TGV-001, eerste turbotrein met zeer hoge snelheid

Na een grondig onderzoek en heel wat voorafgaande proefnemingen, heeft de SNCF een prototype met gasturbines besteld bij de Société Alsthom die, voor het bouwen van dit stel, een vennootschap met andere Franse constructeurs gesloten heeft. De SNCF wil dit prototype gebruiken om de nieuwe formule te testen volgens welke de reizigers in de toekomst met zeer hoge snelheid zullen worden vervoerd tussen de grote stadcentra. Met dit nieuwe voertuig, dat comfort aan snelheid paart, zullen de intercityverbindingen in ideale omstandigheden kunnen worden onderhouden. Op het programma van de nieuwe treinstellen staan bijv. de volgende verbindingen: Parijs - Lyon in minder dan 2 u.; Parijs - Rijsel in 1 u.; Parijs - Londen in 2.30 u. via de Kanaaltunnel; Parijs - Brussel in 1.30 u. via een nieuwe lijn.

In de twee eerste gevallen worden de voertuigen door een turbinemotor voortbewogen terwijl er volledig elektrisch gereden wordt naar Londen en Parijs.

Reeds bij het ontwerpen van de experimentele turbotrein TGV-001 werd beslist dat er 250 km/h zou worden gereden. Het motortreinstel kreeg de voorkeur vanwege zijn betere stroomlijning, zijn geringe asbelasting, de verdeling van het vermogen over verscheidene drijfassen en betere remprestaties.

De SNCF, die zich reeds vanaf 1966 van een helicopterturbine bedient, kan inzake gasturbines op een ongeëvenaarde ondervinding bogen, nl. die welke ze opgedaan heeft met haar 14 ETG-turbotreinen welke sedert september 1970 op de verbinding Parijs - Caen - Cherbourg miljoenen reizigers kilometers vervoerd hebben. Die ETG’en rijden 160 km/h met een enkele turbine en een dieselmotor. Onlangs verscheen er een tweede generatie turbotreinen: de RTG’en met twee turbines die 200 km/h halen en dit jaar in dienst gesteld worden op de lijnen Lyon - Straatsburg en Nantes - Bordeaux. De TGV met vier turbines, die in 1969 besteld werd, is de voorloper van de derde generatie en zet de escalatie van kracht en snelheid verder. Een prototype verliet de werkplaatsen van Alsthom in Belfort op 23 maart 1972 en werd inmiddels grondig getest. De ondervinding die aldus opgedaan wordt, zal worden aangewend bij het bestuderen van de proefexemplaren die alle karakteristieken bezitten van de treinstellen welke voor het reizigersvervoer zullen worden gebruikt.

Samenstelling van het experimenteel treinstel

De TGV-001 is een lange afstandsmotortrein met volledige adhesie. Hij bevat drie aanhangrijtuigen welke tussen twee motorwagens ingeschakeld zijn. Het geheel is geleed en rust op zes draaistellen met elk twee drijfassen onder de doorloopbalgen. Een aanhangrijtuig bevat de eerste klasse coupés, het middelste is ingericht als laboratoriumrijtuig en in het derde werden de tweede klasse zitplaatsen geïnstalleerd.

Het treinstel werd geprofileerd volgens de onderzoekingen en de resultaten van proefnemingen die in een windtunnel gedaan werden. De geleding van het treinstel maakt het mogelijk de vloer van de voertuigen en, voor een identiek comfort, de totale hoogte van de motortrein met 300 mm de verlagen. Zulks vermindert de rijweerstand terwijl ook het zwaartepunt een gunstigere stand inneemt. Zijn profiel werd getekend door Jacques Cooper.

De treinstellen die later zullen worden ingezet zullen bijkomende, niet gemotoriseerde aanhangwagens eerste en tweede klasse en een barrijtuig bevatten. Die treinstellen zijn onderling koppelbaar in meervoudtractie.

De motorwagens

De twee motorwagens zijn identiek. De zelfdragende kast, uit een stuk, is van half roestvrij gelast staal. De stroomlijnvorm van de neus bevat een stevig geraamte dat op de langsliggers van het frame rust. Dat geraamte vormt de beschermingsneus en de kopbalk. De neus is inwendig voorzien van een vervormbare kast voor het opvangen van de belangrijke schokken en is derwijze aangepast dat men er de batterijen en de intrekbare centrale koppelinrichting kan in bergen. Die koppelinrichting wordt gebruikt voor het rangeren in de werkplaats of voor het wegtrekken met geringe snelheid na defect in volle baan.

Elke motorwagen heeft slechts één comfortable en geklimatiseerde stuurcabine. De apparatuur van de boordtafel werd tot een minimum beperkt. De bestuurder heeft rechtstreeks radiocontact met de verkeersregelaar en het begeleidend personeel. De motorwagen bevat bovendien een elektrische apparatuur met de tractie- en remelementen, een geluiddichte afdeling met de turbo-wissel-stroomgenerator, een geluiddichte afdeling voor luchtaanzuiging, een bagageafdeling waarin de elektronische apparatuur en de lessenaar met de geluidsinstallatie ondergebracht zijn. Onder het raam bevinden zich o.m. een brandstofreservoir, de pneumatische apparatuur en de transformatoren. De cabine is aan weerszijden toegankelijk door een zijdeur die uitgeeft op de machinekamer. Binnen in de cabine, en aan elke kant, is er een klapluik dat dient als nooduitgang.

Het zeer compacte turbo-wisselstroomgenerator-aggregaat bestaat uit twee TURMO III G-turbomotoren die elk 940 kW ontwikkelen, maar die achteraf zullen worden vervangen door twee TURMO III G van 1 100 kW, met hetzelfde ruimtebeslag [1]. De twee turbomotoren die zij aan zij geplaatst zijn en 20 000 t m draaien, zijn aan een gemeenschappelijke reductor gekoppeld en drijven een dubbele wisselstroomgenerator aan die zelf 4 000 t/m draait. Dank zij een vrijwiel dat zich op elk der ingangsassen van de gemeenschappelijke reductor bevindt, kan de motorwagen met een of met twee in dienst zijnde motoren functioneren. De dubbele wisselstroomgenerator bevat op een zelfde drijfas, in een zelfde kast:

• een hoofdtractie-wisselstroomgenerator, met een bestendig vermogen van 2 250 kW;
• een hulpwisselstroomgenerator van 230 kW.

De elektrische transmissie is van het driefasige continutype. De driefasige hoofd-wisselstroomgenerator voedt de zes tractiemotoren van een half treinstel door een gelijkrichteraggegaat heen dat samengesteld is uit 24 siliciumdioden, opgesteld als Graetz-brug. De tractiemotoren worden gevoed met gelijkstroom 750 V. Ze hebben een vermogen van 310 kW in bestendig bedrijf en zijn zelfventilerend.

De hulptoestellen: bekrachtiging van de hoofdwisselstroomgenerator, laden van batterij, luchtcompressor, airconditioning, verlichting, enz., worden gevoed met driefasige stroom 380 V, afkomstig van de hulpwisselstroomgenerators van de twee turbo-wisselstroomgenerator-aggregaten. Een enkel aggregaat kan overigens de voornaamste hulptoestellen van heel het stel voeden. Zoals bij de luchtvaart, gaat de keuze van de frequentie 400-Hz voor de hulptoestellen gepaard met een belangrijke verlichting en betekent ze een innovatie voor het spoorwegmaterieel.

De afgewerkte gassen worden afgevoerd in het dak door een speciale geluiddemper. Het is een combinatie van geluidopslorpende elementen (doorboorde platen en een laag glaswol) en galmkasten die zo afgeregeld zijn dat ze de laagfrequentiegeluiden verzwakken. De geluiddemper bevat een dubbele schacht die afgekoeld wordt door een circulatie van lucht welke in het dak opgevangen en weer uitgedreven wordt.

Dank zij de speciale uitvoering van de geluiddemper en van zijn verbindingsbuizenstel kan de residuale energie die in de afgewerkte gassen van de turbomotoren aanwezig is, gebruikt worden voor de ventilatie van de machinekamer.

Deze apparatuur wordt gevormd door luchtafnamepompen die werken volgens het venturiprincipe. De warme lucht, die gelijktijdig met de gassen in de geluiddemper afgevoerd wordt, wordt vervangen door verse lucht die opgevangen wordt door mondingen welke zich in de rechter-zijwand bevinden.

Bij normale werking stelt het gebruik van dieselbrandstof in de turbomotoren geen bijzondere problemen. De ontsteking van de verbrandingskamer van die turbomotoren vereist evenwel het gebruik van een vluchtiger brandstof. Derhalve werd de installatie opgevat om de turbomotoren te kunnen voeden met PSP (petroleum zonder parafine) tijdens het op gang brengen, vervolgens met gasolie tijdens hun normale werking. Het inhoudsvermogen van de brandstofreservoirs (2 x 4 000 liter) garandeert een actieradius van 1 200 km.

De draaistellen werden ontworpen en gebouwd door Creusot-Loire. Ze zijn identiek en omvatten twee volledig opgehangen tractiemotoren. Hun asafstand bedraagt 2,600 m. Het frame van gelaste staalplaat is van het monoblok-type; het bestaat uit twee langsliggers en een middendwarsbalk, die alle kokervormig zijn, en twee wafelvormige kopbalken. De ophanging van het draaistelframe geschiedt door acht schroefvormige veren, gecombineerd met rubbersteunen. De draagpotten zijn met het draaistelframe verbonden door stangetjes met rubberscharnieren. Vier hydraulische „galop”-dempers vullen dit geheel aan.

De ophanging van de wiegbalk is samengesteld uit twee pneumatische „Sumiride”-veren van 612 mm middellijn. Die veren, welke aan weerzijden van het draaistel opgesteld zijn, rusten op een ligger die op zijn beurt steunt op vier blokken, bestaande uit staal-rubber gelaagde blokken. Deze blokken, welke schaarvormig over elkaar kunnen schuiven, verzwakken de dwarse bewegingen tussen kast en draaistel en maken het mogelijk bochten van 100 m straal te doorlopen. Verschillende stangen en schokdempers dempen de andere horizontale en verticale verplaatsingen.

Het meenemen van de kast door het draaistel geschiedt met behulp van een schommelspil die op en neer schuift in een kogelgewricht dat in de midden-dwarsbalk van het draaistel ingebouwd is.

Een hydraulische schokdemper voor de dwarse bewegingen bevindt zich tussen elk draaistel en de doorloopbalg tussen de voertuigen. De „Sumiride”-veren worden gevoed met druklucht door een nivelleringsklep. Die klep controleert de hoogte welke vereist is voor de onberispelijke werking van de veren, ongeacht hun belasting. Twee leistangen maken dat de pneumatische veren enkel in verticale richting kunnen werken.

De remming van het treinstel wordt verzorgd door twee remstelsels:

• de hoofdremmen zonder wrijving bevatten de rheostatische remming (door de tractiemotoren die als generatoren werken) en de remming door middel van Foucaultstromen (draaiend vertragingsmechanisme van „Telma”, gemonteerd op het uiteinde van de drijfas van elke tractiemotor);
• de hulp- en wrijvingsremmen, welke bestaan uit de oleo-pneumatische blokrem die inwerkt op de wielen, en de elektromagnetische reelrem van het type Knorr die inwerkt op de rails (noodremming).

Die vier remmen samen worden vanaf de boordtafel in werking gebracht door een enkel handvat; de bediening ervan brengt een berekeningsinrichting op gang die een programma opstelt dat rekening houdt met de snelheid van de trein en met de gewenste remming. Dit stel remmen is aangevuld met een automatische waakinrichting.

De aanhangrijtuigen

Elk aanhangrijtuig heeft slechts één toegangsplatform met twee automatisch bediende schuifdeuren die naar buiten opengaan. De reizigersafdelingen hebben twaalf brede vensters met dubbele beglazing waarvan de buitenste ruit, ondoordringbaar voor warmtestralen, lichtjes bronskleurig is. Aan het ene uiteinde van het rijtuig bevinden zich een airconditioningslokaal en een bagageruimte en aan het andere twee toiletkamers. Het airconditioningsysteem is gekopieerd van de luchtvaart; bij het doorrijden van tunnels werkt het in gesloten kringloop. Er is een geluidsinstallatie voor de mededelingen aan de reizigers en voor het uitzenden van stemmige muziek.

Het aanhangrijtuig eerste klasse biedt 34 zitplaatsen (3 op een rij); in tweede klasse zijn er 56 (4 op een rij). De individuele zetels hebben een geraamte van gelaagd polyester, en een rugleuning en zitting van schuimrubber, overtrokken met afneembare hoezen van wollen jersey. Ze kunnen twee standen innemen: zit- en rusthouding. Aan comfort en afwerking werd bijzondere zorg besteed. Geen enkele reiziger zit boven de draaistellen.

Om een bestendige controle te kunnen uitoefenen op de veilige werking van de turbotrein wanneer hij met hoge snelheid rijdt, en om de resultaten van de proefnemingen te verzamelen, is het middelste aanhangrijtuig als laboratoriumrijtuig ingericht. Het bevat een belangrijke elektronische en magnetische apparatuur die gelijktijdig 350 meetpunten kan behandelen; die apparatuur is verdeeld over verschillende posten (turbomotoren, omgeving, elektrische transmissie, structuren, rij-dynamica, remming, aërodynamica, enz.) waarop een operator toezicht houdt. Een boordchef is belast met de coördinatie van de verrichtingen en met de veiligheid van de personen. De verbinding tussen de motorrijtuigen en de verschillende aanhangrijtuigen gebeurt via doorloopbalgen die zeer origineel opgevat zijn. Ze rusten op de wiegbalkophanging van de draaistellen en zorgen tegelijk voor de geleding van het stel en voor de overbrenging van de trekkracht van de draaistellen op de kast. Die balgen bestaan elk uit een vast gedeelte, „vaste balg” genoemd, die op het einde van de kast vastgeschroefd is, en een beweegbaar gedeelte, „draagbalg” genoemd, waarop het uiteinde van de kast in de andere richting rust. Het mobiele gedeelte draagt de koppelingshaak. De kast van de aanhangrijtuigen is van het buisvormige monoblok-type met werkende bekledingen. De gestroomlijnde onderkappingen van de kast zijn ingericht om er verschillende elektrische en pneumatische hulpuitrustingen in onder te brengen.

De resultaten

Na een voorbereidende proefperiode in de werkplaatsen en een periode van proefrijden (220 km/h) in de Elzas, die in april 1972 aanving, werd op 17 juli 1972 een 3e proefperiode ondernomen op de lijnen van de Landes, waarbij zeer hoge snelheden ontwikkeld werden. Tijdens deze 3 proefperiode konden o.m. de stabiliteit, de remming, de mechanische en thermische belastingen, de adhesie, het comfort en het geluid volledig gecontroleerd worden. Op 1 november 1972 had het TGV-treinstel meer dan 35 000 km afgelegd, verdeeld over 74 ritten van meer dan 250 km/h en 11 van meer dan 300 km/h. De resultaten die alsdan opgetekend werden, zijn uiterst interessant.

Zo werd vastgesteld dat de turbines en hun transmissies volledige voldoening schenken.

Op het stuk van de aërodynamica wist men reeds dat, dank zij de rails, treinen een uiterst beperkt energieverbruik nodig hebben om zich in evenwicht te houden en om te rijden. Die vaststelling welke gedaan werd voor de gebruikelijke snelheden, werd volkomen bevestigd voor de hoge snelheden. De metingen hebben uitgewezen dat slechts 5% van het vermogen, verbruikt om de TGV 300 km /h te laten rijden, opgeslorpt wordt om de rijweerstand te overwinnen. Het span „wiel-rail” is dus nog steeds de vervoerwijze die, voor een gegeven snelheid, zuinig is in het gebruik van energie terwijl het overschot van deze energie dient om de weerstand van de lucht te overwinnen.

Op het gebied van de stabiliteit zijn de resultaten uiterst bevredigend. Zelfs bij de snelheidspieken blijft het comfort van de reizigers uitstekend en wordt de spoorbaan (betonnen dwarsliggers met elastische spoorstaafbevestigingen) in ’t algemeen weinig belast.

Verder is gebleken dat de reiziger niet de minste hinder ondervindt wanneer het treinstel dat 300 km/h rijdt, bij een gemiddelde vertraging van 9,91 m/sec, tot stilstand komt.

In akoestisch opzicht zijn de resultaten eveneens opmerkelijk: ongeveer 60 decibel, terwijl men 75 dB registreert voor een auto die 100 km/h rijdt én 78 dB in een „Caravelle” bij kruissnelheid. Buiten veroorzaakt het voorbijrijden van de turbotrein niet meer geluidsstoring dan een gewoon treinstel.

Algemene kenmerken van de TGV-001

• Spoorbreedte: 1,435 m;
• voornaamste bouwers: Alsthom voor de hoofdwissel-stroomgenerators, de tractiemotoren, de elektrische apparatuur, de motorwagens en de algemene montage van het treinstel;
• Brissonneau en Lotz [2] voor de aanhangrijtuigen en de hulp-wisselstroomgenerators;
• Turbomeca voor de turbo-motoren en de gemeenschappelijke reductoren;
• Société MTE (Jeumont-Schneider et Creusot-Loire) voor de draaistellen, de rheostatische blokken en gelijkrichtersuitrusting;
• nominaal thermisch vermogen: 3 760 kW (4 turbines van 940 kW), vervolgens 4 400 kW (4 turbines van 1 100 kW);
• nominaal elektrisch vermogen: 4 500 kW (2 hoofdwisselstroomgenerators van 2 250 kW);
• max. snelheid: 300 km/h;
• gewicht in rijvaardige staat: 192 t;
• belasting per as: 16 t;
• middellijn wielen: 0,900 m;
• lengte motorwagen: 19,000 m;
• lengte aanhangrijtuig (tussen draaistelassen): 18,300 m;
• tot. lengte: 92,900 m;
• breedte kast: 2,814 m;
• hoogte dak: 3,400 m.