Prinsip Kerja Turbin Uap
Pemakaian turbin uap untuk kebutuhan industri sudah menjadi pilihan yang paling menguntungkan, dengan efisiensi yang relatif cukup tinggi dan bahan-bakar yang dipakai untuk pembangkitan uap dapat bervariasi.
Pemakaian turbin uap yang paling banyak yaitu untuk mesin pembangkitan tenaga listrik. Sumber uap panas disini sebagai fluida yang memiliki energi potensial tinggi yang didapat dari sistem pembangkit uap (mesin boiler) atau dari sumber uap panas seperti geotermal.
Kemudian definisi dari turbin uap adalah suatu penggerak awal/mula yang akan mengubah energi potensial uap menjadi sebuah energi kinetik. Dari energi kinetik selanjutnya diubah menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Poros turbin lalu dihubungkan dengan sesuatu yang digerakan, contohnya seperti generator atau peralatan mesin lainnya, dengan memakai mekanisme transmisi roda gigi.
Dan dari definisi tersebut diatas, bisa kita ketahui bahwa turbin uap ini termasuk mesin rotari. Jadi berbeda dengan motor bakar yang bolak-balik (reciprocating) yang sudah dibahas sebelumnya.
Pada dasarnya, prinsip kerja dari mesin torak dan turbin uap yaitu sama. Fluida gas dengan energi potensial yang besar akan berekspansi sehingga memiliki energi kinetik tinggi yang kemudian medorong torak atau sudu. Karena hasil dari dorongan atau tumbukan tersebut, torak atau sudu lalu akan bergerak. Proses dorongan inilah yang disebut dengan Impuls.
Dasar impuls bisa dijelaskan dengan metode berikut. Pada gambar 2.A yaitu sebuah plat yang didorong dengan fluida gas dengan kecepatan Vs, dan laju massa
, karena plat itu beroda maka akan bergerak dengan kecepatan Vb.
Besarnya daya bisa dihitung dengan persamaan berikut;
=\tfrac{\dot{m}V^{2}_{s}}{4})
Sedangkan pada gambar 2.B yaitu sebuah sudu yang didorong fluida gas dengan laju masa , maka daya yang akan dihasilkan yaitu;
=\tfrac{\dot{m}V^{2}_{s}}{2})
Dari dua model diatas, bisa dilihat bahwa model sudu memiliki daya yang lebih besar pada kecepatan dan pada laju massa fluida gas yang sama. Dengan alasan tersebut, bentuk sudu ini dianggap yang paling efisien untuk diterapkan dalam turbin uap atau jenis turbin yang lainnya seperti pada turbin gas dan air.
Penerapan pada model sudu diatas dalam turbin uap, penataannya kurang lebih seperti yang terlihat pada gambar 3, yaitu menata sudu-sudu tersebut sebaris mengelilingi roda jalan atau poros turbin uap, sehingga bisa terjadi keseimbangan gaya.
Model mesin uap dengan turbin impuls dalam sejarahnya pernah dibuat oleh Branca, dalam gambar 4, dengan prinsip kerjanya yaitu menyemburkan uap yang berkecepatan tinggi melalui nosel dan menuju ke sudu-sudu impuls pada roda jalan. Karena dorongan antara semburan gas dengan sudu-sudu jalan turbin impuls, poros turbin disini menjadi berputar.
Berbeda dengan dasar impuls dasar-dasar reaksi, untuk sebagian orang ini lebih susah untuk dipahami. Dan untuk menggambarkan dasar reaksi bekerja pada gambar 5 dibawah ini adalah model jet uap dari Newton.
Semburan uap yang terjadi dari tabung memiliki energi kinetik yang cukup besar sehingga membuat sepeda akan bergerak ke kiri. Dari sini dapat dipahami bahwa mesin tersebut bekerja dengan dasar reaksi, yaitu semburan uap disini melakukan aksi, sehingga muncul sebuah reaksi pada sepeda tersebut yaitu untuk begerak melawan aksi.
Pada gambar 6 diatas adalah contoh lain dari sebuah dasar aksi reaksi.
Segitiga kecepatan adalah dasar kinematika dari aliran fluida gas yang mendorong sudu turbin. Dengan bisa memahami segitiga kecepatan akan sangat membantu dalam memahami proses konversi yang terjadi pada sudu-sudu turbin uap atau pada jenis turbin yang lain.
Untuk notasi dari segitiga kecepatan yaitu sebagai berikut;
Vs1 = Kecepatan absolut fluida yang meninggalkan nosel
VB = Kecepatan sudu
Vr1 = kecepatan relatif fluida
Vr2 = Kecepatan relatif fluida yang meninggalkan sudu
Vs2 = Kecepatan absolut fluida yang meninggalkan sudu
θ= sudut nosel
ф= sudut masuk sudu
δ= sudut keluar sudu
γ = sudut keluar fluida
Dari segitiga kecepatan diatas, untuk panjang pendeknya garis yaitu mewakili dari besar kecepatan masing-masing.
Contoh-nya yaitu; fluida yang masuk ke sudu dari nosel dengan kecepatan Vs1 lalu keluar dari nosel dan sudah berkurang menjadi Vs2 dengan garis yang lebih pendek.
Ini berarti sebagian dari energi kinetik fluida masuk sudu dirubah menjadi energi kinetik sudu dengan kecepatan VB, lalu fluida yang sudah memberikan energinya akan meninggalkan sudu dengan kecepatan Vs2.
Proses perubahan atau konversi energi yang terjadi dalam turbin yaitu sama dengan perubahan energi yang terjadi pada motor bakar, namun dengan metode yang berbeda. Untuk motor bakar, pada langkah ekspansi fluida gas yaitu gas pembakaran energinya akan mengalami penurunan bersamaan dengan penurunan tekanan yang terjadi di dalam silinder.
Hal ini karena pada sebagian energinya telah diubah menjadi energi kinetik gas pembakaran dan dikenakan langsung pada torak. Karena ada dorongan dari energi kinetik gas pembakaran torak akan bergerak searah dengan gaya dorong tersebut, dan kondisi ini dinamakan dengan langkah tenaga.
Dalam turbin, proses perubahan energi mulai terjadi di nosel, yaitu ekspansi fluida gas dalam nosel. Pada proses ekspansi di nosel, energi fluida akan mengalami penurunan, begitu juga dengan tekanannya. Bersamaan dengan penurunan energi dan tekanan, kecepatan fluida gas akan naik, dengan kata lain energi kinetik fluida gas akan naik yang disebabkan oleh proses ekspansi.
Selanjutnya, fluida gas dengan energi kinetik yang tinggi akan mendorong sudu turbin dan memberikan sebagian dari energinya ke sudu, sehingga sudu-pun menjadi begerak. Perubahan energi dengan dorongan fluida di sudu adalah dasar dari impuls.
Kemudian untuk perubahan energi dengan dasar reaksi, sudu turbin reaksi berfungsi seperti nosel. Ini artinya, pada sudu turbin reaksi terjadi karena proses ekspansi, yaitu penurunan tekanan fluida gas yang dibarengi dengan kenaikan kecepatan.
Karena prinsip dari reaksi yaitu gerakan melawan aksi, jadi bisa dipahami dengan kenaikan kecepatan fluida gas pada sudu turbin reaksi, sudu turbin pun akan bergerak sebesar nilai dari kecepatan tersebut dan dengan arah yang berlawanan.
Sudu-sudu impuls bisa dikenali lewat bentuknya, yaitu berbentuk simetris dengan sudut masuk ф dan sudut keluar γ yang sama (20°).
Pada turbin biasanya berada ditempatkan pada bagian masuk dimana uap yang bertekanan tinggi dengan volume spesifik rendah. Bentuk turbin impuls yang pendek dengan penampang yang konstan.
Ciri-ciri yang lain adalah secara termodinamika penurunan energi terbanyak pada nosel, dimana pada nosel terjadi proses ekspansi atau penuruan tekanan. Sudu-sudu pada turbin uap terdiri dari sudu gerak dan sudu tetap. Sudu tetap disini berfungsi sebagai nosel dengan energi kinetik yang naik.
Sedangkan pada sudu yang bergerak tekanan disini yaitu konstan atau tetap, dan dari karakteristik tersebut, turbin impuls sering disebut juga dengan turbin tekanan sama.
Bentuk dari sudu turbin impuls tetap ada dua macam yaitu bentuk tidak simetris dan bentuk simetris.
Dalam bentuk sudu tetap simetris, profile tekanan dan kecepatan yaitu sama, tidak ada perubahan tekanan maupun kecepatan.
Sedangkan dalam sudu tetap yang berfungsi sebagi nosel memiliki bentuk seperti nosel yaitu antar penampang sudu ini membentuk penampang yang menyempit pada ujungnya. Karena bentuk dari nosel, kecepatan akan naik dan tekanan menjadi turun. Bentuk pertama simetri digunakan pada turbin uap Curtis dan bentuk yang kedua digunakan pada turbin uap Rateau.
Untuk cara kerjanya yaitu sebagai berikut; Aliran uap panas masuk menuju nosel konvergen divergen, lalu di dalam nosel uap berekspansi sehingga tekanannya menjadi turun. Bersamaan dengan penurunan tekanan, kecepatan uap panas akan naik, hal ini artinya terjadi kenaikan energi kinetik uap panas.
Setelah berekspansi, uap panas kemudian akan menyembur keluar nosel dan mendorong sudu-sudu impuls dengan kecepatan yang abolut Vs1. Pada sudu-sudu impuls uap panas akan memberikan sebagian energinya ke sudu-sudu, dan menyebabkan sudu-sudu bergerak dengan kecepatan Vb.
Tekanan pada sudu-sudu turbin yaitu tetap atau konstan, sedangkan kecepatan pada uap keluar sudu berkurang menjadi Vs2.
Disamping itu juga dengan kecepatan rotor yang cukup tinggi dibutuhkan roda gigi reduksi yang besar dan berat untuk menghubungkan rotor dengan generator listrik. Kemudian dengan alasan-alasan diatas tersebut, dikembangkan dua pilihan turbin impuls gabungan yaitu turbin gabungan kecepatan (turbin Curtiss) dan turbin impuls gabungan tekanan (turbin Rateau)
Uap panas yang memiliki kecepatan tinggi akan masuk pada baris pertama sudu bergerak, dalam tahap ini uap akan membagikan sebagian energinya sehingga kecepatannya akan menjadi turun (Vs2). Selanjutnya, yaitu sebelum masuk baris sudu bergerak tahap II, terlebih dahulu melewati sudu tetap. Pada sudu-sudu tetap yang berbentuk simetris, uap disini tidak kehilangan energinya, kecepatan (Vs3) dan tekanan yang konstan.
Uap dengan kecepatan Vs3 setelah melewati sudu tetap masuk baris sudu bergerak tahap II, uap akan memberikan energinya yang tersisa ke sudu-sudu bergerak, oleh karena itu kecepatannya akan turun kembali menjadi Vs4.
Pada turbin Curtiss proses penurunan uap akan terjadi dengan sempurna dalam nosel sehingga tidak ada penurunan tekanan lagi pada sudu-sudu. Dan energi kinetik dari nosel digunakan oleh dua baris sudu bergerak juga tidak hanya satu baris saja. Ciri khas dari turbin ini yaitu kecepatan akan menurun setelah melewati sudu bergerak, dan kecepatannya bisa konstan pada sudu tetap.
Kemudian untuk memahami lebih lanjut tentang perubahan nilai kecepatan, bisa memakai analisa segitiga kecepatan dari turbin Curtiss.
Contoh nya bisa dilihat pada gambar 14 dibawah ini, dari segitiga tersebut bisa dilihat,
-(V_{r1}^{2})-(V_{r2}^{2})])
Untuk mengatasi kelemahan atau hal tersebut, Rateau membuat sebuah turbin impuls gabungan dengan tekanan. Pada turbin ini, turbin akan dibagi menjadi beberapa bagian dengan susunan secara seri, dimana pada setiap bagian terdiri dari nosel dan sudu bergerak, yaitu sama dengan susunan pada turbin satu tahap.
Pada gambar 15 yang ditunjukkan dibawah adalah skema sederhana dari turbin Rateau. Dan dari gambar tersebut bisa didapat susunan dasar turbin, yaitu terdiri dari dua bagian kombinasi nosel dan
sudu bergerak.
Kemudian dari diagram tekanan dan kecepatan absolut bisa dipahami sebagai berikut. Uap panas pertama akan masuk pada bagian pertama, kecepatan akan naik pada nosel dan kemudian akan menurun pada sudu bergerak.
Selanjutnya yaitu, uap panas akan masuk ke nosel bagian dua, kemudian kecepatan naik lagi pada nosel dan turun kembali pada sudu bergerak. Dalam setiap bagian, uap akan mengalami penurunan tekanan setelah dari nosel. Jadi pada turbin Rateau, uap panas akan berekspansi setiap akan masuk nosel, dengan begitu energi uap akan terbagi merata.
Apabila dibandingkan dengan turbin satu tahap, dalam turbin ini, jumlah energi uap panas yang berekspansi pernoselnya jauh lebih kecil, sehingga untuk kenaikan kecepatan absolutnya tidak terlalu tinggi. Turbin ini memiliki keunggulan yaitu kecepatan sudunya yang rendah, kecepatan uap rendah ( gesekan kecil), dan distribusi kerja perbagian yang merata.
Kelemahannya yaitu penurunan tekanan yang terus menerus dalam setiap bagian, sehingga resiko kebocoran uap akan lebih besar. Untuk mendapatkan efisiensi yang tinggi, turbin rateau juga harus memiliki tahapan yang banyak.
Dengan alasan-alasan diatas tersebut, turbin Rateau banyak digunakan untuk unit yang besar, dimana efisiensi menjadi lebih penting daripada biaya investasi
Pada gambar diatas adalah contoh segitiga kecepatan dari turbin rateau, dari segitiga tersebut juga terlihat bentuk dari segitiga yaitu sama untuk setiap tahap, dimana bentuknya dengan segitiga kecepatan turbin satu tahap yang disusun seri. Kecepatan Vs1 dari sudu tetap yang berfungsi sebagai nosel, akan menuju masuk ke sudu bergerak dan nilainya menurun menjadi Vs2,
Begitu juga untuk kecepatan relatifnya juga akan turun. Lalu, kecepatan Vs2 akan naik lagi setelah melewati sudu bergerak yang menjadi Vs3, dimana pada nilai kecepatan ini secara ideal yaitu sama dengan Vs1, dan prosesnya akan berlanjut hingga tahap terakhir turbin.
Sudu tetap ini dibuat sedemikian rupa sehingga fungsinya sama seperti nosel. Sedangkan sudu bergerak bisa dibedakan secara jelas dengan sudu impuls karena tidak simetris. Sudu bergerak pun bisa difungsikan sebagai nosel, karena fungsinya yang sama dengan sudu tetap, maka bentuknya akan sama dengan sudu tetap, namun arah lengkungannya disini berlawanan.
Penurunan tekanan yaitu sinambung dari tahap satu ke tahap berikutnya, dari sudu tetap dan sudu bergerak. Kecepatan absolutnya yaitu setiap melewati sudu tetap akan naik dan setelah melewati sudu bergerak akan menurun, selanjutnya akan terus berulang hingga akhir tahap.
Pada gambar 18 adalah contoh dari segitiga kecepatan untuk turbin rekasi dua tahap. Kemudian dari gambar tersebut bisa dilihat pada bentuk segitiga kecepatan untuk sudu tetap akan sama, begitu juga untuk sudu gerak.
Kecepatan Vs1 dari sudu tetap untuk nilainya akan turun setelah melewati sudu bergerak menjadi Vs2, namun kecepatan relatinya disini menjadi besar yaitu Vr2.
Selanjutnya, Vs2 akan dinaikan lagi nilainya setelah masuk ke sudu tetap, menjadi Vs3 yang sama dengan Vs1, dan seterusnya hingga tahap akhir turbin.
Daya yang dihasilkan oleh turbin reaksi bisa dihitung dengan persamaan berikut ini;
dan untuk daya optimum yang didapat pada kecepatan sudu optimum yaitu
Pemakaian turbin uap yang paling banyak yaitu untuk mesin pembangkitan tenaga listrik. Sumber uap panas disini sebagai fluida yang memiliki energi potensial tinggi yang didapat dari sistem pembangkit uap (mesin boiler) atau dari sumber uap panas seperti geotermal.
Kemudian definisi dari turbin uap adalah suatu penggerak awal/mula yang akan mengubah energi potensial uap menjadi sebuah energi kinetik. Dari energi kinetik selanjutnya diubah menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Poros turbin lalu dihubungkan dengan sesuatu yang digerakan, contohnya seperti generator atau peralatan mesin lainnya, dengan memakai mekanisme transmisi roda gigi.
Dan dari definisi tersebut diatas, bisa kita ketahui bahwa turbin uap ini termasuk mesin rotari. Jadi berbeda dengan motor bakar yang bolak-balik (reciprocating) yang sudah dibahas sebelumnya.
Dasar Impuls dan Reaksi
Turbin uap adalah jenis mesin rotari yang bekerja karena adanya perubahan energi kinetik uap menjadi sebuah putaran poros dalam turbin. dan proses perubahan itu terjadi pada sudu-sudu turbin. Sebagai perbandingan pada mesin torak yang bekerja karena adanya ekpansi energi panas gas atau uap yang terdapat di dalam silinder yang mendorong torak untuk dapat bergerak bolak balik.Pada dasarnya, prinsip kerja dari mesin torak dan turbin uap yaitu sama. Fluida gas dengan energi potensial yang besar akan berekspansi sehingga memiliki energi kinetik tinggi yang kemudian medorong torak atau sudu. Karena hasil dari dorongan atau tumbukan tersebut, torak atau sudu lalu akan bergerak. Proses dorongan inilah yang disebut dengan Impuls.
Dasar impuls bisa dijelaskan dengan metode berikut. Pada gambar 2.A yaitu sebuah plat yang didorong dengan fluida gas dengan kecepatan Vs, dan laju massa
Besarnya daya bisa dihitung dengan persamaan berikut;
Sedangkan pada gambar 2.B yaitu sebuah sudu yang didorong fluida gas dengan laju masa
Dari dua model diatas, bisa dilihat bahwa model sudu memiliki daya yang lebih besar pada kecepatan dan pada laju massa fluida gas yang sama. Dengan alasan tersebut, bentuk sudu ini dianggap yang paling efisien untuk diterapkan dalam turbin uap atau jenis turbin yang lainnya seperti pada turbin gas dan air.
Penerapan pada model sudu diatas dalam turbin uap, penataannya kurang lebih seperti yang terlihat pada gambar 3, yaitu menata sudu-sudu tersebut sebaris mengelilingi roda jalan atau poros turbin uap, sehingga bisa terjadi keseimbangan gaya.
Model mesin uap dengan turbin impuls dalam sejarahnya pernah dibuat oleh Branca, dalam gambar 4, dengan prinsip kerjanya yaitu menyemburkan uap yang berkecepatan tinggi melalui nosel dan menuju ke sudu-sudu impuls pada roda jalan. Karena dorongan antara semburan gas dengan sudu-sudu jalan turbin impuls, poros turbin disini menjadi berputar.
Berbeda dengan dasar impuls dasar-dasar reaksi, untuk sebagian orang ini lebih susah untuk dipahami. Dan untuk menggambarkan dasar reaksi bekerja pada gambar 5 dibawah ini adalah model jet uap dari Newton.
Semburan uap yang terjadi dari tabung memiliki energi kinetik yang cukup besar sehingga membuat sepeda akan bergerak ke kiri. Dari sini dapat dipahami bahwa mesin tersebut bekerja dengan dasar reaksi, yaitu semburan uap disini melakukan aksi, sehingga muncul sebuah reaksi pada sepeda tersebut yaitu untuk begerak melawan aksi.
Pada gambar 6 diatas adalah contoh lain dari sebuah dasar aksi reaksi.
Segitiga Kecepatan
Segitiga kecepatan adalah dasar kinematika dari aliran fluida gas yang mendorong sudu turbin. Dengan bisa memahami segitiga kecepatan akan sangat membantu dalam memahami proses konversi yang terjadi pada sudu-sudu turbin uap atau pada jenis turbin yang lain.
Untuk notasi dari segitiga kecepatan yaitu sebagai berikut;
Vs1 = Kecepatan absolut fluida yang meninggalkan nosel
VB = Kecepatan sudu
Vr1 = kecepatan relatif fluida
Vr2 = Kecepatan relatif fluida yang meninggalkan sudu
Vs2 = Kecepatan absolut fluida yang meninggalkan sudu
θ= sudut nosel
ф= sudut masuk sudu
δ= sudut keluar sudu
γ = sudut keluar fluida
Dari segitiga kecepatan diatas, untuk panjang pendeknya garis yaitu mewakili dari besar kecepatan masing-masing.
Contoh-nya yaitu; fluida yang masuk ke sudu dari nosel dengan kecepatan Vs1 lalu keluar dari nosel dan sudah berkurang menjadi Vs2 dengan garis yang lebih pendek.
Ini berarti sebagian dari energi kinetik fluida masuk sudu dirubah menjadi energi kinetik sudu dengan kecepatan VB, lalu fluida yang sudah memberikan energinya akan meninggalkan sudu dengan kecepatan Vs2.
Proses perubahan atau konversi energi yang terjadi dalam turbin yaitu sama dengan perubahan energi yang terjadi pada motor bakar, namun dengan metode yang berbeda. Untuk motor bakar, pada langkah ekspansi fluida gas yaitu gas pembakaran energinya akan mengalami penurunan bersamaan dengan penurunan tekanan yang terjadi di dalam silinder.
Hal ini karena pada sebagian energinya telah diubah menjadi energi kinetik gas pembakaran dan dikenakan langsung pada torak. Karena ada dorongan dari energi kinetik gas pembakaran torak akan bergerak searah dengan gaya dorong tersebut, dan kondisi ini dinamakan dengan langkah tenaga.
Dalam turbin, proses perubahan energi mulai terjadi di nosel, yaitu ekspansi fluida gas dalam nosel. Pada proses ekspansi di nosel, energi fluida akan mengalami penurunan, begitu juga dengan tekanannya. Bersamaan dengan penurunan energi dan tekanan, kecepatan fluida gas akan naik, dengan kata lain energi kinetik fluida gas akan naik yang disebabkan oleh proses ekspansi.
Selanjutnya, fluida gas dengan energi kinetik yang tinggi akan mendorong sudu turbin dan memberikan sebagian dari energinya ke sudu, sehingga sudu-pun menjadi begerak. Perubahan energi dengan dorongan fluida di sudu adalah dasar dari impuls.
Kemudian untuk perubahan energi dengan dasar reaksi, sudu turbin reaksi berfungsi seperti nosel. Ini artinya, pada sudu turbin reaksi terjadi karena proses ekspansi, yaitu penurunan tekanan fluida gas yang dibarengi dengan kenaikan kecepatan.
Karena prinsip dari reaksi yaitu gerakan melawan aksi, jadi bisa dipahami dengan kenaikan kecepatan fluida gas pada sudu turbin reaksi, sudu turbin pun akan bergerak sebesar nilai dari kecepatan tersebut dan dengan arah yang berlawanan.
Turbin Impuls
Turbin impuls yaitu turbin yang memiliki roda jalan atau rotor dimana terdapat sudu-sudu impuls.Sudu-sudu impuls bisa dikenali lewat bentuknya, yaitu berbentuk simetris dengan sudut masuk ф dan sudut keluar γ yang sama (20°).
Pada turbin biasanya berada ditempatkan pada bagian masuk dimana uap yang bertekanan tinggi dengan volume spesifik rendah. Bentuk turbin impuls yang pendek dengan penampang yang konstan.
Ciri-ciri yang lain adalah secara termodinamika penurunan energi terbanyak pada nosel, dimana pada nosel terjadi proses ekspansi atau penuruan tekanan. Sudu-sudu pada turbin uap terdiri dari sudu gerak dan sudu tetap. Sudu tetap disini berfungsi sebagai nosel dengan energi kinetik yang naik.
Sedangkan pada sudu yang bergerak tekanan disini yaitu konstan atau tetap, dan dari karakteristik tersebut, turbin impuls sering disebut juga dengan turbin tekanan sama.
Bentuk dari sudu turbin impuls tetap ada dua macam yaitu bentuk tidak simetris dan bentuk simetris.
Dalam bentuk sudu tetap simetris, profile tekanan dan kecepatan yaitu sama, tidak ada perubahan tekanan maupun kecepatan.
Sedangkan dalam sudu tetap yang berfungsi sebagi nosel memiliki bentuk seperti nosel yaitu antar penampang sudu ini membentuk penampang yang menyempit pada ujungnya. Karena bentuk dari nosel, kecepatan akan naik dan tekanan menjadi turun. Bentuk pertama simetri digunakan pada turbin uap Curtis dan bentuk yang kedua digunakan pada turbin uap Rateau.
Turbin Impuls dengan Satu Tahap ( Turbin De Laval )
Pada gambar 12 yang ditunjukkan adalah skema turbin De laval atau turbin impuls satu tahap. Turbin ini terdiri satu atau lebih nosel konvergen divergen dan sudu-sudu impuls terpasang pada roda jalan (rotor). Tidak semua nosel akan terkena semburan uap panas dari nosel, yang kena hanya sebagian saja. Pengontrolan putaran ini dengan jalan menutup satu atau lebih nosel konvergen divergen.Untuk cara kerjanya yaitu sebagai berikut; Aliran uap panas masuk menuju nosel konvergen divergen, lalu di dalam nosel uap berekspansi sehingga tekanannya menjadi turun. Bersamaan dengan penurunan tekanan, kecepatan uap panas akan naik, hal ini artinya terjadi kenaikan energi kinetik uap panas.
Setelah berekspansi, uap panas kemudian akan menyembur keluar nosel dan mendorong sudu-sudu impuls dengan kecepatan yang abolut Vs1. Pada sudu-sudu impuls uap panas akan memberikan sebagian energinya ke sudu-sudu, dan menyebabkan sudu-sudu bergerak dengan kecepatan Vb.
Tekanan pada sudu-sudu turbin yaitu tetap atau konstan, sedangkan kecepatan pada uap keluar sudu berkurang menjadi Vs2.
Turbin Impuls Gabungan
Turbin impuls satu tahap atau turbin De laval memiliki kendala-kendala teknis yang sangat tidak menguntungkan. Contoh seperti berikut ini, kecepatan uap yang masuk sudu terlalu tinggi jika hanya untuk satu baris sudu, efeknya kecepatan putar sudu menjadi tinggi, dan akan melampaui batas keselamatan yang sudah diizinkan, karena tegangan sentrifugal disini harus ditahan material rotor.Disamping itu juga dengan kecepatan rotor yang cukup tinggi dibutuhkan roda gigi reduksi yang besar dan berat untuk menghubungkan rotor dengan generator listrik. Kemudian dengan alasan-alasan diatas tersebut, dikembangkan dua pilihan turbin impuls gabungan yaitu turbin gabungan kecepatan (turbin Curtiss) dan turbin impuls gabungan tekanan (turbin Rateau)
Turbin impuls Curtiss (turbin gabungan kecepatan)
Turbin uap Curtiss yaitu turbin yang bekerja dengan prinsip impuls secara bertahap. Berbeda dengan turbin satu tahap, turbin Curtiss memiliki beberapa baris sudu yang bergerak dan baris sudu yang tetap. Pada gambar 13 dibawah yang ditunjukkan adalah susunan turbin uap Curtiss, kemudian proses ekspansi uap panas dalam nosel, dimana kecepatan uap panas akan naik (Vs1) dan tekanan akan turun.Uap panas yang memiliki kecepatan tinggi akan masuk pada baris pertama sudu bergerak, dalam tahap ini uap akan membagikan sebagian energinya sehingga kecepatannya akan menjadi turun (Vs2). Selanjutnya, yaitu sebelum masuk baris sudu bergerak tahap II, terlebih dahulu melewati sudu tetap. Pada sudu-sudu tetap yang berbentuk simetris, uap disini tidak kehilangan energinya, kecepatan (Vs3) dan tekanan yang konstan.
Uap dengan kecepatan Vs3 setelah melewati sudu tetap masuk baris sudu bergerak tahap II, uap akan memberikan energinya yang tersisa ke sudu-sudu bergerak, oleh karena itu kecepatannya akan turun kembali menjadi Vs4.
Pada turbin Curtiss proses penurunan uap akan terjadi dengan sempurna dalam nosel sehingga tidak ada penurunan tekanan lagi pada sudu-sudu. Dan energi kinetik dari nosel digunakan oleh dua baris sudu bergerak juga tidak hanya satu baris saja. Ciri khas dari turbin ini yaitu kecepatan akan menurun setelah melewati sudu bergerak, dan kecepatannya bisa konstan pada sudu tetap.
Kemudian untuk memahami lebih lanjut tentang perubahan nilai kecepatan, bisa memakai analisa segitiga kecepatan dari turbin Curtiss.
Contoh nya bisa dilihat pada gambar 14 dibawah ini, dari segitiga tersebut bisa dilihat,
Turbin impuls Rateau (turbin gabungan tekanan)
Pada turbin Curtiss atau turbin gabungan kecepatan yang sudah dibahas diatas, masih memiliki kelemahan yaitu pada kecepatan uapnya yang masih tinggi, sehingga bisa menimbulkan gesekan yang merupakan kerugian aliran, dan kondisi ini sama dengan turbin impuls satu tahap.Untuk mengatasi kelemahan atau hal tersebut, Rateau membuat sebuah turbin impuls gabungan dengan tekanan. Pada turbin ini, turbin akan dibagi menjadi beberapa bagian dengan susunan secara seri, dimana pada setiap bagian terdiri dari nosel dan sudu bergerak, yaitu sama dengan susunan pada turbin satu tahap.
Pada gambar 15 yang ditunjukkan dibawah adalah skema sederhana dari turbin Rateau. Dan dari gambar tersebut bisa didapat susunan dasar turbin, yaitu terdiri dari dua bagian kombinasi nosel dan
sudu bergerak.
Kemudian dari diagram tekanan dan kecepatan absolut bisa dipahami sebagai berikut. Uap panas pertama akan masuk pada bagian pertama, kecepatan akan naik pada nosel dan kemudian akan menurun pada sudu bergerak.
Selanjutnya yaitu, uap panas akan masuk ke nosel bagian dua, kemudian kecepatan naik lagi pada nosel dan turun kembali pada sudu bergerak. Dalam setiap bagian, uap akan mengalami penurunan tekanan setelah dari nosel. Jadi pada turbin Rateau, uap panas akan berekspansi setiap akan masuk nosel, dengan begitu energi uap akan terbagi merata.
Apabila dibandingkan dengan turbin satu tahap, dalam turbin ini, jumlah energi uap panas yang berekspansi pernoselnya jauh lebih kecil, sehingga untuk kenaikan kecepatan absolutnya tidak terlalu tinggi. Turbin ini memiliki keunggulan yaitu kecepatan sudunya yang rendah, kecepatan uap rendah ( gesekan kecil), dan distribusi kerja perbagian yang merata.
Kelemahannya yaitu penurunan tekanan yang terus menerus dalam setiap bagian, sehingga resiko kebocoran uap akan lebih besar. Untuk mendapatkan efisiensi yang tinggi, turbin rateau juga harus memiliki tahapan yang banyak.
Dengan alasan-alasan diatas tersebut, turbin Rateau banyak digunakan untuk unit yang besar, dimana efisiensi menjadi lebih penting daripada biaya investasi
Pada gambar diatas adalah contoh segitiga kecepatan dari turbin rateau, dari segitiga tersebut juga terlihat bentuk dari segitiga yaitu sama untuk setiap tahap, dimana bentuknya dengan segitiga kecepatan turbin satu tahap yang disusun seri. Kecepatan Vs1 dari sudu tetap yang berfungsi sebagai nosel, akan menuju masuk ke sudu bergerak dan nilainya menurun menjadi Vs2,
Begitu juga untuk kecepatan relatifnya juga akan turun. Lalu, kecepatan Vs2 akan naik lagi setelah melewati sudu bergerak yang menjadi Vs3, dimana pada nilai kecepatan ini secara ideal yaitu sama dengan Vs1, dan prosesnya akan berlanjut hingga tahap terakhir turbin.
Turbin Reaksi
Turbin reaksi pertama kali diperkenalkan oleh Parson, dalam gambar 17 adalah sebuah contoh dari turbin rekasi tiga tahap, yang terdiri dari 3 baris sudu tetap dan 3 baris sudu bergerak.Sudu tetap ini dibuat sedemikian rupa sehingga fungsinya sama seperti nosel. Sedangkan sudu bergerak bisa dibedakan secara jelas dengan sudu impuls karena tidak simetris. Sudu bergerak pun bisa difungsikan sebagai nosel, karena fungsinya yang sama dengan sudu tetap, maka bentuknya akan sama dengan sudu tetap, namun arah lengkungannya disini berlawanan.
Penurunan tekanan yaitu sinambung dari tahap satu ke tahap berikutnya, dari sudu tetap dan sudu bergerak. Kecepatan absolutnya yaitu setiap melewati sudu tetap akan naik dan setelah melewati sudu bergerak akan menurun, selanjutnya akan terus berulang hingga akhir tahap.
Pada gambar 18 adalah contoh dari segitiga kecepatan untuk turbin rekasi dua tahap. Kemudian dari gambar tersebut bisa dilihat pada bentuk segitiga kecepatan untuk sudu tetap akan sama, begitu juga untuk sudu gerak.
Kecepatan Vs1 dari sudu tetap untuk nilainya akan turun setelah melewati sudu bergerak menjadi Vs2, namun kecepatan relatinya disini menjadi besar yaitu Vr2.
Selanjutnya, Vs2 akan dinaikan lagi nilainya setelah masuk ke sudu tetap, menjadi Vs3 yang sama dengan Vs1, dan seterusnya hingga tahap akhir turbin.
Daya yang dihasilkan oleh turbin reaksi bisa dihitung dengan persamaan berikut ini;
dan untuk daya optimum yang didapat pada kecepatan sudu optimum yaitu