7.7　斯米顿的水轮

7.7　斯米顿的水轮

斯米顿是18世纪最杰出的工程师之一，他建设第三座埃迪斯通灯塔的成功（边码468）确立了他的公众威望，但在他作为顾问工程师的繁忙工作生涯中，在土木工程和机械工程两方面完成的许多工作却并不广为人知。他的主业并不是发明家，但据说他决不会接触到任何东西而不对其进行改进。皇家学会拥有他设计的大约1200份图样，装订成6卷，其中《皇家学会会员约翰·斯米顿1741—1792年土木和机械工程设计目录》（A Catalogue of the Civil and Mechanical Engineering Designs 1741-1792 of John Smeaton，F.R.S）由纽科门学会在1950年出版。

斯米顿1792年去世以后，他的手稿、设计图样和书信由皇家学会会长班克斯爵士（Sir Joseph Banks）所收购。1795年，经班克斯爵士批准，由斯米顿本人创建的（斯米顿）土木工程师学会的一个委员会承担出版了他的报告的选集。约翰·法里（John Farey，1760—1826）和他的更有名气的儿子约翰（John，1790—1851）多年来掌管着斯米顿的设计图样，约翰做了许多收集整理工作。

第一卷［《碾磨谷物用的风车和水车》（Windmills and Watermills for Grinding Corn）］和第二卷［《各种用途的磨坊和提水用的机器》（Mills for various Purposes and Machines for Raising Water）］是他的著作中最有价值的部分。威尔逊在1955年提交给纽科门学会的一篇论文中，从这些设计图样及其描绘的水轮中选择并分析了60种方案（见本章末的参考书目）。在谷物碾磨机、榨油机、黑色火药机或漂洗机都由水轮驱动的地方，工厂通常被称为“磨坊”（mill）。但有意思的是，用于驱动泵或熔炉鼓风机的水轮常常被称为“发动机”（engines）。第三卷［《提水用的火力发动机》（Fire Engines for Raising Water）］中的水车设计图都是抽水用的“发动机”，用于操作往复运动式机械或用于矿物运输。这里的“火力发动机”可归于纽科门型的杠杆蒸汽机一类，用于把水从出水管泵到上射水轮的顶部。威尔逊已经确定了许多水车的位置，而他声称至今尚未发现斯米顿水车的任何遗迹。在许多情况下，这些水车连磨坊都一起消失了，但即使在磨坊仍然保留着的地方，他最初设计的木制水轮也可能会在50年之内被替换掉。

斯米顿的许多水轮是没有侧板的平翼板式低中射水轮（图115），直径从12英尺到18英尺，宽度从2英尺到7英尺，工作水头从4英尺到10英尺不等。在水头非常低的地方，水轮几乎都是下射式的。他唯一真正的下射水轮的实例是一个非常巨大的水轮，直径为32英尺，宽15英尺，是为泰晤士河上的伦敦桥水厂修建的（边码491）。水车由通过桥拱的水流推动，就安装在桥拱里。水轮有24个翼板，4.5英尺深，通过木齿轮驱动压力水泵。这个水轮从1768年工作到1817年，而后被铁轮所替代。伦敦桥供水系统最初由莫里斯（Peter Morris）安装，为伦敦城内的住房供水，它自1582年起的历史在迪金森（H.W.Dickinson）所著的《大伦敦区的水供应》（Water Supply of Greater London）一书中有很精彩的描述。这部著作于1954年由纽科门学会出版，其中包括署有1635年、1737年和1768年的水轮和水泵的图样，最后一个就是斯米顿的水轮，如上所述。

由斯米顿建造的一个典型的木制中射水轮，是位于埃塞克斯郡伍德福德桥人工石板厂的水轮，工作水头是6英尺，水轮直径16英尺、宽5英尺，轮周有6个木制扇形轮缘，由铁制的鱼尾接合板和螺钉扣紧。12根轮辐榫被接到直径为2英尺的木制轮轴上，轮轴由2个轴承支撑旋转，两端各有一个直径8英寸、长8英寸的铁制轴颈。一个铁环紧密地固定在轮轴周围，4根称为十字梁的铁轮辐嵌入轮轴，并用螺栓固定，轴颈被固定在十字梁上。

斯米顿建造的高中射水轮非常少（尽管在1800年以后这种形式非常流行），但他非常关注上射水轮，只要条件许可就会使用，这是因为正如他的模型实验所证实的，这种水轮有较高的效率。斯米顿为萨里郡旺德尔河上的卡苏顿谷物磨坊提供了两种设计，一种有两个直径18英尺、宽6英尺的低中射水轮，另一种有两个直径7英尺4英寸、宽7英尺6英寸的上射水轮，水头为8英尺6英寸高。后一种设计被选中修建。(https://www.daowen.com)

斯米顿是福尔柯克的卡伦公司铁工厂的顾问工程师，因此有可能进行在机械设备中采用铸铁零件的实验及其应用开发，这是他对机械工程的最大贡献之一。他的第一个铸铁水轮轮轴于1769年制成，在卡伦一号高炉的鼓风机上使用，以替代一根已经断裂的木制轮轴。一个典型的例子是为德特福德的维克图阿灵（H.M.Victualling）办公室的水轮采用的铸铁轴，轴上两个承接轮辐的凸缘是一次浇铸而成的。这种轴一般可以运行几年，但有些会因在寒冷或严寒的天气里易发生断裂而引起麻烦，后来发现这一缺陷是由铸铁多气孔的特点引起的，而且零件中相对较薄的凸缘却要承接很粗的轴。斯米顿还建议，用于驱动钻孔机和碾轧机的大型低中射水轮的圆环或轮缘的铸铁要分段制造。他的目的是通过提高飞轮效能的办法来提供更稳定的钻孔速度。1778年，德特福德的布鲁克磨坊使用了铸铁的齿轮装置，从此这种齿轮就经常被使用。

斯米顿的设计，标志着已经持续使用了18个世纪的木制水轮结构时代的结束。他的无数次改进，使得他几乎能达到木制水轮所能产生并传递的动力极限。他的试验和实际工作标志着水力开发中的一个非常重要的阶段，并充分证明了他在工程和技术史中的崇高地位是当之无愧的。

在斯米顿去世以后，水车设计发生了革命性的改进，最重要的是全金属结构（图版11A）的引入。其他改进有：在水轮轮缘上安装主驱动齿轮（图116），这样轮轴就不必用于传递动力；在高中射水轮上设置通风轮翼；伦尼（1761—1821）发明的能使水以薄薄的一层水流从上面通过水轮顶部的滑动闸门，一般能从可得到的水头中获得最大限度的利用。

由于篇幅所限，对于潮汐水车、浮动水车（第Ⅱ卷，边码607、边码608、边码610、边码648）等一些相对不太重要的发明，这里就不再赘述。关于这些水车的叙述以及这里讨论过的水车类型的较详尽的细节，在本章末参考书目所列的著作中均可找到。