|
De gasturbines worden soms TAG (turbine à gaz) genoemd. Een gasturbine is eigenlijk een motor met interne verbranding zoals een diesel, maar met enkel een snel ronddraaiende compressor en turbine in plaats van een complexe dieselmotor. Men zal ook de naam asturbinemotor aantreffen, omdat het vermogen wordt afgenomen via een as.
De brandstof hoeft niet noodzakelijk gas te zijn: men is zelfs redelijk vrij in de keuze van de brandstof: vliegtuigbrandstof, benzine, dieselbrandstof, enz. De inspuitinstallatie moet enkel aangepast worden aan het soort brandstof.
De gasturbines zijn niet te verwarren met stoomturbines die zoals een stoommachine werken. In een stoomturbine levert de stoom onder zeer hoge druk de energie om de schoepen in beweging te brengen.
Een gasturbine is ook geen turbo: een turbocompressor is een accessoire van een verbrandingsmotor die de energie van de uitlaatgassen gebruikt om het lucht te comprimeren en zo het rendement van de motor te vergroten.
Een turbine kan gebruikt worden om vliegtuigen aan te drijven volgens verschillende methodes:
- Turboreactor, turbojet: de hete uitlaatgassen drijven het toestel aan. Toegepast bij snelle vliegtuigen (militaire straaljagers)
- Tunnelschroefturbine, turbofan: propeller en turbojet in één om het beste uit beide systemen te halen (gebruikt bij commerciële vliegtuigen = lijnvluchten).
- Turbopropeller, turboprop: de turbine (asturbinemotor) drijft een propeller aan. Het vermogen van de jetstraal draagt maximaal 10% bij tot de aandrijving van het vliegtuig. Gebruikt voor relatief traagvliegende vliegtuigen
Bij de produktie van electriciteit heeft men natuurlijk te maken met een asturbinemotor of turboshaft.
De asturbinemotor bestaat uit een aandrijfas A die en luchtcompressor aandrijft C. De brandstok G wordt in de verbrandingskamer Ch ingespoten en de expansie van de hete gassen drijft een turbine T aan. De belasting M staat meestal aan compressorzijde (de koude kant van de motor).
De reaktoren in vliegtuigen zijn ook gasturbines maar hier gebruikt men de energie van de uitlaatgassen om het vliegtuig vooruit te duwen. De turbine neemt hier enkel het vermogen op dat nodig is om de compressor aan te drijven, zodat de cinetische energie van de uitlaatgassen zeer hoog is.
De gasturbine werd voor het eerst op grote schaal gebruikt op helicopters (en in het bijzonder de franse Alouette). De motor was veel lichter en leverde extra vermogen. Sindsdien zijn nagenoeg alle helicopters uitgerust met een turbinemotor. Deze turbine dient niet of nauwelijks voor de propulsie, maar om de schroef aan te drijven.
Het gebruik van een asturbinemotor in de plaats van een dieselaggregaat heeft een aantal voordelen:
- Lager gewicht en kleinere afmetingen
Een gasturbine die een stroomaggregaat van 250kW aandrijft weegt 350kg (alles inbegrepen), terwijl een dieselmotor meer dan een ton weegt.
- Het ondehoud is beperkt
Een asturbinemotor heeft geen oliecirculatie. De lagers zijn een speciale soort glijlagers met lamellen. Wanneer de turbine op zijn normaal regime draait vormt zich een luchtkussen en het as draait zonder vrijvingen. De reductiekast moet echter wel gesmeerd worden, maar omdat de olie niet in contact komt met de verbrandingsgassen gaat de olie veel langer mee en moet normaal zelfs nooit vervangen worden.
- Maximaal vermogen direct leverbaar
Van zodra de gasturbine op toeren is gekomen kan die de maximale belasting leveren. Er is geen water en oliecirculatie nodig voor de warmteafvoer.
- Eén enkele warmte-uitgang
De overtollige warmte komt vrij via de uitlaatgassen. Er is geen koelwater nodig, en dus ook geen waterreservoir, geen radiateur, geen ventilator en geen waterpomp. De energie die nog in de hete uitlaatgassen zit kan gebruikt worden om water aan de kook te brengen, en daarmee kan dan een stoomturbine aangedreven worden. Men bereikt zo een rendement die tot 60% kan gaan.
- Mindere warmte-uitstraling
De kleinere turbine straalt minder warmte uit ten opzichte van een dieselmotor van eenzelfde vermogen. De hete zone van de turbine kan gemakkelijker afgeschermd worden. Uiteindelijk warmt de ruimte waar de turbine geplaatst is minder op dan met een dielselgenerator.
- Keuze van brandstoffen
Asturbinemotoren zijn eenvoudige verbrandingsmotoren en kunnen op verschillende soorten brandstoffen werken, zelfs steenkool in poedervorm is mogelijk. Het volstaat meestal de inspuitinstallatie te vervangen, maar de overgang van een vast naar een vloeibaar soort brandstof (of omgekeerd) is niet mogelijk zonder totale wijziging van de constructie.
Gasturbines hebben echter ook een aantal nadelen:
- Asturbinemotoren draaien heel snel, zodat een reductiekast bijna altijd noodzakelijk is.
- Het starten is traag: een asturbinemotor draait bijvoorbeeld aan meer dan 40.000 toeren per minuut en wordt pas zelfbedruipend (self sustaining speed) bij een toerental van 20.000 toeren. Het starten gebeurt traag en vraagt een sterke startmotor (25kW voor een kleine turbine) die lang moet draaien zonder oververhit te geraken. Vaak gebruikt men persluchtstarters.
- Werkt maar goed in een beperkt toerentalgebied: gasturbines worden gebruikt daar waar het toerental constant kan (of moet) blijven: electriciteitsproductie, pompinstallaties, enz. Het rendement zakt sterk als de gasturbine op een niet aangepast toerental moet draaien.
- Lager rendement dan een dieselmotor met eenzelfde vermogen: de uitlaatgassen mogen niet te warm worden om de beschadiging van de schoepen van de turbine te vermijden. Dit betekent dat de motor met een luchtoverschot moet werken. Er worden minder schadelijke uitlaatgassen uitgestoten, maar het rendement van de motor is ook lager dan hetgeen theoretisch mogelijk zou zijn. Het is enkel dankrzij de recuperatie van de energie in de hete uitlaatgassen dat men een rendement van 60% haalt.
Rechts een asturbinemotor zoals gebruikt op de mijnenbestrijdingsvaartuigen van de Belgische Marine. De luchtinlaat is boven (rode deksel) en de uitlaat is links in beeld.
Een echte turbine bestaat uit de volgende delen:
- Luchtinlaat met luchtfilter
- Eerste trap van de compressor (axiale compressor)
- Tweede trap van de compressor (centrifugaal)
- Verbrandingskamer met injector tijdens het starten (in normaal bedrijf wordt de brandstof ingespoten vanaf injectoren op de draaiende as)
- Turbines
- Luchtuitlaat
- Startmotor (verbruik ongeveer 24kW)
- Tandwielkast om de snelheid terug te brengen van ongeveer 40.000 omw./minuut naar 1800 omw./minuut.
- As van de alternator
Het geheel is ongeveer 60 cm lang en kan doorlopend 250kW leveren
Asturbinemotoren worden gebruikt daar waar men optimaal gebruik kan maken van zijn gunstige eigenschappen:
- Boorplatforms en tussenstations waar de gasturbines gebruikt worden voor de stroomproductie en om de aardolie door de leidingen te pompen. Gasturbines zijn klein en vergen nauwelijks onderhoud.
- Helicoptermotoren: het laag gewicht per geleverd kW is belangrijk. De helicopterbladen draaien altijd aan eenzelfde snelheid en men stijgt en daalt door de pitch (schroefbladstand) te wijzigen. Het gevraagd vermogen is bijna altijd constant gedurende de hele vlucht.
- Gebruik in snelle schepen (militaire schepen en snelle pendeldiensten): een gasturbine is heelwat kleiner en heeft geen extra componenten nodig.
- Voor noodaggregaten in veldhospitalen omdat de generatoren nauwelijks onderhoud vergen. Voor de stationaire groepen zal men co-generatie doen (gebruik van de restwarmte in de uitlaatgassen) om een aanvaardbaar rendement te halen.
- In verlaten gebieden (woestijn, noord- en zuidpool, ontwikkelingsgebieden). De groepen worden vooraf gebouwd en kunnen ter plaatse snel opgestart worden (geen olie en koelwater nodig, geen onderhoud). Deze groepen blijven jaren in dienst en worden dan vervangen na een paar jaar.
Men heeft asturbinemotoren gebruikt in bepaalde lange afstandslijnen in Frankrijk vòòr de electrificatie van alle spoorlijnen. De turbines wegen minder dan de dieselgenerator en leveren een hoger vermogen. Deze twee eigenschappen hebben ervoor gezorgd dat de treinen een shelheid haalden van 160km/u in plaats van 120km/u, waardoor de duur van het traject met 30% verminderd werd. De lijnen werden een groot succes, maar na de petroleumcrisis eind jaren 1970 werden deze hoge snelheidstreinen gaandeweg opnieuw vervangen door diesellocomotieven. Het aantal reizigers viel snel terug.
Gasturbines worden ook gebruikt in mijnenvegers omdat ze nauwelijks trillingen produceren en bijzonder klein zijn. Een dieselgenerator trilt en zou de zeemijnen tot ontploffing brengen.
|
