OSNOVNE ZNAČAJKE VUČNIH VOZILA PREMA VRSTI POGONA

Tijekom povijesnog razvoja željezničkih vozila, s obzirom na vrstu pogona, postojale su četiri vrste pogona: parni, dizelski, električni i turbinski. Međutim, zadržala su se samo dva osnovna oblika pogona: dizelski i električni. Zašto je tomu tako vidjet će se iz analize osnovnih značajki, odnosno prednosti i nedostataka pojedinih oblika pogona.

PARNA VUČA

Parna lokomotiva

Od 1814. godine kada je Georg Stephenson konstruirao i izradio prvu parnu lokomotivu, slijedio je daljnji razvoj parnih lokomotiva te je praktično cijelo stoljeće parna vuča bila osnovni oblik vuče na željeznici. Parne lokomotive iskazale su tijekom eksploatacije sljedeće dobre osobine:

1. dobra vučna značajka, što znači da lokomotiva razvija veliku vučnu silu pri malim brzinama, a povećanjem brzine vučna sila se smanjuje. To se postiže prikladnim punjenjem stapnoga parnog stroja vodenom parom, koji predstavlja osnovni pogonski stroj parne lokomotive;
2. jednostavna promjena smjera kretanja reverziranjem stroja;
3. jednostavna konstrukcija;
4. pogodna za održavanje;
5. mogućnost korištenja raznovrsnoga i jeftinijega goriva, kao što su drvo, ugljen, dizelsko gorivo i druga;
6. mogućnost preopterećenja povećanjem tlaka u kotlu.

Ranije lokomotive  imaju   i brojne nedostatke zbog kojih se danas više ne upotrebljavaju. Osnovni nedostaci očituju se u sljedećem: loša dinamička svojstva zbog velikih neoslonjenih masa, a kao posljedica velikih pogonskih kotača. To dinamički dodatno opterećuje gornji ustroj pruge i samo vozile. Parna lokomotiva također ima neravnomjeran okretni moment na pogonskim kotačima zbog specifičnog rada stapnoga parnog stroja;

1. slabo iskorištenje ugljena što se očituje niskom ukupnom korisnošću koja iznosi samo 6 – 12 %. Pritom su najveći gubici u stapnom parnom stroju gdje se vodena para još s velikim sadržajem unutarnje energije izbacuje u okolinu;
2. dugo vrijeme potrebno za pripremu lokomotive za normalan rad (oko dva sata), kao i za prestanak službe;
3. relativno mali polumjer kretanja pa je svakih 200 do 300 km potrebno punjenje ugljenom, a svakih 50 do 100 km punjenje vodom;
4. velika potrošnja vode, što predstavlja znatan nedostatak u krajevima koji oskudijevaju vodom;
5. duža zadržavanja u postajama tijekom punjenja vodom i ugljenom;
6. zagađivanje okoliša;
7. nemogućnost postizanja velikih brzina vožnje.

DIZELSKA VUČA

Dizelska vuča (JŽ 661)

Patentiranjem (1897. godine – Rudolf Diesel) i usavršavanjem Dieselova motora stvorile su se osnovne pretpostavke za mogućnost njegove primjene za pogon željezničkih vozila. Tako je već 1902. godine u Velikoj Britaniji izrađen prvi motorni vagon s Dieselovim motorom. Uspješan razvoj primjene Dieselova motora za pogon željezničkih vozila otežavao je nedostatak prikladnog prijenosnika snage s obzirom na veličinu snage za ondašnje prilike. Postupnim usavršavanjem Dieselovih motora, prijenosnika snage i regulacijskih uređaja, dizelski pogon se ustalio na željeznici, a njegove značajke očituju se sljedećim prednostima u odnosu na parnu vuču:

1. veća ukupna korisnost koja iznosi 25 – 32 %, a ponajprije je rezultat veće termičke korisnosti Dieselova motora u odnosu na stapni parni stroj;
2. veći polumjer kretanja koji je u rasponu od 800 do 1000 km, a u posebnim slučajevima, kada je to potrebno, i do 2500 km;
3. lako puštanje u rad i kratko vrijeme potrebno da se vozilo dovede u pripravno stanje za normalan rad (15 – 20 min) te mogućnost neposrednog napuštanja vozila nakon završetka vožnje;
4. neznatna potrošnja vode koja se koristi u uređaju za hlađenje motora;
5. ravnomjerni okretni moment kao posljedica korištenja višecilindričnih Dieselovih motora i velikih zamašnih masa;
6. mogućnost daljinskog upravljanja s više vučnih jedinica s jednog mjesta;
7. niski troškovi održavanja koji su gotovo dvostruko manji nego za parne lokomotive;
8. mogućnost ugradnje gotovo dvostruko veće snage po jedinici mase nego u parnih lokomotiva.

Dizelski pogon željezničkih vučnih vozila ima i nedostataka, ali se kao osnovni nedostatak može navesti prijeko potrebna primjena prijenosnika snage zbog nepovoljne brzinske značajke Dieselova motora. Zbog primjene prijenosnika snage dizelska vučna vozila postaju složenija, teža i skuplja.

ELEKTRIČNA VUČA

Električna vuča

Električna vučna vozila imaju velike prednosti pred ostalim oblicima vuče te se u svijetu sve više primjenjuju. Tako se mogu navesti sljedeće prednosti električne vuče:

1. povoljna vučna značajka, što znači daje pri malim brzinama vučna sila velika i da se ona smanjuje s povećanjem brzine;
2. velika nazivna snaga vučnih motora s mogućnošću preopterećenja u kratkom razdoblju;
3. ravnomjeran okretni moment, što omogućuje dobro iskorištenje raspoložive vučne sile s obzirom na silu adhezije;
4. automatska kontrola vučne sile da bi se spriječilo proklizavanje, što omogućuje realizaciju vučne sile praktično na granici proklizavanja;
5. mogućnost vuče teških teretnih vlakova zbog velike Instalirane snage;
6. velika ubrzanja i velike najveće brzine vožnje omogućuju vuču putničkih vlakova;
7. veća ukupna korisnost u odnosu na sve ostale oblike vuče, a iznosi 32 – 36 %. Pritom se uzima u obzir i prosječna korisnost svih oblika dobivanja električne energije;
8. mogućnost daljinskog upravljanja s više povezanih vučnih vozila s jednog mjesta;
9. povoljni uvjeti rada za radno osoblje zbog jednostavnog upravljanja, niske razine buke i nepostojanja štetnih plinova izgaranja;
10. ne zagađuje okoliš, što je važno za promet u urbanim sredinama i općenito sa stajališta zaštite čovjekova okoliša.

Primjena električne vuče zahtijeva elektrifikaciju pruge, odnosno gradnju odgo­varajućih stabilnih postrojenja za napajanje električnom energijom. S obzirom na to da su za to potrebna znatna investicijska sredstva, to se može navesti kao najveći nedostatak električne vuče. Tijekom eksploatacije troškovi elektrifikacije se pojavljuju kao stalni troškovi, a njihov udio će biti to manji što se obavlja veći vučni rad. Stoga će se primjena električne vuče isplatiti na prugama gdje se obavlja dovoljno velik opseg promet.

TURBINSKA VUČA

Pod turbinskom vučom razumijeva se vučno vozilo pogonjeno plinskom turbinom. Plinska turbina ima nekoliko odlika zbog kojih se četrdesetih godina dvadesetog stoljeća počela ugrađivati u željeznička vučna vozila. Prednosti plinske turbine pri primjeni na vučnim vozilima su sljedeće:

1. rotacijski stroj koji zbog velike brzine vrtnje može razvijati veliku snagu po jedinici mase
2. mala težina po jedinici snage
3. male dimenzije po jedinici snage
4. mali potrošak ulja za podmazivanje
5. nema potrebe za rashladnom vodom.

Nedostaci primjene plinske turbine za pogon vučnih vozila očituju se u sljedećem:

1. niska ukupna korisnost vučnih vozila s plinskom turbinom koja pri punom opterećenju iznosi do 18%
2. velika potrošnja goriva po jedinici snage
3. zuatno pogoršanje korisnosti pri djelomičnom opterećenju i na praznom hodu.

Prema navedenim prednostima i nedostacima, turbinska vuča se može primijeniti jedino na vrlo dugim prugama (npr. u SAD-u i Rusiji) gdje se pretežito može ostvarivati vuča pod punim opterećenjem kada je korisnost plinske turbine najpovoljnija. Primjena turbinskog pogona ipak se nije održala ponajprije zbog velike potrošnje goriva po jedinici snage, odnosno zbog niske ukupne korisnosti u odnosu na dizelsku ili električnu vuču.
Za objašnjenje osnovnog načina rada i bolje razumijevanje prikazana je na slici.

Principijelna blok shema turbinskog pogona

Zrak (Z) uzima se iz okoline i komprimira u aksijalnom turbokompresoru (4) te se odvodi kroz predgrijač zraka (2). Predgrijani i stlačeni zrak (PSZ) dovodi se u ko­moru izgaranja (1), gdje se dovodi i gorivo (G). Stvorena smjesa goriva i zraka izgara u komori, a plinovi izgaranja (PI) odvode se u plinsku turbinu (3). Vrući plinovi pod povišenim tlakom struje na lopatice rotora pri čemu ga pokreću stvarajući odgovarajući okretni moment. Nakon ekspanzije u plinskoj turbini plinovi izgaranja se odvode u predgrijač zraka (2), s obzirom na to da ti plinovi još imaju povišenu temperaturu. Oni pritom predaju dio topline stlačenom zraku koji se dovodi iz turbokompresora i predgrijavaju ga. Nakon toga se plinovi izgaranja izbacuju u okolinu. Vratilo plinske turbine povezano je elastičnom spojkom s turbokompresorom, a on preko reduktora (5) s električnim generatorom (6). Stvorena snaga u plinskoj turbini većim dijelom predaje se turbokompresoru (oko 2/3), a preostali dio (oko 1/3) odvodi se na električni generator za proizvodnju električne energije. Stvorena električna energija odvodi se na vučne elektromotore za pogon vučnog vozila.

Prva lokomotiva s turbinskim pogonom izrađena je u tvornici “Brown, Boweri & Cie” u Švicarskoj 1941. godine po narudžbi Švicarskih željeznica. Snaga plinske turbine iznosila je 5900 kW, od čega se 4400 kW koristilo za pogon turbokom­presora. Samo preostalih 1500 kW služilo je za pogon električnoga generatora. Temperatura plinova izgaranja na ulazu u plinsku turbinu iznosila je 600 °C. Ona se inače regulira odgovarajućim omjerom količine goriva i zraka Što se dovodi u komoru za izgaranje. Za povećanje termičke korisnosti procesa u plinskoj turbini poželjno je da temperatura plinova na ulazu u plinsku turbinu bude što veća, a temperatura na izlazu Što manja. Ulazna temperatura ograničena je, međutim, mehaničkim svojstvima dijelova plinske turbine koji su izvrgnuti strujanju vrućih plinova. Termička korisnost spomenutoga turbinskog postrojenja iznosila je 17 %. Lokomotiva je uspješno radila 13 godina.
Iz tog primjera vidljivo je da se vrlo velik dio snage plinske turbine predaje turbo­kompresoru. To je neizbježno zbog toga što plinska turbina ne može raditi bez kompresora.
Pokretanje plinske turbine obavlja se pomoću električnoga generatora koji se uključi u režim elektromotora, a struju dobiva iz akumulatora ili pomoću dizelsko-električnog agregata.