Lux. Jaargang 2

[p. 13]

De Gas-turbine
door Frs. van Tilburg

Het beginsel van de turbine was reeds in de oudheid bekend. Hero of Heron van Alexandrië, een geleerde Griek, met wiens fontein we op de schoolbanken kennis maakten, vond een werktuig uit, waaraan hij de naam gaf van aeolophyle of aeolusbal. Het bestond uit een metalen holle kogel, die om een verticale spil kon draaien. De bal werd voor ⅔ met water gevuld, dat aan het koken gebracht werd. De stoom, die zich daarbij ontwikkelde, kreeg gelegenheid om door achterwaarts gebogen buisjes te ontsnappen, waardoor de bal aan het draaien gebracht werd. Iets dergelijks zien we gebeuren bij het water- of reactierad van Segner, dat op hetzelfde beginsel berust, met dit verschil evenwel, dat bij het laatste waterdruk en bij Hero's aeolusbal stoomdruk de drijfkracht is.

Zowel de aeolusbal van Hero als het reactierad van Segner zijn speelgoed gebleven, doch het beginsel, dat door beide uitvindingen gedemonstreerd wordt, heeft zich tegen het einde der vorige eeuw ontwikkeld in de stoomturbine en de hydraulische turbine, die sedert dien de zuigerstoommachine meer en meer verdrongen hebben.

In tegenstelling met de gewone zuigerstoommachine, waarbij de arbeid eerst ontwikkeld wordt in een heen- en weergaande beweging om vervolgens omgezet te worden in een wentelende of roterende, wordt het eerste stadium bij de turbine overgeslagen. Daardoor berust de turbine, in gevallen waarbij roterende beweging gewenst is, zoals bij het aandrijven van dynamo's, schroeven of propellers van schepen e.d. op een betere constructiebasis en neemt daardoor een steeds uitgebreider werkterrein in, vooral sinds het gelukt is het aantal wentelingen, dat aanvankelijk zeer groot was, te beperken.

Bij de turbine (ik heb hier meer bepaald de stoomturbine op het oog) wordt de stoom met kracht tegen de schoepen opgestuwd. Schoepen zijn flauw gebogen metalen strookjes, die schuin achter elkander staan en bij het opvangen van de stoomdruk aan de schijven of trommels, waarop zij geplaatst zijn, een wentelende beweging geven. Hetzelfde zien we gebeuren bij onze windmolens, waar de wind de drijfkracht is.

De stoomturbine is een typische snelloper met 50 of meer toeren per seconde en is thans het belangrijkste krachtwerktuig. Ze heeft de zuigerstoommachine overvleugeld, omdat ze de Carnotcyclus veel idealer benadert en de stoom tot een groter vacuum afwerkt, waardoor het stoomverbruik per pk. gunstiger wordt.

Zoals boven gezegd is, is de stoomturbine echter niet denkbaar zonder stoomgenerator of stoomketel. En dit betekent, dat de omzetting van warmte in arbeid een lange en bijgevolg niet economische weg doorloopt. Stoom immers wordt in een ketel uit water gestookt en door stoompijpen naar de stoommachine of turbine gevoerd. Veel warmte gaat daarbij verloren als latente warmte door uitstraling, lekkages, schoorsteenverliezen, etc. vóór dat de stoom de zuigerma-

[p. 14]

Schema van een gasturbine (Allis-Chalmers)

chine of turbine bereikt, waar nieuwe verliezen geleden worden, zodat het nuttig effect bij een normale stoommachine niet meer dan 15 à 19% bedraagt. Bij de explosiemotor waar de stoomketel uitgeschakeld is en de warmte om zo te zeggen onmiddellijk in arbeid wordt omgezet is het nuttig effect belangrijk hoger n.l. 30 à 40%.

Ik wees terloops op de voordelen van de turbine boven de stoommachine. Wat 'n ideaalmachine zou de turbine zijn als ook hierbij de stoomketel kon vervallen, en het proces: ‘Omzetting van warmte in arbeid’ zich langs dezelfde korte weg kon voltrekken als bij de explosiemotor. Jarenlang hebben mannen van de wetenschap en van de praktijk in die richting gezocht en geëxperimenteerd en het resultaat van hun bemoeiïngen is de gasturbine, waarop ik in het vervolg van dit artikel de aandacht van den lezer wens te vestigen.

Zoals bovenstaande gravure laat zien wordt door een brandbaar gas (steenkolengas, benzine, petroleum, gasolie of nog zwaardere stookolie) onder toevoer van een krachtige luchtstroom een ontvlambaar mengsel gevormd. Dit wordt door een electrische vonk, een vlam of gloeiend voorwerp tot ontbranding gebracht. Een geweldige expansie treedt op; het gas is in volume enkele malen verhonderd- ja verduizendvoudigd, tengevolge waarvan zich een geweldige spanning ontwikkelt, die op de turbine wordt losgelaten (er is geen andere uitweg) en deze in beweging brengt. Met de turbine zetten zich ook de luchtcompressor en de turbo-dynamo in beweging, die op dezelfde as zitten. De dynamo levert, laat ons veronderstellen, stroom voor de motoren en de lichtinstallatie van een bepaald bedrijf, terwijl de compressor de lucht met kracht opstuwt naar de brander, waar ze een dubbele functie te vervullen heeft, n.l. van de brandstof te vergassen en met dit gas een mengsel te vormen; want zonder toevoeging van lucht zijn de brandbare gassen (met uitzon-

[p. 15]

dering van acetyleen) niet ontplofbaar. En laat ik er dit nog bijvoegen dat de toevoer van lucht, verschillend voor diverse brandbare gassen, in elk geval overvloedig moet zijn en gemiddeld niet minder dan ⅔ van het ontplofbaar mengsel moet uitmaken, waardoor onder economisch aspect het rendement van de gasturbine, zoals trouwens ook van de explosiemotoren gunstig beinvloed wordt.

De gasturbine staat aan een geweldige hitte bloot; het ligt dus voor de hand, dat ze moet opgebouwd zijn van metaalverbindingen of legéringen bestand tegen enorm hoge temperaturen. Aan de afwerking van de schoepen van de turbine wordt de uiterste zorg besteed. Die van de compressor zijn enigszins verschillend van profiel en daar de compressor niet aan de inwerking van hete gassen blootstaat zoals de turbine behoeft hij vanzelfsprekend ook niet uit dezelfde kostbare metaallegéring te bestaan; maar in afwerking mogen de schoepen geenzins voor die van de turbine onderdoen. Hoe meer zorg daaraan besteed wordt, hoe hoger het rendement van de machine.

Alles wel beschouwd lijkt het dus een zeer eenvoudige machine, heel wat eenvoudiger dan de stoommachine en de explosiemotor met hun vele aan slijtage onderhevige beweegbare delen en gecompliceerde smeerinrichting. En denk nu niet, dat deze uitvinding alleen nog slechts in blauwdruk bestaat, zoals met zoveel andere het geval is. De gasturbine is reeds op veel plaatsen in de Verenigde Staten in werking en wel met verbluffend resultaat. Juiste getallen zijn nog niet te krijgen. Immers het is bekend dat ze in de oorlogsindustrie een ruime toepassing heeft gekregen, doch de militaire censuur meent dienaangaande alsnog het stilzwijgen te moeten bewaren. Allis-Chalmers. Westinghouse, General Electric, De Laval en bovenal Brown-Boveri (deze laatste in Zwitserland) hebben de bouw dezer machine bereids in uitvoering genomen.

De gasturbine opent buitengewone perspectieven. Zeer waarschijnlijk gaat ze een woord meespreken in de verdere ontwikkeling van de vliegtuigtechniek, wijl ze de constructie van grotere en snellere vliegtuigen toelaat, dan die thans in gebruik zijn. De huidige vliegtuigmotor heeft een maximaal vermogen van 2000 pk. Hij werkt met 14 cylinders en een ontelbaar aantal beweegbare delen; alles samen een waarachtig complex van mechaniek; de smering van zulk een machine vormt alleen reeds een probleem. Deskundigen op gebied van motorenbouw zijn van mening, dat de capaciteit van de vliegtuigmotor ongeveer zijn maximum heeft bereikt. Men denke hierbij aan het gewicht, dat evenredig is met het vermogen dezer motoren. Welnu, reeds nu werken er lichtere gasturbines van 5000 pk. Het is bekend, dat vóór het uitbreken van wereldoorlog II Zwitsere fabrikanten met Engeland en Duitsland onderhandelden over de toepassing van deze nieuwe vinding in de vliegtuigbouw. Ook is het bekend, dat de Italianen tezelfder tijd proeven namen met Caproni's en Campini's ingericht als raketvliegtuigen, waarvan men echter tijdens de oorlog niets meer gehoord heeft. Ook de Engelsen hebben hun raketvliegtuig, een uitvinding van Kapitein Frank Whittle, wien het na jaren proefnemingen eindelijk gelukt is de goedkeuring te krijgen van de hoge legerleiding. Welnu, al de raketvliegtuigen werken met een turbocompressor, die de lucht inzuigt en tegelijk het ontplofbare mengsel van gas en lucht na ontsteking met alle kracht door een betrekkelijk nauwe opening achterwaarts uitdrijft; waardoor de stuwkracht wordt opgewekt, die het vliegtuig voortdrijft.

[p. 16]

Bij 't raketvliegtuig wordt de omzetting van warmte in arbeid aanzienlijk bekort, doordat de propeller komt te vervallen, hetgeen het nuttig effect, i.c. de snelheid van het vliegtuig ten goede komt. Men zegt, dat men er reeds snelheden van 500 mijlen en meer mee bereikt heeft. Een tweede voordeel van het vliegen zonder propeller is, dat zulke vliegtuigen geen last hebben van Slipstream, d.i. de weerstand, die het gewone vliegtuig ondervindt van de luchtstroom, die door de propeller tegen de vleugels en de romp van het vliegtiug wordt opgestuwd. Voor wie nader met het raketvliegtuig van Frank Whittle wil kennis maken verwijs ik naar ‘The Illustrated London News’ van 15 Januari 1944.

Bij de scheepsbouw kan de toepassing van de gasturbine een aanzienlijke ruimtebesparing betekenen, wijl daardoor de volumineuse stoomketels en stoommachines, benevens condensors, pompen etc. komen te vervallen. Een Liberty-schip b.v. bespaart 1000 ton aan laadruimte als de drijfkracht gevonden wordt in een gasturbine. Torpedojagers zullen zonder aan tonnemaat of bewapening in te boeten en met een saldo aan benutbare ruimte tot aanzienlijk hogere snelheid kunnen opgevoerd worden, als ook op deze schepen de gasturbine wordt toegepast.

Bij de bouw van zware locomotieven, die gebruikt worden op de ‘Union Pacific’ en andere transcontinentale lijnen van de Verenigde Staten, staat men ook voor problemen van ruimte, gewicht en water, waarvan de gasturbine de oplossing zal brengen. De dieselmotoren en accessoria van de ‘City of Denver’, een locomotief van de ‘Union Pacific’, nemen een ruimte in minstens 2 maal zo groot als de voor deze lijn ontworpen locomotieven met gasturbines.

Overigens valt het niet te ontkennen, dat de dieselmotor de sterkste concurrent van de gasturbine zal blijken te zijn. Van alle explosiemotoren levert de Diesel tot dusverre het hoogste rendement. De gasturbine, die hem de supprematie gaat betwisten neemt echter veel minder ruimte in dan de Diesel van dezelfde capacitiet, weegt en kost de helft minder en gebruikt een brandstof, die ook de helft goedkoper is. De turbine heeft maar een enkel beweegbaar deel, waardoor de smering tot de eenvoudigste proporties wordt teruggebracht, behoeft verder geen waterafkoeling noch enig gecompliceerd mechanisme om ze op gang te brengen. Daar er geen pistons, kleppen of ventielen aanwezig zijn, is het vibreren zo goed als uitgesloten.

Het moeilijkste probleem, waarvoor bij deze uitvinding een oplossing moest gevonden worden, was de metaalverbindingen te ontdekken, die bestand zouden zijn tegen de hoge temperaturen, die zich in de gasturbine ontwikkelen en schommelen tussen 500 en 1000 graden Celsius. En daarin is men geslaagd. Bij de meeste turbines, die in gebruik zijn, is gerekend op temperaturen van 540 tot 650 graden; bij de nieuwste op 800 graden. De turbo-compressor van Dr. Sanford A. Moss, die de Noord-Amerikaanse piloten in staat stelt 11 KM. hoog te vliegen, is bestand tegen een temperatuur van niet minder dan 950 graden. Al deze machines werken slechts enkele uren per dag. De techniek heeft er echter rekening mee te houden, dat scheepsturbines e.a. niet uren, maar dagen ja zelfs weken lang zonder onderbreking moeten kunnen doorwerken en er dus aan de constructie van zulke turbines wel extra-hoge eisen gesteld moeten worden met het oog op dit temperatuurvraagstuk. Doch ook dat probleem is opgelost, maar waarin die oplossing bestaat is alsnog het geheim van den uitvinder.

Een eigenaardige moeilijkheid blijft nog te overwinnen. De lezer zal wel opgemerkt

[p. 17]

hebben, dat de gasturbine tot dusverre op de eerste plaats in aanmerking komt als krachtwerktuig van hoge capaciteit en dat ze in evenredigheid toch slechts een geringe ruimte inneemt. Gaat men nu lichtere turbines bouwen, b.v. voor automobielen, dan zullen de afmetingen zo gering zijn, dat de bouw van deze voertuigen een radicale wijziging zal moeten ondergaan. De oorlogsleiding, die op heel de auto-industrie in de Verenigde Staten beslag heeft gelegd, denkt er momenteel niet aan thans zulke ingrijpende veranderingen uit te voeren.

't Is moeilijk te zeggen, wie de eigenlijke uitvinder van de gasturbine is. Vast staat, dat velen hetzij als uitvinder, hetzij als werktuigkundige daaraan meegewerkt hebben en nu deze dan gene verbetering hebben aangebracht. De naam van den Zwitser Dr. Aurel Stodola, verdient echter een bijzondere vermelding. Reeds 20 jaar geleden vestigde hij de aandacht op de gasturbine in zijn werk ‘Dampf-und Gasturbinen’, een standaardwerk, dat richtinggevend was. Destijds waren er nog veel moeilijkheden te overwinnen. De grootste was wel, dat tot dan toe de gasturbine bijna al haar kracht nodig had om de compressor te drijven, zodat het nuttig effect gering was. In 1926 begon Dr. Stodola met een reeks proefnemingen, waarbij telkens verbeteringen werden aangebracht. Tien jaren nadien was hij over het rendement zo tevreden, dat hij de nieuwe vinding in staat achtte in de bedrijfswereld de taak te gaan aanvaarden, die haar is weggelegd en die een grootse belooft te worden. Het mag wel gereleveerd worden, dat de constructeurs in de leer zijn geweest bij de vliegtuigbouwers, die na eindeloos experimenteren tot de ontdekking waren gekomen van zekere regels voor het vaststellen van het juiste profiel der propellerbladen; diezelfde regels bleken ook juist te zijn voor de profielen van de schoepen van turbine en compressor. Een eresaluut komt toe aan de onbekende knappe koppen, die het probleem der metaallegéringen op hun credit hebben. Zonder hun medewerking was er van deze uitvinding niets terecht gekomen.

De Brown-Boverifabrieken in Zwitserland, een land dat niet gebonden is door oorlogsindustrie, heeft de exploitatie van de gasturbine krachtig ter hand genomen. Reeds lopen er in Zwitserland locomotieven door gasturbines gedreven en het heeft er alle schijn van, dat als de industrie in de Verenigde Staten na de oorlog de handen vrij krijgt, de gasturbine ook aan deze zijde van de Oceaan een hoge vlucht zal nemen.