Vizi kerék
Vizi kerék (l. a mellékelt három képet). A magasabb nivóról alacsonyabbra eső vagy folyó viztömegben motorikus célra felhasználható energia (vizi erő) rejlik. Ezen energia nagysága (l. Lóerő) függ a vizbőségtól (Q liter, vagyis kg. másodpercenkint) és a felső és alsó viznivó közti különbséggel mért eséstől, vagy amint még nevezni szokták, a nyomó magasságtól (h méter): L = Q.H/75. A vizi erő ipari célokra való kihasználására majdnem kizárólag V.-et használnak és csakis korlátolt mértékben igen jelentékeny nyomás és kis vizmennyiség esetén a dugattyus vizmótorokat, az u. n. vizoszlopgépeket. A vizeséseket a természet készen adja, vagy mesterségesen állítják elő: duzzasztással, átvágással vagy kis esésü (folyóméterenkint 0,0005-0,002) műcsatornák építésével. A vizerők sokfélesége a V.-szerkezetek rendkivül változatos, sok fajtáját hozta létre. Más szerkezetek váltak szükségessé v. mutatkoztak célszerübbeknek a szerint, amint nagy vagy kis vizmennyiségeket nagy vagy kis esésekkel kellett kihasználni; amint a vizmenynyiség állandó, többé vagy kevésbbé változó; amint a felső viz nivója állandó vagy ingadozó; amint az alsó viz szine keveset változik, avagy időközönkint duzzad és apad; a szerint, hogy a viz tiszta vagy sok hordalékot visz magával; végül a szerint, amilyenek a geologiai és az éghajlati viszonyok. A szerkezetek változatosságát szaporítja még az is, hogy egy esetben az erő kihasználásának, más esetben a befektetési költségeknek ökonomiáját kivánják. További mérvadó szempontok a konstrukció megállapításánál a fordulati sebesség, a terhelések többé-kevésbbé változatos volta és a sebesség szabályozásának kérdése. Mindezen bonyolult kérdéseken csak a tapasztalt szakember tud eligazodni és csak ő szabhatja meg a konkrét esetnek legmegfelelőbb szerkezetet.
1. ábra. Alulcsapott vizi kerék.
2. ábra. Sagebien-féle vizi kerék.
3. ábra. Zuppinger-féle vizi kerék.
4. ábra. Középpen csapott vizi kerék kulisszavezetékkel.
5. ábra. Háton csapott vizi kerék.
6. ábra. Felülcsapott vizi kerék.
7. ábra. Felülcsapott vizi kerék. Faszerkezet.
8. ábra. Pelton-féle serlegkerék.
9. ábra. Schwammkrug-féle turbina.
10. ábra. Parciális beömlésü turbina.
11. ábra. Kétkoszorus vezető turbinakerék.
12. ábra. Kétkoszorus járó turbinakerék.
13. ábra. Kétkoszorus vezetőkerék csapóajtós szabályozással.
A viz a V.-et, bármily szerkezetü legyen is, vagy 1. direkt a súlyával, 2. a súlya kölcsönözte nyomással, vagy 3. a súlya kölcsönözte mozgásával, eleven erejével tartja működésben. Ezen erők külön-külön is, de a szerkezet módja szerint együttesen is működhetnek a V.-re. A V. hajtására fordítható munkamennyiség ugyanaz marad, akár a felső vizszinen, akár mélyebben fekvő ponton (nyomás alatt) eresztjük le a vizet a kerékre, az első esetben súlyával, a második esetben eleven erejével működtetvén azt. a h mélységben a viz c = négyzetgyök 2gh teoretikus sebességgel folyik ki, ezen sebességében Q.c2/75 2 = Q.h/75 lóerőt adhat át a keréknek, csak ugy mint a súlyával vagy nyomással működő viz. A V. tényleges munkavégzése azonban Q.h/75-nél mindenkor kevesebb, mert kontrakciók, ütközések, surlódások, továbbá tömeg- és sebességveszteségek (amelylyel a viz a kereket elhagyja) a rendelkezésre álló munkának egy részét (20-70%-át) felemésztik. A tényleg végzett és a rendelkezésre álló munkamennyiség viszonyát a V. hatásfokának nevezik.
A legprimitivebb V.-ek a hajómalom (l. o.) V.-ei. A vizszintes tengely két lehorgonyzott hajón van ágyazva, ezek egyike a hajómalom, melyek közt függ a fából ácsolt kerék a fél szélességükig vizbe merülő sugárirányu deszkalapátokkal. A folyóviz a lapátokba ütközve hozza forgásba a kereket. Ezek a 3-6 m. átméretü, 2-5 m. széles, 8-20 lapáttal ellátott V.-ek 3/4-5 lóerőt hasznosítanak. E fajta egyszerü V.-eket látunk vályuba beépítve stabil malmok hajtásánál is. A viz a vályuban a kerék előtt 10-15 cm. vastag rétegben folyik és csak a kerék kerületét csapja. Hatásfokuk 15-30%, mit az alsó viz dagadása még alább szállíthat. Hámorok pörölyei hajtására gyakran használnak ilyen V.-eket, nagy (6-7 m.) esésekre is, hol a vizet a vályuba csövön vagy lejtős nyilt csatornán eresztik le. A nagy vizsebességek és kis kerékátmérők (3 m.-ig) oly nagy fordulati számot eredményeznek, hogy további áttételek nélkülözhetők. Jobb hatásfokot eredményeznek (40-50%) azok az alul csapott V.-ek, melyek teknőben járnak (Kropfräder, 1. ábra). A lapátok sugárirányuak, csak a végük van egy kissé legörbítve, hogy a vizből függélyesen kiemelkedve az alsó vizet fel ne locsolják. A beeresztő zsilipet néha ferdén helyezik el, hogy a kiömlési nyilás a kerékhez közel kerüljön, ami azonban nem éppen lényeges kelléke a jó hatásfoknak. Alkalmazni szokás ezen V.-eket Q = 2 m3 és h = 0,5-1,5 m.-nél. Vasszerkezetben, görbített lapátokkal (Poncelet szerkezete), az alulcsapott V. hatásfoka 68%-ra is emelkedhetik. Kis esésekre és nagy vizmennyiségekre (h = 0,7-2,5, Q = 5 m3) kedvelt V. a Sagebien-féle (2. ábra). A vizet bukózsilip (tehát kis sebességgel) ereszti a sűrün elhelyezett ferdén álló lapátokra. Nagy kerékátmérő (az esésnek 3-10-szerese) és lassu járás jellemzik. A viz főképen nyomással működik. Hatásfoka 60-70%. Zuppinger konstrukciója (3. ábra) ugyanazon vizmennyiség és esés mellett az előbbinél kisebb dimenziókat ad s nagyobb forgási sebességet. 21/2 m. esésig középen csapott (4. ábra), 31/2 m.-ig háton csapott (5. ábra), ettől egész 12 m.-ig felülcsapott kerék van helyén (6-7. ábra), kivételesen azonban ezektől nagyon eltérő esésekre is alkalmazzák az egyes kerékfajokat. Greenockban p. van egy 21 m. átmérőjü, 3,8 m. széles háton csapott V., mely 191/2 m. esés mellett 0,9 m3 vizet emészt. A viz ezen V.-ekben nagyrészt súlyával dolgozik, a lapátok és az oldalkoszoruk képezte cellákban. A kerékre csapó vizsugárnak olyan irányt adnak (kulissza-vezetés), hogy ütközés nélkül töltsék meg a cellákat, mialatt a lapátfelületeken elterelve, eleven erejüket a keréknek adják át. Ezért a lapátvég irányának a beömlő viz és a kerék kerületi sebességének eredője irányával kell összeesnie. A középen és háton csapott kerekek hatásfokuk lényeges csökkenése nélkül az alsó vizbe is bemerülhetnek, mig a felül csapott V.-ek az alvizfolyással ellenkező irányban forogván, nagyon változó alviz esetén nem alkalmazhatók, a vizmennyiség változásai iránt azonban a felül-csapott V. legkevésbbé sem érzékeny. Ezen V.-ek hatásfoka 60-70%, de igen nagy méretü felül-csapottaknál 80%-ra is rúghat. A V. erejét vagy a tengelyről adja tovább, vagy pedig direkt a kerületéről, melyre ez esetben fogas koszorut erősítenek. Az első esetben a küllőknek olyan erőseknek kell lenni, hogy necsak a kerék súlyát birják meg, hanem a kerületről a tengelyre a torzióerőt is átvihessék. A fogas koszoruval ellátott V.-nél; nevezetesen ha vasból készítik, könnyü, húzásra igénybe vett, de keresztkötésekkel kellőképen merevített küllőkből álló karrendszereket alkalmaznak (szuszpenzió-rendszer). Az eddig leirt szerkezeteket egyszerüen V. névvel jelölik, megkülönböztetésül a turbináktól. Jellemző különbség a kettő között az, hogy a V.-nél a viz mindenkor azon felületélen folyik ki, amelyen beömlött, holott a turbinánál a lapátoknak két nyitott határoló élük lévén, az egyiken történik a beömlés, a másikon pedig a kiömlés.
A tulajdonképeni V.-ek nagyobb vizeséseknél és nagy vizmennyiségeknél nagy méretüek s drágák, bizonyos határokon túl pedig egyáltalán kivihetetlenek. Ha nagy az esés, de a vizmennyiség kicsiny, rendesen sugáralakban eresztik a vizet a lapátokra, mely esetekben gyorsan forgó kis kerekeket szerkesztenek. Legprimitivebb formájában fatengelyekre nyeleikkel felerősített kanalakból állanak a lapátok, melyekbe a vizsugár ütközik (hatásfok 30-35%); legtökéletesebb szerkezetében az ilyen kereket a 8. ábra mutatja (hatásfok 80-85%). Ezen (Pelton-) kerekeknél a koszorucsavarokkal felerősített serlegek a vizsugarat vizszintes síkban kétfelé és a beömléssel éppen ellenkező irányban terelik vissza. Ha a kerék kerületi sebessége félakkora, mint a vizsugár belépés előtti (abszolut) sebessége, akkor legnagyobb hatásfokkal dolgozik, mert a lapátfelületeken a kerék mozgásához képest (relativ) félakkora sebességgel surran végig és a lapátot elhagyva a két egyenlő sebességü, de ellentétes irányu mozgás behatása alatt kis (abszolut) sebességgel, eleven erejét a keréknek kiadva, holtan esik le. A serlegkerekeket néha burkolattal látják el, néha a kerületen elosztva 2-3, sőt több sugarat is lövelnek rá. Kis vizmennyiségre és nagy esésre szerkesztett turbina a Zuppinger-féle tangenciális kerék is, melynél a járókerék vizszintes síkban fekszik. A viz a külső kerületen ömlik a lapátokra és azokon végigsurranva, a belső kerületen lép azokból ki (axiális beömlés). A Schwammkrug-turbinánál (9. és 10. ábra) a kerék függélyes síkban jár, a bevezetés a belső kerületen történik.
Valamennyi eddig bemutatott V.-szerkezetet az jellemzi, hogy a vizet a kerületnek csak kis részén vezetik be (parciális, részleges beömlés). Nagy vizmennyiségek felvételére azonban a kerék teljes kerületére eresztik a vizet, miáltal nagy emésztésü, aránylag kis átméretü, a nyomó magassághoz viszonyítva gyorsjárásu kerekek adódnak ki. Ezeket a teljes beömlésü turbinákat majdnem kivétel nélkül vizszintes síkban helyezik el, mert csak igy ömölhet mindegyik lapátba ugyanazon, a hatásfokra legkedvezőbb nyomással a viz. A lapátfelületek rendesen henger- vagy csavarfelületek, alkotójuk lehet sugárirányu, melyekre a beömlés tengelyirányu (11., 12., 13., 14. ábrák), vagy tangenciális (Schiele-féle turbina, mely nem egyéb, mint Pelton-kerék sűrűn elhelyezett lapátokkal és teljes beömlésre szerkesztve). Lehet továbbá a lapátfelületek alkotója a tengelylyel párhuzamos (axiális beömlés, 15. ábra), vagy oly csavarfelület, melynek alkotója a tengelyirányból a sugárirányba megy át. Ezeknél a beömlés sugárirányu, a kiömlés tengelyirányu (Francis- és az u. n. amerikai turbinák, 16., 17., 18., 19. ábrák).
14. ábra. Nyitott szerényü turbina.
15. ábra. Radiális turbina hengerszabályozással.
16. ábra. Francis-turbina. Hercule-Progres.
17. ábra. New american turbina járó kereke.
18. ábra. Viktor kettős turbina járó kereke.
19. ábra. Francis-turbina állítható vezetőlapátokkal.
20. ábra. Radilális turbina.
A turbina jó hatásfokának (70-85%) feltétele, hogy a viz lehetőleg energiájának csökkenése nélkül ömöljön a járó kerék lapátjaiba, aminek feltétele a viz irányban való vezetése. Turbinák, melyeknél a vezető kerék hiányzik, ma már nem készülnek; az ilyenek, mint a Cadiat-, Witelaw- (skót turbina), Combes-, Cansen-, v. a Plataret-féle csőbe szerelt csavar-turbina hatásfoka legfeljebb 40-45%. A vezető kerék épp oly sokféle lehet, mint a járó kerék maga. Mig p. a Francis-turbinánál a járó kerék lapátjai terelik a vizet a radiálisból az axiális irányba, addig a Fourneyron-féle turbinánál (1830. évből származik és az első a műszaki követelményeknek megfelelően szerkesztett turbina) a tengely irányból a sugár irányába a vezető lapátok terelik; hasonló vezetőkerék-szerkezettel bir a 15. és 20. ábrabeli turbina, azon különbséggel, hogy az egyiknél felülről, a másiknál alulról van a vizbeeresztés.
21. ábra. Lapátgörbék.
22. ábra. Lapátgörbék.
23. ábra. Lapátgörbék.
24. ábra. Lapátgörbék.
25. ábra. Lapátgörbék.
A jó hatásfoknak további feltétele, hogy a lapátokon a viz veszteségeket okozó surlódások, ütközések, hirtelen keresztmetszetváltozások és irányváltozások nélkül végigsurranva, lehető kis abszolut sebességgel hagyja el a kereket. Ezen feltételekre tekintettel szerkesztik és pedig külön minden fenforgó esetre a járó és vezető kerék lapátgörbéit (21., 22., 23., 24., 25. ábrák), melyek a lapátszélesség több pontjára meghatározva a lapátfelületek vázát alkotják. A vezető lapátok a vizet kis hajlásszög alatt terelik a járó kerék mozgásirányára és ezek ellenkező irányban vezetik a kiömléshez. A lapátok közötti bőséget és a kiömlési nyilást vagy oly bőre szabják, hogy a vizsugár azt ki nem töltve, szabadon árfolyik (Girard-féle turbina, 21., 22., 25. ábrák); vagy pedig oly szűkek a kiömlési nyilások a beömléshez képest, hogy a lapátok közeiben a viz nyomás alatt áll. Ez utóbbi esetben a viz nemcsak eleven erejével, hanem nyomásával is hajtja a vizet, mely mint a kifolyás irányával ellenkező irányu visszahatás (reakció) nyilvánul (24. ábra, egymástól függetlenül szerkesztették Jonval és Henschel, kiknek nevét viseli). Tisztán a reakció hatásán alapszik a Segner-kerék és a Whitelow-féle turbina.
A Girard-turbinánál a vizsugárnak szabadon, zavartalanul kell folynia, miről a csatornák kellő méretezésén kivül légbevezetéssel is gondoskodnak. Viz alatt ezek a turbinák rossz hatásfokkal dolgoznak, mig a Jonval-turbina viz alatt sem veszít sokat hatásfokából; szívócsővel ellátva, mely esetben a külső lapátkoszoru elmaradhat, jóval az alsó vizszin felett is elhelyezhető (Rittinger elnevezése szerint csőturbina). Szerkesztenek olyan turbinákat is, melyeknél a viz a lapátközöket egészen kitülti ugyan, de azért igen kis reakcióval dolgozik (22. ábra) Ezen n határturbinák viz alatt is járhatnak. Ezen tulajdonságaik révén a Girard-turbinák változó vizmenynyiségre, de állandó esésre, a Jonvel-turbinák állandó vizmennyiségre, de változó esésre, mig a határturbinák ugy változó vizmennyiségre, mint változó esésre is alkalmasak.
A Girard-turbina szabályozható a beömlés szűkítésével, vagy egyes lapátközök tolattyukkal (23. ábra), szelepekkel (13. ábra), fedőlapokkal (11. ábra), vagy Fontaine és Brault módja szerint
(26. ábra) a vezető kerék bőrlappal való befedésével, körtolattyuval
(32. ábra), a Lehmann-féle nyerges tolattyuval
(28. ábra), vagy axiális beömléssel ugyanezen elveken alapuló szerkezetekkel, mint a
29. és
30. ábrák feltüntetik. Jonval-turbinák ekként nem szabályozhatók, ezeknél a vezető és járó kerék viztömege közti összefüggést nem szabad megszakítani, ami szabályozásukat megnehezíti. Helyes, de meglehetősen bonyolult szabályzó szerkezet a Nagel- és Kämp-féle, melynél a vezető, valamint a járó kerék szélessége egyszerre változtatható. Francis- és vele rokon szerkezetü turbináknál a vezető kerék lapátjai állításával történik a szabályozás. Egyenletes járást feltételező üzemekre a szabályozás nem kézzel, hanem érzékeny regulátorokkal (rendesen indirekt, néha hidraulikus módon) történik.
31. ábra. Ikerturbina. (Escher-Wyss.)
37. ábra. Zárt vizszekrényü turbina.
A könnyebb szabályozhatás és nagy vizemésztés elérésére két-, sőt háromkoszorus turbinákat is készítenek (11., 12., 13. ábrák) vagy közös tengelyre két turbinát működtetnek (18. és 31. ábrák). Az erőátvitel a függőleges turbinatengelyről rendszerint kúpkerekekkel (15. ábra) történik, csak kivételesen látjuk a munkagépet (malomkőjárat, szivattyu, defibreur vagy dinamo, 31. ábra) a tengelyről direkt hajtva. A turbina tengelye rendesen fésüs csapott
(27. ábra) vagy harangcsapon függ
(33. ábra). A nagyméretü turbináknál erősen terhelt csapsurlódásokat közbesajtolt olajjal minimumra lehet redukálni (Mechwart szerkezete), mert ennél a csap nem a csészéjén, hanem olajrétegen jár. Súlyos és nagy viznyomással terhelt tengelyek tehermentesítésére különféle szerkezetek vannak, melyek rendesen a viz felhajtó erejét használják fel a tehermentesítésre (Mechwart szabadalmazott turbinája). A Fontaine-csapszerkezetnél a tengely szilárdul áll és ezen csüng a csöves turbina tengelye
(34. ábra). Néha talpcsapon jár a tengely
(35. ábra). Hosszu turbina-tengelyek vezető (viz alatt guajak-fából való) csapágyakkal látvák el Bitmap>(37. ábra). A turbinák gyártását hazánkban a Ganz és társa gépgyár nagy tökélyre vitte, mintaszerü szerkezetei a külföldön is nagy elterjedésnek örvendenek.
