VISOKA TEHNIKA KOLA STRUKOVNIH STUDIJA U ZRENJANINUNastavni
predmet: Studijski program:Modul:
Klipne i turbo maine Proizvodno mainstvo i raunarske
tehnologijeProcesno mainstvo
Turbinske lokomotive- seminarski rad -
PREDMETNI NASTAVNIK: In.spec. Muli Veselin, predava
STUDENT, br. ind.: Ivanevi Ilija, 34/09-3
U Zrenjaninu, januar 2012. god.
SADRAJ
Uvod 1. Podela Lokomotiva 2. Turbinske lokomotive sa plinskom
turbinom 2.1.2.2.
Plinske turbine 2.1.1. Vrste plinskih turbina: Princip rada
motora turbinske lokomotive sa plinskom turbinom Prednosti i
nedostaci turbinske lokomotive sa plinskom turbinom Parna turina
3.1.1. Podela parnih turbine: Osnovno naelo konstrukcije turbinske
lokomotive sa parnom turbinom
2.3.
3. Turbinske lokomotive sa parnom turbinom 3.1. 3.2.
3.3. Adheziona vuna sila 3.4. Turbinska vuna sila 3.5. Kotlovska
vuna sila 4. Primena turbinskih lokomotiva Literatura
UvodTurbinska lokomotiva je vrsta vunog eljeznikog vozila. Ova
vrsta lokomotiva za svoj pogon koristi plinsku ili parnu turbinu.
Prva parna maina, koja je naalost sluila samo kao demonstrator, je
sagradjena u Aleksandriji u prvom veku nove ere. Konstruktor je bio
Heron. Rad je bio jednostavan, voda u postolju je zagrijavana do
pretvaranja u paru. Para je zatim dolazila u uplju kuglu preko
cevi-nosaa i izlazila kroz savijene cevcice, vrtei kuglu. Sline
sprave su ponekad koritene za otvaranja vrata hramova bez ljudske
intervencije, da se impresioniraju vernici. Heronova maina je jedan
od ranih primera rotacionih parnih maina, od kojih su mnogi
prototipovi izraeni kroz vekove. Od prve parne maine do izgradnje
prve lokomotive prolo je vie od 100 godina. Prve parne maine su
bile veoma neefikasne, male jaine i brzo su se kvarile. Prve parne
lokomotive je napravio engleski pronalaza Riard Trevitik (Richard
Trevithick) 1804. Lokomotiva je vukla 10 tona, 70 putnika, 5 vagona
na relaciji 14 kilometara. Lokomotiva je bila upotrebljena samo tri
puta. Te prve probne vonje lokomotive video je i mladi Dord
Stivenson (George Stephenson). Prvu komercijalno uspenu parnu
lokomotivu napravio je Metju Murej (Matthew Murray) 1812. i nazvao
ju je Salamanka (Salamanca). Salamanka je bila uzkotirna
lokomotiva. 1813. Kristofer Bleket napravio je Pufueg Bilija
(Puffing Billy), koji je danas izloen u Londonskom muzeju kao
najstarija postojea lokomotiva. Tek je 1814. Dord Stivenson,
oduevljen prvim lokomotivama, napravio lokomotivu sa pogonom koji
nam je poznat danas. 1825. napravio je prvu parnu lokomotivu za
javni saobraaj, a1829. napravi legendarnu Raketu (The Rocket).
Raketa je bila pobednika lokomotiva na tenderima i lokomotive Dorda
Stivensona su se proslavile u svetu. Lokomotive po njegovoj licenci
radile su se u SAD i Evropi. Prva turbinska lokomotiva izraena je
1941. u vicarskoj tvornici "Brown, Boweri & Cie" po narudbi
vicarskih eleznica. Snaga plinske turbine bila je 5900 kW od
ega se 4000 kW koristilo za pogon turbo kompresora a ostatak za
pogon elektrinog generatora.
1. Podela LokomotivaLokomotive odn. eleznika vuna vozila moemo
podeliti na vie naina:1. 2. 3. 4. 5.
prema vrsti pogona eksploatacijskoj nameni dosegu opsluivanja
irini koloseka i vrsti pruge
Prema vrsti pogona lokomotive moemo podeliti na: parne,
dizelske, elektrine i turbinske. Prema eksploatacijskoj nameni
lokomotive moemo podeliti na: putnike lokomotive - namenjene su za
vuu putnikih vozova, razvijaju vee brzine i imaju male vune sile
teretne lokomotive - namenjene su za vuu teretnih vozova, razvijaju
manje brzine od putnikih lokomotiva ali zato imaju vee vune sile
univerzalne lokomotive - namenjene su kombinovanoj vui teretnih i
putnikih vozova manevarske lokomotive - namenjene su za rad na
eleznikim stanicama (rastavljanju i sastavljanju vozova isl.), u
pravilu su manje od ostalih lokomotiva, razvijaju manje brzine ali
velika ubrzanja
Prema dosegu opsluivanja lokomotive moemo podeliti na: lokalne,
prigradske i meugradske. Razlikuju se u maksimalnim brzinama i
konstrukciji, tako da su lokalne i prigradske lokomotive u pravilu
lake i sporije od meugradskih lokomotiva. Prema irini koloseka
lokomotive moemo podeliti na lokomotive za iroki kolosek (1668 mm,
1524 mm), normalni kolosek (1435 mm), i uski kolosek (1000 mm, 760
mm, 600 mm).
Prema vrsti pruge lokomotive moemo podeliti na lokomotive
za:
magistralne glavne pruge magistralne pomone pruge pruge prvog
reda pruge drugog reda
Osim ovih podela razlikujemo jo i: motorni vagon - lokomotiva
koja ima i prostor za smetaj putnika motorni voz - je ustvari
celina sastavljena od upravljakih vagona i vagona (to u pravilu
gradski vozovi)
Dizel-elektrina lokomotiva dobija snagu od dizel motora, a
prenos snage na pogonske osovine vri se elektrinim putem.
Dizel-motor pokree elektrini generator koji napaja strujom
elektromotore, a ovi pokreu pogonske osovine. Turbinske lokomotive
se dele na:
turbinske lokomotive sa plinskom turbinom
turbinske lokomotive sa parnom turbinom2.
Turbinske lokomotive sa plinskom turbinom
Lokomotiva koja ima kao pogonsku mainu plinku turbinu zove se
turbinska lokomotiva2.1.
Plinske turbine
Plinska turbina je rotacioni ureaj, koji pretvara energiju
gorenja plinova u koristan rad. Na ulazu se nalazi kompresor, koji
poveava pritisak ulaznih plinova, dok im smanjuje zapreminu, komore
za gorenje i turbine, gde se vrui plin usmerava preko statorskih
lopatica na turbinske lopatice, te ih okree.
U komori za gorenje ulazi vazduh, koji se mea sa gorivom i zatim
pali, ime se unosi energija. U komori za gorenje, koja ima veliki
pritisak, gorenje goriva stvara i velike temperature. Proizvodi
gorenja prisilno ulaze u turbinu, sa velikom brzinom i protokom,
gde se preko mlaznica usmeruje na lopatice, koje se okreu, a
izduvni plinovi izlaze sa smanjenom temperaturom i pritiskom.
Dobijena energija moe se preneti preko vratila, komprimiranog
vazduha ili potiska, zavisno od tga da li se pimenjuje za avione,
vozove, brodove, elektrine generatore ili ak za tenkove.
Slika 1. ematski prikaz plinske turbine
Slika 2. Plinska turbina2.1.1. Vrste plinskih turbina:
Mlazni motori: Mlazni motori se dele na etiri osnovne grupe:
Turbo-mlazni motori najstariji su i najjednostavnija vrsta mlaznog
motora koji se ugrauje na avione s veim brzinama i malog eonog
preseka Turbo-ventilatorski motor, dvoprotoni je motor kod kojeg se
vazduh prvo usisava pomou prednjeg ventilatora, deo vazduha ulazi u
kompresor, a deo obilazei jezgro motora, odlazi u atmosferu ili
ulazi u prostor iza turbine, meajui se sa izduvnim plinovima pre
ulaska u mlaznice. Turbo-propelerni motori, veinu energije mlaza
izduvnih plinova koriste za pokretanje turbine, koja preko osovine
direktno ili preko zupanika pokree propeler. Turbo-osovinski
motori, deo energije mlaza izduvnih plinova koriste za pokretanje
osovine. Glavna razlika prema turbo-propelerskim motorima je u tome
da preostali izduvni plinovi stvaraju odreeni potisak. Druga
razlika je u prenosniku sila koji je sastavni deo aviona, a ne
motora.
Industrijske plinske turbine za elektran: Industrijske plinske
turbine za elektrane imaju snaniju konstrukciju od mlaznih motora,
jae leajeve, lopatice, nosive okvire. Mogu imati stepen termikog
iskoritenja i do 60%, ako se nalaze u kombinovanim
termoelektranama. Mogu se koristiti i u kogeneracijskim sistemima,
gde se izduvni plinovi koriste za grejanje vode ili za apsorpcijski
hladnjak. Ovakva postrojenja zahtijevaju posebno namensko kuite,
koje titi turbinu i priguuje buku. Plinske elektrane su posebno
korisne kao vrne elektrane, kada se treba brzo ukljuiti u
elektroenergetski sustav, za vreme vrne potronje elektrine
energije, na nekoliko sati. Normalno, stepen termikog iskoritenja,
same plinske turbine je 35% do 40%. Mikroturbine: Mikroturbine se
sve vie koriste, posebno za manje elektrane i kogeneracijske
primene. Sve vie se mikroturbine ugrauju u hibridne elektrine
automobile. Raspon snaga moe biti manji od kW do nekoliko stotina
kW. Prednost u odnosu na klipne motore je taj to imaju vei
porocenat snage u odnosu na teinu postrojrnja. Nedostatak je to
imaju slabije iskoritenje na manjim brzinama i kod estih promena
brzina. Koriste veinu komercijalnih goriva, osim to imaju problema
sa paljenjem petroleja I dizela, za ta trebaju dodatni izvor za
paljenje, recimo plin propan. Stepen termikog iskoritenja je izmeu
25% i 35%. Spoljanje gorenje: Veina plinskih turbina su postrojenja
sa unutranjim gorenjem, ali se izrauju i sa spoljanjim gorenjem. To
se koristi ako se eli iskoristiti ugalj u prahu ili sitno isjeckana
biomasa. U tom sluaju se koristi izmenjiva topline, da bi kroz
turbinu iao samo ist vazduh. Stepen termikog iskoritenja je manji
od postrojrnja sa unutranjim gorenjem, pa ima smisla samo za
jeftina goriva.2.2.
Princip rada motora turbinske lokomotive sa plinskom
turbinom
Komprimovan vazduh u turbokompresoru (4) odvodi se na predgreja
vazduha (2), nakon toga se odvodi u komoru za izgaranje (1) gde se
mea sa gorivom (plin).
Nakon izgaranja smese vazduha I goriva (plina) gasovi izgaranja
odvode se u plinsku turbinu (3) te okreu plinsku turbinu stvarajui
okretni moment. Plinska turbina spojena je sa turbokompresorom
elastinom spojkom, a turbokompresor preko reduktora (5) sa
elektrinim generatorom (6). Snaga koja je stvorena u plinskoj
turbini veim delom (2/3) predaje se turbokompresoru a ostatak
generatoru koji stvara elektrinu energiju za pogon vunih
elekromotora.
Slika 3. Princip rada motota turbinske lokomotive sa plinskom
turbinom2.3.
Prednosti i nedostaci turbinske lokomotive sa plinskom
turbinom
Prednosti turbinske lokomotive nad parnom, dieselskom i
elektrinom lokomotivom su:
razvija se velika snaga po jedinici mase lokomotive mala teina i
dimenzije po jedinici mase lokomotive
nema potreba za vodom, a koliina ulja za podmazivanje je vrlo
mala
Nedostatci kod ove lokomotive su ukupna korisnost iznosi do 18%,
velika potronja goriva po jedinici snage i vrlo jako pogoranje
korisnosti motora pri praznom hodu i delominom optereenju. Zbog
ovih nedostataka primena turbinskih lokomotiva moe se opravdati
samo na vrlo dugim prugama gde se vua ostvaruje pod punim
optereenjem turbinskog motora lokomotive. Takve pruge su npr. u
SAD-u (transkontinentalna) i Rusiji (transibirska).
3. Turbinske lokomotive sa parnom turbinomParna lokomotiva koja
ima kao pogonsku mainu parnu turbine na mesto parne klipne maine
zove se turbinska lokomotiva
3.1. Parna turinaParna turbina pripada grupi toplotnih motora,
poput motora sa unutranjim sagorevanjem (SUS) i parne maine, koji
pretvaraju toplotnu energiju u mehaniki rad. Sa druge strane, parna
turbina spada u grupu turbomaina zajedno sa pumpama, ventilatorima,
hidraulinim i gasnim turbinama i turbokompresorima. Ui deo ove
grupe predstavlja grupa toplotnih turbomaina koju ine parne i gasne
turbine i turbokompresori. U turbomainama se rad direktno dobija
preko obrtnog kretanja radnih delova kada su u pitanju turbine, ili
se pak ulae putem obrtnog kretanja radi poveanja energije gasa ili
tenosti koja struji kroz mainu (pumpe, ventilatori, kompresori).
Potrebno je napomenuti da kompresori i pumpe nisu neophodno
turbomaine. Postoje klipni kompresori, klipne, zapreminske i
zupaste pumpe. Npr. re "kompresor" predstavlja namenu uredjaja, dok
re "turbo" govori o nainu izvravanja njegove funkcije.
Parne turbine se koriste za pogon plovila, raznih maina pri
procesima u industriji pumpi, kompresora, mlinova, lokomotiva itd.,
ali najvie se koriste u energetici za pokretanje elektrinih
generatora u elektranama. Visok stepen korisnosti postrojenja,
velikih snaga, velik odnos snage prema masi maine, sigurnost u
pogonu, visok stepen automatizacije neki su od razloga da parna
turbina i danas zauzima vodee mesto u proizvodnji elektrine
energije. Parne turbine su kao CHP tehnologija u uporabi irom SAD-a
i Europe. U tu svrhu razvijen je osobiti dizajn koji poveava
uinkovitost pare. Za gorivo se mogu koristiti fosilna goriva kao
ugalj, nafta i prirodni plin ili, pak, drvo i gradski otpad kao
obnovljivi izvori energije. U svrhu iroke uporabe, razliitih
potreba i obeleja postoji ponuda parnih turbina razliitog dizajna,
snage vee od 50 kW. U konvencionalnim parnim elektranama
visokotlana para ekspandira u parnoj turbini i kao niskotlana para
odlazi u kondenzator. Kada se parne turbine koriste kao CHP
tehnologija , para se moe koristiti za potrebe procesa u industriji
ili se moe preko izmenjivaa topline dalje koristiti za grijanje u
domacinstvima.
Slika 4. ema parne turbine 3.1.1. Podela parnih turbine: po
nainu strujanja turbine se dele na: aksijalne i radijalne, prema
smeru strujanja pare u odnosu na osu obrtanja rotora. Kod
radijalnih turbina para struji upravno na osu obrtanja. Sve to je
ve reeno se odnosi i na ovaj tip turbine osim to ovde centrifugalna
sila igra ulogu i u pojednostavljenom procesu. Samo manje maine se
izvode kao radijalne, dok su velike, energetske, iskljuivo
aksijalnog tipa. Prema broju stupnjeva, turbomaine se dele na:
jednostupne i viestupne. Turbine velikih snaga imaju oko 30
stupnjeva. Kod veih snaga, turbine se grade sa veim brojem oklopa,
tako da kod velikih maina imamo turbinu visokog pritiska, srednjeg
pritiska i niskog pritiska sa sopstvenim kuitima i otvorima za
zajedniko vratilo. Najvee turbine se grade sa dva vratila i
zasebnim generatorima.
Parne turbine, osim to mogu biti kondenzacione (o kakvim smo ve
govorili), gde para odlazi u kondenzator, mogu biti i
protivpritisne. Kod protivpritisnih turbina para na izlasku iz
turbine ima dosta viu temperaturu od okoline i koristi se za
industrijske procese i grejanje sanitarne vode.
3.2. Osnovno naelo konstrukcije turbinske lokomotive sa parnom
turbinom
Parni kotao turbinske lokomotive je isti kao i kotao lokomotive
sa parnom klipnom mainom, samo to se vetaka promaja postie
ventilatorom koji je smeten u dimnjai. Turbinskim lokomotivama bez
kondenzacije pare nisu potrebni ventilatori. Parna turbina, kao
pogonska maina, nalazi se na prednjem delu postolja. Okretanje i
mehaniki rad prenosi se sa turbine na kretno vratilo preko
zupanika. Sa ovog vratila preko krive kretne poluge prenosi se na
kretni toak okretanje i mehaniki rad. Sa ovog kretnog toka prenosi
se okretanje i mehaniki rad preko vezanih poluga na ostale vezane
tokove. Izradjena para iz turbine ide u dva kondenzatora. Iz
kondenzatora voda se sprovodi u tender, gde se hladi. Napajanje
kotla se vri pomou pumpe.
3.3. Adheziona vuna silaI ovde kao i kod lokomotiva sa parnom
klipnom mainom adheziona vuna sila jeste najvea vuna sila na obimu
tokova kretnih osovina, koja zavisi od trenja klizanja izmeu toka i
ine, odnosno od adhezione sile, koja je izazvana teinom lokomotive,
koja pada na tokove kretnihosovina. Adhezioni koeficient je vei kod
turbinske lokomotive sa parnom turbinom nego kod lokomotive sa
klipnom parnom mainom. Prema tome lokomotiva sa parnom
turbinom sa istom adhezionom teinom imae veu adhezionu vnu silu,
nego lokomotiva sa parnom klipnom mainom. Drugim reima kod
turbinskih lokomotiva sa parnom turbinom adhezija se bolje
iskoriuje nego kod lokomotiva sa parnim klipnim mainama.
3.4. Turbinska vuna silaOva sila jeste sila koja se dobija iz
rada pare u turbini. Veliina ove sile zavisi od zbira
tangencijalnih sila, koje napadaju loparice turbine, od prenosa
zubanicima, srednjeg prenika lopatica i prenika kokova osovina.
3.5. Kotlovska vuna silaVuna sila, koja se dobija iskoriavanjem
proizvedene pare u kotlu jeste kotlovska vuna sila. Proizvedena
para u kotlu bie iskoriena u turbine, prema tome rad pare turbine
zavisi od kotlovske vune sile, odnosno od proizvedene koliine pare
u kotlu I obrnuto. Dakle kotlovska vuna sila zavisi od proizvedene
pare u kotlu, potronje pare turbine na jednu konjsku silu i od
brzine kretanja turbinske lokomotive.
4. Primena turbinskih lokomotivaTurbinske lokomotive su
konstruisane da poslue kao ekonominije lokomotive za vuu vozova na
mesto obinih lokomotiva, odnosno lokomotiva sa parnim klipnim
mainama. Ekonominost ovih lokomotiva sastoji se u boljem
iskoritenju pare, je rove lokomotive rade sa kondenzacijom pare.
Prema tome, ove lokomotive iskoriste gotovo sav pritisak pare koji
nam stoji na raspolaganju u kotlu. Kao to znamo, kod parnih klipnih
maina, ovaj pritisak se ne moe potpuno iskoristiti ve samo jedan
deo, a drugi izlazi u atmosferu. Pored ovog boljeg iskoritenja pare
i adhezija se bolje iskoristi kod ovih lokomotiva, kao to smo
videli kada smo govorili o athezionoj vunoj sili.
Ipak ove lokomotive jo nisu prodrle u praksu. Najvei nedostatak
ovih lokomotiva jeste u tome, to je teko nai jedan dobar
kondenzator, koji nee biti mnogo teak, a koji e biti sposoban da
pretvori ogromnu koliinu izlazne pare u vodu. Pored ovoga i prenos
snage turbine vri se zupanicima te se stvaraju vei gubici usled
trenja zupanika.
Literatura1. Ing. Miroslav Markovi, Sastav i oprema lokomotiva
za kole uenika u
privredi i industriji, elezniko izdavako tamparsko preduzee jdz,
Beograd 1951.2.
http://www.automobilizam.net/parna-masina/
3. http://sh.wikipedia.org/wiki/Parna_lokomotiva 4.
http://sh.wikipedia.org/wiki/Lokomotiva 5.
http://hr.wikipedia.org/wiki/Plinska_turbina 6.
http://hr.wikipedia.org/wiki/Turbinska_lokomotiva
7. http://www.hrote.hr/hrote/znati/Kogeneracija/turbine.aspx 8.
http://www.hrvatski-vojnik.hr/hrvatski-vojnik/0192005/plin.asp 9.
http://sh.wikipedia.org/wiki/Parne_turbine#Podele
