TURBIN GAS

Cara kerja: Proses sederhana sistem terbuka
Pembahasan yang pertama sekali adalah mengenai masalah cara kerja dan
kostruksi turbin gas yang digunakan untuk menggerakkan pesawat terbang, yang sama
juga bila kita membahas secara singkat turbin gas yang dipakai, di industri. Cara kerja
turbin gas penggerak terbang sebagai berikut:


Kompresor tekanan rendah menghisap  udara luar yang ada disekelilingnya,
kemudian udara tersebut ditekan dan dimasukkan kedalam kompresor tekanan tinggi
untuk ditentukan (dimampatkan) lagi.

Selanjutnya udara tekan ini di alirkan kedalam ruang bakar. Didalam ruang bakar
disemprotkan bahan bakar kedalam arus  udara tersebut sehingga terjadi proses
pembakaran. Gas hasil pembakaran yang terbentuk itu kemudian dimasukkan kedalam
turbin tekanan tinggi selanjutnya terus ke turbin tekanan rendah, dan sesudah
memberikan sisa gaya dorongnya gas hasil pembakaran ini keluar menuju udara luar.

Dari gambar tersebut bisa dilihat bahwa ada buah paras penggerak yaitu :

1. Turbin tekanan rendah menggerakkan kompresor tekanan rendah dan melalui
roda gigi transmisi  menggerakan propeller (baling-baling) sebagai daya untuk
digunakan selanjutnya.

2. Turbin tekanan tinggi menggerakkan kompresor tekanan tinggi. Kecepatan putar
kedua turbin adalah, berbeda dimana ukuran turbin dan kompresor kadang-kadang
dibuat menurut teknik aliran fluids yang terbaik. Mekanisme kedua turbin tersebut
tidak saling mempengaruhi satu sama lainnya, karena sebagian dari paras turbin
tekanan rendah berada didalam paras turbin tekanan tinggi.


Sistem turbin gas sederhana 
Turbin gas ini disebut mempunyai proses  sederhana, karena fluids kerjanya
adalah udara biasa tanpa  harus diolah/dipersiapkan  lebih dahulu, cukup hanya
dimampatkan lebih dahulu kemudian dipakai untuk proses pembakaran bahan bakar. Gas
hasil pembakaran dengan entalpi yang tinggi inilah yang jadi fluidanya untuk bekerja.
Selain itu pembuangan panasnya juga sederhana tidak terlalu ruwet, karena gas bekasnya,
bisa dibuang ke udara luar. Pada prinsipnya dapat dibandingkan dengan proses kerja dari
instalasi tenaga uap yang cukup ruwet.

Daya yang dihasilkan turbin 
Pada instalasi tenaga uap turbin menggerakkan generator, dimana daya yang
dihasilkan turbin dengan daya generator sama besarnya. Untuk turbin gas keadaannya
berbeda, karena daya yang dihasilkan turbin harus dibagi menjadi sebagian untuk
menggerakkan, kompresor udara dan sebagian lagi untuk menggerakkan generator listrik.
Perbandingan dayanya kurang lebih 3:2:1 , misalnya agar dapat memutar generator listrik
yang mempunyai daya 1000 kW, turbin gas harus mempunyai daya dara membutuhkan
daya 3000 kW , karena kompresor udara membutuhkan daya 2000 kW.


Jalannya proses didalam diagram diagram p – v dan diagram T - s 
Jalannya proses siklus didalam turbin gas adalah sebagai berikut; bila mesin
kompresi dan mesin ekspansi sudah di putar, maka diantara kedua mesin tersebut
dimasukkan panas. Panas ini harus diubah menjadi daya mekanis semaksimal mungkin.
Untuk mendapatkan daya usaha yang sebesar mungkin, terdapat suatu permasalahan
antara temperatur, dan tekanan gas yang saling berhubungan satu dan lainnya dan untuk
mempermudah pengertian lebih dulu dibahas  proses yang terjadi didalam torak


Contoh Soal:
Berapakah besarnya daya yang berguna (daya effektif) teoritis tanpa kerugian dari suatu
proses siklus turbin gas, bila temperatur sebelum turbin yang diizinkan maksimum
t3 = 850 C
dan kompresornya mempunyai perbandingan tekanan µ = P2 / P1 = 6
Berapakah daya yang dihasilkan turbin teoritis bila banyaknya udara yang bekerja
didalam instalasi turbin ms = 20 kg / detik.
Jawab:
Perhitungan menurut persamaan  w yang berguna,
Wn              T3                        1
------    =   -------  .  (1  -   -----------  )   -  (µ ^(x-1)/x  –1)
 cp.T1                                    µ(x – 1 )/x
   
cp =  1,004 kJ / kg K =  Kapasitas panas spesifik
T1 = t1 + 273 = 15°C +  + 273°C = 288° K
T3 = 850
C + 273 C  = 1123 K
µ = 6
x = 1,4 untuk udara dan (x-1)/x = 0,285
  WN
---------   =   3,9 . 0,4 – 0,66 = 0,90
 Cp.T1
Bandingkan dengan harga-harga yang terdapat pada Gambar 7.
 
W yang berguna  =  0,90 . 1,004  .288  =  270 KJ/Kg
Bila kapasitas udara yang bekerja  m  = 20 Kg/detik, maka daya yang dihasilkan
instalasi turbin gas teoritis adalah : p = 270 kJ/kg . 20  kg/det  = 5400 kJ/det
                                                = 5400 kW.


Material (logam) untuk instalasi turbin gas 
Dengan makin tingginya temperatur operasi turbin gas, maka kekuatan logam
bahan instalasi turbinpun akan turun. Sifat material yang menentukan dalam pemilihan
logam untuk instalasi turbin gas adalah daya tahan/kekuatan logam untuk menerima
beban dalam jangka waktu yang lama (creep strength), atau pada beban berapa sesuatu
benda uji/logam dapat patah sesudah mengalami pembebanan dalam jangka waktu yang
tertentu, hal ini tergantung dari besarnya temperatur benda uji.


Bahan bakar untuk turbin gas 
Untuk turbin gas dengan proses sistem terbuka hanya bisa menggunakan bahan
bakar yang berbentuk cair atau gas, karena hasil proses pembakaran harus bebas dari sisasisa bahan bakar (abu) yang teras dan tidak menimbulkan korosi yang diakibatkan
peristiwa kimia.

Bahan bakar cair 
Minyak bakar asalnya dari minyak bumi yang mengandung campuran zat
hidrokarbon. Minyak bakar berat dan sedang adalah yang mula-mula sekali dipergunakan
untuk turbin gas pada industri. Minyak ini mengandung aspal dan bitumen, yang dapat
menyebabkan terbentuknya suatu endapan yang sukar terbakar diruang bakar dan disudu
-sudu turbin, dan abunya kebanyakan mengandung garam Natrium dan berkombinasi
dengan Vanadium. Bahan bakar diesel adalah  cocok untuk turbin gas, tetapi harganya
cukup mahal.

Bahan bakar berbentuk gas  
Bahan bakar yang berbentuk gas yang  biasanya digunakan untuk turbin gas
adalah gas dapur tinggi, gas bumi dan gas yang diperoleh dari instalasi penguapan gas
arang untuk industri. Gas dapur tinggi adalah barang sisa-sisa dan harganya murah, tetapi
nilai kalornya rendah. Gas bumi adalah bahan bakar yang ideal untuk turbin gas yang
mengandung Methan (CH4) dengan kadar 65 % sampai 92 %.


Konstruksi ruang bakar 
Udara yang telah dimampatkan dimasukkan kedalam ruang bakar. Luas
penampang yang dibutuhkan didapat dari satu persamaan kontinuitas, yaitu A = V/c.
Yang paling penting adalah memilih dan menentukan kecepatan udara di
beberapa sektor yang berlainan.


Kecepatan udara didaerah pembakaran harus mulai dari c = 25 m/detik sampai
dengan 30 m/detik. Bila c terlalu kecil, nyala api akan menyebar kearah komprensor, dan
sebaliknya hila kecepatan udara c terlalu besar, nyala api akan membesar kearah saluran
keluar ruang bakar. Hal ini  akan mengakibatkan temperatur di bagian masuk turbin
semakin tinggi, dan juga akan memadamkan api diruang bakar yang menyebabkan
timbulnya tegangan akibat adanya panas (thermal stress).
Dimana tegangan tersebut disebabkan  karena adanya pembagian temperatur
sebelum turbin yang tidak merata.


Konstruksi mesin 
Kompresor dan turbin mempunyai rotor yang sama, ditahan dua bantalan radial
dan satu bantalan aksial (kiri).Rumah mesin bagian luar umumnya terdiri dari rumah
bagian tengah, rumah bagian udara masuk dan rumah bagian dari gas bekas ke luar yang
satu sama lainnya dihubungkan dengan kuat .
Rotor
Rotor, pada Gambar 15. , konstruksinya terdiri dari beberapa piringan tersendiri yang
dilengkapi sudu, serta kedua ujungnya dan  bagian tengahnya dihubungkan satu sama
yang lain dengan prinsip jangkar tarik.
Bagian-bagian tersebut satu sama lain Baling memegang , dengan sistem Hirth
berkerat-kerat seperti gergaji.
Rotor menjadi ringan dan mempunyai kecepatan kritis dengan letaknya lebih
tinggi daripada kecepatan putar turbin. Bagian-bagian rotor dan sudu-sudu turbin
didinginkan dari dalam. Udara dimasukkan kedalam rotor melalui lubang yang terletak
dibagian belakang tingkat terakhir dari kompresor.
Rotor mengalami gaya gager aksial,  yang berlawanan dengan gaya gager
kompresor. Untuk kompresor arahnya ke kiri sedangkan untuk turbin arahnya ke kanan.


Ruang bakar  
Kedua ruang bakar terletak dan dihubungkan dengan flens di samping rumah
turbin, yang bertujuan sebagai saluran  untuk gas dan udara yang pendek sehingga
kerugian alirannya juga kecil.
Sa1uran gas panas dari ruang bakar ditempatkan di dalamnya saluran udara dari
kompresor, dengan demikian tidak membutuhkan isolasi panas yang khusus. Arus gas
akan belok 90.
 sebanyak dua kali, sebelum masuk kedalam turbin, dengan demikian akan
diperoleh suatu eampuran yang baik dan bebas dari gumpalan gas panas yang mengalir
tetapi tidak mau bercampur dengan udara.
Fundasi Mesin  
Instalasi ini ditumpu oleh 3 bush konstruksi rangka baja. Dibagian depan
kompresor dibuat sebagai, tangki minyak, dan diatasnya ditempatkan rumah sebagai
bantalan bagian depan. Rumah turbin ditumpu oleh dua buah penumpu tetap dan dua
buah penumpu, yang bisa bergerak.


Turbin gas 
Dasar-dasar untuk menentukan ukuran-ukuran ukuran utama turbin gas misalnya
Diameter tingkat D, dan kecepatan keliling u, panjang sudu pengarah dan panjang sudu
jalan, panas jatuh pada tingkat dari turbin dan jumlah tingkat sama dengan proses. turbin
uap, hanya perbedaannya adalah untuk turbin gas yang bertingkat banyak, selain bekerja
dengan proses tekanan lebih dengan r = 0,5, harga u/c1 = 0,7 sampai 0,8.
Sistem sudu-sudu turbin gas terdiri dari sudu pengarah yang ditempatkan didalam
rumah turbine Tingkat tekanan lebih r = 0,5 bekerja dengan kecepatan gas yang rendah.
Makin besar kecepatan keliling u, akan makin besar pula jumlah panas jatuh yang bekerja
didalam tingkat tersebut. Hal ini diperoleh dari hubungan antara u/c1 dimana c1 = 0,7
sampai 0,8 , dan dengan hst
 = c1^2 / 1000,
sekian