Vodno kolo je prvi stroj u ljudskoj povijesti koji je koristio neku prirodnu energiju za pretvorbu u mehanički rad. Kroz 2000 godina odigralo je veliku ulogu u razvoju tehnike obavljajući slijedeće zadaće: Izvlačenje vode radi navodnjavanja ili odvodnje, pogon mlinskog kamena, pogon sustava za gnječenje gline, pogon mjehova talioničkih peći i hidrauličkih čekića u kovačnicama, pogon pilana, drobljenje rude, pogon ranih tekstilnih strojeva,...
* Prvi zapisi o korištenju vodnog kola dolaze nam iz južne Mezopotamije (protodinastijsko sumersko razdoblje). Postoje članci na Internetu koji navode krištenje vodnog kola za navodnjavanje, citirajući sumerske zapise, uz napomenu da nije poznato na osnovu koje energije se kolo okreće. ABC tehnike, pozivajući se na Chronik der Technik, navodi da se vodna kola koriste u Mezoptamiji za izvlačenje vode iz velikih pričuvnih bazena u kanale za navodnjavanje. Navodi se razdoblje oko <2750. godine. Vidljivo je da ni ovdje nije poznato na osnovu koje energije se kolo okreće.
* Grčki pjesnik Antipatera oko <400. godine donosi opis mlina pogonjenog vodnim kolom. Navodi da su žene tako oslobođene teškog rada - okretanja žrvnja.
* U naselju Perashora u blizini Korinta otkopano je vodno kolo koje se koristilo za izvlačenje vode u vodovod. Kolo su okretali volovi, a starost se procjenjuje na <250. godinu. Izrađen je moderni model i može se vidjeti na Internetu (Perashora wheel).
* Na osnovu opisa rada vodenica poznatog grčkog matematičara Apolonija iz Perge smatra se da su se horizontalna vodna kola počela primjenjivati početkom <3. stoljeća, a vertikalna oko <240. godine.
* Grčki inženjer Philon od Byzantiona u djelima Pneumatica i Parasceuastica oko<240. godine detaljno opisuje i grafički prikazuje nekoliko vodnih kola uključujući i ono za dizanje vode.
* Marcus Vitruvije Pollio, arhitekt cara Augusta oko <25. godine u djelu de Arhitectura (10 tomova) detaljno opisuje vodenice. To je bila temeljna literatura iz tog područja dugi niz godina. Izrađen je model i može se vidjeti na Internetu. Vitruvije opisuje i kolo za pogon brodova.
* Kineski inženjer Du Shi u >31. godini konstruirao je složeno horizontalno kolo za pogon mjeha talioničke peći. Ta tehnologija je usvojena u Europi tek za nekoliko stoljeća.
* U mjestu Barbegal u južnoj Francuskoj otkriven je sustav od 16 vodenica koji predstavlja najveću koncentraciju mehaničke energije u antičkom svijetu. Pogonjene su vertikalnim kolima sa privodom odozgor, a pretpostavlja se da potječu iz >prvog stoljeća.
* U sjevernom Tunisu otkrivene su dvije vodenice sa naprednim horizontalnim kolom.Privodni kanal ulazi tangencijalno u statorsku komoru što je svojstvo turbina. Starost se procjenjuje na >300. godinu.
* Rani plimni mlin otkriven je u Irskoj, a potječe iz >6. stoljeća.
* Doprinos islamskih inženjera.
* Muhamed ibn al-Razi Zakarija iz 10. stoljeća opisuje vodno kolo koje podiže 2550 l/min.
* Na rijeci Orontu bilo je izgrađeno mnogo vodnih kola. Preostalo je 17, a najveće je u gradu Hami promjera 20 m.
* U Bagdadu u 10 stoljeću izgrađeni su mlinovi na plutajućim platformama ispod mosta na Tigrisu. Mogli su proizvesti 10 tona kukuruznog brašna dnevno, a bili su izrađeni od tikovine.
* Znanstvenik hrvatskog porijekla Faust Vrančić objavljuje 1616. godine u Veneciji knjigu Novi strojevi. U knjizi je detaljno opisano i grafički prikazano 49 strojeva. Prikazano je nekoliko vodnih kola, a jedno je imalo značajke turbine.
* Škot Robert Barker konstruirao je 1740. godine prvu vodnu turbinu. Rotor je položen horizontalno, a privod vode je centralno odozgor.
* Britanski inženjer John Smeaton prvi se sustavno bavi ispitivanjem vertikalnih vodnih kola. Dolazi do zaključka da kola sa privodom odozdol i maju stupanj djelovanja prosječno 0,22, a sa privodom odozgor 0,63. Kod kola sa privodom odozgor razlikujemo dva tipa. Ako su lopatice usmjerene suprotno nadolazećoj vodi kolo se okreće u smjeru vode. Ako su lopatice usmjerene u smjeru vode kolo se vrti suprotno od toka vode. Voda se izlijeva iza kola, ima još stanovitu energiju i predaje je potiskujući lopatice na odlasku. Bolje konstrukcije horizontalnih vodnih kola imaju stupanj djelovanja od 0,15 do 0,3.
* Najveće vodno kolo u povijesti bilo je u SAD. Imalo je promjer 22 m, a širinu 1,8 m
* Poznati francuski matematičar Jean Viktor Poncelet (kasnije ravnatelj Ecole Politechniqe u Parizu i član akademija znanosi Francuske, Njemačke, Velike Britanije i Rusije) konstruirao je 1824. godine napredno vodno kolo sa stupnjem djelovanja 0,7. Privod vode je bio odozdol, a kolo je uronjeno u privodni kanal do polovice. Lopatice vodnog kola bile su optimalno profilirane.
* Francuski inženjer Benoit Fourneyron konstruirao je 1827. godine horizontalnu vodnu turbinu stupnja djelovanja 0,8. Privod vode i stator smješteni su centralno, a rotor, koji se mogao okretati do 2300 o/min periferno. Lopatice su optimalno profilirane, ali u jednoj ravnini. Turbina se pokazala pouzdana u radu pa je značajno primjenjivana u Europi i Americi.
* Moderne vodne turbine
* Francisova turbina je prva razvijena vodna turbina. Ugrađuje se uglavnom horizontalno. Statorska komora je spiralnog oblika i u njoj su smještene privodne lopatice za regulaciju kapaciteta. Rotor ima fiksne lopatice i smješten je centralno. Voda ulazi u statorsku komoru pod tlakom, a zatim u statoru i rotoru dolazi do pretvorbe u kinetičku energiju vrtnje. Voda izlazi kroz centralno smješten difuzor bez tlaka i sa minimalnom brzinom. Turbina se naziva rakcijskom, radijalnog unutarnjeg toka. Ima iskorištenje oko 90%, a primjenjuje se za visine pada od 40 do 600m. Instalirane snage mogu biti do 800 MW i pokrivaju 60% svjetske proizvodnje. Rotori su veliki do 10 m u promjeru, a brzna vrtnje je do 1000 o/min. James Bicheno Francis ( 1815 - 1892 ) doselio je u SAD iz Britanije i čitav život se uspješno bavio raznim djelatnostima iz područja hidromehanike. U razvoj turbine nije išao potpuno samostalno. Jedno vrijeme je surađivao sa američkim strojarskim inženjerom Urijah Atherton Boydenom koji je usavršio i uspješno proizvodio Fourneyronovu turbinu vanjskog toka. Francis je uz stanovito obeštećenje 1848. godine nastavio samostalni razvoj turbina unutrašnjeg toka. Imao je šestero djece. Postao je profesor na sveučilištu u Lowelu i primio više priznanja.
* Peltonova turbina je razvijena za visoke padove (200 -1800) uz male količine vode. Postavlja se vertikalno. Rotor može biti i minijaturan pa do 15m u promjeru za snage do 200 MW. Po obodu ima raspoređene lopatice u obliku školjke kojih može biti do 40. Voda se privodi cjevovodima kojih može bit 1 - 6 i koji završavaju sa sapnicama. Prolaskom kroz sapnicu voda posjeduje samo kinetičku energiju, a brzina joj je dvostruko veća od obodne brzine rotora. Mlaz pogađa lopaticu tangencijalno , dijeli se na dva dijela, zaokreće za 180 stupnjeva i napušta turbinu predajući rotoru ukupni zamah. Peltonove turbine nazivamo i impulsne i turbine slobodnog mlaza. Lester Allan Pelton bio je stolar. Krenuo je na američki zapad radi zlatne groznice, ali se stjecajem okolnosti počeo baviti hidromehanikom Godine 1878. radikalno je poboljšao postojeća turbine slobodnog mlaza i dobio svršen stroj sa iskorištenjem od 92%. Primio je više priznanja radi svojih otkrića.
* Kaplanove turbine su razvijene za male padove (2 - 40) i velike količine vode. To je također reakcijska turbina radijalnog unutarnjeg toka. Postavlja se vertikalno sa izuzetkom plimnih izvedbi. Privodno kolo ima 20-32, a rotor 4-8 zakretnih lopatica koje se zajednički zakreću radi regulacije pomoću kulisnog mehanizma. Kapacitet im se kreće do 120 MW, a stupanj iskorištenja je oko 90%. Austrijski strojarski inženjer dr. Viktor Kaplan razvio je ovaj uspješni stroj od 1912. do 1922. u laboratoriju u Brnu.
* Napomena: Tema sa oznakom *****+ je za one koji žele znati više.
|
