bélyegkép|jobbra|14 m magas alulcsapott vízkerék hajtja az öreg malmot Berry College-ban, Rome, Georgia, USA
A vízkerék (vagy vízikerék) gépek hajtására szolgáló szerkezet, olyan erőgép, mely a folyó víz helyzeti és mozgási energiáját alakítja át mechanikai munkává. A középkorban széleskörűen használt rendszer volt, mely a legtöbb üzem energiaszükségletét biztosította. A leggyakrabban gabonaőrlő malmokban használták, ahol vízimalomként tartották számon, de használták kovácsműhelyeknél, bányáknál szivattyúk hajtására, szerszámgépek hajtására és kender törésre, posztó verésre (Szendrői malom), ill. vászon törésre is papírgyártásnál. A világ legnagyobb vízkereke Hamá szíriai városban van.
A vízkerék egy nagy (általában fából készült) kerékből áll, kerületén több lapát vagy kanál helyezkedik el hajtófelületet képezve. A kereket vízszintes tengelyre szerelik, ez közvetíti a munkagép felé a hajtó nyomatékot. A régi vízkerekek két fő fajtája az alulcsapott és a felülcsapott vízkerék.
Felülcsapott vízkerék balra|bélyegkép|Felülcsapott vízkerék
A függőleges helyzetű felülcsapott vízkereket (tengelye vízszintes) a felülről ráömlő víz forgatja nekifeszülve a lapátoknak vagy kanalaknak, ezért hívják felülcsapottnak. A felülcsapott vízkerekek hatásfoka a legnagyobb, ha lapátjaik nem sík, hanem kanál alakúak, mivel így a víz súlya is hozzájárul a kerék forgatásához; az acélból készített felülcsapott kerék, mely egyben visszacsapott is, még jobb hatásfokú lehet, ennél jobbak csak a vízturbinák. Néhány esetben a felülcsapott vízkerék még a turbinához képest is előnyösebb. Hatásfokuk eléri a 70-80%-ot.
A vizet a felülcsapott vízkerékhez a felvízcsatornán kell hozzávezetni. A beömlést a kerék felső részénél, és egy kicsit a forgásirányba eltolva kell elhelyezni. A víz a lapátok által képezett kanalakban gyűlik meg, megnövelve a kerék súlyát az „üres” oldalhoz képest. A víz súlyának nyomatéka elforgatja a kereket és a víz kifolyik a farvíz oldalon, amint a kerék annyira elfordult, hogy a víz kifolyhat a lefelé irányuló lapátok öbléből. A felülcsapott technika csaknem a teljes vízáramot munkavégzésre használja (kivétel az, ami a réseken kifolyik) és nem igényel nagy vízhozamot. A felülcsapott vízkerék a legjobb hatásfokú és teljesítményű vízkerék, de mivel gát és víztározó építése szükséges működéséhez, messze a legtőkeigényesebb beruházás szempontjából.
A felülcsapott kerekeket néha olyan patakokra telepítik, melyeknek nagyon nagy határok között változik a vízhozama, néha el is apadnak. A vízszint-különbségeket gát, zsilip építésével ill. időszakos használattal egyenlítik ki.
A felülcsapott vízkerék az alulcsapottal szemben kihasználja a gravitációt. Nemcsak a folyó víz impulzusa hasznosul részlegesen, hanem elsősorban a lassan lefelé haladó kanalakban gyűlő víz súlya (esése) is további energiát ad át. A felülcsapott kerék mechanikai teljesítményét a kerék geometriai méretei és a rendelkezésre álló esés, valamint a vízhozam határozza meg, így ideális telepítési helye a hegyes-dombos vidék.
Bár a vízkerekek hagyományos építési anyaga a fa, acélkerekek alkalmazásával nagyobb fordulatszám érhető el (acélból könnyebb készíteni kisebb csapágysúrlódású kereket). A régi malmok esetén a lassú fordulatszámú, nagy átmérőjű fából készült vízkerék jól alkalmazkodott a malomkő kis fordulatszám- és nagy nyomaték-igényéhez, a mai alkalmazásoknál viszont a vízkerék vagy vízturbina generátort hajt, melynek beruházási költsége annál kisebb, minél nagyobb a fordulatszáma.
Alulcsapott vízkerék balra|bélyegkép|Alulcsapott vízkerék
Az alulcsapott vízkerék is függőleges helyzetben beépített kerék, melyet a kerületére szerelt alsó lapátokra áramló víz mozgási energiája forgat, ezért hívják alulcsapottnak.
Csatornázott, alulcsapott kerék Kisebb vízfolyások vizét műtárgyakkal a vízkerékre terelve szabályozható vízmennyiséggel, és eséssel működő vízikerekek. A ráömlés közel az alsó csatornaszinthez történik, de nem feltétlenül a csatorna legalsó szintjén. Ilyen például a Zuppinger-kerék, a Poncelet-kerék. Alulcsapott vízkeréknél nehézséget okoz a vízszint változásának kezelése. Ezt vagy zsilip beépítésével, vagy a vízkerék emelésével-süllyesztésével oldják meg. A nagyon korszerű megvalósítások, mint amilyen a Poncelet-kerék (kisebb eséssel rendelkező, alapvetően egy speciális turbina, hajlított lapátokkal), vagy a Zuppinger-kerék, elérhetik a 60-75%-ot, de az alulcsapott vízkerék csak a körülvevő csatorna minimális lejtése segítségével a legkisebb hatásfokú, hatásfoka kb. 35% vagy még kevesebb.
Az alulcsapott vízkerekeket lassú áramlású, kis esésű patakoknál használják sík vidékeken. Ugyancsak jól alkalmazhatók folyókra telepített úszó bárkákon. Az antik Római Birodalomban közvetlenül hidakra építették, ahol a pillérek által leszűkített keresztmetszeten a folyó sodra felgyorsult. Az alulcsapott vízkerék (melyet néha vitruviusi vízkeréknek hívnak Vitruvius római mérnök után) alatt átfolyó víztömeg közvetlenül sodorja előre a lapátokat és így forgatja a kereket, itt a víz súlya nem játszik szerepet. Előnye, hogy olcsóbb és egyszerűbb a telepítése, sőt elmozdítható kivitelben is elkészíthető, de kevéssé erős és csak ott lehet használni, ahol a sodrás elég nagy ahhoz, hogy elegendő nyomatékot fejtsen ki a lapátokon keresztül a kerékre. XIV. Lajos nyári rezidenciája, a Château de Marly szökőkútjainak szivattyúit állandó telepítésű, nagy, alulcsapott vízkerekek hajtották.
Hajómalom-rendszerű, alulcsapott kerék A hajómalom-rendszerű, alulcsapott kerék különös előnye, hogy a folyók felszínén használható, ha egy lehorgonyzott bárkára építik. A vízen úszó megoldás (hajómalom) a szintváltozás problémáját önműködően kiküszöböli. Mivel nem csatornában van, a folyó vízmennyiség nem kényszerhajtást jelent, alatta a mély víz felé kitérhet az áramlás. A vízmennyiség növelését elé tett terelőlapokkal, a vízmennyiség csökkentését előtte leereszthető függőleges lappal (tiltóval) lehet változtatni. A csatornázott, alulcsapott vízikerekeknél valamivel rosszabb, kb. 10-15% hatásfokú. Újabb alkalmazásai inkább elektromos áramtermelésre készülnek, de épülnek malomipari muzeális rekonstrukciók is (Ráckeve).
Visszacsapott kerék Ez lényegében egy felülcsapott vízkerék, melyet a felülről rávezetett víz áramlása és súlya mozgat, azonban a vizet úgy vezetik, hogy a kerék alsó része alulcsapott vízkerékként kihasználja az elfolyó víz energiáját is. A visszacsapott kerék akkor is működésképes, ha a malomárokban a vízszint a tengely magassága fölé emelkedik, ami bármilyen más felülcsapott vízkereket megállítana, vagy összetörne. Ez különösen alkalmassá teszi a konstrukciót olyan helyeken, ahol a vízhozam és a vízállás szélsőséges határok között változik és szükségtelenné teszi költséges és bonyolult zsilip alkalmazását.
Középen csapott kerék bélyegkép|jobbra|Középen csapott vízkerék
Ez a vízkerék is függőleges helyzetű, hozzávetőlegesen a kerék közepénél (a tengely magasságában, vagy egy kicsivel feljebb) ömlik rá a víz a kerék lapátjaira. A középen csapott kerekek az Egyesült Államokban a leggyakoribb vízkerekek, azt mondják, hogy az amerikai ipari forradalmat ezek hajtották. A középen csapott kerekek kevésbé hatékonyak a felülcsapott kerekeknél, de a hatásfokuk elérheti a 65-70%-ot, ez több, mint az alulcsapott kerekeké. A lapátok oldalról is zártak és így kanalat képeznek, mint a legtöbb felülcsapott vízkeréknél.
A középen csapott vízkerekeket mindig ellátják terelőlapátozással, melynek a kialakítás olyan, hogy megfelelő szögben téríti el a vízáramot a vízkerék lapátjaira, de védi is a kereket az esetleges hordalékfáktól vagy más vízen úszó tárgytól. A kerék általában falazott és lehetőleg szűk csatornában forog.
Az alulcsapott kerekekkel ellentétben a középen csapott kerék nemcsak a víz sodrását hasznosítja, hanem az átfolyó víz súlyát is. Ezeket a kerekeket állandó, nagy vízhozamú patakoknál építették be elsősorban, amilyenek jellemzőek az észak-amerikai keleti partra.
Korszerű hasznosítás A vízikerekek mai megtekinthető példányai legnagyobb részt malomipari múzeumok formájában léteznek. Ennek oka a múzeumok jobb állami, anyagi támogatása, másrészt a mai iparágak közül a malomipar általánosan elterjedve létezik, és szerepet vállal a technika bemutatásában. Számos példa közül rekonstruált vízimalom az orfűi, jásdi, tatai vízimalom. Hajómalmok közül a ráckevei hajómalom rekonstruált példánya készült el bemutatás céljára.
A mechanikai munka, vagy energia nyerésre készült példányok száma elenyésző, kivételes esetként látható a vízenergia hasznosításra átalakított, "Tapolcán a Malom-tó partján álló malomkerék. Magyarországnak ez az egyetlen villamos energiát termelő alulcsapott vízkerékkel rendelkező vízimalma egy közeli hotel részleges ellátását is biztosítja. Felújítása előtt a 200 éves tapolcai vízkerék működésképtelen volt, aztán az MVM Partner Zrt. közreműködésével lecserélték az elkorhadt fa malomkereket, pótolták, sőt, megduplázták a hiányzó lapátokat." (Origó hír.)
Kapcsolódó szócikkek Vízemelő kerék Vízimalom
Források
Pongrácz Pál: Régi malomépítészet, Műszaki Könyvkiadó Budapest, 1967 Wilhelm Müller: Die eisernen Wasserrader, Leipzig, Verlag von Weit & Comp, 1899 (német) Zeno-lexikon: vízikerekek (német) Vízikerék fajták (német) Megújult a tapolcai vízimalom malomkereke
Jegyzetek
További információk
Kékenergia Vízkerék története Vízkerék gyártó modern üzem, sok képpel Château de Marly (hidraulikus gép, német) Esztergomi reneszánsz vízgép Château de Marly kastély (angol) Magyar Néprajzi Lexikon: Hajómalom
Kategória:Vízturbinák Kategória:Vízimalmok Kategória:Épülettípusok