Vodosloupcový stroj přímočarý

(Vynalezen Jozefem Karolem Hellem na Slovensku r.1749)

Jedná se o jednočinný pístový stroj s lineárním pohybem. Mechanická účinnost cca 78%. Celková účinnost při použití jako čerpací soustrojí 55%.

Schema uspořádání přímočaře pracujícího stroje:

Popis:

Voda je ke stroji přiváděna železným potrubím se značným spádem a o vysokém tlaku. Stroj se skládá ze svislého pracovního válce ve kterém se pohybuje píst. Ke dnu válce je připojen dvoucestý kohout pro přívod a odtok vody. Je ovládaný rozvodovým mechanismem, který se sestává z táhla, páky se závažím K (tzv. padacího kladiva) a narážek na pístní tyči A a B. Vlastní pístní tyč pokračuje přes vodící pouzdro vzhůru a je mechanicky spojena s hnaným strojem, kterým je většinou pístové nebo plunžrové čerpadlo , měchové dmychadlo nebo pístový kompresor. Protože část vody prolíná přes těsnící manžety nad píst, je okraj válce opatřen sběrným prstencem, který tuto vodu zachycuje a potrubím ji odvádá do odpadu.

Princip:

Vlastní funkce by se na první pohled dala přirovnat k parnímu stroji. Protože je však voda nestlačitelná, musí být ovládací mechanismus uspořádán tak, aby dokázal přestavit rozvodové ústrojí i v situaci, kdy se píst nepohybuje. K tomu se většinou užívá zvratného mechanismu se závažím, které se stává zásobníkem energie v okamžiku, kdy je stroj v mrtvé poloze. Toto zařízení je označováno jako padací kladivo.

V situaci znázorněné na obrázku je kohout otočen tak, že je pracovní válec spojen s přívodním potrubím. Válec se plní, tlak vody působí na píst a zdvihá jej. Pístní tyč se zarážkami A a B se pohybuje vzhůru. Před ukončením zdvihu zachytí zarážka B za konec modré páky padacího kladiva K a začne ji unášet. Pohyb je přes červené táhlo přenášen na kohout, který se pozvolna uzavírá, tím se rychlost pístu snižuje. Padací kladivo K se pohybuje vlevo do horní nestabilní polohy. Ještě dříve, než dojde k uzavření ventilu, přepadne kladivo přes svou horní úvrať na doraz zcela vlevo a přepne kohout tak, že voda z válce může odtéklat do odpadního koryta. (Zarážka A je už dostatečně vysoko, aby o ní zdvihnuvší se výčnělek páky K nezavadil.) Píst ve válci začne vlastní hmotností, případně hmotností pohyblivých částí připojeného čerpadla klesat a vytlačuje před sebou vodu z válce do odpadního koryta. Klesající zarážka A při svém poklesu zachytí o zdvižený výčnělek modré páky K a začne jej tlačit dolů. Tím se zdvihá padací kladivo z levé polohy vzhůru a současně přes táhlo pozvolna uzavírá kohout. Výtok z válce se tak před doběhnutím do spodní polohy brzdí. Když dosáhne píst dolní polohy, je padací kladivo již tak zdvižené, že přepadne přes vrchol své dráhy na doraz vpravo. Tím v mžiku pootočí kohout tak, že je válec opět spojen s přívodním potrubím a začíná se zase plnit. Situace se periodicky opakuje.

Pohyb pístní tyče (na obrázku nezakreselno) je převáděn na pohyb hnaného stroje - ať již přímo, prostřednictvím táhel, řetězů či vahadla.

Konstrukční detaily:

• Zdvih stroje je dán přesným nastavením zarážek. Píst nikdy nedojíždí až na dno válce.
• Výčnělek páky K musí být poměrně krátký, aby na překlopení padacího kladiva stačil malý pohyb pístu.
• Krajní polohy padacího kladiva musí být vymezeny odpruženými dorazy (na schématu nejsou zakresleny).
• Červené táhlo může mít záměrně velkou vůli, aby se kohout začal pohybovat teprve ve chvíli, kdy už je padací kladivo překlopeno přes svůj nejvyšší bod a začíná velkou silou padat. Mechanismus tak snáze překoná odpor kohoutu.
• Síla, kterou stroj vyvozuje je po celé dráze pístu vzhůru stejná, je dána spádem a plochou pístu.
• Průtok je dán zdvihovým objemem válce a počtem zdvihů.
• Válec může být mosazný či litinový.
• Těsnící manžety pístu z vrstvené kůže nebo syntetických materiálů.
• Kohout je kuželový (kužel strmý - aby se nezadíral), je možné použít válcové šoupátko nebo dvou nezávisle ovládaných talířových ventilů.

Zobrazený stroj je poměrně jednoduché konstrukce. V praxi se vyskytovaly i stroje s podstatně složitějším rozvodem i případně s větším počtem padacích kladiv. Funkce rozvodu byla v takovém případě rozdělena na dva kroky:

• Při prvním bylo padací kladivo řetězovým táhlem zdvihnuto a zajištěno v horní poloze.
  
  
• Vlastní přepnutí ventilu bylo odstartováno jinou zarážkou, která nachystané padací kladivo odjistila a kladivo bleskurychle otevřelo přítokový kohout. (V době, kdy se tohle odehrávalo bylo druhé kladivo druhým samostatným mechanismem zdvíháno do výše, aby kohout v příští chvíli opět uzavřelo.)

Tento systém přepínal rozvod v úvratích rychleji, avšak s většími rázy, takže stroj musel být konstruovaný robustně.

Stroj má díky své pomaluběžnosti při běžné údržbě životnost mnoho desítek let, napájecí voda však musí být čistá, zbavená písku. Stroj může být samozřejmě konstruován i jako dvojčinný, kohouty či ventily musí být pevně spřaženy, aby děje odehrávající se v obou polovinách válce byly přesně synchronizovány. Toto řešení má opodstatnění pouze tehdy, je-li i hnaný stroj dvoučinný.

Použití:

Stroje se v minulosti využívaly především pro pohon důlních čerpadel v místech, kde bylo velmi málo hnací vody, zato o značném spádu. Jeden z prvních strojů pracoval v dole Leopold (Baňská Štiavnica na Slovensku), kde čerpal vodu z hloubky 212,6 metru. K jeho pohonu byl využit spád 89,1 metru. Konal 7,5 zdvihů za minutu a spotřeba hnací vody činila pouze 24,5 ltr./sec. Celková účinnost čerpacího soustrojí byla 55%, což bylo oproti jiným systémům vynikající (zejména uvážíme-li, že se psal rok 1749). Výhodou bylo, že při nižším průtoku se sice rychlost stroje snížila, ale v žádném případě se nezastavil.

Dnes by tento systém nalezl uplatnění pro pohon hydraulického čerpadla spojeného s hydromotorem a generátorem (stejně jako např. systém STO ) nebo pro pohon vodárenského čerpadla, které by využívalo energii povrchové vody k čerpání vody studniční. Není vyloučeno ani využití energie vody vodovodní (rozdíly tlaku mezi vodojemy, redukce vysokého tlaku aj.).