Экспериментальный высокоскоростной поезд JetTrain

Введение

Экспериментальный высокоскоростной пассажирский поезд JetTrain – это экспериментальная концепция скоростного пассажирского поезда, разработанная компанией Bombardier Transportation в попытке сделать высокоскоростное обслуживание европейского типа более финансово привлекательным для пассажирских железных дорог по всей Северной Америке. Он был спроектирован с использованием тех же наклоняющихся вагонов, что и поезда Acela Express, построенные Bombardier для Amtrak в 1990-х годах, которые использовали полностью электрические локомотивы. В отличие от Acela, питаемого от контактной сети, JetTrain должен был использовать комбинацию газотурбинного двигателя, маломощного дизельного двигателя, редукторной коробки и двух генераторов для питания электрических тяговых двигателей. Это позволило бы ему развивать высокие скорости на неэлектрифицированных участках пути.

Газотурбинные двигатели

Турбинные двигатели используют до 65% всей вырабатываемой мощности для работы компрессора, расположенного в передней части двигателя. Это означает, что даже на холостом ходу, когда нет полезного выхода энергии, двигатель сжигает 65% топлива, которое потреблял бы при полной скорости. Поэтому турбинные двигатели эффективны только в тех областях, где они работают на высоких мощностях в течение длительного времени, например, в авиации, при производстве электроэнергии или на поездах дальнего следования. Они, как правило, не подходят для применений, где часто требуется работа на низкой мощности, поэтому они не нашли широкого применения в автомобилях. Когда в 1950-х и 1960-х годах авиационное топливо было относительно дешевым, механические преимущества двигателя – его простота и малый вес – компенсировали повышенный расход топлива. В 1950-х и 1960-х годах было разработано несколько конструкций малоскоростных поездов с турбинным приводом, включая пассажирские и грузовые составы. В 1960-х годах также велись разработки высокоскоростных пассажирских поездов, таких как UAC TurboTrain в Северной Америке, британский Advanced Passenger Train (APT) и французский TGV 001. К 1970-м годам, особенно после нефтяного кризиса 1973 года, этих преимуществ стало недостаточно для компенсации возросших затрат на топливо, и большинство проектов поездов с турбинным приводом были закрыты. Хотя два больших класса междугородних вагонов с газотурбинным двигателем (ETG и RTG) продолжали эксплуатироваться во Франции до начала 2000-х годов, как TGV, так и APT перешли на полностью электрическую тягу, с установкой контактной сети. В Северной Америке, где финансирование модернизации железнодорожных путей было ограничено, электрификация была возможна только на наиболее загруженных маршрутах и остается редкостью. Canadian National Railway (CN) и Via Rail продолжали использовать свои TurboTrain до начала 1980-х годов, после чего они были заменены дизель-электрическими локомотивами, такими как LRC. Amtrak продолжал эксплуатировать Rohr Turboliners примерно до 2003 года.

JetTrain

Еще одно изменение, произошедшее за последние несколько десятилетий, – это широкое использование и стандартизация энергии головного вагона (HEP) для обеспечения электроэнергией остальной части поезда, необходимой для работы систем контроля окружающей среды и развлекательных систем. Поскольку эти требования к мощности достаточно стабильны, даже когда поезд стоит, часто используется отдельный двигатель, предназначенный исключительно для этой цели и оптимизированный под эти эксплуатационные нужды. Концепция JetTrain развивает эту идею, используя тот же двигатель HEP для обеспечения тяговой мощности при движении на низких скоростях, что позволяет избежать проблем с топливной эффективностью турбины при низких настройках мощности. Концепция JetTrain использует только этот двигатель при движении по территории станции и сортировочных станций. После выезда поезда с сортировочной станции запускается турбинный двигатель Pratt & Whitney Canada PW150 (в этой роли называемый ST40), и поезд ускоряется до рабочей скорости. Турбинный двигатель был адаптирован от вертолетов и имеет более чем 50-летний опыт разработки, направленный на повышение его эксплуатационной эффективности и надежности. Он адаптирован для работы на обычном дизельном топливе для локомотивов, поэтому для внедрения турбинных локомотивов на существующих железнодорожных линиях не требуется строительство специальных заправочных станций. Дизельный двигатель способен разогнать поезд до скорости на пустом ходу, а турбина увеличивает эту скорость до . Оба двигателя соединены через единую коробку передач, которая приводит в действие генератор, обеспечивающий питание четырех тяговых двигателей, идентичных тем, что используются в полностью электрическом Acela Express. Генератор представляет собой двигатель от поезда TGV, работающий в обратном режиме: вместо подключения к электрической энергии и выработки вращения, он вращается и вырабатывает электрическую энергию. Основным преимуществом использования турбины на высокоскоростном участке является ее небольшой физический размер и малый вес. Турбинный двигатель размером с обычный офисный стол и весит всего около 300 кг, в то время как обычный дизельный двигатель той же мощности имеет длину около 5 м и весит до . Использование турбины снижает вес силовых вагонов; вес силовой вагон JetTrain составляет и имеет нагрузку на ось в 0,6 кг. Это сопоставимо с широко используемым EMD F40PH, вес которого и нагрузка на ось в 0,6 кг. Это снижение массы на ось значительно снижает нагрузку на рельсы, позволяя поезду работать на более высоких скоростях без изменения конструкции пути. С одним силовым вагоном, тянущим семь пассажирских вагонов, JetTrain мог достигать , хотя его максимальная "балансировочная скорость" составляла . С двумя силовыми вагонами, расположенными в передней и задней частях поезда, поезд мог достигать , с максимальной скоростью . Полный поезд обычно состоит из двух силовых вагонов, по одному на каждом конце, и до 11 пассажирских вагонов. Наклоняемые пассажирские вагоны являются модификацией вагонов, используемых на Acela, восходящих к наклоняемому поезду LRC производства Bombardier, представленному в 1980-х годах. В высокоскоростном пассажирском сообщении JetTrain будет высокоэффективным. Благодаря меньшему весу и современному двигателю, выбросы парниковых газов JetTrain на 30% ниже, чем у дизельного поезда, работающего на тех же скоростях. Двигатель практически бесшумный даже на полной мощности: в рабочем состоянии поезд имеет такой же уровень шума, как полностью электрический Acela.

Another change that has taken place over the last few decades is the widespread use and standardization of head end power (HEP) to provide electricity to the rest of the train for running the environmental controls and entertainment systems. Since these power requirements are fairly steady, even while the train is parked, it is not uncommon to use a separate engine just for this role, highly tuned to these operational needs. The JetTrain concept expands on this idea by using the same HEP engine to provide motive power during low speed operation, bypassing the problems with turbine fuel efficiency at low power settings. The JetTrain concept uses only this engine while it is moving about the station area and switchyards. Once the train has left the switchyard, the turbine engine, a Pratt & Whitney Canada PW150 (called the ST40 in this role), is started and the train accelerates to operational speed. The turbine engine is adapted from helicopter service, having the benefit of over 50 years of development in that service to improve its operational efficiency and reliability. It is adapted to operate on regular locomotive diesel fuel so that no special fueling facilities need to be built to introduce the turbine locomotives on existing railroad lines. The diesel engine alone can run the train at speeds up to when empty, and the turbine increases that to The two engines are geared together in a single gearbox which powers a generator to provide power to four traction motors, identical to those in the all electric Acela Express. The generator is the motor from a TGV train, run in reverse of normal operation where instead of being hooked to electric power and producing rotation, it is rotated and produces electric power. The major advantage to using the turbine for the high speed portion is its small physical size and light weight. The turbine engine is about the size of a common office desk and weighs only , while a conventional diesel motor of the same power is about 5 m (16 ft) long and weighs as much as Using the turbine lowers the weight of the power cars; the JetTrain power car is and had an unsprung weight per axle of This compares to the widely used EMD F40PH which weighs with an axle weight of This reduction in mass per axle places considerably less stress on the rails, allowing the train to operate at higher speeds without changes to the railbed. With a single power car towing seven passenger cars, the JetTrain could reach , although its maximum "balance speed" was With two power cars, one at the front and one at the rear, the train could reach , with a maximum speed of A complete train would normally consist of two power cars, one at either end, along with up to 11 passenger cars. The tilting passenger cars are versions of the ones used on the Acela, tracing their lineage to Bombardier's LRC tilting train introduced in the 1980s. In high speed passenger service, the JetTrain would be highly efficient. Due to its lighter weight and modern engine, the JetTrain has greenhouse gas emissions that are 30% lower than a diesel unit operating at the same speeds. The engine is practically silent even at full power: in operation the train is the same volume as the all electric Acela.

История

JetTrain возник в 1997 году в рамках программы Federal Railroad Administration (FRA) Next Generation High Speed Rail (https://ieeexplore.ieee.org/document/395175) для разработки высокоскоростных железнодорожных технологий для обслуживания маршрутов за пределами Северо-Восточного коридора, где объемы перевозок могли быть недостаточными для целесообразности электрификации. FRA искала промышленного партнера, готового инвестировать на паритетных условиях (50/50), и представитель FRA, Уоррен Флато, отметил: «Bombardier – это компания, которая откликнулась, когда мы объявили о заинтересованности в реализации этого проекта. Мы считаем, что проект обладает большим потенциалом для создания высокоскоростного сообщения, которого люди по всей стране хотят». Окончательное соглашение было подписано в октябре 1998 года, при этом FRA и Bombardier инвестировали по 13 миллионов долларов в первый прототип локомотива, который был построен на новом заводе Bombardier Mass Transit Corporation в Платтсбурге, штат Нью-Йорк. Прототип локомотива был завершен в июне 2000 года. Он включал в себя турбинную силовую установку, но не предусматривал использование дизельного двигателя малой мощности. Безопасные испытания начались летом 2001 года в Центре транспортных технологий (Пуэбло, Колорадо), где был достигнут максимальный скоростной режим. Затем прототип был представлен на потенциальных площадках для высокоскоростного движения. Основной целью был проект Florida Overland Express для пассажирских перевозок между Орландо и Тампой во Флориде. В поддержку этой программы прототип посетил Майами 7 октября 2003 года и Орландо 11 октября. Первоначально планировалось открыть систему во Флориде в 2009 году, но финансирование было отклонено по результатам референдума в 2004 году, после начала этапов детального проектирования. В Канаде компании Bombardier и Via Rail представили предложение об использовании JetTrain на оживленном участке Quebec City–Windsor Corridor, принадлежащем Via Rail, в рамках их предложения ViaFast, но не смогли получить финансирование от федерального правительства. В январе 2008 года премьер-министры провинций Онтарио и Квебек объявили о проведении технико-экономического обоснования проекта, предоставив высокоскоростным поездам еще один шанс. Институт Ван Хорна также завершил исследование совместно с Bombardier относительно возможности использования JetTrain на линии между двумя крупнейшими городами провинции Альберта – Эдмонтоном и Калгари. Другие возможные направления включали новые линии в Техасе и Лас-Вегасе. В Великобритании JetTrain был предложен в качестве замены дизель-электрическим поездам HST. Австралийские железнодорожные журналы рассматривали JetTrain как жизнеспособный вариант для высокоскоростных железных дорог в Австралии, дополняющий поезда XPT (версия британского HST) и Tilt Train. Компания Bombardier вела переговоры с правительством штата Юкатан (Мексика) о развитии проекта Transpeninsular Fast Train, направленного на соединение столицы штата Мерида с туристическими курортами Ривьеры Майя, такими как Канкун, и руинами майя Чичен-Ица. По словам губернатора Ивонны Ортеги, поезд должен был работать на дизельном топливе со средней скоростью, для чего компания Bombardier сочла подходящим использование JetTrain. В конечном итоге ни одно из этих предложений не было реализовано, и JetTrain фактически исчез. Вся информация о JetTrain была удалена с веб-сайтов и рекламных материалов Bombardier. По состоянию на 2019 год демонстрационный турбинный локомотив хранился в Центре транспортных технологий.

The JetTrain originated in 1997 in the Federal Railroad Administration's (FRA) Next Generation High Speed Rail Program (https://ieeexplore. ieee. org/document/395175) to develop high speed train technologies for services on routes outside the Northeast Corridor—where route volumes might not be great enough to make electrification an option. The FRA sought an industrial partner who would be willing to invest on a 50/50 basis, and FRA spokesman Warren Flatau commented, "Bombardier is the company that stepped up to the plate when we put out the word we were interested in doing this project. We believe that the project holds great potential for bringing about the high speed services that people across the country are expressing a desire for". The final agreement was signed in October 1998, with the FRA and Bombardier each investing $13 million in the first prototype locomotive, which was built at the new Bombardier Mass Transit Corporation plant in Plattsburgh, New York. The prototype locomotive was completed in June 2000. It included the turbine propulsion system but did not implement the low speed diesel motor approach. Safety testing started at the Transportation Technology Center (Pueblo, Colorado) in the summer of 2001, where it reached a maximum speed of The prototype was then taken on a tour of potential high speed sites. Their primary target was the Florida Overland Express for passenger service between Orlando and Tampa in the United States. In support of this program, the prototype visited Miami on 7 October 2003 and Orlando on the 11 October. The Florida system was originally slated to open in 2009, but was denied funding by a referendum in 2004, after the start of detail engineering stages. In Canada, Bombardier and Via Rail presented a proposal to use JetTrains on Via’s busy Quebec City Windsor Corridor as part of their ViaFast proposal, but were unable to obtain funding from the national government. In January 2008, the premiers of Ontario and Quebec announced a feasibility study for the Corridor, giving high speed trains another chance. The Van Horne Institute also completed a study with Bombardier regarding the suitability of JetTrain service between the two largest cities in Alberta, Edmonton and Calgary. Other possibilities included new lines in Texas and to Las Vegas. In the United Kingdom, the JetTrain has been proposed as a replacement for the diesel electric HST. Australian rail magazines have suggested the JetTrain as a viable option for high speed rail in Australia to supplement the XPT (a version of the British HST) and Tilt Train. Bombardier had conversations with the state government of Yucatan, Mexico, for the development of the Transpeninsular Fast Train, a project that aims to connect the state capital of Mérida to the tourist resorts of the Mayan Riviera like Cancun and the Mayan Ruins of Chichen Itza. According to the Governor Ivonne Ortega, the train must run on diesel at an average speed of , for which Bombardier deemed suitable the use of The JetTrain. In the end, nothing ever came of any of these proposals, and the JetTrain essentially disappeared. All content related to the JetTrain were eventually removed from Bombardier's web sites and promotional materials. as of 2019, the demonstration turbine locomotive was stored at the Transportation Technology Center.