Cara Kerja Dan Prinsip Kerja Sistem Turbin Gas

4. Prinsip Kerja Sistem Turbin Gas

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

Udara masuk kedalam kompresor melalui susukan 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 spesialuntuk untuk menaikkan temperatur. Gas hasil pembakaran tersebut dialirkan ke turbin gas melalui suatu nozel yang berfungsi untuk mengarahkan fatwa 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. Sesudah melewati turbin ini gas tersebut akan dimembuang keluar melalui susukan membuang (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 gerah menjadi energi putaran poros turbin. Gas pembakaran setelah 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 ialah pada proses pembakarannya yang terjadi di dalam mesin itu sendiri, disamping itu proses kerjanya ialah sama yaitu hisap, kompresi, pembakaran, perluasan dan membuang. Perbedaannya ialah terlatak pada kontruksinya, motor bakar kebanyakan bekerja gerak bolak balik (reciprocating) sedangkan turbin gas ialah mesin rotasi, proses kerja motor bakar sedikit demi sedikit (intermiten), untuk turbin gas ialah kontinyu dan gas membuang 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, tiruana proses yaitu hisap kompresi, pembakaran dan membuang ialah berlangsung bersamaan. Pada motor bakar yang prosesnya sedikit demi sedikit yaitu yang dinamakan langkah, langkah hisap,kompresi, pembakaran,ekspansidan langkah membuang, antara langkah satu dan lainnya saling bergantung dan bekerja bergantian. Pada proses perluasan turbin gas, terjadi perubahan energi dari energi gerah menjadi energi mekanik putaran poros turbin, sedangkan pada motor bakar pada langkah perluasan terjadi perubahan dari energi gerah menjadi energi mekanik gerak bolak-balik torak. melaluiataubersamaini 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 ialah mesinnya yang enteng dan ukuran yang kecil sanggup menghasilkan daya yang besar. Sebagai referensi pada gambar 20 ialah turbin gas yang biasa digunakan untuk pencetus generator listrik kecil. Generator ini banyak digunakan untuk mengantisipasi beban puncak jaenteng, sehingga fungsinya sanggup menggantikan kalau terjadi pemadaman listrik. Gedung-gedung perkantoran, rumah sakit, universitas, perusahaan dan lainnya, banyak yang memakai generator jenis ini. Dibandingkan dengan penerapan generator pencetus diesel, dengan pencetus turbin gas ukurannya menjadi lebih kecil, sehingga sanggup menghemat daerah dan praktis dipindahkan. Pesawat terbang memerlukan mesin dengan persyaratan yang spesifik yaitu mesin dengan daya besar untuk daya dorong, tetapi enteng juga dari segi ukuran harus kecil. melaluiataubersamaini alasan tersebut, penerapan turbin gas pada pesawat terbang menjadi pilihan yang tepat, dan tidak sanggup digantikan jenis mesin lain. Pada industri dan pembangkitan listrik turbin gas sangat menguntungkan lantaran mesin praktis diinstal, operasinya tidak ruwet, dan tidak memerlukan ruangan yang besar.

Proses pembakaran dari turbin gas ialah menyerupai dengan pembakaran mesin diesel, yaitu proses pembakarannya pada tekanan konstan. Prosesnya ialah sebagai diberikut, udara mampat dari kompresor masuk ruang bakar, udara terbagi menjadi dua, yaitu udara primer yang masuk susukan primer, berada satu daerah 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, setelah keduanya bertemu, terjadi pencampuran. Aliran udara primer yang berputar akan memmenolong proses pencampuran, hal ini mengakibatkan adonan lebih homogen, pembakaran lebih sempurna.

Udara sekunder yang masuk melalui lubang-lubang pada selubung luar ruang bakar akan memmenolong proses pembakaran pada zona sekunder. Jadi, zona sekunder akan menyempurnakan pembakaran dari zona primer. Disamping untuk memmenolong proses pembakaran pada zona sekunder, udara sekunder juga memmenolong 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 ialah zona pencampuran (dillute zone), ialah zona pencampuran gas pembakaran bertemperatur tinggi dengan sebagian udara sekunder. Fungsi udara pada sekunder pada zona itu ialah mendinginkan gas pembakaran yang bertemperatur tinggi menjadi temperatur yang kondusif apabila terkena 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 ialah energi kinetik gas pembakaran dengan kecepatan V, massa sebelum ditambah udara sekunder ialah m1 maka energi kinetiknya ialah sebagai diberikut:

Wkinetik,1= m1.V²

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

Wkinetik,1= (m1+m2).V²

Kaprikornus 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 gerah banyak termembuang keluar melalui gas bekas yang bercampur udara hambar sekunder. melaluiataubersamaini 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 sanggup pecah, hal ini berarti turbin gas berhenti bekerja atau proses pembakaran terhenti.

Secara umum proses yang terjadi pada suatu sistem turbin gas ialah sebagai diberikut:

• 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).
• Pemmembuangan gas (exhaust) gas hasil pembakaran dikeluarkan lewat susukan pemmembuangan.

Pada kenyataannya, tidak ada proses yang selalu ideal, tetap terjadi kerugiankerugian yang sanggup mengakibatkan 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 tabrakan fluida yang mengakibatkan terjadinya kerugian tekanan (pressure losses) di ruang bakar.
• Adanya kerja yang berlebih waktu proses kompresi yang mengakibatkan terjadinya tabrakan antara alas turbin dengan angin.
• Berubahnya nilai Cp dari fluida kerja tanggapan terjadinya perubahan temperatur dan perubahan komposisi kimia dari fluida kerja.
• Adanya mechanical loss, dsb.

Klasifikasi Turbin Gas

Turbin gas sanggup dibedakan menurut siklusnya, kontruksi poros dan lainnya. Menurut siklusnya turbin gas terdiri dari:

• Turbin gas siklus tertutup (Close cycle)
• Turbin gas siklus terbuka (Open cycle)

Perbedaan dari kedua tipe ini ialah menurut siklus fluida kerja. Pada turbin gas siklus terbuka, final perluasan fluida kerjanya eksklusif dimembuang ke udara atmosfir, sedangkan untuk siklus tertutup final perluasan fluida kerjanya didinginkan untuk kembali ke dalam proses pertama.

Dalam industri turbin gas umumnya diklasifikasikan dalam dua jenis yaitu :

• Turbin Gas Poros Tunggal (Single Shaft) Turbin jenis ini digunakan untuk menggerakkan generator listrik yang menghasilkan energi listrik untuk keperluan proses di industri.
• Turbin Gas Poros Ganda (Double Shaft) Turbin jenis ini ialah turbin gas yang terdiri dari turbin bertekanan tinggi dan turbin bertekanan rendah, dimana turbin gas ini digunakan untuk menggerakkan beban yang berubah menyerupai kompresor pada unit proses.

Siklus-Siklus Turbin Gas

Siklus Turbin Gas

Tiga siklus turbin gas yang dikenal secara umum yaitu:

a. Siklus Ericson

Merupakan siklus mesin kalor yang sanggup balik (reversible) yang terdiri dari dua proses isotermis sanggup balik (reversible isotermic) dan dua proses isobarik sanggup balik (reversible isobaric). Proses perpindahan gerah pada proses isobarik berlangsung di dalam komponen siklus internal (regenerator), dimana effisiensi termalnya ialah : hth = 1 – T1/Th, dimana T1 = temperatur membuang dan Th = temperatur gerah.

b. Siklus Stirling

Merupakan siklus mesin kalor sanggup balik, yang terdiri dari dua proses isotermis sanggup balik (isotermal reversible) dengan volume tetap (isokhorik). Efisiensi termalnya sama dengan efisiensi termal pada siklus Ericson.

c. Siklus Brayton

Siklus ini ialah siklus daya termodinamika ideal untuk turbin gas, sehingga dikala ini siklus ini yang sangat terkenal digunakan oleh pembuat mesin turbine atau manufacturer dalam analisa untuk performance upgrading. Siklus Brayton ini terdiri dari proses kompresi isentropik yang diakhiri dengan proses pelepasan gerah pada tekanan konstan. Pada siklus Bryton tiap-tiap keadaan proses sanggup dianalisa secara diberikut.

Proses 1 ke 2 (kompresi isentropik). Kerja yang dibutuhkan oleh kompresor: Wc = ma (h2 – h1). Proses 2 ke 3, pemasukan materi bakar pada tekanan konstan. Jumlah kalor yang dihasilkan: Qa = (ma + mf) (h3 – h2). Proses 3 ke 4, perluasan isentropik didalam turbin. Daya yang dibutuhkan turbin: WT = (ma + mf) (h3 – h4). Proses 4 ke 1, pemmembuangan gerah pada tekanan konstan ke udara. Jumlah kalor yang dilepas: QR = (ma + mf) (h4 – h1)

A. Siklus Termodinamika Turbin Gas

Turbingas ialah suatu mesin yang bekerja mengikuti siklus termodinamik Brayton. Adapun siklus termodinamikanya pada diagram p-v dan t-s ialah sebagai diberikut[gambar24]:

Urutan proses kerja sistem turbin gas [gambar 24] adalah:

• 1-2 Proseskompresiadiabatisudarapadakompresor,tekanan udara naik [A]
• 2-3 Proses pembakaran adonan udara dan bahan-bakar pada tekanan konstan, dihasilkan gerah pada ruang bakar [B]
• 3-4 Proses perluasan adiabatic gas pembakaran pada turbin dihasilkan
• Kerja turbin berupa putaran poros dan gaya dorong, tekanan turun [C]
• 4-1 Proses pemmembuangan kalor pada tekanan konstan [D]

Dari diagram T-S sanggup dilihat setelah proses kompresi pada kompresor temperatur naik yaitu T2 dari tempertur atmosfer T1 dan tekanan naik dari p1 menjadi p2, tempertur dan tekanan ini dibutuhkan untuk proses pembakaran. Sesudah materi bakar disemprotkan dan bercampur dengan udara mampat didalam ruang bakar dan dinyalakan, terjadi proses pembakaran, temperatur naik lagi hingga T3. Temperatur T3 ialah temperatur gas pembakaran yang akan masuk turbin, temperatur ini dibatasi oleh ketahanan material turbin pada suhu tinggi. Sesudah proses perluasan pada turbin, temperatur gas sisa menjadi turun hingga T4 dan temperature gas sisa ini masih tinggi diatas temperature T1.

Ada banyak tipe turbin gas,tetapi dengan prinsip kerja yang sama, yaitu mengikuti siklus Bryton. Siklus tersebut ialah siklus dasar yang menjadi patokan dalam perancangan turbin gas. Secara teoritis kelihatan tidak ada kesusahan, tetapi pada kenyataannya, pembuatan turbin gas menemui banyak kesukaran, terutama yang bekerjasama dengan efisiensi pemakaian materi bakar dan ketersedian material yang bekerja pada temperatur tinggi. melaluiataubersamaini banyak sekali alasan dan tujuan, banyak tipe turbin gas yang dikembangkan. Adapun beberapa alasan tersebut adalah;

1. Pemakaian materi bakar harus lebih bervariasi tidak spesialuntuk untuk materi bakar cair dan gas saja atau untuk mencegah singgungan fluida kerja dengan lingkungan, khususnya untuk materi bakar nuklir. Untuk keperluan tersebut, dibentuk turbin gas terbuka dan tertutup atau turbin gas eksklusif dan tidak langsung.
2. Pemakaian turbin gas yang semakin meluas, disamping sebagai pembangkit daya dorong dan pembangkit listrik, turbin gas kini banyak digunakan untuk pengerak mula, misalnya pencetus pompa dan kompresor pada industri-industri atau sentra pembangkit tenaga (power plant). Untuk keperluan tersebut, dibentuk turbin gas dengan model satu poros dan dua poros.

A. Turbin gas sistem terbuka (langsung dan tidak langsung)

Gambar 25. Bagan kerja turbin gas sistem terbuka langsung

Pada sistem turbin gas terbuka eksklusif [gambar 22], fluida kerja akan keluar masuk sistem yaitu udara lingkungan masuk kompresor dan gas bekas keluar turbin ke lingkungan. Ruang bakar menjadi satu dengan sistem turbin gas dan materi bakar yang digunakan terbatas yaitu spesialuntuk materi bakar cair dan gas. Bahan bakar tersebut sebelum digunakan sudah dimurnikan, sehingga tidak mengandung unsur-unsur yang merugikan.

Permasalahan turbin gas sistem terbuka terserius pada proses pendinginan ruang bakar dan sudu-sudu turbin. Disamping itu, lantaran gas pembakaran eksklusif bersinggungan dengan material turbin, permasalahan korosi dan abarasi pada sudu turbin menjadi sangat penting, jikalau hal ini diabaikanakan berakibat fatal dan sangat merugikan, yaitu sudu-sudu turbin sanggup bengkok atau patah. Kalau hal tersebut terjadi, daya turbin menurun, dan secara keseluruah efisien kerja menjadi rendah.

Turbin gas sistem terbuka banyak digunakan untuk mesin pesawat terbang, lantaran bentuknya lebih simpel, enteng dan tidak banyak memakan tempat, hal ini cocok dengan pesyaratan turbin gas untuk pesawat terbang. Bahan bakar padat tidak dimasukankan untuk digunakan pada sistem turbin gas terbuka langsung, lantaran hasil pembakaran banyak mengandung partikel yang bersifat korosi terhadap material turbin, yang sanggup merusak sudu turbin. Kendala tersebut sanggup diatasi dengan memisahkan ruang bakar dengan susukan fluida kerja, dengan kata lain, fluida kerja masuk turbin dikondisikan tidak mengandung gas hasil pembakaran. Untuk keperluan tersebut, dibentuk turbin gas sistem terbuka tak langsung. melaluiataubersamaini sistem ini, proses pembakaran berlangsung sendiri di dalam ruang bakar yang terpisah dengan susukan fluida kerja yang akan masuk turbin. Energi gerah dari porses pembakaran akan ditransfer ke fluida kerja secara eksklusif atau memakai alat penukar kalor.

Model transfer energi gerah dari ruang bakarke fluida kerja secara lansung ialah sebagai diberikut. Pipa-pipa yang meliputi fluida kerja udara mampat dari kompresor dilewatkan keruang bakar atau dapur. Panas dari proses pembakaran ditransfer secara eksklusif ke fluida kerja didalam pipa-pipa, temperatur fluida akan naik hingga nilai tertentu sebelum masuk turbin.

Untuk model transfer gerah dengan penukar kalor, banyak diaplikasikan pada turbin gas berbahan bakar nuklir. Ruang bakar berbahan bakar nuklir sering disebut dengan reaktor. Didalam reaktor nuklir terjadi reaksi fusi yang menghasilkan gerah yang tinggi, gerah yang tinggi tersebut ditransfer ke fluida yang sekaligus berfungsi sebagai pendingin reaktor, fluida tersebut sering diistilahkan sebagai fluida primer. Kemudian, fluida primer bersuhu tinggi dialirkan kealat penukar kalor. Didalam alat penukar kalor terdapat pipa-pipa meliputi fluida kerja bersuhu rendah, untuk fluida ini sering disebut sebagai fluida sekunder. melaluiataubersamaini kondisi tersebut, terjadi tranfer gerah dari fluida primer bersuhu tinggi ke fluida sekunder bersuhu rendah.

Pada gambar 25, ialah referensi sketsa untuk turbin gassistem terbuka. Dapat dilihat fluida kerja yang digunakan ialah udara. Udara masuk kompresor, dan keluar sebagai udara mampat pada titik 2. Udara bertekanan tinggi tersebut masuk ruang bakar dan menyerap gerah dari proses pembakaran, kemudian keluar ruang bakar dengan temperatur tinggi pada titik 3. Selanjutnya, fluida kerja masuk turbin dan berekspansi untuk mempersembahkan energinya ke sudu-sudu turbin. Terjadi perubahan energi, dari energi gerah fluida kerja menjadi putaran poros turbin. Sesudah berekspansi pada turbin, fluida kerja kemudian keluar turbin dengan temperatur relatif rendah ke lingkungan.

Gambar 26. Bagan kerja turbin gas sistem terbuka tak langsung

Pada gambar 26. ialah referensi sistem turbin gas tak eksklusif dengan penukar kalor. Dapat dilihat, fluida kerja (fluida sekunder) yang digunakan ialah udara. Udara masuk kompresor dan keluar sebagai udara mampat pada titik 2. Udara bertekanan tinggi tersebut, masuk penukar kalor dan menyerap gerah dari sumber gerah.Sumber gerah tersebut ialah fluida primer bertemperatur tinggi yang mengalir dari reaktor. Fluida primer ini, sebagai pembawa energi gerah dari proses pembakaran materi bakar nuklir, yang biasa digunakan ialah air atau gas helium. Proses selanjutnya ialah sama dengan sketsa gambar 23.

B. Turbin gas sistem tertutup (langsung dan tidak langsung)

Sistem turbin gas tertutup eksklusif banyak digunakan untuk aplikasi tubin gas dengan materi bakar nuklir [gambar25]. Fluida kerja yang paling cocok ialah helium. Proses kerja dari sistem tersebut ialah sebagai diberikut. Helium tekanan tinggi dari kompresor dimasukan reaktor untuk digerahi dan sekaligus untuk pendinginan reaktor. Sesudah itu, helium berekspansi diturbin dengan melepaskan sebagian besar energinya. Energi tersebut diubah pada sudu-sudu turbin menjadi putaran poros turbin dan eksklusif menggerakan kompresor ataupun beban lainnya. Helium keluar turbin, tekanannya sudah menurun, tetapi masih bertemperatur tinggi. Helium bertemperatur tinggi harus didinginkan sebelum masuk kompresor, untuk keperluan tersebut, dipasang penukar kalor. Selanjutnya, helium hambar masuk kompresor lagi untuk dikompresi lagi.

Pada gambar 26 ialah sistem turbin gas tertutup tak langsung, sistem ini ialah sistem gabungan antara sistem tertutup dan sistem tak langsung. Fluida kerja primer menyerap gerah dari ruang bakar atau reaktor kemudian dialirkan ke penukar kalor, kemudian diserap oleh fluida sekunder.