Paatide ajamiseks kasutatud vesirattaid vt labidarattad. Ainult vee tõstmiseks kasutatavate rataste kohta vt noria. Veeratastega liikuvate tehaste või tööstuste kohta vt vesiveski.

Vesiratas on masin, mis muundab voolava vee liikumisenergia pöörleva liikumiseks — seega on see lihtne hüdroenergiaseade. Keskajal kasutati vesiratast ja hüdroenergiat laialdaselt; see koos tuuleveskiga andis energiat enamikule Euroopa tööstusele. Kõige sagedamini kasutati vesiratast jahu jahvatamiseks veskites, kuid neid kasutati ka valutöödel, saeveskitena, riide tampimiseks ja teiste mehhaaniliste protsesside juhtimiseks ning paberi valmistamiseks vajaliku lina tampimiseks. Tänapäeval kasutatakse sarnaseid põhimõtteid väiksemahulises mikrohüdrotootmises ja ajalooliste masinate taastamisel.

Tüübid ja tööpõhimõte

Vesirattad liigitatakse peamiselt vastavalt sellele, kuidas vesi rattale langeb ja rattaga suhtleb. Peamised tüübid on:

  • Alavooluratas (undershot) — ratas asub voolu peal ja veevool lükkab labasid või ämbreid altpoolt. Sobib madala kõrguse ja kiire vooluga kohtades, kuid on tõhususelt tavaliselt väiksem.
  • Kesktaseme ratas (breastshot) — vesi tabab ratast keskel, osa energiast tuleb nii voolust kui ka veekehast (potentsiaalsest energiast).
  • Ülevooluratas (overshot) — vesi juhitakse ratta ülaossa ja ämbritesse langev vesi kasutab gravitatsiooni, see on sageli kõige tõhusam tüüp madala vooluhulga ja suurema vertikaalse kallete puhul.
  • Tagasinurga (pitchback) — sarnane ülevoolule, kuid vesi langeb ratta tagaküljele, mis võib mõnel juhul parandada stabiilsust ja tõhusust.
  • Horisontaalne ratas — paigaldatud horisontaalsele teljele (võllile); ebapopulaarsem suuremate tööde puhul, aga lihtsam konstruktsioon ja otsene ajamistakistus.

Komponendid

Vesiratas koosneb suurest puidust või metallist rattast, mille välisküljel on mitu laba või ämbrit, mis moodustavad liikumispinna. Olulised osad on:

  • Ratas (kere ja labad/ämbrit)
  • Telg või võll — rattale etteantud pöörlemise edastamiseks masinasse; vertikaalsete rataste puhul on telg tavaliselt horisontaalne, horisontaalsete rataste puhul vastupidi.
  • Ülekande mehhanism — rihm, hammasratas, ketas või rõngas, mis viib jõu vesimeskist töökodadesse või generatorisse.
  • Sisse- ja väljuskanalid — veejuhid, suunajad ja pärast rattast väljumist veele loodud kanal, mida nimetatakse tavaliselt "sabajooksuks", ehk tailrace.

Kuidas vesiratas töötab

Vesiratta töö põhineb vee liikumise (kineetilise energia) ja kõrguseerinevuse (potentsiaalse energia) ärakasutamisel. Ülevooluratta puhul juhitakse vesi kõrgele veesüsteemist või tammist ülekallatud kanalist ratta ämbritesse — ratas pöördub vee raskuse all. Alavooluratta puhul annab jõu vool ise, kui vesi lööb labadele. Pöörlemisest saadav moment viiakse üle telje kaudu töötavate mehhanismide (hammas- või rihmülekanne) abil veski kividele, sae teradele või elektrigeneraatorile.

Tõhusus ja tehnilised näitajad

Vesirataste tõhusus sõltub tüübist ja paigaldustingimustest. Üldjoontes:

  • Ülevoolurattad võivad saavutada tõhusust kuni ~60–70% (sõltuvalt konstruktsioonist).
  • Kesktaseme ja alavoolurattad jäävad tavaliselt madalamatele väärtustele (20–50%).

Suurema tõhususe saavutamiseks tuleb optimeerida vett juhtivaid kanaleid, vähendada lekkeid ja vähendada mehaanilisi kaod. Kaasaegsed turbiinid (nt Kaplan, Pelton) on väiksema veehulga ja suurema tõhususe nõudmisel sageli parem valik, kuid vesiratas on endiselt sobiv lihtsate, madala peaga paigalduste ja ajalooliste rekonstruktsioonide jaoks.

Kasutusvaldkonnad ja näited

Historically and historically-like uses include:

  • Veskid (jahvatamine) — kõige tuntum kasutusala.
  • Metallitöökojad ja valutööd — tööriistade ja hammaste ajamine.
  • Saeveskid, täitmismasinad (fulling mills) ja tekstiilitööstus.
  • Pumba- ja veesüsteemid (nt noria tüüpi veetõsteseadmed) ning kaevanduspumpade ajamine.
  • Kaasaegne kasutus hõlmab väikese võimsusega hüdroenergia tootmist, ajalooliste tehnoloogiate taastamist ja õppeotstarvet.

Hooldus ja keskkonnamõjud

Vesirataste hooldus hõlmab labade/ämbrite kontrolli ja parandust, telje ja laagrite määrimist või vahetamist, vee sisse- ja väljuskanalite puhastamist sodist ja veesõnadest ning tammide korrashoidu. Keskkonnamõjud võivad hõlmata kalade ja teiste veeelustiku takistamist — seepärast paigaldatakse tihti kalapääsud või valitakse lahendusi, mis vähendavad voolu muutusi. Ka ajalooliste rataste taastamisel tuleb arvestada nii tehnilise ohutuse kui ka pärandväärtuse säilitamisega.

Kaasaegsed alternatiivid

Kuigi vesiratas on lihtne ja usaldusväärne, on tänapäeva kommertslikel hüdroelektrijaamadel tihti kasutusel spetsiaalsed turbiinid, mis saavutavad kõrgema efektiivsuse ja hõlmavad paremat elektriühilduvust (generaatoreid). Vesirattad on aga jätkuvalt sobivad kohtadesse, kus on madal langus (head), suur vooluhulk ja vajadus lihtsa, hooldatava lahenduse järele.

Vesirataste ajalugu, erinevad konstruktsioonid ning tööpõhimõtted kujutavad endas väärtuslikku osa tehnoloogilisest pärandist ning annavad hea ülevaate sellest, kuidas vesi on olnud inimtegevuse peamine energiajuhina läbi sajandite.