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中国发明 | 水轮 Vol.3 斜击卧式水轮

来源:本站

2022-10-14 10:32:33

中国常将卧式水轮称作卧轮,实际上就是斜击式水轮。东汉时可能就出现了斜击式水轮。据裴松之注《三国志.魏书·郑燮传》引傅玄文,魏明帝时(227-239年)马钧造“水转百戏”,“以大木雕构,使其形若轮,平地施之,潜以水发焉”,用于驱动多种木偶和“舂磨”。显然,马钧制作了水轮。古人分类称呼水轮时,以轮体的置放状态为准,而不以轮轴为准。按这个习惯,“平地施之”当是指卧置水轮,即水轮为卧式。


《后汉书﹣杜诗传》记建武七年(31年)杜诗任南阳太守,“造作水排,铸为农器”。杜诗水排可能是卧式,也可能是立式?!度尽の菏椤芳窃乩至晏睾吒慕姆缁担骸熬墒币?,作马排,每一熟石用马百匹。更作人排,又费功力,暨乃因长流为水排,计其利益,三倍于前。”对马排而言,马的作业方式是绕一根立轴行走,带动轴旋转,通过曲柄、连杆等组成的机构,带动皮囊往复运动。韩暨是南阳人,可能受到杜诗水排的影响。韩暨水排当是承了马排的传动机构,并用斜击卧式水轮取代了马。


由于立式水轮出现在先,可供借鉴,卧式水轮可以尽快发展成熟。其发展成熟的程度应与立式水轮相当,并表现在辋和叶片的构造上。五代至北宋《闸口盘车图》(作者逸名)是迄今所见中国最早的卧式水轮图(下图)。




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| 《闸口盘车图》中的卧式水轮


画家描绘出水磨加工粮食的情景,即来自斜槽的水流冲击着有辋卧式水轮,水轮的立轴直接驱动着楼板上方的卧置磨盘,整个装置都设在一座以木结构为主的建筑中?;乙院侠淼谋壤既返鼗隽怂サ慕峁?,包括卧式水轮的辋、辐、叶片等。图中的卧式水轮好像采用了与水平面夹锐角的叶片。王祯《农书》卷一九简要描绘了水排及其卧式水轮。


最早的卧式水轮应该是没有辋的,叶片直接装在立轴上,平板叶片与轮的回转面垂直。为了输出更大的力矩,轮径逐渐加大。当轮径大到一定程度时,不得不专设辋和辐,并增加叶片数量,即出现了图中的结构。两晋以后,水磨、水碾的记载渐多?!赌鲜贰ぷ娉逯芳窃兀娉逯坝诶钟卧吩焖阅?,武帝亲自临观”。对于磨来说,用卧式水轮时机构最简单,而用立式水轮时则需要齿轮传动。若祖冲之的“水碓磨”指的是两部独立的机械,那么,水磨很可能用了卧式水轮:相反,若“水碓磨”是一部碓、磨结合的机械,那它就要用立式水轮、凸轮机构和齿轮传动。


《魏书·崔亮传》记载:“亮在雍州,读杜预传,见为八磨,嘉其有济时用,遂教民为碾。及为仆射,奏于张方桥东,堰谷水造水碾磨数十区,其利十倍,国用便之?!贝蘖链蟾胖饕侵谱魑允剿智乃牒退?,也许还制作由立式水轮或卧式水轮驱动的较复杂的碾磨系统。


王祯《农书》卷一九分别绘图描述了卧式水轮驱动的水磨、水碾和“水轮三事”。后者是一个水轮同时驱动磨、砻、碾°。遗憾的是,对于叶片的构造,《天工开物》和《农政全书》等书并未做出比王祯《农书》更详细的描绘。


当代云南、广西、四川、西藏等地使用的传统机械展示了水轮构造的细节。至少在汉代,云南已与四川等地保持着交往,并成为中国与国外交流的通道之一。云南在三国时直接受四川的蜀汉控制统一后,也主要受中央政权支配。故此,西南地区在技术上与内地有许多相通之处,碓、水轮的情况正是这样。碓是典型的中国机械。在云南纳西族的东巴象形文字中,形如碓的线图代表着“碓”。云南大理喜州与浙江开化县桐村镇有构造相同的“淌水碓”,这表明两者的技术是同源的。


云南丽江县石鼓镇松坪子村在20世纪90年代初还在使用一部无辋水磨。水流沿水槽冲击卧式水轮,使水轮和轴旋转。轴上端的铁键使上石磨盘在下石磨盘上旋转。卧式水轮的叶片上缘线与轴心线有一个小于90度的夹角。这种结构使直径小的水轮有较长的叶片,水流先冲击到叶片的外端,再沿叶片向下流,增加了水流对叶片的作用时间(下图)。



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| 石鼓水磨的斜击卧式水轮(据张柏春《云南几种传统水力机械的调查研究》改绘)


另外,它们的叶片平面与轴心线有夹角,使水流更有效地冲击到叶片面上。有时叶片面是微凹的曲面,即略呈斗状,使水轮的动力性能进一步改善。


西藏拉萨地区目前仍在使用的无辋水磨与云南丽江水磨结构相似,其叶片板为平面,竖直方向上与轴同向,保留了最简化的状态(下图)。


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| 西藏拉萨娘热乡甲米水磨无辋水轮及其调节机构(黄兴摄)


学者认为西藏水磨技术是在唐文成公主入藏时从内地引入的?!毒商剖椤ね罗肪矶柶呒窃靥聘咦谒梦皇保?50年),松赞干布呈请“蚕种及造酒、碾、硙、纸、墨之匠,并许焉”。对吐蕃请求派遣养蚕、造酒、制造碾硙和纸墨的工匠入藏获得允准的事件,做了明确记载。此事件在《西藏的观世音》《西藏王统记》《贤者喜宴》等藏文文献中也有呈现。


水轮的出现标志着人对自然能的认识和应用实现了一次重大飞跃。国外的水轮使用时间明显早于中国。不过,不同文明区域可能独立发明相同或相近的技术,并使其具有自己的特色。中国水轮技术可是独立发明的,也可能受到其他文明的影响。从杜诗、韩暨、马钧、崔亮等人活动的时期和地点来看,中国卧式水轮首先出现在河南、陕西、山东的一些地方,然后向其他地区传播,并在南方多河多溪之地扎根。