燃氣輪機車

燃氣輪機車是以燃氣輪機產生動力，通過傳動裝置驅動車輪的機車。燃氣輪機車自帶能源，是內燃機車的一種，誕生於30年代。

燃氣輪機車按所採用的燃氣輪機類型可分為開式燃氣輪機車和複式燃氣輪機車兩類。前者的燃氣輪機的高壓、高溫燃氣是由它的葉輪壓氣機和燃燒室產生的；後者的燃氣是由活塞式燃氣發生器產生的。

複式燃氣輪機的燃氣發生器又有自由活塞式和連桿活塞式之分，所以燃氣輪機又分為自由活塞燃氣輪機車和連桿活塞燃氣輪機車兩種。

燃氣輪機車用燃氣輪機作為發動機，用廉價的重油或煤粉作為燃料。奇怪的是汽油發動機先是在汽車上使用后，才使用到飛機上去的，而燃氣輪機卻最早用在航空方面，並且在空中“稱霸”后才回到地面上來的。

燃氣輪機車由壓氣機、燃燒室及燃氣渦輪三大部分組成。

燃氣輪機車的工作原理是這樣的，空氣進入壓氣機，被壓縮到4～5個大氣壓力后，就進入回熱器加熱，然後通進燃燒室，在這同時將燃料也噴進燃燒室，在那裡燃燒，發生膨脹，變成高溫高壓的燃氣流、這種燃氣流被引進燃氣輪機，衝擊渦輪葉片，使它旋轉，帶動發電機或者帶動液力變扭器，然後驅動機車輪子。

燃氣輪機車結構簡單、重量輕、體積小，因而單位重量的功率很大，一般可以達到8000馬力以上，它的速度又相當快，可以跑150公里/小時以上。它雖然吃的是“粗糧”——重油或煤粉，但是消化吸收能力倒不壞，熱效率達到16%，為蒸汽機車的2倍多。

燃氣輪機車還有一個特點是“禦寒”，它在低溫時運行而會提高熱效率，加大功率。譬如在氣溫15℃時功率為3000馬力，而氣溫下降到5℃時，功率可達到4000馬力。同時它用水很少，加一次水可以維持較長時間的運行，因此特別適用於沙漠、寒冷、高原、乾旱等地區，同時也適用於多陡坡，運輸量繁忙的鐵路線上運行。

北美用電傳動客運內燃機車的設計大多是以貨運機車為依據的，由於太重對線路的磨耗偏大，不宜高速運行。採用燃氣輪機車可使線路的疲勞損壞降低50%，而且按照燃氣輪機供應商Turbomeca的說法，燃氣輪機具有下列優點：重量輕、功率/重量比高；外形尺寸小；在現有線路上可提高運行速度，標準FRA6級線路上可提高到200km/h;機車總重及軸重降低；對軌道作用力比傳統柴油機機車減少25%左右。

燃氣輪機能夠理想地燃用包括LNG, VNG和煤油等多種代用燃料。相比之下，傳統的柴油機燃用天然氣時，由於不能壓燃點火，必須加入少量2號柴油或以其它手段點火。

當然，在高速通道上使用燃氣輪機車必將會涉及對傳統機車認識的重大轉變，也將有一個從貨運到客運考慮的變化，這不僅僅指設計也包括運行和維修兩個方面。

對於不同的高速通道應配置不同的燃氣輪機組，試想僅以一種通用型機車去適應所有的通道是不可能的，因地制宜地配置應以每人公里的最低成本和最佳利用設備為目標。

燃氣輪機在滿負荷工況下效率高，效率值接近於柴油機，部分負荷效率不如前者，電傳動燃氣輪機組變速響應優於柴油機，而機組重量輕得多。

此外，可變通性也是其優點之一，現在的零部件可用於輔助系統，燃氣輪/電力雙模式機車也可用為另一種可比選方案。為了充分發揮燃氣輪機的能力和效率，安排雙發動機可能是理想的方案。停站時僅需一台發動機運轉，作全功率高速運行時，另一台發動機啟動。兩個動力轉向架中，其一採用機械驅動，另一採用電傳動。與單機大馬力電傳動柴油機組相比，在一台機車內配置兩台燃氣輪機仍將大大地減輕重量。採用架懸式牽引電機和軸驅動的動力轉向架，幾乎能瞬時地傳遞最大功率，並具有很好的外特性，這可能是一種很有吸引力的電傳動燃氣輪機方案。至於牽引電動機，Turbomeca製造廠對採用交流或直流電機尚未作出判斷，兩種方案均作考慮，他們認為高速客運機車真正需要是對於交流方案作較大的質量改進。

1994年5月，Amtrak對1台1976年造的老式渦輪機客運列車進行了改造，採用Turbomeca公司的TM-1600Makila T新型燃氣輪發動機和可診斷的數字式控制系統以及全新的內裝飾。計劃將以200km的時速在Amtrak“帝國走廊"(Empire Corri dor)的紐約一阿爾巴尼區間進行試驗，還將進一步作一次國內試運行。

目前Amtrak運行的RTLs很適合於展示Turbomeca的最新模塊式燃氣輪機技術，Rohr的構架和車體結構以及ANF設計的轉向架均已證實了其高速運行時的可靠性和穩定性。採用萬向軸的轉向架、車體、懸掛方式也是一種經驗證的設計。在法國仍有50組類似的動車組在繼續運行。Amtrak的RTL實際上是按比現在運行速度更高的值進行設計的。

根據Amtrak計劃，對於RTLs所作的一項重要改進是採用最新的電子引擎控制技術。很多問題原非出自發動機本身，而與以繼電器為基礎的現有發動機控制的不可靠性有關，改進后的RTLs將以航空技術的FADEC(全權數字引擎控制)為依據，採用微機控制的DECU(數字式發動機控制機組)。

燃油系統也將得到改造，在現有的布置中RTLs使用了一複雜的雙燃料系統，高品位且昂貴的1號柴油用於啟動，2號柴油供運行用，採用新型的Makila發動機后，上述雙燃料系統可以取消。新型發動機能夠有效地燃用上述兩種燃料以及噴氣發動機燃料、煤油、液化天然氣(LNG )、壓縮天然氣(CNG)等等，Turbomeca公司稱Makila為能夠燃用任何燃料的燃燒渦輪機。

加拿大客運鐵路公司(VIA)曾擁有燃氣輪機車的運用經驗，延續到80年代還運行了一種聯合航空渦輪機的加拿大改型列車(United Aircraft Turbotrain)。目前VIA正在進行類似於Amtrak的一項改造計劃。將兩組LRC柴油機車換上燃氣輪發電機組，更新了發動機控制系統，重新設計包括架懸式牽引電機的動力轉向架。Textron Lycoming、Allison和GE公司均對該動力裝置進行了投標。Bombardier、AMF和Republic Locomotive公司正在競爭全部機車改型工程。

VIA的工程與發展部主任Len Williams指出:“我們正在改造一種在加速度和可靠性方面已處於極限，又因重量大而呈現出高軌道力的列車組，通過改造應該解決一切問題，指望軸重25t的3 000kW機車減到總重為105t左右，如果可行，我們將改造20列車組。”

重量問題直接影響軌道承受力，由於採用重型柴油機，機車速度被限制在160km/h以內。提高速度的途徑只能是採用輕量級高速柴油機或選用燃氣輪機，對於鐵路行業來講，發展高速柴油機技術並不容易，再加之維修費用太高，因此不是上策。那麼在現有的非電氣化方式中燃氣輪機是唯一的可選方案，它可以在非常小的空間內裝容大馬力。

LRCs運行於VIA的魁北克一蒙特利爾一握太華一多倫多一溫索爾走廊。過去3年內已經由AMF廠對LRC旅客車輛進行了全面改造，VLA與Bombardier公司合作正在對車輛的有源液壓傾斜擺式系統進行升級改造。採用燃氣輪機動力和改進后的傾斜擺式系統，並對基礎設施稍作改進后，預計至少能從現行走廊的3h50min運行時間中縮減15min。

燃氣輪機技術要求一支專業化的維修隊伍，並具有較高的工藝水平，在普通車間內無法作業。出於對可靠性方面的考慮，一般VIA中較老的鐵路員工難於接受燃氣輪發動機，尤其在一開始。但是，一旦加以重視，燃氣輪機的可靠性又會高於任何其它類型。然而，油耗也是個問題，其耗油量會很高。但是在需要有一台燃氣輪機車立即成功的今天，對於較高油耗這一點，會有思想準備，再考慮到其它優點，包括減少旅行時間等，仍將是合算的。

最初可以採用供給鐵路的航空發動機，運用現有的鐵路工藝技術進行列車的全新設計，借鑒非航空領域內使用燃氣輪機的經驗，諸如輔助動力或船用動力等來發展鐵路的燃氣輪機技術。