Vertikalt, større vannhjul med vannpåslipp nær toppen av hjulet.
Driftsvannet til o. kommer inn på hjulet via en renne og faller ned i skovler utformet som kasser. Hjulet blir dermed tyngre på påslagssiden enn på den ’tomme’ siden og dreier rundt. På veien ned tømmes vannet etter hvert ut i bakvannet.
I motsetning til andre hjultyper (brystfallshjul, underfallshjul, strømningshjul) utnytter o. først og fremst vannets vekt og i svært liten grad vannets hastighet. Kraftutbyttet fra o. vil derfor avhenge av den mengde vann som følger hjulets rotasjon ned og hjulets fysiske størrelse. Vannets fallhøyde vil være mindre en hjulets diameter da vannet vil komme inn på hjulet litt under toppen og tømmes ut noe før skovlene når hjulets nedre loddlinje. Periferihastigheten til et o. er oppgitt til ca 1,5 m i sekundet.
O. hadde gjerne en diameter på 9 -12 m. Det er hevdet at frem til slutten av 1700-tallet kunne et o. produsere maks 10 HK. (Ellers gir tilgjengelige kilder få opplysninger om ytelsen på de hjul som omtales).
O. har høyest virkningsgrad av vannhjulene, dvs. hjulets utnyttelse av den samlede potensielle energien som ligger bundet i vannets vekt og dets hastighet. En regner med rundt 80 % for et godt bygget hjul, mens man for underfallshjulene bare regner med rundt 30 %, eller under – restenergien gikk tapt i friksjon mm. O. var derfor først og fremst gruvehjulet fordi det var den eneste hjultypen som kunne levere tilstrekkelig kraft til å løse de meget energikrevende oppgaver med lensing og steinheising i gruvene. Hjulet passet også godt til disse oppgavene med sin langsomme og jevne gange. O. ble også brukt til drift av pukkverk, stangjernshammere og blåsehjul - jevn, god og ikke for rask gange var av avgjørende betydning for et godt resultat også på disse driftsområdene.
Selv om det p.t. ikke lar seg kildebelegge, kan man stor sannsynlighet anta at o. var den vanligste – og viktigste - hjultypen i norsk bergverksdrift, med kunsthjulet (for vannlensingen) og kjerraten (for steinheisingen) som de mest sentrale hjultyper. O. passet også godt for norske forhold med sine krav til kupert terreng for å få nødvendig fallhøyde inn på hjulet, samtidig som det var den hjultypen som best utnyttet små vannmengder som mange steder var et problem for bergverksdriften.
For effektiv utnyttelse av driftsvannet var det viktig å gi skovlekassene optimal bredde/dybde/høyde og vinkel i forhold til radiuslinjen slik at kassene kunne ta med mest mulig vann helt ned til hjulets loddlinje - men ikke lenger! Spørsmålet om hjulkassene var, ikke minst på 1700-tallet, gjenstand for omfattende teoretiske beregninger, forsøk og diskusjoner. Et eksempel på et tema som ble diskutert var spørsmålet om skovlenes bredde, dvs. avstanden mellom hjulringene. Bredden på skovlene hadde betydning for den effekt hjulet kunne levere, men ble de for brede ble de også svakere, med fare for brekkasje, samt at hjulstokken ble lenger og dermed svekket. Kompleksiteten i kasse-problematikken kan illustreres med et moment framhevet i en tysk kilde: Kassene må utformes slik at det tas hensyn til virkningen av sentrifugalkraften som virker ved hjulradiens ytterpunkt. Pga. av denne kraften vil vannoverflaten stige ved kasseåpningen, og formen må da være slik at vannutstrømningen begynner på et lavest mulig sted på veien ned og først opphører i nærheten av sirkelens laveste punkt.
Eller var det en ”tommelfingerregel” for maksimal utnyttelse av vannet at den vertikale avstanden mellom skovlene skulle være lik avstanden mellom hjulkransens hjulringer, uten at akkurat dette synes å ha vært basert på teoretiske beregninger eller et systematisk erfaringsgrunnlag. Se også skovl.
Videre var det av betydning for hjulets effekt over tid at det lå så høyt at det var god klaring til eventuelt bakvann, dvs. vann som av forskjellige grunner (isdannelse/generelt stor vannrikelighet o.l.) hadde svært langsom avrenning eller ble liggende igjen slik at hjulet kom til å bade i sitt eget avløpsvann. Dette bremset selvfølgelig hjulet og krevde mer driftsvann for å oppnå samme ytelse. Spesielt var dette avgjørende for o. som, motsatt brystfalls- og underfallshjulene, roterte mot strømretningen i hjulbekken. Her måtte man da i noen tilfeller vurdere den ønskede hjuldiameter opp mot muligheten for periodevise driftsforstyrrelser pga. høyt bakvann.
For å utnytte knappe driftsvannressurser best mulig ble det enkelte steder anlagt et såkalt kretsløpssystem hvor avløpsvannet ble pumpet opp i et vannreservoar over hjulet slik at det kunne slippes på en gang til.
Problemer med jevn og god tilførsel av driftsvann gjorde at det mange steder ble utviklet systemer for magasinering og fordeling av driftsvann til hjulene. Selv med betydelige investeringer i dammer og renner var det ofte umulig å få til en god plassering av hjulene som skulle støtte gruvedriften – hjulene måtte plasseres der det var best tilgang på driftsvann. Det var derfor i mange tilfeller nødvendig med forskjellige former for transmisjoner mellom hjul og gruveåpning. Det vanligst var bruk av stangfelt (sammenkoblede trestenger) som kunne bli flere hundre meter lange. Ved kortere avstander kunne det også bli brukt liner (se rullefelt).
Problemer med vanntilførselen var en sterkt medvirkende årsak til at o. i 2. halvdel av 1600-tallet fikk konkurranse fra hestevandringen som driftsmaskineri i gruvedriften. Hestevandringen hadde også den fordel at den så å si alltid kunne anlegges like ved gruveåpningen, evt. nede i gruven. Også o. kunne plasseres nede i gruven forutsatt at det fantes en lavereliggende stoll hvor vannet kunne renne ut. Plassering i gruven kunne også bli en ren nødvendighet når gruvene ble så dype at kjerraten oppe i dagen ikke klarte å løfte opp den utbrutte steinen pga. den etter hvert meget store tilleggsvekten av heiselinene, eller at lengden på pumperekkene oversteg kunsthjulets kapasitet. Generelt regnet en at hestevandringen var relativt billig i anlegning, men dyr i drift, mens det motsatte var tilfelle for vannhjulsdrevet maskineri. Maskintypene ble gjerne brukt samtidig ved samme bergverk.
O. ble gjerne plassert inne i en såkalt hjulstue for å beskytte det, spesielt mot kulde og dermed isdannelse som i verste fall kunne føre til full driftsstans. Hjulstuene ble derfor mange steder fyrt om vinteren. Kulde var i det hele et vesentlig problem for vinterdriften av hjulene og dermed store deler av verksdriften overhodet. Som mottiltak var det også vanlig å isolere tilførselsrenner o.l. med granbar og annet for å sikre driftsvann.
Hvordan forbedre ytelsen på o.? Her gjengis en oversikt over muligheter som også kan tjene som en oppsummering av deler av denne artikkelen. Utgangspunktet er et konkret problem med økte vannmengder og pumpehøyder som krevde kraftigere pumpeverk i en gruve ved Kongsberg Sølvverk rundt 1750.
Ytelsen kunne økes ved:
1. Større hjul, enten ved større diameter og dermed fallhøyde, eller ved bredere skovlegang og dermed økt vannmengde;
2. bedre skovlekonstruksjon, slik at mer vann kunne beholdes i lengre tid under hjulets omdreining;
3. økt påslag av driftsvann uten økning av skovlebredden, dvs. raskere gang […];
4. reduksjon av friksjon i hjul, stangfelt og pumpeverk gjennom bedre konstruksjon og nøyaktigere bygging.
Varia:
- Fra Kongsberg Sølvverk kjennes et meget originalt kretsløpsystem. Verkets første kjerrat (1727) ble nemlig plassert 160 m nede i gruven uten avløp for vannet! Løsningen var å pumpe vannet fra en avløpssump (oppsamlingsbeholder) under kjerraten til en tilløpssump over. Motoren for pumpene var et kunsthjul som sto oppe i dagen. På denne måten ble kunsthjulet kjerratens egentlige motor. Sølvverkets første kjerrat var altså et helt teknisk system.
Se vannhjul for nærmere opplysninger om byggemåte (materialer, konstruksjon), styringsmuligheter og historikk, årsaker til energitapet ved vannhjulsdrift mm. Se også eget oppslag om o. kjerrat.