PRINSIP DASAR TURBIN UAP

2.1 Tinjauan Secara Umum 

Salah satu jenis penggerak mula yang dipakai di industri adalah mesin kalor, yaitu suatu mesin yang menggunakan energi panas untuk melakukan kerja mekanik atau suatu mesin di mana energi panas dapat dirubah menjadi energi mekanik.

Energi itu sendiri dapat diperoleh akibat pembakaran bahan bakar, fisi bahan bakar nuklir atau proses yang lain.

Dilihat dari cara memperoleh panas, maka  mesin  kalor  dapat  dibagi atas dua bagian , yaitu :   
a. Mesin pembakaran luar (External combustion engine).
    Ini berarti bahwa panas diperoleh dari proses pembakaran di luar mesin sendiri.
    Contoh : mesin uap dan turbin uap.          
b. Mesin pembakaran dalam (Internal combustion engine).
    Ini  berarti bahwa panas diperoleh dari proses pembakaran di dalam mesin itu sendiri.
    Contoh : motor bensin, motor diesel, motor gas dan turbin gas.

Turbin atau turbine berasal dari kata turbo (Yunani) yang artinya putar. Dalam hal ini turbin mempunyai komponen utama berupa sudu-sudu atau kincir yang digerakan oleh aliran uap, gas atau air dan tidak ada torak yang digerakan oleh aliran. Aliran, gas air atau angin dapat terjadi di alam sebagai aliran udara, air dan berupa aliran sungai atau air terjun.

Turbin yang bekerja dengan aliran-aliran alamiah ini dipakai bila ada tenaga aliran atau energi alam tersedia. Akan tetapi aliran tersebut dapat kita buat misalnya uap dan gas.

Bilamana fluida kerjanya adalah uap, maka dinamai turbin uap atau steam turbines, yaitu pesawat penggerak yang mengubah energi potensial uap menjadi energi kinetik, yang selanjutnya diubah menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran poros turbin.

Turbin uap pertama kali dibuat oleh William Avery (Amerika) pada 1831 untuk menggerakan mesin gergaji. Selanjutnya teori berkembang mengikuti aplikasinya. Parsons, Charles G. Curtis dan Carl Gustav Patrik mengembangkannya dengan membuat turbin-turbin uap yang lain, dengan susunan sudu lebih dari satu baris.

2.2  Prinsip Kerja dan Klasifikasi Turbin Uap

2.2.1  Prinsip Kerja Turbin Uap

Skema dari sebuah sistem turbin uap tertutup dapat dilihat pada gambar 1. Sistem tersebut terdiri dari beberapa komponen utama yaitu ketel uap, turbin yang menggerakan beban,kondensor dan pompa air ketel. Dengan demikian turbin hanya merupakan salah satu komponen saja dari suatu sistem tenaga. Di dalam  turbin, tekanan dan temperatur uap turun, selama itu uap meninggalkan turbin dan masuk ke dalam kondensor. Kondensor adalah suatu alat yang berfungsi untuk mengembunkan uap dengan jalan mendinginkannya.

Air pengembunan yang terjadi di dalam kondensor disebut kondensat. Dengan pertolongan sebuah pompa air dari kondensor dialirkan ke ketel uap. Pompa tersebut biasanya diletakkan lebih rendah atau di bawah kondensor, oleh karena pada umumnya kondensor bekerja dengan tekanan vakum. Oleh karena ada kemungkinan kebocoran uap, maka perlu dimasukkan air tambahan (make up water), sebanyak 3-4 % kapasitas produksi uap atau lebih, sesuai dengan sistem yang dipergunakan. 

   

Siklus ideal dari suatu sistem turbin uap sederhana adalah siklus Rankine tertutup yang dapat digambar pada diagram T vs s atau pada diagram h vs s sperti terlihat pada gambar 2 dan 3.

Daerah dibawah garis lengkung k - K - k’ pada diagram T - s dan h - s merupakan daerah campuran fasa cair dan uap. Uap di dalam daerah tersebut biasanya juga dinamakan basah. Garis k - K dinamai garis cair (jenuh), dimana pada dan di sebelah kiri daerah tersebut air ada di fasa cair. Sedangkan garis K - k’  dinamai garis uap jenuh, di mana pada dan di sebelah kanan garis tersebut air ada dalam fasa uap (gas).

Uap di mana temperatur dan tekanan pada titik tersebut berturut-turut dinamai temperatur kritis dan tekanan kritis.

Pada titik kritis keadaan cair jenuh dan uap jenuh adalah identik. Untuk air, tekanan kritisnya Pc = 218,3 atm (3206,2 psia) dan temperatur kritisnya adalah Tc = 374,2 oC  (7045,4 oF). Pada tekanan lebih tinggi dari Pc tidak dapat diketahui dengan pasti bilamana dan di mana perubahan dari fasa cair ke fasa uap. Tetapi dalam hal tersebut biasanya dikatakan bahwa air ada dalam fasa cair apabila temperaturnya di bawah Tc dan ada dalam fasa uap apabila temperaturnya lebih tinggi dari pada Tc.

Siklus Rankine tertutup terdiri dari beberapa proses sebagai berikut :
1 ---> 2  Proses pemompaan isentropis di dalam pompa.
2 ---> 2’ ---> 3 Proses  pemasukan  kalor  atau  pemanasan  pada tekanan konstan  di dalam ketel.
3 ---> 4   Proses ekspansi isentropik di dalam turbin atau mesin uap lainnya.
4 ---> 1  Proses   pengeluaran  kalor   atau   pengembunan   pada   tekanan konstan di dalam kondensor.

Meskipun demikian, masih banyak variasi dari siklus Rankine tersebut di atas. Misalkan kemungkinan diadakannya pemanasan lanjut dari 3 ---> 3’ sehingga siklusnya menjadi 1 ---> 2 ---> 3---> 3’ ---> 4’ ---> 1.

Menurut hukum termodinamika, kerja yang dihasilkan oleh suatu proses siklus adalah sama dengan jumlah perpindahan kalor pada fluida kerja selama proses siklus tersebut berlangsung.    

Selanjutnya,secara  singkat prinsip kerja turbin uap adalah sebagai berikut:

Uap masuk ke dalam turbin melalui nosel. Di dalam nosel energi panas dari uap dirubah menjadi energi kinetis dan uap mengalami pengembangan.

Tekanan uap pada saat keluar dari nosel, lebih kecil dari pada saat masuk ke dalam nosel, akan tetapi sebaliknya kecepatan uap keluar nosel lebih besar dari pada saat masuk kedalam nosel.

Uap yang memancar keluar dari nosel diarahkan ke sudu-sudu turbin yang berbentuk lengkung dan dipasang di sekeliling roda turbin. Uap yang mengalir melalui celah-celah di antara sudu-sudu turbin itu dibelokkan arahnya mengikuti lengkungan dari sudu turbin. perubahan kecepatan uap ini menimbulkan  gaya yang mendorong sudu dan kemudian memutar roda dan poros turbin.

Jika uap masih mempunyai kecepatan saat meninggalkan sudu turbin, berarti hanya sebagian energi kinetis dari uap yang diambil oleh sudu-sudu turbin yang berjalan. Supaya energi kinetis yang tersisa saat meninggalkan sudu turbin dapat dimanfaatkan, maka pada turbin umumnya dipasang lebih dari satu baris sudu gerak. Sebelum memasuki baris kedua sudu gerak, arah kecepatan uap harus    dirubah lebih dahulu. Maka di antara baris pertama dan baris kedua sudu gerak dipasang satu baris sudu tetap (guide blade) yang berguna untuk mengubah arah kecepatan uap, supaya uap dapat masuk ke baris kedua sudu gerak dengan arah yang tepat.

Kecepatan uap saat meninggalkan sudu gerak yang terakhir harus dapat dibuat sekecil mungkin, agar energi kinetis yang tersedia dapat dimanfaatkan sebanyak mungkin. Dengan demikian effisiensi turbin menjadi lebih tinggi karena kehilangan energi relatif kecil.

2.2.2  Klasifikasi Turbin Uap

    Turbin uap dapat diklasifikasikan dalam kategori yang berbeda-beda, misalnya :

a. Menurut jumlah tingkat tekanan.

• Turbin   satu  tingkat  dengan  satu  atau  lebih tingkat  kecepatan  yang biasanya berkapasitas kecil.
• Turbin  nekatingkat  yang biasanya dalam jangka kapasitas yang luas dari yang kecil hingga yang besar.    

b. Menurut arah aliran uap.

• Aksial dan radial.

c. Menurut jumlah silinder.

• Tunggal, ganda atau lebih dari dua.

d. Menurut prinsip aksi uap.

• Turbin aksi atau turbin tekanan rata.
• Turbin reaksi atau turbin tekanan lanjut.

e. Menurut proses penurunan kalor.

• Turbin kondensasi.
• Turbin tanpa kondensasi.

f. Menurut kondisi uap pada sisi masuk.

• Turbin tekanan rendah, tekanan uap 1,2 sampai 2 ata.
• Turbin takanan menengah, tekanan uap sampai 40 ata.
• Turbin tekanan tinggi, tekanan uap di atas 40 ata.
• Turbin tekanan sangat tinggi, tekanan uap 170 ata atau lebih dari temperatur diatas 550oC.

Lebih lanjut yang akan dibahas adalah turbin jenis aksi dan reaksi.

Turbin Impuls.

Gbr. 3 Grafik Tekanan dan Kecepatan Turbin Impuls

Pada turbin ini seluruh tekanan uap diubah menjadi kecepatan dalam satu pipa pancar, dengan kata lain uap hanya mengembang di dalam pipa pancar yang diam. Sedangkan selama melalui sudu-sudu gerak tekanan uap tetap, karena itulah maka disebut turbin tekanan rata atau tingkat kecepatan.

Keadaan aliran uap di dalam turbin tersebut di atas dapat diterangkan dengan menggunakan grafik tekanan dan kecepatan absolut seperti yang terlukis pada gambar 3 dan 4.

Dalam turbin impuls sederhana,uap diekspansikan di dalam satu nosel atau satu baris nosel yang masing-masing bekerja dengan tekanan yang sama. Dalam hal ini kecepatan uapnya naik. Setelah itu uap mengalir ke dalam baris sudu gerak dengan tekanan konstan. Tetapi kecepatan absolutnya turun karena energi kinetik uap diubah menjadi kerja memutar roda turbin.

Uap yang keluar dari turbin masih berkecepatan tinggi, oleh karena itu merupakan kerugian energi. Salah satu cara mencegah kerugian tersebut adalah dengan mengekspansikan uap secara bertahap di dalam turbin bertingkat ganda, seperti yang telah dijelaskan sebelumnya.

Walaupun uap hanya diekspansikan di dalam nosel (baris sudu tetap pertama) dan selanjutnya tekanannya konstan, turbin tersebut masih termasuk dalam golongan turbin impuls karena di dalam baris sudu gerak tidak terjadi ekspansi (penurunan tekanan). Meskipun tekanan uap di dalam sudu geraknya konstan, kecepatan absolutnya turun karena sebagian dari energi uap diubah menjadi kerja memutar roda turbin. Kecepatan uap di dalam baris sudu tetap berikutnya tidak naik karena tekanannya konstan. Dalam hal tersebut terakhir sudu tetap dibentuk sedemikian rupa sehingga tidak terjadi ekspansi.

Gbr 4. Perbedaan Turbin Impuls dan Reaksi (wikipedia)

Turbin Reaksi.

Gbr. 5 Grafik Tekanan dan Kecepatan Turbin Reaksi

Pada turbin reaksi, proses ekspansi  (penurunan tekanan)  terjadi  baik di dalam baris sudu tetap maupun sudu geraknya. Turbin reaksi juga dinamai turbin Parsons sesuai dengan nama pembuatnya yang pertama, yaitu Sir Charles Parsons. Grafik tekanan dan kecepatan absolut dari uap di dalam turbin reaksi dapat dilihat pada gambar 4 dan 5.

Dalam hal ini baris sudu tetap maupun sudu geraknya berfungsi sebagai nosel, sehingga kecepatan relatif uap keluar setiap sudu lebih besar dari kecepatan relatif uap masuk sudu yang bersangkutan. Meskipun demikian, kecepatan absolut uap keluar sudu gerak lebih kecil dari pada  kecepatan absolut uap masuk sudu gerak yang bersangkutan, oleh karena sebagian energi kinetiknya diubah menjadi kerja memutar roda turbin.

Adapun sebagai pendukung pusat listrik tenaga uap ini digunakan beberapa alat bantu (auxiliary equipments) untuk membantu proses siklus turbin uap berjalan dengan baik, seperti :

• Sistem pelumas (lube oil system).
• Sistem bahan bakar (fuel system).
• Sistem pendingin (cooler system).
• Sistem udara kontrol (air control system).
• Sistem udara servis (air service system).
• Sistem hidrolik (hydraulic system).
• Sistem udara tekan (air pressure system).
• Sistem udara pengkabutan (atomizing air system).

Daftar Pustaka

1. Arismunandar Wiranto, Penggerak Mula Turbin, Penerbit ITB, Bandung 1988.
2. Shlyakin P., Steam Turbines, Theori And Design, Foreign Language House, Moscow.
3. Stodola A., Steam and Gas Turbines, Vol.I, Mc. Graw Hill Book Company Inc.,New Y