O vodních kolech...
Jsou to jedny z nejstarších strojů, které začal člověk pro pohon využívat. Jedná se o pomaluběžné motory, ve kterých (až na vyjímky) účinkuje voda svou polohovou energií. Dlouhá léta se držela ustálená koncepce, která vycházela z výsledků ověřených v praxi. Bylo to dáno tím, že kola stavěli odborní řemeslníci - sekerníci. Teprve až mnohem později začala být vodní kola předmětem zájmu inženýrů a vědeckých pracovníků. Začaly se na nich uplatňovat zákonitosti hydrodynamiky a konstrukční výpočty.
To přispělo ke zvýšení jejich účinnosti. Bohužel k tomu došlo již v době nástupu prvních vodních turbín. Ty (částečně vlivem módní vlny), začaly vodní kola houfně vytlačovat. Ne vždy to bylo ku prospěchu věci.
Na přelomu devatenáctého a dvacátého století je možno považovat vývoj základních typů vodních kol za ukončený a byl znám rozsah jejich použitelnosti:
| typ kola | účinnost [%] |
|---|---|
| korečník na horní vodu s obráceným chodem | až 85 |
| korečník na horní vodu obyčejný | 65..80 |
| korečník se zadním dopadem | 65..75 |
| lopatník s kulisou | 65..70 |
| lopatník s přepadem | 60..75 |
| lopatník s voletem | 45..55 |
| Zuppingerovo kolo | 70..78 |
| Ponceletovo kolo | 60..65% |
| Sagebienovo kolo | až 80% |
| střikový hřebenáč | 30..35% |
| belík (valach) | 25..30% |
Účinnost je tím vyšší, čím větší je ta část spádu po kterou voda v kole působí svou vahou oproti té části spádu, který byl nutný na získání vstupní rychlosti vody do kola. Jedná se o účinnost na hřídeli vodního kola. Následnými převody (první stupeň - jeden až dva ozubené nebo řetězové převody, druhý stupeň - zásadně řemenový převod) se část energie ztratí. Přesto však zůstává vodní kolo významným, nenáročným, spolehlivým a laciným hnacím motorem (v zahraničí) v hydrologicky nejistých lokalitách s velkou průtokovou přetížitelností a necitlivostí k nečistotám. Mnohdy se uplatní nejen jako hnací stroj, ale i jako dekorace či reklamní poutač. Není zanedbatelný ani jeho ekologický přínos výrazným okysličením vody při plnění korečků a následném výpadu vody.
Charakteristickou vlastností těchto strojů je, že dokáží „velkou vodu“:
Představte si situaci, kdy po velkých deštích protéká řečištěm značné množství vody. Současně s tím však došlo k vzestupu hladiny pod strojovnou. Rozdíl hladin na samotném vodním díle se tedy zmenšil. Pokud je ve strojovně instalována turbína, zmenšil se spád, který využívá. Spolu s tím se zhoršila její účinnost a také vlivem zmenšeného spádu poklesl průtok turbínou. Turbínu již není možno více otevřít a tak se paradoxně snížil výkon celé stanice v situaci, kdy všude okolo teče nadbytek vody. Je-li však ve strojovně vodní kolo, nic nebrání tomu, vyrovnat ztrátu spádu tak, že na jeho lopatky pustíte větší množství vody, než na jaké je konstruováno. To, že se zhorší účinnost není podstatné, protože vody máte k dispozici dostatek. Celkově bude i při nižší účinnosti výkon na hřídeli větší nebo alespoň stejný, jako kdyby k rozvodnění řeky nedošlo.
I „za sucha“ se vodní kolo zachová poměrně dobře:
Máme opět situaci, kdy je ve strojovně instalována turbína. Je dlouho sucho a v řece pozvolna ubývá vody. Vodní dílo nemá možnost akumulace a tak je odkázáno pouze na to co náhonem přitéká. Aby byl udržen spád, je nutno stále více uzavírat regulační orgán turbíny. Jenže když už je turbína hodně uzavřená, ztácí velmi výrazně na účinnosti a výkon klesá. Záchranný pokus - otevřít turbínu víc a obětovat část spádu končí většinou jejím zavzdušněním a úplným zastavením. Turbína je pak po celé suché období mimo provoz. Je-li však ve strojovně vodní kolo, korečky nepřetékají, voda se nerozstřikuje, jeho účinnost se při snížení průtoku zvýší. I ztrátové převody nejsou tolik zatíženy a jdou lehčeji než dříve. Výkon se v důsledku úbytku vody snížil, ale ne tak výrazně. Když je již přítok skutečně kriticky malý, vodní kolo sníží otáčky, ale stále ještě pracuje. (Korečník se naplní i úplně malým čůrkem a nakonec se těžké kolo váhou plného korečku pootočí, jen to trvá dlouho). V případech, kde by turbína již dávno stála, kolo stále ještě jede, byť by malým výkonem.
Nectností vodních kol je namrzání v zimě, zejména jsou-li část dne nebo přes noc zastavena. Přívodní stavidlo nikdy stoprocentně netěsní a tak ráno za velkých mrazů vypadá kolo jako jedna velká ledová hrouda. Předejít se tomu dá tak, že je celé vodní kolo uzavřeno v dřevěném nebo zděném domečku tzv. lednici. Tekoucí voda tam udržuje v zimě i v létě stálou teplotu, dřevěné kolo se nerozesychá, ani nenamrzá a je také menší pravděpodobnost úrazu.
U nás se výrobou vodních kol profesionálně zabývala (mimo vandrovní sekernické party) firma Aloise Korsesky v Rudolfovicích u Olomouce č.p.178. Provozovna byla, jak taky jinak, poháněna korečníkem na horní vodu pracujícím na spádu 3,7 metru a s výkonem 7,55kW. (Nehledejte mapu! Při zřízení vojenského prostoru Libavá vzala za své jak provozovna, tak Rudolfovice i s Olejovicemi, Zigarticemi, Šumvaldem či Barnovem.) Další specializovanou firmou byla v minulosti dílna Františka Hory z Benešova. Celokovová nýtovaná kola měla ve svém sortimentu i firma J. Kohouta či Karla Paška z Prahy-Smíchova a také Julia Škrlanda z Českých Budějovic. V dnešní době staví v Čechách vodní kola sekerníci ze skanzenu na Veselém kopci u Hlinska pod vedením Jiřího Myšky a stavební firma Františka Mikyšky z Petrovic u Sedlčan. Na Moravě se touto činností příležitostně zabývala i truhlářská dílna Karla Kopečného z Olomouce.
Firmy v minulosti zvládaly velmi řiroký sortiment kol. Od těch nejmenších belíků až po kola vskutku obří. Úctyhodně velké vodní kolo pracovalo na Moravě v Rejhoticích. Bylo na horní vodu a průtok jen 120 litrů za sekundu. Mělo průměr přes 15 metrů a výkonem 20 koňských sil pohánělo stroj na výrobu dřevité vlny. Bylo to však v době, kdy ještě nebyly k dispozici vhodné turbny. V dnešní době by byla stavba kola na velké spády (o průměru větším než 5 metrů a potřebných převodů) složitější než výroba jednoduché turbíny.
Typickým znakem výpočtů všech typů vodních kol je ta skutečnost, že průměry, rozměry korečků a tvary lopatek jsou závislé pouze na spádu, zatím co vlastní šířka kola je závislá jen na průtoku. Vodní kolo se tedy na jiný průtok přepočítává velmi snadno, narozdíl od turbíny, kde se s drobnou změnou kteréhokoliv ze základních parametrů změní téměř všechny konstrukční rozměry.
Stránky zabývající se výpočty a konstrukcí jednotlivých typů kol jsou sestaveny pro praktické použití a rychlé zjištění základních rozměrů podle průtoku a spádu, bez teoretického zdůvodňování a matematického odvozování. Případné zájemce o hloubkové studium fyzikálních jevů ve vodním kole odkazuji na příslušnou literaturu.