I motori a turbina a gas sono state sviluppate in diversi paesi XX ° secolo . Usano una turbina a gas simile a quella che si trova negli aeroplani o negli elicotteri per azionare un albero di uscita. La trasmissione incontra quindi più o meno gli stessi vincoli delle locomotive Diesel e si osservano le stesse soluzioni: trasmissione meccanica, elettrica (simile alla soluzione diesel-elettrica) o idraulica.
Sono stati provati in diverse forme a partire dagli anni '20, ma soprattutto negli anni '50 e '60, quando il prezzo del petrolio era basso. Sono stati in gran parte abbandonati a favore delle locomotive elettriche in Europa e in seguito Diesel in America . Inoltre, il livello di rumore che producevano presentava anche troppi inconvenienti in termini di inquinamento acustico per essere comunemente utilizzato nel trasporto ferroviario. Lo sviluppo dei reattori in aeronautica ha permesso di migliorare le prestazioni e il livello di rumore e negli anni 2000 la società Bombardier Transport ha presentato il suo JetTrain che tenta una nuova svolta in questa tecnologia.
La turbina a gas è un motore termico che svolge le diverse fasi del suo ciclo termodinamico in una successione di organi attraversati da un fluido motore gassoso a flusso continuo. Questa è una differenza fondamentale rispetto ai motori a pistoni che svolgono una successione temporale di fasi nello stesso organo (generalmente un cilindro).
Nella sua forma più semplice, la turbina a gas funziona secondo il cosiddetto ciclo Joule comprendente successivamente e schematicamente:
L' efficienza è il rapporto tra il lavoro utile (lavoro di espansione - lavoro di compressione) e il calore fornito dalla sorgente calda. Il rendimento teorico aumenta con il rapporto di compressione e la temperatura di combustione . È superiore a quello del ciclo Diesel perché il suo rilassamento non è accorciato.
La turbina a gas può essere accoppiata ad un albero di trasmissione meccanico o idraulico per trasmettere il movimento agli organi di trasmissione (elicottero) o agli assi tramite un cambio (ETG-RTG); oppure ad un alternatore (TGV - prototipo) per produrre la corrente che alimenta i motori elettrici. Le turbine a gas hanno un rapporto peso , spazio / potenza molto vantaggioso rispetto a un equivalente motore Diesel. Inoltre, la turbina ha poche parti in movimento che riducono l'usura e il deterioramento per attrito e quindi la manutenzione. Questo è stato di grande vantaggio per le compagnie ferroviarie.
Tuttavia, la potenza e l'efficienza di una turbina diminuiscono rapidamente quando la velocità di rotazione viene ridotta , a differenza di un motore a pistoni, che ha una curva relativamente costante a tutte le velocità di rotazione. Questo tipo di propulsione è quindi ideale per macchine che effettuano lunghi viaggi ad alta velocità costante ETG-RTG. Inoltre soffrivano di essere molto rumorose, inquinanti, con consumi molto elevati. I costi operativi sono diventati proibitivi con il continuo aumento dei prezzi del petrolio nel caso delle RTG.
Le prime esperienze di utilizzo risalgono agli anni '20 . L'età dell'oro è negli anni 1950-1960, quando lo sviluppo di motori a reazione per aeroplani accende l'immaginazione. Fintanto che il prezzo del petrolio rimaneva basso, offrivano ancora un vantaggio, ma la tecnica divenne economicamente non redditizia con l'aumento di quest'ultimo dopo gli shock petroliferi degli anni '70 . La Union Pacific ha utilizzato la più grande flotta di locomotive a turbina del mondo ed è stata l'unica a utilizzarle nel trasporto merci. Gli altri utenti li limitavano al trasporto di passeggeri, ma questo aveva un ruolo limitato.
Le Ferrovie Federali Svizzere ordinarono la loro prima locomotiva elettrica a turbina nel 1939. Furono consegnate nel 1941 - 1942 dalla compagnia Brown, Boveri & Cie . Avevano una capacità di 1,6 MW e questa è stata la prima applicazione commerciale di questo principio. Le turbine non sarebbero state messe in produzione per l'aviazione fino alla fine della seconda guerra mondiale .
La Great Western Railway of Great Britain ordinò due locomotive elettriche a turbina negli anni '40, ma furono consegnate solo dopo la nazionalizzazione delle ferrovie nel 1948 . Il primo, British Rail 18000 , costruito da Brown Boveri in Svizzera, aveva una capacità di 1,9 MW ed era di tipo industriale. Il secondo, British Rail 18100 , è stato costruito in Gran Bretagna dal metropolita Vickers da una turbina di un aereo e ha prodotto 2,2 MW . La velocità massima in entrambi i casi è stata di 145 km / h .
La Union Pacific ha iniziato a utilizzare locomotive turboelettriche negli anni '50, in particolare per i treni merci a lungo raggio. L'olio combustibile pesante di classe C, un residuo di raffineria solitamente riservato alle navi, è stato utilizzato come combustibile , il che ha reso l'operazione redditizia ma ha sporcato prematuramente le turbine. La flotta di questa compagnia contava fino al 10% di locomotive di questo tipo ma il concetto fu abbandonato negli anni '70 a seguito dell'aumento del prezzo del petrolio.
Negli anni '60 , la compagnia americana United Aircraft costruì il Turbo Train per il servizio passeggeri. È stato testato dalla Pennsylvania Railroad e successivamente dal Canadian National . Le ferrovie si staccarono dai loro servizi passeggeri non redditizi all'inizio degli anni '70 e furono le Amtrak ( Stati Uniti ) e VIA Rail ( Canada ) di proprietà statale a ereditare il Turbo. Rimase in servizio fino all'inizio degli anni '80 in Canada, sulla linea Montreal - Toronto , fino a quando fu sostituito dal treno diesel-elettrico LRC .
Amtrak, d'altra parte, ha acquistato due tipi di treni a turbina, entrambi chiamati Turboliner . Il primo è stato molto simile alla SNCF TurboTrain ma più pesante a causa delle integrazioni richieste per la sicurezza da parte del Federal Railroad Administration. Il secondo è stato fornito dal produttore Rohr. Nessuno del primo tipo è più in servizio, ma la versione rinnovata III Rohr Turboliner è ancora in esecuzione.
FranciaNegli anni '50, SNCF ha utilizzato tre prototipi di locomotive a gas tubino costruite da Renault . Le turbine, non avendo né compressore né camera di combustione, sono state alimentate a gas caldo dai generatori a pistoni liberi Sigma-Pescara:
Rumore, elevato consumo di carburante a bassi carichi e problemi di manutenzione riducono l'esperienza.
SNCF ha utilizzato una serie di convogli semoventi dotati di turbine a gas per elicotteri associate a una trasmissione idraulica. Alcuni dei primi convogli (ETG) includevano anche un motore diesel per facilitare l'avviamento.
Il prototipo del TGV costruito nel 1972 (il TGV 001 ) era dotato di turbine a gas per elicotteri associate a una trasmissione elettrica. Di fronte all'aumento del costo del petrolio nel 1974 , questa modalità di propulsione fu abbandonata a favore della sola trazione elettrica.
Resto del mondoLa locomotiva turboelettrica British Rail APT-E , il British High-Speed Advanced Passenger Train , è stata sostituita da una locomotiva elettrica quando il produttore di turbine britannico Leyland ha cessato la produzione del modello di turbina utilizzato.
Negli anni '70 e '80, oltre agli Stati Uniti , l'industria francese ha esportato treni tecnologici RTG in Iran ed Egitto .
Nel 2002 , Bombardier Transportation ha annunciato il lancio del suo JetTrain , un treno inclinabile alimentato da una locomotiva turboelettrica. La turbina prodotta da Pratt & Whitney Canada a Longueuil ha un consumo del 20% inferiore al gasolio equivalente e un livello sonoro inferiore alla soglia consentita dalla Federal Railroad Administration USA . È quindi competitiva con la flotta di locomotive Diesel che copre il Nord America e il suo utilizzo con carri basculanti permette di ottenere velocità elevate senza costruire nuove linee dedicate a questo trasporto. Finora ( 2007 ), tuttavia, non sono stati effettuati ordini.
Dal 2006 la Compagnia Ferroviaria Russa ha preso l'iniziativa di rilanciare lo studio dei treni a turbina a gas, portando all'entrata in servizio del prototipo GT1 , i cui modelli di produzione saranno destinati principalmente alle linee siberiane. Il7 ottobre 2011questa locomotiva batte un record mondiale trainando un convoglio di 16.000 tonnellate (170 vagoni ).