮机。
但是美国海军却提出了一个有些变态的要求——蒸汽轮机装舰的前提就是证明其能够在横渡太平洋的作战中保持可靠性，无奈的柯蒂斯公司只得使用民用商船和海军的小型舰艇开始当时全球对蒸汽轮机最为苛刻的可靠性试验。等到美国海军对结果满意，已经是1910年之后，因此1911年的“内华达”级战列舰成为最初的美国蒸汽涡轮机主力舰。
从1889年代，三缸直立式蒸汽机第一次在法国海军的Brennus号战列舰上同水管锅炉搭档，到1906年“无畏”舰开启蒸汽轮机+煤油混烧锅炉的新时代，短短20余年，蒸汽机的最大可用压力由9.5kg/cm3提升到17.6kg/cm3，主轴转速由100转/分提高到每分钟160转，主力舰航速提高5节左右，增幅超过20%。
列强海军的三胀蒸汽机到1900年前后单台最大功率均已超过10000马力：英国海军1899年开工的“米诺陶”级主机单台动力达到15000马力，法国海军1902年开工的“自由”级装备三台单台马力为12000马力的三胀蒸汽机、而德国海军1907年开工的“沙恩霍斯特”级三台主机总功率也达34000马力，而美国海军1911年装备的“纽约”级战列舰使用两台单台14000马力的主机，而日本海军从1905年开工的“鞍马”主机单台马力为11250马力，这就是“前无畏时代”各国海军蒸汽机功率的最高纪录，其中绝大多数都是双气压气缸的四缸三胀蒸汽机。
但是在19实际末，各国的蒸汽机设计师都已经发现，令人无奈的机械摩擦和表面处理成为了阻碍蒸汽机进一步提高功率的最大障碍，而且碍于当时工业技术水平，这个障碍仿佛是特洛伊城墙一般无法突破。
而另一方面，曾为风车等简单机械采用的空气动力吹动桨叶的原理，与蒸汽锅炉想结合，却产生了一种功率更为惊人的新式主机，这便是“无畏时代”的主力舰之心——二段蒸汽涡轮机。跟随“无畏”的脚步，各国海军义无反顾的踏上新的“追心”时代。
通宝推：海天,
本帖一共被 5 帖 引用 (帖内工具实现)家园 能配上图吗?对船用机非常有兴趣啊 家园 【原创】小猫的原创：旧日本海军主力舰主机发展史（6.3） 美国海军在主机锅炉尤其是水管锅炉和多汽缸主机选择上同样陷入过迷茫，1899年开工的三艘新“缅因”级战列舰，BB-10~BB-12充当了轮机实验小白鼠的角色，其中新“缅因”号战列舰使用24座尼科洛兹水管锅炉，“密苏里”和“俄亥俄”号则使用12座桑尼克罗夫特式锅炉作为比较，主机方面“缅因”使用了两台三缸三胀蒸汽机，“密苏里”和“俄亥俄”则采用了四缸蒸汽机，，三艘战列舰的主机功率都达到16000马力，设计时速均为18节。而“密苏里”由于更换了大直径螺旋桨，因此拥有超过设计航速的18.18节高速。
当1901年美国海军开工建造“弗吉尼亚”级时，关于装备何种锅炉的争论尚未尘埃落定，不过此时美国国内厂商已经能够制造水管锅炉，“弗吉尼亚”级的首舰BB-13和BB-15都采用了Babcock巴布科克式锅炉，而BB-14/16/17则使用了改进后的巴布科克和威尔考克斯式锅炉，而1901年的英国“爱德华VII”号战列舰也混装了此种锅炉。
对比测试后，美国海军认定改进后的巴布科克和威尔考克斯式锅炉更为优秀，所以自“弗吉尼亚”级的后续“密西西比”级（BB-18/19）开始，美国海军战列舰始终采用巴布科克和威尔考克斯式水管煤炭专烧锅炉和以其为基础改进的混烧和重油专烧锅炉。
巴布科克和威尔考克斯式水管煤炭专烧锅炉属于横置水管锅炉，与尼科洛兹等同属横置水管锅炉的同辈相比，其烟气回程更长，另外其斜水管和连通汽包的水平水管都是直管，更容易清理管壁附着物和更换新管。由于流速基本均匀，相对积垢也小一些，其“热虹吸”式自循环也更稳定。
平心而论在技术进步方面远不如属于弯管式水管锅炉的宫原式锅炉。不过对于心高气傲的英美海军来说，使用日本造设备在当年是不能想象的，另外美国海军与英国海军相比更为注重扶植本国公司，为此甚至不惜牺牲装备先进性。
美国海军在装甲巡洋舰锅炉方面同样显得举棋不定，尤其是考虑到几款横置水管锅炉在高负荷长时间运行中都出现过水循环失效的情况，美国海军的选择更为慎重。美国海军在1890年开工的ACR-2“纽约”级上使用6座苏格兰圆锅炉，只是由于其吨位较轻，不及万吨才勉强达到20.5节航速。之后再1901年开工的六艘“宾夕法尼亚”级（ACR-4~ACR-9）上也分别搭载了巴布科克式锅炉和改进型巴布科克和威尔考克斯式锅炉，结果得出了与战列舰锅炉实验相同的结论，巴布科克和威尔考克斯式锅炉明显占优。
之后的“田纳西”级四艘（ACR-10~13）就开始全面装备巴布科克和威尔考克斯式锅炉。“宾夕法尼亚”级和“田纳西”级后来都被重新分级为重巡，编号也变成“CA”打头，被称为“初代重巡”，这十艘巡洋舰虽然装备不同锅炉，但同一搭载了四缸三胀蒸汽主机。
说到蒸汽主机，美国人在低压气缸设计方面次用了比其他国家更大的汽缸直径，膨胀比因此增大，取得了更为良好的热效率，这算是美国四缸三胀蒸汽机的一项优势。
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本帖一共被 3 帖 引用 (帖内工具实现)家园 【原创】小猫原创：旧日本海军主力舰主机发展史（6.2） 1910年的列强主力舰机关部：德国
德国海军自1895年“弗雷德里希III”级首次采用三台三缸三胀蒸汽机驱动三根主轴的方式，取得17节航速。而在1890年著名的“勃兰登堡（初代）”级战列舰上德国人使用12台苏格兰圆锅炉驱动两台三缸三胀蒸汽机带动两根主轴，只能跑出16节。
从“弗雷德里希III”开始德国海军也迷上了三主轴驱动。三轴驱动战舰在轮机布置上有一个特点：由于需要保持船底线型，左右两轴的位置必须要较中轴前移。如果再采用相同的轴长，驱动左右两轴的机舱必须与中间机舱交错布置。这种布置在抗损性较好。而众所周知德国舰船设计对于抗沉抗损性的追求达到了变态的程度，比如三轴驱动带来的舵效降低，以及扭矩导致的不可控偏航，德国人则选择性失明了。
当然，德国和另一个偏爱三轴的法国海军，其三轴驱动战舰是在波罗的海或者地中海这样海况相对较为良好的海域作战。而对于英系海军，英国、美国以及日本的舰船，其面对北海、大西洋、太平洋的滔天巨浪，必须优先考虑其操控性能。
此外德国人偏爱三轴驱动还有一点，三台主机想要达到英美日双机的功率相对容易的多，其蒸汽机也可以做的相对小些，舰体的宽度也可以随之减小。另外三轴在经济航行方面比双轴有一定优势。在加上上面提到的优良抗损性，日后德国名扬天下的很多远程袭击舰理所应当的采用了三轴推进布局。
同样出于对早期水管式锅炉的不信任，德国海军在“弗雷德里希III”级上面采用了锅炉混装的方式，4台英制桑尼克罗夫特（Thornycroft）式水管锅炉搭配8台老式苏格兰圆锅炉。德国海军在用过桑尼克罗夫特式水管锅炉后还算满意，只是桑尼克罗夫特式也有早期水管锅炉高负荷运转时水循环易失效导致上水管干烧过热的问题。与日本加装辅助循环装置的方法不同，德国人老老实实的将管子做粗，曲度降低，管组间距增大，还加大的两翼汽包直径，这种改良型水管锅炉被德国海军称为“海军型”水管锅炉。
而据说运行最为稳定的锅炉混装的方式也被德国海军之后的“维特斯巴赫”级等前无畏舰继承，直到“德意志”级二号舰“汉诺威”号1904年开工，德国海军才首次用清一色的“海军型”水管锅炉。
德国的装甲巡洋舰，一般认为要从1896年的“俾斯麦王子”号开始，不过根据德国人自己的所谓“大型巡洋舰”分类，更早期的“维多利亚的路易斯”级（这一级德国巡洋舰都用着诡异的女人式名字或者地名，国内曾有人说是什么条顿骑士团时代勇士名，我很想让他解释一下“汉莎”以及以日耳曼神话爱与美女神菲尔娜命名的原因）也被归入“大巡”。此级别共有五艘，却分别搭载四种锅炉，这种明显的实验式装舰方式令到我怀疑这一时期是不是德法的战舰设计师是商量着干的。
“比涅塔（一个传说中的古镇，也是与神话中有关）”和“汉莎”号分别搭载了12座贝尔维尔横置式水管锅炉，“赫莎（著名的柏林赫塔足球队的队名也来自这个，不过是由于初代老板坐过一艘轮船也命名为“赫莎”）”使用了12做贝尔维尔纵置式水管锅炉，也就是最早的贝尔维尔式锅炉，“菲尔娜”则使用了12座尼科洛兹水管锅炉，首舰采用德尔式水管锅炉。
德尔式锅炉的结构与尼科洛兹式水管锅炉极为相似，但是增加了两组垂直冷下水管，此外其烟气也有单向流过变为在水管外围绕一个半圈，热传递效果更好。
而比“维多利亚的路易斯”级更为先进的“俾斯麦王子”号虽然也是1896年开工，不过由于从一开始便是作为“大巡”设计的，因此其采用了德国主力舰通用的桑尼克罗夫特锅炉搭配苏格兰圆锅炉的混装方式。之后的“海因里希亲王”号、两艘“阿尔伯特王子”级和两艘“卢恩”级仍采用锅炉混装的模式，但是和苏格兰圆锅炉搭火的已经换成了“海军型”水管锅炉。
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这节小猫来聊聊日俄战争前后除英国和日本的列强在主力舰机关方面都有哪些发展。先来看看高卢鸡
上面小猫讲到法国海军第一个把水管锅炉装上主力舰，1889年法国海军的Brennus号战列舰是最先装备贝尔维尔水管锅炉的，同时这一级战列舰也是法国最初装备直立式三胀蒸汽机的主力舰。两座三胀蒸汽机配合水管锅炉能够产生高达13500马力动力，推动战舰达到17.5节的高速。
1890年法国一气通过了10年内10艘战列舰的建造计划，也许是银子批的太多了，法国海军脑子有点过热，竟然将最初开工的五艘战列舰变成一场诡异的实验，分别由土伦、布列斯特、塞纳河口等海军工厂自行设计建造的战舰放到海上竟没个重样子的。不过还在虽然外貌不同，这五艘战舰却都在用相同的“高卢心”——除了“布维岛”号采用32台贝尔维尔式水管锅炉外其他四艘都采用了24台德尔鲁格拉夫式水管锅炉，不过在锅炉舱布置方面各舰同样是各显神通，因此烟囱的布置也大不相同，但是总的来说由于法国战舰交叉布置锅炉/轮机舱，因此其烟囱间距较大。
而在蒸汽主机和驱动轴设计上，法国人的想法一如既往的诡异，“马塞纳”号和“布纹岛”号都装备了三台三胀蒸汽机驱动三根主轴，而当时并没有太多主力舰采用三轴推进，其在操纵等方面也远不如双轴式设计。
而1894年作为主力舰大实验成果的三艘“查理曼大帝”级战列舰，使用了20座贝尔维尔式水管锅炉，配合三台三胀蒸汽机驱动三根主轴，在15000马力推动下可跑出18节高速。其放大版“萨芬级”则改用新式的尼科洛兹式水管锅炉驱动其三台三胀蒸汽机，最大输出为16500马力，最高航速仍为18节。
1901年开工的2艘“共和”级和第二年开工的四艘“自由”级本来是属于同一批次计划，采取相同的设计，因此在轮机舱室和布置方面大体相同，其中“共和”级两舰“共和”和“祖国”以及“自由”级的“正义”号都装备了24台尼科洛兹式水管锅炉，呈4、8、4、8配置在四座锅炉舱中，其烟囱呈独特的“前二后一”式配置，第四锅炉舱的8台锅炉共用后部烟囱，前部16座锅炉则分别对应前部的两座烟囱。而“自由”级的剩下三艘“自由”、“民主”和“真像”号则采用了22做贝尔维尔式锅炉，也分布在4座锅炉舱中，与“自由”级相比，在第四锅炉舱中少装了两台锅炉，烟囱的设计则完全相同。
在主机方面这六艘战列舰也很有趣的分成两组，两级战舰的首舰“自由”和“共和”号都采用了三台四缸三胀蒸汽机驱动三根主轴，而剩余的四艘战舰主轴数相同但采用了三缸三胀蒸汽机。
而更为令人费解的是，法国人在对航速要求更高的装甲巡洋舰上顽固的拒绝三胀蒸汽机，而只采用高低压两段膨胀式，不过由于超过战列舰近一倍的锅炉，因此法国产装甲巡洋舰的航速在当时并不落后，但法国海军拘泥于这种舍近求远的设计的原因却始终不明。
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1889年，划时代的君权级战列舰设计完成，英国海军拥有了最初的高干舷的远洋战舰，在举世瞩目的重甲利剑之下，8台苏格兰圆形锅炉驱动着两台三缸直立式三胀蒸汽机，自然通风条件下可以达到9000马力，强制通风条件下更是可以爆发出11000马力，驱动君权级以全所未有的17.5节高速飞驰。在布置方面，锅炉舱外侧是兼做防护的煤仓。每舷四台锅炉，背靠中央隔壁，燃烧室口冲外，对着煤仓。轮机舱布置在锅炉舱后方，也由中央隔壁隔成两段，两根主轴都是通过曲轴由蒸汽机驱动。由于海军向来的“挑食”特点，海军工厂所用的主机只能由Humphrys&Tennant生产，民间船厂则是可以选择是自制还是定做。
1894年（明智27年），日本分别在泰晤士铁厂和阿姆斯特朗造船厂订购了日本最初的战列舰——“富士”和“八岛”，作为君权级的改进版，富士级在保持君权级动力舱室结构的同时，再增加了两台锅炉，使得强制通风状态下主机产出13500马力，设计最高速度达到18.5节。不过获得高航速是有代价的，日本为了取得高速度，选择了双桨内旋，也就是说右舷安装左旋螺旋桨，左舷安装右旋螺旋桨，这种方式使得舰尾下沉，推进效率较高，但是却使得舵效大打折扣。因此日俄战争中日本战舰在航速方面表现抢眼，但在操纵事故方面表现的同样抢眼。
在富士级时代，各国海军主力舰由于锅炉内部结垢导致的事故仍然频发，大如锅炉爆炸，小如减压停机都时有发生。而且，火管锅炉在炉压超过12兆帕的情况下，燃料耗费迅速增加，使得各舰的经济巡航能力和急速巡航能力方面相差甚远，这种特性在战时几乎是致命性的。无奈的约翰牛只能带着一堆小弟去高卢鸡那边找路子，法国海军在19世纪后期为海军技术提供了许多划时代的发明，管退炮最为人所知，而水管锅炉同样是法国人带往海上的。
1880年法国人贝内维尔Belleville设计了最初的水管锅炉。水管锅炉与锅壳锅炉或叫火管锅炉不同，锅炉水在管内循环，热源在管外围。由最简单的圆周应力工事计算，管直径非常小时，在同样的材料应力极限下水管锅炉可承受的蒸汽压力更高。
不过最初的贝内维尔水管锅炉使用了直水管，以热虹吸原理运行。较冷的给水进入纵向布置在燃烧室上方的锅筒。较冷的水下降到后面循环联箱进入几个倾斜的被加热的炉管。当水温度上升，就向上通过倾斜的炉管，沸腾后密度下降，因此沿倾斜炉管向上循环，热水和蒸汽进入前循环联箱返回锅筒。在锅筒内，蒸汽泡与水分离后蒸汽离开。这种最原始的纵置锅筒水管锅炉的压力和容量都较为有限，但是比当时英国使用的火管锅炉却领先一代。
不单如此，水管锅炉的优势还在于其反应速度。由于水管径小，受热面积更大，水管锅炉能够迅速获取到足够的蒸汽，而所需时间大约是火管锅炉的1/5，这点对于战舰而已极为重要。
1889年法国海军在Lorient造船厂船台上施工的Brennus号战列舰在首次装备二级主炮，取消冲角，也成为第一艘装备贝内维尔水管锅炉的主力舰，其航速也达到了惊人的17.5-18节。如此优秀的锅炉却为潜在对手所有，约翰牛的面子和海权一起受到了挑战，更麻烦的是刚刚投入海洋竞赛的俄国熊也向法国订购贝尔维尔锅炉，同时在1890年在波罗的海船厂开工“留里克（初代）”级装甲巡洋舰。病急乱投医的英国人最终在1892年经过考察决定低下高贵的头——1894年英国向贝尔维尔订购了大型巡洋舰“力量”和“可怖”号，其8台强大的贝尔维尔水管锅炉可以驱动4台四缸直立式三胀蒸汽机爆出25000马力，推动战舰达到22节的航速。
1896年开始建造的“老人星”级是最早装备水管锅炉的英国战列舰，其炉压达到21.1兆帕，主机最大可用压力位17.6兆帕。之所以为锅炉和主机设计出一个可以用压差，是考虑到早期的水管锅炉可靠性较低，由于锅炉水较少，蒸汽压力相对不稳定。同时皇家海军的轮机人员也缺乏足够的训练和培训来伺候更为精贵的水管锅炉。
1897年（明智30年）开工的“敷岛”级称谓第一代搭载水管锅炉的日本战舰，共搭载高达25座水管锅炉（老人星搭载20座），分别位于三个锅炉舱内，第三锅炉舱只搭载5座锅炉，但设置了与其他锅炉室同直径的烟囱和鼓风机等设备。因此在搭载于富士级完全相同的蒸汽机的情况下动力增大1000马力，为了能够应付更大的扭力，日本将螺旋桨主轴的材质由碳素钢更换为更坚韧的合金结构钢。
翌年开工的“初瀬”级在主机设计方面与“敷岛”完全相同，但是“朝日”号却搞了一点特殊，其2、3号烟囱被合成一座椭圆形长烟囱（日文称谓横长小判式），相应的第2、3锅炉舱也共用一座烟囱。而且从“朝日”号开始和之后的“三笠”号，日本战舰搭载的水管锅炉达到了与老人星级相同的炉压，“敷岛”的炉压则要低约10%。
1899年（明智32年）日后对马的胜利旗舰“三笠”号开工，锅炉舱的布置又被修改，变为第一炉舱只布置5座锅炉，第1、2锅炉舱共用一座内径较大的烟囱，而外观上两座烟囱完全相同。“三笠”号主轴每分钟急速为120转，仍承袭日本主力舰设置内旋螺旋桨的传统，但是由于主机气缸设计进行了一定程度修正，由简单的“高-中-低”变为可能进行螺旋桨倒转的“高-低-中”式气缸设置。
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本帖一共被 1 帖 引用 (帖内工具实现)家园 【原创】小猫的原创：旧日本海军主力舰主机发展史（三） 1.3 日俄战争时期的装甲巡洋舰主机
1896年（明智29年）阿姆斯特朗船厂开工建造著名的“浅间”级装甲巡洋舰。其锅炉装备与富士级相同，也装备了12座苏格兰圆形火管锅炉。蒸汽机则使用了四缸直立式三胀蒸汽主机，主轴每分钟最大转速为135转。由于追求高速性，同时负载较低，因此装巡主机的蒸汽机活塞行程被设计的较短，以取得更高的主轴转速。翌年，姊妹舰“常磐”号也在惠特沃思Whitworth船厂铺下第一根龙骨。与富士级一样，本级的驱动轴也被更换为更为坚韧的碳素钢轴。
“浅间”级属于六六舰队计划中的1897年第一期扩张计划的订制舰，而属于第二期计划的“出云”号及“磐手”号于1898年（明智31年）也在阿姆斯特朗船厂分别开工。此时阿姆斯特朗船厂也可以为“出云”级装备贝尔维尔水管锅炉，日本人一气在船上堆了24台水管锅炉，分别安置在三间锅炉舱中，每舱8台。由于每分钟最大转速高达155转，主轴和曲轴的材质也更换为性能更好的合金结构钢。承袭日本海军的传统，“出云”级的螺旋桨仍被设计为内转式，简而言之，“出云”级的主机系统就是“敷岛”级主机的装巡版本。
这一时期日本人在造舰方面不再吊死在英国一棵树上，1896年第一期扩张计划中的两艘装巡被分别交给德国和法国的船厂，其中的“八云”号（Yakumo）1898年2月26日在德国伏尔铿铁厂造船厂（AG Vulcan）开工建造。虽然“八云”和法国造的“吾妻”都是以浅间级为蓝本改进的，但由于法德两国海军设计传统不同，所以显得大同小异。德国战舰更多考虑到提高防御力，装甲防护和抗沉性能在日本装巡中首屈一指，其严密的防火设计使得“八云”在1936年11月6日的前主炮弹药库爆炸中受创轻微，更一直熬过二战才被拆毁，而德国设计师为了追求主机战时的耐用性，甚至在三胀蒸汽机的不同压级汽缸上使用完全不同的气门齿轮驱动装置。
同年2月1日在法国圣纳泽尔卢瓦河船厂（Societe des Chantiers de la Loire）开工建造了六六舰队1896年扩张计划中的“吾妻”号装甲巡洋舰。同样是“浅间”级的修正版本，该舰的设计则染上了浓厚的高卢风，其修长测船体和高高的干舷让人想起俄国的太子级。此外，由于在每气缸上都装备筒形气动阀门，不得不将主机机舱分布在两舷，也成为该舰的一大特色。与在圣纳泽尔船厂建造的法国主力舰一样，法制主机在前进和倒车时分别使用气动阀门和偏心轮是阀门齿轮。在气门控制阀门机构上有个很奇怪的情况，德国法国都倾向于为高中低三缸配置不同类型的阀门，并为每一气缸装备多种阀门形成亢余备份，而英国人则更喜欢用同一类型的阀门，而且极为偏爱齿轮式而不是法德常用的共轭滑动式。
“吾妻”级的设计还有一个特点就是其第二锅炉舱和第三锅炉舱由于塞入了副炮弹药库而相距较远，导致舰体表面的第二第三烟囱间距较第一第二烟囱间距明显要大。在锅炉舱和轮机舱设置方面日本人有个怪癖，就是喜欢把锅炉舱和轮机舱几间堆在一起，而当时的主流设计是锅炉/轮机舱交替配置。这也可以认为是日本海军的实战经验不足，交替配置虽然在设计方面难度很大，但却避免“鸡蛋放在同一个篮子中”的隐患。由于副炮弹药舱插在锅炉舱之间，以及法国海军细长舰体的传统，“吾妻”舰的长度超过了日本海军的准备，甚至导致全日本仅有浦贺的超长船坞才能完成船体维护的工作。
可以说日俄战争时代的日本装甲巡洋舰是绝对的多国部队，除了英法德造外，还有正宗的热那亚货。面对俄国熊的爪牙，1903年日本提出的“三三舰队”紧急追加案，拿着这笔银子，日本海军四处寻购战舰。恰巧1902年3月在意大利热那亚的安萨尔多船厂(Giovanni Ansaldo & Co.,)开工建造了两艘装甲巡洋舰，本来意大利海军准备自用，但是在阿根廷人的要求下，“内销转出口”。谁知后来阿根廷和智力在列强半哄半吓中化干戈为玉帛了，两艘装甲巡洋舰又成了日俄之间的抢手货，最后英国人暗助日本人拍下了这两艘命途波折的战舰。
由于最初是设计自用，“春日”级的拉丁血统十分纯正。锅炉/轮机舱采用交替配置，8座苏格兰圆形锅炉分成前后两组，以锅炉舱-轮机舱-锅炉舱的方式布置在主桅杆前后的两座烟囱下方。由于意大利主机技术落后于英法德等国，在日本当时装甲巡洋舰中，“春日”级的主机使用压力相对较低，只有11.6kg/cm3，产生马力也不足7000马力，但其三胀蒸汽机的低压气缸直径却达到2300mm，为当时日本第一。由于主机动力较低，“春日”级主轴最高转速只有106转/分，其回转方向却是日本海军唯一的双旋外传式，即右舷安装右旋螺旋桨，左舷安装右左旋螺旋桨。
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家园 【原创】小猫的原创：旧日本海军主力舰主机发展史（四） 日俄战争中的主力舰机关部
还是忍不住要用“机关部”这词，实在不知怎么简略的翻译好。
日俄战争开战之时，日本的14艘主力舰中已经有八艘装备了水管锅炉。应该说日本的战备几乎做到了事无巨细，举两个小例子，在水管锅炉上面有个利用烟气剩余热量预加热补充冷水的装置叫做省煤器，由于省煤器的位置一般在烟囱下方，相对于深埋在装甲船体之下的锅炉舱更容易被击中。日本海军为防止省煤器被击中导致水循环系统失效，专门预先准备了特质的接头和工具，使得锅炉工能够在紧急情况下使得锅炉给水管绕过省煤器。另外，为了能够在较寒冷的北太平洋区域进行锅炉水补充，而不至导致水管结冰，日本海军专门准备了足够的毯子和油毡供紧急包裹水管。
这些努力和准备在战斗中得到了应有的效果：1904年（明治三十七年）八月的第二次黄海大战，“三笠”号带领联合舰队对旅顺的俄国舰队穷追猛打，自下午15：02分直至晚上20：23分始终保持15节高速，主轴维持每分钟96转长达五小时二十多分钟。而就在开战半年前，当时还没完成舰底附着物清理的“三笠”号，最高只能勉强保持短时间的14节冲刺。
不过也有表现欠佳，起跑慢的，比如倒霉的“敷岛”。当生死时速开跑之际，“敷岛”的锅炉突然出现蒸汽压力过低的情况，事后发现是由于锅炉工挑选的煤炭个头太大，形成了厚厚一层，隔绝空气，缺氧的下层煤炭始终烧不起来。好在发现问题后通过强制送风，使得燃烧室中的氧气充足，煤炭得以充分燃烧，锅炉蒸汽压力也恢复到17.6kg/cm3的规定压力水平，在足够蒸汽的推动下，“敷岛”的主轴转速稳定在了每分钟100转，最终赶上了战列。
1905年（明治三十八年）五月在日本海上，由于不再是追击战，而是堂堂正正的迎击，“三笠”的主机只是在几次冲刺中进行了高速运转，如15：10分至15：29分的110转/分冲击和之后的几次百转高速考验，对于经历过黄海变态长跑的日本轮机官兵来说，日本海只不过是小菜一碟。
不过日俄战争对于机关部官兵也并非是一帆风顺，由于在之前的试航和训练中贝尔维尔水管锅炉多次发生事故，海军上下对水管锅炉是不是靠谱心里都没底。尤其是对于此时装备的威尔考克斯横置水管锅炉来说，与早期贝尔维尔设计的纵置水管锅炉都是依靠“热虹吸”提供锅炉水循环的动力，但是由于沿锅筒温度更为均衡，在高负荷情况下极易发生“热虹吸”失效，导致水循环停止。
日本海军在战前处于稳妥考虑，为水管锅炉配置了由气泵等驱动的“自动给水调节器”，而此装置在作战中始终正常工作。但是在战后检修中，多艘主力舰都发现有锅炉水上升管由于水循环失效而变干，发生过热变色甚至是变形。战后舰政本部甚至专门提交报告向海军高层反映横置水管锅炉锅炉水循环不良导致上水管变形。
当时，世界上最好的锅炉用煤是南威尔士无烟煤，任何船能用上这东西都是倍有面子的事情。由于其能够爆发出很高的热量，却几乎不产生烟灰，战舰在获得充沛动力的时候却不用喷出暴露自身位置的滚滚浓烟。正是由于这种特性，作为最理想战舰燃料的威尔士无烟煤在日俄开战后价格暴涨，日本海军却一改平日的吝啬，大大方方不计成本的狂收25000吨。这一下更是“洛阳纸贵”，各船务公司老板和各国海军只得望“煤”止渴，四处收罗西里西亚等地的无烟煤充数。
在1904年（明治三十七年）和1905年两年间，日本海军的累计煤炭达到631700吨，其中296000吨是不计成本高价买来的，其他则是从捕获的敌船或港口储煤中抢来的。在这60多万吨中，品质达到一等品的约十三万吨。整个日俄战争中日本舰艇锅炉里填进去的煤炭70%是高价购入的，剩下30%是品质较差的本土和炭和焦炭等。
焦炭生产技术当时由法国人执牛耳，不过高卢鸡也是被逼出来的。法国空有世界第二的蒸汽舰队，找遍全国却发现不了一处高品质煤矿，本来还有个阿尔萨斯和洛林，普法战争还给打丢了。在亚洲琢磨着抢台湾的煤矿，最后却为日本做嫁衣，幸亏还有越南的几处煤矿，聊胜于无，却总远水解不了近渴。无奈的法国人把看威尔士和西里西亚眼馋的怨念转化为动力，经过多年研究总算获得了品质接近无烟煤的优质焦炭产品。
精明的日本人在购买法国军舰的同时也不惜血本购入了全套焦炭生产技术，不过由于买卖谈妥已经是日俄战争开打之后，为了防止被东航增援的第二太平洋舰队截击，日本不得不绕行南美航线将技术资料和设备送回国内。1905年（明治三十八年）四月，运输煤干馏设备的船只抵达日本德山海军燃料制造所，之后以山口县大岭产的无烟煤原料，生产出了日本第一批国产焦炭。
1904年（明治三十七年）1月，东乡平八郎带领着堪称“联合载煤船队”的舰队正式出航，各舰在装载10日份本土和煤的同时，又在战舰的其他的犄角旮旯全部塞满威尔士无烟煤，甚至舰员也被迫“与煤共枕”。此时日本还没有工业化焦炭加工能力，但是国内的各家煤窑都开始满负荷生产。由于本土和煤燃烧会产生大量烟灰，甚至达到遮蔽桅杆信号旗的程度，所以日本海军规定本土和煤只在平时使用。
为防止在煤仓中弄混英煤和和煤，昂贵的威尔士无烟煤被特意请上甲板，“妥善保存”。谁知这一节俭的举措最终在日本海大海战前却闹了众所周知的笑话——全舰队官兵集体一边骂着“八格牙路”一边把昂贵的“黑金”丢进大海。锅炉工无奈的看着本来是锅炉美餐的好煤却喂了鱼，欲哭无泪，要知道当时大头兵甚至是底层军官一年的军饷也买不了几斤威尔士无烟煤的。
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家园 【原创】小猫的原创：旧日本海军主力舰主机发展史（五） 今晚有事，先更新部分，明早补上，呵呵
日俄战争前后的主力舰主机发展
上文我曾经提到，英国海军迫于法制水管锅炉的强大效力，不得不在自己的军舰上采用这种锅炉。但是英国海军上下打从心底对高卢人的设计抱着怀疑态度，而法国锅炉在可靠性方面可谓是臭名远扬。因此在1901年计划的爱德华七世级战列舰上面出现了诡异锅炉混装情况——10座英国Babcock and Wilcox（巴布科克和威尔考克斯公司，简称B&W，后来和著名的MAN公司合并，如今还活跃在能源和动力设备领域）公司生产的水管锅炉搭配6座苏格兰老火管圆锅炉。此前出于不同目的的政客、国内锅炉厂商和部分海军人员联合发起了一场声势浩大的抹黑法制贝尔维尔水管锅炉的运动，后来被称为“锅炉战争”。虽然锅炉混装给日常保养工作增添了不少麻烦，但是搭配两座四汽缸直立三胀蒸汽机产生高达18000马力的动力输出，可以算是一份令海军满意的动力设计答卷。
而日本海军就显得没那么保守，1903年（明治三十六年）设计完成第二年动工的战列舰“香取”和“鹿岛”只采用了威尔考克斯水管锅炉。威尔考克斯水管锅炉属于横置水管锅炉，与贝尔维尔式纵置水管锅炉最大的不同就是锅筒与热源交叉布置，锅炉水在循环过程中北多次加热，相对吸热面积更大，产生的蒸汽压力也更足。
“香取”级一共装载了20座锅炉，呈4、8、8配置在三个锅炉舱中。在烟囱方面，“香取”采用了与“三笠”号设计相似前12座锅炉共用一台烟囱，第三锅炉舱则独享一座烟囱的设计。由于威尔考克斯式锅炉体型更为苗条，而且锅炉舱被设计的十分紧凑，所以“香取”级的锅炉舱总长度比此前的日本主力舰短的多，而从外形看两座烟囱也靠的很近。
在主机方面，“香取”级是日本战列舰中第一个装备了四缸直立三胀蒸汽机的，“香取”与姊妹舰“鹿岛”号的蒸汽机几乎完全一样，但是由于在试航中出现蒸汽机中压气缸滑动气门阀门失效的情况，“鹿岛”在主机中压气缸上增加了第二个滑动阀门。
1904年（明治三十七年），在国会通过临时军事费的推动下，海军设计了国产装甲巡洋舰，翌年动工建造两艘，这就是日本自夸为“最初战巡”的“筑波”/“生驹”两舰。这两艘通体透着革新气味的军舰在轮机方面也开创了日本造舰的新时代——国产的宫原式水管锅炉第一次被装备在主力舰上。
宫原二郎造船大监（所谓佐官相当官）的这款著名发明算是在对亚罗式、巴布科克和威尔考克斯等锅炉的优缺点进行研究后的一个独创，其大型舰用版本，7个汽包被两组三回程斜管和两组垂直下水管连接，自动水循环原理不再是“热虹吸”式，而变成“温度-密度”转换式，即依靠冷水密度较大，热水密度较小的特性使得锅炉水有效的循环。也可以认为是一般弯管四汽包水管锅炉的变体。小型舰用宫原式水管锅炉则通过一组三回程斜管和一组垂直下水管串联4个汽包，算是比较正统的弯管水管锅炉设计。
宫原式锅炉第一次上舰是在1902年（明治三十五年）三景舰之一“桥立”号上，这次实验性改装一部分原因是为了摆脱掉从投入使用就故障不断的法制火管圆锅炉。改装之后的“桥立”号在同装备贝尔维尔火管锅炉的“严岛”号和装备威尔考斯克水管锅炉的“八重山”号进行的对比测试中，取得了热效率最高和相对维护时间最少的压倒性优势。因此日本海军放心的在“筑波”级上装备了20座宫原式锅炉。其锅炉舱设计为前后两个锅炉舱中各放置10座锅炉，锅炉的燃烧室口都朝向舷侧，面向煤仓以方便加煤。
“筑波”级的蒸汽主机也采用本国设计的四缸直立三胀蒸汽机，其设计基本是以“香取”号主机为蓝本，但是采用了“鹿岛”号的气门亢余滑动阀门设计。不过考虑到日本国内工业水平限制，最终“筑波”级的主机气缸的可使用压力和行程等保守的采用了“出云”级的设计数据。但是在汽缸润滑方面，日本首次尝试了“高压注油技术”，这使得设计保守的主机却能够保持主轴转速达到150转/分。另外“筑波”也是日本国产主力舰第一次采用对向外旋螺旋桨。
也许“筑波”级生来就是技术进步的弄潮儿，二号舰“生驹”在建造过程中实验性的装备了重油喷射装置，成为日本第一艘装备混烧锅炉的主力舰，其主机因此比“筑波”号增加了1000马力。
1905年（明治三十八年）开工建造的“萨摩”号采用了与“鹿岛”号相同的主机配置方式，但是改用20台国产的宫原式水管锅炉，同时为了防止出现一枚鱼雷摧毁轮机舱的情况，锅炉舱被拉长，随之而来的便是两座烟囱的间距较“鹿岛”明显增加。当时日本在蒸汽主机方面尚没有太多建树，因此在设计方面采用了简单放大的方式，“萨摩”级的两台四汽缸三胀蒸汽主机简言之就是“香取”号主机照比例放大10%而来，可使用最高压力则增加了约5%。
同年开工的装甲巡洋舰“鞍马”在三间锅炉舱中分别塞入了8台、10台、10台宫原式锅炉，三根烟囱分别负责各锅炉舱中28台锅炉的排烟。主机方面则完全照搬了“筑波”级的主机设计，不过由于增加了8台锅炉，蒸汽产出量提高不少，因此在更为充足蒸汽推动下“鞍马”号主机的动力较“筑波”提高约10%，主轴最高转速也提高到160转/分以上。在1907年10月21日下水后的全速公试中，主机提供了超出22500马力设计要求的23081马力，“筑波”最高航速则达到21.25节，超出设计值20.8节。
1906年开工的“安芸”号战列舰是“萨摩”级的二号舰，由于锅炉减为15座，呈3、8、4的怪异布置，其中第二锅炉舱的4台锅炉两两背靠背，，所以上层烟囱间距也不均与，外形与“萨摩”存在不小差异。“安芸”级减少锅炉是缘于1906年11月宫原亲自上书舰证本部，请求全面换装在“生驹”号装巡上实验装备过的煤炭重油混烧锅炉，由于更换了混烧锅炉，“安芸”在减少锅炉搭载的同时，搭配引进的布朗.柯蒂斯式直联式蒸汽涡轮机，能产生21600马力，比“萨摩”宫原煤炭专烧+四缸三胀蒸汽机产出的17300马力，增幅近20%。
1907年开工的“伊吹”号装甲巡洋舰是“鞍马”的姊妹舰，锅炉也随“安芸”一起变为宫原式煤炭重油混烧锅炉，总共18座锅炉，呈8、5、5布置在三间锅炉舱中，第一锅炉舱8台为单面布置，剩余10台锅炉则是背靠背的两面式布置。不过虽然锅炉舱布置极为不均匀，但是上部等距的三根烟囱的布置却还算中规中矩。“伊吹”在计划之初就被作为蒸汽涡轮机的试验舰，不过考虑到要为“安芸”号搭载涡轮机做好实验，因此“伊吹”自开工便是无休赶工状态，1907年5月开工，至11月11日便下水，其6个月的工期堪称日本舰艇建造的奇迹。
由于涉及到主力舰动力发展的重要一步——蒸汽涡轮机的使用，所以“伊吹”和“安芸”的很多内容小猫决定留在下节在聊。还要插一句，宫本式锅炉的技术水平其实比同期的亚罗式、巴布科克和威尔考克斯等锅炉还要高一些，其循环系统虽然稍显复杂但是始终运作的不错，很可惜此时的日本海军还只能算是二流强队，西方海军是不太可能低下头来不耻下问，使得这型锅炉没能如亚罗式一样行销海外，有些可惜。
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本帖一共被 4 帖 引用 (帖内工具实现)家园 更新完第五节，再来聊聊煤仓和对马扔煤事件 对于秋山神棍带着人在对马把价格昂贵的南威尔士无烟煤丢到海里的行为，看来很多河友不太理解，也有兄弟根据前无畏时代各国通行将煤仓作为增加防御的例子，认为完全没有此必要，对此小猫从简单的物理原理方面聊点个人理解，博大家一笑吧。
点火这事情不容易，不但要温度还要有气度，也就是足够的氧气。而对于煤仓来说，合格的煤仓应该是个完全缺氧的状态，否则浓度较高的氧气和黄铁矿氧化成为三氧化二铁及三氧化硫时能放出热量，万一再有水分参加，当然大海上就这个东西不缺，就能产生硫酸，硫酸提供的热量还能加速煤氧化，逐步点燃煤仓，最终结局就是“缅因”号的下场——煤仓自爆。
所以所谓煤仓防弹，本身就是个无奈的选择，而且也是针对当时糟糕的穿甲弹水平，即便击穿煤仓，爆炸也不一定能够点燃煤仓，因为其内部的氧含量难以迅速提高。另外这与弹药库被点燃相比，损管难度也降低很多。
但是把无烟煤摊在木质甲板上让俄国人的炮弹点着玩就是另外一回事了。我们知道木材的燃点大约180度，燃烧产生的温度大约是300~500度，无烟煤的燃点大概多少度呢？大约400度，这样正好，俄国的炮弹装药虽然没有下濑那么容易燃烧，更没有其恐怖的流淌火焰效果，但是日本海军却主动把无烟煤放在甲板上，让炸药点燃木甲板，木甲板点燃无烟煤？想做烤全人也不带这样玩的。
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