Vesipyörän suunnittelu vesivoimahanketta varten

Vesipyöräsuunnittelu vesivoimalle
Vesivoiman kuvakeVesivoima on tekniikka, joka muuntaa liikkuvan veden kineettisen energian mekaaniseksi tai sähköenergiaksi, ja yksi varhaisimmista laitteista, joita käytettiin liikkuvan veden energian muuntamiseen käyttökelpoiseksi työksi, oli vesiratasrakenne.
Vesipyörän rakenne on kehittynyt ajan myötä. Jotkut vesipyörät on suunnattu pystysuoraan, jotkut vaakasuoraan ja joihinkin on kiinnitetty monimutkaisia ​​hihnapyöriä ja hammaspyöriä. Ne kaikki on kuitenkin suunniteltu samaan tarkoitukseen: "muuttamaan liikkuvan veden lineaarisen liikkeen pyörimisliikkeeksi, jota voidaan käyttää minkä tahansa siihen pyörivän akselin kautta kytketyn koneiston käyttämiseen".

Tyypillinen vesipyörän rakenne
Varhaiset vesirattaat olivat melko alkeellisia ja yksinkertaisia ​​koneita, jotka koostuivat pystysuorasta puisesta pyörästä, jonka kehälle oli kiinnitetty tasaisesti puisia teriä tai kauhoja, jotka kaikki oli tuettu vaakasuoraan akseliin, jonka alla virtaavan veden voima työnsi pyörää tangentiaalisessa suunnassa lapoja vasten.
Nämä pystysuorat vesirattaat olivat huomattavasti parempia kuin muinaisten kreikkalaisten ja egyptiläisten aiemmat vaakasuorat vesirattaat, koska ne pystyivät toimimaan tehokkaammin muuntamalla liikkuvan veden liikemäärän voimaksi. Vesirattaaseen kiinnitettiin sitten hihnapyörät ja hammaspyörästö, jotka mahdollistivat pyörivän akselin suunnan muutoksen vaakasuorasta pystysuoraan myllynkivien käyttämiseksi, puun sahaamiseksi, malmin murskaamiseksi, leimaamiseksi ja leikkaamiseksi jne.

Vesipyörän suunnittelun tyypit
Useimmat vesirattaat, jotka tunnetaan myös vesimyllyinä tai yksinkertaisesti vesirattaina, ovat pystysuoraan asennettuja pyöriä, jotka pyörivät vaakasuoran akselin ympäri. Tällaiset vesirattaat luokitellaan sen mukaan, miten vesi kohdistetaan pyörään suhteessa pyörän akseliin. Kuten arvata saattaa, vesirattaat ovat suhteellisen suuria koneita, jotka pyörivät pienillä kulmanopeuksilla ja joiden hyötysuhde on alhainen kitkahäviöiden ja ämpärien epätäydellisen täyttymisen yms. vuoksi.
Veden työntyessä pyörien kauhoja tai meloja vasten, akselille syntyy vääntömomenttia, mutta ohjaamalla vettä näihin meloihin ja kauhoihin pyörän eri kohdista voidaan parantaa pyörimisnopeutta ja tehokkuutta. Kaksi yleisintä vesiratastyyppiä ovat "alivirtausvesiratas" ja "ylivirtausvesiratas".

Alaspäin vedetty vesipyörän suunnittelu
Alavesipyörä, joka tunnetaan myös nimellä "virtauspyörä", oli antiikin kreikkalaisten ja roomalaisten suunnittelema yleisimmin käytetty vesipyörätyyppi, koska se on yksinkertaisin, halvin ja helpoin pyörätyyppi rakentaa.
Tällaisessa vesirattaassa ratas yksinkertaisesti asetetaan suoraan nopeasti virtaavaan jokeen ja sitä tuetaan ylhäältä. Veden liike alapuolella luo työntävän vaikutuksen ratasta alemmassa osassa olevia vedenalaisia ​​lapoja vasten, jolloin se voi pyöriä vain yhteen suuntaan veden virtaussuuntaan nähden.
Tämän tyyppistä vesiratasrakennetta käytetään yleensä tasaisilla alueilla, joilla ei ole luonnollista kaltevuutta tai joissa veden virtaus on riittävän nopea. Verrattuna muihin vesiratasrakenteisiin tämä rakenne on erittäin tehoton, sillä vain 20 % veden potentiaalienergiasta käytetään pyörän pyörittämiseen. Lisäksi veden energiaa käytetään vain kerran pyörän pyörittämiseen, minkä jälkeen se virtaa pois muun veden mukana.
Toinen alapuoravesirattaan haittapuoli on, että se vaatii suuria vesimääriä, jotka liikkuvat nopeasti. Siksi alapuoravesirattaat sijaitsevat yleensä jokien rannoilla, koska pienemmissä puroissa tai puroissa ei ole riittävästi potentiaalienergiaa liikkuvassa vedessä.
Yksi tapa parantaa alivirtauspyörän hyötysuhdetta hieman on ohjata osa joen vedestä kapeaa uomaa tai kanavaa pitkin siten, että 100 % ohjatusta vedestä käytetään pyörän pyörittämiseen. Tämän saavuttamiseksi alivirtauspyörän on oltava kapea ja sovitettava erittäin tarkasti uomaan, jotta vesi ei pääse karkaamaan reunojen ympäri, tai lisäämällä joko lapojen määrää tai kokoa.

Overshot Waterwheel Design
Yläpuolinen vesiratas on yleisin vesiratastyyppi. Yläpuolinen vesiratas on rakenteeltaan ja suunnittelultaan monimutkaisempi kuin edellinen alapuolinen vesiratas, koska siinä käytetään ämpäreitä tai pieniä osastoja sekä veden keräämiseen että pitämiseen.
Nämä ämpärit täyttyvät pyörän yläosasta sisään virtaavalla vedellä. Täysissä ämpäreissä olevan veden painovoima saa pyörän pyörimään keskiakselinsa ympäri, kun pyörän toisella puolella olevat tyhjät ämpärit kevenevät.
Tämän tyyppinen vesipyörä hyödyntää painovoimaa tehon lisäksi myös itse vettä, joten ylisuihkutetut vesipyörät ovat paljon tehokkaampia kuin alisuihkutetut mallit, koska lähes kaikki vesi ja sen paino käytetään tehon tuottamiseen. Kuten ennenkin, veden energiaa käytetään kuitenkin vain kerran pyörän pyörittämiseen, minkä jälkeen se virtaa pois muun veden mukana.
Yläpuoliset vesirattaat ripustetaan joen tai puron yläpuolelle, ja ne rakennetaan yleensä kukkuloiden rinteille tarjoamaan vettä ylhäältä päin matalalla, 5–20 metrin vesikorkeudella (pystysuora etäisyys vedenpinnan ja alla olevan joen tai puron välillä). Pieni pato tai liete voidaan rakentaa ja käyttää sekä veden kanavoimaan että nopeuden lisäämiseen pyörän huipulle, mikä antaa sille enemmän energiaa, mutta pyörän pyörittämisessä auttaa veden tilavuus eikä sen nopeus.

Yleensä ylikierteiset vesirattaat rakennetaan mahdollisimman suuriksi, jotta veden painovoimalla on mahdollisimman suuri etäisyys pyörän pyörittämiseen. Suuriläpimittaisten vesiratasten rakentaminen on kuitenkin monimutkaisempaa ja kalliimpaa pyörän ja veden painon vuoksi.
Kun yksittäiset ämpärit täyttyvät vedellä, veden painovoima saa pyörän pyörimään veden virtaussuuntaan. Kun pyörimiskulma lähestyy pyörän pohjaa, ämpärin sisällä oleva vesi tyhjenee alla olevaan jokeen tai puroon, mutta sen takana pyörivien ämpärien paino saa pyörän jatkamaan pyörimisnopeuttaan. Tyhjä ämpäri jatkaa pyörivän pyörän ympäri, kunnes se palaa takaisin pintaan täytettäväksi lisää vedellä, ja sykli toistuu. Yksi ylisuihkutetun vesipyörän haitoista on, että vettä käytetään vain kerran sen virratessa pyörän yli.

Pitchback-vesipyörän suunnittelu
Pitchback-vesiratasrakenne on muunnelma edellisestä ylikierteisestä vesirattaasta, koska sekin hyödyntää veden painovoimaa pyörän pyörittämiseen, mutta se hyödyntää myös sen alla olevan jäteveden virtausta antaakseen lisätyöntövoiman. Tällaisessa vesiratasrakenteessa käytetään matalapaineista syöttöjärjestelmää, joka syöttää veden lähelle pyörän yläosaa yläpuolella olevasta läpiviennistä.
Toisin kuin ylisuihkutettu vesiratas, joka kanavoi veden suoraan pyörän yli ja sai sen pyörimään veden virtaussuuntaan, pitchback-vesiratas syöttää veden pystysuunnassa alaspäin suppilon läpi ja alla olevaan ämpäriin, jolloin pyörä pyörii vastakkaiseen suuntaan kuin yllä oleva veden virtaus.
Aivan kuten edellisessä ylikiertyneessä vesirattaassa, ämpäreissä olevan veden painovoima saa pyörän pyörimään, mutta vastapäivään. Kun pyörimiskulma lähestyy pyörän pohjaa, ämpärien sisällä oleva vesi tyhjenee alapuolelle. Kun tyhjä ämpäri kiinnitetään pyörään, se jatkaa pyörimistä pyörän mukana kuten ennenkin, kunnes se nousee takaisin ylös ja on valmis täytettäväksi lisää vedellä, ja sykli toistuu.
Ero tällä kertaa on siinä, että pyörivästä ämpäristä tyhjennetty jätevesi virtaa pois pyörivän pyörän suuntaan (koska sillä ei ole muuta paikkaa minne mennä), samalla tavalla kuin alapään vesirattaan periaatteella. Näin ollen pikivesirattaan tärkein etu on, että se käyttää veden energiaa kahdesti, kerran ylhäältä ja kerran alhaalta, pyörittääkseen pyörää keskiakselinsa ympäri.
Tuloksena on, että vesirattaan hyötysuhde kasvaa huomattavasti yli 80 prosenttiin veden energiasta, koska sitä ohjaavat sekä tulevan veden painovoima että ylhäältä sankoihin suunnatun veden voima tai paine sekä alhaalta sangoihin työntyvän jäteveden virtaus. Takaisinvesivuorauksen haittapuolena on kuitenkin se, että se tarvitsee hieman monimutkaisemman vedensyöttöjärjestelyn suoraan rattaan yläpuolella kouruineen ja porausreikineen.

Breastshot-vesipyörän suunnittelu
Rintavesiratas on toinen pystysuoraan asennettu vesiratasrakenne, jossa vesi tulee sankoihin noin puoliväliin akselin korkeudella tai juuri sen yläpuolelle ja virtaa sitten ulos pohjasta pyörän pyörimissuuntaan. Yleensä rintavesiratasta käytetään tilanteissa, joissa vedenpinta ei riitä voimanlähteeksi yläpuolelta tulevalle ylä- tai taaksepäin suuntautuvalle vesirattaalle.
Haittapuolena tässä on se, että veden painovoimaa käytetään vain noin neljännekseen pyörähdyksestä toisin kuin aiemmin, jolloin sitä käytettiin puoleen pyörähdyksestä. Tämän alhaisen pään korkeuden voittamiseksi vesipyörien kauhoja levennetään, jotta vedestä saadaan tarvittava määrä potentiaalienergiaa.
Rintavesirattaat käyttävät pyörän pyörittämiseen suunnilleen samaa veden painovoimaa, mutta koska veden pään korkeus on noin puolet tyypillisen ylikierteisen vesirattaan korkeudesta, sangot ovat paljon leveämpiä kuin aiemmissa vesiratasmalleissa, mikä lisää sangoihin kerätyn veden määrää. Tämän tyyppisen rakenteen haittana on sangon kuljettaman veden leveyden ja painon kasvu. Kuten takaperin pyörivässäkin mallissa, rintavesirattaassa käytetään veden energiaa kahdesti, koska vesiratas on suunniteltu istumaan vedessä, jolloin jätevesi auttaa pyörän pyörimisessä sen virratessa alavirtaan.

Sähkön tuottaminen vesirattaalla
Historiallisesti vesirattaita on käytetty jauhojen, viljojen ja muiden vastaavien mekaanisten tehtävien jauhamiseen. Mutta vesirattaita voidaan käyttää myös sähkön tuottamiseen, mitä kutsutaan vesivoimajärjestelmäksi. Kytkemällä sähkögeneraattori vesirattaiden pyörivään akseliin joko suoraan tai epäsuorasti käyttöhihnojen ja hihnapyörien avulla, vesirattaita voidaan käyttää sähkön tuottamiseen jatkuvasti 24 tuntia vuorokaudessa toisin kuin aurinkoenergiaa. Jos vesiratas on suunniteltu oikein, pieni tai "mikro" vesivoimajärjestelmä voi tuottaa tarpeeksi sähköä valaistuksen ja/tai sähkölaitteiden käyttämiseen keskimääräisessä kodissa.
Etsi vesipyörägeneraattoreita, jotka on suunniteltu tuottamaan optimaalinen teho suhteellisen alhaisilla nopeuksilla. Pienissä projekteissa pientä tasavirtamoottoria voidaan käyttää hidaskäyntisenä generaattorina tai auton laturiin, mutta ne on suunniteltu toimimaan paljon suuremmilla nopeuksilla, joten jonkinlainen vaihteisto voi olla tarpeen. Tuuliturbiinigeneraattori on ihanteellinen vesipyörägeneraattori, koska se on suunniteltu toimimaan hitaalla nopeudella ja suurella teholla.
Jos kotisi tai puutarhasi lähellä on melko nopeasti virtaava joki tai puro, jota voit käyttää, pienimuotoinen vesivoimalaitos voi olla parempi vaihtoehto muille uusiutuville energialähteille, kuten tuulienergialle tai aurinkoenergialle, koska sillä on paljon vähemmän visuaalista vaikutusta. Aivan kuten tuuli- ja aurinkoenergian kanssa, verkkoon kytketyllä pienimuotoisella vesipyörällä suunnitellulla sähköntuotantojärjestelmällä, joka on kytketty paikalliseen sähköverkkoon, kaikki tuottamasi, mutta käyttämättä jäänyt sähkö voidaan myydä takaisin sähköyhtiölle.
Seuraavassa vesivoimaa käsittelevässä opetusohjelmassa tarkastelemme erityyppisiä turbiineja, joita voimme liittää vesiratasmalliimme vesivoiman tuottamiseksi. Lisätietoja vesiratasmallinnuksesta ja oman sähkön tuottamisesta veden voimalla, lisätietoja vesivoimasta saatavilla olevista erilaisista vesiratasmalleista tai vesienergian eduista ja haitoista saat napsauttamalla tästä ja tilaamalla Amazonista jo tänään oman kappaleesi vesiratasmallien periaatteista ja rakenteesta, joita voidaan käyttää sähkön tuottamiseen.