Prinsip Kerja Turbin Gas

TURBIN GAS / TURBIN UAP

K

etika Anda mengunjungi sebuah airport dan memandang pesawat yang ada disana, mungkin Anda tidak menyangka bahwa komponen yang (relatif) kecil tersebut memiliki daya yang luar biasa besar sehingga mampu untuk menerbangkan sebuah pesawat komersial melalui gaya lift sayapnya. Mesin yang digunakan pesawat itu adalah turbofan engines, salah satu jenis daripada turbin gas.

Ada beberapa jenis turbin yang saya ketahui :

· Mungkin anda pernah mendengar tentang steam turbine. Hampir kebanyakan pembangkit atau power plant menggunakan batubara, gas alam, minyak atau reaktor nuklir untuk memproduksi uap / steam. Uap tersebut akan dialirkan melalui turbin bertingkat dengan ukuran yang sangat besar dan dengan desain yang rumit, untuk memutar poros output turbin dimana poros inilah yang biasa digunakan untuk memutar generator pembangkit.

· Turbin air digunakan PLTA dengan menggunakan prinsip yang hampir sama dengan turbin uap untuk membangkitkan listrik. Turbin air secara desain atau bentuk berbeda dengan apa yang terlihat pada turbin uap, dikarenakan fluida kerja yang berupa air ini memiliki densitas yang lebih besar ( bergerak lebih lambat ) dibandingkan uap, namun secara prinsip kerja adalah sama.

· Sedangkan turbin angin menggunakan angin sebagai tenaga penggeraknya. Nah, kalo turbin yang satu ini sama sekali berbeda dengan kedua turbin di atas karena angin yang digunakan angin alam yang bergerak sangat lambat, ringan , namun sekali lagi turbin angin juga menggunakan prinsip yang sama.

Di dalam turbin gas, gas bertekanan tinggi memutar turbin. Pada mesin turbin gas modern sekarang ini , mesin itu bisa memproduksi gas bertekanan sendiri dengan membakar bahan seperti propana, natural gas, kerosene atau bahan bakar jet. Panas yang dihasilkan dari pembakaran tersebuat akan mengembangkan udara sehingga udara panas dengan kecepatan sangata tinggi ini mampu memutarkan turbin.

Pernahkah Anda membayangkan kenapa kendaraan tank M-1 tidak menggunakan mesin diesel namun malahan memakai turbin gas bertenaga 1.500 horsepower ? Ada 2 hal utama yang menjadi alasan sekaligus merupakan keuntungan daripada turbin gas :

· Mesin turbin gas memiliki rasio power-to-weight yang besar dibandingkan dengan mesin diesel reciprocating. Sudah barang tentu ini sangat bermanfaat untuk meminimaliskan bobot daripada tank M-1 namun tetap memiliki tenaga yang besar.

· Mesin turbin gas memiliki ukuran yang relatif lebih kecil dibanding dengan mesin reciprocating dengan daya yang sama.

Namun bukan berarti turbin gas tidak memiliki kelemahan dibanding mesin reciprocating , kelemahan tersebut yaitu masih mahalnya biaya rakit dan material komponennya. Hal ini wajar mengingat bahwa turbin gas beroperasi pada kecepatan dan pada temperatur yang sangat tinggi sehingga diperlukan perencanaan yang rumit sekaligus proses produksinya yang tidak mudah. Selain itu turbin gas juga cenderung lebih banyak menghabiskan bahan bakar saat mesin idle karena memang lebih banyak beroperasi pada beban kontan daripada fluktuatif. Hal – hal yang telah saya kemukakan tadi membuat kenapa turbin gas lebih suka dipakai pada mesin jet pesawat terbang dan juga pada pembangkit listrik. Sekarang Anda mungkin bisa membuat jawaban kenapa di bawah kap mesin mobil Anda tidak memakai turbin gas saja? : )

Proses Singkat Pada Turbin Gas

Turbin gas secara teori tidak begitu rumit untuk menjelaskannya. Terdapat 3 komponen atau bagian utama yaitu :

1. Compressor

menaikkan tekanan udara yang masuk

2. Combustion Area

Membakar bahan bakar yang masuk dan menghasilkan tekanan yang sangat tinggi begitu pula dengan kecepatannya.

3. Turbin

Mengkonversi energi dari gas dengan tekanan dan kecepatan yang tinggi hasil dari combustion area menjadi energi mekanik berupa rotasi poros turbin.

COMPRESSOR

COMBUSTION AREA

TURBIN

Pada Mesin Turbin seperti diatas, udara dengan tekanan normal masuk dihisap oleh compressor yang biasanya berbentuk silinder kerucut dengan beberapa fan blade yang terpasang berbaris ( 8 baris atau lebih ). Udara tersebut kemudian mengalami kompresi bertingkat, di beberapa mesin turbin kenaikan tekanan bisa mencapai faktor 30. Ada 2 macam kompressor yang digunakan yaitu axial flow dan radial flow.

RADIAL FLOW COMPRESSOR

AXIAL FLOW COMPRESSOR

	RADIAL FLOW	AXIAL FLOW
KEUNTUNGAN	· Efisien · Rasio kompresi tinggi ( 20:1 )	· Simple dan tidak mahal · Relatif ringan bobotnya.
KELEMAHAN	· Desain kompleks · Mahal	· Kurang efisien · Frontal Area yang besar · Rasio Kompresi terbatas ( 4:1 )

Udara bertekanan yang dihasilkan oleh kompressor tadi lalu masuk ke bagian Combustian Area dimanasebuah ring bahan bakar menginjeksikan bahan bakar dengan aliran konstan. Bahan bakar yang biasa digunakan disini adalah karosene, jet fuel, propana dan gas alam. Jika Anda berpikir sangat mudah untuk memadamkan api dari lilin dengan meniupnya, maka hal itulah yang menjadi masalah dalam desain di area pembakaran ini. Udara yang memasuki area ini adalah udara bertekanan tinggi dan mempunyai kecepatan hampir pada 100 mil per jam, sedangkan kita tetap ingin mempertahankan nyala api secara kontinyu di area tersebut. Komponen yang menjadi solusi permasalahan tersebut adalah sebuah flame holder atau can. Can ini berupa komponen pelindung api yang terbuat dari baja berat yang bentuknya berlubang-lubang. Setengah bagian dari can dapat dilihat pada gambar pandangan cross section di atas, dimana Injector di sebelah kanan. Udara bertekanan tinggi masuk melalui lubang-lubang can. Gas keluar di sebelah kiri dan memasuki turbin. Turbin ini merupakan satu set / satu unit dengan kompresor dan poros.

Di bagian paling kiri sendiri pada gambar di atas adalah yang disebut final turbine stage. Turbin ini memutarkan poros keluaran / output. Kedua bagian terakhir ini tidak terkoneksi dengan apapun, jadi unit bebas, tidak terkait dengan komponen turbin lainnya. Sedangkan pada kasus penggunaan turbin pada kendaraan tempur tank atau sebuah pembangkit listrik, gas buang tidak berguna sehingga akan dibuang melaui sebuah saluran pipa buang. Namun terkadang energi panas gas buang bisa berguna untuk alat penukar kalor atau untuk preheating sebelum udara masuk kompresor.

Penjelasan saya mengenai turbin gas di atas sebenarnya hanya merupakan penjelasan singkat dan simpel. Belum dibahas mengenai bantalannya, sistem pelumasan, struktur pendukung internal mesin, stator vane dan sebagainya. Semua topik itu menjadi permasalahan serius bagi perencana turbin mengingat turbin gas beroperasi pada tekanan, temperatur, dan kecepatan yang sangat tinggi.