Hoe werkt een turbopropmotor — en waarom turboprops ideaal blijven voor korte vluchten

Een turbopropmotor gebruikt een gasturbine om een propeller aan te drijven. De turbine zet de energie van verbrande brandstof om in asvermogen, waarna een aandrijfas en meestal een reductiekast dat vermogen naar de propeller brengen. Die propeller levert het grootste deel van de voortstuwing. Anders gezegd: de gasturbine maakt het vermogen, terwijl de propeller dat vermogen efficiënt omzet in stuwkracht bij regionale vliegsnelheden.

Van luchtinlaat naar draaiende propeller

Het werkingsproces begint bij de luchtinlaat aan de voorkant van de motor. Buitenlucht stroomt naar binnen en wordt door de compressor samengeperst. Een compressor bestaat uit draaiende schoepen en stilstaande geleideschoepen die de luchtdruk stapsgewijs verhogen. Door die compressie bevat de lucht meer zuurstof per volume-eenheid, waardoor er in de volgende fase efficiënt brandstof kan worden verbrand.

In de verbrandingskamer wordt brandstof aan de samengeperste lucht toegevoegd en ontstoken. De verbranding maakt de lucht zeer heet en laat de gassen sterk uitzetten. Die hete gasstroom stroomt vervolgens naar de turbine. Turbineschoepen halen energie uit de bewegende gassen en zetten die om in een draaiende beweging van de turbine-as.

Bij een zuivere straalmotor wordt een belangrijk deel van de energie gebruikt om een snelle uitlaatstraal te vormen. Bij een turboprop gebeurt dat anders. De turbine is vooral bedoeld om mechanisch vermogen op te wekken. Via de as wordt dat vermogen naar voren geleid, naar de propeller. De uitlaatgassen leveren nog wel enige stuwkracht, maar doorgaans is dat slechts een kleiner deel van het totale voortstuwende effect. Meer achtergrond vind je in onze pagina’s over de Fairchild F-27 en de F27-varianten.

Waarom zit er een reductiekast tussen?

Een gasturbine draait zeer snel. Een propeller werkt echter niet automatisch beter naarmate hij sneller ronddraait. Bij een te hoog toerental kunnen de propellerbladen inefficiënt worden en neemt ook de kans op ongewenste geluidseffecten toe. Daarom zit tussen de turbine-as en de propeller meestal een reductiekast.

De reductiekast verlaagt het hoge toerental van de turbine naar een lager toerental dat beter bij de propeller past. Daarbij draagt zij het beschikbare draaimoment over aan de propeller. De exacte constructie verschilt per motor, maar het basisidee blijft hetzelfde: een snel draaiende gasturbine aandrijven en een relatief langzaam draaiende propeller efficiënt laten werken. Wie dieper in de technische kenmerken van het vliegtuig wil duiken, vindt aanvullende technische achtergrond over Fokker in de bestaande site-informatie.

Hoe maakt de propeller stuwkracht?

De propeller werkt als een draaiende vleugel. Elk propellerblad heeft een profiel en een bepaalde bladhoek, ook wel pitch genoemd. Terwijl het blad ronddraait, duwt het lucht naar achteren. Volgens hetzelfde algemene principe als bij een vleugel ontstaat daardoor een kracht die het vliegtuig naar voren beweegt.

De bladhoek kan worden aangepast. Bij het starten en tijdens de klim is vaak een andere instelling wenselijk dan tijdens de kruisvlucht. Met een passende pitch kan de propeller het motorvermogen beter aan de vliegsnelheid en de gewenste trekkracht aanpassen. Het gaat dus niet alleen om hoeveel vermogen de motor levert, maar ook om hoe de propeller dat vermogen in de omringende lucht gebruikt.

Dit verklaart het onderscheid tussen vermogen en stuwkracht. De motor levert in eerste instantie mechanisch vermogen aan de propeller. De propeller zet dat vermogen vervolgens om in een versnelling van een grote hoeveelheid lucht. Turboprops zijn daarin vergelijkbaar met andere propelleraangedreven vliegtuigen: ze proberen veel lucht een relatief beperkte snelheidsverandering te geven, in plaats van een kleinere hoeveelheid lucht extreem sterk te versnellen.

Waarom zijn turboprops geschikt voor korte routes?

Een turboprop komt vooral goed tot zijn recht bij lagere en middelhoge vliegsnelheden. In dat snelheidsgebied kan een propeller veel voortstuwing leveren zonder de verliezen die bij een snel draaiende propeller of een zeer hoge vliegsnelheid ontstaan. Dat maakt het motortype aantrekkelijk voor regionale verbindingen, waarbij de vluchtduur vaak beperkt is en de afstand tussen luchthavens relatief klein blijft.

Ook bij starts en landingen heeft een turboprop praktische voordelen. De propeller levert al bij lage snelheid veel trekkracht, waardoor het vliegtuig vanaf kleinere luchthavens en relatief korte banen kan opereren wanneer het ontwerp, de belading en de omstandigheden dat toelaten. Voor regionale maatschappijen kan bovendien de combinatie van een bescheiden vliegtuigcapaciteit, frequente vluchten en korte sectoren gunstig zijn.

De term ‘zuinig’ moet daarbij wel in context worden gebruikt. Het brandstofverbruik per passagier of per korte sector hangt onder meer af van de grootte van het vliegtuig, de bezettingsgraad, de route, de vliegsnelheid, het weer en de brandstofprijs. Een turboprop is dus niet onder alle omstandigheden automatisch efficiënter dan een straalvliegtuig. Op een korte regionale route kan de propelleraandrijving echter goed aansluiten bij de missie, omdat de motor minder lang op hoge kruissnelheid hoeft te werken.

De grenzen van turbopropaandrijving

Het belangrijkste nadeel is de lagere kruissnelheid in vergelijking met veel straalvliegtuigen. Naarmate het vliegtuig sneller vliegt, neemt de efficiëntie van een propeller af. De bladen bewegen immers al door de lucht vanwege hun rotatie en krijgen daar de voorwaartse snelheid van het vliegtuig bij. Bij hogere snelheden wordt het moeilijker om de propeller optimaal te laten werken.

Daarnaast ervaren sommige passagiers een turboprop als luider of meer trillend dan een vliegtuig met straalmotoren. Moderne propellers, motorophanging en geluidsisolatie kunnen die ervaring verbeteren, maar het karakter van de aandrijving blijft merkbaar. Voor lange routes en hoge kruissnelheden wordt een turbofan daarom vaak aantrekkelijker. Voor korte routes is de lagere snelheid juist niet altijd een groot bezwaar.

De Pratt & Whitney Dart als historisch voorbeeld

Een bekend historisch voorbeeld is de Pratt & Whitney Dart. De Dart was een turbopropmotorfamilie van de Amerikaanse fabrikant Pratt & Whitney Canada en werd onder meer toegepast in de Fokker F27 Friendship. De motor illustreert goed hoe een gasturbine niet hoofdzakelijk als straalmotor wordt gebruikt, maar via een transmissie en propeller het benodigde voortstuwende vermogen levert.

Motorfamilie, vliegtuigtype en fabrikant zijn daarbij drie verschillende zaken: de Dart is de motor, de F27 is het vliegtuigtype en Fokker is de vliegtuigfabrikant. Voor de technische uitvoering en onderlinge verschillen tussen vliegtuigversies is het nuttiger om de afzonderlijke F27-toepassingen te bekijken dan alle details hier opnieuw te behandelen. Wie de historische betekenis van de F27 verder wil volgen, kan bovendien in luchtvaartcollecties en andere achtergrondartikelen terecht, al staat die laatste link los van de werking van de motor zelf.

Samengevat

De werking van een turbopropmotor is een opeenvolging van lucht comprimeren, brandstof verbranden, turbinevermogen opwekken en dat vermogen via een reductiekast naar een propeller overbrengen. De gasturbine levert dus vooral asvermogen; de propeller zorgt voor het grootste deel van de stuwkracht. Juist bij regionale snelheden en korte routes kan die combinatie praktisch en efficiënt zijn. Bij hogere snelheden verliezen propellers een deel van hun voordeel, waardoor straalmotoren daar vaak beter passen.