Modul 6

SOAL PRE TEST

MODUL 6.

Petunjuk :

Kerjakan semua soal pretest ini sebagai syarat untuk mempelajari modul 6

1. Jelaskan prinsip kerja sebuah turbin ?

2. Apa yang anda ketahui tentang Sudu turbin ? Apa fungsinya ?

3. Apa yang dimaksud dengan turbin tunggal dan turbin ganda ?

4. Apa keuntungan utama dari turbin bertingkat ganda bila dibandingkan dengan turbin tunggal ?

5. Jelaskan yang dimaksud dengan turbin impul dan turbin reaksi ?

6. Jelaskan prinsip kerja sebuah turbin gas sederhana ? Gambarkan skematik turbin gas sederhana ?

7. Jelaskan keuntungan dan kerugian pemakaian turbin gas ?

8. Apa perbedaan utama antara turbin gas dengan motor bakar ?

9. Jelaskan cara kerja turbin gas yang digunakan untuk menggerakkan pesawat terbang ?

10. Jelaskan cara kerja turbin gas yang digunakan sebagai pembangkit daya pada sebuah industri ?

Keterangan:

Soal pretest ini berguna untuk mengukur tingkat pemahaman awal para mahasiswa sebelum mempelajari modul 6.

MODUL 6. TURBIN

Sasaran Belajar :

Setelah mempelajari bab ini mahasiswa diharapkan dapat :

1. Menjelaskan pengertian dan prinsip kerja turbin serta fluida kerjanya.

2. Menjelaskan cara kerja turbin impuls dan turbin reaksi beserta bentuk sudu-sudunya.

3. Menjelaskan tentang turbin bertingkat tunggal dan ganda.

4. Menjelaskan prinsip kerja turbin gas, penggunaanya serta keuntungan kelemahannya bila dibandingkan dengan mesin pengerak mula lainnya.

5. Menjelaskan cara kerja turbin gas untuk menggerakkan pesawat terbang dan turbin gas yang digunakan pada industri.

6. Menjelaskan model-model turbin gas.

6.1. PENDAHULUAN

Turbin adalah mesin penggerak yang komponen utamanya berupa baling-baling atau kincir yang digerakkan oleh fluida kerja berupa air, uap air, atau gas di mana energi fluida kerja dipergunakan langsung untuk memutar roda turbin. Jadi, berbeda dengan yang terjadi pada mesin torak, pada turbin tidak terdapat bagian mesin yang bergerak translasi yaitu tidak ada torak yang didesak oleh gas hasil pembakaran.

Bagian turbin yang berputar dinamai rotor atau roda turbin, sedangkan bagian yang tidak berputar dinamai stator atau rumah turbin. Roda turbin terletak di dalam rumah turbin dan roda turbin memutar poros daya yang menggerakkan atau memutar bebannya (generator listrik, pompa, kompresor, baling-baling atau mesin lainnya). Di dalam turbin fluida kerja mengalami proses ekspansi, yaitu proses penurunan tekanan, dan mengalir secara kontinu.

Aliran gas atau cairan dapat terjadi di alam sebagai aliran udara atau angin dan aliran air dapat berupa aliran air sungai atau air terjun. Turbin yang bekerja dengan aliran-aliran alamiah ini dipakai kalau ada tenaga aliran atau energi alam tersedia. Akan tetapi aliran tersebut dapat juga kita buat dan yang banyak dipergunakan adalah aliran gas (Turbin gas) dan aliran uap (Turbin uap air/Steam Turbine).

6.2. PRINSIP KERJA TURBIN

Pada roda turbin terdapat sudu dan fluida kerja mengalir melalui ruang di antara sudu tersebut. Apabila kemudian ternyata bahwa roda turbin dapat berputar, maka tentu ada gaya yang bekerja pada sudu. Gaya tersebut timbul karena terjadinya perubahan momentum dari fluida kerja yang mengalir di antara sudu. Jadi, sudu haruslah dibentuk sedemikian rupa sehingga dapat terjadi perubahan momentum pada fluida kerja tersebut. Hal ini akan dijelaskan dengan mempergunakan gambar 6-1.

Gambar 6 -1. Roda Sebuah Turbin

6.2.1. SUDU-SUDU TURBIN

Seperti telah diterangkan sebelumnya, melingkari permukaan roda turbin dipasang sudu-sudu. Oleh karena sudu tersebut bergerak bersama-sama dengan roda turbin, maka sudu tersebut dinamai sudu gerak. Pada sebuah roda turbin mungkin terdapat beberapa baris sudu gerak yang dipasang berurutan dalam arah aliran fluida kerja. Setiap baris sudu terdiri dari sudu yang disusun melingkari roda turbin, masing-masing dengan bentuk dan ukuran yang sama.

Turbin dengan satu baris sudu gerak saja, dinamai turbin bertingkat tunggal. Sedangkan turbin dengan beberapa baris sudu gerak dinamai turbin bertingkat ganda. Pada turbin bertingkat ganda fluida kerja mengalir malalui baris sudu yang pertama, kemudian baris kedua, ketiga, dan seterusnya. Tetapi sebelum mangalir ke setiap baris sudu berikutnya, fluida kerja melaui baris sudu yang bersatu dengan rumah turbin yang tidak bergerak berputar, disebut sudu tetap. Sudu tetap berfungsi mengarahkan aliran fluida kerja masuk ke dalam sudu gerak berikutnya, tetapi juga dapat berfungsi sebagai nosel. Gambar 5 - 2 menunjukkan baris sudu tetap dan sudu gerak.

Di dalam turbin bertingkat ganda, proses ekspansi dari fluida kerja dilakukan secara bertahap. Jadi, dari satu tingkat ke tingkat berikutnya, di mana satu tingkat terdiri dari satu baris sudu tetap dan satu baris sudu gerak. Tujuan penggunaan turbin bertingkat-ganda adalah untuk menaikkan efisiensi dan memperkecil kecepatan tangensial dari roda turbin yang bersangkutan. Faktor tersebut terakhir perlu diperhatikan berdasarkan pertimbangan kekuatan material yang dipergunakan, yaitu terhadap besarnya gaya sentrifugal yang terjadi sebagai akibat berputarnya roda turbin.

Gambar 6 -2. Baris Sudu Tetap Dan sudu Gerak

Celah antara puncak sudu dan rumah turbin harus dibuat sesempit-sempitnya agar supaya energi fluida kerja dapat sebanyak-banyaknya diubah menjadi kerja berguna. Disamping itu, pada umumnya roda turbin berputar dengan kecepatan tinggi. Oleh karena itu, roda turbin harus ada dalam keadaan keseimbangan dengan presisi yang tinggi untuk mengurangi getaran dan mencegah terjadinya kerusakan, terutama akibat goresan atau tumbukan antara (puncak) sudu gerak dengan rumah turbin, atau antara (puncak) sudu tetap dengan roda turbin.

6.2.2. FLUIDA KERJA

Air, uap air, dan gas dapat digunakan sebagai fluida kerja turbin. Maka turbin diberi nama sesuai dengan jenis fluida kerjanya. Dengan demikian, turbin uap, turbin gas, dan turbin air berturut-turut adalah turbin dengan uap, gas dan air sebagai fluida kerja. Oleh karena karakteristik uap, gas, dan air tidak sama, maka kondisi operasi dan karakteristik turbin uap, turbin gas, dan turbin air juga berbeda, masing-masing mempunyai cirri, keuntungan, kerugian serta kegunaan yang khas.

6.2.3. TURBIN IMPULS DAN TURBIN REAKSI

Dari segi pengubahan momentum fluida kerjanya, turbin dibagi menjadi dua golongan utama, yaitu turbin impuls dan turbin reaksi.

1. Turbin impuls,

Turbin impuls adalah turbin di mana proses ekspansi dari fluida kerja (proses penurunan tekanan) hanya terjadi di dalam sudu-sudu tetapnya saja atau penurunan entalpinya berlangsung pada sudu tetap atau pada nozel yang berfungsi sebagai sudu tetap. Jadi, dalam hal ini diharapkan tidak terjadi penurunan tekanan di dalam sudu gerak. Meskipun demikian, dalam kenyataannya penurunan tekanan (kecil) di dalam sudu gerak tak dapat dihindarkan berhubung adanya gesekan, aliran turbulen, dan kerugian energi lainnya.

Turbin impuls merupakan turbin sederhana berotor satu atau banyak (gabungan) yang mempunyai sudu impuls pada sudunya itu. Sudu impuls dapat dikenal dari bentuknya. Bentuknya simetris dan mempunyai sudut masuk dan sudut keluar masing-masing 20 ^o, dan biasanya pendek dengan penampang yang konstan, perhatikan gambar 6 - 3.

Gambar 6-3.

Diagram kecepatan dan Sudu-sudu turbin Impuls dengan tiga baris sudu gerak.

2. Turbin reaksi,

Turbin Reaksi adalah turbin di mana proses ekspansi dari fluida kerja terjadi baik di dalam sudu tetap maupun sudu gerak. Namun demikian ada kemungkinan sebuah turbin menggunakan sebuah roda turbin dengan baris sudu impuls dan reaksi. Sudu tetapnya dirancang sedemikian rupa sehingga jalur diantara sudu-sudu itu merupakan lubang aliran nozel. Sudu bergerak turbin reaksi dapan dibedakan dengan mudah dari sudu turbin impuls karena bentukya yang tidak simetris, perhatikan gambar 6-4. Karena berfungsi sebagian sebagai nozel maka bentuknya sama denga sudu tetap, walaupun arah lengkungnya berlawanan

Gambar 6-4. Diagram kecepatan dan Sudu-sudu turbin Reaksi dengan tiga baris sudu gerak.

6.3. TURBIN GAS

Turbin gas adalah turbin dengan gas sebagai fluida kerjanya. Sebenarnya turbin gas hanyalah merupakan komponen dari suatu sistem turbin gas seperti ditunjukkan pada gambar 6 – 5. Sistem turbin gas yang paling sederhana terdiri dari tiga komponen utama, yaitu; kompresor, ruang bakar dan turbin.

Gambar 4 – 5. Sistem turbin gas (motor turbojet)

Pengembangan turbin gas hingga bisa dibuat seperti sekarang ini, yaitu sampai bisa ekonomis untuk dipakai sebagai mesin penggerak yang menghasilkan daya dorong pada pesawat terbang dan untuk instalasi darat yang bisa dipakai untuk membangkitkan tenaga listrik, sudah menghabiskan waktu yang cukup lama. Karena sejak abad yang lalu telah dimulai usaha untuk mengembangkan turbin gas, tetapi kurang berhasil dan perkembanganya cukup lambat.

Namun saat ini perkembangan turbin gas sudah cukup pesat dan mempunyai arti yang sangat besar dalam mengikuti perkembangan teknologi moderen. Untuk menggerakkan pesawat terbang dengan daya yang sangat besar harus memakai turbin gas, karena ukuran luar dan berat dari turbin gas cukup ekonomis dan tidak bisa disaingi oleh motor bakar; skematic kerja turbin gas pada pesawat ditunjukkan pada gambar 6-6. Proses turbin gas dengan daya yang sangat besar juga telah dipakai pada teknik tenaga nuklir dengan memakai helium sebagai sebagai fluida kerjanya.

Gambar 6-6. Skematik dasar kerja turbin gas pada pesawat

Di industri turbin gas digunakan untuk menggerakkan bermacam-macam peralatan mekanik misalnya pompa dan kompresor serta generator listrik. Keuntungan penggunaannya turbin gas di industri bila dibandingkan dengan instalasi uap adalah :

1. Sistemnya secara keseluruhan mempunyai ukuran, berat dan biaya yang lebih kecil.

2. Instalasinya dapat dipasang dengan cepat dan dapat segera dioperasikan.

3. Mudah dikendalikan

4. Fleksible dalam menghasilkan berbagai kebutuhan instalasi.

5. Fleksibel dalam menggunakan berbagai macam bahan bakar cair dan gas.

6. Ramah lingkungan bila dibandingkan dengan penggerak mula lainnya.

Disamping beberapa keunggulannya, turbin gas mempunyai satu kelemahan utama yaitu

1. Efisiensi siklusnya yang masih rendah sehingga tidak digunakan sebagai penggerak mula untuk beban dasar yang besar.

2. Tidak cocok untuk bahan bakar padat.

Efisiensi siklus turbin gas dapat di tingkatkan dengan menaikkan suhu gas masuk untuk pembakaran dari 1100 ^oC menjadi 1260 ^oC. Dan sekarang para peneliti tentang turbin gas sedang berusaha terus untuk meningkatkan suhu ini sampai mendekati 1440 ^oC dan bahkan sampai 1640 ^oC dimasa yang akan datang. Salah satu cara untuk mengatasi masalah siklus yang rendah ialah dengan menggunakan turbin gas dalam siklus gabungan dengan turbin uap.

6.4.1. PRINSIP KERJA TURBIN GAS

Sebuah turbin gas sederhana seperti yang ditunjukkan pada gambar 6 -7 bekerja dengan sistem sebagai berikut : Udara atmosfer masuk ke dalam kompresor yang berfungsi mengisap dan menaikkan tekanan udara sehingga temperaturnya akan naik. Kemudian udara yang bertekanan dan bertemperatur tinggi itu masuk ke dalam ruang bakar. Di dalam ruang bakar disemprotkan bahan bakar ke dalam arus udara tersebut sehingga terjadi proses pembakaran. Proses pembakaran berlangsung pada tekanan konstan, sehingga boleh dikatakan ruang bakar hanyalah berfungsi untuk menaikkan temperature udara. Oleh karena itu ruang bakar dapat saja diganti dengan sebuah alat pemanas. Gas pembakaran yang bertemperatur tinggi itu kemudian masuk ke dalam turbin dan energinya digunakan untuk melakukan kerja memutar roda turbin.

Gambar 6-7. Proses kerja Turbin gas sederhana dan bagian-bagiannya.

Sebanyak ± 60 % daya yang dihasilkan turbin digunakan untuk memutar kompresornya sendiri dan sisanya sebanyak ± 40 % baru dapat digunakan untuk memutar beban turbin berupa generator listrik, pompa, kompresor, baling-baling dan sebagainya. Jadi, di dalam sistem turbin gas proses kompresi, pembakaran dan ekspansi terjadi di dalam komponen yang terpisah. Maka jelaslah perbedaannya dengan yang terjadi pada motor bakar torak yang konvensional, dimana proses kompresi, pembakaran dan ekspansi tersebut terjadi di dalam satu tempat yaitu di dalam silinder. Disamping itu, proses pembakaran pada sistem turbin gas berlangsung secara kontinu pada tekanan konstan, sedang pada motor bakar torak proses pembakaran terjadi secara periodic pada tekanan yang berubah.

1. Turbin gas penggerak pesawat terbang

Sementara itu, cara kerja dan konstruksi turbin gas yang digunakan untuk menggerakkan pesawat terbang ditunjukkan pada gambar 6 -8.

Gambar 4-8. Penampang turbin gas untuk menggerakkan pesawat terbang.

Cara kerjanya adalah sebagai berikut : kompresor tekanan rendah menghisap udara luar yang ada disekelilingnya, kemudian udara tersebut ditekan dan dimasukkan ke dalam kompresor tekanan tinggi untuk ditekan (dimampatkan) lagi, selanjutnya udara tekan ini dialirkan ke dalam ruang bakar. Di dalam ruang bakar disemprotkan bahan bakar ke dalam arus udara tersebut sehingga terjadi proses pembakaran. Gas hasil pembakaran yang terbentuk itu kemudian dimasukkan ke dalam turbin tekanan tinggi dan terus ke turbin tekanan rendah dan sesudah memberikan sisa gaya dorongnya, gas hasil pembakaran ini ke luar ke udara luar.

Dari gambar bisa dilihat bahwa ada 2 buah poros penggerak. Turbin tekanan rendah menggerakkan kompresor tekanan rendah dan melalui roda gigi transmisi menggerakkan propeller (baling-baling) sebagai daya yang berguna. Turbin tekanan tinggi menggerakkan kompresor tekanan tinggi. Kecepatan putar kedua turbin adalah berbeda, ukuran turbin dan kompresor kadang-kadang dibuat menurut teknik aliran fluida yang terbaik. Mekanisme kedua turbin tersebut tidak tergantung satu sama lainnya, sebagian dari poros turbin tekanan rendah berada di dalam poros turbin rekanan tinggi.

2. Turbin gas yang dipakan di industri

Sedangkan turbin yang dipakai di industri ditunjukkan pada gambar 6-9, bisa dilihat bahwa turbin, kompresor, generator listrik, motor untuk start semuanya berada dalam satu poros; pada umumnya ruang bakar diletakkan di sampingnya mesin.

Gambar 6-9. Skema turbin gas untuk industri

Proses kerjanya adalah sebagai berikut : kompresor menghisap udara luar dan menempatkannya kemudian dimasukkan ke dalam ruang bakar. Di dalam ruang bakar dimasukkan bahan bakar yang berbentuk gas atau berbentuk cairan ke dalam arus udara tersebut, sehingga terjadi proses pembakaran. Gas panas hasil pembakaran yang terjadi dialirkan ke dalam turbin gas, sehingga turbin gas akan menggerakkan kompresor dan menggerakkan generator listrik sebagai daya yang berguna; gas bekasnya dibuang ke udara luar dengan melalui cerobong.

6.4.2. MODEL TURBIN GAS

Pada dasarnya model turbin gas ada 2 macam yaitu model satu poros dan model dua poros. Turbin gas dengan satu poros seperti yang ditunjukkkan pada gambar 6-10, mempunyai kompresor, turbin dan beban pada satu poros yang berputar pada kecepatan tetap.Konsfigurasi ini digunakan untuk menggerakkan generator kecil dan generator besar.

Model turbin dengan dua poros seperti yang ditunjukkan pada gambar5-11, mempunyai dua poros yang berputar berlainan. Sisten poros yang pertama memiliki kompresor, ruang bakar dan turbin dimana kompresor menggerakkan turbin bertekanan tinggi (turbin I), sedangkan poros yang kedua menggerakkan turbin tekanan rendah (turbin 2) yang dihubungkan dengan dengan beban luar untuk menggerakkan beban tersebut.

Gambar 6 -10.

Turbin gas satu poros.

Gambar 4-11.

Turbin dua poros

Dalam kedua bagian tersebut, bagian sistem poros pertama yang bersisi kompresor, ruang bakar dan turbin tekanan tinggi disebut generator gas (gas generator). Dengan konsfigurasi dua poros, bebab pada turbin gas dapat digerakkan dengan kecepatan yang berubah-ubah sehingga sangat cocok penggunaan pada industri.

RANGKUMAN

Turbin adalah mesin penggerak yang komponen utamanya berupa baling-baling atau kincir yang digerakkan oleh fluida kerja berupa air, uap air, atau gas di mana energi fluida kerja dipergunakan langsung untuk memutar roda turbin. Jadi, berbeda dengan yang terjadi pada mesin torak, pada turbin tidak terdapat bagian mesin yang bergerak translasi yaitu tidak ada torak yang didesak oleh gas hasil pembakaran. Pada roda turbin terdapat sudu dan fluida kerja mengalir melalui ruang di antara sudu tersebut dengan gaya yang bekerja padanya. Turbin dengan satu baris sudu gerak saja, dinamai turbin bertingkat tunggal. Sedangkan turbin dengan beberapa baris sudu gerak dinamai turbin bertingkat ganda. Dari segi pengubahan momentum fluida kerjanya, turbin dibagi menjadi dua golongan utama, yaitu turbin impuls dan turbin reaksi.

Turbin gas adalah turbin dengan gas sebagai fluida kerjanya; sistem turbin gas yang paling sederhana terdiri dari tiga komponen utama, yaitu; kompresor, ruang bakar dan turbin. Sebuah turbin gas sederhana bekerja dengan sistem sebagai berikut : Udara atmosfer masuk ke dalam kompresor yang berfungsi mengisap dan menaikkan tekanan udara sehingga temperaturnya akan naik. Kemudian udara yang bertekanan dan bertemperatur tinggi itu masuk ke dalam ruang bakar. Di dalam ruang bakar disemprotkan bahan bakar ke dalam arus udara tersebut sehingga terjadi proses pembakaran Gas pembakaran yang bertemperatur tinggi itu kemudian masuk ke dalam turbin dan energinya digunakan untuk melakukan kerja memutar roda turbin.

SOAL POST TEST MODUL 6 TURBIN.

1. Jelaskan prinsip kerja sebuah turbin ?

2. Apa Itu Sudu turbin ? dan jelaskan fungsinya pada sebuah turbin ?

3. Jelaskan perbedaan antara sudu tetap dan sudu gerak ?

4. Apa yang dimaksud dengan turbin bertingkat ganda ? bagaimana proses kerjanya ?

5. Apa keuntungan utama dari turbin bertingkat ganda bila dibandingkan dengan turbin tunggal ?

6. Jelaskan perbedaan mendasar antara turbin impuls dan turbin reaksi ? gambarkan bentuk sudunya masing-masing ?

7. Jelaskan dimana terjadi proses kompresi dan proses ekspansi pada turbin gas ?

8. Jelaskan keuntungan dan kerugian pemakaian turbin gas ?

9. Jelaskan prinsip kerja sebuah turbin gas sederhana ? Gambarkan siklusnya ?

10. Mengapa turbin gas tidak bisa menggunakan semua daya yang dihasilkan untuk menggerakkan beban ?

11. Apa perbedaan utama antara turbin gas dengan motor bakar ?

12. Jelaskan cara kerja turbin gas yang digunakan untuk menggerakkan pesawat terbang ?

13. Jelaskan cara kerja turbin gas yang digunakan sebagai pembangkit daya pada sebuah industri ?

14. Apa perbedaan antara turbin gas dengan satu poros dan turbin gas dengan dua poros ?

BAHAN BACAAN.

1. M. M. EL-WAKIL, Instalasi Pembangkit Daya I, Terjemahan Ir. E. Jasifi, M.Sc, Erlangga, Jakarta, 1992.

2. Dietzel, Fritz, Turbin Pompa Dan Kompresor, terjemahan Ir. Dakso Sriyona. Erlangga, Jakarta, 1996.

3. Arismunandar, wiranto, Penggerak Mula Turbin, ITB Bandung, 1988.

4. Archie W. Culp, Jr, Darwin Sitoruk, Prinsip-prinsip konversi energi, Erlangga,1989...