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Wasserrad (vertikale, ober- und mittelschlächtige Räder).
Der Grund dieser Erscheinung liegt einesteils in den Reibungswiderständen des Wassers in den Schaufeln und im Gerinne sowie in den Zapfenreibungen der Welle, andernteils in dem Umstand, daß das Wasser das Rad mit einer gewissen Geschwindigkeit verläßt, wodurch ein Teil von dessen Arbeitsfähigkeit unausgenutzt bleibt.
Bei vertikalen Wasserrädern unterscheidet man je nach der Stelle, an welcher das Wasser eintritt (Beaufschlagung), unter-, mittel-, rücken- und oberschlächtige und nach der Art der Wasserführung Wasserräder mit und ohne Gerinne. Die Wasserräder ohne Gerinne sind in einem freien Flußlauf aufgestellt, durch dessen Strömung sie umgetrieben werden. Hierbei geht natürlich viel Kraft durch seitliches Ausweichen des Wassers verloren, so daß die Nutzleistung eine sehr geringe ist. Um einen größern Nutzeffekt zu erzielen, konzentriert man das Gefälle des zum Betrieb benutzten Wasserlaufs möglichst auf einen Punkt, indem man das Wasser vor dem W. aufstaut und dann in einem Gerinne, d. h. einem an das W. möglichst dicht anschließenden, gemauerten oder gezimmerten Kanal, auf das W. wirken läßt. Dabei bringt man das Rad in einem sogen. Grundwerk in dem Flußlauf selbst an, wenn dessen Wasserlauf in allen Jahreszeiten nicht sehr variiert und ein bedeutendes Gefälle nicht erforderlich ist. Sonst legt man ein Wehr, d. h. einen Damm von bestimmter Höhe aus Holz oder Steinen, quer durch den Fluß etc. und zweigt vor demselben einen Graben (Mühlgraben, Obergraben) ab, dessen Sohle beinahe horizontal geführt wird, so daß man an einer geeigneten Stelle das Wasser auf das Rad herabfallen und von da durch einen andern nahezu horizontalen Graben (Untergraben) wieder in den Fluß gelangen lassen kann. Fig. 1 zeigt eine solche Wehr- und Mühlgrabenanlage. a b ist ein Fluß, c ein quer hineingebautes Wehr, d der Obergraben, e der Untergraben. Ist nun von a bis b ein gleichmäßiges Gefälle von 3 m, so hat man durch Anlegung der nahezu horizontalen Kanäle d und e beinahe das ganze Gefälle von 3 m an diejenige Stelle verlegt, wo sich das Rad der Mühle f befindet. Das Wehr c hat eine solche Höhe, daß so viel Wasser, als zum Mühlenbetrieb gebraucht wird, zurückgehalten, das überflüssige dagegen darüber fortgelassen wird.
Hinsichtlich der Art und Weise, wie das Wasser seine Arbeitskraft auf die Schaufeln eines Wasserrades überträgt, sind hauptsächlich zwei Richtungen zu unterscheiden: 1) Wirkung durch das Gewicht, wobei das Wasser, nachdem es zwischen die Schaufeln in die Zellen eines Wasserrades eingetreten ist, unter der Einwirkung der Schwerkraft niedersinkt und dabei das Rad mit herumnimmt; 2) Wirkung durch die lebendige Kraft, wobei das Wasser außerhalb des Wasserrades zum Fall gelangt und die dabei gewonnene lebendige Kraft entweder durch Stoß plötzlich oder durch stetigen Druck allmählich an die Radschaufeln abgibt. Die Stoßwirkung, hervorgerufen durch das Aufprallen eines Wasserstrahls auf eine zu ihm ganz oder nahezu senkrechte Schaufelfläche, gibt den geringsten Arbeitseffekt, weil durch den Stoß ein großer Teil der Kraft vernichtet wird; dagegen wird der Effekt bedeutend größer, wenn man dem Wasserstrahl durch Neigung oder, besser noch, durch Krümmung der Schaufeln Gelegenheit gibt, diese ohne Rückprall zu treffen und an ihnen unter allmählicher Arbeitsabgabe entlang zu strömen. Im allgemeinen ist bei vertikalen Rädern die Wirkung durch das Gewicht des Wassers die vorwiegende und auch vorteilhaftere.
Die oberschlächtigen Wasserräder (Fig. 2 r r) haben über ihrem Scheitel ein Gerinne o, aus welchem das Aufschlagwasser unter einer Spannschütze (Durchlaßschütze) c d hinweg in die obersten der kübelartig ausgebildeten Zellen s eintritt (Kufenräder, Zellenräder). Durch das Herabsinken des Wassers in diesen wird der größte Teil der Leistung dieser Wasserräder hervorgerufen, während die Arbeitsübertragung durch die lebendige Kraft des eintretenden Wasserstrahls ganz geringfügig ist. Die Schaufelform ist unter Berücksichtigung der infolge der Zentrifugalkraft nach dem Radäußern hin ansteigenden Wasseroberfläche in den Zellen so zu wählen, daß der Wasserausfluß an einer möglichst tiefen Stelle beginnt und erst in der Nähe des untersten Punktes aufhört. Solche oberschlächtige Wasserräder dürfen nicht ins Unterwasser eintauchen (waten), weil sie sonst Wasser schöpfen und somit an Effekt verlieren würden. Sie werden mit Vorteil bei großen Gefällen (bis 15 m) und geringen Wassermengen verwendet und haben einen Nutzeffekt bis 80 Proz. und darüber. - Die rückenschlächtigen Wasserräder (Fig. 3 r r) unterscheiden sich von den vorigen durch die Art der Beaufschlagung: die Eintrittsstelle des Wassers liegt zwischen Radscheitel und Radmittel, so daß die Radhöhe größer als das Gefälle ist; die Aufschlagrinne c liegt nicht über, sondern vor dem Rade; der Wasserzufluß erfolgt durch einen sogen. Kulisseneinlauf a, der mittels des Rades e durch die Schütze b d (Kulissenschützen) eingestellt werden kann. Sehr häufig werden diese Wasserräder ventiliert, d. h. die Zellen s laufen nach dem Radinnern hin in Kanäle aus, durch welche die Luft unbehindert von dem einströmenden Wasser entweichen kann. Der kreisförmige Teil k k des Gerinnes (sogen. Kropf) ist bei rückenschlächtigen Rädern nicht unbedingt erforderlich. Diese Wasserräder finden hauptsächlich da Verwendung, wo bei hohem Gefälle der Wasserstand im Ober- und Untergraben sehr veränderlich ist, weil sie in der Richtung umgehen, in welcher das Wasser abfließt, also das Waten im Unterwasser wenig Nachteil hat. - Die mittelschlächtigen Wasserräder (d. h. solche, bei denen das Wasser zwischen dem Radmittel und Radtiefsten einfließt) sind selten, wie die vorigen, Zellenräder, sondern meist Schaufelräder (Fig. 4, d. h. ihre Schaufeln bilden nach Art der Schaufelräder der Raddampfer keine Zellen zwischeneinander) und in letzterm Fall mit einem Kropfgerinne (Kropf) versehen, welches das Rad vom Wassereinlauf bis zum Radtiefsten derart umgibt, daß das Wasser erst bei letzterm austreten kann (Kropfräder). Bei den mäßigen Gefällen, für welche die mittelschlächtigen Wasserräder Verwendung finden, ist der Teil ihrer Leistung, welcher durch lebendige Kraft des Wassers, speziell durch Stoßwirkung hervorgebracht wird, ein verhältnismäßig größerer als bei den oberschlächtigen Wasserrädern und demgemäß ihr Nutzeffekt ein geringerer. Das Wasser wird hier entweder unter einer Spannschütze, über einer Überfallschütze oder durch eine Kulissenschütze eingelassen. Die mit Spannschützen eignen sich besonders für Gefälle bis 1,5 m und für Wassermengen, welche 2 cbm pro Sekunde nicht überschreiten; man erreicht mit ihnen einen Wirkungsgrad von 0,45-0,50; sie laufen schnell um, vertragen aber keine große Veränderlichkeit des Aufschlagwassers. Viel vorteilhafter sind die Kropfräder mit beweglichen Überfallschützen, bei denen das Wasser nicht unter, sondern über einer schnabelförmigen, gehörig abgerundeten und verlängerten Fläche in
