Modelbane Europa - Europas største computerstyrede modelbane
Modelbane Europa
Hadsten Centeret

Østergade 9 - 8370 Hadsten
Telefon 86 91 58 22


Tilbage til teknik or historie

Gasturbinen som lokomotivmotor

 

Historie.

Som de fleste revolutionerende »nyheder« i vor tid er også gasturbinen som kraftmaskine en gammel historie. Allerede i 1791 fik en englænder, John Barber, patent på en maskine, der, selv om den arbejdede med en blanding af damp og varm luft, måtte betegnes som en virkelig gasturbine. Nogen praktisk betydning fik Barber's maskine dog ikke, og der skulle endnu gå omtrent 100 år, før tanken blev taget op igen. Det var igen en englænder Parsons - der konstruerede en brugelig turbine, men selv om patentet lød på »en turbine, der drives med vanddamp eller varme gasarter«, gik Parsons alene ind for at anvende damp som det drivende medium, og det er som dampturbinens opfinder hans navn huskes.

Imidlertid gled initiativet på gasturbinens område nu fra englænderne, idet et fransk firma i 1905 konstruerede den første brugbare gasturbine, som hurtigt efterfulgtes af en tysk (i 1908), der udviklede ikke mindre end 7.000 HK. Den ingeniørmæssige indsigt og især kendskabet til materialernes egenskaber under påvirkning af høje temperaturer var dog stadig for ringe til, at gasturbinen kunne udvikles til en praktisk anvendelig kraftmaskine, og der bliver derfor en pause i udviklingen op til 1938, hvor det store schweiziske firma BrownBoveri byggede et gasturbineanlæg på ca. 5.000 HK til brug i et elektricitetsværk, som kørte i minimum 50 år.

Dette arbejde, i forbindelse med krigens behov for gasturbinen til brug i jet-fly, satte igen fart i udviklingen, og allerede i 1941 fremkom det første gasturbinelokomotiv, der hurtigt efterfulgtes af flere.

Hvad betyder »gasturbine« egentlig?

Betegnelsen »gasturbine« kan måske virke lidt forvirrende, idet det leder tanken hen på, at brændstoffet skal være gas under en eller anden form. En gasturbine kan udmærket køre på gas, men oprindelig er navnet valgt for at adskille denne turbinetype fra damp- og vandturbiner, idet »gas« på engelsk betegner en luftart, og da en gasturbine, som de fleste andre kraftmaskiner er en varmemaskine, betyder navnet altså blot en turbine," der drives ved hjælp af varm luft.

Hvorledes de varme luftarter frembringes, er sagen uvedkommende, og gasturbiner kan da også fremstilles for så forskellige brændstoffer som jordgas, dieselolie, vegetabilsk olie,. kedelolie, kulstøv o.m.a.

Gasturbinens virkemåde.

Det arbejdende stof i en gasturbine er atmosfærisk luft, der i virkeligheden underkastes samme processer, som for dieselmotorens vedkommende, nemlig; kompression, opvarmning ved forbrænding af olie og endelig ekspansion til omtrent det oprindelige tryk under afgivelse af arbejde. Men medens disse tre processer i en dieselmotors cylinder må finde sted successive, fordi de styres af ét og samme stempel, har gasturbinen tre forskellige komponenter, der hver varetager sin del af den samlede arbejdsgang, og gasturbinen udvikler derfor konstant arbejde, medens dieselmotoren nødvendigvis må have døde perioder mellem hver arbejdstakt.

I sin mest simple (og hyppigst anvendte) form er en gasturbine indrettet som vist på figuren. Luften suges ind i kompressoren til venstre, og her sammentrykker den til ca. 4 atmosfæres tryk, samtidig med at luftens temperatur stiger på grund af kompressionsvarmen. Den komprimerede luft føres videre til et brændkammer, hvor brændstoffet sprøjtes ind i en stadig, fint forstøvet stråle, og i det rødglødende kammer antændes olien øjeblikkelig, og forbrændingen hæver luftens temperatur til ca. 750° C. Den varme forbrændingsgas, der stadig har omtrent samme tryk (en smule mindre på grund af tryktab), ledes derefter til arbejdsturbinen, hvor gassens varmeenergi ved ekspansionen omsættes til mekanisk arbejde, der dels anvendes til at trække kompressoren og dels kan afgives til f. eks. en dynamo, der kobles til turbineakslen.

Man kan næsten sige, at gasturbinen er værst ved sig selv, for i et anlæg, hvor turbinen f. eks. kan udvikle ialt 7.000 HK, forsvinder de fleste direkte i dens egen kompressor, . idet denne kræver ca. 5.000 HK til kompression af den nødvendige luft, og tilbage til »nyttigt« arbejde bliver således kun 2.000 HK. Den viste gasturbine suger luften ind direkte fra atmosfæren, og efter endt brug blæses den igen ud i det fri. Dette arrangement kaldes derfor en åben gasturbine, og langt de fleste eksisterende anlæg arbejder efter dette simple princip.

Det kan dog være formålstjenligt (f.eks. når brændstoffet er kulstøv) at arbejde med et lukket kredsløb, hvor udstødsgassen efter endt kompression køles af og ledes tilbage til kompressoren igen. I sådanne tilfælde kan man selvfølgelig ikke lade brændstoffet brænde direkte i kredsløbet, da den disponible ilt i luften hurtigt ville blive opbrugt, og forbrændingen foregår derfor uden for kredsløbet, idet luften så opvarmes ved varmeoverførsel fuldstændig som tilfældet er det i en almindelig dampkedel.

Turbine, kompressor og brændkammer.

Figuren viser, hvorledes en gasturbine til lokomotivbrug er indrettet. Til højre og venstre ses henholdsvis turbine og kompressor, der begge er af axial-typen, d.v.s. luften passerer igennem dem parallelt med omdrejningsaksen, og imellem disse to komponenter findes 7 brændkamre i en rundkreds om akslen. Turbinen er koblet direkte til kompressoren og herfra trækkes også en jævnstrømsdynamo, der leverer strøm til lokomotivets banemotorer, idet koblingen dog må ske gennem et reduktionsgear, som nedsætter turbinens ca. 7000 o/m til de 1500 o/m, der er passende for dynamoen.

Turbine og kompressor.

Turbinen er gasturbinens vigtigste element, idet det er her, de varme gasarters tryk og temperatur omsættes til mekanisk arbejde. Den er som vist til venstre, opbygget som en roterende tromle der er forsynet med to rækker skovle - de såkaldte. løbeskovle, idet de løber med turbinen rundt. Foran hvert sæt løbeskovle findes en række ledeskovle, som er fastgjort i det omgivne turbinehus. Ledeskovlene har til opgave at styre gasstømmen, således at den rammer løbeskovlene under den mest fordelagtige vinkel. En række ledeskovle med efterfølgende løbeskovle benævnes et trin, og antallet af turbinetrin kan variere fra 1 i f. eks. en jetmotor op til 10 i en gasturbine til stationære formål.
Turbinens virkemåde er lidt forenklet illustreret på figuren til højre. I ledeskovlene udvider gassen sig, idet tryk og varme omsættes til hastighed, så luftstrømmen, når den rammer løbeskovlene, kan have en hastighed på flere gange lydens. Løbeskovlenes facon tvinger luften til at ændre retning hvorved en del af dens hastigheds energi afgives til skovlen i form af tryk, og det er dette tryk, der får turbinehjulet til at dreje rundt.

Da det er begrænset, hvor stort et tryk, der med fordel kan omsættes til hastighed i et enkelt trin, deler man ekspansionen op i flere på hinanden følgende skovlrækker, men da gassen, efterhånden som trykket falder, fylder mere og mere, kræver den mere plads, og de sidste turbinetrin har derfor længere skovle med større gennemstrømningsarealer, så gassens passage ikke hindres mere end højst nødvendigt.

Kompressoren er i denne maskine udført efter samme princip som turbinen, men da det er vanskeligere at bygge et tryk op, end at lade det blæse ned, må kompressionen ske mere nænsomt, og kompressorens beskovling er derfor udført med langt flere trin end turbinens. Ved kompressionen formindskes den indsugede luftmængdes rumfang hele tiden, og kompressorskovlenes gennemstrømningsarealer reduceres derfor efterhånden som kompressionen skrider frem, idet skovllængden gøres kortere.

Brændkammer.

Den viste gasturbine har som nævnt i alt 7 brændkamre, og et af dem er vist gennemskåret herunder. Brændkammeret består af en dobbelt cylinder, fremstillet af varmebestandigt stål. Den indre cylinder udgør det egentlige brændkammer, og den er derfor i den ende, hvor luften kommer ind, forsynet med en brænder, hvorfra der konstant sprøjtes fint forstøvet brændstof ind i den forbistrømmende luft. Kun den del af luften, der gennem åbningen omkring dysen hvirvler ind i brændkammeret, deltager direkte i forbrændingen. Den største luftmængde ledes udenom det indre brændkammer og blandes først op med forbrændingsgassen i kammerets nederste ende, hvor luften strømmer ind gennem en hel række huller.

Der er flere grunde til at lede forbrændingen på denne måde. En effektiv forbrænding af brændstoffet kræver, at luften sættes i en kraftig hvirvelbevægelse, så den kan blive blandet godt op med de fint fordelte oliedråber, men at sætte luften i bevægelse koster energi, der går tabt, og man søger derfor at begrænse tabet ved kun at hvirvle op i den strengt nødvendige luftmængde. Det er ligeledes af vigtighed at holde den forreste del af brændkammeret glødende, så tændingen holdes vedlige, og dette er lettere, når kammeret ikke passeres af en alt for stor luftmængde, der kun virker kølende.

Gasturbinens brændstofforbrug.

Gasturbinens største ulemper er dens store brændstofforbrug og de høje varmepåvirkninger. De høje temperaturer er selvfølgelig en hård belastning for brændkammerets vægge, men værst går det dog ud over løbeskovlene, der samtidig udsættes for meget kraftige mekaniske påvirkninger. Det brændstof, der benyttes i gasturbiner, har tillige ofte et stort askeindhold, der i de høje temperaturer virker så stærkt korroderende på skovlmaterialerne, at man har haft turbiner, hvor skovlene simpelthen er tæret væk efter få timers drift. Turbinens virkningsgrad, d.v.s. dens evne til at udnytte brændstoffets energiindhold, stiger med temperaturen, og en lav gastemperatur er derfor ensbetydende med et stort brændstofforbrug. Man har med held forsøgt at luftkøle skovlene under gangen, eller - med mindre held - fremstille dem af varmebestandige keramiske materialer, der desværre ikke besidder stor styrke overfor mekaniske påvirkninger.

En stor del af gasturbinens tab hidrører fra, at gastemperaturen efter ekspansionen er temmelig høj, men en del af den varmemængde, der går tabt her, kan genvindes. Ledes gassen efter ekspansionen til en såkaldt varmeudveksler som vist på figuren herunder, benyttes en del af varmen til at forvarme den friske luft, og der skal derfor forbrændes mindre olie for at nå de samme gastemperaturer, hvorved anlæggets virkningsgrad forbedres.

En af gasturbinens svagheder skal nævnes, nemlig dens følsomhed overfor strømningsmodstande og kompressoreffektivitet. Det er meget store luftmængder, der strømmer igennem en gasturbine i fuld gang, og det er derfor forståeligt, at blot en lille forøgelse af luftens strømningsmodstand er nok til at formindske turbinens afgivne ydelse, der jo kun er en ringe brøkdel af totalarbejdet, betydeligt. Dette er bl. a. grunden til, at man ikke får det fulde udbytte af varmeudveksleren, idet den længere rørpassage foranger modstanden, så turbinens nyttige trykfald bliver mindre, som antydet på figuren.

Hertil kommer, at en luftkompressor er et meget følsomt apparat, hvis virkningsgrad ødelægges, blot der lægger sig lidt støv på skovlene. Luftindsugningen må derfor ske gennem kæmpestore luftfiltre, der optager en mængde plads.

En anden svaghed ved urbinen er at dens effektivitet kun er god ved fuldlast. Køre den kun med halv belastning, bruger den forholdsvis meget brændstof. Derfor skal et turbinedrevet lokomotiv altid belastes fuldt ud, for at vinde den brændstofbesparelse en turbine kan give. En turbine er altså ideel som booster ved igangsætning, eller ved meget tunge tog.

Transmission.

Gasturbinelokomotiver har i almindelighed transmissionssystemer fuldstændig svarende til, det system der er i diesellokomotiver. De fleste driver elektriske dynamoer, der fremstiller strøm til banemotorerne, men der er også eksempler på gasturbinelokomotiver med mekanisk kraftoverføring gennem en gearkasse (her er arbejdsturbinen delt op i to, hvoraf den ene trækker kompressoren, og den anden er fast koblet til hjulene gennem gearkassen), eller hydraulisk transmission med momentforstærker. Principielt egner gasturbinen sig fortræffeligt til de to sidste former for kraftoverføring, der tillige er de enkleste at fremstille. En turbine er nemlig i stand til at give en stor trækkraft over et meget bredt omdrejningsområde, og skulle således ikke som en dieselmotor behøve så mange forskellige gearingsforhold, men desværre har den et meget stort brændstofforbrug under forhold, der, som ved start og acceleration, afviger fra de normale driftomstændigheder, og man vælger derfor i almindelighed at udføre transmissionen elektrisk, så gasturbinen kan løbe med nogenlunde konstant omdrejningstal under alle forhold.

Hjælpemaskineri.

Ligesom alle andre lokomotiver, må også gasturbinelokomotivet udstyres med en del hjælpemaskineri, både til lokomotivets egen drift og til brug i det tilkoblede tog.

Typisk er selve gasturbinen med hoveddynamoer er placeret midt i lokomotivet på et fælles fundament. Gasturbinen startes elektrisk, idet en startmotor bringer turbine og kompressor op på det nødvendige omdrejningstal, hvorefter et tændrør placeret i brændkammeret sørger for tænding af olien, indtil motoren er varm nok selv. Den nødvendige strøm til startmotoren leveres af en hjælpedieselmotor, der ofte er så stor, at den er i stand til at føde banemotorerne under rangering, så gasturbinen ikke behøver at startes under sådanne forhold.

Hvilke tog med gasturbiner.

I Tyskland eksperimenterede man lidt med gasturbiner i diesellokomotiver som "booster" til starthjælp og ved bjergkørsel. V 169.001 (BR 219) prototypelokomotivet havde en 900 HK's gasturbine og de 8 lokomotiver i BR 210 serien fik en 1200 HK's "booster" indbygget. Oliekrisen i 1973 fik DB til at se lidt på sine diesellkomotiver og da BR 219.001 var en enegænger, blev turbinen pillet ud og lokomotivet kun brugt til godstogsdrift frem til 1978, hvor det blev taget ud af drift. Overledninger hvor BR 210 havde kørt under havde tydelige skader efter den varme udstødning. Det gjorde at man byggede et dobbelt skrostensrør oven på lokomotiverne til at lede den varme udstødning ud til siderne. Alligevel var der mange turbineskader og den knapt 10 år gamle lokomotiver fik fjernet turbinerne og omnummereret til BR218.001 - 008.

2 sæt VT 601 fik i slutningen af sin levetid indbygget gasturbinemotorer. Her kunne man ved samme vægt som de normale 1100 HK's motorer pludseligt have en ydelse på 2200 HK, hvilket var ønskeligt, da man ønskede at køre 160 km/t med VT 602, som de kom til at hedde. VT 601 012 blev i januar 1970 taget ud af drift og overgivet til MAN i Nürnberg, hvor den efter et år kom tilbage som VT 602 003. I alt blev det til 4 gasturbinemotorvogne, indsat i normal tjenste 1972/73 og udtaget af drift igen i 1978/79. Igen var det utallige turbineskader der var med til at gøre udslaget. Alle de tyske turbinekostruktioner var med hydraulisk overførsel

I Frankrig byggede man i slutningen af 1960'erne 41 stk 5 delte togsæt med gasturbine og hydraulisk kraftoverførsel til hurtigtrafikken på de ikke elektrcificerede strækninger. Det var en rimelig succes og enkelte blev eksporteret til UAS som AMTRAK's "Turbotrain", herfter byggede amerikanerne selv nogle stykker på licens. Forløberen for de franske TGV tog blev bygget med gasturbine og elektrisk overførsel, men igen var det oliekrisen der satte begrænsningen, det blev kun til prototypen.

Englænderne eksperimenterede også med gasturbinelokomotiver efter anden verdenskrig. Man købte hos BBC i Schweitz i 1950 et 6 akslet lokomotiv med en ydelse på 2500 HK, kaldet type 18000. Men det kom aldrig til at køre fuldlast og var dermed ikke særligt økonomisk. Efter 10 års testkørsler med sit faste tog (Paddington kl 9.15 mod Bristol og retur herfra klokken 16.15) blev det taget ud af tjeneste og senere givet tilbage til BBC. Det kom dog til at danne forbillede for et engelsk bygget lokomotiv type 18100. Det var Metropolitan-Vickers der leverede udrustningen til dette lokomotiv med 3500 HK's turbineydelse. Lokomotivet blev taget ud af drift i 1958, hvor det blev bygget om til et elektrisk lokomotiv.

English Electric byggede også et turbinelokomotiv - eller rettere var 14 år om at udvikle et. Det var modsat de ovennævnte med en mekanisk udveksling direkte fra turbinen. Det lignede et strømlinebeklædt damplokomotiv med forløber, 3 drivhjul koblet med en kobbelstang og en løs tender. Men ved leveringen i 1960 havde BR allerede udrangeret de tidligere nævnte maskiner og havde sådan set lagt sig fat på dieseldriften og overgang til elektriskk drift på nogle af hovedbanerne.

Amerikanerne, eller rettere Union Pacific (UP) byggede fra 1951 og fremefter en række gasturbinelokomotiver. Direktøren for UP var tilhænger af kæmpestore lokomotiver, det var også UP der byggede Challenger og Big Boy lokomotiverne. Det blev til et 8 akslet lokomotiv med 4500HK, hvorefter man spændte en gammel tender med brændstof. Der blev lavet forsøg med at få turbinerne til at køre på kulstøv og propangas, men man endte ud med at bruge den tykke, men billige "bunker-C" olie. Det blev til 25 af disse lokomotiver, indtil UP tog næste skridt og bestilte 30 stk 8500HK's gasturbinelokomotiver. De var i drift frem til 1969, hvor ændringer i forbruget af bunker-C olie i den petrokemiske industri havde hævet prisen på olien og de nyere mindre traditionelle deiselmaskiner belv mere og mere effektive.

 

©2006 Modelbane Europa
Tlf : 86 91 58 22
E-Mail :
Klaus D. Mikkelsen - (moppe@post6.tele.dk)

Designet af Moppe