MAKALAH KONVERSI ENERGI

TENTANG TURBIN GAS

Dosen Pembimbing : FRANSIADY SIMAMORA,ST

OLEH

ANSORI DJAILANI

ADRIAN PRAYOGA

AZHARUDIN

FAKULTAS TEKNIK

TEKNIK MESIN

UNIVERSITAS PASIR PENGARAIAN

2015

KATA PENGANTAR

Puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena atas berkat dan rahmat-Nya sehingga

penulis dapat menyelesaikan makalah mesin konversi energi ini. Penulis juga tidak lupa

mengucapkan banyak terima kasih kepada segenap pihak karena telah banyak membantu sehingga

makalah ini dapat terselesaikan sebagaimana mestinya. Makalah mesin konversi energi ini disusun

berdasarkan apa yang penulis dapatkan dari pembelajaran mesin konversi energi serta dari berbagai

referensi yang penulis dapatkan. Dengan tersusunnya makalah ini, penulis berharap agar kiranya ini

dapat digunakan sebagai salah satu sumber penambah ilmu, wawasan, dan pengetahuan. Disamping

itu penulis mengharapkan bahwa makalah ini tidak hanya sebagai pelengkap tugas saja melainkan

dapat disebut sebagai hasil karya yang setidaknya, dipelihara dan digunakan sebagaimana mestinya.

Akhirnya penulis sadar bahwa makalah ini belumlah sempurna, oleh karena itu demi kesempurnaan

makalah yang akan dibuat berikutnya, penulis sangat mengharapkan saran serta dukungan maupun

kritik yang sifatnya membangun dari para pembaca sehingga dengansemua itu kesempurnaan

makalah ini dapat tercapai.

Muara Rumbai, 29 Afril 2015

Penulis

DAFTAR ISI

Pengertian Turbin Gas.....................................................................................................1

Komponen Turbin Gas....................................................................................................5

Variabel-variabel Kinerja Turbin Gas...........................................................................12

Prinsip Kerja Turbin Gas...............................................................................................14

Proses Pembakaran........................................................................................................18

Klasifikasi Turbin Gas...................................................................................................20

Siklus Turbin Gas..........................................................................................................22

Efisiensi Turbin Gas......................................................................................................29

TURBIN GAS

A. Pengertian Dan Sejarah Turbin Gas

1. Pengertian Turbin Gas

Turbin adalah salah satu mesin termal, di mana energi panas (heat energy) yang dihasilkan

dari pembakaran bahan bakar (umumnya cair atau gas) ditransformasikan ke roda turbin

(rotor) yang menghasilkan putaran dan kerja (mekanikal). Terminologi lain bahwa Turbin

Gas adalah peralatan yang mengkonversi termal menjadi energi mekanis dalam bentuk kerja

putaran poros. Sistem turbin gas yang paling sederhana terdiri dari tiga komponen yaitu

kompresor, ruang bakar dan turbin gas.

Penggunaan Turbin Gas dibagi menjadi dua, yaitu :

1. Pada bidang Aviasi (penerbangan)

Digunakan sebagai mesin yang menghasilkan daya dorong pada pesawat terbang

( Aeroderivatif). Turbin gas dinilai sangat cocok sebagai motor propulsi pesawat terbang

karena memiliki bobot yang ringan dimensi yang ringkas,sehingga tidak memerlukan banyak

ruangan, serta mampu menghasilkan daya yang besar. hal ini menjadi penting karena adanya

kecenderungan terbang pada kecepatan tinggi serta jarak jelajah yang panjang dan muatan

yang bertambah berat.

Gambar 4. Aplikasi Turbin Gas Pada Pesawat Terbang

2. Pada bidang Industri

Turbin gas digunakan untuk menggerakkan bermacam-macam peralatan, seperti

pompa, generator listrik, dan kompresor.

Gambar 5. Turbin gas Untuk Industri (Pembangkit Listrik)

3. Komponen Turbin Gas

1. Komponen-komponenUtama padaTurbingas

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

1. Kompresoraksial

Yang dimaksud aliran axial adalah bahwa jalan aliran 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 diperlukan

rasio kompresi yang tinggi. Namun, karena dalam satut ingkathanya dapat memberikan

kenaikan tekanan yang kecil, maka kenaikan tekanan yang diperoleh dalam satubaris sudu

tidak besar. Dengan demikian untuk memperoleh effisiensi yang tinggi diperlukan beberapa

tingkat kompresor aksial dalam seri. Komponen utama sebuah kompresor aksial adalah 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 saat

sudah panas ketika beroperasi [2 &3].

2. Ruang bakar

Ruang bakar sangat menentukan 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, bahan bakar harus terbakar sempurna sehingga semua

energi kimia dapat 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 mudah perawatannya. Maka konstruksi harus sederhana serta

dibuat 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 bahan bakar dan aliran udara mudah dipadukan.

Berat total material ringan

Mudah pemeriksaan dan penggantian.

Volume dan penampang frontal besar

Gambar 6.melintang titik nyala pada ruang bakar tubular

Gambar 7. Potongan gambar ruang bakar tubular

2. Anular

Penampang frontal minimum

Penyalaan lebih mudah

Relatif tidak banyak membentuk asap

Pendinginan dan pembersihannya lebih mudah

Gambar8. Gambar melintang pada ruang bakar anular[3]

Gambar9.Potongan gambar ruang bakar anular[1]

3. Tubo-anular atau kanular

Pola aliran bahan bakar dan aliran udara mudah disesuaikan

Gambar10.Gambar melintang titik nyala pada ruang bakar tubo anular atau kanular

Gambar11.Potongan gambar ruang bakar tuboanular atau kanular

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 bahan bakar dan penyala, dan pemegang nyala

(flameholder) yang berfungsi memperlambat aliran, membentuk vorteks atau turbulensi,

sehingga api pembakaran terbakar sempurna dantetap ditempat.Hanyasekitar20–

30%udarayang digunakan untuk pembakaran pada beban penuh (fullload). Sedangkan

sisanya akibat panas dari api pembakaran akan mengembang atau berekspansi melalui sudu-

sudu turbin. Udara yang digunakan untuk pembakaran itulah yang disebut P r i m a r yAir 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 aliran udara yang disebut S ec o nd a r yAir. Aliran

udara ini bercampur dengan gas panas hasil pembakaran (primary air), untuk mencegah

masuknya aliran yang sangat panas ke dalam turbin. Udara sekunder (cooling air) tersebut

juga berfungsi mendinginkan ruang bakar, nozzle blade, dan turbine disc.

Tanpa adanya aliran 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 berdasarkan pengalaman dan pengujian, yaitu ditempat dimana

campuran bahan bakar–udara paling mudah terbakar tetapi juga dilindungi dari api yang

panas. Hal tersebut disebabkan karena fungsi penyala adalah menyalakan campuran bahan

bakar–udara sampai terjadi pembakaran yang tetap atau stabil, setelah itu tidak bekerja atau

dimatikan [2 &3].

3. TurbinAksial

Bagian turbin merubah panas dari pembakaran diruang bakar menjadi tenaga putar

mekanis. Sama seperti kompresor, bagian 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 aliran gas didalam

turbin adalah ekspansi, sudu turbin dapat dibuat 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 dapat menghasilkan daya untuk

menggerakkan 12 atau lebih tingkat kompresor dengan effisiensi yang cukup

tinggi.Perlukiranya disebutkan disini bahwa pada unit daya tinggi, turbin dibuat dengan

beberapa tingkat karena keterbatasan kemampuan satu tingkat turbin untuk menyerap semua

energi gas yang tersedia itu sekaligus secara efisien [2 &3].

2. KomponenPendukungTurbingas

Variable Inlet GuideVane (VIGV)

Terletak pada 1atau 2 tingkat sudu stator pertama kompresor. Berfungsi mengatur aliran

massa udara supaya bisa menyesuaikan dengan keadaan pada saat start, akselerasi , dan

deselerasi kompresor[4 &5].

Gambar12 Potongan gambar VIGV[4]

Bleed Valve

Terletak dikompresor dan sebelum diatas rumah ruang pembakardan mempunyai saluran

untuk membuang aliran udara kompresor dengan tidak melewati ruang bakar dan bagian

turbin. Berfungsi untuk mengurangi tekanan balik atau back pressure pada kompresor dan

juga mengurangi beban yang diterima turbin. Sekitar 10-15% dari jumlah aliran udara pada

saat itu dibuang [4 &5].

Gambar13.Potongan gambar Bleed valve

Pada saat pembakaran, temperatur dalam ruang bakar akan meningkat dengan cepat.

Kenaikan temperatur ini menyebabkan volume dan kecepatan aliran tersebut bertambah

besar, tapi tekanannya tetap. Dari proses pembakaran, gas mengalami proses ekspansi yang

kemudian diarahkan oleh nozzle untuk mendorong sudu-sudu rotor turbin sehingga turbin

akan berputar.

Turbin pada RRAVON adalah kombinasi dari cara impuls dan reaksi. Pergerakan

pertama dari rotor adalah dengan cara impuls, yaitu gas membentur dan mendorong sudu

rotor untuk mulai berputar, tetapi gas yang berekspansi setelah melewati sudu akan

bertambah kecepatannya sehingga menghasilkan proses reaction yang menyebabkan

perputaran secara terus-menerus. Gas yang berekspansi tersebut kemudian memutar rotor

turbin, sehingga energinya berkurang menyebabkan turunnya tekanan dan temperatur gas

tersebut setelah berekspansi.

Pada RRAVON, terdapat 3 tingkat (stage) sudu pada turbin, dimana terpasang dalam

2 bagian 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 adalah 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 seperti gas kompresor, dll. Gas sisa ekspansi tersebut dikeluarkan melalui

exhaust ke atmosfir [4].

Difuser

Difuser adalah alat atau saluran yang berfungsi menaikkan tekanan fluida dengan

jalan menurunkan kecepatannya. Atau, difuser adalah alat yang mengubah energi kinetik

menjadi tekanan. Difuser tidak menghasilkan atau memerlukan kerja mekanik.

VELOCITY= DEREASING PRESSURE= INCREASING TEMPERATURE=

INCREASING

Gambar 14. Skema aliran udara dari kompresor ke ruang bakar [2]

Fungsi diffuser disini adalah untuk memperlambat kecepatan (velocity) udara. Sehingga

udara bercampur dengan bahan bakar dengan sempurna.

Nozel

Nozel adalah alat atau saluran yang berfungsi menaikkan kecepatan fluida dengan jalan

menurunkan tekanannya. Atau, nozel adalah 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 setelah 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.

Gambar15. Potongan gambar rotor kompresor [4 &5]

Gambar16. Potongan gambar rotor turbin [4 &5]

Gambar17. Potongan gambar bell mouth kompresor [4 &5]

3. Prinsip Kerja Sistem Turbin Gas

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

Udara masuk kedalam kompresor melalui saluran 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 bahan

bakar. Proses pembakaran tersebut berlangsung dalam keadaan tekanan konstan sehingga

dapat dikatakan ruang bakar hanya untuk menaikkan temperatur. Gas hasil pembakaran

tersebut dialirkan ke turbin gas melalui suatu nozel yang berfungsi untuk mengarahkan aliran

tersebut ke sudu-sudu turbin. Daya yang dihasilkan oleh turbin gas tersebut digunakan untuk

memutar kompresornya sendiri dan memutar beban lainnya seperti generator listrik, dll.

Setelah melewati turbin ini gas tersebut akan dibuang keluar melalui saluran buang (exhaust).

Gambar turbin gas pesawat terbang

Turbin gas yang dipakai industri dapat 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 bahan 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 setelah berekspansi

diturbin, lalu keluar sebagai gas bekas. Selanjutnya, turbingas bekerja dengan putaran poros

turbin, yaitu sebagai sumber tenaga penggerak kompresor dan generator listrik.

Gambar 19. Turbin gas untuk industri (pembangkit listrik)

Persamaan turbin gasdengan motor bakar adalah pada proses pembakarannya yang

terjadi di dalam mesin itu sendiri, disamping itu proses kerjanya adalah sama yaitu hisap,

kompresi, pembakaran, ekspansi dan buang. Perbedaannya adalah terlatak pada kontruksinya,

motor bakar kebanyakan bekerja gerak bolak balik (reciprocating) sedangkan turbin gas

adalah mesin rotasi, proses kerja motor bakar bertahap (intermiten), untuk turbin gas adalah

kontinyu dan gas buang pada motor bakar tidak pernah dipakai 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 adalah berlangsung bersamaan. Pada motor bakar yang

prosesnya bertahap yaitu yang dinamakan langkah, langkah hisap,kompresi,

pembakaran,ekspansidan langkah buang, antara langkah satu dan lainnya saling bergantung

dan bekerja bergantian. Pada proses ekspansi turbin gas, terjadi perubahan energi dari energi

panas menjadi energi mekanik putaran poros turbin, sedangkan pada motor bakar pada

langkah ekspansi 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 penggerak peralatan-peralatan industri seperti

penggerak kompresor atau pompa. Daya yang dihasil kan turbin gas mulai dari 250000 HP

untuk pembangkit listrik sampai 5HP pada turbo charger pada mesin motor.

Keunggulan dari turbin gas adalah mesinnya yang ringan dan ukuran yang kecil bisa

menghasilkan daya yang besar. Sebagai contoh pada gambar 2 0 adalah turbin gas yang biasa

dipakai untuk penggerak generator listrik kecil. Generator ini banyak dipakai untuk

mengantisipasi beban puncak jaringan, sehingga fungsinya bisa menggantikan kalau terjadi

pemadaman listrik. Gedung-gedung perkantoran, rumah sakit, universitas, perusahaan dan

lainnya, banyak yang menggunakan generator jenis ini. Dibandingkan dengan penggunaan

generator penggerak diesel, dengan penggerak turbin gas ukurannya menjadi lebih kecil,

sehingga bisa menghemat tempat dan mudah 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 karena mesin

mudah diinstal, operasinya tidak ruwet, dan tidak memerlukan ruangan yang besar.

Proses Pembakaran

Padagambar20, dapatdilihatdarikotruksikomponenruangbakar,apabila

digambarkanulangdenganprosespembakaranadalahsebagaiberikut :

Gambar 22. Ruang baka dan proses pembakaran turbin gas

Proses pembakaran dari turbin gas adalah mirip dengan pembakaran mesin diesel,

yaitu proses pembakarannya pada tekanan konstan. Prosesnya adalah sebagai berikut, udara

mampat dari kompresor masuk ruang bakar, udara terbagi menjadi dua, yaitu udara primer

yang masuk saluran 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, setelah keduanya

bertemu, terjadi pencampuran. Aliran udara primer yang berputar akan membantu proses

pencampuran, hal ini menyebabkan campuran 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, karena 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 adalah zona pencampuran (dillute zone), adalah

zona pencampuran gas pembakaran bertemperatur tinggi dengan sebagian udara sekunder.

Fungsi udara pada sekunder pada zona itu adalah mendinginkan gas pembakaran yang

bertemperatur tinggi menjadi temperatur yang aman 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 adalah energi kinetik gas

pembakaran dengan kecepatan V, massa sebelum ditambah udara sekunder adalah m1 maka

energi kinetiknya adalah sebagai berikut:

Wkinetik,1= m1.V²

2

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

Wkinetik,1= (m1+m2).V²

2

Jadi dapat 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 sampai 30% dari kondisi normal untuk proses pembakaran dengan

jumlah bahan bakar tertentu. Kondisi ini akan berkebalikan, apabila udara pembakaran

terlalu berlimpah (lebih 30%), udara justru akan mendinginkan proses pembakaran dan mati,

karena panas banyak terbuang keluar melalui gas bekas yang bercampur udara dingin

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 adalah sebagai berikut:

Pemampatan (compression) udara di hisap dan dimampatkan

Pembakaran (combustion) bahan 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 saluran

pembuangan.

Pada kenyataannya, tidak ada proses yang selalu ideal, tetap terjadi kerugiankerugian yang

dapat menyebabkan turunnya daya yang dihasilkan oleh turbin gas dan berakibat pada

menurunnya performa turbin gas itu sendiri. Kerugian-kerugian tersebut dapat terjadi pada

ketiga komponen sistem turbin gas. Sebab-sebab terjadinya kerugian antara lain:

Adanya gesekan fluida yang menyebabkan terjadinya kerugian tekanan (pressure

losses) di ruang bakar.

Adanya kerja yang berlebih waktu proses kompresi yang menyebabkan terjadinya

gesekan antara bantalan turbin dengan angin.

Berubahnya nilai Cp dari fluida kerja akibat terjadinya perubahan temperatur dan

perubahan komposisi kimia dari fluida kerja.

Adanya mechanical loss, dsb.

Klasifikasi Turbin Gas

Turbin gas dapat dibedakan berdasarkan 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 adalah berdasarkan siklus fluida kerja. Pada turbin gas siklus

terbuka, akhir ekspansi fluida kerjanya langsung dibuang ke udara atmosfir, sedangkan untuk

siklus tertutup akhir ekspansi fluida kerjanya didinginkan untuk kembali ke dalam proses

awal.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 merupakan turbin gas yang terdiri dari turbin bertekanan tinggi dan turbin

bertekanan rendah, dimana turbin gas ini digunakan untuk menggerakkan beban yang

berubah seperti kompresor pada unit proses.

Siklus Turbin Gas

Tiga siklus turbin gas yang dikenal secara umum yaitu:

a. Siklus Ericson

Merupakan siklus mesin kalor yang dapat balik (reversible) yang terdiri dari dua proses

isotermis dapat balik (reversible isotermic) dan dua proses isobarik dapat balik (reversible

isobaric). Proses perpindahan panas pada proses isobarik berlangsung di dalam komponen

siklus internal (regenerator), dimana effisiensi termalnya adalah : hth = 1 – T1/Th, dimana T1

= temperatur buang dan Th = temperatur panas.

b. Siklus Stirling

Merupakan siklus mesin kalor dapat balik, yang terdiri dari dua proses isotermis dapat balik

(isotermal reversible) dengan volume tetap (isokhorik). Efisiensi termalnya sama dengan

efisiensi termal pada siklus Ericson.

c. Siklus Brayton

Siklus ini merupakan siklus daya termodinamika ideal untuk turbin gas, sehingga saat ini

siklus ini yang sangat populer 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 panas pada tekanan konstan. Pada siklus

Bryton tiap-tiap keadaan proses dapat dianalisa secara berikut.

Proses 1 ke 2 (kompresi isentropik). Kerja yang dibutuhkan oleh kompresor: Wc = ma (h2 –

h1). Proses 2 ke 3, pemasukan bahan bakar pada tekanan konstan. Jumlah kalor yang

dihasilkan: Qa = (ma + mf) (h3 – h2). Proses 3 ke 4, ekspansi isentropik didalam turbin. Daya

yang dibutuhkan turbin: WT = (ma + mf) (h3 – h4). Proses 4 ke 1, pembuangan panas pada

tekanan konstan ke udara. Jumlah kalor yang dilepas: QR = (ma + mf) (h4 – h1)

A. Siklus Termodinamika Turbin Gas

Turbingas merupakan suatu mesin yang bekerja mengikuti siklus termodinamik

Brayton. Adapun siklus termodinamikanya pada diagram p-v dan t-s adalah sebagai

berikut[gambar24]:

Gambar 24. Diagram p-v dan T-s

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

1-2 Proseskompresiadiabatisudarapadakompresor,tekanan udara naik [A]

2-3 Proses pembakaran campuran udara dan bahan-bakar pada tekanan konstan,

dihasilkan panas pada ruang bakar [B]

3-4 Proses ekspansi adiabatic gas pembakaran pada turbin dihasilkan

Kerja turbin berupa putaran poros dan gaya dorong, tekanan turun [C]

4-1 Proses pembuangan kalor pada tekanan konstan [D]

Dari diagram T-S dapat 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 diperlukan untuk proses pembakaran. Setelah bahan bakar disemprotkan dan

bercampur dengan udara mampat didalam ruang bakar dan dinyalakan, terjadi proses

pembakaran, temperatur naik lagi sampai T3. Temperatur T3 adalah temperatur gas

pembakaran yang akan masuk turbin, temperatur ini dibatasi oleh ketahanan material turbin

pada suhu tinggi. Setelah proses ekspansi pada turbin, temperatur gas sisa menjadi turun

sampai 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 adalah siklus dasar yang menjadi patokan dalam

perancangan turbin gas. Secara teoritis kelihatan tidak ada kesulitan, tetapi pada

kenyataannya, pembuatan turbin gas menemui banyak kesukaran, terutama yang

berhubungan dengan efisiensi pemakaian bahan bakar dan ketersedian material yang bekerja

pada temperatur tinggi. Dengan berbagai alasan dan tujuan, banyak tipe turbin gas yang

dikembangkan. Adapun beberapa alasan tersebut adalah

1. Pemakaian bahan bakar harus lebih bervariasi tidak hanya untuk bahan bakar cair dan

gas saja atau untuk mencegah singgungan fluida kerja dengan lingkungan, khususnya

untuk bahan bakar nuklir. Untuk keperluan tersebut, dibuat turbin gas terbuka dan

tertutup atau turbin gas langsung dan tidak langsung.

2. Pemakaian turbin gas yang semakin meluas, disamping sebagai pembangkit daya

dorong dan pembangkit listrik, turbin gas sekarang banyak digunakan untuk pengerak mula,

contohnya penggerak pompa dan kompresor pada industri-industri atau pusat pembangkit

tenaga (power plant). Untuk keperluan tersebut, dibuat 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 langsung [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 bahan bakar yang digunakan terbatas yaitu

hanya bahan bakar cair dan gas. Bahan bakar tersebut sebelum digunakan sudah dimurnikan,

sehingga tidak mengandung unsur-unsur yang merugikan.

Permasalahan turbin gas sistem terbuka terfokus pada proses pendinginan ruang bakar dan

sudu-sudu turbin. Disamping itu, karena gas pembakaran langsung bersinggungan dengan

material turbin, permasalahan korosi dan abarasi pada sudu turbin menjadi sangat penting,

jika hal ini diabaikanakan berakibat fatal dan sangat merugikan, yaitu sudu-sudu turbin bisa

bengkok atau patah. Kalau hal tersebut terjadi, daya turbin menurun, dan secara keseluruah

efisien kerja menjadi rendah.

Turbin gas sistem terbuka banyak dipakai untuk mesin pesawat terbang, karena

bentuknya lebih simpel, ringan dan tidak banyak memakan tempat, hal ini cocok dengan

pesyaratan turbin gas untuk pesawat terbang. Bahan bakar padat tidak disarankan untuk

digunakan pada sistem turbin gas terbuka langsung, karena hasil pembakaran banyak

mengandung partikel yang bersifat korosi terhadap material turbin, yang dapat merusak sudu

turbin. Kendala tersebut dapat diatasi dengan memisahkan ruang bakar dengan saluran fluida

kerja, dengan kata lain, fluida kerja masuk turbin dikondisikan tidak mengandung gas hasil

pembakaran. Untuk keperluan tersebut, dibuat turbin gas sistem terbuka tak langsung.

Dengan sistem ini, proses pembakaran berlangsung sendiri di dalam ruang bakar yang

terpisah dengan saluran fluida kerja yang akan masuk turbin. Energi panas dari porses

pembakaran akan ditransfer ke fluida kerja secara langsung atau menggunakan alat penukar

kalor.

Model transfer energi panas dari ruang bakarke fluida kerja secara lansung adalah sebagai

berikut. Pipa-pipa yang berisi fluida kerja udara mampat dari kompresor dilewatkan keruang

bakar atau dapur. Panas dari proses pembakaran ditransfer secara

langsung ke fluida kerja didalam pipa-pipa, temperatur fluida akan naik sampai nilai tertentu

sebelum masuk turbin.

Untuk model transfer panas 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 panas yang tinggi, panas 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 berisi fluida

kerja bersuhu rendah, untuk fluida ini sering disebut sebagai fluida sekunder. Dengan kondisi

tersebut, terjadi tranfer panas dari fluida primer bersuhu tinggi ke fluida sekunder bersuhu

rendah.

Pada gambar 25, adalah contoh skema untuk turbin gassistem terbuka. Dapat dilihat fluida

kerja yang dipakai adalah udara. Udara masuk kompresor, dan keluar sebagai udara mampat

pada titik 2. Udara bertekanan tinggi tersebut masuk ruang bakar dan menyerap panas dari

proses pembakaran, lalu keluar ruang bakar dengan temperatur tinggi pada titik 3.

Selanjutnya, fluida kerja masuk turbin dan berekspansi untuk memberikan energinya ke

sudu-sudu turbin. Terjadi perubahan energi, dari energi panas fluida kerja menjadi putaran

poros turbin. Sesudah berekspansi pada turbin, fluida kerja lalu keluar turbin dengan

temperatur relatif rendah ke lingkungan.

Gambar 26. Bagan kerja turbin gas sistem terbuka tak langsung

Pada gambar 26. adalah contoh sistem turbin gas tak langsung dengan penukar

kalor. Dapat dilihat, fluida kerja (fluida sekunder) yang dipakai adalah udara. Udara masuk

kompresor dan keluar sebagai udara mampat pada titik 2. Udara bertekanan tinggi tersebut,

masuk penukar kalor dan menyerap panas dari sumber panas.Sumber panas tersebut adalah

fluida primer bertemperatur tinggi yang mengalir dari reaktor. Fluida primer ini, sebagai

pembawa energi panas dari proses pembakaran bahan bakar nuklir, yang biasa digunakan

adalah air atau gas helium. Proses selanjutnya adalah sama dengan skema gambar 23.

Gambar 27. Bagan kerja turbin gas sistem terbuka tak langsung

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

Gambar 28. Bagan kerja turbin gas sistem tertutup langsung

Sistem turbin gas tertutup langsung banyak digunakan untuk aplikasi tubin gas

dengan bahan bakar nuklir [gambar25]. Fluida kerja yang paling cocok adalah helium. Proses

kerja dari sistem tersebut adalah sebagai berikut. Helium tekanan tinggi dari kompresor

dimasukan reaktor untuk dipanasi dan sekaligus untuk pendinginan reaktor. Setelah itu,

helium berekspansi diturbin dengan melepaskan sebagian besar energinya. Energi tersebut

diubah pada sudu-sudu turbin menjadi putaran poros turbin dan langsung 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 dingin

masuk kompresor lagi untuk dikompresi lagi.

Pada gambar 26 adalah sistem turbin gas tertutup tak langsung, sistem ini adalah

sistem gabungan antara sistem tertutup dan sistem tak langsung. Fluida kerja primer

menyerap panas dari ruang bakar atau reaktor kemudian dialirkan ke penukar kalor,

kemudian diserap oleh fluida sekunder.

B. Efisiensi Turbin Gas

Pemakaian turbin gas banyak menguntungkan sebagai pengganti sumber penggerak

lain, seperti yang sudah diuraikan diatas,yaitu turbin gas bentuknya lebih simple dan tidak

banyak memakan tempat. Kalau dibandingkan dengan turbin uap, turbin gas lebih mudah

dioperasikan, mudah dikendalikan dan instalasinya lebih sederhana. Akan tetapi,secara actual

efisiensi turbin gas masih rendah. Sudah banyak metode yang digunakan untuk menaikan

efisiensi tersebut.

Dari gambar 6.1diagram p-v dan t-s,dapat dilihat bahwa; Pemasukan panas berlangsung

pada tekanan tetap;

qmasuk =mcp(T3−T2)

Pengeluaran panas juga pada tekanan konstan;

qkeluar =mcp(T4−T1)

Sehingga,kerja berguna dapat dirumuskan sebagai berikut;

Wberguna=qmasuk-qkeluar.=mcp(T3-T2)-mcp(T4-T1)

Efisiensi didefinisikan sebagai perbandingan kerja berguna dengan energi kalor

yangmasuk,dirumuskansebagaiberikut;

η=Wbergunaqmasuk

=qmasuk−qkeluarqmasuk

bisaditulisdalambentuk;

Dimana Cp kapasitasjenispadatekanankonstan

ᵧ=CpC

Dapat dilihat dari perumusan diatas, bahwa untuk menaikan efisiensi turbin gas, kompresor

yang di gunakan harus memiliki perbandingan tekanan P 2P 1

yang tinggi,

Sehingga pemakaian bahan bakar lebih sedikit. Kenaikan perbandingan tekan tidak

selamanya menaikan daya turbin, pada perbandingan tekanan tertentu, daya turbin mencapai

maksimum, selanjutnya daya yang berguna akan kembali turun. Hal ini dikarenakan, pada

perbandingan tekanan yang tinggi diperlukan kerja kompresor yang besar, padahal kerja

kompresor mengambil dari daya turbin. Dengan alasan tersebut, bisa dipahami kenaikan

perbandingan tekanan tidak selalu menguntungan pada nilai tertentu.

Bagian dari kerja turbin yang digunakan untuk menggerakan kompresor dinamakan

back work ratio [gambar29]. Perbandingan daya pada turbin gas biasanya 3:2:1,3 untuk daya

turbin, 2 untuk kompresor, dan 1 untuk generator listrik. Sebagai contoh untuk menggerakan

generator listrik 100kW, turbin gas harus mempunyai daya 300kW, karena harus

menggerakkan kompresor sebesar 200 kW.

Gambar 29. Backwork turbin gas

Dengan alasan itu, banyak factor yang harus diperhatikan terutama untuk mengoptimalkan

kerja kompresor. Sebagai contoh, suhu masuk kompresor T1 tidak terlalu tinggi, dengan

alasan pada suhu yang tinggi kerja kompresor bekerja lebih berat. Dengan kerja kompresor

lebih berat, daya yang diambil dari daya turbin lebih banyak sehingga mengurangi bagian

yang lainnya.