Introductie
Menige moderne benzine- en dieselmotor wordt aangeprezen met het woord 'turbo' in zijn type-aanduiding. Een kleine gasturbine zorgt er dan voor dat de uitlaatgasenergie wordt gebruikt om meer lucht in de motor te persen. De zuivere turbo-motor is de gasturbine, die vliegtuigen voortstuwt, generatoren voor elektriciteitsproduktie aandrijft en ons aardgasnet op druk houdt.

Volgens de eerste hoofdwet van de thermodynamica kan warmte in arbeid worden omgezet. Deze wetenschap heeft geleid tot de uitvinding en de ontwikkeling van allerlei processen en machines waarin deze omzetting wordt benut. Hoewel de eerste hoofdwet de gelijkwaardigheid van warmte en arbeid suggereert, is het niet mogelijk warmte volledig in arbeid om te zetten. Er treden namelijk altijd verliezen op. De grootte van die verliezen volgt uit de tweede hoofdwet van de thermodynamica. Uiteraard hebben werktuigbouwkundigen bij de ontwikkeling van processen en machines voortdurend gezocht naar beperking van de verliezen, teneinde uiteindelijk de beschikbare warmte zo goed mogelijk in arbeid om te zetten. Om de verliezen van arbeidleverende installaties met elkaar te kunnen vergelijken, hanteert men het begrip thermisch rendement. Dat is de verhouding tussen de geleverde arbeid en de daartoe benodigde hoeveelheid warmte. Sinds de zeventiende eeuw is een aanzienlijke rendementswinst geboekt. Zo konden de eerste stoommachines slechts twee procent van de toegevoerde warmte omzetten in arbeid, terwijl de gasturbine-stoomturbinecombinatie van een moderne elektriciteitscentrale meer dan 55% van de warmte in arbeid omzet.

Thermische machines
Carnot beschreef het theoretische proces dat een hoeveelheid materie moet doorlopen om de maximale hoeveelheid arbeid uit een bepaalde hoeveelheid warmte te halen. In een thermische machine wordt warmte zo goed mogelijk volgens dit proces omgezet in arbeid. In de praktijk maken dergelijke machines gebruik van een geschikt medium: water en stoom, of lucht en verbrandingsgas. In de machine ondergaat het medium een reeks toestandsveranderingen. Allereerst neemt de druk van het koude medium toe (compressie). Hiervoor dient arbeid aan de machine te worden geleverd. In de tweede stap neemt de temperatuur van het medium toe door de toevoer van warmte. De derde stap in de reeks is de expansie: de druk van het medium neemt weer af. Hierbij levert het medium arbeid, waarbij tevens zijn temperatuur daalt. Tenslotte geeft het medium zijn warmte aan de omgeving af, zodat het weer in de uitgangstoestand terugkeert.

Bij zuigerverbrandingsmotoren vindt deze reeks grotendeels plaats in een afgesloten cilinder, waarbij de op en neer bewegende zuiger zorgt voor de deelprocessen 1 en 3, voor het aanzuigen van een zekere hoeveelheid medium (lucht) en voor het uitdrijven van het medium (verbrandingsgas). Deelproces 2 vindt plaats door in de gecomprimeerde lucht een hoeveelheid brandstof te verbranden. Het medium geeft zijn warmte grotendeels pas buiten de cilinder aan de omgeving af. Bij een stoomturbine-installatie vindt deelproces 1 plaats in de ketelvoedingspomp. Hier wordt het medium -in dit geval water -op de vereiste druk gebracht. Deelproces 2 wordt uitgevoerd in de stoomketel. Warmte afkomstig van de verbranding van een fossiele brandstof of van een nucleaire reactie wordt aan het water toegevoerd zodat stoom ontstaat. Expansie onder afgifte van arbeid (deelproces 3) vindt plaats in de stoomturbine. Nadat de stoom onder lage druk de turbine heeft verlaten, wordt in de condensor de restwarmte afgevoerd naar de omgeving ( deelproces 4 ), en keert het water weer terug naar de ketelvoedingspomp.

Bij een gasturbine is het medium lucht, net zoals bij een zuigerverbrandingsmotor. De deelprocessen verlopen echter continu, zoals bij een stoomturbine-installatie. De draaiende schoepenwielen van de compressor drukken continu lucht samen ( deelproces 1 ), terwijl van buitenaf continu brandstof wordt geïnjecteerd, die bij verbranding in de verbrandingskamer warmte aan het medium toevoert ( deelproces 2). Tevens vindt continu expansie plaats ( deelproces 3) en treedt continu afgifte van warmte aan de omgeving door de uitstoot van verbrandingsgas op ( deelproces 4 ). Een deel van de beschikbare arbeid drijft de compressor aan die op dezelfde as als de turbine is gemonteerd. De overblijvende energie kan op twee manieren worden aangewend. Op de eerste plaats kan het medium verder expanderen in een straalpijp, waardoor een stuwstraal ontstaat die een vliegtuig voort kan stuwen. De tweede mogelijkheid is verdere expansie in extra turbinewielen. Dat resulteert in een draaiende as die vermogen kan leveren voor bijvoorbeeld de aandrijving van een generator.

Niet alleen gas
Vanuit theoretisch standpunt kan een gasturbine worden omschreven als een arbeid leverende thermische machine waarbij het medium uitsluitend in de gasfase voorkomt. ledere thermodynamische toestand is in zo'n machine aan een vaste positie gebonden. Gasturbines verschillen als thermische machine van stoomturbine-instaIlaties, doordat het medium alleen in de gasfase voorkomt. Zij verschillen van zuigermotoren door de koppeling van de thermodynamische toestanden aan onderdelen van de machine, terwijl die toestanden bij zuigermotoren achtereenvolgens in dezelfde ruimte (boven de zuiger) voorkomen. De naam 'turbine' slaat bij een gasturbine op het draaiende deel van de installatie, waarin het medium expandeert van hoge druk en temperatuur naar lagere druk en temperatuur. Een gasturbine bevat naast een turbinedeel ten minste een roterende compressor en een plaats waar het medium wordt verwarmd. Dat kan een verbrandingskamer zijn, maar ook een warmtewisselaar; combinaties komen ook voor. Het woord 'gas' duidt bij een gasturbine op de constante gasfase van het medium en niet -zoals velen denken -op de in gasturbines soms gebruikte gasvormige brandstof. De meeste gasturbines gebruiken vloeibare brandstof. In gasturbines met warmtetoevoer via een warmtewisselaar kan iedere warmtebron worden benut, inclusief zonne-energie en kernenergie.

Nieuwkomer uit 1791
Het eerste patent dat de thermodynamische cyclus van het gasturbineproces beschrijft, dateert uit 1791. Toch is de bouw van werkende machines pas op gang gekomen vanaf 1930. Toen pas was de kennis beschikbaar die voor gasturbines zo belangrijk is. Dat betrof zowel de aërodynamica als de kennis van materialen die een combinatie van hoge temperatuur en hoge mechanische belasting kunnen weerstaan. De geschiedenis van werkende gasturbines splitst zich al snel in twee paden die elkaar, zoals we weldra zullen zien, nog regelmatig kruisen. Enerzijds vond de gasturbine toepassing voor stuwkracht in vliegtuigen en anderzijds voor asvermogen in stationaire machines. Whittle in Engeland en Von Ohain in Duitsland onderkenden beiden de toepasbaarheid van gasturbines als vliegtuigmotor. Tijdens de Tweede Wereldoorlog voerden de Royal Air Force en de Luftwaffe testvluchten uit met de eerste straalvliegtuigen. Al snel bewees de gasturbine een waardevolle aanvulling te zijn op de tot dan toe bekende krachtwerktuigen. De eigenschappen en mogelijkheden van de gasturbine werden dan ook verder onderzocht. In de luchtvaart ontwikkelde de gasturbine zich als de voortstuwingsinstallatie bij uitstek. En dankzij de gasturbine kon de luchtvaart zich ontwikkelen tot het huidige niveau. Het gebruik van gasturbines in stationaire toepassingen is iets later op gang gekomen, hoewel na enkele experimentele machines, met wisselend succes, al in 1939 de eerste commerciële gasturbinegeneratorset in Zwitserland in bedrijf werd gesteld. Bij de verdere ontwikkeling kon gebruik worden gemaakt van de kennis en ervaring uit de luchtvaart.

Stationaire toepassingen
In stationaire toepassingen worden gasturbines behalve voor elektriciteitsproduktie ook gebruikt voor het aandrijven van compressoren en pompen. Ten behoeve van de elektriciteitsproduktie evolueerde de gasturbine van een nood- en piekaggregaat tot een wezenlijk onderdeel van moderne centrales. Door de toepassing van de gecombineerde gasturbine-stoomturbine bereikt het thermisch rendement hogere waarden dan bij de afzonderlijke installaties. In zo'n gecombineerde installatie doen de hete, en relatief zuurstofrijke uitlaatgassen van een gasturbine dienst als warmtebron en/of als verbrandingslucht voor een stoomketel. De geproduceerde stoom drijft een stoomturbine aan. Vaak zijn beide turbines en de generator op dezelfde as geplaatst. De ontwikkeling van kolenvergassing maakt steenkool geschikt als brandstof voor gasturbines. De stijgende vraag naar gecombineerde gas-stoomturbines leidde tot de ontwikkeling van gasturbines die optin1aal zijn aangepast voor gebruik in een dergelijke installatie. Leidraad hierbij is niet het thermisch rendement van de gasturbine op zich, maar dat van de combinatie als geheel. De drukverhouding van de compressor wordt zodanig gekozen dat de uitlaat temperatuur van de gasturbine overeenkomt met de optimale temperatuur (550°C) voor de nageschakelde stoomcyclus. Ook in andere stationaire toepassingen vinden gasturbines reeds lange tijd toepassing. Met name in de olie- en gasindustrie zijn snelle beschikbaarheid en geringe afmetingen bij een laag gewicht ( offshore) argumenten om gasturbines in te zetten voor de aandrijving van pompen, compressoren en generatoren. In Nederland heeft de ontginning van de aardgasvelden de toepassing van gasturbines voor aardgastransport met zich meegebracht. De ontwikkeling van gasturbines voor andere dan luchtvaarttoepassingen kent twee routes, die echter allebei voortkomen uit de vliegtuiggasturbine. Een straalmotor kan rechtstreeks worden gebruikt in de zogenaamde aëroderivatieve gasturbine. De beschikbare energie in de uitlaatgassen wordt, in plaats van in een straalpijp, benut in een extra turbine, waaraan een werktuig zoals een pomp, compressor of generator kan worden gekoppeld. Bij deze route is de vliegtuigmotortechnologie onmiddellijk toepasbaar. Maar ook de industriële gasturbine profiteert van de voor straalmotoren ontwikkelde technologie. Met name de kennis van hoge-temperatuurmaterialen en de ontwerptechnieken uit de luchtvaart worden erin toegepast. De huidige grote industriële machines zijn ontworpen voor gebruik in combinatie met een nageschakelde stoomkringloop. Omdat gewicht en afmetingen een geringere rol spelen, vermindert de noodzaak van een hoge drukverhouding, die voor een vliegtuigmotor zo belangrijk is. Warmte-krachtkoppeling

Specifiek Nederlands is op dit moment de ontwikkeling van de markt voor warmtekracht-koppeling, mede dankzij de recente reorganisatie van de elektriciteitsproduktie- en distributiebedrijven. Naar verwachting zullen aardgasgestookte warmte-krachteenheden worden gebouwd in uiteenlopende grootte. Uit de thermodynamica weten we dat de door verbranding geproduceerde warmte niet volledig in arbeid kan worden omgezet. In warmte-krachteenheden probeert men de afvalwarmte van een machine die arbeid levert, bijvoorbeeld voor de produktie van elektriciteit, nog nuttig te gebruiken. De warmte kan ten goede komen aan diverse industriële processen, aan verwarming, droogprocessen of zelfs koeling in zogenaamde absorptiekoelmachines.

Grotere warmte-krachteenheden bestaan uit de combinatie gasturbine-stoomturbine, waarbij de warmte wordt onttrokken aan de stoomturbine. Dergelijke eenheden zijn flexibel in de zin dat bij afnemende warmtevraag de energie ten goede komt aan het elektrisch vermogen( afb. 8). Kleinere eenheden bestaan uit een gasmotor en een installatie voor de terugwinning van warmte uit uitlaatgassen en koelwater. De gasturbine bezit ideale eigenschappen voor toepassing in warmtekrachtkoppeling. De verlieswarmte komt geconcentreerd in de uitlaatgassen vrij. Door de keuze van de gasturbinekringloop kan de uitlaatgastemperatuur worden aangepast aan de warmtevraag. De gasturbine met compressortussenkoeling en recuperator ( een warmtewisselaar, die de warmte in de uitlaatgassen ten goede doet komen aan de gecomprimeerde verbrandingslucht) vormt een interessante optie. Hoewel de ontwikkeling ervan in Nederland was gestaakt, stimuleert en ondersteunt de overheid die thans opnieuw ten behoeve van kleinschalige warmtekrachtkoppeling. Dergelijke eenheden zullen onder meer bij ziekenhuizen, zwembaden en glastuinbouwcomplexen verschijnen.

Door het water, over land
De specifieke eigenschappen van de gasturbine, met name de geringe afmetingen, het lage gewicht en de mogelijkheid het vermogen snel te variëren, hebben geleid tot een algemene toepassing ervan voor de voortstuwing van marineschepen. Ook voor luchtkussenvaartuigen, draagvleugelboten en andere snelle schepen is de gasturbine de aangewezen krachtbron. In koopvaardijschepen is het evenwel nooit tot grootschalige toepassing van gasturbines gekomen door hun gevoeligheid voor de brandstofkwaliteit. Weg- en railtransport hebben zich kunnen ontwikkelen dankzij de zuigermotor. De omvang van de hierop gerichte industriële infrastructuur maakt de kans op een geheel nieuw systeem klein. Toch wordt er op veel plaatsen gewerkt aan gasturbines voor voortbeweging over land. Vergeleken met de zuigermotor biedt de gasturbine een gunstig perspectief ten aanzien van de koppel-toerentalkarakteristiek, de optredende trillingen, de uitstoot van schadelijke stoffen en het geluidsniveau. De technieken waaraan de huidige gasturbines hun succes danken zijn niet zonder meer toepasbaar in de schaalgrootte voor weg- en railtransport, waarbij motorvermogens tot tweeduizend kilowatt gangbaar zijn. Schaalverkleining leidt bij optimale prestaties van gasturbines tot extreem hoge toerentallen. Hierbij zijn de conventionele glij- of wentellagers niet meer toepasbaar. Bovendien neemt de speling tussen rotortip en huis toe. Dit leidt tot grotere verliezen. Om een rendement vergelijkbaar met zuigermachines te halen en de temperatuur van de uitlaatgassen aanvaardbaar te houden moet de gasturbine in rijdende voertuigen een recuperator gebruiken

De vliegtuigmotor
Hoewel gasturbines interessante mogelijkheden bieden voor de aandrijving van met name stationaire machines en schepen, ontlenen zij hun faam toch vooral aan de voortstuwing van vliegtuigen. Na de succesvolle demonstratie van een straalmotor door Whittle en door Von Ohain namen verschillende fabrikanten in Engeland en de Verenigde Staten de ontwikkeling van de vliegtuiggasturbine ter hand. De eerste machines werkten volgens het pure-jet-principe: de motor neemt aan de voorzijde lucht in, die wordt gecomprimeerd door een compressor. In de samengedrukte lucht verbrandt de brandstof. De energie van de rookgassen wordt na expansie in de turbine door middel van een straalpijp omgezet in kinetische energie van de gasstroom. De stuwkracht wordt verkregen uit het verschil in impuls tussen uitlaatstroom en inlaatstroom. Een variant is de turboprop-voortstuwing, die bijvoorbeeld wordt toegepast in de Fokker 50. Het energie-overschot na de gasturbine wordt hier via expansie van het gas in een of meer extra turbinetrappen omgezet in mechanische energie die een propeller aandrijft. In de zogenaamde turbofan-motoren is vóór de gasturbine een schoepenwiel geplaatst met een beduidend grotere diameter dan de eerste compressortrap. De stroming door de binnenste ring vervolgt zijn weg door de gasturbine, terwijl de stroming door de buitenste ring de motor passeert en bijdraagt aan de stuwkracht. Bij deze motoren is de omloopverhouding belangrijk, dat is de verhouding van de massastroom om en door de motor. Bij toename van de omloopverhouding stijgt het voortstuwingsrendement. Dezelfde impuls wordt namelijk verkregen door grotere massastroom bij lagere snelheid. Een bijkomend voordeel is dat de lage-snelbeidsstuwstraal minder lawaai maakt dan een pure-jetmotor.

Vermogen en rendement
Door rendementsverbeteringen daalde het brandstofverbruik van vliegtuigmotoren. Het totale rendement -de verhouding tussen de per seconde geleverde arbeid om de vliegsnelheid in stand te houden en de per seconde toegevoerde brandstofenergie -steeg van ongeveer tien procent in 1940 tot 35 procent nu. Deze verbeteringen hangen nauw samen met de hoogst haalbare druk en temperatuur in de motor. In de eerste straalmotoren heerste een turbine-inlaattemperatuur van zevenhonderd graden Celsius. De drukverhouding van de compressor bedroeg ongeveer 2,5. In een moderne gasturbinemotor ligt de turbine-inlaattemperatuur boven de dertienhonderd graden celsius, terwijl de compressor de druk op meer dan dertigmaal de omgevingsdruk brengt. Juist bij een hoge drukverhouding en inlaattemperatuur kan de machine optimaal presteren, dat wil zeggen een hoog vermogen leveren bij een gunstig rendement. Afbeelding 15 laat de theoretische samenhang zien tussen druk, temperatuur, specifiek vermogen en rendement. Het specifiek vermogen is het vermogen per kilogram luchtverbruik per seconde. Uit de figuur blijkt dat voor het hoogste specifiek vermogen gezocht moet worden naar de hoogst toelaatbare turbine-intreetemperatuur en bij die temperatuur naar de optimale drukverhouding. De toepassing van hoge temperaturen is mogelijk geworden dankzij de beschikbaarheid van materialen op basis van nikkel of kobalt die daartegen bestand zijn. Deze materialen met hoge taaiheid en hoge sterkte bij hoge temperatuur stellen de constructeurs voor extreme problemen ten aanzien van vormgeving en bewerking. Schoepvormen kunnen slechts verkregen worden via het verloren-wasgietprocédé in vacuüm. Alleen met een slijpmachine valt het schoepenwiel daarna nog mechanisch te bewerken. Andere verspanende bewerkingen zijn uitsluitend mogelijk met elektrochemische of lasertechnieken. De hoge drukverhouding kon worden bereikt door een nauwkeurige analyse van de stroming in compressoren. In roterende compressoren wordt een drukverhoging bereikt door eerst de kinetische energie van de lucht te vergroten en die vervolgens om te zetten in druk. Bij dit laatste proces, diffusie, neemt de snelheid van de lucht weer af. Het is deze afnemende snelheid die een aantal aërodynamische problemen oproept. Het stromingskanaal waarin de diffusie plaatsvindt, moet worden ontworpen op grond van massastroomcontinuïteit en snelheidsdaling. Het verschijnsel grenslaagontwikkeling en de kans op separatie van de wanden stellen hierbij fysische grenzen aan de vormgeving. Verder moet rekening worden gehouden met de hoogste stroomsnelheid in de compressor. Bij snelheden groter dan de geluidssnelheid treden bij diffusie schokgolven op waardoor de verliezen toenemen. Nog andere factoren zoals de vorm van de dwarsdoorsnede van het stromingskanaal, de wandruwheid en de richting van de inlaatstroming, zijn van invloed. Al deze factoren zijn onderzocht en vastgelegd. Ten tijde van de eerste gasturbines was alleen een experimentele benadering mogelijk. Een analytische beschouwing van de aërodynamische processen in roterende stromingsmachines kon alleen tweedimensionaal of semi-driedimensionaal worden uitgevoerd. Dankzij krachtige computers is thans numerieke analyse mogelijk op een wijze vergelijkbaar met de eindige elementenmethode in de sterkteleer. Hierdoor wordt het mogelijk de hoge drukverhouding te realiseren bij een hoog isentropisch rendement. Het isentropisch rendement is de verhouding tussen het vermogen dat nodig is voor de compressie in het ideale geval (zonder dat de entropie toeneemt) en in werkelijkheid. De eerder experimenteel gevonden wetmatigheden blijven echter gelden voor relaties tussen prestatie, geometrie en toerental. Dit leidde tot de ontwikkeling van zogenaamde multi-spoolmotoren. Met het toenemen van de prestaties groeide het probleem van de spleetverliezen. Tussen huis en roterend schoepenwiel is er steeds een spleet aanwezig. De grootte ervan hangt af van de beweging die beide onderdelen tijdens bedrijf ten opzichte van elkaar uitvoeren. Hierbij spelen zowel de trillingen van de rotor als thermische effecten een rol, met name tijdens starten en stilzetten van de machine. De beste oplossing voor dit probleem is een afslijtbare laag in het huis, die door de erlangs bewegende schoep minimaal wordt afgedraaid. Naast een hoge temperatuursbestendigheid wordt van deze slijtlaag ook een geringere hardheid dan de erlangs bewegende schoep vereist, zodat tijdens het contact alleen van de laag materiaal verdwijnt. Moderne slijtlagen bestaan uit keramische aluminium-siliciumcombinaties, eventueel versterkt met kunststofvezels. Door dit bewust gekozen slijtageproces nemen de prestaties van de motor af met een toenemend aantal bedrijfsuren. Bij revisie moeten de afslujtbare lagen dan ook worden vernieuwd. Het materiaalgebruik voor gasturbines is in de loop der jaren veranderd (afb 17). Het aandeel staal neemt af, terwijl het gebruik van nikkel en titaan nu op z'n hoogtepunt is. Het gebruik ervan zal afnemen door de ontwikkeling van composieetmaterialen met metallische of keramische wapening. Op dit moment zijn er voor de zwaarst belaste onderdelen nog geen keramische materialen beschikbaar.

Besluit
De gasturbine is later tot ontwikkeling gekomen dan de stoominstallatie en de zuigerverbrandingsmotor. De toepassing als vliegtuigmotor heeft zoveel voordelen, dat de meeste inspanning daarop gericht is. Inmiddels wordt voor steeds meer toepassingen de gasturbine ontdekt, vooral in samenhang met een nageschakelde stoomcyclus en voor warmte-krachtkoppeling. Vrijwel alle toekomstige systemen voor stationaire elektriciteitsproduktie zullen gebruik maken van gasturbines. Ook voor aandrijving van voertuigen en voortstuwing van bepaalde schepen zal de gasturbine steeds meer toepassing vinden, niet in de laatste plaats vanwege de milieuvoordelen die zij biedt.

Literatuur

1. Lier JJC v. Thermodynamische processen in de centrale en de mogelijkheden tot het verbeteren van deze processen. Amsterdam: Argus, 1963.
2. Wilson DG. Turbomachinery -From paddie wheels to turbojets. Mechanica! Engineering 1982; oktobernummer.
3. Haas H, Musil R v, Wittchow E, Ziegner M. Kraftwerke für die Zukunft. Energie 1990; 42: 4.
4. Houtman CJ. Vliegtuiggasturbines. Delft: collegedictaat i54, TUD, 1989.
5. Ro1ls-Royce ltd. The jet engine.