Vízikerék

Mi ez?

Forgó gép, amely egy patak vagy folyó vizének energiáját alakítja át tengelyen levehető mechanikai munkává — ezzel hajtható malomkő, fűrész, kovácskalapács, olajütő, szivattyú vagy akár generátor.

Mire jó?

Mindenhol, ahol állandó vízfolyás van megfelelő eséssel vagy áramlási sebességgel, a vízikerék folyamatos, időjárástól kevéssé függő erőforrást ad (szemben a széllel). Klasszikus felhasználás: gabonaőrlés, fadeszka-fűrészelés, kalapácsos hámor, kalló, olajütő, vízemelés öntözéshez — modern faluléptékben pedig kis teljesítményű, folyamatos áramtermelés.

Fizikai alapja

A vízből kivehető teljesítmény a tömegáramtól (hozam, Q) és az eséstől (H) függ: P = ρ·g·Q·H·η, ahol η a hatásfok. Két alapelv létezik:

• Alulcsapott kerék: az áramló víz mozgási energiája löki meg a vízbe merülő lapátokat. Sík terepen, gyors folyású, bővizű pataknál működik; a hagyományos, sík lapátos változat hatásfoka alacsony, a 19. században Poncelet ívelt lapátokkal jelentősen megjavította.
• Felülcsapott kerék: a vizet vályú vezeti a kerék tetejére, és a rekeszekben ülő víz súlya (helyzeti energiája) forgatja le a kereket. Ez a leghatékonyabb hagyományos típus (jellemzően 60% feletti hatásfok is elérhető), de a keréknél nagyobb esés kell hozzá. A kettő közti átmenet a középen csapott (mellcsapott) kerék.

A kerék lassan és nagy nyomatékkal forog — a legtöbb munkagéphez áttétel (fogaskerék, szíj) kell.

Története

A függőleges tengelyű vízimalmot Vitruvius írta le az i. e. 1. században; a Római Birodalomban már ipari léptékben használták (a galliai Barbegalban 16 kerekes malomkomplexum működött). Az 1086-os angliai Domesday Book több ezer vízimalmot írt össze — a középkori Európa első "gépesítési hulláma" a vízikerékre épült: őrlés mellett kallózás, fűrészelés, érczúzás, fújtatóhajtás. A 19. században a hatékonyabb és kompaktabb vízturbinák váltották le, de az elv változatlan.

Egyszerű megoldás

Alulcsapott lapátkerék gyors folyású patakban: fa kerék sík lapátokkal, part(ok)ra támasztott csapágyazott tengely, a munkagép közvetlenül vagy egyszerű szíjáttétellel a tengelyről hajtva. Nem kell hozzá duzzasztás — cserébe a kivehető teljesítmény kicsi és a vízállással ingadozik.

Haladó megoldás

Felülcsapott kerék rekeszes koszorúval: kis duzzasztás vagy hosszabb hozzávezető vályú adja az esést, zsilippel szabályozható vízhozammal. Fogaskerék- vagy szíjáttétel emeli a fordulatszámot a munkagéphez. Poncelet-típusú ívelt lapátozás alulcsapott helyzetben is sokat javít.

Ipari megoldás

Vízturbinák: nagy eséshez Pelton, közepeshez Francis, kis eséshez nagy hozammal Kaplan/propeller turbina — zárt csővezetékkel, szabályozással, generátorral. Faluléptékben a kész mikro-hidro egységek (turbina + generátor + töltésvezérlő) akkutöltésre vagy szigetüzemű hálózatra dolgoznak.

Saját építés

1. Először mérj, utána tervezz: hozam (Q) és esés (H) meghatározása a kiszemelt helyen (lásd Mérési módszerek) — ez dönti el a keréktípust és a várható teljesítményt.
2. Típusválasztás: van esés (akár 2-3 m) → felülcsapott; sík terep, gyors folyás → alulcsapott.
3. Kerék: két oldaltárcsa/koszorú, küllők, lapátok vagy rekeszek; vízálló ragasztás, rozsdamentes vagy horganyzott kötőelemek.
4. Tengely és csapágyazás: a csapágy legyen a vízszint felett, zsírozható, cserélhető.
5. Uszadékrács (gereb) a víz hozzávezetése elé, áttétel és tengelykapcsoló a munkagéphez.
6. Fontos: vízfolyáson végzett beavatkozás (duzzasztás, kivezetés) a legtöbb országban vízjogi engedélyhez kötött — előbb tájékozódj.

Tipikus hibák

• Keréktípus és helyszín nem illik össze (pl. felülcsapott kerék esés nélkül, alulcsapott lassú vízben)
• Előzetes hozam- és esésmérés kihagyása — a kész kerék "valamiért nem ad annyit"
• Csapágyak víz alá kerülése, zsírzás elhanyagolása → gyors kopás, megszorulás
• Nincs uszadékrács: ág, jég, hordalék töri a lapátokat
• Árvízi vízszintre nincs terv (kiemelhetőség, megkerülő ág) — az első nagy víz elviszi a kereket
• Az alvízszint megemelkedik és a kerék "vízbe fullad" (a visszaduzzasztott víz fékezi)
• Túl nagy fordulatszám-elvárás áttétel nélkül

Mérési módszerek

• Hozam (Q): kis pataknál vödrös módszer (mennyi idő alatt telik meg ismert térfogat), nagyobbnál úszós módszer (felszíni sebesség × keresztmetszet × korrekció)
• Esés (H): vízzel töltött átlátszó tömlő mint szintező, vagy szintezőműszer
• Fordulatszám: lézeres tachométer vagy egyszerű számolás stopperrel
• Leadott teljesítmény: elektromos kimenetnél feszültség × áram; mechanikainál Prony-fék (súrlódó fék + karos erőmérés) a nyomatékhoz
• Vízállás-napló szezonális ingadozáshoz

Videók

(TODO)

Letölthető PDF

(TODO)