Veneiden vetämiseen käytetyt vesipyörät, katso melapyörä. Pelkästään veden nostamiseen käytettävät pyörät, katso noria. Vesipyörillä pyöritetyt tehtaat tai teollisuuslaitokset, ks. vesimylly.

Vesipyörä on vesivoimajärjestelmä; kone, jolla veden virtauksesta saadaan energiaa. Vesipyöriä ja vesivoimaa käytettiin laajalti keskiajalla, ja tuulimyllyjen ohella ne antoivat voimaa suurimmalle osalle Euroopan teollisuudesta. Vesipyörää käytettiin yleisimmin jauhojen jauhamiseen myllyissä, mutta sitä käytettiin myös valimotöihin ja koneistukseen sekä pellavan murskaamiseen paperia varten.

Vesipyörä koostuu suuresta puu- tai metallipyörästä, jonka ulkokehälle on sijoitettu useita teriä tai ämpäreitä, jotka muodostavat ajopinnan. Tavallisimmin pyörä on asennettu pystysuoraan vaaka-akselille, mutta amme- tai norjalainen pyörä on asennettu vaakasuoraan pystyakselille. Pystysuorat pyörät voivat siirtää voimaa joko akselin tai hammaskehän kautta, ja ne käyttävät yleensä hihnoja tai hammaspyöriä; vaakapyörät käyttävät yleensä suoraan kuormaa. Veden kulkua varten luotua kanavaa, jota pitkin vesi kulkee pyörän lähdettyä, kutsutaan yleisesti "jälkijuoksuksi" (engl. "tailrace").

Perusajatus ja energian muuntuminen

Vesipyörän toiminta perustuu veden liike- tai potentiaalienergian muuttamiseen pyörän mekaaniseksi pyörimiseksi. Käytännössä vesi joko osuu lapoihin liikuttamalla niitä (virtausvoima) tai kaatuu ämpäreihin korkeuseron ansiosta (painovoima). Saatavan tehon suuruus riippuu veden virtaamasta (Q), käytettävissä olevasta korkeuserosta eli pudotuksesta (H) ja järjestelmän hyötysuhteesta (η). Suuntaa antava suuruuslaskelma on: teho ≈ ρ · g · Q · H · η, missä ρ on veden tiheys ja g on putoamiskiihtyvyys.

Tyypit

  • Ylävesipyörä (overshot): vesi johdetaan pyörän päälle, ja sen paino kääntää pyörää. Hyvä hyötysuhde, sopii pienille mutta korkeille pudotuksille.
  • Rinnakkais- tai keskivesipyörä (breastshot): vesi osuu pyörään reunan korkeudelta tai hieman sen yläpuolelta. Soveltuu kohtalaisille pudotuksille ja virtaamille.
  • Alavesipyörä (undershot): vesi virtaa lapojen alapuolelta ja työntää niitä virtauksen voimalla. Toimii matalalla pudotuksella ja suurella virtaamalla, mutta hyötysuhde on alhaisempi.
  • Amme-/vaakapyörä (tub wheel / horizontal wheel): vaakasuora akseli, käytetään usein suoraan pyörivään koneeseen kytkentään. Helppo rakentaa ja hyvä pieniin teollisuussovelluksiin.

Rakenne ja keskeiset osat

  • Pyörärunko ja kehys: kantava rakenne, yleensä puu tai metalli.
  • Lapakulmat, ämpärit tai terät: ajopinta, joka ottaa vastaan veden liike- tai painovoiman.
  • Akseli ja laakerit: siirtävät pyörimisliikkeen koneistoon tai hammaspyörästön kautta käyttöakselille.
  • Hammaskehä ja siirtomekanismi: suurissa myllyissä pyörivä akseli voi välittää voimaa hammaspyörien, hihnojen tai vetopyörien kautta.
  • Tulokanava (headrace) ja jälkijuoksu (tailrace): vesi johdetaan pyörään ja pyörästä pois näiden kanavien kautta.

Historia ja käyttökohteet

Vesipyörät olivat keskiajalla ja varhaismodernilla ajalla keskeinen konevoiman lähde: ne käynnistivät jauhinkivit, sahalaitteet, vasarapajat, kangaspainotukset ja paperinvalmistuksen koneet. Teollistumisen myötä laitteita alettiin korvata tehokkaammilla turbiineilla ja höyrykoneilla, mutta vesipyörät säilyivät paikallisina voimaratkaisuina ja historiallisina rakennelmissa.

Hyötysuhde ja nykyaika

Vesipyörien hyötysuhde vaihtelee tyypin ja toteutuksen mukaan. Ylävesipyörät voivat saavuttaa korkeampia hyötysuhteita (tyypillisesti 60–85 % parhaissa tapauksissa), rinnakkaispyörät keskitasoisesti ja alavesipyörät matalampina (alle 40–50 %). Nykyajan hydroturbiinit (esim. Kaplan, Francis) on suunniteltu paljon korkeammilla hyötysuhteilla ja laajemmalle toiminta-alueelle, minkä vuoksi ne korvasivat vesipyöriä suurissa energiatuotantokohteissa. Pienimuotoisessa paikallisessa käytössä ja historiallisissa kohteissa vesipyörillä on kuitenkin edelleen roolinsa.

Ylläpito, rakentaminen ja ympäristövaikutukset

Perinteiset vesipyörät rakennettiin pääosin puusta, myöhemmin myös valuraudasta ja teräksestä. Säännöllinen huolto koskee laakereita, lapojen kuntoa ja vedenohjausrakenteita. Vesipyörät voivat vaikuttaa jokien kulkuun, sedimenttien kulkeutumiseen ja kalojen vaellukseen, joten nykyään suositellaan kalateiden ja virtausolosuhteiden huomioon ottamista kun kunnostetaan tai rakennetaan vesivoimalaitteita.

Säilyttäminen ja nykypäivän sovellukset

Monet vanhat myllyt ja vesipyörät on kunnostettu kulttuuri- tai museokohteiksi. Pienimuotoisessa hajautetussa energiantuotannossa vesipyörät ja pienet turbiinit tarjoavat uusiutuvan ja pitkäikäisen ratkaisun, erityisesti paikoissa, joissa halutaan säilyttää historiallista ilmettä tai missä suuria turbiineja ei ole taloudellista asentaa.

Huom. Tekniset arvot ja hyötysuhdeluvut ovat suuntaa antavia ja riippuvat suunnittelusta, vesiolosuhteista sekä rakentamismateriaalista.