Ryszard Piech
Lokomotywa RŻD z gazową turbiną
(2009-01-27)

Po latach zastojów również rosyjski przemysł budowy pojazdów szynowych zaczyna ożywać, czego efektem jest lokomotywa z turbiną gazową oznaczona jako ГT1-001 (GT1-001). Unikatowy charakter tego pojazdu sprawia, że warto przyjrzeć się mu bliżej pomimo faktu, że lokomotywa ta ma służyć ciągnięciu pociągów towarowych.

Geneza problemu


Rosja to bardzo rozległy kraj, bogaty w szereg złóż naturalnych w tym i ropy naftowej oraz gazu. W związku z tym ceny paliw były zawsze na niskim poziomie, co sprawiało, że elektryfikacja szlaków kolejowych miała sens jedynie na głównych ciągach. Jednak poza nimi istnieje szereg linii pozbawionych sieci trakcyjnej, które jednocześnie są obciążone dużą ilością transportowanych towarów. Dlatego też w Rosji (dawnym ZSRR) bardzo szybko pojawiły się lokomotywy spalinowe o dużych mocach, pozwalając na zwiększenie wydajności transportu w stosunku do pociągów prowadzonych wcześniej parowozami. Jednak wraz z rozwojem trakcji elektrycznej pojawiły się lokomotywy wieloczłonowe o mocy 8-9 MW i mogących uciągnąć pociąg złożony z 120 wagonów o łącznej masie 8000 ton. Dzięki temu efektywność przewozów na głównych szlakach znacznie wzrosła, niestety nie było to możliwe na trasach niezelektryfikowanych, gdzie taki pociąg musi być dzielony na dwa. W związku z tym RŻD poszukiwało rozwiązania tego problemu, które doprowadziły do stwierdzenia, iż zbudowanie lokomotywy spalinowej o mocy powyżej 4,4 MW jest technicznie niemożliwe, natomiast w założeniach miał powstać pojazd o mocy 8 MW. Efektem tego stało się poszukiwanie alternatywnego napędu pozwalającego osiągnąć zakładane parametry bez elektryfikacji szlaków. Takim rozwiązaniem okazała się koncepcja lokomotywy z turbiną gazową.

Lokomotywa z turbinÄ…


Sam pomysł lokomotyw o takim napędzie nie jest nowy, ponieważ w latach 1938 –1972 testowano szereg różnego typu rozwiązań w Szwajcarii, Francji (RTG i prototyp TGV), USA oraz ZSRR. Jednak pomimo osiągnięcia zmniejszonego o 30-50% zużycia paliwa oraz sześciokrotnie mniejszego zużycia olejów smarnych przez te pojazdy nigdzie nie zdecydowano się na ich masową produkcję. Turbiny znalazły zastosowanie jedynie w serii szybkich wagonów RTG kolei SNCF oraz pociągów TurboTrain w USA i Kanadzie. W 2002 roku Bombardier ogłosił projekt pociągów dużej prędkości JetTrain, które bazowały na składach Acela, z tą różnicą, że aparaturę elektryczną zastąpiła turbina gazowa. Niestety i ten projekt pozostał bez echa w postaci zamówień. Jednak z drugiej strony oceanu Rosja od lat 1980-tych prowadziła prace badawcze nad turbinami gazowymi, początkowo małej mocy. To pozwoliło w 1998 roku zabudować turbinę o mocy 882kW w lokomotywie TEM19G. Dzięki tym doświadczeniom oraz zbudowaniu jeszcze dwóch prototypów zyskano odpowiednie doświadczenie do konstrukcji turbiny o dużej wydajności. Centrum Naukowo Techniczne Kuzniecowa w Samarze opracowało projekt turbiny gazowej o mocy do 8,3 MW, która była napędzana płynnym gazem ziemnym (LNG). Decyzja o zastosowaniu gazu płynnego, zamiast sprężonego wynikała z dokonanych kalkulacji według których lokomotywa o pożądanej mocy przy zasilaniu CNG musiałaby ważyć 800 t podczas gdy technologia LNG pozwala na osiągnięcie masy 300 t.

Prototypowa lokomotywa Đ“T1-001 (GT1-001)


Po wybraniu właściwej turbiny przystąpiono do prac konstrukcyjnych pierwszej lokomotywy ГT1-001 (GT1-001), która powstawała pod auspicjami Centralnego Rosyjskiego Instytutu pojazdów kolejowych VNIKTI w mieście Kołomna pod Moskwą. Dla celów przyspieszenia prac zdecydowano się zabudować turbinę na ramie i wózkach lokomotywy elektrycznej WŁ15. Bazowy dwusekcyjny pojazd cechuje się dużą mocą zainstalowanych silników i układem osi Bo’Bo’Bo’+ Bo’Bo’Bo’, tak więc przy zakładanej masie 300t pozwala na osiągnięcie nacisku na oś rzędu 25t. VNIKTI opracowało i dokonało stacjonarnych testów urządzeń pokładowych dla nowej lokomotywy, a następnie nadzorowali montaż tych urządzeń na pokładzie. ГT1-001 (GT1-001) składa się z dwóch sekcji, gdzie w jednej zainstalowano turbinę gazową wraz z podłączonym do niej alternatorem oraz urządzeniami trakcyjnymi, natomiast drugi człon jest w zasadzie olbrzymim zbiornikiem płynnego gazu. Zbiornik ten mieści 17 t gazu pozwalającego na pokonanie 1000 km. W pozostałej wolnej przestrzeni został zabudowany układ utrzymujący odpowiednią temperaturę gazu oraz pomocniczy agregat spalinowy o mocy 400kW do prowadzenia prac manewrowych. Na jednym końcu każdej sekcji znajduje się nieprzechodnia kabina maszynisty wyposażona w komputerowe urządzenia monitorujące pracę maszyny, a dla ułatwienia prac manewrowych zabudowano na czołach kamery wideo pokazujące obraz sprzed pojazdu. Oba człony są spięte na stałe i wyposażone w przejście między nimi. Z racji zastosowania turbiny o dużej mocy oraz dużego zbiornika gazu pojazd został wyposażony w system czujników gazu.

Jazdy testowe


Testy statyczne lokomotywy rozpoczęły sie w 2006 roku i wymagały wprowadzenia szeregu regulacji w tym i opracowania praktycznie od podstaw układu dostarczającego paliwo. Dopiero w maju 2008 roku lokomotywa opuściła bramy zakładu napraw lokomotyw spalinowych w Samarze i wyruszyła na testy. W dniu 20 grudnia 2008 roku ГT1-001 (GT1-001) uciągnęła pociąg o masie 10000 ton złożony ze 116 wagonów. Dzięki temu o krok bliżej jest seryjna produkcja tych lokomotyw, które mają przynieść oszczędności dla RŻD z racji niższej ceny gazu od oleju napędowego. Oszczędności te są rocznie szacowane na 230000 €dla jednej lokomotywy ciągnącej pociąg o masie 6500 t lub 320000 €dla pociągu o masie 8000 t. Dodatkowo lokomotywa emituje zaledwie 1/20 zanieczyszczeń w porównaniu z tradycyjnymi spalinowymi. Według wyliczeń RŻD przeprowadzonych w 2006 roku 34250 km z 84707 km niezelektryfikowanych szlaków nadaje się do wprowadzenia na nich lokomotyw z turbinami gazowymi. Według planów RŻD do 2030 roku 30% obecnego zużycia oleju napędowego ma zostać zastąpione poprzez pojazdy o napędzie gazowym.
Czas pokaże, czy lokomotywy z turbinami gazowymi przyjmą się na kolejach rosyjskich. Przeprowadzone przez ekspertów obliczenia oraz wyniki eksploatacyjne zdają się potwierdzać zasadność zastosowania właśnie tego typu napędu do najcięższych pociągów towarowych na niezelektryfikowanych liniach. Doświadczenia te pokazują również jak dużym upośledzeniem dla kolei jest stosowanie silników spalinowych, które są głównym ogranicznikiem osiągów pojazdów spalinowych. Jak widać zastąpienie silnika spalinowego poprzez turbinę gazową pozwala na osiągnięcie parametrów lokomotyw elektrycznych. Niestety technologia ta w obecnych realiach (zwłaszcza w Europie) może natrafić na blokadę w postaci problemów z dużym poziomem emitowanego hałasu wynoszącym 120dB, który można przyrównać do startującego samolotu, gdyż turbina działa na podobnej zasadzie. Jednak na bezludnych obszarach Syberii i Uralu, gdzie te maszyny mają w głównej mierze służyć, takie mankamenty zdają się schodzić na drugi plan.