В Западной Европе наиболее интенсивные работы по турбопоездам были развернуты во Франции. На базе двухвагонного дизель-поезда здесь создали экспериментальный турбо поезд, силовая установка которого состояла из двухвального азотурбинного двигателя "Turmo-lll" мощностью 331 кВт, установленного в кузове моторного вагона. Испытания прошли успешно, поэтому французские железные дороги в 1968 г. заказали 10 четырехвагонных турбопоездов серии ETG и RTG. Головные моторные вагоны турбопоездов ETG оборудовали газотурбинными двигателями «Turmo-IIIF» мощностью 820 кВт и гидромеханической передачей «Voith».

Поезда работали сочлененными из двух (по четыре вагона на газотурбинной тяге и дизельной с мощностью силовой установки 330 кВт). Трогание и разгон поезда осуществлялись только на ГТД. В последующем строились улучшенные турбопоезда — типа RTG, основное отличие которых от типа ETG состоит в том, что они не располагают дизелями, а в качестве вспомогательного двигателя также используется ГТД с генератором переменного тока. Головные моторные вагоны поездов RTG имеют аналогичные поездам ETG газотурбинные двигатели и гидромеханическую передачу «Voith».

Опыт эксплуатации турбопоездов на французских железных дорогах показал, что они выгоднее, чем дизель-поезда, при скоростях свыше 120 км/ч. Только повышение максимальной скорости движения от 120 до 160 км/ч при введении турбопоездов на участке Париж — Шербург обеспечивало увеличение пассажиропотока на 25 % и сделало рентабельным пассажирские перевозки на этом участке. Перевозки пассажиров турбопоездами оказались дешевле, чем поездами при одинаковой стоимости проездных билетов. Большой расход топлива ГТД, по сравнению с дизелем считают французские специалисты, окупаются дополнительными двумя-тремя сидячими местами.

В 1977 г на одном из поездов RTG заменили газотурбинный двигатель «TURMO-IIIF» НА « TURMO-XII» мощностью 1200 кВт. Новые ГТД были мощнее на 46 % и экономичнее на 19 %. Эксплуатационные испытания показали, что при наличии в поезде двух ГТД и использовании одного из них в качестве бустерного экономия топлива составляет 22 %, если считать только движение по перегонам, и 16 %, если учитывать остановки на станциях и маневровые передвижения. Сокращение расхода топлива делает разницу между газотурбинной и дизельной тягой мало заметной. Кроме того, газотурбинная тяга, по сравнению с дизельной, позволяет увеличить техническую скорость за счет меньших осевых нагрузок.

В 60-е годы корпорацией "United Aircraft" (США) и ее филиалом в Канаде были начаты работы по созданию турбопоездов «Turbotrain». Первые два трехвагонных поезда построили в 1967 г. Во время испытаний на участке близ Нью-Джерси они достигали скорость 257 км/ч. Поезда эксплуатировались на участке между Нью-Йорком и Бостоном с 1969 г. Силовая установка состояла из трех авиационных газотурбинных двигателей, которые работали на общий редуктор и механическую передачу к колесам. Газотурбинные двигатели — двухвальные мощностью 335 кВт. Максимальная температура газов перед турбиной 850 °С. Для привода генератора вспомогательных нужд служил газотурбинный двигатель.

В 1973 г. компания «Amtrak» приобрела у французской фирмы "ANF" шесть турбопоездов "RTG-Turboliner", которые работали на линиях Чикаго — Сент-Луис и Чикаго — Детройт. В 1976 г. на линии Нью-Йорк — Ренселер — Ниагара-Фоле были введены в эксплуатацию семь турбопоездов «RTbTurboliner», построенных фирмой «Rohr» (США) с использованием элементов конструкции турбопоездов RTG и газотурбинного двигателя фирмы "Turbomeca" (Франция).

Силовая установка семивагонных турбопоездов, которые изготовили в Канаде, отличается от построенных в США. На канадском установлены четыре газотурбинных двигателя мощностью по 294 кВт и еще один для привода электрического генератора переменного тока, обеспечивающий питание цепей вспомогательного оборудования. Все газотурбинные двигатели работали на дизельном топливе. Конструкция американского и канадского турбопоездов одинакова. Силовые установки располагались под рамами моторных вагонов.

Компания-оператор "Amtrak" в рамках реализуемой программы повышения скоростей движения пассажирских поездов осуществляет модернизацию принадлежащих ей семи пятивагонных турбопоездов "RTL-Turbollner". Первый был в опытном порядке модернизирован с установкой на моторных вагонах ГТД типа "Turbomeca TM-1600» компании «Makila Turbines». Усовершенствована также система управления силовым агрегатом, применена новая система подачи топлива, а также изменена компоновка оборудования пассажирских салонов. Эксплуатация этого турбопоезда в течение семи лет на маршруте Нью-Йорк — Олбани дала хорошие результаты.

Однако при последующей модернизации, выполнявшейся заводом компании «Super Steel» в Скенектади (США), устанавливались новые турбины типа "Turbomeca" мощностью 1000 кВт. тяговые гидропередачи компании "Voith" и микропроцессорные системы управления. Первый модернизированный турбопоезд по данному проекту ввели в эксплуатацию на том же маршруте в апреле 2003 г. Вместе с тем, специалисты считают, что в дальнейшем целесообразно повысить мощность ГТД турбопоездов до 2940 кВт (использовать две установки) и применить электрическую передачу переменного тока, способную передавать мощность всем колесным парам моторных вагонов. Это позволит не только повысить на 15 — 20 % ускорение поезда, но и включить в поезд дополнительный вагон, увеличив тем самым число сидячих мест.

В настоящее время за рубежом принимают различные меры, чтобы повысить скорости пассажирского движения, поэтому значительно возрос интерес к использованию ГТД на железнодорожном транспорте. При увеличении скоростей движения поездов до 200 — 250 км/ч значительно изменяются требования к подвижному составу, особенно когда они осваиваются на существующем верхнем строении пути. В числе решающих факторов оказываются масса и габариты энергетического оборудования.

На международной выставке "Railtex-2000" в Бирмингеме компания «Bombardier Transportation» представила макет газотурбопоезда "Jetrain" с конструкционной скоростью 250 км/ч, двигатель которого должен работать на дизельном топливе. Основой концепции тягового подвижного состава стали конструктивные решения, принимаемые компанией "Alstom" при проектировании моторных вагонов скоростного электропоезда.

В качестве силовой установки применен ГТД компании «Pratt & Whitney» мощностью 3750 кВт с частотой вращения 16000 об/мин, который приводит через редуктор два главных тяговых генератора переменного тока мощностью 1750 кВт. Однако специалисты американских железных дорог и компании "Bombardier" намерены рассмотреть возможность установки на нем одного генератора компании "Allied Signal", имеющего более высокую частоту вращения.

На газотурбовозе "Jetrain" применены четыре асинхронных тяговых двигателя мощностью по 825 кВт с опорно-рамной подвеской тяговых редукторов. Электродвигатели получают питание от инверторов ONIX компании "Alstom» с водяным охлаждением. Мощность для вспомогательных потребителей порядка 500 кВт отбирается от одного из тяговых генераторов. Длительная касательная мощность составляет 3140 кВт, сила тяги при трогании — 220 кН.

В октябре 2002 г. состоялась презентация локомотива. Специалистами было отмечено, что в сравнении с последними моделями тепловозов США новый газотурбовоз имеет более высокую скорость, меньшую на 20 % массу тары. Он обладает в два раза большим ускорением, выделяет на 30 % меньше вредных выбросов.

Один из путей повышения эффективности работы газотурбинных двигателей на железнодорожном транспорте — применение альтернативных топлив. Газотурбинные двигатели идеально подходят для использования в качестве топлива сжиженного или сжатого природного газа, а также метанола. При этом не требуются какие-либо переделки- В то время как для сжигания природного газа в цилиндрах дизеля необходимо добавлять определенное количество дизельного топлива (до 15 %), чтобы смесь могла воспламениться. Но тогда увеличивается выделение вредных выхлопов, усложняется топливная система дизеля. В США провели исследования по расходу топлива турбопоездами на скоростной линии протяженностью 370 км. Они показали, что при эксплуатации ГТД на сжиженном природном газе затраты его за поездку составляют 0,61 от стоимости расходов в случае работы на дизельном топливе. Пробег на последнем составляет 0,9 при одинаковой емкости топливного бака.

Итак, в XXI веке газотурбинная тяга снова появляется на железнодорожных линиях. Развитие на протяжении прошедшего столетия авиационных ГТД позволило буквально сделать революцию в самолетостроении. Менее активно внедрялись газотурбинные двигатели в наземном транспорте, в частности, железнодорожном. Здесь ведущими при оценке эффективности нового вида тяги были вопросы тепловой экономичности первичных двигателей, а также их надежности. В те годы на автономных локомотивах прочные позиции уже завоевал дизель с газотурбинным наддувом, имеющий высокий кпд (37 — 38 %) и по тем временам вполне отвечающий требованиям железнодорожного транспорта по агрегатной мощности в секции.

Вполне понятно поэтому, что при создании первых газотурбовозов речь шла, прежде всего, о проверке эксплуатационных качеств ГТД в условиях резко переменных режимов их работы. Несомненно, учитывались также перспектива дальнейшего повышения кпд газотурбинного двигателя, возможность создания автономных локомотивов большой мощности. За последние годы в области отечественного и зарубежного дизелестроения достигли существенного снижения расходов на топливо и масло, повышения кпд дизеля (до 42 — 44 %).

В статье «Перспективы применения газотурбинных установок с использованием альтернативных топлив на железнодорожном транспорте» своими размышлениями делится д-р техн. наук Е.Е. Коссов (ВНИИЖТ). Он, в частности, отмечает, что в США дизелестроительные фирмы за последние 20 — 25 лет значительно снизили (до 25 %) расход топлива на тягу, что позволило сэкономить сотни миллиардов долларов.

Чтобы догнать США, выражает мнение Е.Е. Коссов. потребуется 10—15 лет, а затем ставит вопрос: стоит ли тратить время на эти работы, а не лучше ли направить усилия на применение на автономном подвижном составе новых типов силовых установок? Автор статьи приводит следующее заключение: «...анализ показывает, что в настоящее время наиболее готовыми к применению на железнодорожном транспорте являются газотурбинные двигатели четвертого поколения (созданные для военно-промышленного комплекса — прим. Авторов), специально переработанные для нужд наземного транспорта».

За рубежом в практике локомотивостроения последних лет для турбопоездов и скоростных газотурбовозов применяют авиационные двигатели, приспособленные к условиям железных дорог. Так как газотурбинному двигателю на локомотиве предстоит конкурировать с дизелем, то вопросы экономичности, надежности и срока службы — первостепенные.

В настоящее время принципиальным является выбор параметров газотурбовоза и газотурбинного двигателя. Ряд специализированных предприятий в России готовы разработать, изготовить опытные образцы и поставлять специальные ГТД для газотурбовозов. Подготовлены технические предложения как применить газотурбинные двигатели на подвижном составе. В основном они выполнены по одновальной схеме с регенератором. Работа ГТД предусмотрена на газе может использоваться как сжатый газ, так и сжиженный.

Характеристики удельного расхода топлива дизелем Д49 (1-9ДГ исп. 3) мощностью 2206 кВт, замеренные на тепловозе, а также ориентировочные (расчетные) газотурбинными двигателями № 1 и № 2 мощностью соответственно 4 и 6 тыс. кВт приведены на рис. 12. В связи с отсутствием опытных образцов таких двигателей расход топлива на холостом ходу и потребность в масле не определены. В технико-экономических расчетах эти параметры могут задаваться только ориентировочно. Ресурс работы ГТД оценивается в 100 тыс. ч, причем предусматривается несколько переборок с заменой ряда узлов. Стоимость 1 кВт газотурбинного двигателя (при серийном изготовлении) в 5 — 6 раз выше стоимости 1 кВт дизеля. Расходы средств на переборку ГТД составляют около 15 — 20 % от первоначальной стоимости двигателя.

Учитывая особенности газотурбинного двигателя — большую мощность при малом весе — возможно создание автономного локомотива с параметрами по тяге и скорости, равноценного перспективному электровозу, и даже превосходящего его, что недоступно тепловозу. При этом в технико-экономических расчетах исключаются расходы, которые необходимо вложить в электрификацию пути.

Другая принципиально важная задача в проектировании газотурбовоза — выбор типа передачи мощности от газотурбинного двигателя к колесным парам локомотива. Возможно применение всех типов передач - механической бесступенчатой, гидромеханической и электрической: переменно-постоянного, переменно-переменного тока с преобразователем частоты и переменно-переменного.

Использование механической бесступенчатой и электрической передач переменно-переменного тока требует, чтобы а составе газотурбинного двигателя была применена свободная тяговая турбина, т.е. агрегат, связанный с турбокомпрессором только газовой связью Изменение крутящего момента на валу тяготей турбины полностью соответствует условиям тяги, что в свое время привлекло внимание ряда фирм, которые построили газотурбовозы с механической бесступенчатой передачей.

Внедрение электрической передачи переменно-переменного тока без преобразователей частоты - задача сложная, так как придется создавать специальный асинхронный тяговый двигатель с большим коэффициентом скольжения. Для этого надо будет проводить специальные теоретические и стендовые исследования.

На железных дорогах России имеется ряд участков, где стыкуется электрическая и тепловозная тяга. Так как современные и перспективные тепловозы имеют мощность ниже, чем у электровозов, то приводимые электровозами составы приходится расформировывать и вывозить тепловозами по частям. Это экономически невыгодно. Необходим автономный локомотив, способный принять состав массой 6 тыс. т. от электровоза и без переформирования доставить его до места назначения, обладающий параметрами по экономичности и надежности, которые не уступают тепловозу.

Таким локомотивом может стать газотурбовоз. Так как ему еще предстоит показать свои преимущества перед тепловозом и электровозом и на первом этапе необходимо проверить работоспособность и экономическую эффективность газотурбинных двигателей на железнодорожном транспорте, то изготавливая газотурбовоз, желательно применить оборудование уже эксплуатируемых локомотивов. В том числе необходимо использовать электрическую передачу переменно постоянного тока, как наиболее освоенную отечественной промышленностью.

Специалистами ВНИКТИ (г. Коломна) была проверена возможность компоновки оборудования газотурбовоза в кузовах электровозов: постоянного тока ВЛ10 и ВЛ15. а также переменного ВЛ60К и ВЛ80. Длина секции кузова электровозов ВЛ10 и ВЛ80 по автосцепкам составляет 16400 мм и недостаточна для размещения всего оборудования, кузова ВЛ60К — 20800 мм, а секции ВЛ15 — 22500- Тяговые двигатели электровоза ВЛ60К имеют мощность в длительном режиме 675 кВт. а ВЛ 15 — 700. Наиболее подходящим, с нашей точки зрения, является экипаж локомотива ВЛ15.

Основные технические параметры газотурбовоза на базе электровоза ВЛ15 следующие:

Мощность - 8200 кВт;

Сила тяги часового режима - 45,9 тс;

Сила тяги длительного режима - 42,1 тс;

Скорость часового режима - 44,6 км/ч;

Скорость длительного режима - 45,5 км/ч;

Конструкционная скорость - 100 км/ч.

На газотурбовозе можно применить ряд узлов тепловоза 2ТЭ25, который разрабатывается ОАО «БМЗ» совместно с ВНИКТИ. Это следующее оборудование: кабина управления с унифицированным пультом и виброзащищенными креслами, микропроцессорная система управления и диагностики, блоки реостатного и тормозного оборудования, аппаратные камеры, вспомогательные преобразователи, блок тормозного компрессора, установки пожаротушения, водомасляные теплообменники, блоки фильтрации воздуха, поступающего для охлаждения тяговых двигателей. Осевые мотор-вентиляторы, нагнетающие воздух для охлаждения тяговых двигателей, — с электровоза ЭП200, вспомогательный дизель-генератор — завода «Звезда». То есть все оборудование, кроме газотурбинного двигателя и тягового генераторного агрегата, будет проверено на тепловозе, в настоящее время изготавливаемом ОАО "БМЗ".

Может вызвать вопрос необходимость установки вспомогательного дизель-генератора. Опыт эксплуатации отечественных газотурбовозов показал необходимость наличия такой установки. Она необходима для выполнения маневровых работ и подачи локомотива под состав, а также для запуска газотурбинного двигателя.

Если двигатель будет выполнен на подшипниках скольжения с масляным охлаждением, то после его выключения требуется прокачка масла через подшипники и медленное прокручивание ротора до полного остывания силового оборудования. Этот процесс может составлять 1 — 1,5 ч. Технология остановки ГТД должна быть проверена экспериментально. Применение вспомогательного дизель-генератора снизит расход топлива на газотурбинном двигателе, так как это позволит отключать его при длительных стоянках.

Сложная техническая задача — создание тягового и вспомогательного генераторов, установленных на одном валу. Кроме того, предстоит разработать систему регазификации (подготовки газа с температурой -162 °С до необходимых плюсовых температур и его давления перед подачей в камеру сгорания).

Определяющим при постройке пилотного образца газотурбовоза будет срок создания газотурбинного двигателя. Специалистами ВНИКТИ определены основные требования, которые предъявляются к газотурбинному двигателю, устанавливаемому на экспериментальный газотурбовоз:

Мощность - 10000 кВт;

КПД в диапазоне мощности 0.25-1 - 40%;

Ресурс до капитального ремонта - 100 тыс. ч;

Расход топлива без нагрузки от расхода из полной мощности, не более - 5%.

На первом опытном образце предлагается установить освоенный промышленностью ГТД с кпд 26 — 27 %. В качестве топлива для газотурбовоза предполагается применить природный сжиженный или сжатый газ. Наиболее целесообразно использовать сжиженный, так как в этом случае не придется разрабатывать специальный тендер, а использовать цистерны, приспособленные под перевозку такого газа.

При этом пробег между заправками газотурбовоза будет в 2 раза больше пробега тепловоза. Только в данном случае всю необходимую аппаратуру для подготовки газа перед подачей в ГТД необходимо будет разместить на газотурбовозе. Постройка пилотного образца газотурбовоза позволит получить необходимые эксплуатационные данные и дать дорогу новому, более совершенному виду локомотива для железных дорог России.