Elke keer dat u een luchthaven bezoekt, is de torenhoge stuwkracht van commerciële vliegtuigen onmiskenbaar. Deze vliegtuigen zijn afhankelijk van gasturbinemotoren, een veelzijdige familie van machines die ook helikopters, energiecentrales en zelfs de M-1-tank aandrijven. In deze gids worden de basisbeginselen uitgelegd van hoe deze motoren werken, hun voordelen en de variaties die ze geschikt maken voor diverse toepassingen.

Typen turbines

• Stoomturbines – Gebruikt in kolen-, aardgas-, olie- en kerncentrales. Stoom drijft een meertraps-turbine aan die een generator aandrijft.
• Hydro-elektrische turbines – Water beweegt door turbines in dammen en zet kinetische energie om in elektriciteit. Hoewel hun ontwerp verschilt van stoomturbines vanwege de hogere dichtheid van water, is het onderliggende principe identiek.
• Windturbines – Zet de langzame, lichte wind om in een roterende beweging, opnieuw volgens hetzelfde basisturbineconcept.
• Gasturbines – Gebruik gas onder druk (van de verbranding van kerosine, vliegtuigbrandstof, propaan of aardgas) om een turbine te laten draaien. Moderne gasturbines produceren intern hun eigen hogedrukgas.

Voor- en nadelen van straalmotoren

• Verhouding vermogen/gewicht – Gasturbines leveren meer vermogen per gewichtseenheid dan zuigermotoren, waardoor ze ideaal zijn voor vliegtuigen en gepantserde voertuigen.
• Compact formaat – Bij een gegeven vermogen zijn turbines fysiek kleiner dan dieselmotoren.
• Kosten en complexiteit – Hoge rotatiesnelheden en extreme temperaturen vereisen geavanceerde materialen en precisieproductie, waardoor de productiekosten stijgen.
• Brandstofverbruik – Turbines zijn minder efficiënt bij stationair draaien en geven de voorkeur aan constante belastingen, wat geschikt is voor toepassingen met continu gebruik, zoals straalvliegtuigen en energiecentrales.

Het gasturbineproces

Een gasturbine bestaat uit drie kerncomponenten:

• Compressor – Comprimeert binnenkomende lucht tot hoge druk.
• Verbrandingskamer – Injecteert brandstof en verbrandt deze, waarbij gassen met een hoge temperatuur en hoge snelheid worden geproduceerd.
• Turbine – Haalt energie uit de gassen om de compressor aan te drijven en, in sommige ontwerpen, een aparte uitgaande as.

In een typische turbine met axiale stroming komt lucht van rechts binnen, wordt in meerdere fasen gecomprimeerd (vaak wordt de druk tot wel 30x verhoogd) en verlaat de compressor als hogedruklucht met hoge temperatuur.

Verbrandingsgebied

Brandstof wordt in de hogedruklucht in de verbrandingskamer geïnjecteerd. Een belangrijk onderdeel is de vlamhouder – vaak een ‘blikje’ genoemd – die de vlam stabiliseert in aanwezigheid van een supersonische luchtstroom. Door de perforaties van het blik kan lucht zich vermengen met brandstof, en de geometrie zorgt ervoor dat de vlam verankerd blijft, zodat de verbranding continu blijft.

De turbine

De turbine is meestal verdeeld in fasen. De eerste trappen drijven de compressor aan en vormen een enkele roterende as. Een laatste vrijloopturbinetrap is geïsoleerd van de rest van de motor; Alleen al de uitlaatgassen kunnen een uitgaande as laten draaien die 1.500 pk kan leveren, voldoende om een M-1-tank van 63 ton aan te drijven.

In veel toepassingen worden de uitlaatgassen eenvoudigweg afgevoerd, maar ze kunnen ook door warmtewisselaars gaan om restenergie terug te winnen of de inlaatlucht voor te verwarmen.

Variaties van gasturbines

Moderne vliegtuigen maken gewoonlijk gebruik van turbofanmotoren, die een kerngasturbine combineren met een grote ventilator aan de voorkant. De ventilator zuigt een grote hoeveelheid ‘bypasslucht’ aan, die met hoge snelheid wordt uitgestoten om extra stuwkracht te produceren. Turbopropmotoren gebruiken een vergelijkbare kern, maar drijven een conventionele propeller aan via een versnellingsbak in plaats van een ventilator.

Thrust-basisprincipes

Stuwkracht is de kracht die wordt gegenereerd door het versnellen van de massa uit de motor, zoals beschreven door de derde wet van Newton. In de VS wordt de stuwkracht gemeten in ponden; in het metrieke stelsel wordt dit uitgedrukt in Newton (1lb ≈ 4,45N). Een straalmotor die een stuwkracht van 5.000 pond produceert, zou theoretisch een massa van 5.000 pond kunnen dragen in een gewichtloze omgeving.

Stuwkracht straalmotor

Een turbofan produceert stuwkracht uit twee bronnen:

• Uitlaatsproeier – De hogesnelheidsgassen die het turbinemondstuk verlaten (typische uitgangssnelheid ≈ 2.100 km/u).
• Omleidingslucht – De ventilator duwt een enorme hoeveelheid lucht met een lagere snelheid, wat aanzienlijk bijdraagt aan de totale stuwkracht.

Verder lezen

Voor een diepgaand technisch onderzoek raadpleegt u Gasturbinemotortechnologie voor vliegtuigen of Elementen van gasturbine-aandrijving . Enthousiastelingen en ingenieurs kunnen ook online forums en mailinglijsten verkennen die gewijd zijn aan het ontwerp van gasturbines.