Komponen-komponen Turbin Gas

0
244

Pada kesempatan kali ini kita akan membahas komponen-komponen utama turbin gas. Pembahasan ini akan kita fokuskan pada mesin turbin gas yang dipergunakan pada pembangkit listrik. Sedangkan turbin gas propulsi, atau yang lebih kita kenal sebagai mesin turbojet, akan kita bahas komponen-komponen utamanya pada kesempatan selanjutnya.

image

Sistem turbin gas yang dipergunakan pada sebuah pembangkit listrik tenaga gas (PLTG), sebenarnya memiliki tiga komponen yang paling utama. Komponen tersebut adalah kompresor, ruang bakar atau combustion chamber, dan turbin. Namun tentu saja terdapat berbagai komponen pendukung yang juga cukup penting keberadaannya. Berikut akan kita bahas secara lebih mendalam komponen-komponen sistem turbin gas PLTG tersebut:

Filter Inlet Kompresor (Air Intake Segment)
Fluida kerja turbin gas adalah udara atmosfer. Debit aliran udara yang dibutuhkan oleh mesin ini sangat besar. Sehingga udara yang masuk ke dalam sistem turbin gas harus sangat bersih. Partikel-partikel pengotor seperti debu dan pasir tidak boleh ikut terbawa masuk, karena tentu saja partikel-partikel tersebut dapat mengikis sudu-sudu kompresor dan turbin. Seperti gambar dibawah ini:

image

sistem turbin gas selalu dilengkapi dengan filter inlet udara. Filter ini berfungsi untuk mencegah partikel-partikel pengotor masuk ke dalam sistem turbin gas. Hal tersebut dikarenakan adanya berbagai macam resiko yang mungkin terjadi jika partikel-partikel tersebut masuk ke dalam sistem turbin gas.

Berikut adalah resiko-resiko tersebut:

> Kerusakan parah akibat masuknya benda-benda asing seperti batu, kerikil, kayu, dan lain sebagainya.
> Pasir dan debu dapat mengerosi atau mengikis komponen-komponen turbin gas secara perlahan.
> Partikel-partikel halus juga dapat membentuk kerak di area sudu-sudu jika berkombinasi dengan air, uap minyak, dan garam-garaman.
Jika partikel pengotor mencapai temperatur leburnya pada sisi keluaran combustion chamber, sangat mungkin ia akan bereaksi fusi dengan permukaan sudu turbin sehingga dapat mengubah struktur kimia dan sifat-sifat fisiknya.
> Kerusakan terakhir yang mungkin terjadi adalah korosi pada sudu-sudu kompresor dan turbin akibat masuknya zat-zat asing seperti garam-garaman, asam-asaman, uap, atau juga gas-gas aktif seperti klorin, oksida, dan sulfit.

image

Penentuan jenis filter turbin gas sangat bergantung pada kondisi lingkungan sekitar. Turbin gas yang dibangun di area gurun pasir tentu menggunakan tipe filter yang berbeda dengan jika dibangun di area sekitar hutan. Pemilihan filter yang tepat sangat berpengaruh terhadap performa dan usia kerja turbin gas, dan juga dapat mengurangi kebutuhan perawatan rutin turbin gas tersebut.

Kompresor ( Compressor Segment)
Berdasarkan Siklus Brayton, kompresor pada sistem turbin gas berfungsi untuk memampatkan udara sehingga ekspansi udara pada saat keluar dari combustion chamber, terjadi secara maksimal. Udara atmosfer masuk ke sisi inlet kompresor setelah melewati filter udara. Pada sisi outlet kompresor, udara telah berada pada rasio tekanan tertentu dan siap untuk masuk ke ruang bakar.
Kompresor sentrifugal dan axial menjadi dua tipe kompresor yang diaplikasikan pada sistem turbin gas. Kompresor sentrifugal lebih banyak digunakan pada sistem turbin gas yang berukuran kecil seperti mesin turbojet, karena kemampuannya yang hanya mampu menghasilkan rasio kompresi hingga 3,5:1. Sedangkan kompresor axial lebih banyak digunakan pada turbin gas berukuran besar. Hal tersebut dikarenakan satu stage sudu kompresor aksial memiliki rasio kompresi 1,1:1 hingga 1,4:1. Dan jika menggunakan sistem multistage sudu, rasio kompresi dapat mencapai hingga 40:1.

image

Satu stage kompresor aksial tersusun atas dua bagian sudu yakni rotor dan stator. Sudu rotor berbentuk aerofoil (semacam sayap pesawat) berfungsi untuk mengakselerasi udara sehingga kecepatannya meningkat. Sedangkan sudu stator berbentuk difuser, yang berfungsi untuk mengkonversi kecepatan udara tersebut menjadi tekanan. Sehingga prinsip kerja kompresor aksial pada turbin gas ini adalah dengan mengakselerasi kecepatan udara, diikuti dengan pengkonversian kecepatan udara tersebut menjadi tekanan oleh difuser. Pada sisi akhir stator terdapat difuser yang berfungsi untuk meningkatkan tekanan udara serta mengontrol kecepatannya sebelum masuk ke area combustion chamber.

image

Combustion Chamber
Udara bertekanan dari kompresor akan masuk menuju ruang bakar yang biasa disebut combustion chamber atau combustor. Di dalam combustor, oksigen dalam udara akan bereaksi dengan bahan bakar sehingga menghasilkan panas. Panas tersebut diserap oleh komponen udara sisa seperti nitrogen sehingga udara hasil pembakaran mengalami semacam pemuaian secara cepat.

image

Combustor turbin gas tersusun atas beberapa komponen yang penting untuk diketahui.

Berikut adalah komponen-komponen tersebut:

Casing. Casing ruang bakar pada turbin gas berfungsi utama sebagai dinding yang membatasi proses bertekanan tinggi yang ada di dalam ruang bakar, dengan udara yang bertekanan atmosfer. Casing ini tidak terlalu terekspos dengan temperatur tinggi karena di sisi dalamnya merupakan tempat udara mengalir sebelum masuk ke dalam ruang bakar yang sebenarnya.

 

image

Difuser. Difuser ini dilewati oleh udara kompresi sesaat sebelum masuk ke ruang bakar. Tujuan dari adanya difuser ini adalah untuk menurunkan kecepatan aliran udara, dan meningkatkan lagi tekanan kerja. Sehingga nantinya proses pembakaran terjadi dengan kecepatan yang optimal.
> Dome/Swirler. Swirler menjadi tempat masuknya udara primer ke dalam ruang bakar. Komponen ini didesain khusus sehingga dapat menciptakan aliran turbulen pada saat udara primer masuk ke dalam dome.
> Injektor Bahan Bakar. Injektor menjadi tempat masuknya bahan bakar ke dalam ruang bakar. Bersama-sama dengan swirler, injektor bertugas menciptakan kondisi sehingga terjadi pencampuran yang tepat antara udara dengan bahan bakar.

image

> Ignitor. Komponen ini sama seperti busi pada mesin mobil atau sepeda motor. Ia berfungsi sebagai pemantik api sehingga proses pembakaran dapat terjadi. Ignitor ini menggunakan arus listrik untuk menciptakan percikan api. Dan biasanya hanya digunakan pada proses awal penyalaan turbin gas, jika api di dalam ruang bakar sudah menyala, maka ignitor akan otomatis mati.
> Liner. Liner inilah yang menjadi dinding sebenarnya dari proses pembakaran. Pada dinding liner ini terdapat lubang-lubang yang berfungsi untuk mengatur masuknya udara sekunder dan tersier ke dalam ruang bakar.

Udara terkompresi yang masuk ke combustor terbagi menjadi empat bagian, udara primer (primary air), udara sekunder (secondary air), udara tersier, dan udara pendingin. Udara primer masuk melalui swirler, menciptakan aliran turbulen sehingga pencampuran udara dengan bahan bakar menjadi optimal. Pada proses ini udara primer juga berfungsi untuk mengevaporasi bahan bakar, karena selain udara primer ini bertekanan, ia juga memiliki temperatur yang tinggi karena proses kompresi sebelumnya.

image

Campuran udara dan bahan bakar kemudian terbakar dan menuju ke zona pembakaran. Di zona pembakaran ini udara sekunder masuk ke dalam liner dan jumlah oksigen yang masuk menyempurnakan proses pembakaran. Secara ideal, udara sekunder ini bertugas mengirim oksigen ke ruang bakar untuk bereaksi dengan bahan bakar, sehingga tidak ada bahan bakar sedikitpun yang belum terbakar pada saat udara panas keluar dari combustion chamber.

Udara tersier, atau juga biasa disebut dengan delution air, masuk ke dalam ruang bakar pada sisi akhir ruang tersebut. Udara ini berfungsi untuk menyerap secara lebih merata keseluruhan energi panas yang telah dibangkitkan oleh proses pembakaran. Penyerapan energi panas yang merata ini akan diikuti dengan ekspansi volume udara (sebut juga pemuaian cepat) yang lebih merata. Sehingga udara panas yang keluar dari combustion chamber memiliki temperatur, atau sebut saja energi panas, yang merata pada semua bagian.

image

Udara pendingin adalah bagian terakhir udara terkompresi yang masuk ke dalam ruang bakar. Udara ini masuk melalui lubang-lubang kecil liner, dan membentuk lapisan film tipis untuk mendinginkan plat liner. Sehingga panas yang dihasilkan proses pembakaran lebih optimal diserap oleh udara terkompresi, dan tidak terserap justru komponen-komponen combustor.

Turbin Gas
Ada dua tipe turbin gas yang selama sejarah pengembangannya digunakan untuk kebutuhan pembangkit tenaga listrik. Keduanya adalah turbin gas tipe aksial dan sentrifugal. Namun pada prakteknya, turbin gas tipe aksial lebih lazim digunakan karena lebih efisien ketimbang tipe sentrifugal.

image

Selain ada dua tipe di atas, turbin gas juga dapat berupa turbin impuls maupun turbin reaksi. Turbin impuls adalah turbin yang putaran porosnya diakibatkan oleh tumbukan fluida bertekanan ke sudu-sudu rotor. Sedangkan turbin reaksi adalah turbin yang putaran rotornya diakibatkan oleh dorongan fluida kerja yang menyemprot keluar dari sudu-sudu rotor. Penerapan turbin impuls atau reaksi pada turbin gas, ditunjukan dengan bilangan rasio reaksi.

image

Ciri-ciri turbin gas tipe impuls adalah posisi nozzle yang terletak pada sisi stator. Sedangkan sudu rotor murni berfungsi menerima tumbukan dari udara panas, dan hanya membelokan arah udara sekitar 90°. Nozzle pada sisi stator berfungsi untuk merubah energi panas pada udara, menjadi kecepatan kinetik. Kecepatan kinetik udara tersebut akan menabrak sudu rotor, dan sudu rotor ini akan merubah kecepatan kinetik udara menjadi kecepatan mekanis. Tampak pada diagram di atas, bahwa peningkatan kecepatan kinetik terjadi pada setiap tingkatan nozzle stator. Dan penurunan tekanan statik udara hanya terjadi pada setiap tingkatan sudu rotor. Turbin impuls jika ditunjukan dengan bilangan rasio reaksi, maka turbin impuls adalah turbin reaksi yang memiliki angka rasio reaksi nol (R = 0)

Turbin reaksi murni memiliki angka rasio reaksi satu (R = 1). Nozzle pada turbin reaksi murni terletak hanya pada sisi rotor. Sehingga perubahan energi panas menjadi energi kinetik, hanya terjadi pada setiap sudu rotor. Sudu stator hanya berfungsi untuk membelokan arah aliran udara panas kembali ke rotor stage selanjutnya. Energi kinetik yang dibangkitkan oleh sudu rotor ini, langsung dikonversikan menjadi energi mekanik putaran rotor oleh sudu rotor tersebut. Turbin reaksi murni tipe ini sangat tidak praktis, karena kecepatan putaran rotor harus sangat cepat untuk mendapatkan efisiensi yang tinggi.

image

Turbin gas dengan rasio kompresi 0,5 memiliki efisiensi yang paling baik. Tidak salah jika turbin jenis ini adalah yang paling banyak diaplikasikan di berbagai kebutuhan termasuk untuk pembangkit tenaga listrik. Pada turbin reaksi ini, sudu rotor dan stator didesain sebagai nozzle. Sehingga perubahan energi panas di dalam udara menjadi energi kinetik, terjadi pada setiap tingkatan sudu. Nampak pada gambar di atas bahwa penurunan tekanan statik juga terjadi pada setiap tingkatan sudu.

Sistem Bearing dan Lubrikasi
Sama dengan turbin uap, turbin gas menggunakan dua tipe bearing wajib yaitu journal bearing dan thrust bearing. Journal bearing adalah bearing yang berfungsi untuk menahan beban berat dari seluruh komponen turbin gas. Sedangkan thrust bearing bertugas untuk menahan beban aksial yang muncul pada komponen-komponen turbin gas akibat gaya dorong aksial udara panas bertekanan di dalamnya.

image

Pada sebuah hasil percobaan yang dirilis oleh Fakultas Teknik Mesin Universitas Tokyo, menunjukan bahwa beban aksial dan radial pada saat proses penyalaan awal gas turbin, bernilai sangat fluktuatif. Oleh karena itu, penggunaan thrust dan journal bearing harus didesain dengan tepat. Beberapa parameter yang mempengaruhi desain bearing antara lain adalah beban total, kecepatan putaran rotor, sistem lubrikasi yang digunakan, susunan shaft, target keawetan, sistem mounting, dan kondisi lingkungan.

image

 

Sistem bearing pada turbin gas tidak dapat dilepaskan dari sistem lubrikasi oli. Pada saat turbin gas beroperasi, permukaan journal bearing dan thrust bearing terbentuk lapisan film oli sebagai pelapis bertemunya permukaan bearing dengan stator maupun rotor. Oli lubrikasi ini disirkulasikan dengan melewati filter dan heat exchanger untuk menjaga agar oli tetap bersih dan dingin.

image

Sistem Labyrinth Seal
Labyrinth seal pada turbin gas berfungsi untuk mencegah udara bertekanan di dalam sistem gas turbin bocor keluar atmosfer melalui sela-sela antara stator dan rotor. Sistem seal ini menggunakan sebuah komponen berbentuk kelak-kelok untuk memecah tekanan udara tinggi sehingga udara bertekanan tidak sampai bocor keluar sistem. Labyrinth seal sangat efektif digunakan pada turbin gas maupun turbin uap, karena ukuran kedua mesin tersebut yang besar menyebabkan tidak mungkin menggunakan sistem seal konvensional seperti gland packing atau mechanical seal.

(source member/ at)

LEAVE A REPLY