燃气轮机车的应用与发展

伍赛特

上海汽车集团股份有限公司

0 前言

燃气轮机车是一类以燃气轮机为动力来源，通过传动装置驱动走行装置的铁路牵引动力机车[1]。燃气轮机车由动力装置、传动装置、车体车架、走行制功装置、操作控制系统和辅助系统等部分组成，除燃气轮机动力装置和与其相关的传动、控制操纵、辅助装置有其特殊性外，其它部分与内燃机车基本相似。燃料在燃气轮机内燃烧做功，一般用电力传动装置驱动车轮。

1 燃气轮机车发展概况

最早燃气轮机车采用的是复式燃气轮机。1933年瑞典制成一台480 kW的自由活塞燃气轮机车，1955年又制成一台950 kW的连杆活塞燃气轮机车。1951年法国先后制成735 kW和1 770 kW的自由活塞燃气轮机车，并投入运行。1954年苏联创造了一台2 210 kW的自由活塞燃气轮机车[2]，除这一台采用电力传动外，上述其他几台机车均采用机械传动。

开式燃气轮机车产生较晚。1941年瑞士首先制造出功率为1 620 kW的开式燃气轮机车。从1948年到20世纪50年代末，美国制造出功率分别为2 980 kW、3 580 kW、6 384 kW的燃气轮机车小批量投入正式运用[3]。美国还试制过一台3 730 kW的直接燃烧煤粉的燃气轮机车，但未获成功。

中国于20世纪60年代至70年代亦先后试制成2 210 kW和2 940 kW燃气轮机车。完成了燃烧重柴油、重油、高海拔(2 261～2 500 m）、牵引位能和线路运行，乃至改装航空型轻小燃气轮机组后所作消声处理效果检测等多项试验。20世纪80年代还设计研制了带回热器燃气轮机和装用航空型分轴燃气轮机等两台燃气轮机车，但未完成试制。20世纪60年代也曾研制过自由活塞燃气轮机车，但未完成试制。

美国正式使用过57台开式燃气轮机车，能成功地燃烧重油，其动力装置运用可靠，制造和修理比较简单。但这种机车的效率，特别是部分负荷状态下的效率远低于内燃机车。20世纪60年代末期，美国重油涨价，这种机车因失去应用的经济价值而停止使用。法国曾成功地使用自由活塞燃气轮机车，但由于噪声大而停用。中国在扬燃气轮机车所长、避其所短方面做了不少工作，取得一定成绩，但终因能源结构调整而中止研制。

2 燃气轮机车的分类和工作过程

燃气轮机车按所采用的燃气轮机类型的不同可分为复式燃气轮机车和开式燃气轮机车两类。燃气轮机为涡轮动力机械，由静子（内装若干级静叶，以改变燃气进入动叶的方向）和转子（上装与静叶相同级数的动叶）两部分组成，高温高压的燃气经静叶导流入动叶，推动动叶即转子旋转，燃气逐级降温降压，将热能转化为机械能，产生动力。这是两类燃气轮机的共性，但产生高温高压燃气的方法则有所不同。复式燃气轮机是由活塞式燃气发生器产生的燃气推动燃气轮机的。此类燃气发生器又有两种，一种是自由活塞式发生器，另一种是连杆活塞式发生器。开式燃气轮机是由叶轮压气机吸入新鲜空气压缩为高压空气进入燃烧室，在高压（定压）状态下燃烧，产生高温高压的燃气，推动燃气轮机。因为工质为开式循环，故称开式燃气轮机车。燃气轮机车因种类不同，其工作过程也就不同。

2.1 自由活塞燃气轮机车的工作过程

启动时将贮气罐的高压空气通入燃气发生器，推动自由活塞，将活塞另一侧气缸中存有的空气进行压缩，达到一定压力和温度时，高压喷入的燃料呈雾化状态与空气混合而燃烧，完成压缩、燃烧、膨胀工作循环。这时可停止供应高压空气，而燃气发生器的气缸自行吸入外界空气进行再一次循环，这样往复循环。继续增加喷入燃料，活塞运动频率不断提高，直至工作频率，启动过程即告完成。随后由此产生的高温高压燃气不断流入燃气贮存器，再均匀稳定地流入燃气轮机，做功后的废气排入大气。燃气轮机发出的功率通过驱动传动装置驱动机车走行装置，使机车牵引列车前进。

2.2 连杆活塞燃气轮机车的工作过程

燃气发生器的启动过程与柴油机相同，启动后转速不断增加直至工作转速，尔后，产生的高温高压燃气流入燃气轮机做功，其工作情况与自由活塞燃气轮机车相似。

2.3 开式燃气轮机车的工作过程

开式燃气轮机组是一体的，其压气机与燃气轮机同轴，燃烧室介于两者之间，需要较大的运动功率和较长的启动时间。启动时需由蓄电池组或柴油发电机组直接供电启动，也可由柴油机通过电磁滑差离合器直接启动燃气轮机组转子。当转子启动至预定点火转速，即可将燃料通过喷嘴呈雾化状喷入燃烧室，同时启动点火装置使燃气轮机组开始工作。转子达到自持转速后启动电机即可与转子脱开。按预定要求继续增加燃料喷入量，燃气轮机转子继续增速，直到空载转速，完成了燃气轮机的启动过程。燃气轮机达到空载转速后，即可按机车牵引工况的要求继续增加燃料输入，使机车启动并加速到所需的运行速度。燃气轮机组的压气机为多级叶片应气机，吸入的外界空气经多级压缩成为高压空气，尔后经（或不经）回热器进入燃烧室与雾化燃料混合燃烧，推动燃气轮机做功，废气排入大气。

燃气轮机发出的功率约有三分之二用来带动自身压气机，剩余部分作为机车牵引功率和辅助功率。牵引功率通过传动装置传递给机车走行装置，驱动机车前进。燃气轮机车的传动装置功率较小时大多采用机械传动，功率增大后几乎全部采用电力传动。

3 开式燃气轮机车的动力装置

开式燃气轮机组主要由压气机、燃烧室、燃气轮机三大部分组成，并配置控制操纵、启动装置，辅助发电设备，燃油、润滑、冷却系统，空气进气、废气排出及消声系统。为提高燃气轮机组热效率，有的配置了回热器，即将压缩的空气与排放废气在回热器中热交换以提高空气温度。

压气机和燃气轮机均属叶片涡轮机。随着科技进步，压气机的压比、燃气轮机叶片材料耐温和冷却技术均在不断提高，因而热效率也不断提高。叶轮机转子和静子间为无摩擦相对转动，转子由滚动轴承或液体润滑滑动轴承支承。燃烧室可燃用天然气、柴油、重柴油、重油等多种燃料。燃气轮机组的启动和辅助发电设备比较复杂，由于所需启动功率大、时间长，若用蓄电池供电，蓄电池容量需求很大，为给蓄电池充电，则需配置较大辅助柴油发电机组。若用辅助柴油发电机组直接供电或柴油机直接启动，所需柴油机组也需较大容量。因而在国际上有的燃气轮机车上，配置了较大辅助柴油发电机后，不仅供辅助电源之用，还用作出入库的动力源。

这样，柴油机的使用时间往往比燃气轮机还长，显然不尽如人意。中国的2 940 kW燃气轮机车在辅助柴油发电机组与燃气轮机间设置了电磁滑差离合器，利用电磁滑差离合器传递动力的柔性联络和主从动转子的可逆性，启动时由柴油机通过电磁滑差离合器直接拖动燃气轮机转子，当燃气轮机正常运转后又通过电磁滑差离合器反带辅助发电机发电，而柴油机可以脱离，停止工作。出入库时也可以不启动燃气轮机，而由辅助柴油发电机组供电给一两个牵引电动机驱动机车。尽管开式燃气轮机组均做旋转运动，机车振动小，但进排气量大，转速高，故进排气高频噪声很大，特别是将较大体积的地面电站型结构的燃气轮机装用到机车上，采取消声措施是受限制的。而轻小结构的航空型燃气轮机装用到机车上后，采取消声措施较容易，效果也较为明显，振动既小，噪声也大大小于内燃机车。

此外，在燃气轮机燃用重油时，其加热保温措施也甚为重要。例如贮油箱、燃油管路及阀门等凡有重油进入的地方均应有相应的有效加热保温措施，防止因事故停机时重油凝固在系统中，保证机组能再次顺利启动。再者，开式燃气轮机车多数为电力传动，由于燃气轮机为高速旋转的动力机械，而与其匹配的发电机为中速电机，故两者之间必须增设大减速比、大功率的减速器，多数采用两级平行轴减速齿轮箱，有的也采用单级大功率、大减速比行星减速器。开式燃气轮机车的操纵电控也相应有特殊性，为简化启动操纵，采用了自动程序启动；为适应牵引动力恒功率控制的要求，对机组亦采用恒功率调节；对采用电磁滑差离合器的柴油发电机组，不仅在柴油机带动辅助发电机时要进行恒电压频率控制，在燃气轮机通过电磁滑差离合器反带辅助发电机发电时，也需进行恒电压恒频率自动控制。

4 复式燃气轮机车动力装置

自由活塞式动力装置由自由活塞燃气发生器、燃气贮存器和牵引燃气轮机组成；连杆活塞式燃气轮机则由连杆活塞燃气发生器、空气压缩机和牵引燃气轮机组成。两种燃气发生器均类似压燃式柴油机的工作原理。连杆活塞燃气发生器实际是一台立式二冲程对置活塞柴油机，上活塞直接与空气压缩机的活塞连接，下活塞经连杆驱动曲轴，由曲轴拖动辅助发电机。而自由活塞式则用辅助柴油机带动辅助发电机。复式燃气轮机车均采用机械传动，牵引燃气轮机的转子直接驱动机械传动齿轮箱。其他如冷却装置、燃油、润滑、启动系统等设施，两者基本相同。机车的其他部分也与内燃机车相似。

5 燃气轮机车未来发展趋势及应用前景

燃气轮机车较内燃机车和电力机车出现更晚，曾有一些国家的专业人士探索将燃气轮机车发展为一种新的牵引动力，但受其自身的约束而未获发展[4]。这是由于燃气轮机车的特长未能发挥，不适应铁路牵引动力的需要，相反其弱点却表现得比较明显，例如燃气轮机车效率特别是部分负荷时的效率远低于内燃机车，启动操纵辅助系统比较复杂，噪声大，等等。

随着铁路高速、重载发展的需要，要求大幅提高机车功率，提高比功率（机车功率、机车重量），新型的轻小型燃气轮机比功率大，热效率已大为提高，可大幅提高机车的单节功率，因而又引起一些以内燃机车为主的国家的关注[5]。20世纪90年代以来，美国在高速客运方面对燃气轮机车进行了一些新的尝试。1994年装有燃气轮机的客运机车完成了200 km/h运行试验，该机车体现了机车重量轻、限界尺寸小、比功率大、轴重小的优点，其对轨道压力较内燃机车减少25%，可以在现有的标准轨道上高速运行[6-7]。噪声也得到有效处理，还完成了天然气、甲烷、柴油等多种燃料的对比试验，并投入了运行试验。但是燃气轮机车能否在以内燃机车为主的国家或利用其高原功率降低较少的特长在高寒地区占有一席之地，有待其能否真正扬长避短，通过严格的技术经济、运用维修等多方面的实践检验[8]。

6 结论

燃气轮机车的特点是功率大、重量轻，适用于高速客运机车。目前，国家铁路运输已在大力发展电气化铁路，燃气轮机车及传统内燃机车等热力机车的应用环境受到了进一步的挑战。考虑到燃气轮机在高原地区的性能特点，以及高原地区不便于布设电气化设施的情况，燃气轮机车依然有一定的应用前景，但考虑到其较高的燃油消耗率，一定程度上限制了其应用与推广。