Chapter 5 Turbines

blog : www.Arieswan.wordpress.com E-mail : [email protected]

T U R BI N

Sejarah

The Aeolipile Hero dari Alexandria turbin uap pertama yang tercatat dalam sejarah

Sejarah Turbin• Turbin uap modern pertama kali dikembangkan oleh Sir Charles Parsons

pada tahun 1884. Pada perkembangannya, turbin uap ini mampu menggantikan peranan dari kerja mesin uap piston torak. Hal ini disebabkan karena turbin uap memiliki kelebihan berupa efisiensi termal yang besar dan perbandingan berat dengan daya yang dihasilkan yang cukup tinggi. Pada prosesnya turbin uap menghasilkan gerakan rotasi, sehingga hal ini sangat cocok digunakan untuk menggerakkan generator listrik. Pada saat ini, sudah hampir 80% pembangkit listrik diseluruh dunia telah menggunakan turbin uap.

PendahuluanPada mesin uap tipe bolak balik, kalor diubah terlebih dahulu menjadi energi kinetik translasi piston. Setelah itu energi kinetik translasi piston diubah menjadi energi kinetik rotasi roda pemutar. Nah, pada turbin uap, kalor langsung diubah menjadi energi kinetik rotasi turbin.

PendahuluanTurbin bisa berputar akibat adanya perbedaan tekanan. Suhu uap sebelah atas bilah jauh lebih besar daripada suhu uap sebelah bawah bilah (bilah tuh lempeng tipis yang ada di tengah turbin). Ingat ya, suhu berbading lurus dengan tekanan. Karena suhu uap pada sebelah atas bilah lebih besar dari suhu uap pada sebelah bawah bilah maka tekanan uap pada sebelah atas bilah lebih besar daripada tekanan uap pada sebelah bawah bilah. Adanya perbedaan tekanan menyebabkan si uap mendorong bilah ke bawah sehingga turbin berputar. Arah putaran turbin tampak seperti gambar di samping:

Instalasi Turbin Uap Pada Pembangkit Tenaga

Prinsip Kerja Turbin UapSecara singkat cara kerja turbin uap adalah sebagai berikut :• Uap masuk kedalam turbin melalui nosel. Didalam nosel energi

panas dari uap dirubah menjadi energi kinetis dan uap mengalami pengembangan.Tekanan uap pada saat keluar dari nosel lebih kecil dari pada saat masuk ke dalam nosel, akan tetapi sebaliknya kecepatan uap keluar nosel lebih besar dari pada saat masuk ke dalam nosel.Uap yang memancar keluar dari nosel diarahkan ke sudu-sudu turbin yang berbentuk lengkungan dan dipasang disekeliling roda turbin. Uap yang mengalir melalui celah-celah antara sudu turbin itu dibelokkan kearah mengikuti lengkungan dari sudu turbin. Perubahan kecepatan uap ini menimbulkan gaya yang mendorong dan kemudian memutar roda dan poros turbin.

Komponen Utama Turbin UapSecara umum komponen-komponen utama dari sebuah turbin uap adalah :• Nosel, sebagai media ekspansi uap yang merubah energi potensial

menjadi energi kinetik.• Sudu, alat yang menerima gaya dari energi kinetik uap melalui nosel.• Cakram, tempat sudu-sudu dipasang secara radial pada poros.• Poros, sebagai komponen utama tempat dipasangnya cakram-cakram

sepanjang sumbu.• Bantalan, bagian yang berfungsi uuntuk menyokong kedua ujung poros

dan banyak menerima beban.• Kopling, sebagai penghubung antara mekanisme turbin uap dengan

mekanisme yang digerakkan.

Komponen-Komponen Utama Turbin Uap

1. CASSINGAdalah sebagai penutup bagian-bagian utama turbin.

2. ROTORAdalah bagian turbin yang berputar yang terdiri dari poros, sudu turbin atau deretan sudu yaitu Stasionary Blade dan Moving Blade. Untuk turbin bertekanan tinggi atau ukuran besar, khususnya untuk turbin jenis reaksi maka motor ini perlu di Balanceuntuk mengimbagi gaya reaksi yang timbul secara aksial terhadap poros.

3. BEARING PENDESTAL Adalah merupakan dudukan dari poros rotor.

4. JOURNAL BEARINGAdalah Turbine Part yang berfungsi untuk menahan Gaya Radial atau Gaya Tegak Lurus Rotor.

5. THRUST BEARING Adalah Turbine Part yang berfungsi untuk menahan atau untuk menerima gaya aksial atau gaya sejajar terhadap poros yang merupakan gerakan maju mundurnya poros rotor.


6. MAIN OLI PUMPBerfungsi untuk memompakan oli dari tangki untukdisalurkan pada bagian – bagian yang berputar pada turbin . Dimana fungsi dari Lube Oil adalah :

Sebagai Pelumas pada bagian – bagian yang berputar. Sebagai Pendingin ( Oil Cooler ) yang telah panas dan masuk ke bagian

turbin dan akan menekan / terdorong keluar secara sirkuler Sebagai Pelapis ( Oil Film ) pada bagian turbin yang bergerak secara rotasi. Sebagai Pembersih ( Oil Cleaner ) dimana oli yang telah kotor sebagai

akibat dari benda-benda yang berputar dari turbin akan terdorong ke luar secara sirkuler oleh oli yang masuk .


7. GLAND PACKINGSebagai Penyekat untuk menahan kebocoran baik kebocoran Uap maupun kebocoran oli.

8. LABIRINTH RING Mempunyai fungsi yang sama dengan gland packing.

9. IMPULS STAGEAdalah sudu turbin tingkat pertama yang mempunyai sudu sebanyak 116 buah

10. STASIONARY BLADEAdalah sudu-sudu yang berfingsi untuk menerima dan mengarahkan steam yang masuk.


11. MOVING BLADE• Adalah sejumlah sudu-sudu yang berfungsi menerima dan merubah

Energi Steam menjadi Energi Kinetik yang akan memutar generator.12.CONTROL VALVE• Adalah merupakan katup yang berfungsi untuk mengatur steam yang

masuk kedalam turbin sesuai dengan jumlah Steam yang diperlukan.13.STOP VALVE • Adalah merupakan katup yang berfungsi untuk menyalurkan atau

menghentikan aliran steam yang menuju turbin.14.REDUCING GEAR• Adalah suatu bagian dari turbin yang biasanya dipasang pada turbin-

turbin dengan kapasitas besar dan berfungsi untuk menurunkan putaran poros rotor dari 5500rpm menjadi 1500 rpm.

Bentuk Roda & Sudu Turbin

Bentuk Roda & Sudu Turbin

Nosel (pipa pancar) & sudu

Konversi Energi Panas Uap Air Menjadi Energi Kinetik Didalam Nozel

Pertama, energi panas harus dikonversikan menjadi energi kinetik, proses ini terjadi pada nozzle (lihat gambar di atas). Pada turbin uap, nozzle terpasang di sisi casing (sudu-sudu stator turbin) dan ditambah pada sisi sudu-sudu rotor, yang selanjutnya dikenal dengan reaction stage/sisi reaksi. Pada nozzle, uap air mengalami penambahan kecepatan/akselerasi, dan akselerasi ini menyebabkan diferensial tekanan antara sisi sebelum nozzle dengan sesudah nozzle. Kedua, energi kinetik ditransformasikan menjadi energi putar dari rotor turbin yang hanya terjadi pada sisi sudu-sudu yang berputar/rotor.

Vektor Kecepatan Pada Stage Turbin Uap Reaksi

• Stage pada turbin memiliki perbedaan kecepatan, seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas. Pada tiap level digambar segitiga vektor kecepatan, satu di sisi inlet blade yang berputar, dan yang kedua di sisi outletnya. Kecepatan absolut (c) di inlet dan outlet besarnya berbeda, karena energi kinetik dari uap air dikonversikan menjadi energi mekanik pada rotor.

Rotor turbin

Rumah/cassing turbin

Bantalan utama turbin

Klasifikasi Turbin Uap1. Klasifikasi Turbin berdasarkan Prinsip Kerjanya ( berdasarkan cara

mendapatkan perubahan energi potensial menjadi energi kinetik dari semburan uapnya)a. Turbin ImpulseTurbin impuls atau turbin tahapan impuls adalah turbin sederhana berrotor satu atau banyak (gabungan ) yang mempunyai sudu-sudu pada rotor itu. Sudu biasanya simetris dan mempunyai sudut masuk dan sudut keluar.- Turbin satu tahap.- Turbin impuls gabungan.- Turbin impuls gabungan kecepatan.Ciri-ciri dari turbin impuls antara lain:- Proses pengembangan uap / penurunan tekanan seluruhnya terjadi pada sudu diam / nosel.- Akibat tekanan dalam turbin sama sehingga disebut dengan Tekanan Rata.

Klasifikasi Turbin Uap

Turbin Impulse :• secara sederhana prinsip kerja dari turbin impuls yaitu turbin

yang proses ekspansi lengkap uapnya hanya terjadi pada kanal diam (nosel) saja, dan energi kecepatan diubah menjadi kerja mekanis pada sudu-sudu turbin. Kecepatan uap yang keluar dari turbin jenis ini bisa mencapai 1200/detik. Turbin jenis ini pertama kali dibuat oleh de Laval, yang mana turbin ini mampu beroperasi pada putaran 30.000rpm. Pada aplikasinya turbin impuls ini dilengkapi dengan roda gigi reduksi untuk memindahkan momen putar ke mekanisme yang akan digerakkan seperti generator listrik.

Klasifikasi Turbin UapKlasifikasi Turbin berdasarkan Prinsip Kerjanya b. Turbin Reaksi

Turbin reaksi mempunyai tiga tahap, yaitu masing-masingnya terdiri dari baris sudu tetap dan dua baris sudu gerak. Sudu bergerrak turbin reaksi dapat dibedakan dengan mudah dari sudu impuls karena tidak simetris, karena berfungsi sebagai nossel bentuknya sama dengan sudu tetap walaupun arah lengkungnya berlawanan.

Ciri-ciri turbin ini adalah :- Penurunan tekanan uap sebagian terjadi di Nosel dan Sudu Gerak- Adanya perbedaan tekanan didalam turbin sehingga disebut Tekanan Bertingkat.


Turbin reaksi • yaitu turbin yang ekspansi uapnya tidak hanya terjadi pada

laluan-laluan sudu pengarah (nosel) yang tetap saja tetapi juga terjadi pada laluan sudu gerak (sudu-sudu cakram yang berputar), sehingga terjadi penurunan keseluruhan kandungan kalor pada semua tingkat sehingga terdistribusi secara seragam. Turbin yang jenis ini umumnyan digunakan untuk kepentingan industri. Kecepatan uap yang mengalir pada turbin (yang biasanyan nekatingkat) lebih rendah yaitu sekitar 100 – 200 m/detik


Turbin Impuls VS Turbin Reaksi


2. Klasifikasi turbin uap berdasarkan pada tingkat penurunan Tekanan Dalam Turbin

Ø Turbin Tunggal ( Single Stage )Dengan kecepatan satu tingkat atau lebih turbin ini cocok untuk untuk daya kecil, misalnya penggerak kompresor, blower, dll.

Ø Turbin Bertingkat (Aksi dan Reaksi ).Disini sudu-sudu turbin dibuat bertingkat, biasanya cocok untuk daya besar. Pada turbin bertingkat terdapat deretan sudu 2 atau lebih. Sehingga turbin tersebut terjadi distribusi kecepatan / tekanan.

Klasifikasi Turbin Uap3. Klasifikasi turbin berdasarkan Proses Penurunan Tekanan Uap• Turbin Kondensasi.

Tekanan keluar turbin kurang dari 1 atm dan dimasukkan kedalam kompresor.

• Turbin Tekanan Lawan.Apabila tekanan sisi keluar turbin masih besar dari 1 atm sehingga masih dapat dimanfaatkan untuk menggerakkan turbin lain.

• Turbin Ekstraksi.Didalam turbin ini sebagian uap dalam turbin diekstraksi untuk roses pemanasan lain, misalnya proses industri.

Jenis-Jenis Turbin Uap yang Umum Dipakai Dalam Praktek

Turbin De laval

Turbin Zuly


Turbin curtis

3 tingkat


Turbin parson


Turbin Gas• Di dalam turbin gas, gas bertekanan tinggi memutar turbin. Pada mesin

turbin gas modern sekarang ini , mesin itu bisa memproduksi gas bertekanan sendiri dengan membakar bahan seperti propana, natural gas, kerosene atau bahan bakar jet. Panas yang dihasilkan dari pembakaran tersebuat akan mengembangkan udara sehingga udara panas dengan kecepatan sangata tinggi ini mampu memutarkan turbin

Turbin Gas• Pernahkah Anda membayangkan kenapa kendaraan tank M-1 tidak

menggunakan mesin diesel namun malahan memakai turbin gas bertenaga 1.500 horsepower ? Ada 2 hal utama yang menjadi alasan sekaligus merupakan keuntungan daripada turbin gas :

1. · Mesin turbin gas memiliki rasio power-to-weight yang besar dibandingkan dengan mesin diesel reciprocating. Sudah barang tentu ini sangat bermanfaat untuk meminimaliskan bobot daripada tank M-1 namun tetap memiliki tenaga yang besar.

2. · Mesin turbin gas memiliki ukuran yang relatif lebih kecil dibanding dengan mesin reciprocating dengan daya yang sama

Proses Singkat Pada Turbin Gas

• Turbin gas secara teori tidak begitu rumit untuk menjelaskannya. Terdapat 3 komponen atau bagian utama yaitu :

1. Compressor • menaikkan tekanan udara yang masuk2. Combustion Area• Membakar bahan bakar yang masuk dan menghasilkan tekanan yang

sangat tinggi begitu pula dengan kecepatannya.3. Turbin• Mengkonversi energi dari gas dengan tekanan dan kecepatan yang tinggi

hasil dari combustion area menjadi energi mekanik berupa rotasi poros turbin.

Turbin Gas

COMPRESSOR• Pada Mesin Turbin seperti diatas, udara dengan tekanan normal masuk

dihisap oleh compressor yang biasanya berbentuk silinder kerucut dengan beberapa fan blade yang terpasang berbaris ( 8 baris atau lebih ). Udara tersebut kemudian mengalami kompresi bertingkat, di beberapa mesin turbin kenaikan tekanan bisa mencapai faktor 30. Ada 2 macam kompressor yang digunakan yaitu axial flow dan radial flow.

RADIAL FLOW COMPRESSOR

AXIAL FLOW COMPRESSOR

Combustion Area• Udara bertekanan yang dihasilkan oleh kompressor tadi lalu masuk ke

bagian Combustian Area dimanasebuah ring bahan bakar menginjeksikan bahan bakar dengan aliran konstan. Bahan bakar yang biasa digunakan disini adalah karosene, jet fuel, propana dan gas alam. Jika Anda berpikir sangat mudah untuk memadamkan api dari lilin dengan meniupnya, maka hal itulah yang menjadi masalah dalam desain di area pembakaran ini. Udara yang memasuki area ini adalah udara bertekanan tinggi dan mempunyai kecepatan hampir pada 100 mil per jam, sedangkan kita tetap ingin mempertahankan nyala api secara kontinyu di area tersebut. Komponen yang menjadi solusi permasalahan tersebut adalah sebuah flame holder atau can. Can ini berupa komponen pelindung api yang terbuat dari baja berat yang bentuknya berlubang-lubang. Setengah bagian dari can dapat dilihat pada gambar pandangan cross section di atas, dimana Injector di sebelah kanan. Udara bertekanan tinggi masuk melalui lubang-lubang can. Gas keluar di sebelah kiri dan memasuki turbin. Turbin ini merupakan satu set / satu unit dengan kompresor dan poros.

Turbine Stage

• Di bagian paling kiri sendiri pada gambar di atas adalah yang disebut final turbine stage. Turbin ini memutarkan poros keluaran / output. Kedua bagian terakhir ini tidak terkoneksi dengan apapun, jadi unit bebas, tidak terkait dengan komponen turbin lainnya. Sedangkan pada kasus penggunaan turbin pada kendaraan tempur tank atau sebuah pembangkit listrik, gas buang tidak berguna sehingga akan dibuang melaui sebuah saluran pipa buang. Namun terkadang energi panas gas buang bisa berguna untuk alat penukar kalor atau untuk preheating sebelum udara masuk kompresor.

• Penjelasan saya mengenai turbin gas di atas sebenarnya hanya merupakan penjelasan singkat dan simpel. Belum dibahas mengenai bantalannya, sistem pelumasan, struktur pendukung internal mesin, stator vane dan sebagainya. Semua topik itu menjadi permasalahan serius bagi perencana turbin mengingat turbin gas beroperasi pada tekanan, temperatur, dan kecepatan yang sangat tinggi.

Smile - You - Don’t Cry Thank You

Documents

Chapter 5 Turbines