Ačkoliv nepatří čerpací spirála mezi vodní motory, má mezi technikou tohoto druhu své místo. Konstrukčně vychází z Cavéova spirálního čerpacího kola, dopravuje však vodu do větších výšek. Nejčastěji bývá instalována přímo po straně vodního kola na spodní vodu.
Funkce:
Spirála je tvořena trubkou navinutou na vhodném držáku. Začátek trubky je na vnějším konci otevřený, druhý konec je veden do středu hřídele a přes ložisko vyveden prostřednictvím rotační ucpávky na výtlačné potrubí. Celek se pomalu otáčí. Pohon může být zajištěn vodní silou, ale i například větrným motorem. Celá spirála je částečně zanořena pod hladinu. Volný konec trubky se tak střídavě zanořuje pod hladinu a zase vynořuje. Tím se do spirály nabírá sloupec vody následovaný sloupcem vzduchu. Odpor nutný pro dopravu vody do výše způsobí vychýlení polohy sloupce vody v jednotlivých závitech spirály. Pokud nedojde k přelití vody do sousedního závitu, je voda tlačena do výtlačného potrubí součtem vodních sloupců v jednotlivých závitech. Výtlačná výška může být při větším počtu závitů podstatně vyšší než je průměr samotné čerpací spirály. S výhodou lze takto dopravovat i kalnou znečištěnou vodu s pískem, řasami, bahnem. Voda je při čerpání okysličována. Čerpání je šetrné k živým organismům.
Výpočet:
Následující řádky vycházejí z předpokladu, že spirálu lze zanořit pod hladinu asi do 30% jejího průměru (nebo více). Aby nedošlo k rozpadu a přetržení sloupců v závitech, uvažuje se za provozu rozdíl hladin stojících v jednom závitě asi jen 50% průměru spirály.
(Pokud zadáváte ve formuláři desetiny, použijte k jejich oddělení tečku, nikoliv desetinnou čárku.)
Náročnost na hnací sílu je u malých strojů ovlivněná především odporem rotační ucpávky, přes kterou se voda ze spirály odebírá. U velkých strojů naopak zaleží na hmotnosti celého zařízeni. Samotné čerpání vody tvoří jen část z celkově dodávané energie.
Legenda:
D - střední průměr spirály [metry]
H1 - výtlačná výška [metry]
h2 - rozdíl hladin v závitu [metry]
Z - počet závitů [ks]
q1 - vytlačené množství vody [ltr./min.]
n - počet otáček [ot./min.]
s - dráha vstup. konce trubky pod hladinou [m]
DN - světlost trubky [mm]
S - plocha vnitř.otv.trubky [mm
2 ]
Průměr spirály:
D [m] = 2 x H1 [m] / Z [ks]
Dopravované množství:
S [mm 2 ] = 0,785 x DN 2 [mm] s [m] = 1,2 x D [m] n [ot./min] = 5,7 / D [m] q [ltr./min] = s [m] x n [ot./min] x S [mm 2 ] / 1000
Konstrukční detaily:
Vstup do spirály začíná jehlancovitým drátěným košíčkem, aby se neucpalo. Začátek trubky je vhodné kuželovitě rozšířit, zejména tehdy, když se spirála otáčí po směru proudící vody.
Potrubí musí mít dostatečnou světlost, aby nekladlo odpor a médium se mohlo rozdělit na vodní a vzduchový sloupec se zřetelně oddělenou hladinou. Nemělo by být rozhodně tenší než 15mm.
Spirálu je vhodné zanořit co nejvíc. Někdy je zapotřebí ve dně pro ten účel vytvořit prohlubeň. Spirála může mít samozřejmě podstatně větší průměr než vodní kolo, které jej pohání.
Spirála se staví s jeden a půl až maximálně desíti závity. Tím je v praxi výtlačná výška omezena. Závity mohou být vinuty jako válcovitá cívka do šířky ( viz. obr. ) nebo naplocho, v dostředivé spirále ( to je výhodnější pro velké výtlačné výšky, kdy se vzduch postupně mezi vodními sloupci ve spirále stlačuje ), případně i kombinovaně ve dvou vrstvách aj.
Spirála může být ze železné nebo měděné trubky, ze zahradní hadice, plastové trubky aj., rozhodující je především dobrá tvarovatelnost polotovaru.
Spirála se musí otáčet pomalu, vhodná obvodová rychlost je cca 0,2...0,4 m/sec. Při vyšších rychlostech se vodní sloupce v závitech trhají a výkon se nezvýší. Z toho důvodu se k pohonu používá často jen volně brodivé vodní kolo (hřebenáč na spodní vodu bez stavidla) ponořené do toku s rychlostí max.0,8 m/sec. Hřídel kola je dutý a slouží jako výstup vody. Z jednoho jeho konce ústí výtlačné potrubí. Rotující hřídel je možno utěsnit guferem, čelní ucpávkou (grafitovým prstencem užívaným např. u bubnových automatických praček), ale i lojovou provazcovou ucpávkou. Bude-li jedno ložisko kuličkové (aby zachytilo axiální síly), pak v praxi vyhoví i méně obvyklé řešení, kdy texgumoidová přítlačná vložka ucpávky tvoří přímo výměné ložiskové pouzdro mazané prosakovou vodou:
Před prvním rozjezdem většinou musí být výtlačné potrubí prázdné a odvodněné vypouštěcím kohoutem. Teprve po rozběhu kola se za stálého výtoku vypouštěcí kohout uzavře. V praxi tuto službu automatického vypouštění zastane maličká dírka navrtaná poblíž ucpávkového tělesa.
Výtlačné potrubí, které vede do vodojemu by mělo být stejného průřezu jako spirála, přímé a neustále stoupající vzhůru. Proudí v něm směs vody a vzduchu, opačný sklon by znamenal veliké ztráty. Jeho zakončení musí být kousek nad hladinou zásobní nádrže, aby se při nečinnosti voda nevracela. Na potrubí nesmí být žádný uzavírací orgán ani zpětný ventil, který by kladl odpor.
Neutáhne-li vodní kolo zaplněnou spirálu, je zapotřebí rozšířit jeho lopatky, nepomůže-li to, pak nezbývá, než použít na spirálu trubku s menším průřezem nebo v nouzi převod.
Nevytlačí-li spirála vodu do požadované výše, snižte otáčky, zanořte ji hlouběji nebo přidejte ještě další závity.
Před zimní odstávkou kovových spirál nezapomeňte zpětným otáčením odvodnit všechny závity, aby je mráz nezdeformoval nebo nepotrhal.
Doporučení:
Ve vypočtených hodnotách (zejména při větších dopravních výškách) si nechejte rezervu. Uplatňují se zde neočekávané veličiny, jako je proměnný odpor při dopravě směsi vzduchu s vodou v dlouhém výtlačném potrubí, stlačitelnost vzduchu mezi závity spirály a podobně.
Počet otáček ve výpočtu je volen tak, aby byla zachována obvodová rychlost 0,3 m/sec.
Dopravované množství je závislé zejména na průměru použité trubky.
Vyjde-li průměr menší než 1 metr, snižte počet závitů.
Vyjde-li průměr moc velký, lze to vyřešit přidáním dalších závitů.
Pokud můžete volit, udělejte větší spirálu s menším počtem závitů (ač by estetika nabádala k opaku).
Praktické řešení:
Obrázek většího závlahového zařízení s čerpací spirálou. Vodní kolo v tomto uspořádání pohání rychle proudící voda v mělkém šikmém žlabu. Příslušný spád vyvozuje jezovitý práh zřízený přes celou šířku toku vpravo od kola. Spirála, jako samostatný díl, letmo nasazená na hřídeli se otáčí ve své vlastní hluboké jímce s klidnou vodou, která je napájena vodou přes česle z prostoru na nátokové straně vodnío kola, kde je hladina výše. Jímka umožnujé hluboké zanoření spirály, které zvyšuje její objemovou účinnost a navíc slouží jako odkalovací nádrž a lapák písku. Výhodou tohoto řešení je možnost použití typizovaných ložiskových domků s valivými ložisky, čerpání vody bez nečistot a vysoká životnost ucpávky. Ta na rozdíl od výše popisovaného konstrukčního uspořádání nemá zástupnou funkci ložiska a není namáhána radiální silou. Pro zachování souososti je těsnící plocha nátrubku spirály obrobena současně nápojem, který bude upevněn na hřídeli kola, teprve dodatečně je navařena vlastní spirála. Drobné odchylky pomůže vypružit kompenzátor z pryžové hadice nebo nerezového vlnovce, který drží ucpávkové těleso na nátrubku a nechává ho, aby si přirozeně nalezlo optimální polohu.
Použití:
Použití tohoto čerpacího zařízejí je omezeno především na závlahy nebo pro dopravu vody do výše položených vodních nádrží jako např. bazénů, okrasných jezírek, rybníčků a rybích líhní. Naopak po odloučení vody přes sifon hned za spirálou může zařízení pracovat jako provzdušňovací kompresor pro domácí čistírny.
