SEJARAH TURBIN GAS

1. Sejarah Turbin Gas

Turbin gas adalah suatu penggerak 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 bagian turbin yang diam 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 dibuat oleh John Barber seorang Inggris pada tahun 1791. Sistem tersebut bekerja dengan gas hasil pembakaran batu 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 menggunakan kompresor aksial bertingkat ganda yang digerakkan langsung oleh turbin reaksi tingkat ganda. Tahun 1908, sesuai dengan konsepsi H. Holzworth, dibuat suatu sistem turbin gas yang mencoba menggunakan proses pembakaran pada volume konstan. Tetapi usah a tersebut dihentikan karena terbentur pada masalah konstruksi ruan g bakar dan tekanan gas pembakaran yang berubah sesuai beban. Tahun 1904, “Societe des Turbomoteurs” di Paris membuat suatu sistem turbin gas yang instruksinya berdasarkan disain Armen gaud dan Lemate yang menggunakan bahan bakar cair. Temperatur gas pembakaran yang masuk sekitar 450 C dengan tekanan 45 atm dan kompresornya langsung 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 berbagai keperluan seperti mesin penggerak generator listrik, mesin industri, pesawat terbang dan lainnya. Sistem turbin gas dapat dipasang dengan cepat dan biaya investasi yang relatif rendah jika dibandingkan dengan instalasi turbin uap dan motor diesel untuk pusat 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 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

2. Anular

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

3. Tubo-anular atau kanular

Pola aliran bahan bakar dan aliran udara mudah 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 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 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 aliran udara yang disebut SecondaryAir. 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. KomponenPendukungTurbin gas

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].

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].

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

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.

4. 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 20 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 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

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

Wkinetik,1= (m1+m2).V²

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.