Leslocomotives à turbine à gaz ont été mises au point dans plusieurs pays auXXe siècle. Elles utilisent uneturbine à combustion analogue à celle que l'on rencontre dans lesavions ou leshélicoptères pour entraîner un axe de sortie. La transmission rencontre alors à peu près les mêmes contraintes que pour leslocomotives Diesel et on observe les mêmes solutions : transmission mécanique, électrique (semblable à la solution Diesel-électrique) ou hydraulique.
Elles ont été essayées sous plusieurs formes depuis lesannées 1920 mais surtout dans les1950 et1960 alors que le prix du pétrole était bas. Elles ont largement été délaissées au profit des locomotives électriques enEurope et Diesel enAmérique par la suite. De plus, le niveau sonore qu'elles produisaient présentait également trop d'inconvénients en matière depollution sonore pour qu'elles soient utilisées couramment dans le transport ferroviaire. Le développement des réacteurs dans l'aéronautique a permis d'améliorer performances et niveau sonore et dans lesannées 2000, la compagnieBombardier Transport a présenté sonJetTrain qui tente une nouvelle percée de cette technologie.
La turbine à combustion est unmoteur thermique réalisant les différentes phases de soncycle thermodynamique dans une succession d’organes traversés par un fluide moteur gazeux en écoulement continu. C’est une différence fondamentale par rapport aux moteurs à pistons qui réalisent une succession temporelle des phases dans un même organe (généralement un cylindre).
Dans sa forme la plus simple, la turbine à combustion fonctionne selon lecycle dit de Joule comprenant successivement et schématiquement[1]:
Lerendement est le rapport du travail utile (travail de détente – travail de compression) à la chaleur fournie par la source chaude. Le rendement théorique croit avec le taux de compression et la température decombustion. Il est supérieur à celui du cycle Diesel car sa détente n’est pas écourtée.
La turbine à combustion peut être couplée à un arbre de transmission mécanique ou hydraulique pour transmettre le mouvement aux organes de transmission (rotor d'hélicoptère) ou aux essieux moteurs par l'intermédiaire d'une boite de vitesses (ETG-RTG); ou bien à unalternateur (premier TGV - prototype) pour produire le courant alimentant les moteurs électriques. Les turbines à combustion ont un rapportpoids, encombrement /puissance très avantageux par rapport à un moteur Diesel équivalent. De plus, la turbine a peu de pièces mobiles, ce qui diminue l'usure et la détérioration par friction et donc l'entretien. Ceci présentait un net avantage pour les compagnies de chemin de fer.
Cependant, la puissance et l'efficacité d'une turbine diminuent rapidement lorsqu'on réduit la vitesse derotation, contrairement à un moteur à pistons, dont la courbe de puissance est relativement constante à tous les régimes de rotation. Ce type de propulsion est donc idéal pour des engins effectuant de longs trajets à grande vitesse constante - ETG-RTG. Elles ont également souffert du fait d'être très bruyantes, polluantes, avec une consommation de carburant très importante. Les coûts d'exploitation devinrent prohibitifs avec l'augmentation continue des prix dupétrole dans le cas des RTG.
Les premières expériences d'utilisation datent desannées 1920. L'âge d'or se situe durant les années 1950-1960 alors que le développement des moteurs à réaction pour les avions enflamme l'imagination. Elles offraient encore un avantage tant que le prix du pétrole est resté bas mais la technique est devenue économiquement peu rentable avec l'augmentation de ce dernier après leschocs pétroliers desannées 1970.Union Pacific utilisa la plus large flotte de locomotives à turbine au monde et fut la seule à les utiliser dans le transport de marchandises. Les autres utilisateurs les cantonnèrent dans le transport passagers mais ce fut dans un rôle limité[1].
LesChemins de fer fédéraux suisses commandèrent leur première locomotive turbine-électrique en 1939. Elles furent livrées en1941-1942 par l'entrepriseBrown, Boveri & Cie[2]. Elles avaient une puissance de 1,6 MW et c'était la première application commerciale de ce principe. Les turbines ne seraient mises en production pour l'aviation qu'à la fin de laSeconde Guerre mondiale.
LeGreat Western Railway, deGrande-Bretagne, commanda deux locomotives turbine-électriques durant lesannées 1940 mais elles ne furent livrées qu'après la nationalisation des chemins de fer en1948. La première,British Rail 18000, qui fut construite parBrown Boveri en Suisse, avait une puissance de 1,9 MW et était de type industriel. La seconde,British Rail 18100, fut construite en Grande-Bretagne parMetropolitan Vickers à partir d'une turbine d'avion et produisait 2,2 MW. La vitesse maximale dans les deux cas était de145 km/h[3].
Union Pacific commença à utiliser des locomotives turbo-électriques dans les années 1950, surtout pour les trains de marchandises sur longue distance[4],[5]. On utilisait comme combustible lemazout lourd de classe C, un résidu de raffinage habituellement réservé aux navires, ce qui rendait l'opération rentable mais encrassait prématurément les turbines[6]. La flotte de cette compagnie compta jusqu'à 10 % de locomotives de ce type mais le concept fut abandonné durant les années 1970 à la suite de l'augmentation des prix du pétrole.
Durant lesannées 1960, la compagnie américaineUnited Aircraft construisit leTrain Turbo pour le service passager[7]. Il fut testé par lePennsylvania Railroad et plus tard leCanadien National. Les compagnies ferroviaires se séparèrent de leurs services passagers non rentables au début desannées 1970 et ce sont les compagnies d'étatAmtrak (États-Unis) etVIA Rail (Canada) qui héritèrent du Turbo. Il fut en service jusqu'au début desannées 1980 au Canada, sur la ligneMontréal-Toronto, jusqu'à ce qu'on le remplace par letrain LRC à locomotive Diesel-électrique.
Amtrak de son côté acheta deux types de rames à turbines, toutes deux appeléesTurboliners. La première était assez similaire auTurbotrain de laSNCF mais plus lourd à cause des ajouts demandés pour la sécurité par la Federal Railroad Administration. La seconde fut fournie par le constructeur Rohr. Aucune n'est plus en service du premier type mais des Rohr Turboliners de version III rénovées roulent encore.
Durant les années 1950, laSNCF a utilisé trois locomotives prototypes à turbine à combustion construites parRenault. Les turbines, n'ayant ni compresseur nichambre de combustion, étaient alimentées en gaz chaud par desgénérateurs à pistons libres Sigma-Pescara :
Le bruit, la consommation élevée aux faibles charges et des problèmes de maintenance ont écourté l'expérience.
La SNCF a utilisé un certain nombre derames automotrices équipées de turbines à combustion d'hélicoptère associées à une transmission hydraulique. Certaines rames (ETG) du début comportaient aussi une motrice Diesel pour faciliter les démarrages.
Le prototype deTGV construit en1972 (leTGV 001) était équipé de turbines à combustion d'hélicoptère associées à une transmission électrique. Devant l'augmentation du coût du pétrole en1974, ce mode de propulsion fut abandonné au profit de la seule traction électrique[8].
La locomotive turbo-électrique duBritish Rail APT-E,Advanced passenger train à haute vitesse britannique, fut remplacée par une locomotive électrique quand le constructeur de turbineBritish Leyland cessa la production du modèle de turbine utilisé.
Dans les années 1970 et 1980, outre lesÉtats-Unis, l'industrie française a exporté des trains de technolologieRTG enIran et enÉgypte.
En2002,Bombardier Transport annonça le lancement de sonJetTrain, untrain pendulaire mû par une locomotive turbo-électrique. La turbine fabriquée parPratt & Whitney Canada àLongueuil a une consommation de 20 % inférieure à l'équivalent Diesel et un niveau sonore qui se situe sous les seuils permis par la Federal Railroad Administrationaméricaine[9]. Elle est donc compétitive avec le parc de locomotives Diesel qui couvre l'Amérique du Nord et son utilisation avec des wagons pendulaires permet d'obtenir de grandes vitesses sans construire de nouvelles lignes dédiées à ce transport. Jusqu'à présent (2007), aucune commande n'a cependant été passée.
À partir de2006, laCompagnie des chemins de fer russes prend l'initiative de relancer l'étude des trains à turbine à combustion, aboutissant à la mise en service du prototypeGT1, dont les modèles de série seront destinés essentiellement aux lignes sibériennes. Le cette locomotive bat un record mondial en tractant un convoi de 16 000 tonnes (170 wagons).
