风车

背景

风车是一种结构或机器，它通过由可调节叶片组成的轮子的旋转将风转化为可用能量。传统上，风车产生的能量被用来将谷物磨成面粉。风车由熟练的工匠设计，可以使用手工工具在现场建造。几个世纪以来，风车稳步发展，并在 18 世纪在欧洲取得了最突出的地位。在 19 世纪利用蒸汽动力时，它们在很大程度上被取代为发电结构。今天，风车技术正在经历复兴，风力涡轮机有望成为未来化石燃料的重要替代品。

历史

几个世纪以来，人类一直利用风为机器提供动力。最早的用途很可能是作为帆船的动力源，推动它们穿越水面。人们建造专门用于工作的风车的确切日期是未知的，但第一个有记录的风车设计起源于公元 左右的波斯 500-900。该机最初是用来抽水的，后来改用来磨粮食的。它的垂直帆由成捆的轻质木材制成，通过水平支柱连接到垂直轴上。这种被称为panemone的设计是发明的效率最低的风车结构之一。需要说明的是，风车可能在2000多年前就在中国使用，使其成为垂直轴风车的真正发源地。然而，中国考古学家最早发现的使用记录是公元 1219.

十字军东征后，风车的概念传到欧洲。最早的欧洲设计，记载于 A.D. 1270，有水平轴而不是垂直轴。造成这种差异的原因尚不清楚，但这可能是由两个因素造成的。首先，欧洲风车可能是仿照具有水平轴的水轮设计的。在此之前，水车在欧洲早已为人所知。其次，横轴设计效率更高，效果更好。一般来说，这些磨机有四个安装在中心柱上的刀片。他们有一个齿轮和环形齿轮，将中心轴的水平运动转化为磨石或砂轮的垂直运动，然后用于抽水或磨碎谷物。

几个世纪以来，欧洲的木匠极大地改进了风车技术。大多数创新来自荷兰人和英国人。最重要的改进之一是引入了塔式磨机。这种设计允许磨机的叶片根据需要移动到风中，并将主体永久固定到位。荷兰人建造了多层塔，工厂经营者可以在那里工作和生活。英国人引入了许多使风车更有效率的自动控制装置。

在前工业时代，风车是欧洲的电动机。除了抽水和研磨谷物外，它们还用于为锯木厂提供动力以及加工香料、染料和烟草。然而，19 世纪蒸汽动力的发展以及风车动力的不确定性导致大型风车结构的使用稳步下降。今天，曾经为世界提供动力的风车中只有一小部分仍然屹立不倒。

即使较大的风车被废弃，较小的扇型风车仍在蓬勃发展。这些风车主要用于在农场抽水。在美国，这些设计在 19 世纪得到了完善。 Halladay 风车于 1854 年推出，随后是 Aeromotor 和 Dempster 设计。后两种设计至今仍在使用。事实上，1850 年至 1970 年间，美国建造了超过 600 万个。

设计

风车有水平轴和垂直轴两类。垂直轴设计在风车的早期发展中很流行。然而，其运行效率低下导致了众多水平轴设计的发展。

在水平轴版本中，有多种类型，包括后磨机、smock 磨机、塔式磨机和风扇磨机。最早的设计是后磨。它以与磨机主体保持平衡的大而直立的立柱而得名。这种设计为磨机操作员提供了灵活性，因为风车可以根据吹向的方向转动以捕捉最多的风。为了保持支柱稳定，在其周围构建了一个支撑结构。通常，这种结构会用砖块或石头抬离地面以防止腐烂。

立柱磨机有四个刀片安装在一个中央立柱上。叶片的水平轴连接到一个大破碎轮。破碎轮与一个称为 wallower 的齿轮系统相互作用，该齿轮系统旋转中心的垂直轴。然后，这种运动可用于为抽水或谷物研磨活动提供动力。

工作服磨机类似于后磨机，但包括一些重大改进。这个名字来源于这样一个事实，即身体看起来有点像他们所说的连衣裙或工作服。一个优点是只有磨机的顶部是可移动的。这使得主体结构更持久，而其余部分可以调整以收集风，无论吹向哪个方向。由于它不动，主体可以做得更大更高。这意味着更多的设备可以安装在磨坊中，并且可以使用更高的帆来收集更多的风。大多数罩衫厂是八面的，虽然这可以从 6 到 12 不等。

塔式磨机是对罩式磨机的进一步改进。它们有一个旋转帽和永久主体，但这个主体是由砖块或石头制成的。这一事实使塔成为可能。圆形结构允许建造更大更高的塔。此外，砖和石头使塔式风车成为最耐候的设计。

虽然以前的风车设计是为可以为整个城镇服务的更大的结构，但风扇型风车是专门为个人设计的。它要小得多，主要用于抽水。它由固定塔架（桅杆）、轮尾总成（风扇）、机头总成和泵组成。桅杆可以有 10-15 英尺（3-15 米）高。叶片的数量可以从 4 个到 20 个不等，直径在 6 到 16 英尺（1.8-4.9 米）之间。

原材料

风车可以用多种材料制成。后磨机几乎完全由木材制成。风扇叶片使用轻质木材，如轻木，结构的其余部分使用更坚固、更重的木材。木材涂有油漆或树脂，以保护其免受外部环境的影响。工作服和塔式磨坊由荷兰人和英国人在 20 世纪之前建造，使用了许多用于建造房屋的相同材料，包括木材、砖块和石头。

风扇式磨机的主体由镀锌钢制成。这种处理钢的过程使其具有耐候性和坚固性。风扇的叶片由轻质镀锌钢或铝制成。该泵由防止冻结的青铜和黄铜制成。皮革或合成聚合物用于垫圈和 O 形圈。

制造
过程

风车总是使用预制部件在现场架设。以下描述涉及风扇式风车。基础的 1797 年建造的风车示例。步骤包括制作零件和组装结构。

制作塔部件

• 1 塔部件由镀锌钢制成。这个过程从一卷卷曲的金属板开始。线圈被放在一个退绕装置上并送入生产线。它们在矫直机下运行以消除任何扭结或扭曲。这些碎片被切割成合适的尺寸和形状。在某些情况下，零件可能会放在机器上，机器会滚动它们并焊接接缝。末端通过压接机，然后将工件移至精加工站。
• 2 在精加工站，根据风车设计的要求，在金属部件的特定位置钻孔。这些部件也可以在安装到最终的风车套件中之前进行涂漆或涂层。

制作变速箱

• 3 变速箱是由各种齿轮、轴、转子和车轮组成的复杂组件。这些零件是压铸而成的，并由手工组装而成。它们被放置在一个防风雨外壳中，该外壳旨在容纳齿轮箱零件以及连接的车轮和尾部组件。

制作风扇

• 4 风扇由带有略微弯曲叶片的金属轮缘组成。轮辋是在将钢带卷成圆形箍的机器上生产的。两端钻一个孔，装好扇叶后用小夹子和螺丝连接起来。然后将中心轴连接到轮辋并连接小钢辐条。典型的设计将有五对辐条，它们沿着轮辋以均匀间隔连接。
• 5 风扇叶片和尾部由金属片切割而成。然后将刀片穿过机器，使它们产生轻微的曲线。它们通过小螺栓和金属夹固定在金属轮辋上。它们的连接方式可以根据风况升高或降低。

  现代钢风车。

准备网站

• 6 寻找和准备施工现场是创建功能性风车的关键步骤。首先，需要一个盛行风速至少为 15 英里/小时（24 公里/小时）的区域。然后需要清除该区域的树木和其他可能挡风的结构。在某些情况下，会竖起土丘或混凝土基座，将风车抬离地面以吸引更多的风。

总装

• 7 首先连接主体部分。它们在地面上用螺栓固定在一起，然后垂直升起。外极与连杆连接。夹具用螺栓固定在每个接头处以确保稳定性。塔架升起后，它用螺栓松散地固定在坚固的底座上。下一个拉索从框架向下串到地面上，并连接到张紧器和地锚上。当结构水平时，拧紧螺栓并测试结构完整性。在某些情况下，框架设计中内置了一个梯子，可以接触到顶部的风扇，这使得清洁和维护更容易。
• 8 接下来连接风扇叶轮、齿轮箱和主轴。齿轮箱首先被夹紧并用螺栓固定在塔顶。然后将主轴插入齿轮箱底部。接下来，风扇及其连接的轴连接到变速箱。最后，尾部连接到变速箱。然后将泵连接到主轴上，风车即可运行。

质量控制

可以进行各种测试以确保风车的每个部分都符合设计阶段制定的规格。其中最基本的是简单的目视检查。这些将捕获大部分明显的生产缺陷。由于风车是手工搭建的，每个部件的质量都要经过额外的目视检查。风车建造过程中的工艺质量将对成品质量负主要责任。为确保其在运行期间保持高效，需要定期进行维护检查。

未来

在过去的一百年里，风车几乎没有变化。事实上，在 1870 年代构思的一种基本设计今天仍在销售。主要的改进来自建筑中使用的材料类型。这种趋势可能会在未来的风车产品中继续。然而，利用风能的未来根本不在传统风车中。美国政府已花费数百万美元研究和开发用于发电的风力涡轮机。在加利福尼亚州，许多风电场已经投入运营。其他各个州和城市也有建立类似风电场的计划。未来，风能有望成为化石燃料的环保替代品。

哪里可以了解更多

书籍

贝克，T.林赛。 北美风车制造商贸易文献。 俄克拉荷马大学出版社，1998 年。

克莱格，艾伦·约翰。 风车。 马蹄出版社，1995 年。

Hills, Richard L. 风能：风车技术史。 剑桥大学出版社，1994 年。

胡克，杰里米。 赞美风车。 Circle Press 出版社，1990 年。

瓦茨，马丁。 水力和风能。 夏尔出版社，2000 年。

佩里 罗曼诺夫斯基