【科普】采用直驱式蒸汽轮机的美国宾夕法尼亚铁路S2-6200号蒸汽轮机机车
文章作者：Forever Changzhensky（AcFun、Bilibili、百度、微博和知乎昵称：宁柳跨越）
LA NUIT
TOUS LES CHATS SONT GRIS
——DICTON
在夜色里
猫皆灰色
——谚语
阅读前之提示
美国宾夕法尼亚铁路公司在本文简称“PRR”⑴，纽约中央铁路公司简称“NYC”⑵，联合太平洋铁路公司简称“UP”⑶；美国鲍尔温机车厂简称“BLW”⑷，西屋电气公司简称“WEC”⑸。
本文属于正经科普文章，资料及图片来源于相关技术资料，不作为商业使用，如有侵权请及时联系删除之。
请大家理性讨论，不要在评论区干些不该干的事！如见有引战性评论，将采取必要措施处置之！
由于笔者精力和能力限制，在整理资料时恐有错漏，也请诸位读者纠正指教，谢谢合作！
资料参考来源
《Battleship Of The Rails》，Preston Cook 著，《Classic Trains》2012年春期，第20页~第31页：http://omnibus.bobanna.com/prr_s2/
https://www.steamlocomotive.com/types/turbine/
http://industrialscenery.blogspot.com/2016/04/prrs-class-s2-turbine-locomotive.html
http://prr.railfan.net/diagrams/PRRdiagrams.html?sel=ste&sz=sm&fr=
https://locomotive.fandom.com/wiki/Pennsylvania_Railroad_Class_S2
https://revivaler.com/pennsylvania-railroad-s2-steam-turbine/
http://crestlineprr.com/duplexexperimentals.html#s2
https://www.rgusrail.com/ilcrf.html
概述
“嗖嗖嗖”S2-6200号蒸汽轮机机车是BLW和WEC合作设计并于1944年9月交付PRR，旨在通过采用已在船舶工业广泛应用的蒸汽轮机技术，来延长蒸汽机车的主导地位。S2-6200号机车是唯一一台使用6-8-6轮式布置的蒸汽机车——即一组6个导轮、一组8个动轮和一组6个从轮，同时也是有史以来最大、最重、运行速度最快的直驱式蒸汽轮机机车。
S2-6200号机车采用WEC提供的直驱式蒸汽轮机，通过与中间动轴的啮合以及动轮外两侧的连杆，传递动力到动轮上；固定齿轮比为18.5:1。根据测试表明，S2-6200号机车的机械效率达到了97%，这意味着只有3%的蒸汽能量被损耗掉了。直驱式蒸汽轮机的缺点是蒸汽轮机不能保证在机车的整个运行速度范围内以最佳速度运行。
研制背景
1913年，PRR动力总管J.T.Wallis与首席机械工程师Alfred Wolcott Gibbs和Axel S.Vogt设计出使用相同设计锅炉以及许多其他机械部件的L1s型和K4型蒸汽机车，这意味着PRR有999台几乎相同的机车。但从20世纪30年代中期开始，K4s型机车的动力不足以应对越来越重的客运列车，因此它们通常是双机甚至三机连挂牵引，尽管有效，但需要数个乘务组，成本也随之上涨。
1936年6月，PRR领导层就决定建造一款新的干线客运蒸汽机车来取代其老化的K4s型蒸汽机车。他们还希望这款新型蒸汽机车具有与GG1型电力机车相当的性能，并且能够以160.93 km/h的速度牵引重量为1000 t的旅客列车。结果，采用6-4-4-6轮式以及“复式”传动的S1-6100号蒸汽机车，于1939年1月31日在PRR阿尔图纳工厂完成制造。此后，PRR又相继采购同样使用“复式”传动的T1型、Q1型和Q2型蒸汽机车。
不过，与PRR保持长期合作的BLW，此时正在和WEC合作研发采用直驱式蒸汽轮机的蒸汽轮机机车，并且找到PRR。
走行部
S2-6200号机车最初计划采用4-8-4轮式，但战时对轻钢合金的限制，不得不增加了机车重量，这样一来就需要导轮和从轮各3个以分摊重量；它的制造也因第二次世界大战而推迟。机车由BLW埃迪斯通工厂制造。
S2-6200号机车安装了带有大型A.J.Belpaire式平顶火箱和加长燃烧室的大型锅炉。锅炉产生的压缩蒸汽，以大约3218.69 km/h的速度通过4个喷嘴喷射到两台涡轮机并推动数以千计的涡轮叶片，将能量传送到传动齿轮。锅炉安装了Worthington型给水加热器以提高效率。用于列车制动的双气泵安装在烟箱前部下方，外部的大型散热器用于冷却压缩空气。
机车安装了两台涡轮机，一台大涡轮机用于正向运行，另一台小涡轮机用于在反向运行时以最高35 km/h的速度运行。大涡轮机最大转速为9000 r/min，可输出6900 hp（4413 kW）；而小涡轮机在8300 r/min时输出1500 hp（1103.25 kW）。机车监控系统确保在小涡轮机完全关闭时才能启动大涡轮机。涡轮排气管通过烟箱中的一组4个喷嘴，为燃烧室提供均匀的气流，并通过独特的四层重烟囱排出。
机车安装了一个连接变速箱的自动润滑系统，其中主动齿轮浸泡在装满润滑油的齿轮箱中。润滑剂在两个蒸汽泵的帮助下，通过过滤管道流经包括所有车轴的滚动轴承在内的所有润滑点。
煤水车和司机室
S2-6200号机车的煤水车最初是编挂于1台L1s型机车的180-F-82号煤水车。后来，它被分配到K4s-3768号机车，改号为180-P-75号。再后来，煤水车再次经过改造，编入S2-6200号机车并改号为180-P-85号。这种大型16轮煤水车类似于“复式”传动T1型和S1型机车上使用的煤水车。
为了减少乘务员的工作量，机车上安装了由WEC工程师Harry C. May设计的一款美国专利号为2515962的“流体压力控制系统”。司机在司机位前面通过这个集成在一个控制杆的控制系统，控制机车启动、运行、换向、动力输出和运行速度。
从无到有的挡烟板
S2-6200号机车于1944年9月从BLW运往PRR时没有挡烟板。但在服役后不久，PRR发现机车在以较低速度运行时吹出浓烟，因此在机车烟箱两侧安装了一对小型弧形挡烟板用于排烟。但这显然还不够，所以PRR于1946年12月在阿尔图纳工厂为S2-6200号机车添加了一对形状更大的、看起来像NYC“尼亚加拉”S1b型和UP“北方”FEF-3型机车使用的“大象耳朵”挡烟板。
事实上在S2-6200号机车之前，PRR在1939年~1941年间只在3台K4s型机车——K4s-5038号、K4s-3876号和K4s-3878号机车安装了用于实验目的的挡烟板。然而，给蒸汽机车安装挡烟板从来就不是PRR的传统。这3台K4s型机车在第二次世界大战结束后被拆除挡烟板，S2-6200号机车由此成为战后唯一一台装有挡烟板的蒸汽机车。
测试与运行
1945年3月30日，PRR正式安排S2-6200号机车进行测试运行，司机Flaya Cartwright和司炉M.E. Brown负责操作机车。期间，S2-6200号机车牵引17节测试车厢以180 km/h的速度，在韦恩堡—芝加哥区段的平道上运行了48 km。事实证明，这台机车动力强劲，性能优良，具有充足的速度储备以及合理的燃料经济性。
当是时也，一位名叫E.S.Cox的英国司机也添乘了S2-6200号机车，据他所述称机车速度“保持并连续12 mins超过100 mile/h（160.93 km/h）”。虽然S2-6200号机车从高速运行上来说经济，但机车在低速运行时却非常不经济。以48 km/h这个速度值为界，S2-6200号机车在此数值以上运行时，锅炉压力为21.41 kgf/cm²，使用的蒸汽比传统机车少；但如果在此数值以下低速运行时，S2-6200号机车的锅炉压力下降至6.02 kgf/cm²，这样导致燃料消耗量增加，燃烧室温度升高，有时会导致固定螺栓断裂。
和“复式”传动S1-6100号机车一样，S2-6200号机车配属于韦恩堡分部克雷斯特莱恩机务段，运用于长为446 km的伊利诺伊州芝加哥—俄亥俄州克雷斯特莱恩区段。在这个区段，S2-6200号机车牵引了诸如“Broadway Limited”号、“Liberty Limited”号、“Trail Blazer”号、“General”号、“Manhattan Limited”号以及“Golden Arrow”号在内的旅客列车。有时，S2-6200号机车还牵引过军用列车，甚至还被人目击牵引货运列车。
由于本身设计的问题，加上PRR自1947年以来客运量的迅速下降，以及内燃机车的到位，S2-6200号机车因此成了PRR唯一一台蒸汽轮机机车。但S2-6200号机车与3台T1型蒸汽机车——T-1-5502号、T-1-5543号和T-1-5549号机车，参加了于1948年在芝加哥密歇根湖沿岸举行的芝加哥铁路展览会。
1949年8月，S2-6200号机车的涡轮机受损严重。但由于大修成本上升，PRR不得不放弃S2-6200号机车的大修计划，并将其退役。此时，S2-6200号机车的运行里程为165762.432 km。在先后封存于克雷斯特莱恩和阿尔图纳后，S2-6200号机车于1952年5月被报废拆解，未能留存下来。
技术数据表
注释
⑴英语：Pennsylvania Railroad。
⑵英语：New York Central Railroad。
⑶英语：Lima Locomotive Works。
⑷英语：Baldwin Locomotive Works。
⑸英语：Westinghouse Electric Corporation。
完稿时间：2021年8月7日
发表时间：2021年8月8日
