Typy vodních kol

Vodní kola jsou rotační vodní stroje, které prošly dlouhodobým vývojem a díky snaze našich předků se postupně vyvinuly téměř k dokonalosti. Jejich další vylepšování zastavilo používání turbín. Ani v nynější době ale nelze říci, že by byla kola technicky zastaralá.

Kola na spodní vodu

korečníky – využívající převážně potenciální energie vody (kinetická energie se využívá k nátoku do kola)
lopatníky – využívající převážně kinetickou energii vod

Podle nátoku vody jsou kola s nátokem:

spodním
středním
vrchním

Kola se spodním nátokem

Střikový hřebenáč
Nejjednodušší kolo tvořené rovinnými lopatkami uchycenými na jeden a více věnců. Voda je na lopatky přivedena tak, že se pustí spodem pod mírně přizvednutým stavidlem (případně jen žlabem o velkém spádu) a proudem se opře do lopatek kola. V první fázi voda naráží do šikmo se nořící plochy lopatky a vybíhá takřka až k jejímu konci a předá jí tak část své pohybové energie. Pak se v druhé fázi gravitací vrací zpět dolů, čímž jí znovu předává část své energie. Z lopatky voda odtéká dolů nebo pokračuje po proudu. Účinnost je díky využití pouze kinetické energie vody, jednoduchému tvaru lopatek a způsobu výtoku z kola velmi malá. Při dobrém provedení je 20 až 30%. Používá se na nejnižší spády (do 1m). Často se používalo na plovoucích (pontonových) elektrárnách (lodních mlýnech). Obrázek tohoto kola je na úvodní stránce.
Ponceletovo kolo
Jde o vylepšenou konstrukci hřebenáče podle návrhu francouzského inženýra J. V. Ponceleta. Hlavní změna je v upravení nátoku úklonem stavidla proti proudu, tvaru plochy lopatek pro lepší nátok, předání energie a výtok s minimem ztrát. Použít ho lze na spády až do 1,7m, ale používá se stejně jako u hřebenáče pro spád od 0 do 1m a průtoky do 5m3/s. Princip předání energie je stejný s hřebenáčem, ale díky vylepšení s účinností 30 – 65%.
Zuppingerovo kolo s voletem (nízkospádové)
Pro spády od 0,6m do 1,5m a průtoky až do 5m3/s. Voda je přivedena ke kolu otevřeným žlabem s požadovaným sklonem k dosažení patřičné nátokové rychlosti. Kinetickou energii pak předá vhodně tvarované lopatce při nátoku a zbylou část cesty kolem využívá potencionální energie vody. O rozdíl hladin se sveze níž v prostoru mezi lopatkami a volně z něj zase vytéká do dolní vody. Účinnost se pohybuje od 70 do 75%. Obrázek by byl podobný tomu ze stati „Části MVE“.

Kola se středním nátokem

Zuppingerovo kolo s přepadem
Jedná se o podobné kolo jako v předešlém případě, ale mění se zakřivení lopatek a nátok do kola. Voda natéká mezi lopatky přepadem přes spustné regulační stavidlo a dosahuje tak jistého počátečního zrychlení pro uspíšení plnění komůrek. Předá získanou kinetickou energii lopatce a dále již využívá pouze její potenciální energii stejně jako v předešlém případě. Přesné rozmezí mezi jednotlivými Zuppingerovi koly není, ale nátok s přepadem se navrhuje pro spády od 1 do 3m a průtoky od 0,04 do 3,5m3/s. Účinnost je 70 až 75%. Jak vidíte, Zuppingerovo kolo má velký rozsah působnosti a je v současnosti spolu s kolem na horní vodu nejčastěji navrhovaným kolem.
Bachovo kolo, Zuppingerovo kolo s kulisou
Nátok do kola je skrze kulisu, která usměrňuje paprsek vody do požadovaného vstupního úhlu na lopatku. Navrhuje se, když jsou vstupní hodnoty spádu a průtoku tak na hranici mezi ostatními typy nátoků Zuppingerových kol a kolem na horní vodu, což je přibližně na spády 1,5m až 4,5m a průtok 0,3 až 1,5m3/s. Důvodem jeho použití namísto zmíněných kol je, že má v uvedeném rozmezí větší účinnost oproti kolům se spodním nátokem, ale větší hltnost oproti kolům s vrchním nátokem. Účinnost se udává 70 až 85%. Na jeho vývoji se v současné době pracuje a laboratorně již bylo dosaženo i lepších výsledků.

Kola s vrchním nátokem

S normálním chodem
Kolo s nejvyšší účinností (75 až 86%) rovnající se i jednodušším typům turbín. Nevýhodou je jeho malá hltnost, takže ho použijete spíše na potoce. Používá se pro spád nad 2,5m a průtoky od 0,1 do 0,25m3/s. Jsou ale případy i daleko za těmito hranicemi. Limitující je opět ekonomický faktor a konstrukční možnosti materiálů. Používají se i kola nad deset metrů spádu a průtoky kolem 0,6m3/s. Horní hranice je však omezena výkonem asi 50kW, ale nad 25kW je určitě dobré zvážit investici do malé turbínky. Princip je nám všem dobře znám z pohádek. Jedná se o klasické vodní kolo, kde žlabem je přiváděna voda nad kolo a proudem vytvořeným sklonem žlabu nebo výtokem pod stavidlem umístněným na konci žlabu, výtokem kulisou u dna nebo přepadem, padá do jeho komůrek. Gravitace pak vykoná své a voda předá svou potenciální energii. V druhé polovině cesty se voda postupně vylévá z komůrek ven. Účinnost kola rychle klesá při brodění se kola v dolní vodě, proto se navrhuje několik centimetrů nad ní.
S obráceným chodem
Stejně funguje i toto kolo, ale otáčí se protisměrně, tedy proti směru přítoku vody žlabem. Voda ze žlabu do něj padá otvorem ve dně žlabu a je kulisou usměrňována do protisměru. Kolo se navrhuje pro spády 3 až 7m a průtoky 0,1 až 0,25m3/s na jeden metr šířky. Účinnost je o trochu nižší, než u předešlého typu a pohybuje se od 70 do 80%. Výhodou obráceného chodu je vyšší účinnost při vzestupu dolní vody a brodění kola v ní.

Nejlepší představu o rozsahu použití vám udělá asi následující graf.

graf.jpg, 63kB

Legenda k barvám:

Kola na horní vodu, Bachovo kolo, Zuppinger s přepadem, Zuppinger s voletm, Poncelet
Tmavě vybarvená oblast je použitelná pro turbíny.

Ostatní typy vodních kol

Ostatní kola zde zatím nejmenuji, ač jejich konstrukční řešení je také velmi zajímavé, ale jejich využití je velmi omezené a proto návrh těchto kol připadá v úvahu pouze v případě jejich rekonstrukce nebo v případě speciálního využití. Za zmínku stojí jistě i to, že uvedená kola podle Zuppingera se u nás nepoužívala, ač mají dle dostupné literatury vyšší účinnost. Ta ale spočívá zejména v lepším řešení hydraulických poměrů při průchodu vody kolem, což mnohé české postupy velmi zjednodušují. Rovněž lze najít určité rozdíly mezi názvoslovím kol. Příkladem může být kolo s obráceným chodem, kde v českém pojetí voda byla přivedena ke kolu mezi vrcholem a středem a natékala obdobně jako u kol na střední vodu z boku skrze kulisu nebo volně pádem, což se neslučuje s výše uvedeným popisem.
Průměry kol českých se volily jednoduchými vzorci ze spádu, podle jeho velikosti se však vzorce lišili. U Zuppingerových kol je průměr rovněž podle spádu, ale vzorce jsou jednoznačně odvozeny podle nátoku do kola, čímž se průměr přizpůsobuje hydraulice vody v kole. Graf použití jednotlivých kol převzatý z české literatury je uveden níže.

graf

Legenda k označení:

kola se spodním nátokem, nebo Ponceletova
lopatníky s voletem, nebo kola Ponceletova
lopatník s voletem
lopatník s nátokem přepadem
lopatník s nátokem kulisou
korečník se zadním dopadem
korečník s horním plněním

zpět

Zavřít Přesunout