Most, hogy a Lusitaniát kiveséztük, kicsit kijövünk a vízből, és ahogy egy ismert politikus is mondta: "Arccal a vasút felé!" :). A gőzturbinás mozdonyokkal foglalkozó sorozat folytatásaként az elkövetkező néhány cikkben a gázturbinás vasúti járművek kerülnek terítékre.

A modern utasszállító repülőgépek gyakorlatilag mindegyike valamilyen gázturbinát használ arra, hogy elérje az akár 900 km/h-s repülési sebességet, de a közlekedés más területein is hasznát vették már ezeknek az erőgépeknek az előnyeit. Pontosan, a vasútnál is. A gázturbinás hajtásnak a 70-es évekbeli olajválságok előtti, szinte ingyen kínált üzemanyagok ideje volt a fénykora. Hatalmas, a mai legnagyobb dízeleknél csaknem kétszer erősebb, a körúti Combinók hosszúságával vetekedő mozdonyszörnyetegek vontattak egy kisebb konténerhajó kapacitásának megfelelő árut a legmeredekebb emelkedőkön, miközben gyomrukban egy vödörnyi szurokszerű nehézolaj tűnt el annyi idő alatt, amíg ezt a mondatot végigolvassuk. Sajnos a két olajválság, a környezetvédelem és az egyre erősebb dízelek szinte teljesen eltűntették ezeket az óriási (leginkább a tengerentúlon hódító, de Európába is eljutó) vasúti gólemeket, de napjainkban is szolgál néhány belőlük.

Bevezető

Ugyan a gőzturbinák mai alkalmazásának hallatán egy laikus talán csodálkozik, a gázturbinák már biztosan ismerősebben csengenek bárki számára. Nem kell nagyon a témába mélyedni ahhoz, hogy tudjuk, hogy manapság az összes utasszállító- és vadászrepülőgép, a korszerű helikopterek mind gázturbinával hajtottak, de kis utánajárással az is kideríthető, hogy néhány modern óceánjáró, harckocsi és erőmű sem lenne meg e gépek nélkül. A blogban már többször is szóba kerültek a gázturbinák. Az első posztom a Chrysler Turbine Car gázturbinás autóval foglalkozott :), most pedig a vasúti alkalmazásukkal ismerkedhettek meg.

Különböző típusú gázturbinák. 1.) Gázturbinás sugárhajtómű - ilyen volt a régi sugárhajtású utas- és teherszállítókon, valamint vadászgépeken a jet-korszak hajnalán. 2.) Kétáramú gázturbinás sugárhajtómű - a hajtóműbe áramló levegő egy része nem jut be az égőtérbe. Hogy ez a hányad mekkora, azt az ún. kétáramúsági fok adja meg. Eszerint megkülönböztetünk alacsony, magas és ultramagas kétáramúsági fokú hajtóműveket. A modern sugárhajtású utasszállító repülőgépeken szinte kizárólag magas kétáramúsági fokú (ún. high-bypass) hajtóművek vannak, a régebbieken alacsony (low-bypass), a legeslegmodernebbeken pedig már megjelentek az ultramagas (ultra-high-bypass) kétáramúsági fokúak. 3.) Turbólégcsavar - olyan légcsavar, amelyet nem dugattyús motor, hanem gázturbina hajt. Ebben turbinatípusban nem a kiáramló gázok reakcióerejét, hanem a tengelyről levehető teljesítményt hasznosítják, akárcsak a hagyományos motorokban. A helikopterek nagy része, illetve modern légcsavaros gépek ilyet használnak (ha pedig eltekintünk a propellertől, kevés kivételt leszámítva az összes gázturbinás szárazföldi jármű ilyennel van felszerelve). Hajók között is akadnak bőven gázturbinával hajtott példányok. 4.) Utánégetős sugárhajtómű - a turbinából kiáramló nagy sebességű gázsugárba üzemanyagot fecskendeznek, ami meggyullad, és további tolóerőt fejt ki. Mivel iszonyatos fogyasztásnövekedéssel és igénybevétellel jár a használata, csak a vadászgépeken alkalmazzák. A Concorde-ok és a szovjet Tu-144-esek (közül néhány) voltak az egyedüli utasszállítók, amelyek utánégetővel voltak felszerelve.
(Forrás: http://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/VirtualAero/BottleRocket/airplane/trbtyp.html)

A gázturbina működése, előnyei és hátrányai

A gázturbina működése annyiban hasonlít a gőzturbináéhoz, hogy ebben az esetben is az ideálisan hajlított lapátok felületére érkező munkavégző közeg hozza forgásba azokat. A gázturbinában is sok fokozatot használnak a hatásfok növelése érdekében, ezért felépítésében is sok hasonlóságot mutat gőzzel hajtott társával. Azonban több nagy különbség is van a kettő között. Amíg a gőzturbina egy külön hőhordozó-közvetítő közeg révén végzi a munkát (amelyet az égéstermékek hője melegít fel), addig a gázturbinánál maga az égéstermék hozza mozgásba a lapátokat. A gázturbina szintén egyszerűbb felépítésű és működési elvű, mint a vele sokszor párhuzamba állított, vetélytársának tekinthető dugattyús gépek (itt a dízel- és benzinmotorok, ott a dugattyús gőzgépek és –motorok). A fenti típusok közül most csak a tengelyteljesítményt szolgáltató (ún. turboshaft) gázturbinákkal foglalkozunk bővebben.

A gőzturbinával ellentétben a gázturbinában „kétféle” lapátozás található. Az egyik lapáttípus az égéshez szükséges sűrített levegő előállításáért felelős kompresszorkerék lapátjaiból áll (a fenti képen nagy- és kisnyomású kompresszor is található a turbinán, közöttük a turbós autókból ismerős intercoolerrel, ami visszahűti a sűrítés közben felmelegedett levegőt). A turbinával ellentétes lapátozású kompresszorkerék forgása közben beszívja a levegőt, összesűríti, majd az égőtérbe juttatja, ahol összekeveredik a beporlasztott üzemanyaggal, majd egy villamos ív által meggyújtva kitágul, meghajtja a turbinalapátok, az így nyert mozgási energia pedig a kerekeket, légcsavart, satöbbit.

A(z izobár) gázturbinák által megvalósított Brayton-Joule termodinamikai körfolyamat nyomás-térfogat (bal) és hőmérséklet-entrópia (jobb) diagramja 
(Forrás: http://hu.wikipedia.org/wiki/Brayton%E2%80%93Joule-ciklus)

Ha a kompresszor- és a turbinakerék között nincs mechanikus kapcsolat, akkor az égőtérből érkező forró gázok két különböző kereket is meghajtanak, az egyik csak a kompresszor, a másik pedig csak a munkatengely meghajtásához szükséges forgómozgást állítja elő (a képen is ilyen elrendezés látható). Persze rengeteg altípus van. A gázturbina tengelye pedig - mivel általában igen nagy fordulatszámmal forog - egy lassító áttételen keresztül hajtja meg, amit kell. Ez lehet légcsavar, hajócsavar, kerék, szivattyú, kompresszor vagy éppenséggel generátor (mint a fenti képen).

 A legmodernebb Alstom-gázturbina 60 Hz-es változata (GT-24). Sűrített földgázzal (CNG) működik, teljesítménye 700 megawatt, azaz csaknem 1 millió lóerő. 
(Forrás: http://www.alstom.com/press-centre/2012/5/alstom-ships-first-gt24-manufactured-by-chattanooga-workforce/)

Ahogy a gőzturbina nagy előnye a gőzgéphez képest a folyamatos munkavégzés, úgy a gázturbina is jobb e tekintetben a dugattyús Otto- és dízelmotoroknál, mivel folyamatos égést valósít meg. A gázturbinák ezen felül alacsonyabb fenntartási költséggel üzemelnek, és jobb teljesítmény/tömeg aránnyal rendelkeznek dugattyús ellenfeleiknél, azonban működési sajátosságaik miatt (több tíz-, esetenként százezer fordulat/perces fordulatszám, magas üzemi hőmérséklet), gyártásuk jobb anyagminőséget (drága erősen ötvözött acélok, nikkel- és titánötvözetek) és nagy szakértelmet követel meg. A gázturbinákban zajló nagy hőmérsékletű és nagy légfeleslegű égés miatt (sokkal több levegőt szív be, mint amennyi az égéshez kellene) ezeknek a gépeknek hatalmas a nitrogén-monoxid és nitrogén-dioxid kibocsátása (a levegőben található nitrogén a nagy hőmérsékleten szétesik atomokra és egyesül az oxigénnel; ugyanez a probléma a dízeleket is sújtja), amit ma nagyon szigorúan vesznek, ez szintén hátrány a hagyományos motorokkal szemben.

Nikkelbázisú ötvözetből készült kompresszorlapátok (Forrás: http://www.theodoregray.com/periodictable/Elements/028/index.s14.html)

Ugyan az ókori tudós, Hérón találmányát, az Aeolipilt mind a gőz-, mind a gázturbinák első képviselőjének tekintik, az utóbbiakra lényegesen több példát találunk a történelemben.1500-ban Leonardo da Vinci is tervezett egy „gépet”, amit működési elve miatt az egyik legkorábbi gázturbinának tartanak. A később „Chimney Jack” (Kéményseprő) becenevet kapó szerkezet egy kéménybe épített egyfokozatú axiálturbina volt, melyet a kandallóból felszálló meleg levegő forgatott, és áttételeken keresztül hajtotta meg a kandallóban éppen sülő grillhúsok rúdját (balra). Sajnos Leonardo sok találmányához hasonlóan végül ez sem valósult meg.

1629-ben Giovanni Branca itáliai feltaláló épített egy – szintén meleg levegő által forgatott – kezdetleges turbinát, amely ékszíjak segítségével egy présgép működéséhez elegendő teljesítményt tudott szolgáltatni. Barbernél még mindig nem vált szét teljesen a gázturbina és a gőzturbina "evolóciós fejlődése". Az első, modern gázturbinák főegységeit (kompresszor, égőtér, turbina) tartalmazó turbógépet 1791-ben tervezte és építette meg az angol John Barber (a találmány képe lent). Az ő gépe volt az első, amely a gázturbinák által ma is megvalósított Brayton-Joule-ciklus szerint működött volna. Barber az egységgel egyébként egy szekeret akart meghajtani, de sajnos a gép nem volt elég erős ahhoz, hogy magától üzemeljen. A XVIII. század végén és a XIX. században készültek ugyan gázturbina modellek, de azok vagy túl kicsik voltak a komoly használhatósághoz, vagy egyáltalán nem is működtek.

A gázturbina története során sokféle alkalmazási lehetőséggel kísérleteztek, de nem mind valósult meg vagy lett sikeres. Az erőművekben és a repülésben való alkalmazhatóságának sikereit senkinek sem kell ismertetni, elég csak valamelyik híres repülőgéptípusra vagy a manapság már akár több ezer MW-os gázturbinás erőművekre gondolni. A haditechnikában a gázturbinás repülőgépek mellett néhány szárazföldi harckocsiban is bizonyított ez a meghajtás; a világ egyik legmodernebb és legerősebb nehéz harckocsija, az amerikai M1 Abrams 1500 lóerős Honeywell gázturbinát használ, de a szovjet T-80-asoknak is volt gázturbinás változata. Amerikában az 50-es, 60-as években kísérleteztek komolyabban a gázturbinás személyautókkal, buszokkal és kamionokkal. Sajnos a kellemes nyomatékgörbe és a felszálló 747-eshez hasonlító hang, valamint annak ellenére, hogy a gázturbinás autók bármilyen éghető, beporlasztható folyadékkal üzemelni tudtak, a tesztek nem hozták a várt eredményt (persze ezzel kapcsolatban is felmerültek az olyan vélemények, hogy lobbiérdekek miatt hozták ki ilyenre a teszteredményeket). A hatalmas fogyasztás, a kiáramló kipufogógázok nagy sebessége és hőmérséklete (ami miatt egyébként állítólag az USA hadserege is dízelüzemű harckocsikkal fogja leváltani az Abramseket, mivel a gázturbinás harcjárművek nem használhatók fedezékként), valamint a drága gyártás hamvába holt ötletté tette a gázturbinás autót, csak néhány érdekes modellt hagyva meg az utókornak. A gázturbinákat szívesen alkalmazzák ezeken kívül tűzoltófecskendők, tajgatűz-oltó turbinák vagy mondjuk pótgenerátorok meghajtására, de a turbófeltöltők és a manapság már akár 800 ezres percenkénti fordulatra képes fogorvosi fúrók is tulajdonképpen speciális gázturbinák.

Különleges gázturbinás járművek. Legfelül: A Chrysler Turbine Car 1963-ból. Róla itt a blogon is olvashattok bővebben :). Fent: MTT Turbine Superbike, ismertebb nevén Y2K. Egy Allison helikopterturbina hajtja, teljesítménye 320 lóerő, maximális sebessége 370 km/h. És (többek között) gázolajjal megy :). Lent: Az RMS Queen Mary 2 óceánjáró. A dízelmotorok mellett két darab (egyenként) 34 000 lóerős General Electric gázturbina is található a fedélzeten.
(Forrás: http://chrisoncars.com/2011/04/the-chrysler-turbine-car/, http://amotorozasfilozofiaja.blog.hu/2013/11/22/4_426_paci_678nm_52000rpm_na_mi_lehet_ez, http://www.brooklyncruiseguide.com/queenmary2-photos.html)

Vasúti gázturbina típusok 

A vasúti gázturbinás vontatás történetében több alapvető megoldás is született. A legszélesebben alkalmazott eljárás a gázturbina-elektromos meghajtás, melynél a gőzturbinához hasonlóan az erőforrással közös tengelyen levő turbógenerátor termeli a meghajtást végző vontatómotorok működéséhez szükséges villamos energiát. Az előny itt is abban rejlik, hogy a gázturbina közel azonos (kedvező) fordulatszámon üzemelhet, míg a tényleges haladási sebességet a vontatómotorok fordulatszámának változtatásával választják meg. A második lehetőség gázgenerátoros turbina alkalmazása, amelynél egy dugattyús Otto- vagy dízelmotor vagy akár egy másik turbina égéstermékei forgatják meg a turbinakereket, amely aztán ritkábban mechanikus, többségében hidraulikus vagy szintén elektromos hajtóművön keresztül adja át a teljesítményt a kerekeknek, illetve néhány esetben a gázgenerátor feltöltéséhez is állít elő sűrített levegőt. Komoly sikereket csak az első változattal értek el, a második változat megmaradt a kísérleti példányok és tervek szintjén.

Kísérleti Westinghouse-gázturbina mozdonyok számára 1945-ből, teljesítménye 2000 lóerő
(Forrás: http://railroadlocomotives.blogspot.hu/2010/10/westinghouse-gas-turbine-electric-2.html)

A gázturbinák "mérlege" a vasúti vontatásban

Alapvetően azért gondolták a mozdonyok körében is gazdaságos üzemre alkalmasnak a gázturbinákat, mert a hasonló teljesítményű dízeleknél jóval kisebbek voltak, kevesebb mozgó alkatrészük elvileg jobb üzembiztosságot és hosszabb szervizperiódust jelentett, illetve magas fordulatszámon nagyon jó hatásfokkal dolgoztak. Sajnos azonban a turbinák működési sajátossága – hogy részterhelésen nagyon gazdaságtalanul üzemeltek – rányomta a bélyegét a gázturbina vasúti alkalmazhatóságára, de nem lendített a karrierjükön a nagy levegőigénnyel való működésük – mely később az alagutakban sok problémát okozott – és zajos üzemük sem. Mivel azonban a gázturbinás mozdonyok a dízelmozdonyoknál rosszabb minőségű, tehát olcsóbb üzemanyaggal is megelégedtek, egy darabig ez az előny, valamint hatalmas teljesítményük ellensúlyozta azt a pár kényelmetlenséget. A gázturbinás mozdonymeghajtás tehát nem ért olyan szomorú véget, mint a gőzturbinák vasúti pályafutása, de ezen hátrányok miatt elterjedni sem tudott olyan mértékben, mint a dízel- vagy a villanymozdonyok. E gépek üzeme azonban a gőzturbinás mozdonyok mellett szintén üde színfoltja a vasúti vontatás történetének.

GÁZTURBINÁS MOZDONYOK

A svájci Am4/6-os gázturbina-elektromos mozdony

Az Am4/6-1101 gázturbina-elektromos mozdony Svájcban
(Forrás: http://www.sguggiari.ch/3_am4_6.php)

A gázturbina-elektromos meghajtás első képviselője az 1938-ban Svájcban elkészült Am4/6-1101-es mozdony volt, amelyet először kísérleti használatra vett át a Svájci Szövetségi Vasutak, a hegyvidéki, akkor még villamosítatlan szakaszokon jelentkező vonóerő hiány kiküszöbölésére. A korábban áramtermelésre használt stabil üzemű gázturbinákat gyártó Brown, Broveri & Cie (BBC) cég kapta a megrendelést, a maximum 6 tengelyes, 2000-2200 LE teljesítményű, legfeljebb 92 tonnás és legalább 110 km/h sebességre képes gázturbinás mozdony tervezésére és építésére (a vállalat neve ismerősnek hangozhat a budapestiközlekedés-rajongók számára. Ez a cég gyártotta az első budapesti trolik - nem ezek, hanem ezek, illetve a Fogaskerekűn jelenleg közlekedő járművek villamos berendezéseit, sőt, az első Ikarus 200-as trolikét is). A cég sikerrel tervezte át turbógenerátorait vasúti alkalmazásra, és még abban az évben elkészült a 2170 lóerős, 1’Do1’ (egy futó-, 4 hajtott-, egy futótengely) tengelyelrendezésű, és meglehetősen ormótlan kinézetű Am4/6-os mozdony. A cég próbálkozott a hidrodinamikus hajtóművel is, de mivel az annál használt olajszivattyúk több mint 400 lóerős teljesítményveszteséget okoztak, visszatértek az egyébként is favorizált generátorokhoz.

A gázturbina kompresszora 2,9 bar nyomású levegőt állított elő, amihez nem kevesebb mint 6000 lóerő teljesítményre volt szüksége. A turbina üzemi hőmérséklete 500-600 ^oC körül alakult, bruttó teljesítménye pedig meghaladta a 8000 lóerőt, amiből a kompresszor meghajtásához szükséges teljesítményt leszámítva jött ki a 2170 LE nettó teljesítmény, ez pedig a segédberendezések teljesítményigényének ismeretében 1380 LE kerékkarimán mérhető vontatási teljesítményt és 110 kN maximális vonóerőt eredményezett (azért látszik a turbinák nagy hátránya a számokból, igaz?). A turbinából kilépő égéstermékek egy hőcserélőn keresztül először előmelegítették a beszívott levegőt, majd a mozdony tetején elhelyezett hatalmas kipufogókon távoztak. Az Am4/6-os termikus hatásfoka 1700 LE teljesítménynél volt a legjobb, ekkor a befektetett energia 18%-a fordítódott a tengely meghajtására. 1000 LE-nél 15% volt ez az érték (innen lefelé drámaian esni kezdett), a maximális 2170 LE-s teljesítménynél 16 %-os hatásfokkal működött. Ez még a korabeli dízelmozdonyoknál is sokkal rosszabb érték volt, emiatt a tesztpéldányt ugyan megtartotta a vasúttársaság, új egységeket már nem rendelt a gyártól.

A gázturbina indítása úgy zajlott, hogy elsőként akkumulátorok segítségével egy kisméretű segéddízelt indítottak el, ami lassan elkezdte felpörgetni a generátort, ezen keresztül pedig magát a főgépet. 4 perc után a gázturbinát begyújtották, aminek aztán újabb 4 perc kellett az alapjárati fordulatszám elérésére. Addig a mozdony a segéddízel által termelt energiával maximum 10 km/h sebességgel is tudott haladni, ami elég volt arra, hogy pl. vonatára ráálljon. A maximális generátor-fordulatszám 300/perc volt, alapjáraton a generátor 100-at fordult percenként. A segéddízel egyébként egy svájci Saurer-gyártmányú soros hathengeres teherautómotor volt.

A mozdonyt különösebb problémák nélkül egészen 1954-ig használta a vasúttársaság, ezalatt 410 ezer kilométert tett meg. Ekkor a gázturbina tönkrement, és egyrészt túl drága is lett volna megjavítani, másrészt akkorra Svájcban már az összes fontosabb vonal villamosításra került, ami nagyban csökkentette a gázturbinás gép bevethető területeit. Ezek miatt végül az egy darabos „sorozat” selejtezésre került.

1958-ban úgy döntöttek, hogy a mozdonyt háromfázisú villamosmozdonnyá építik át. Az új mozdony 1961-ben lett kész, és egészen 1976 végéig szolgált. Még üzeme során a gép Németországban is szolgált rövid ideig, ahol gőzmozdonyok kiváltására kerestek megfelelő vontatási nemet. Jóllehet az Am4/6-os sokkal jobban teljesített a hasonló teljesítményű gőzösöknél, az eredeti gyártó már nem volt érdekelt a vasúti gázturbinák gyártásában, így a társaság végül dízelekkel oldotta meg a problémát (a BBC később a svéd ACEA-csoportba olvadt bele). Gázturbinás teszteket 1945-46-ban Franciaországban is végeztek a svájci géppel, de ott villanyvontatásra tértek át később.

A következő fejezetben az iszonyatos méretű és teljesítményű amerikai gázturbinásokkal ismerkedhettek meg, amelyek olyanok voltak a szintén nem kicsi USA dízelmozdonyok között, mint a Hummer H1 az autók körében. Annyit is fogyasztottak. Kilométerenként :).

Forrás:

http://philosophyofscienceportal.blogspot.hu/2010/06/union-pacific-railroads-ge-4500-gas.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Gas_turbine

http://en.wikipedia.org/wiki/SBB-CFF-FFS_Am_4/6_1101

https://groups.google.com/forum/#!topic/alt.railroad/hd8v0PPC0RY

http://www.sguggiari.ch/3_am4_6.php

http://villamosok.hu/troli/

http://en.wikipedia.org/wiki/Brown,_Boveri_%26_Cie

http://www.alstom.com/power/gas-power/gas-turbines/gt24-gt26/

http://railroadlocomotives.blogspot.hu/2010/10/westinghouse-gas-turbine-electric-2.html

További képek forrása:

http://www.posters57.com/index.php?main_page=product_info&products_id=196

http://www.tpub.com/fireman/44.htm

http://www.sguggiari.ch/3_am4_6.php