Koła wodne używane do napędu łodzi - patrz koło łopatkowe. Koła używane wyłącznie do podnoszenia wody - patrz noria. Dla fabryk lub gałęzi przemysłu napędzanych przez koła wodne zobacz młyn wodny.

Koło wodne to urządzenie hydroenergetyczne, czyli maszyna służąca do pozyskiwania energii mechanicznej z przepływu lub spadu wody. Koła wodne i energia wodna były szeroko stosowane w średniowieczu, napędzając większość przemysłu w Europie, wraz z wiatrakiem. Najczęstszym zastosowaniem koła wodnego było mielenie mąki w młynach, ale inne zastosowania obejmowały prace odlewnicze, obróbkę skrawaniem, tłuczenie i przygotowanie surowców (np. lnu) do produkcji papieru, a także napęd maszyn tartacznych, płuczki i młotów warsztatowych.

Budowa i zasada działania

Typowe koło wodne składa się z dużego, okrągłego korpusu (obręczy) osadzonego na osi oraz szeregu łopatek lub wiaderek rozmieszczonych na obwodzie. Woda działając na łopatki powoduje obrót koła, co zamienia energię potencjalną i kinetyczną wody na ruch obrotowy wału. Ruch ten przenoszony jest dalej przez bezpośrednie połączenie z wałem, przez pasy napędowe lub przez przekładnię zębatą (np. przekładnię pierścieniową) na napęd urządzeń roboczych.

Koła pionowe są zwykle montowane pionowo na poziomej osi — to najpopularniejsza konfiguracja spotykana w młynach. Istnieją też koła montowane poziomo na pionowym wale (tzw. koła poziome lub koła wannowe, ang. tub wheel), które zazwyczaj napędzają obciążenie bezpośrednio, bez dodatkowych przekładni. Kanał doprowadzający wodę do koła nazywa się kanałem napływowym (headrace), a kanał utworzony dla wody po opuszczeniu koła jest powszechnie określany jako "tailrace".

Rodzaje kół wodnych

  • Undershot (koło przepływowe) — woda przepływa pod kołem, uderzając w łopatki. Stosowane przy małym spadzie i dużym przepływie; mają stosunkowo niską sprawność.
  • Breastshot (koło natarciowe) — woda trafia w środkową część koła; sprawne przy umiarkowanym spadku i przepływie.
  • Overshot (koło spływowe) — woda spływa na górną część koła i wykorzystuje głównie energię potencjalną (ciężar wody w wiaderkach); daje najwyższą sprawność w warunkach odpowiedniego spadu.
  • Pitchback — odmiana overshot, gdzie woda wpada za osią; pozwala często na lepsze wykorzystanie kierunku przepływu i ułatwia eksploatację.
  • Koło wannowe (tub wheel) — cylindryczne koło, do którego woda wpływa przez otwory; stosowane przy specyficznych warunkach napływu i koncentracji energii.

Materiały i konstrukcja

Historycznie koła wykonywano głównie z drewna; w XIX i XX wieku zaczęto stosować żeliwo i stal, co zwiększyło trwałość i nośność. Współczesne rekonstrukcje i małe instalacje często łączą tradycyjne materiały z elementami metalowymi. Główne części to obręcz, szprychy, łopatki/wiaderka, oś (wał), łożyska i układ napędowy (pasy, koła zębate, przekładnie). Ważne są też obudowy, kanały napływowe i odpływowe oraz elementy zabezpieczające przed zanieczyszczeniami i lodem.

Wydajność i dobór

Moc uzyskiwana z koła wodnego zależy od przepływu (Q), wysokości spadu (H) i sprawności układu (η). Ogólnie rzecz biorąc, dla tej samej ilości wody koła overshot są najbardziej efektywne (sprawność może dochodzić do 60–70%), podczas gdy undershot charakteryzują się znacznie niższą sprawnością (rzędu 20–40%). Wybór typu koła zależy od lokalnych warunków hydrologicznych i topograficznych.

Zastosowania i współczesne wykorzystanie

Tradycyjnie koła wodne napędzały młyny, tartaki i warsztaty rzemieślnicze. Dziś, poza rekonstrukcjami historycznymi i obiektami muzealnymi, koła wodne są wykorzystywane w małej skali do wytwarzania energii elektrycznej w mikro-hydroelektrowniach, do napędzania pomp oraz jako atrakcje edukacyjne. W porównaniu z turbinami wodnymi koła są proste i trwałe, ale zwykle wymagają większej przestrzeni i mają niższą gęstość mocy.

Aspekty środowiskowe i eksploatacja

Instalacja koła wodnego wymaga uwzględnienia wpływu na ekosystem rzeki: migrację ryb, przepływy ekologiczne oraz sedimentację. Często stosuje się przepławki dla ryb, sitka i systemy regulacji przepływu. Regularna konserwacja obejmuje kontrolę łożysk, naprawę łopatek, usuwanie zatorów i zabezpieczenie przed korozją czy butwieniem drewna.

Koła wodne pozostają ważnym elementem dziedzictwa technologicznego i praktycznym rozwiązaniem tam, gdzie warunki hydrologiczne umożliwiają efektywne i niskokosztowe wykorzystanie energii wody.