Dasar Turbin Gas
Turbin gas adalah salah satu mesin panas dengan pembakaran dalam, proses kerjanya seperti motor bakar [gambar 1] yaitu udara atmosfer akan dihisap masuk kompresor dan dikompresi. Kemudian udara mampat masuk ruang bakar dan digunakan untuk proses pembakaran, sehingga didapat suatu energi panas yang besar.
Energi panas tersebut selanjutnya diekspansikan pada turbin dan menghasilkan sebuah energi mekanik pada poros, sisa dari gas pembakaran yang keluar turbin ini menjadi energi dorong seperti pada (turbin gas pesawat terbang). Jadi, sudah jelas bahwa turbin gas adalah mesin yang dapat mengubah energi panas menjadi energi mekanik atau dorong yang kuat.
Persamaan pada turbin gas dengan motor bakar adalah ketika proses pembakarannya yang terjadi di dalam mesin itu sendiri, disamping itu juga dalam proses kerjanya adalah sama yaitu seperti hisap, kompresi, pembakaran, ekspansi dan buang.
Perbedaannya adalah terletak pada kontruksinya, pada motor bakar kebanyakan bekerja dengan gerak bolak-balik (reciprocating). Sedangkan pada turbin gas yaitu mesin rotasi, proses kerja motor bakar bertahap (intermiten), dan untuk turbin gas adalah kontinyu dan gas buang pada motor bakar tidak pernah digunakan untuk gaya dorong.
Turbin gas bekerja secara kontinyu atau terus-menerus (tidak betahap), untuk proses semuanya yaitu hisap kompresi, pembakaran dan buang disini terjadi berlangsung secara bersamaan. Pada motor bakar prosesnya secara bertahap yaitu yang disebut dengan langkah, langkah hisap, kompresi, pembakaran, ekspansi dan langkah buang, kemudian diantara langkah satu dengan lainnya saling bergantung dan bekerja bergantian.
Dalam proses ekspansi turbin gas, akan terjadi perubahan energi yaitu dari energi panas mejadi energi mekanik putaran poros turbin. Sedangkan pada motor bakar adalah pada langkah ekspansi akan terjadi perubahan dari energi panas menjadi energi mekanik yaitu gerak bolak-balik torak. Dalam kondisi tersebut, turbin gas akan bekerja lebih halus dan tidak menimbulkan banyak getaran.
Turbin gas banyak dipakai untuk mesin propulsi atau jet [gambar 1], tenaga pembangkit listrik [gambar 2], mesin automotiv, atau digunakan untuk penggerak peralatan-peralatan industri seperti untuk penggerak kompresor atau pompa. Daya yang dihasilkan oleh turbin gas adalah mulai dari 250000 HP untuk pembangkit listrik hingga 5 HP pada turbocharger pada mesin motor.
Keunggulan dari turbin gas adalah pada mesinnya yang ringan dan memiliki ukuran yang kecil tetapi dapat menghasilkan daya yang besar. Contoh-nya seperti pada gambar 2 yaitu turbin gas yang biasa digunakan untuk penggerak generator listrik kecil.
Generator ini banyak digunakan untuk mengantisipasi beban puncak jaringan, sehingga fungsinya dapat menggantikan jika terjadi pemadaman listrik. Pada gedung-gedung perkantoran, sekolah, universitas, perusahaan, rumah sakit, dan lainnya, banyak yang memakai generator jenis ini.
Jika dibandingkan dengan pemakaian generator penggerak diesel, dengan penggerak turbin gas ukurannya yang menjadi lebih kecil, sehingga dapat menghemat tempat dan mudah untuk dipindahkan. Pesawat terbang membutuhkan mesin dengan persyaratan yang spesifik yaitu mesin dengan daya besar untuk daya dorong, namun ringan dari segi ukuran dan berat harus kecil.
Dengan alasan tersebut, pemakaian turbin gas pada pesawat terbang menjadi pilihan yang tepat, dan tidak bisa digantikan dengan jenis mesin lain. Dalam industri dan pembangkitan listrik turbin gas ini sangat menguntungkan karena pada mesin mudah diinstal, operasinya yang tidak ruwet, dan tidak membutuhkan ruangan yang besar
Udara pada tahap pertama dimampatkan terdahulu pada kompresor dengan tekanan rendah, lalu diteruskan kompresor ke tekanan tinggi. Udara mampat kemudian masuk ke dalam ruang bakar, dan bercampur dengan bahan bakar yang sudah disemprotkan.
Campuran pada bahan bakar udara mampat kemudian dinyalakan dan terjadilah sebuah proses pembakaran. Gas dari hasil proses pembakaran berekspansi pada turbin, kemudian terjadi perubahan dari energi panas menjadi sebuah energi putaran poros turbin, dan pada sebagian gas pembakaran menjadi gaya dorong.
Kemudian setelah memberikan sisa gaya dorongnya, gas dari hasil pembakaran akan keluar melalui saluaran buang. Setelah proses kerja dalam turbin gas pada pesawat terbang tersebut, akan dihasilkan daya turbin yang akan dipakai untuk menggerakan kompresor, kemudian menghasikan daya dorong, dan akan menggerakan peralatan bantu yang lainnya.
Perhatikan pada gambar diatas turbin gas disini terpasang pada sayap pesawat terbang gunanya untuk menghasilkan daya dorong. Turbin gas ini harus ringan, dengan daya yang besar dan tingkat keberhasilan selama bekerja/beroperasi harus 100%.
Turbin gas yang digunakan pada industri bisa dilihat pada gambar 6, untuk cara kerjanya sama seperti turbin gas pesawat terbang. Motor starter akan dinyalakan untuk memutar kompresor, kemudian udara segar terhisap masuk dan dimampatkan.
Selanjutnya, udara mampat dengan temperatur dan juga tekanan yang cukup tinggi yaitu (200°C, 6 bar) yang mengalir masuk ruang bakar, dan bercampur dengan bahan bakar. Campuran udara mampat bahan-bakar tersebut kemudian dinyalakan dan terjadilah proses pembakaran, lalu pada temperatur gas pembakaran akan naik drastis.
Gas pembakaran dengan temperatur yang sangat tinggi yaitu (6 bar, 750°C ) berekspansi pada turbin, sehingga akan terjadi perubahan energi, dari energi panas yang menjadi energi putaran poros turbin. Gas pembakaran yang terjadi setelah berekspansi di turbin, kemudian keluar sebagai gas bekas.
Selanjutnya, pada turbin gas akan bekerja dengan putaran poros turbin, yaitu sebagai sumber tenaga penggerak kompresor dan juga generator listrik.
Dari penjelasan cara kerja turbin gas diatas, bisa diketahui komponen-komponen pada mesin turbin gas cukup vital, yaitu turbin, ruang bakar, dan kompresor. Jadi, dalam daya yang dihasilkan oleh turbin tidak hanya untuk menggerakan beban, seperti pada generator listrik, tapi juga harus dapat menggerakan kompresor.
Proses pembakaran yang terjadi dari turbin gas disini mirip dengan pembakaran pada mesin diesel, yaitu proses pembakarannya dalam tekanan konstan. Prosesnya adalah sebagai berikut, udara mampat dari kompresor akan masuk kedalam ruang bakar, dan udara terbagi menjadi dua, yaitu pertama udara primer yang akan masuk ke saluran primer, yang berada dalam satu tempat dengan nosel.
Dan yang kedua yaitu udara mampat sekunder yang akan lewat selubung luar pada ruang bakar. Udara primer yang masuk ruang bakar akan melewati swirler, sehingga alirannya berputar. Bahan bakar selanjutnya disemprotkan dari nosel menuju ke zona primer, setelah keduanya bertemu, maka akan terjadi pencampuran.
Aliran udara primer yang berputar disini akan membantu proses pencampuran, dan hal ini membuat campuran lebih homogen, dan untuk pembakaran akan menjadi lebih sempurna. Udara sekunder yang masuk akan melalui lubang-lubang pada selubung luar pada ruang bakar akan membantu proses dalam pembakaran pada zona sekunder.
Jadi, zona sekunder disini akan lebih menyempurnakan pembakaran dari zona primer.
Disamping untuk membantu dalam proses pembakaran pada zona sekunder, udara sekunder juga akan membantu pendinginan untuk ruang bakar.
Ruang bakar disini harus didinginkan, karena dari proses pembakaran akan dihasilkan temperatur yang sangat tinggi yang bisa saja merusak material dalam ruang bakar. Maka, dengan menambahkan cara pendinginan udara sekunder, temperatur ruang bakar menjadi lebih terkontrol dan tidak akan melebihi dari yang ditentukan.
Pada gambar 5 diatas, terlihat sebuah zona akhir atau zona pencampuran (dillute zone), adalah zona pencampuran pada gas pembakaran yang bertemperatur tinggi dengan sebagian udara sekunder.
Fungsi udara pada sekunder dalam zona tersebut adalah untuk mendinginkan gas pembakaran yang berada dalam temperatur tinggi menjadi temperatur yang aman jika mengenai sudut-sudut turbin saat gas pembakaran berekspansi.
Disamping itu, dalam udara sekunder juga akan menambah massa dari gas pembakaran sebelum masuk kedalam turbin. Dengan massa yang lebih besar energi potensial gas pembakaran juga akan bertambah. Jika W kinetik adalah energi kinetik gas pembakaran yang memiliki kecepatan V, massa sebelum ditambah dengan udara sekunder adalah m1, maka hasil energi kinetiknya yaitu sebagai berikut:
dengan penambahan pada massa dari udara sekunder m2, maka dalam energi kinetik akan menjadi:
xV^{2}}{2})
Kemudian bisa dilihat Wkinetik,2 (dengan udara sekunder) akan lebih besar dari Wkinetik,1 (tanpa udara sekunder).
Dari penjelasan diatas, terlihat yaitu proses pembakaran dalam turbin gas membutuhkan udara yang berlebih, biasanya hingga 30% dari kondisi normal untuk proses kerja pembakaran dengan jumlah bahan bakar tertentu.
Kondisi tersebut menjadi berkebalikan, jika udara pembakaran terlalu berlimpah (lebih dari 30%), udara justru akan mendinginkan proses kerja pembakaran dan mati, karena panas banyak yang terbuang keluar melalui gas bekas yang bercampur dengan udara dingin sekunder.
Kemudian dengan pemikiran yang sama, jika udara jumlah udara kurang dari normal, yaitu akan terjadi overheating, pada material ruang bakar dan sudu-sudu turbin bekerja melebihi kekuatannya dan ruang bakar bisa saja pecah, hal ini berarti turbin gas akan berhenti bekerja atau proses pembakaran menjadi terhenti.
Energi panas tersebut selanjutnya diekspansikan pada turbin dan menghasilkan sebuah energi mekanik pada poros, sisa dari gas pembakaran yang keluar turbin ini menjadi energi dorong seperti pada (turbin gas pesawat terbang). Jadi, sudah jelas bahwa turbin gas adalah mesin yang dapat mengubah energi panas menjadi energi mekanik atau dorong yang kuat.
Persamaan pada turbin gas dengan motor bakar adalah ketika proses pembakarannya yang terjadi di dalam mesin itu sendiri, disamping itu juga dalam proses kerjanya adalah sama yaitu seperti hisap, kompresi, pembakaran, ekspansi dan buang.
Perbedaannya adalah terletak pada kontruksinya, pada motor bakar kebanyakan bekerja dengan gerak bolak-balik (reciprocating). Sedangkan pada turbin gas yaitu mesin rotasi, proses kerja motor bakar bertahap (intermiten), dan untuk turbin gas adalah kontinyu dan gas buang pada motor bakar tidak pernah digunakan untuk gaya dorong.
Turbin gas bekerja secara kontinyu atau terus-menerus (tidak betahap), untuk proses semuanya yaitu hisap kompresi, pembakaran dan buang disini terjadi berlangsung secara bersamaan. Pada motor bakar prosesnya secara bertahap yaitu yang disebut dengan langkah, langkah hisap, kompresi, pembakaran, ekspansi dan langkah buang, kemudian diantara langkah satu dengan lainnya saling bergantung dan bekerja bergantian.
Dalam proses ekspansi turbin gas, akan terjadi perubahan energi yaitu dari energi panas mejadi energi mekanik putaran poros turbin. Sedangkan pada motor bakar adalah pada langkah ekspansi akan terjadi perubahan dari energi panas menjadi energi mekanik yaitu gerak bolak-balik torak. Dalam kondisi tersebut, turbin gas akan bekerja lebih halus dan tidak menimbulkan banyak getaran.
Turbin gas banyak dipakai untuk mesin propulsi atau jet [gambar 1], tenaga pembangkit listrik [gambar 2], mesin automotiv, atau digunakan untuk penggerak peralatan-peralatan industri seperti untuk penggerak kompresor atau pompa. Daya yang dihasilkan oleh turbin gas adalah mulai dari 250000 HP untuk pembangkit listrik hingga 5 HP pada turbocharger pada mesin motor.
Keunggulan dari turbin gas adalah pada mesinnya yang ringan dan memiliki ukuran yang kecil tetapi dapat menghasilkan daya yang besar. Contoh-nya seperti pada gambar 2 yaitu turbin gas yang biasa digunakan untuk penggerak generator listrik kecil.
Generator ini banyak digunakan untuk mengantisipasi beban puncak jaringan, sehingga fungsinya dapat menggantikan jika terjadi pemadaman listrik. Pada gedung-gedung perkantoran, sekolah, universitas, perusahaan, rumah sakit, dan lainnya, banyak yang memakai generator jenis ini.
Jika dibandingkan dengan pemakaian generator penggerak diesel, dengan penggerak turbin gas ukurannya yang menjadi lebih kecil, sehingga dapat menghemat tempat dan mudah untuk dipindahkan. Pesawat terbang membutuhkan mesin dengan persyaratan yang spesifik yaitu mesin dengan daya besar untuk daya dorong, namun ringan dari segi ukuran dan berat harus kecil.
Dengan alasan tersebut, pemakaian turbin gas pada pesawat terbang menjadi pilihan yang tepat, dan tidak bisa digantikan dengan jenis mesin lain. Dalam industri dan pembangkitan listrik turbin gas ini sangat menguntungkan karena pada mesin mudah diinstal, operasinya yang tidak ruwet, dan tidak membutuhkan ruangan yang besar
Dasar Kerja Turbin Gas
Pada gambar 3. yang ditunjukkan dibawah adalah salah satu mesin turbin gas pada pesawat terbang, untuk cara kerjanya adalah sebagai berikut. Motor starter dinyalakan, kompresor mulai berputar dan bekerja menghisap udara disekitar, udara kemudian dimampatkan.Udara pada tahap pertama dimampatkan terdahulu pada kompresor dengan tekanan rendah, lalu diteruskan kompresor ke tekanan tinggi. Udara mampat kemudian masuk ke dalam ruang bakar, dan bercampur dengan bahan bakar yang sudah disemprotkan.
Campuran pada bahan bakar udara mampat kemudian dinyalakan dan terjadilah sebuah proses pembakaran. Gas dari hasil proses pembakaran berekspansi pada turbin, kemudian terjadi perubahan dari energi panas menjadi sebuah energi putaran poros turbin, dan pada sebagian gas pembakaran menjadi gaya dorong.
Kemudian setelah memberikan sisa gaya dorongnya, gas dari hasil pembakaran akan keluar melalui saluaran buang. Setelah proses kerja dalam turbin gas pada pesawat terbang tersebut, akan dihasilkan daya turbin yang akan dipakai untuk menggerakan kompresor, kemudian menghasikan daya dorong, dan akan menggerakan peralatan bantu yang lainnya.
Perhatikan pada gambar diatas turbin gas disini terpasang pada sayap pesawat terbang gunanya untuk menghasilkan daya dorong. Turbin gas ini harus ringan, dengan daya yang besar dan tingkat keberhasilan selama bekerja/beroperasi harus 100%.
Turbin gas yang digunakan pada industri bisa dilihat pada gambar 6, untuk cara kerjanya sama seperti turbin gas pesawat terbang. Motor starter akan dinyalakan untuk memutar kompresor, kemudian udara segar terhisap masuk dan dimampatkan.
Selanjutnya, udara mampat dengan temperatur dan juga tekanan yang cukup tinggi yaitu (200°C, 6 bar) yang mengalir masuk ruang bakar, dan bercampur dengan bahan bakar. Campuran udara mampat bahan-bakar tersebut kemudian dinyalakan dan terjadilah proses pembakaran, lalu pada temperatur gas pembakaran akan naik drastis.
Gas pembakaran dengan temperatur yang sangat tinggi yaitu (6 bar, 750°C ) berekspansi pada turbin, sehingga akan terjadi perubahan energi, dari energi panas yang menjadi energi putaran poros turbin. Gas pembakaran yang terjadi setelah berekspansi di turbin, kemudian keluar sebagai gas bekas.
Selanjutnya, pada turbin gas akan bekerja dengan putaran poros turbin, yaitu sebagai sumber tenaga penggerak kompresor dan juga generator listrik.
Dari penjelasan cara kerja turbin gas diatas, bisa diketahui komponen-komponen pada mesin turbin gas cukup vital, yaitu turbin, ruang bakar, dan kompresor. Jadi, dalam daya yang dihasilkan oleh turbin tidak hanya untuk menggerakan beban, seperti pada generator listrik, tapi juga harus dapat menggerakan kompresor.
Proses Pembakaran
Pada gambar 4, bisa dilihat dari kotruksi komponen ruang bakar, jika digambarkan ulang dengan proses pembakaran yaitu sebagai berikut:Proses pembakaran yang terjadi dari turbin gas disini mirip dengan pembakaran pada mesin diesel, yaitu proses pembakarannya dalam tekanan konstan. Prosesnya adalah sebagai berikut, udara mampat dari kompresor akan masuk kedalam ruang bakar, dan udara terbagi menjadi dua, yaitu pertama udara primer yang akan masuk ke saluran primer, yang berada dalam satu tempat dengan nosel.
Dan yang kedua yaitu udara mampat sekunder yang akan lewat selubung luar pada ruang bakar. Udara primer yang masuk ruang bakar akan melewati swirler, sehingga alirannya berputar. Bahan bakar selanjutnya disemprotkan dari nosel menuju ke zona primer, setelah keduanya bertemu, maka akan terjadi pencampuran.
Aliran udara primer yang berputar disini akan membantu proses pencampuran, dan hal ini membuat campuran lebih homogen, dan untuk pembakaran akan menjadi lebih sempurna. Udara sekunder yang masuk akan melalui lubang-lubang pada selubung luar pada ruang bakar akan membantu proses dalam pembakaran pada zona sekunder.
Jadi, zona sekunder disini akan lebih menyempurnakan pembakaran dari zona primer.
Disamping untuk membantu dalam proses pembakaran pada zona sekunder, udara sekunder juga akan membantu pendinginan untuk ruang bakar.
Ruang bakar disini harus didinginkan, karena dari proses pembakaran akan dihasilkan temperatur yang sangat tinggi yang bisa saja merusak material dalam ruang bakar. Maka, dengan menambahkan cara pendinginan udara sekunder, temperatur ruang bakar menjadi lebih terkontrol dan tidak akan melebihi dari yang ditentukan.
Pada gambar 5 diatas, terlihat sebuah zona akhir atau zona pencampuran (dillute zone), adalah zona pencampuran pada gas pembakaran yang bertemperatur tinggi dengan sebagian udara sekunder.
Fungsi udara pada sekunder dalam zona tersebut adalah untuk mendinginkan gas pembakaran yang berada dalam temperatur tinggi menjadi temperatur yang aman jika mengenai sudut-sudut turbin saat gas pembakaran berekspansi.
Disamping itu, dalam udara sekunder juga akan menambah massa dari gas pembakaran sebelum masuk kedalam turbin. Dengan massa yang lebih besar energi potensial gas pembakaran juga akan bertambah. Jika W kinetik adalah energi kinetik gas pembakaran yang memiliki kecepatan V, massa sebelum ditambah dengan udara sekunder adalah m1, maka hasil energi kinetiknya yaitu sebagai berikut:
dengan penambahan pada massa dari udara sekunder m2, maka dalam energi kinetik akan menjadi:
Kemudian bisa dilihat Wkinetik,2 (dengan udara sekunder) akan lebih besar dari Wkinetik,1 (tanpa udara sekunder).
Dari penjelasan diatas, terlihat yaitu proses pembakaran dalam turbin gas membutuhkan udara yang berlebih, biasanya hingga 30% dari kondisi normal untuk proses kerja pembakaran dengan jumlah bahan bakar tertentu.
Kondisi tersebut menjadi berkebalikan, jika udara pembakaran terlalu berlimpah (lebih dari 30%), udara justru akan mendinginkan proses kerja pembakaran dan mati, karena panas banyak yang terbuang keluar melalui gas bekas yang bercampur dengan udara dingin sekunder.
Kemudian dengan pemikiran yang sama, jika udara jumlah udara kurang dari normal, yaitu akan terjadi overheating, pada material ruang bakar dan sudu-sudu turbin bekerja melebihi kekuatannya dan ruang bakar bisa saja pecah, hal ini berarti turbin gas akan berhenti bekerja atau proses pembakaran menjadi terhenti.