Par ūdens riteņiem, ko izmanto laivu piedziņai, skatiet aira ratu. Par riteņiem, ko izmanto tikai ūdens pacelšanai, skat. noria. Par rūpnīcām vai rūpniecības nozarēm, ko darbina ar ūdens riteņiem, skat. ūdensdzirnavas.
Ūdens ritenis ir hidroelektroenerģijas sistēma; mašīna, kas ļauj iegūt enerģiju no ūdens plūsmas. Ūdens riteņus un hidroelektrostacijas plaši izmantoja viduslaikos, līdztekus vējdzirnavām darbinot lielāko daļu Eiropas rūpniecības. Visbiežāk ūdens ratu izmantoja miltu malšanai dzirnavās, taču to izmantoja arī lietuvēs un mašīnbūvē, kā arī lina auduma malšanai papīra ražošanai.
Ūdens ritenis sastāv no liela koka vai metāla riteļa ar vairākām lāpstiņām vai spaiņiem, kas izvietoti uz ārējā loka, veidojot dzenošo virsmu. Visbiežāk ritenis ir uzmontēts vertikāli uz horizontālas ass, bet toveru vai norvēģu ritenis ir uzmontēts horizontāli uz vertikālas vārpstas. Vertikālie riteņi var pārnest jaudu vai nu caur asi, vai caur gredzenveida pārnesumu un parasti darbina siksnas vai zobratus; horizontālie riteņi parasti tieši darbina savu kravu. Kanālu, kas izveidots ūdenim, lai tas izplūstu no riteņa, parasti dēvē par "atpalicēju".
Definīcija un pamata princips
Ūdens ritenis pārvērš ūdens potenciālo vai kinētisko enerģiju mehāniskā rotācijas enerģijā. To nodrošina ūdens plūsmas saskare ar riteņa lāpstiņām vai spaiņiem, kas rada griezes momentu uz ass. Atkarībā no ūdens pievadīšanas vietas un spiediena mainās darbības princips un efektivitāte.
Vēsture īsumā
Ūdens riteņi ir plaši izmantoti jau senatnē — romieši un vēlāk viduslaiku Eiropa attīstīja dažādus riteņu tipus rūpnieciskai lietošanai. Viduslaikos tie bija pamats graudu malšanai, metālapstrādei (piemēram, kladens), papīra ražošanai un tekstila mašīnām. Līdz industriālajai revolūcijai ūdens ritenis bija viens no svarīgākajiem enerģijas avotiem.
Galvenie riteņu tipi
- Overshot (augšējā padeve) — ūdens tiek novadīts virs riteņa, ūdens krīt spaiņos un izmanto gan potencialo pacēlumu, gan plūsmas kustību. Parasti visefektīvākais tipa variants.
- Breastshot (krūšu padeve) — ūdens trieciena vieta ir apmēram riteņa vidū; izmanto daļēju potenciālu un daļēju kinētiku.
- Undershot (apakšējā padeve) — ūdens plūsma trieciena vietā atrodas zem riteņa; galvenokārt izmanto kinētisko enerģiju — piemērots strautiem ar mazāku kritumu.
- Horizontālais (Norse vai toveru ritenis) — ritenis ir horizontāli un rotē ap vertikālu asi; bieži tieši piedzen sīkas iekārtas bez papildu pārnesumu sistēmas.
Konstrukcija un galvenās daļas
- Riteņa korpuss — rāmis un vainags, kas satur lāpstiņas vai spaiņus.
- Lāpstiņas / spaiņi — tieši saskaras ar ūdeni un pārvērš tā enerģiju rotācijā.
- Ass (vārpsta) — pārnes spēku uz iekārtām vai pārnesumiem.
- Pārvads (zobrati, siksnas) — pārnes griezes momentu uz darba mehānismiem (dzirnavu akmeņiem, ģeneratoru u.c.).
- Užslēgs vai dambis un caurule (penstock) — regulē ūdens pieplūdi un veido nepieciešamo spiedienu vai plūsmu.
- Atpalicējs (tailrace) — kanāls, pa kuru ūdens izplūst no riteņa prom.
Darbības princips un jaudas aprēķins
Tipiska formula, lai aprēķinātu izmantojamo jaudu no ūdens plūsmas, ir:
P = ρ · g · Q · H · η
- kur ρ — ūdens blīvums (~1000 kg/m³),
- g — gravītācijas paātrinājums (~9,81 m/s²),
- Q — plūsma (m³/s),
- H — efektīvais kritums vai „head” (m),
- η — sistēmas kopējs efekts (bezdimensionāls, 0–1).
Piemērs: ja Q = 0,2 m³/s, H = 2 m, η = 0,6, tad P ≈ 1000·9,81·0,2·2·0,6 ≈ 2357 W (aptuveni 2,36 kW).
Efektivitāte
Efektivitāte atkarīga no tipa un būves kvalitātes. Aptuveni rādītāji:
- Overshot: līdz 70–85% (labos apstākļos),
- Breastshot: ap 50–70%,
- Undershot: ap 20–40% (atkarībā no plūsmas un mēroga),
- Horizontālais: mainīgs, bieži mazāks par vertikālajiem variantie.
Pielietojums — vēsturisks un mūsdienīgs
Vēsturiski: milti, metālapstrāde (frēzes, kladeni), koksnes zāģēšana, papīra ražošana, tekstilrūpniecība. Mūsdienās ūdens riteņus izmanto gan kā kultūras pieminekļus un muzeja eksponātus atjaunotos dzirnavu kompleksos, gan mazjaudas (mikro‑hidro) elektroenerģijas ražošanai laukos, kur nav iespējams ierīkot modernu turbīnu.
Uzturēšana un drošība
- Regulāra mehānisko daļu eļļošana un pārbaude.
- Atbrīvošana no sakritušiem kokiem, sedimentiem un ledus, kas var traucēt lāpstiņu kustību.
- Drenāžas un dambju pārbaude, lai nodrošinātu pareizu ūdens pieplūdi.
- Drošības aizsprosti un norādes sabiedrībai pie darba riteņiem — šķērslis cilvēkiem un dzīvniekiem.
Vides ietekme un mazināšanas pasākumi
Ūdens riteņi parasti rada mazāku vides traucējumu nekā lielas hidroiekārtas, tomēr tie ietekmē straumes hidrodinamiku un var traucēt zivju migrāciju. Bieži lietojami mazināšanas pasākumi:
- zivju ceļi vai rampas,
- ūdens plūsmas regulēšana, lai nesausinātu piekrastes biotopus,
- sedimentācijas pārvaldība, lai netiktu mainīta upes dinamika.
Saglabāšana un kultūras nozīme
Daudzas vēsturiskas ūdens dzirnavas ar riteņiem ir atjaunotas kā kultūras mantojuma objekti. Atjaunošana prasa specifiskas zināšanas par tradicionālajiem materiāliem (koks, metāls) un inženiertehniskajiem risinājumiem, taču tā saglabā tehnoloģisko mantojumu un bieži vien nodrošina vietējai kopienai tūrisma un izglītības iespējas.
Ūdens riteņi ir vienkāršs un izturīgs mehānisms ar bagātu vēsturi, kas joprojām ir praktiski izmantojams un var sniegt ilgtspējīgas enerģijas risinājumus mazos mērogos, vienlaikus saglabājot kultūras un tehnoloģisko mantojumu.
