Zuppinger - Det effektivaste av alla underfallshjul

Det mest effektiva underfallshjulet är Zuppinger´s vattenhjul. Denna 1800-talskonstruktion har åter börjat tillverkas och säljas av bl.a. Bega Wasserkraft och HydroWatt. Installerade och klara har de en total verkningsgrad runt 65-70 procent, inklusive växel och generator.

Hjulets konstruktion

Exakt hur hjulen är konstruerade, törs jag inte svara på. Det finns så lite information att finna om dessa vattenhjul och genom att bara titta på fotografier och skisser är det svårt att avgöra vilken princip de följer vad gäller förhållande mellan fallhöjd och hjulets diameter, skovlarnas lutning, krökning, o.s.v.

Hjulets diameter

Vattenhjulet har en diameter som är ca: 3,5 - 6 gånger fallhöjden. På de skisser jag sett har förhållandet oftast legat runt fyra och förhoppningsvis har dessa ritningar varit skalenliga. Poncelet´s vattenhjul har förhållandet 4:1 och eftersom Zuppingers konstruktion är en vidareutveckling av detta hjul, är det möjligt att likheten är mer än en slump.

Vattenflöde och fallhöjd

Vattenflödet ska vara 450-1000 l/s per meter skovelbredd, så mycket är klart och fallhöjden bör hålla sig mellan 0,5 till 2 meter. Personligen tror jag att fallhöjden kan vara lägre än så och att man ändå kan uppnå ca: 75 procents verkningsgrad för ett hemtillverkat hjul. Det vattenhjul jag själv har följer inte alls Zuppinger´s design och trots stora brister hos mitt eget hjul (bl.a. med skovlar som saknas) och en fallhöjd på bara 25 cm, har jag uppmätt en verkningsgrad på 55 procent vid ett flöde på 55 l/s.

Vattenhjulskonstruktion

Skovlarnas krökning

Vad som är typiskt för Zuppinger´s design är de vinklade och böjda skovlarna. Hur mycket skovlarna vinklas och hur krökta de är, ser ut att hänga samman med fallhöjden och vattendjupet i utloppsrännan, alltså H + h_t i skissen till höger. Detta mått ser ut att stämma väl överrens med skovlarnas krökning. Ritar man en cirkel med diametern H + h_t och placerar den vid hjulets främre del och med dess underkant i nivå med vattenytan (den gula punkten) får man skovelns böjda form. I detta läge ligger skovelns främre del horisontellt. I ett damm med varierande vattennivå, blir den högsta nivån riktmärke för detta.

Radien "R1" får man fram med hjälp av den blå punkten och när "R1" ritats in som en cirkel, i det här fallet nästan lika stor som hjulet, kan samtliga skovlar placeras ut runt denna cirkel. Skovlarnas radie är avståndet mellan den gula och den blå punkten. Om fallhöjden är stor i förhållande till vattenhjulets diameter kan cirkeln med radien R1 hamna utanför hjulet. Är fallhöjden liten i förhållande till hjulets diameter hamnar cirkeln längre in mot hjulets centrum. R1 kommer också att hänga samman med skovlarnas lutning.

Moderna tysktillverkade Zuppinger-hjul ser inte alltid ut att följa den principen. De verkar snarare vara stöpta i samma form, där skovlarnas lutning är större än vad som krävs. Om det finns ett syfta med detta, eller om man gör så av praktiska skäl för att slippa tillverka en unika skovelform för varje fallhöjd, känner jag inte till.

Vattenhjulskonstruktion

Skovlarnas lutning

När det gäller skovlarnas lutning hänger den samman med krökningen för geometrin bakom utformningen är mer avancerad än vad jag beskriver och det blir därför svårare att finna ett enkelt och praktiskt användbart samband för den som själv vill tillverka sitt Zuppinger-hjul. Det går dock om man ritar en cirkel som placeras runt hjulets axel och då har man ändå inte lämnat grundprincipen. Diametern "d" på denna cirkel är minst lika stor som fallhöjden, men den kan uppgå till halva hjulets diameter, om hjulet är stort i förhållande till fallhöjden. Oftast är cirkels diameter 1,3 - 1,5 gånger större än fallhöjden. Från cirkelns utsida ritar man sedan en rak förlängning fram till den böjda delen av skovel.

Att skovlarna är krökta och lutar, är för att vattnet inte ska stöta mot dem, men samtidigt ska vattnet heller inte klättra för högt. Detta hjul utnyttjar enbart vattnet potentiella energi och just denna konstruktion har visat sig vara den effektivaste.

Vattenrännan

Skovlarna ska ha så litet spel som möjligt mellan vattenrännans väggar och botten. Det vatten som kryper runt skovlarna kommer inte att utföra något arbete, så det är bara att betrakta som en ren förlust. Rännan bör också luta en aning vid utloppet så att vattnet rinner undan.
Zuppinger-hjulen förses alltid med skovlar av trä, men detta torde enbart vara av estetiska skäl. Skovlar av stål borde vara effektivare eftersom de kan tillverkas med snävare toleranser.

Eftersom jag själv vill få ut maximalt ur mitt eget vattenhjul, ska jag förse det med skovlar enligt Zuppinger´s design och när det är gjort återkommer jag med data från de mätningar jag gör.

Länkar

Länkar med bilder på Zuppinger-hjul.

Walter Schuhmann Mühlen- und Maschinenbau

Bega Wasserkraft

Hydrowatt

Artikel av Dr. Gerard Müller med skisser och beskrivning