燃氣輪機車的應用與發(fā)展

伍賽特

上海汽車集團股份有限公司

0 前言

燃氣輪機車是一類以燃氣輪機為動力來源，通過傳動裝置驅(qū)動走行裝置的鐵路牽引動力機車[1]。燃氣輪機車由動力裝置、傳動裝置、車體車架、走行制功裝置、操作控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等部分組成，除燃氣輪機動力裝置和與其相關的傳動、控制操縱、輔助裝置有其特殊性外，其它部分與內(nèi)燃機車基本相似。燃料在燃氣輪機內(nèi)燃燒做功，一般用電力傳動裝置驅(qū)動車輪。

1 燃氣輪機車發(fā)展概況

最早燃氣輪機車采用的是復式燃氣輪機。1933年瑞典制成一臺480 kW的自由活塞燃氣輪機車，1955年又制成一臺950 kW的連桿活塞燃氣輪機車。1951年法國先后制成735 kW和1 770 kW的自由活塞燃氣輪機車，并投入運行。1954年蘇聯(lián)創(chuàng)造了一臺2 210 kW的自由活塞燃氣輪機車[2]，除這一臺采用電力傳動外，上述其他幾臺機車均采用機械傳動。

開式燃氣輪機車產(chǎn)生較晚。1941年瑞士首先制造出功率為1 620 kW的開式燃氣輪機車。從1948年到20世紀50年代末，美國制造出功率分別為2 980 kW、3 580 kW、6 384 kW的燃氣輪機車小批量投入正式運用[3]。美國還試制過一臺3 730 kW的直接燃燒煤粉的燃氣輪機車，但未獲成功。

中國于20世紀60年代至70年代亦先后試制成2 210 kW和2 940 kW燃氣輪機車。完成了燃燒重柴油、重油、高海拔(2 261～2 500 m）、牽引位能和線路運行，乃至改裝航空型輕小燃氣輪機組后所作消聲處理效果檢測等多項試驗。20世紀80年代還設計研制了帶回熱器燃氣輪機和裝用航空型分軸燃氣輪機等兩臺燃氣輪機車，但未完成試制。20世紀60年代也曾研制過自由活塞燃氣輪機車，但未完成試制。

美國正式使用過57臺開式燃氣輪機車，能成功地燃燒重油，其動力裝置運用可靠，制造和修理比較簡單。但這種機車的效率，特別是部分負荷狀態(tài)下的效率遠低于內(nèi)燃機車。20世紀60年代末期，美國重油漲價，這種機車因失去應用的經(jīng)濟價值而停止使用。法國曾成功地使用自由活塞燃氣輪機車，但由于噪聲大而停用。中國在揚燃氣輪機車所長、避其所短方面做了不少工作，取得一定成績，但終因能源結(jié)構(gòu)調(diào)整而中止研制。

2 燃氣輪機車的分類和工作過程

燃氣輪機車按所采用的燃氣輪機類型的不同可分為復式燃氣輪機車和開式燃氣輪機車兩類。燃氣輪機為渦輪動力機械，由靜子（內(nèi)裝若干級靜葉，以改變?nèi)細膺M入動葉的方向）和轉(zhuǎn)子（上裝與靜葉相同級數(shù)的動葉）兩部分組成，高溫高壓的燃氣經(jīng)靜葉導流入動葉，推動動葉即轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，燃氣逐級降溫降壓，將熱能轉(zhuǎn)化為機械能，產(chǎn)生動力。這是兩類燃氣輪機的共性，但產(chǎn)生高溫高壓燃氣的方法則有所不同。復式燃氣輪機是由活塞式燃氣發(fā)生器產(chǎn)生的燃氣推動燃氣輪機的。此類燃氣發(fā)生器又有兩種，一種是自由活塞式發(fā)生器，另一種是連桿活塞式發(fā)生器。開式燃氣輪機是由葉輪壓氣機吸入新鮮空氣壓縮為高壓空氣進入燃燒室，在高壓（定壓）狀態(tài)下燃燒，產(chǎn)生高溫高壓的燃氣，推動燃氣輪機。因為工質(zhì)為開式循環(huán)，故稱開式燃氣輪機車。燃氣輪機車因種類不同，其工作過程也就不同。

2.1 自由活塞燃氣輪機車的工作過程

啟動時將貯氣罐的高壓空氣通入燃氣發(fā)生器，推動自由活塞，將活塞另一側(cè)氣缸中存有的空氣進行壓縮，達到一定壓力和溫度時，高壓噴入的燃料呈霧化狀態(tài)與空氣混合而燃燒，完成壓縮、燃燒、膨脹工作循環(huán)。這時可停止供應高壓空氣，而燃氣發(fā)生器的氣缸自行吸入外界空氣進行再一次循環(huán)，這樣往復循環(huán)。繼續(xù)增加噴入燃料，活塞運動頻率不斷提高，直至工作頻率，啟動過程即告完成。隨后由此產(chǎn)生的高溫高壓燃氣不斷流入燃氣貯存器，再均勻穩(wěn)定地流入燃氣輪機，做功后的廢氣排入大氣。燃氣輪機發(fā)出的功率通過驅(qū)動傳動裝置驅(qū)動機車走行裝置，使機車牽引列車前進。

2.2 連桿活塞燃氣輪機車的工作過程

燃氣發(fā)生器的啟動過程與柴油機相同，啟動后轉(zhuǎn)速不斷增加直至工作轉(zhuǎn)速，爾后，產(chǎn)生的高溫高壓燃氣流入燃氣輪機做功，其工作情況與自由活塞燃氣輪機車相似。

2.3 開式燃氣輪機車的工作過程

開式燃氣輪機組是一體的，其壓氣機與燃氣輪機同軸，燃燒室介于兩者之間，需要較大的運動功率和較長的啟動時間。啟動時需由蓄電池組或柴油發(fā)電機組直接供電啟動，也可由柴油機通過電磁滑差離合器直接啟動燃氣輪機組轉(zhuǎn)子。當轉(zhuǎn)子啟動至預定點火轉(zhuǎn)速，即可將燃料通過噴嘴呈霧化狀噴入燃燒室，同時啟動點火裝置使燃氣輪機組開始工作。轉(zhuǎn)子達到自持轉(zhuǎn)速后啟動電機即可與轉(zhuǎn)子脫開。按預定要求繼續(xù)增加燃料噴入量，燃氣輪機轉(zhuǎn)子繼續(xù)增速，直到空載轉(zhuǎn)速，完成了燃氣輪機的啟動過程。燃氣輪機達到空載轉(zhuǎn)速后，即可按機車牽引工況的要求繼續(xù)增加燃料輸入，使機車啟動并加速到所需的運行速度。燃氣輪機組的壓氣機為多級葉片應氣機，吸入的外界空氣經(jīng)多級壓縮成為高壓空氣，爾后經(jīng)（或不經(jīng)）回熱器進入燃燒室與霧化燃料混合燃燒，推動燃氣輪機做功，廢氣排入大氣。

燃氣輪機發(fā)出的功率約有三分之二用來帶動自身壓氣機，剩余部分作為機車牽引功率和輔助功率。牽引功率通過傳動裝置傳遞給機車走行裝置，驅(qū)動機車前進。燃氣輪機車的傳動裝置功率較小時大多采用機械傳動，功率增大后幾乎全部采用電力傳動。

3 開式燃氣輪機車的動力裝置

開式燃氣輪機組主要由壓氣機、燃燒室、燃氣輪機三大部分組成，并配置控制操縱、啟動裝置，輔助發(fā)電設備，燃油、潤滑、冷卻系統(tǒng)，空氣進氣、廢氣排出及消聲系統(tǒng)。為提高燃氣輪機組熱效率，有的配置了回熱器，即將壓縮的空氣與排放廢氣在回熱器中熱交換以提高空氣溫度。

壓氣機和燃氣輪機均屬葉片渦輪機。隨著科技進步，壓氣機的壓比、燃氣輪機葉片材料耐溫和冷卻技術均在不斷提高，因而熱效率也不斷提高。葉輪機轉(zhuǎn)子和靜子間為無摩擦相對轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子由滾動軸承或液體潤滑滑動軸承支承。燃燒室可燃用天然氣、柴油、重柴油、重油等多種燃料。燃氣輪機組的啟動和輔助發(fā)電設備比較復雜，由于所需啟動功率大、時間長，若用蓄電池供電，蓄電池容量需求很大，為給蓄電池充電，則需配置較大輔助柴油發(fā)電機組。若用輔助柴油發(fā)電機組直接供電或柴油機直接啟動，所需柴油機組也需較大容量。因而在國際上有的燃氣輪機車上，配置了較大輔助柴油發(fā)電機后，不僅供輔助電源之用，還用作出入庫的動力源。

這樣，柴油機的使用時間往往比燃氣輪機還長，顯然不盡如人意。中國的2 940 kW燃氣輪機車在輔助柴油發(fā)電機組與燃氣輪機間設置了電磁滑差離合器，利用電磁滑差離合器傳遞動力的柔性聯(lián)絡和主從動轉(zhuǎn)子的可逆性，啟動時由柴油機通過電磁滑差離合器直接拖動燃氣輪機轉(zhuǎn)子，當燃氣輪機正常運轉(zhuǎn)后又通過電磁滑差離合器反帶輔助發(fā)電機發(fā)電，而柴油機可以脫離，停止工作。出入庫時也可以不啟動燃氣輪機，而由輔助柴油發(fā)電機組供電給一兩個牽引電動機驅(qū)動機車。盡管開式燃氣輪機組均做旋轉(zhuǎn)運動，機車振動小，但進排氣量大，轉(zhuǎn)速高，故進排氣高頻噪聲很大，特別是將較大體積的地面電站型結(jié)構(gòu)的燃氣輪機裝用到機車上，采取消聲措施是受限制的。而輕小結(jié)構(gòu)的航空型燃氣輪機裝用到機車上后，采取消聲措施較容易，效果也較為明顯，振動既小，噪聲也大大小于內(nèi)燃機車。

此外，在燃氣輪機燃用重油時，其加熱保溫措施也甚為重要。例如貯油箱、燃油管路及閥門等凡有重油進入的地方均應有相應的有效加熱保溫措施，防止因事故停機時重油凝固在系統(tǒng)中，保證機組能再次順利啟動。再者，開式燃氣輪機車多數(shù)為電力傳動，由于燃氣輪機為高速旋轉(zhuǎn)的動力機械，而與其匹配的發(fā)電機為中速電機，故兩者之間必須增設大減速比、大功率的減速器，多數(shù)采用兩級平行軸減速齒輪箱，有的也采用單級大功率、大減速比行星減速器。開式燃氣輪機車的操縱電控也相應有特殊性，為簡化啟動操縱，采用了自動程序啟動；為適應牽引動力恒功率控制的要求，對機組亦采用恒功率調(diào)節(jié)；對采用電磁滑差離合器的柴油發(fā)電機組，不僅在柴油機帶動輔助發(fā)電機時要進行恒電壓頻率控制，在燃氣輪機通過電磁滑差離合器反帶輔助發(fā)電機發(fā)電時，也需進行恒電壓恒頻率自動控制。

4 復式燃氣輪機車動力裝置

自由活塞式動力裝置由自由活塞燃氣發(fā)生器、燃氣貯存器和牽引燃氣輪機組成；連桿活塞式燃氣輪機則由連桿活塞燃氣發(fā)生器、空氣壓縮機和牽引燃氣輪機組成。兩種燃氣發(fā)生器均類似壓燃式柴油機的工作原理。連桿活塞燃氣發(fā)生器實際是一臺立式二沖程對置活塞柴油機，上活塞直接與空氣壓縮機的活塞連接，下活塞經(jīng)連桿驅(qū)動曲軸，由曲軸拖動輔助發(fā)電機。而自由活塞式則用輔助柴油機帶動輔助發(fā)電機。復式燃氣輪機車均采用機械傳動，牽引燃氣輪機的轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動機械傳動齒輪箱。其他如冷卻裝置、燃油、潤滑、啟動系統(tǒng)等設施，兩者基本相同。機車的其他部分也與內(nèi)燃機車相似。

5 燃氣輪機車未來發(fā)展趨勢及應用前景

燃氣輪機車較內(nèi)燃機車和電力機車出現(xiàn)更晚，曾有一些國家的專業(yè)人士探索將燃氣輪機車發(fā)展為一種新的牽引動力，但受其自身的約束而未獲發(fā)展[4]。這是由于燃氣輪機車的特長未能發(fā)揮，不適應鐵路牽引動力的需要，相反其弱點卻表現(xiàn)得比較明顯，例如燃氣輪機車效率特別是部分負荷時的效率遠低于內(nèi)燃機車，啟動操縱輔助系統(tǒng)比較復雜，噪聲大，等等。

隨著鐵路高速、重載發(fā)展的需要，要求大幅提高機車功率，提高比功率（機車功率、機車重量），新型的輕小型燃氣輪機比功率大，熱效率已大為提高，可大幅提高機車的單節(jié)功率，因而又引起一些以內(nèi)燃機車為主的國家的關注[5]。20世紀90年代以來，美國在高速客運方面對燃氣輪機車進行了一些新的嘗試。1994年裝有燃氣輪機的客運機車完成了200 km/h運行試驗，該機車體現(xiàn)了機車重量輕、限界尺寸小、比功率大、軸重小的優(yōu)點，其對軌道壓力較內(nèi)燃機車減少25%，可以在現(xiàn)有的標準軌道上高速運行[6-7]。噪聲也得到有效處理，還完成了天然氣、甲烷、柴油等多種燃料的對比試驗，并投入了運行試驗。但是燃氣輪機車能否在以內(nèi)燃機車為主的國家或利用其高原功率降低較少的特長在高寒地區(qū)占有一席之地，有待其能否真正揚長避短，通過嚴格的技術經(jīng)濟、運用維修等多方面的實踐檢驗[8]。

6 結(jié)論

燃氣輪機車的特點是功率大、重量輕，適用于高速客運機車。目前，國家鐵路運輸已在大力發(fā)展電氣化鐵路，燃氣輪機車及傳統(tǒng)內(nèi)燃機車等熱力機車的應用環(huán)境受到了進一步的挑戰(zhàn)。考慮到燃氣輪機在高原地區(qū)的性能特點，以及高原地區(qū)不便于布設電氣化設施的情況，燃氣輪機車依然有一定的應用前景，但考慮到其較高的燃油消耗率，一定程度上限制了其應用與推廣。