基本介紹
- 中文名：立式風車
- 外文名：Vertical windmill
- 學科：機械工程
- 領域：工程技術
- 始於：宋代
- 作用：磨麥或取水灌溉的目的
發明年代,形制,結構,原理,退出歷史舞台,
發明年代
南宋劉一止（1078～1161）《苫溪集》卷三：“老龍下飲骨節瘦，引水抗訴聲呷呀。初疑蹙踏動地軸，風輪共轉相鉤加。……殘年我亦冀一飽，謂此鼓吹勝聞蛙。”這裡，“風輪”當指風車的風輪，“鉤加”應指風車與翻車之間的傳動。從“殘年”二字推斷，這當是1140～1150年前後的事。
形制
風車的早期記載過於簡略，沒有指出裝置的結構形式和葉片（風帆）數。明代童冀的《水車行》對零陵（今湖南水州及廣西全州一帶）使用風力翻車的情景作了如下描述：“零陵水車風作輪．緣江夜響盤空雲。輪盤團團徑三丈，水聲卻在風輪上。……輪盤引水入溝去，分送高田種禾黍，盤盤自轉不用人，年年只用修車輪。”對照清代的記載，可以斷定，這種直徑達三丈的風車為立軸式（或稱立帆式）“大風車”。
立式風車
立式風車結構
清中葉，周慶雲在《鹽法通志》卷三十六中描述了立軸式風車的構造原理：“風車者，借風力迴轉以為用也。車梵谷二丈余，直徑二丈六尺許：上安布帆八葉，以受八風。中貫木軸，附設平行齒輪。帆動批轉，激動平齒輪，與水車之豎齒輪相搏，則水車腹頁周旋，引水而上。此制始於安鳳官灘，用之以起水也。長蘆所用風車，以堅木為乾，乾之端平插輪木者八。如車輪形。下亦如之。四周掛布帆八扇。下輪距地尺余，輪下密排小齒；再橫設一軸，軸之兩端亦排密齒與輪齒相錯合，如犬牙形，其一端接於水桶，水桶亦以木製，形式方長二三丈不等，寬一尺余。下入於水，上接於輪。桶內密排逼水板，合乎相之寬狹，使使無餘隙，逼水上流入池。有風即轉，晝夜不息。……”又按：“一風車能使動兩水車。譬如風車平齒輪居中，馭駛兩水車豎齒往來相承，一車吸引外溝水。一車吸引由汪子流於各溝內未成鹵之水。
立式風車的復原模型圖
立式風車的復原模型圖晚清林昌彝《硯桂緒錄》則介紹了立軸風車的裝用方法：“山陰汪禹九《雨韭鑫筆記》載造風車車水之法，極為巧便，嘗謂船使風篷，隨河路之灣曲尚可宛轉用之，若於平地作風車以轉水車，可代桔槔之多費人力，亦不必如舟帆之隨時轉側也。風車之篷用布蒲、竹篾者。皆可架車於平地四面有風處，風車圈各有筍。互相接續於水車，如鐘錶內銅圈然。其水車一如田問常用之式，置於水中亦有筍以接風車，隨之而轉。又風車上下另加篷兩扇，斜側向里，留篷以逼風入車更得力。惟水車置於河道內，殊礙行船，可於堤外開一水竇，通堤內開溝三五丈，引水入大池中，池中置水車，岸上置風車，隨風所向轉水灌田。……昔余過浙江處州，舟中曾見鄉村中用此法以車水。”其中，“風車圈”系指臥置大齒輪，“筍”即齒輪的齒。另加的兩扇“篷”起著導風於風輪的作用，擴大了風能利用面積。
據陳立調查，20世紀50年代初，僅渤海之濱的漢沽塞上區和塘大區就有立軸式風車約600部。民間有詩云：“大將軍八面威風，小桅子隨風轉動，上戴帽子下立針，水旱兩頭任意動。”
立軸式風車採用形似八稜柱的框架結構，又稱“走馬燈”或大風車。立軸上部鑲接8根輻桿，下部鑲接8根座桿。桅桿與輻桿、座桿、旋風欖、篷子股相聯，掛上風帆，即構成風輪。立軸與鐵環的配合，以及針子與鐵軸托（鐵碗）的配合，構成兩副滑動軸承。平齒輪固定在立軸下部，與一個小的豎齒輪（旱頭，有17或18個齒）嚙合。豎齒輪通過其方孔，裝在直徑約7寸的大軸上，並可在軸上左右移動，以實現齒輪的嚙合與分離，起離合器的作用。大軸上裝著主動鏈輪（水頭，12個齒），驅動龍骨。
漢沽立式風車結構簡圖
漢沽立式風車結構簡圖明代，徐光啟《農政全書》卷十六記，“近河南及真定諸府（在今河南、河北兩省內），大作井以灌田”，“高山曠野或用風輪也”。《天工開物》卷一又記，揚郡（今江蘇省揚州、泰州、江都等地）“以風帆數扇”驅動翻車，“去澤水以便栽種”。
1．揚繩（4根粗鐵絲或木桿拉在大柱1）2．輻桿（傘盤秤） 3．鐵環（將軍帽） 4．立抽（大將軍。直徑大於8寸，高22尺）5．旋風欖6桅桿（小桅子）7．風帆（風篷，8個） 8．座桿9針子(錐形鐵軸端) 10．平齒輪（車盤，車圈，直徑10尺，88個齒） 11．篷子股(支桿) 12．大柱。註：括弧內為別名與規格。
原理
風帆的構造原理與中國式船帆無異。每面帆以滕圈套在桅扦上，上端系游繩（升帆索）吊掛在輻桿的滑車上。帆的靠近立鈾的一邊用纜繩（帆腳索）拉系在臨近的一個桅桿下部。通過收放游繩來調節帆的高低及帆的受風面積。風吹帆，推動桅桿，使立軸和平齒輪轉動，驅動翻車。風壓與帆的面積、升掛高度及安裝角度有關。風大時，一個平齒輪可驅動兩台甚至三台翻車。
天津塘沽風車掛帆法
天津塘沽風車掛帆法在風車啟動之前，調節轉速的主要措施是選擇風帆的升掛高度，另一辦法是增減纜繩的長度，改變風帆與纜繩及風輪半徑方向的夾角。根據劉仙洲所記，天津塘沽地區風車的風帆在拉緊時與風輪半徑重合。蘇北阜寧風車的風帆在拉緊時與風輪半徑成一初始角。
立式風車最為巧妙之處在於風車運轉過程中風帆的方向自動調節（如
圖）。風帆為船帆式。帆並非安裝於輪軸徑向位置，而是安裝在軸架周圍的八根柱桿上。帆又是偏裝，即帆布在桿的一邊較窄，在另一邊較寬，並用繩索拉緊。如圖，當風作用於A時，帆為順風，帆與風向垂直 （受力最大）並被繩拉緊；轉到位置C時，帆被吹向外，帆面與風向平行；至E處再恢復迎風位置。利用繩索的鬆緊和帆的偏裝，它可以利用戧風或逆風，如同在船帆中一樣。這種裝置方式使帆可以自由隨風擺動，而不產生特別的阻力，帆在外周轉動的有效風力作用範圍，超出180度。如在位置G，開始轉入順風，帆還可以利用部分風力少量作業。這種船帆式風車的特色，為中國所獨有。
阜寧風車掛帆法
風帆及其受力轉動示意圖
阜寧風車掛帆法風帆及其受力轉動示意圖退出歷史舞台
20世紀五六十年代中國還有很多立式風車、出於它體積龐大，占地面積較多、20世紀80年代中期已被電動或內燃機水泵替代。
