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TGV-001, premier turbotrain à grande vitesse

Phil Dambly.

mercredi 31 octobre 2012, par rixke

Suite à une étude approfondie et plusieurs essais préliminaires, la Société nationale des Chemins de Fer français a passé commande à la Société Alsthom, maître d’œuvre, associée à d’autres constructeurs français, d’une rame prototype à turbines à gaz pour expérimenter la nouvelle formule de transport de voyageurs à très grande vitesse entre grands centres urbains. Alliant à la fois sécurité, grand confort et rapidité, cette nouvelle famille de véhicules ferroviaires permettra demain d’assurer les liaisons interurbaines dans des conditions idéales. Ces rames sont appelées à relier, par exemple, en version « turbine » :

  • Paris - Lyon en moins de 2 h ;
  • Paris - Lille en 1 h.

Et, en version « tout électrique » :

  • Paris-Londres en 2 h 30 par le tunnel sous la Manche ;
  • Paris - Bruxelles en 1 h 30 par une nouvelle ligne à l’étude.

Le turbotrain expérimental TGV-001 est conçu, à l’origine, pour des vitesses supérieures à 250 km /h. La formule de rame automotrice a été retenue en raison des avantages suivants : meilleur aérodynamisme, faible charge par essieu, répartition de la puissance sur plusieurs essieux moteurs, meilleures performances de freinage.

En ce qui concerne l’utilisation ferroviaire des turbines à gaz, commencée en 1966 par l’emprunt d’une turbine d’hélicoptère, la SNCF peut s’appuyer sur une expérience unique au monde : celle des millions de kilomètres parcourus et des millions de voyageurs transportés depuis septembre 1970 par les 14 turbotrains ETG affectés au service Paris - Caen -Cherbourg. Ces ETG, équipés d’une seule turbine et d’un moteur diesel, circulent à 160 km/h. Une deuxième génération de turbotrains vient d’apparaître : les RTG à deux turbines, capables d’atteindre 200 km /h, qui seront mis en service cette année sur les lignes Lyon - Strasbourg et Nantes - Bordeaux. Le TGV à quatre turbines préfigure la troisième génération et poursuit l’escalade de la puissance et de la vitesse. Commandé en juillet 1969, il est sorti de l’usine Alsthom de Belfort le 23 mars 1972. Les essais de ce prototype précèdent les études de deux rames de présérie qui auront toutes les caractéristiques des rames destinées au service commercial.

 Composition de la rame expérimentale

Le TGV-001 est un train automoteur à adhérence totale, constitué de deux motrices encadrant trois remorques. L’ensemble est articulé et repose sur six bogies à deux essieux moteurs, disposés sous les anneaux d’intercirculation.

Les deux remorques d’extrémité sont aménagées, l’une en voiture de première classe, l’autre en voiture de deuxième classe. La remorque centrale est aménagée en voiture-laboratoire.

La rame a été profilée suivant les études et résultats d’essais effectués en soufflerie. La solution de rame articulée a permis d’abaisser de 300 mm le plancher des véhicules et, à confort égal, la hauteur totale de l’automotrice. Ceci diminue la résistance à l’avancement tandis que le centre de gravité occupe une position plus favorable. La ligne extérieure est due au styliste Jacques Cooper.

Les rames destinées à l’exploitation ultérieure comporteront des remorques supplémentaires non motrices, de première classe, deuxième classe et voiture-bar. Ces rames pourraient être accouplées en unités multiples.

 Les motrices

Les deux motrices sont identiques. La caisse autoportante monobloc est soudée en acier semi-inoxydable. La forme profilée du nez contient une ossature résistante appuyée sur les longerons du châssis. Cette ossature constitue le bouclier de protection et la traverse de tête. Elle est doublée d’un caisson déformable susceptible d’absorber les chocs importants. Le nez caréné est aménagé pour recevoir les batteries et le dispositif rétractable de l’attelage central. Cet attelage est utilisé pour les évolutions en atelier ou le dépannage en ligne à vitesse réduite.

Chaque motrice ne comporte qu’une cabine de conduite, climatisée et confortable. Le pupitre de conduite a été dépouillé au maximum. Depuis la cabine, le conducteur est en liaison directe par radio avec le régulateur de trafic et le personnel d’accompagnement. Le reste de la motrice est divisé en plusieurs parties : un bloc électrique comportant les éléments de traction et de freinage, un compartiment insonorisé abritant le groupe turbo-alternateur, un compartiment insonorisé d’aspiration d’air, un compartiment à bagages dans lequel sont placés l’appareillage électronique et le pupitre de sonorisation, un équipement sous caisse qui comporte notamment une soute à combustible, l’appareillage pneumatique et les transformateurs. L’accès à la cabine de conduite s’effectue de chaque côté par une porte latérale donnant dans la salle des machines. A l’intérieur de la cabine, et de chaque côté, il y a une trappe basculante servant d’issue de secours.

Remorque de 1re classe

Le groupe turbo-alternateur, très compact, comporte deux turbomoteurs TURMO III G de 940 kW chacun, qui seront ensuite remplacés par des TURMO X de 1 100 kW, de même encombrement [1]. Les deux turbomoteurs, disposés côte à côte et tournant à 20 000 t /m, sont accouplés à un réducteur commun et entraînent un alternateur double qui tourne lui-même à 4 000 t/m. La présence d’une roue libre sur chacun des deux arbres d’entrée du réducteur commun permet le fonctionnement avec un ou deux turbomoteurs en service. L’alternateur double comporte, sur un même arbre, dans une seule carcasse :

  • un alternateur principal de traction, d’une puissance continue de 2 250 kW ;
  • un alternateur auxiliaire de 230 kW.

La transmission électrique est du type triphasé-continu. L’alternateur principal triphasé alimente les six moteurs de traction d’une demi-rame à travers un bloc redresseur constitué de 24 diodes au silicium, disposées en pont de Graetz. Les moteurs de traction sont alimentés en courant continu 750 V. Ils ont une puissance de 310 kW en régime continu et sont auto-ventilés.

Les auxiliaires : excitation de l’alternateur principal, charge batterie, compresseur d’air, climatisation, éclairage, etc., sont alimentés en courant triphasé 380 V à partir des alternateurs auxiliaires des deux groupes turbo-alternateurs. Un seul groupe peut d’ailleurs alimenter les auxiliaires principaux de toute la rame. Le choix de la fréquence de 400 Hz pour les auxiliaires, comme en aéronautique, permet un allégement intéressant et constitue une innovation pour le matériel ferroviaire.

Les gaz d’échappement sont évacués en toiture à travers un silencieux spécial. C’est une combinaison d’éléments absorbants (tôles perforées et matelas de laine de verre) et de résonateurs accordés pour atténuer les sons de basses fréquences. Le silencieux comprend une double gaine extérieure, refroidie par circulation d’air capté et refoulé en toiture par un jeu d’écopes.

L’énergie résiduelle contenue dans les gaz d’échappement des turbomoteurs est utilisée pour assurer la ventilation de la salle des machines, grâce à la conception particulière du silencieux et de ses tubulures de raccordement. Cet ensemble fait office de trompes d’extraction d’air qui fonctionnent par effet de venturi. L’air chaud, évacué dans le silencieux d’échappement en même temps que les gaz, est remplacé par de l’air frais capté à l’extérieur par des ouïes disposées dans la paroi latérale droite.

En fonctionnement normal, l’utilisation de combustible diesel dans les turbomoteurs ne pose pas de problème particulier. Par contre, l’allumage de la chambre de combustion de ces turbomoteurs nécessite l’emploi d’un combustible plus volatil. En conséquence, l’installation a été conçue pour permettre l’alimentation des turbomoteurs en PSP (pétrole sans paraffine) pendant les phases de lancement, puis en gasoil pendant leur fonctionnement normal. La capacité des soutes à combustible (2 x 4 000 litres) assure une autonomie de 1 200 kilomètres.

Les bogies, conçus et réalisés par Creusot-Loire, sont identiques et comportent deux moteurs de traction entièrement suspendus. Leur empattement est de 2,600 m. Le châssis, en tôle d’acier soudée, est du type monobloc ; il comporte deux longerons et une traverse centrale, tous en caisson, et deux traverses tubulaires d’extrémité. La suspension primaire est assurée par huit ressorts hélicoïdaux combinés avec des appuis en caoutchouc. Les boîtes d’essieux à rouleaux sont liées au châssis de bogie par des biellettes à silentblocs. Quatre amortisseurs hydrauliques de galop complètent cet ensemble.

La suspension secondaire est constituée par deux ressorts pneumatiques « Sumiride » de 612 mm de diamètre. Ces ressorts, disposés de part et d’autre du bogie, reposent sur une traverse qui s’appuie elle-même sur quatre blocs caoutchouc-acier. Ces blocs, déformables en cisaillement, absorbent les mouvements transversaux entre caisse et bogie et permettent, en outre, la rotation caisse-bogie (possibilité d’inscription en courbe de 100 m de rayon). Diverses bielles et amortisseurs contrôlent les autres déplacements horizontaux et verticaux.

Poste de conduite

L’entraînement caisse-bogie se fait depuis une traverse de caisse à l’aide d’une cheville oscillante ; celle-ci coulisse dans une rotule solidaire de la traverse centrale du bogie.

Un amortisseur hydraulique des mouvements transversaux est disposé entre chaque bogie et l’anneau d’intercirculation entre véhicules. Les ressorts « Sumiride » sont alimentés en air comprimé par une valve de nivellement. Cette valve contrôle la hauteur souhaitée pour obtenir le fonctionnement correct des ressorts, quelle que soit la charge. Deux bielles d’asservissement obligent les ressorts pneumatiques à travailler uniquement dans le sens vertical.

Le freinage de la rame est assuré par deux groupes de freins :

  • les freins principaux sans frottement, qui comprennent : le freinage rhéostatique (par les moteurs de traction fonctionnant en génératrices) et le freinage par courants de Foucault (ralentisseur rotatif « Telma » monté en bout d’arbre de chaque moteur de traction) ;
  • les freins d’appoint et d’arrêt à frottement, qui comprennent : le freinage oléopneumatique par sabots agissant sur les roues et le freinage par patins électromagnétiques du type Knorr agissant sur les rails (arrêt d’urgence).

L’ensemble de ces quatre freins est commandé à partir du pupitre de conduite par une seule manette qui affiche un programme établi par calculateur en fonction de la vitesse du train et du freinage désiré. Cet ensemble est complété par un dispositif de veille automatique.

 Les remorques

Chaque remorque comprend une seule plate-forme d’accès avec deux portes coulissantes à commande automatique, donnant sur l’extérieur. La salle de voyageurs comporte douze larges baies doubles dont la glace extérieure, du type athermique, est légèrement teintée (bronze). Un local de climatisation et une niche à bagages sont situés à une extrémité, tandis que l’on trouve deux cabinets de toilette à l’autre extrémité. La climatisation est obtenue par un conditionnement d’air de type aéronautique ; lors des passages en tunnel, il fonctionne en circuit fermé. Une sonorisation intérieure permet de faire les annonces aux passagers ou de diffuser de la musique d’ambiance.

La remorque de première classe offre 34 places assises (3 de front) ; celle de deuxième classe, 56 places assises (4 de front). Les sièges individuels comportent une ossature en polyester stratifié, un dossier et une assise en mousse garnie de housses démontables en jersey de laine. Ils peuvent prendre deux positions : assis ou reposé. Confort et finition ont été particulièrement soignés. Aucun voyageur n’est assis au-dessus des bogies.

Pour contrôler en permanence la sécurité du fonctionnement du turbotrain aux vitesses élevées et pour recueillir les résultats des essais, la remorque centrale est aménagée en voiture laboratoire. Elle renferme un important équipement électronique et magnétique qui peut traiter simultanément 350 points de mesure ; cet équipement est réparti en plusieurs postes (turbomoteurs, environnement, transmission électrique, structures, dynamique de circulation, freinage, aérodynamique, etc.) placés chacun sous la surveillance d’un opérateur. Un chef de bord a la charge de la coordination des opérations et de la sécurité des personnes.

La liaison entre les motrices et les différentes remorques est réalisée au moyen d’anneaux d’intercirculation de conception originale. Ils reposent sur la suspension secondaire des bogies et permettent à la fois l’articulation de la rame et la transmission aux caisses de l’effort de traction des bogies. Ces anneaux comprennent chacun une partie fixe dite « anneau fixe », boulonnée sur l’extrémité d’une caisse, et une partie mobile dite « anneau porteur » sur laquelle repose l’extrémité de la caisse en vis-à-vis. La partie mobile porte le crochet d’attelage. La caisse des remorques est du type tubulaire monobloc à revêtements travaillants. Les dessous de caisse, carénés, sont aménagés pour recevoir les divers équipements auxiliaires électriques et pneumatiques.

 Résultats acquis

Après une phase préparatoire d’essais en usine et une phase d’essais à 220 km/h en Alsace, qui a débuté en avril 1972, la troisième phase, celle des essais à très grande vitesse, a été entreprise depuis le 17 juillet 1972 sur la ligne des Landes. Elle a permis de procéder à des vérifications complètes dans tous les domaines : stabilité, freinage, sollicitations mécaniques et thermiques, régulation, adhérence, confort, bruit, etc. La rame TGV a parcouru plus de 35 000 km à la date du 1er novembre 1972 et des résultats intéressants ont été enregistrés au cours des 74 parcours effectués à plus de 250 km/h et de 11 autres à plus de 300 km /h.

Partie motrice : les turbines et leur transmission ont donné satisfaction à tous les égards.

Groupe turbo-alternateur. On distingue nettement les deux turbomoteurs

Aérodynamisme : on savait depuis longtemps que, grâce au rail, le chemin de fer exigeait une dépense d’énergie extrêmement réduite pour la sustentation et le roulement. Cette constatation faite pour les vitesses courantes a été entièrement confirmée pour les grandes vitesses. Les mesures ont montré que 5 % seulement de la puissance utilisée pour entraîner le TGV à 300 km/h sont absorbés pour vaincre la résistance au roulement. Ainsi, le couple « roue/rail » constitue toujours le mode de transport terrestre le plus économe en énergie pour une vitesse donnée, le reste de cette énergie étant utilisé à surmonter la résistance de l’air.

Stabilité : les résultats ont été très favorables. Même à la pointe extrême de vitesse, le confort des voyageurs demeure excellent et la voie (traverses en béton avec attaches élastiques) est en général très peu sollicitée.

Freinage : sans que le passager éprouve la moindre réaction désagréable, une décélération moyenne de 0,91 m sec² a été enregistrée de 300 km/h jusqu’à l’arrêt.

Acoustique : le niveau sonore à l’intérieur des remorques est très bas : environ 60 décibels, alors qu’on enregistre 75 dB dans une automobile lancée à 100 km/h et 78 dB dans une « Caravelle » en régime de croisière. A l’extérieur, le passage du turbotrain ne produit pas plus de perturbations que dans le cas d’une rame normale.

 Caractéristiques générales du TGV-001

  • Ecartement : 1,435 m ;
  • constructeurs principaux : ALSTHOM pour les alternateurs principaux, les moteurs de traction, les blocs électriques, les motrices et le montage général de la rame, BRISSONNEAU et LOTZ [2] pour les remorques et les alternateurs auxiliaires, TURBOMECA pour les turbomoteurs et les réducteurs communs, société MTE (Jeumont-Schneider et Creusot-Loire) pour les bogies, les blocs rhéostatiques et les blocs redresseurs ;
  • puissance thermique installée : 3 760 kW (4 turbines de 940 kW), ensuite 4 400 kW (4 turbines de 1 100 kW) ;
  • puissance électrique installée : 4 500 kW (2 alternateurs principaux de 2 250 kW) ;
  • vitesse max. : 300 km /h ;
  • poids en service : 192 t ;
  • charge par essieu : 16 t ;
  • diamètre roues : 0,900 m ;
  • longueur motrice : 19,000 m ;
  • longueur remorque (entre axes bogies) : 18,300 m ;
  • longueur totale : 92,900 m ;
  • largeur caisse : 2,814 m ;
  • hauteur toit : 3,400 m.

Photos : SNCF, Alsthom.

ETG = élément à turbine à gaz
RTG = rame à turbine à gaz
TGV = très grande vitesse

Source : Le Rail, juin 1973


[1Un turbomoteur se compose de deux parties principales :

  • un générateur de gaz ;
  • une turbine réceptrice qui transforme l’énergie cinétique des gaz en travail mécanique. Cette turbine étant mécaniquement indépendante du rotor du générateur de gaz, est appelée « turbine libre ».

Le générateur de gaz comprend essentiellement : un compresseur, une chambre de combustion annulaire et une turbine qui entraîne le compresseur.

La puissance utilisable, délivrée par le générateur de gaz, dépend de la vitesse de rotation de ce dernier. Cette vitesse est fonction du débit de combustible.

La turbine libre fournit la puissance motrice par l’intermédiaire d’un réducteur incorporé au turbomoteur. Une tuyère dirige les gaz sortant de la turbine libre vers le dispositif d’échappement de la motrice.

[2Le 12 juillet 1972, les activités ferroviaires de « Brissonneau et Lotz » ont été apportées à la Société Alsthom - Division Transport.