[科普中国]-燃气轮机车

概述

燃气轮机车是以燃气轮机产生动力，通过传动装置驱动车轮的机车。燃气轮机车自带能源，是内燃机车的一种，诞生于30年代。

燃气轮机车按所采用的燃气轮机类型可分为开式燃气轮机车和复式燃气轮机车两类。前者的燃气轮机的高压、高温燃气是由它的叶轮压气机和燃烧室产生的；后者的燃气是由活塞式燃气发生器产生的。

复式燃气轮机的燃气发生器又有自由活塞式和连杆活塞式之分，所以燃气轮机又分为自由活塞燃气轮机车和连杆活塞燃气轮机车两种。2

结构与特定燃气轮机车用燃气轮机作为发动机，用廉价的重油或煤粉作为燃料。奇怪的是汽油发动机先是在汽车上使用后，才使用到飞机上去的，而燃气轮机却最早用在航空方面，并且在空中“称霸”后才回到地面上来的。

燃气轮机车由压气机、燃烧室及燃气涡轮三大部分组成。

燃气轮机车的工作原理是这样的，空气进入压气机，被压缩到4～5个大气压力后，就进入回热器加热，然后通进燃烧室，在这同时将燃料也喷进燃烧室，在那里燃烧，发生膨胀，变成高温高压的燃气流、这种燃气流被引进燃气轮机，冲击涡轮叶片，使它旋转，带动发电机或者带动液力变扭器，然后驱动机车轮子。

燃气轮机车结构简单、重量轻、体积小，因而单位重量的功率很大，一般可以达到8000马力以上，它的速度又相当快，可以跑150公里/小时以上。它虽然吃的是“粗粮”——重油或煤粉，但是消化吸收能力倒不坏，热效率达到16%，为蒸汽机车的2倍多。

燃气轮机车还有一个特点是“御寒”，它在低温时运行而会提高热效率，加大功率。譬如在气温15℃时功率为3000马力，而气温下降到5℃时，功率可达到4000马力。同时它用水很少，加一次水可以维持较长时间的运行，因此特别适用于沙漠、寒冷、高原、干旱等地区，同时也适用于多陡坡，运输量繁忙的铁路线上运行。3

燃气轮机的优点北美用电传动客运内燃机车的设计大多是以货运机车为依据的，由于太重对线路的磨耗偏大，不宜高速运行。采用燃气轮机车可使线路的疲劳损坏降低50%，而且按照燃气轮机供应商Turbomeca的说法，燃气轮机具有下列优点:重量轻、功率/重量比高;外形尺寸小;在现有线路上可提高运行速度，标准FRA6级线路上可提高到200km/h;机车总重及轴重降低;对轨道作用力比传统柴油机机车减少25%左右。

燃气轮机能够理想地燃用包括LNG, VNG和煤油等多种代用燃料。相比之下，传统的柴油机燃用天然气时，由于不能压燃点火，必须加入少量2号柴油或以其它手段点火。

当然，在高速通道上使用燃气轮机车必将会涉及对传统机车认识的重大转变，也将有一个从货运到客运考虑的变化，这不仅仅指设计也包括运行和维修两个方面。

对于不同的高速通道应配置不同的燃气轮机组，试想仅以一种通用型机车去适应所有的通道是不可能的，因地制宜地配置应以每人公里的最低成本和最佳利用设备为目标。

燃气轮机在满负荷工况下效率高，效率值接近于柴油机，部分负荷效率不如前者，电传动燃气轮机组变速响应优于柴油机，而机组重量轻得多。

此外，可变通性也是其优点之一，现在的零部件可用于辅助系统，燃气轮/电力双模式机车也可用为另一种可比选方案。为了充分发挥燃气轮机的能力和效率，安排双发动机可能是理想的方案。停站时仅需一台发动机运转，作全功率高速运行时，另一台发动机启动。两个动力转向架中，其一采用机械驱动，另一采用电传动。与单机大马力电传动柴油机组相比，在一台机车内配置两台燃气轮机仍将大大地减轻重量。采用架悬式牵引电机和轴驱动的动力转向架，几乎能瞬时地传递最大功率，并具有很好的外特性，这可能是一种很有吸引力的电传动燃气轮机方案。至于牵引电动机，Turbomeca制造厂对采用交流或直流电机尚未作出判断，两种方案均作考虑，他们认为高速客运机车真正需要是对于交流方案作较大的质量改进。4

国外燃气轮机车供纽约用的新型燃气轮机车1994年5月，Amtrak对1台1976年造的老式涡轮机客运列车进行了改造，采用Turbomeca公司的TM-1600Makila T新型燃气轮发动机和可诊断的数字式控制系统以及全新的内装饰。计划将以200km的时速在Amtrak“帝国走廊"(Empire Corri dor)的纽约一阿尔巴尼区间进行试验，还将进一步作一次国内试运行。

目前Amtrak运行的RTLs很适合于展示Turbomeca的最新模块式燃气轮机技术，Rohr的构架和车体结构以及ANF设计的转向架均已证实了其高速运行时的可靠性和稳定性。采用万向轴的转向架、车体、悬挂方式也是一种经验证的设计。在法国仍有50组类似的动车组在继续运行。Amtrak的RTL实际上是按比现在运行速度更高的值进行设计的。

根据Amtrak计划，对于RTLs所作的一项重要改进是采用最新的电子引擎控制技术。很多问题原非出自发动机本身，而与以继电器为基础的现有发动机控制的不可靠性有关，改进后的RTLs将以航空技术的FADEC(全权数字引擎控制)为依据，采用微机控制的DECU(数字式发动机控制机组)。

燃油系统也将得到改造，在现有的布置中RTLs使用了一复杂的双燃料系统，高品位且昂贵的1号柴油用于启动，2号柴油供运行用，采用新型的Makila发动机后，上述双燃料系统可以取消。新型发动机能够有效地燃用上述两种燃料以及喷气发动机燃料、煤油、液化天然气(LNG )、压缩天然气(CNG)等等，Turbomeca公司称Makila为能够燃用任何燃料的燃烧涡轮机。

供加拿大的轻快稳燃气轮机车加拿大客运铁路公司(VIA)曾拥有燃气轮机车的运用经验，延续到80年代还运行了一种联合航空涡轮机的加拿大改型列车(United Aircraft Turbotrain)。目前VIA正在进行类似于Amtrak的一项改造计划。将两组LRC柴油机车换上燃气轮发电机组，更新了发动机控制系统，重新设计包括架悬式牵引电机的动力转向架。Textron Lycoming、Allison和GE公司均对该动力装置进行了投标。Bombardier、AMF和Republic Locomotive公司正在竞争全部机车改型工程。

VIA的工程与发展部主任Len Williams指出:“我们正在改造一种在加速度和可靠性方面已处于极限，又因重量大而呈现出高轨道力的列车组，通过改造应该解决一切问题，指望轴重25t的3 000kW机车减到总重为105t左右，如果可行，我们将改造20列车组。”

重量问题直接影响轨道承受力，由于采用重型柴油机，机车速度被限制在160km/h以内。提高速度的途径只能是采用轻量级高速柴油机或选用燃气轮机，对于铁路行业来讲，发展高速柴油机技术并不容易，再加之维修费用太高，因此不是上策。那么在现有的非电气化方式中燃气轮机是唯一的可选方案，它可以在非常小的空间内装容大马力。

LRCs运行于VIA的魁北克一蒙特利尔一握太华一多伦多一温索尔走廊。过去3年内已经由AMF厂对LRC旅客车辆进行了全面改造，VLA与Bombardier公司合作正在对车辆的有源液压倾斜摆式系统进行升级改造。采用燃气轮机动力和改进后的倾斜摆式系统，并对基础设施稍作改进后，预计至少能从现行走廊的3h50min运行时间中缩减15min。

燃气轮机技术要求一支专业化的维修队伍，并具有较高的工艺水平，在普通车间内无法作业。出于对可靠性方面的考虑，一般VIA中较老的铁路员工难于接受燃气轮发动机，尤其在一开始。但是，一旦加以重视，燃气轮机的可靠性又会高于任何其它类型。然而，油耗也是个问题，其耗油量会很高。但是在需要有一台燃气轮机车立即成功的今天，对于较高油耗这一点，会有思想准备，再考虑到其它优点，包括减少旅行时间等，仍将是合算的。

最初可以采用供给铁路的航空发动机，运用现有的铁路工艺技术进行列车的全新设计，借鉴非航空领域内使用燃气轮机的经验，诸如辅助动力或船用动力等来发展铁路的燃气轮机技术。4