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, mnohdy jsou mnohem lepší než turbíny.

A = spodní voda
B = poncelet
C = Zuppinger
D = sagebien
E = bach
F = horní voda

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.

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. 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.

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