Sejarah Turbin Gas

1. Sejarah Turbin Gas

Turbin gas yakni suatu pencetus mula yang memanfaatkan gas sebagai fluida kerja. Didalam turbin gas energi kinetik dikonversikan menjadi energi mekanik berupa putaran yang menggerakkan roda turbin sehingga menghasilkan daya. Bagian turbin yang berputar disebut rotor atau roda turbin dan potongan turbin yang membisu disebut stator atau rumah turbin. Rotor memutar poros daya yang menggerakkan beban (generator listrik, pompa, kompresor atau yang lainnya). Turbin gas merupakan salah satu komponen dari suatu sistem turbin gas. Sistem turbin gas yang paling sederhana terdiri dari tiga komponen yaitu kompresor, ruang bakar dan turbin gas. Menurut Dr. J. T. Retaliatta, sistim turbin gas ternyata sudah diken al pada jaman “Hero of Alexanderia”. Disain pertama turbin gas dibentuk oleh John Barber seorang Inggris pada tahun 1791. Sistem tersebut bekerja dengan gas hasil pembakaran watu bara, kayu atau minyak, kompresorn ya digerakkan oleh turbin dengan perantaraan rantai roda gigi. Pada tahun 1872, Dr. F. Stolze merancang sistem turbin gas yang memakai kompresor aksial bertingkat ganda yang digerakkan pribadi oleh turbin reaksi tingkat ganda. Tahun 1908, sesuai dengan konsepsi H. Holzworth, dibentuk suatu sistem turbin gas yang mencoba memakai proses pembakaran pada volume konstan. Tetapi usah a tersebut tidak boleh lantaran terbentur pada problem konstruksi ruan g bakar dan tekanan gas pembakaran yang berubah sesuai beban. Tahun 1904, “Societe des Turbomoteurs” di Paris menciptakan suatu sistem turbin gas yang instruksinya menurut disain Armen gaud dan Lemate yang memakai materi bakar cair. Temperatur gas pembakaran yang masuk sekitar 450 C dengan tekanan 45 atm dan kompresornya pribadi digerakkan oleh turbin. Selanjutnya, perkemban gan sistem turbin gas berjalan lambat hingga pada tahun 1935 sistem turbin gas mengalami perkembangan yang pesat dimana diperoleh efisiensi sebesar lebih kurang 15 %. Pesawat pancar gas yang pertama diselesaikan oleh “British

Thomson Houston Co” pada tahun 1937 sesuai dengan konsepsi Frank Whittle (tahun 1930). Saat ini sistem turbin gas telah banyak diterapkan untuk aneka macam keperluan menyerupai mesin pencetus generator listrik, mesin industri, pesawat terbang dan lainnya. Sistem turbin gas sanggup dipasang dengan cepat dan biaya investasi yang relatif rendah jika dibandingkan dengan instalasi turbin uap dan motor diesel untuk sentra tenaga listrik.

2. Kelebihan turbin gas

• Efisien
• Rasio kompresi tinggi ( 20:1 )
• Simple
• Relatif ringan bobotnya.

3. Kekurangan Turbin Gas

• Desain kompleks
• Mahal

3. Komponen Turbin Gas

1. Komponen-komponenUtama padaTurbin gas

Ada 3 komponen utama yang menunjang kerja Turbin Gas, yaitu:

1. Kompresoraksial

Yang dimaksud anutan axial yakni bahwa jalan anutan udara arahnya paralel atau memanjang searah dengan shaft dari rotor .Kompresor aksial terdiri dari beberapa tingkat (dapatmencapai30tingkat), masing-masing tingkat terdiri dari satu baris sudu gerak pada rotor, dan satu baris sudu tetap pada stator untuk memperoleh efisiensi yang tinggi dibutuhkan rasio kompresi yang tinggi. Namun, lantaran dalam satut ingkathanya sanggup memperlihatkan kenaikan tekanan yang kecil, maka kenaikan tekanan yang diperoleh dalam satubaris sudu tidak besar. Dengan demikian untuk memperoleh effisiensi yang tinggi dibutuhkan beberapa tingkat kompresor aksial dalam seri. Komponen utama sebuah kompresor aksial yakni rotor dengan sudu– sudu gerak dan stator dengan sudu–sudu tetap. Penampang suduber bentuk airfoil. Biasanya sudu dipasangkan longgar pada rotor untuk memberi ruang pemuaian dikala sudah panas ketika beroperasi [2 &3].

2. Ruang bakar

Ruang bakar sangat memilih mutu gas pembakaran,bukan hanya dari segi energi yang disediakan tetapi juga emisi gas buangnya.Untuk menjamin hal tersebut maka ruang bakar turbin gas harus memenuhi syarat-syarat berikut ini:

1. Efisiensi pembakaran yang tinggi, materi bakar harus terbakar tepat sehingga semua energi kimia sanggup dikonversi menjadi energi panas.
2. Distribusi temperatur keluar ruang bakar yang sama.
3. Emisi polutan (CO, NoX, SoX) dan asap yang rendah
4. Harga yang murah dan gampang perawatannya. Maka konstruksi harus sederhana serta dibentuk dari material yang tidak mahal.
5. Tahan lama. Konstruksi dan material yang baik serta pendinginan yang baik.

Ada beberapa jenis ruang bakar :

1. Tubular

• Konstruksi yang tegar dan kuat
• Aliran materi bakar dan anutan udara gampang dipadukan.
• Berat total material ringan
• Mudah investigasi dan penggantian.
• Volume dan penampang frontal besar

2. Anular

• Penampang frontal minimum
• Penyalaan lebih mudah
• Relatif tidak banyak membentuk asap
• Pendinginan dan pembersihannya lebih mudah

3. Tubo-anular atau kanular

Pola anutan materi bakar dan anutan udara gampang disesuaikan

Ruang bakar terdiri dari tabung luar dan tabung dalam, tabung luar merupakan bungkus dan sekaligus struktur penyangga ruang bakar. Sedangkan tabung dalam membentuk atau membatasi ruang dimana proses pembakaran itu berlangsung.

Didalam tabung dalam terdapat penyemprot materi bakar dan penyala, dan pemegang nyala (flameholder) yang berfungsi memperlambat aliran, membentuk vorteks atau turbulensi, sehingga api pembakaran terbakar tepat dantetap ditempat.Hanyasekitar20–30%udarayang digunakan untuk pembakaran pada beban penuh (fullload). Sedangkan sisanya tanggapan panas dari api pembakaran akan mengembang atau berekspansi melalui sudu-sudu turbin. Udara yang digunakan untuk pembakaran itulah yang disebut PrimaryAir dan jumlahnya diatur oleh banyak dan besarnya lubang-lubang combustor, tempatur dara tersebut masuk kedaerah pembakaran.

Sebelum digunakan untuk proses pembakaran, sebagian dari primary air diarahkan melalui lubang-lubang disekeliling combuster untuk membentuk selubung (layers) udara yang berfungsi untuk melindungi dinding kombustor dari sentuhan api.

Disebelah bawah kombustor, dimasukkan anutan udara yang disebut SecondaryAir. Aliran udara ini bercampur dengan gas panas hasil pembakaran (primary air), untuk mencegah masuknya anutan yang sangat panas ke dalam turbin. Udara sekunder (cooling air) tersebut juga berfungsi mendinginkan ruang bakar, nozzle blade, dan turbine disc.

Tanpa adanya anutan udara tersebut maka ruang bakar akan menjadi bola api yang besar yang bertemperatur kira-kira 3500 derajat Fahrenheit (1927deg.C). Letak penyala pada kombuster ditetapkan menurut pengalaman dan pengujian, yaitu ditempat dimana gabungan materi bakar–udara paling gampang terbakar tetapi juga dilindungi dari api yang panas. Hal tersebut disebabkan lantaran fungsi penyala yakni menyalakan gabungan materi bakar–udara hingga terjadi pembakaran yang tetap atau stabil, sesudah itu tidak bekerja atau dimatikan [2 &3].

3. TurbinAksial

Bagian turbin merubah panas dari pembakaran diruang bakar menjadi tenaga putar mekanis. Sama menyerupai kompresor, potongan turbin juga terdiri dari beberapa deret sudu-sudu yang berputar dan tidak berputar. Sudu-sudu yang berputar tersebut disebut rotorblade dan sudu-sudu yangtidak berputar pada turbin disebut nozzle. Karena proses anutan gas didalam turbin yakni ekspansi, sudu turbin sanggup dibentuk dengan sudut belok lebih besar dari pada sudu kompresor. Hal tersebut memungkinkan konversi energi pertingkat yang lebih besar pula. Maka tidak mengherankan jika satu tingkat turbin sanggup menghasilkan daya untuk menggerakkan 12 atau lebih tingkat kompresor dengan effisiensi yang cukup tinggi.Perlukiranya disebutkan disini bahwa pada unit daya tinggi, turbin dibentuk dengan beberapa tingkat lantaran keterbatasan kemampuan satu tingkat turbin untuk menyerap semua energi gas yang tersedia itu sekaligus secara efisien [2 &3].

2. KomponenPendukungTurbin gas

Variable Inlet GuideVane (VIGV)

Terletak pada 1atau 2 tingkat sudu stator pertama kompresor. Berfungsi mengatur anutan massa udara biar bisa menyesuaikan dengan keadaan pada dikala start, akselerasi , dan deselerasi kompresor[4 &5].

Bleed Valve

Terletak dikompresor dan sebelum diatas rumah ruang pembakardan memiliki kanal untuk membuang anutan udara kompresor dengan tidak melewati ruang bakar dan potongan turbin. Berfungsi untuk mengurangi tekanan balik atau back pressure pada kompresor dan juga mengurangi beban yang diterima turbin. Sekitar 10-15% dari jumlah anutan udara pada dikala itu dibuang [4 &5].

Pada dikala pembakaran, temperatur dalam ruang bakar akan meningkat dengan cepat. Kenaikan temperatur ini menjadikan volume dan kecepatan anutan tersebut bertambah besar, tapi tekanannya tetap. Dari proses pembakaran, gas mengalami proses perluasan yang kemudian diarahkan oleh nozzle untuk mendorong sudu-sudu rotor turbin sehingga turbin akan berputar.

Turbin pada RRAVON yakni kombinasi dari cara impuls dan reaksi. Pergerakan pertama dari rotor yakni dengan cara impuls, yaitu gas membentur dan mendorong sudu rotor untuk mulai berputar, tetapi gas yang berekspansi sesudah melewati sudu akan bertambah kecepatannya sehingga menghasilkan proses reaction yang menjadikan perputaran secara terus-menerus. Gas yang berekspansi tersebut kemudian memutar rotor turbin, sehingga energinya berkurang menjadikan turunnya tekanan dan temperatur gas tersebut sesudah berekspansi.

Pada RRAVON, terdapat 3 tingkat (stage) sudu pada turbin, dimana terpasang dalam 2 potongan shaft yang berbeda pada RRAVON 2 stage GG dan1 stage power turbin terhubung secara split shaft. Dua tingkat sudu pertama untuk gas producer generator dan satu tingkat terakhir untuk power turbin. Sekitar 2/3 dari jumlah tenaga dihasilkan oleh gas producer rotor. Gas producer generator yakni stage pada turbin yang tenaganya digunakan untuk memutar engine kompresor dan perlengkapannya. Misalnya compressor package, generator, pompa dan lain-lain. Dan 1/3 jumlah tenaga sisanya pada turbin dihasilkan oleh power turbin rotor yang terletak pada turbin tingkat 3 digunakan untuk menggerakkan peralatan yang diinginkan menyerupai gas kompresor, dll. Gas sisa perluasan tersebut dikeluarkan melalui exhaust ke atmosfir [4].

Difuser

Difuser yakni alat atau kanal yang berfungsi menaikkan tekanan fluida dengan jalan menurunkan kecepatannya. Atau, difuser yakni alat yang mengubah energi kinetik menjadi tekanan. Difuser tidak menghasilkan atau memerlukan kerja mekanik.

VELOCITY= DEREASING PRESSURE= INCREASING TEMPERATURE= INCREASING

Fungsi diffuser disini yakni untuk memperlambat kecepatan (velocity) udara. Sehingga udara bercampur dengan materi bakar dengan sempurna.

Nozel

Nozel yakni alat atau kanal yang berfungsi menaikkan kecepatan fluida dengan jalan menurunkan tekanannya. Atau, nozel yakni alat untuk mengekspansikan fluida sehingga kecepatannya bertambah besar. Sepertidifuser, nozzel tidak menghasilkan atau memerlukan kerja mekanik ; maka untuk nozzel W=0[3, 4,&5].

Variabel-variabel Kinerja Turbin Gas [6, 7,&8]

• Po : Barometric Pressure, yaitu tekanan udara luar atau tekanan atmosfer diukur sebelum masuk intake.
• P1 : GG bellmouth pressure,yaitu tekanan udara pada bell mouth atau tekanan udara yang diukur pada intake kompresor.
• ΔPi : Gas generator intake depression,yaitu besarnya penurunan tekanan yang masuk gas generator (turbin stage 1 &2) atau penurunan tekanan sesudah keluar ruangbakar.
• T1 :Intake temperature, yaitu temperature udara masuk kompresor.
• T2 : Compressor delivery temperatur, yaitu temprature udara keluar kompresor, diukur pada kompresor stage ke 17.
• T4 : Exhaust gas temperature, yaitu temperature gasyang keluar dari gas generator (turbin stage ke 2) atau temperatur gas sebelum masuk power turbin.
• T5 : Exhaust conetemperature, yaitu temperature gas yang keluar dari power turbin (turbin stage ke 3).
• CDP : Compressor discharge pressure (P2), yaitu tekanan udara yang keluar dari kompresor atau tekanan udara sebelum masuk ruang bakar (kompresor stage ke 17).
• P4 : Exhaust gas generator pressure, yaitu tekanan gas yang keluar dari gas generator (turbin stage ke 2) atau tekanan gas sebelum masuk power turbin.
• P5 : Exhaust conepressure, yaitu tekanan gas yang keluar dari power turbin (turbin stage ke 3).
• N1 : Compressor speed, yaitu besarnya putaran kompresor.
• VIGV : Variable inletguide vane angle,yaitu besarnya sudut bukaan pada kompresor stageke1,yang berfungsi untuk mengatur besarnya udara yang masuk ke kompresor.
• Effisiensi kompresor, yaitu besar keefektifan energi pada kompresor.
• Effisiensi Thermal, yaitu besarnya keefektifan energi panas pada suatu ruang bakar turbin gas.

4. Prinsip Kerja Sistem Turbin Gas

1. Prinsip Kerja Sistem Turbin Gas (Gas-Turbine Engine)

Udara masuk kedalam kompresor melalui kanal masuk udara (inlet). Kompresor berfungsi untuk menghisap dan menaikkan tekanan udara tersebut, sehingga temperatur udara juga meningkat. Kemudian udara bertekanan ini masuk kedalam ruang bakar. Di dalam ruang bakar dilakukan proses pembakaran dengan cara mencampurkan udara bertekanan dan materi bakar. Proses pembakaran tersebut berlangsung dalam keadaan tekanan konstan sehingga sanggup dikatakan ruang bakar hanya untuk menaikkan temperatur. Gas hasil pembakaran tersebut dialirkan ke turbin gas melalui suatu nozel yang berfungsi untuk mengarahkan anutan tersebut ke sudu-sudu turbin. Daya yang dihasilkan oleh turbin gas tersebut digunakan untuk memutar kompresornya sendiri dan memutar beban lainnya menyerupai generator listrik, dll. Setelah melewati turbin ini gas tersebut akan dibuang keluar melalui kanal buang (exhaust).

Gambar turbin gas pesawat terbang

Turbin gas yang digunakan industri sanggup dilihat pada gambar 18, cara kerjanya sama dengan turbin gas pesawat terbang. Motor starter dinyalakan untuk memutar kompresor, udara segar terhisap masuk dan dimampatkan. Kemudian, udara mampat dengan temperatur dan tekanan yang cukup tinggi (2000C, 6bar) mengalir masuk ruang bakar, bercampur dengan materi bakar. Campuran udara mampat bahan-bakar kemudian dinyalakan dan terjadi proses pembakaran, temperatur gas pembakaran naik drastis. Gas pembakaran dengan temperatur tinggi (6bar, 7500C) berekspansi pada turbin, sehingga terjadi perubahan energi, dari energi panas menjadi energi putaran poros turbin. Gas pembakaran sesudah berekspansi diturbin, kemudian keluar sebagai gas bekas. Selanjutnya, turbingas bekerja dengan putaran poros turbin, yaitu sebagai sumber tenaga pencetus kompresor dan generator listrik.

Gambar 19. Turbin gas untuk industri (pembangkit listrik)

Persamaan turbin gasdengan motor bakar yakni pada proses pembakarannya yang terjadi di dalam mesin itu sendiri, disamping itu proses kerjanya yakni sama yaitu hisap, kompresi, pembakaran, perluasan dan buang. Perbedaannya yakni terlatak pada kontruksinya, motor bakar kebanyakan bekerja gerak bolak balik (reciprocating) sedangkan turbin gas yakni mesin rotasi, proses kerja motor bakar sedikit demi sedikit (intermiten), untuk turbin gas yakni kontinyu dan gas buang pada motor bakar tidak pernah digunakan untuk gaya dorong.

Gambar 20. Mesin pembakaran dalam (turbin gas dan motor bakar)

Turbin gas bekerja secara kontinyu tidak betahap, semua proses yaitu hisap kompresi, pembakaran dan buang yakni berlangsung bersamaan. Pada motor bakar yang prosesnya sedikit demi sedikit yaitu yang dinamakan langkah, langkah hisap,kompresi, pembakaran,ekspansidan langkah buang, antara langkah satu dan lainnya saling bergantung dan bekerja bergantian. Pada proses perluasan turbin gas, terjadi perubahan energi dari energi panas menjadi energi mekanik putaran poros turbin, sedangkan pada motor bakar pada langkah perluasan terjadi perubahan dari energi panas menjadi energi mekanik gerak bolak-balik torak. Dengan kondisi tersebut, turbin gas bekerja lebih halus tidak banyak getaran.

Gambar 21. Perbandingan turbin gas dan mesin diesel

Turbin gas banyak digunakan untuk mesin propulsi atau jet, mesin automotiv, tenaga pembangkit listrik [gambar20], atau pencetus peralatan-peralatan industri menyerupai pencetus kompresor atau pompa. Daya yang dihasil kan turbin gas mulai dari 250000 HP untuk pembangkit listrik hingga 5HP pada turbo charger pada mesin motor.

Keunggulan dari turbin gas yakni mesinnya yang ringan dan ukuran yang kecil bisa menghasilkan daya yang besar. Sebagai pola pada gambar 20 yakni turbin gas yang biasa digunakan untuk pencetus generator listrik kecil. Generator ini banyak digunakan untuk mengantisipasi beban puncak jaringan, sehingga fungsinya bisa menggantikan kalau terjadi pemadaman listrik. Gedung-gedung perkantoran, rumah sakit, universitas, perusahaan dan lainnya, banyak yang memakai generator jenis ini. Dibandingkan dengan penggunaan generator pencetus diesel, dengan pencetus turbin gas ukurannya menjadi lebih kecil, sehingga bisa menghemat tempat dan gampang dipindahkan. Pesawat terbang memerlukan mesin dengan persyaratan yang spesifik yaitu mesin dengan daya besar untuk daya dorong, tetapi ringan juga dari segi ukuran harus kecil. Dengan alasan tersebut, penggunaan turbin gas pada pesawat terbang menjadi pilihan yang tepat, dan tidak bisa digantikan jenis mesin lain. Pada industri dan pembangkitan listrik turbin gas sangat menguntungkan lantaran mesin gampang diinstal, operasinya tidak ruwet, dan tidak memerlukan ruangan yang besar.

Proses pembakaran dari turbin gas yakni menyerupai dengan pembakaran mesin diesel, yaitu proses pembakarannya pada tekanan konstan. Prosesnya yakni sebagai berikut, udara mampat dari kompresor masuk ruang bakar, udara terbagi menjadi dua, yaitu udara primer yang masuk kanal primer, berada satu tempat dengan nosel, dan udara mampat sekunder yang lewat selubung luar ruang bakar. Udara primer masuk ruang bakar melewati swirler, sehingga alirannya berputar.

Bahan bakar kemudian disemprotkan dari nosel ke zona primer, sesudah keduanya bertemu, terjadi pencampuran. Aliran udara primer yang berputar akan membantu proses pencampuran, hal ini menjadikan gabungan lebih homogen, pembakaran lebih sempurna.

Udara sekunder yang masuk melalui lubang-lubang pada selubung luar ruang bakar akan membantu proses pembakaran pada zona sekunder. Jadi, zona sekunder akan menyempurnakan pembakaran dari zona primer. Disamping untuk membantu proses pembakaran pada zona sekunder, udara sekunder juga membantu pendinginan ruang bakar. Ruang bakar harus didinginkan, lantaran dari proses pembakaran dihasilkan temperatur yang tinggi yang merusak material ruang bakar. Maka, dengan cara pendinginan udara sekunder,temperatur ruang bakar menjadi terkontrol dan tidak melebihi dari yang diijinkan.

Pada gambar 22 diatas, terlihat zona terakhir yakni zona pencampuran (dillute zone), yakni zona pencampuran gas pembakaran bertemperatur tinggi dengan sebagian udara sekunder. Fungsi udara pada sekunder pada zona itu yakni mendinginkan gas pembakaran yang bertemperatur tinggi menjadi temperatur yang kondusif apabila mengenai sudu-sudu turbin ketika gas pembakaran berekspansi. Disamping itu, udara sekunder juga akan menambah massa dari gas pembakaran sebelum masuk turbin, dengan massa yang lebih besar energi potensial gas pembakaran juga bertambah. Apabila Wkinetik yakni energi kinetik gas pembakaran dengan kecepatan V, massa sebelum ditambah udara sekunder yakni m1 maka energi kinetiknya yakni sebagai berikut:

Wkinetik,1= m1.V²

Dengan penambahan massa dari udara sekunder m2, maka energi kinetik menjadi

Wkinetik,1= (m1+m2).V²

Makara sanggup dilihat Wkinetik,2 (dengan udara sekunder) lebih besar dari Wkinetik,1 (tanpa udara sekunder).

Dari uraian diatas, terlihat proses pembakaran pada turbin gas memerlukan udara yang berlebih, biasanya hingga 30% dari kondisi normal untuk proses pembakaran dengan jumlah materi bakar tertentu. Kondisi ini akan berkebalikan, apabila udara pembakaran terlalu berlimpah (lebih 30%), udara justru akan mendinginkan proses pembakaran dan mati, lantaran panas banyak terbuang keluar melalui gas bekas yang bercampur udara hambar sekunder. Dengan pemikiran yang sama, apabila udara jumlah udara kurang dari normal, yaitu terjadi over heating, material ruang bakar dan sudu-sudu turbin bekerja melampaui kekuatannya dan ruang bakar bisa pecah, hal ini berarti turbin gas berhenti bekerja atau proses pembakaran terhenti.

Secara umum proses yang terjadi pada suatu sistem turbin gas yakni sebagai berikut:

• Pemampatan (compression) udara di hisap dan dimampatkan
• Pembakaran (combustion) materi bakar dicampurkan ke dalam ruang bakar dengan udara kemudian di bakar.
• Pemuaian (expansion) gas hasil pembakaran memuai dan mengalir ke luar melalui nozel (nozzle).
• Pembuangan gas (exhaust) gas hasil pembakaran dikeluarkan lewat kanal pembuangan.

Pada kenyataannya, tidak ada proses yang selalu ideal, tetap terjadi kerugiankerugian yang sanggup menjadikan turunnya daya yang dihasilkan oleh turbin gas dan berakibat pada menurunnya performa turbin gas itu sendiri. Kerugian-kerugian tersebut sanggup terjadi pada ketiga komponen sistem turbin gas. Sebab-sebab terjadinya kerugian antara lain:

• Adanya gesekan fluida yang menjadikan terjadinya kerugian tekanan (pressure losses) di ruang bakar.
• Adanya kerja yang berlebih waktu proses kompresi yang menjadikan terjadinya gesekan antara ganjal turbin dengan angin.
• Berubahnya nilai Cp dari fluida kerja tanggapan terjadinya perubahan temperatur dan perubahan komposisi kimia dari fluida kerja.
• Adanya mechanical loss, dsb.

Share this post