BAB II TINJAUAN PUSTAKA II.1. Pengertian Turbin Turbin adalah salah satu mesin pengerak dimana mesin tersebut merupakan pesawat konversi, untuk mengkonversikan energi potensial fluida menjadi energi kinetis dan kemudian dirubah lagi menjadi energi gerak. Berdasarkan fluida yang digunakan, maka turbin terbagi atas tiga bagian : - Turbin Air - Turbin Uap - Turbin Gas Dari ketiga turbin diatas ditemui beberapa persamaan antara lain : 1. Nozzle berfungsi untuk merubah energi potensial fluida menjadi energi kinetik. 2. Moving Blade berfungsi untuk merubah tenaga kinetik menjadi tenaga mekanik. 3. Disc Blade berfungsi untuk meneruskan tenaga dari moving blade ke poros, dimana moving terpasang kuat pada disc. 4. Poros berfungsi untuk meneruskan daya dari disc untuk dipergunakan selanjutnya. 5. Rumah Turbin berfungsi untuk tempat rotor dan perlengkapan lainnya. II.2. Sejarah Turbin Uap
Turbin berasal dari bahasa latin, yang asal katanya turbo artinya berputar. Turbin uap adalah pesawat tenaga yang bekerja merubah energi potensial (berupa energi panas uap) menjadi energi listrik mekanik pada poros turbin sebelum dikonversikan menjadi energi mekanik, terlebih dahulu dikonversikan menjadi energi kinetik dalam nozzle (pada turbin implus), atau dalam nozzle dari sudu-sudu pada turbin reaksi. Ide untuk membuat turbin sudah lama sekali, ini ternyata dari hasil karya seorang Alexandria yang bernama Hero. Dimana Ia telah membuat turbin reaksi pada tahun 120 sebelum Masehi seperti gambar 2.1. Gambar 2.1. Hero s Engine Selang beberapa abad yaitu pada tahun 1629, Geovani Beranca membuat pula sebuah turbin yang bentuknya sangat sederhana dan lebih praktis dari buatan Hero seperti yang ditunjuakn pada gambar 2.2. Gambar 2.2. Branca s Engine Kemudian menyusul pula nama Polikanp Zalesop yang membuat turbin pada tahun 1806-1813 dan kemudian sampai tahun 1830 pekerja-pekerja Nizny juga membuat sebuah turbin. Akan tetapi semua yang tersebut diatas tidak begitu terkenal
dikalangan teknologi namun bagaimanapun juga mereka itu perintis dalam dunia turbin uap. Setelah pada tahun 1838 seorang insinyur berkebangsaan Swedia yang bernama Dr. Gustav De Laval membuat turbin dari jenis Single Stage Impulse Turbine and Single Disc dengan daya 5 Hp, yang kemudian dikenal De Laval. Setahun kemudian yaitu pada tahun 1884 seorang berkebangsaan Inggris C.A Persons. Dalam tahun 1900 Impulse Principle dari Single Stage De Laval berkembang menjadi Multi Stage dimana di Swedia dipelopori oleh Zoelly, sedangkan di Prancis dipelopori oleh Rateu, yang kemudian dikenal dengan Turbin Zoelly dan Turbin Rateu. Turbin Rateu ini adalah sebuah turbin yang terdiri dari beberapa buah turbin De Laval yang dipasang atau digabung seri pada sebuah sumbu poros turbin sehingga turbin akan mempunyai beberapa tingkat tekanan dan setiap tingkat tekanan terdiri dari satu tingkat kecepatan. Kemudian pada tahun itu juga seorang Sarjana Amerika yang bernama Curties membuat pula sebuah turbin Impulse dengan prinsip tekanan tunggal dan tingkat kecepatan ganda. Akhirnya pada tahun 1910 menyusul pula Ljungstrom membuat sebuah turbin dengan prinsip radial reaksi seperti yang ditunjukan pada gambar 3.3.
Gambar 2.3. Prinsip kerja Turbin Ljungstrom II.3. Klasifikasi Turbin Uap Turbin uap dapat diklasifikasikan dalam beberapa kategori yang berbeda, tergantung kepada : - Konstruksinya - Proses penurunan kalor - Arah aliran - Kondisi awal dan akhir uap dalam pemakaian Menurun aliran uap masuk turbin dapat dibagi menjadi: a. Turbin Axial, dimana pada turbin ini arah uap mengalir sejajar terhadap sumbu poros turbin. Prinsip konstruksinya dapat dilihat pada gambar dibawah ini. Gambar 2.4. Turbin Aksial b. Turbin Radial, dimana pada turbin ini arah aliran uap tegak lurus terhadap sumbu poros dari turbin. Turbin ini terbuat dari dua sudu dan dua poros dimana putaran poros keduanya dalam arah yang berlawanan sehingga kedua poros ini dapat melayani dua macam pembebanan. Prinsip konstruksinya dapat dilihat pada gambar berikut ini.
Gambar 2.5. Turbin radial Menurut jumlah tekanan maka turbin uap dapat dibagi atas : a. Single stage impulse Turbin dngan satu atau dua tingkat tekanan, turbin ini umumnya dipakai untuk daya yang besar. b. Multi Stage Implus and Reaction Turbin, turbin ini menghasilkan daya yang bervariasi mulai dari daya yang kecil sampai daya yang besar. Menurut proses penurunan kalor, maka turbin uap dapat terbagi atas : a. Turbin kondensasi dengan regenator b. Turbin kondensasi dengan satu atau dua peceratan c. Turbin tekanan lawan d. Turbin tekanan rendah. e. Turbin tekanan campuran Menurut kondisi atau tekanan uap masuk, maka turbin ini dapat terbagi atas : a. Turbin tekanan rendah, yaitu sebesar 1,2 2 ata b. Turbin tekanan tinggi, yaitu sebesar 2-40 ata c. Turbin tekanan sangat tinggi, 100-170 ata dan temperatur yang dibutuhkan 550 o C. d. Turbin tekanan super kritis, mencapai tekanan 225 ata. Menurut tempat pemakaiannya di bidang industry, maka turbin dapat dibagi atas : a. Turbin Stationer dengan putaran yang konstan yang dipakai untuk penggerak alternator. b. Turbin Stationer dengan putaran yang bervariasi yaitu dipakai pada kapal, kereta api dan lain-lain. Menurut sistem kerja turbin dapat dibagi atas beberapa bagian yaitu :
a. Turbin impulse atau turbin aksi atau juga disebut turbin tekanan rata, dimana perubahan energi potensial menjadi tekanan kinetik hanya terjadi pada nozzle, sedangkan pada moving blade tekanan dan volume tetap. b. Turbin reaksi, pemuaian uap terjadi pada nozzle maupun pada moving blade, contohnya turbin Person dan turbin Ljungstorm. c. Turbin kombinasi, biasanya susunan turbin impulse di depan dan turbin reaksi di belakang. Contoh turbin kombinasi : Tubin Curtis dengan turbin person. Turbin Curtis dengan turbin Zoelly. Turbin delaval dengan turbin person. Menurut gabungannya maka turbin dapat dibagi atas : a. Gabungan kecepatan (velocity compounding) Konstruksinya terdiri dari satu cakra dengan beberapa buah sudu pengarah, sesuai dengan jumlah sudu gerak. Gambarnya dapat dilihat seperti berikut : Gambar 2.6. Turbin Impuls tingkat tunggal dengan dua tingkat kecepatan
b. Turbin dengan gabungan tekanan atau pressure compounding. Turbin ini dibuat dari beberapa buah nozzle diikuti dengan beberapa buah sudu jalan. II.4 Prinsip Kerja Turbin Uap Pada roda turbin terdapat sudu dan fluida kerja mengalir melalui ruang diantara sudu tersebut, apabila kemudian ternyata bahwa roda turbin dapat berputar, maka ada gaya yang bekerja pada sudu. Gaya tersebut timbul karena terjadinya perubahan momentum dari fluida kerja yang mengalir diantara sudunya. Jadi sudu haruslah dibuat sedemikian rupa sehingga dapat menjadi perubahan momentum pada fluida kerja tersebut, hal ini akan dijelaskan pada gambar berikut ini. Gambar 2.7. Roda turbin Dari gambar 2.7 penampang roda turbin akan dijelaskan lagi irisan sudu-sudu pada suatu jarak tertentu dari suatu sumbu poros turbin. Gambar tersebut dapat dilukiskan seperti pada lukisan berikut ini. Gambar 2.8. Tekanan uap masuk dan keluar
Untuk mempermudah penganalisaan, maka pertama-tama diadakan beberapa idealisasi sebagai berikut : a. Aliran dianggap steady, uniform dan satu dimensi. b. Tidak ada benda lain diantara sudu-sudu. c. Pengaruh gravitasi ditiadakan. Kemudian uap ditinjau dari ruang antara dua sudu-sudu yang berdekatan. Seperti pada gambar 2.8 dimana perubahan momentum uap persatuan waktu (M) lalah : M = G/g. c Dan gaya tekannya (F p ) ialah : F p = p. A Dimana: G = bayak uap mengalir persauan waktu C = kecepatan absolut dari fluida kerja g = garvitasi p = tekanan fluida kerja A = luas penampung saluran uap l/e = menyatakan keluar dan masuk sudu R = gaya reaksi sudu terhadap uap Maka gaya yang bekerja pada uap dan menyebabkan terjadinya perubahan mementum adalah sebagai berikut: R + (F pi + F pe ) = M e -M 1 sehingga gaya reaksi sudu terhadap uap adalah : R = (M s -M 1 )-(F pi + F pe ) Hukum Newton III menyatakan bahwa aksi = reaksi, oleh karena itu gaya dari fluida kerja atau uap ialah : F = -R = -(Me-M 1 ) + (F pi + F pe ) F = G/g (c i - c e) + (p i.ai+ P e - A e ) Apabila (F r, - F pe ) = 0 atau sangat kecil diandingkan dengan (M e M i), maka: F = G/g (c, - c e ) Atau F = G/g A c
Dimana kecepatan c dan gaya F serta kecepatan c, dan c e masing-masing dapat diuraikan menjadi dua komponen yaitu : F u = gaya tangebsial sejajar dengan kecepatan roda turbin. F a = gaya aksial sejajar dengan sumbu roda turbin. F = F u + F a c i = c iu + c ia c e = c eu + c ia dimana: u dan e menyatakan arah tangensial dan arah aksial maka akibat dari : F = G/g (c i - c e ) - G/g. c u F = G/g (c iu c eu ) Gaya-gaya tersebut dilukiskan pada halaman dimana akan terlihat F u adalah gaya yang menyebabkan roda turbin berputar dan menghasilkan daya. Oleh karna itu sudu harus dibuat sedimikian rupa. Sehingga diperoleh (c iu c eu ) yang besar. Sedangkan F a adalah gaya yang aksial yang harus ditahan oleh bantalan, maka harus dibuat sekecil mungkin. Tetapi hal tersebut diatas tidak dapat dilaksanakan begitu saja, oleh karena pembelokan fluida yang terlalu tajam dan saluran sudu yang terlalu panjang sehingga akan mengakibatkan kerugian-kerugian energi yang lebih besar, maka usaha tersebut diatas ada batasnya. Dengan berputarnya roda turbin jelaslah bahwa fluida kerja yang mengalir melalui ruang antara sudu yang berputar, oleh sebab itu kecepatan absolud fluida kerja (c) adalah kecepatan keliling tangrnsial (u) dari sudu ditambah kecepatan relatif (v) dari uap yang masuk. Kecepatan relatif (v) adalah kecepatan uap yang kita lihat apabila benda berada bersama-sama sudu yang bergerak dari luar turbin tidak berputar.
Sedangkan kecepatan absolut adalah krcrpatan fluida kerja yang kita lihat dari turbin, sedangkan besarnya kecepatan keliling atau tangensial dari sudu adalah: u = π.d.n dimana D adalah diameter roda turbin dan n adalah putarn poros. Gambar 2.9. Kecepatan fluida masuk dan keluar Untuk turbin aksial kecepatan tangensial masuk (u i ) = kecepatan uap keluar (u e ) + kecepatan keliling rat-rata (u) seperti terlihat pada gambar 2.9 diatas. II.5. Diagram Kecepatan Uap c = u + v Berdasarkan persamaan berikut: c = u i + v i c = u e + v e u = π.d.n u i = u e = u maka diagram kecepatan fluida dapat digambarkan sebagai berikut: cos cos
Gambar 2.10. Diagram kecepatan (c = u + v) c iu = u iu + u c eu = u eu + u sehingga dengan mengurangi c iu dan c maka diperoleh: c u = u eu + v eu = v iu + v eu dari persamaan sebelumnya diperoleh: F = G/g (c iu - c eu ) dapat pula ditulis dengan rumus: F u = G/g (c iu - c eu ) = F = G/g (v iu - v eu ) Dimana: c iu = c i cos ᴓ c eu = c e cos ᴓ v iu = v i cos βi v iu = v e cos βe II. 6. Siklus Turbin Uap Siklus Renkine setelah diciptakan langsung diterima sebagai standar untuk pembangkit daya yang menggunakan uap (steam ). Siklus Renkine nyata yang digunakan dalam instalasi pembangkit daya jauh lebih rumit dari pada siklus renkine ideal asli yang sederhana. siklus ini merupakan siklus yang paling banyak digunakan untuk pembangkit daya listrik sekarang ini. Oleh karena siklus Rankine merupakan sikus uap cair maka paling baik siklus itu digambarkan dengan diagram P-v dan T-s dengan garis yang menunjukkan uap jenuh dan cair jenuh. Fluida kerjanya adalah air (H 2 O). Turbin Uap adalah salah satu komponen dasar dalam pembangkit listrik tenaga uap. Dimana komponen utama dari sistem tersebut yaitu : Ketel,
kondensor, pompa air ketel, dan turbin itu sendiri. Uap yang berfungsi sebagai fluida kerja dihasilkan oleh katel uap, yaitu suatu alat yang berfungsi untuk mengubah air menjadi uap. Gambar 2.11. Siklus rankine Siklus ideal yang terjadi didalam turbin adalah siklus Renkine ; Air pada siklus 1 dipompakan, kondisinya adalah isentropik s 1 = s 2 masuk ke boiler dengan tekanan yang sama dengan tekanan di kondenser tetapi Boiler menyerap panas sedangkan kondenser melepaskan panas, kemudian dari boiler masuk ke turbin dengan kondisi super panas h 3 = h 4 dan keluaran dari turbin berbentuk uap jenuh dimana laju aliran massa yang masuk ke turbin sama dengan laju aliran massa keluar dari turbin, ini dapat digambarkan dengan menggunakan diagram T-s berikut: Gtambar 2.12. Diagram T-S
Menurut Hukum pertama Thermodinamika, kerja yang dihasilkan oleh suatu proses siklus adalah sama dengan Jumlah Perpindahan Kalor pada fluida kerja selama proses siklus tersebut berlangsung. Jadi untuk proses Siklus 1 2 2 3 3 4 1 Dengan rumus: W = φ T ds W = Kerja per satuan berat fluida kerja Ds = Luas 1 2-2 2 3 4-1 pada diagaram ( T s ) Dalam kenyataan Siklus sistem Turbin Uap menyimpang dari Siklus Ideal (Siklus Rankine ) antara lain karena faktor tersebut dibawah ini : 1. Kerugian dalam pipa atau saluran fluida kerja, misalnya kerugian gesekan dan kerugian kalor ke atmosfer disekitarnya. 2. Kerugian tekanan dalam ketel uap 3. Kerugian energi didalam turbin karena adanya gesekan pada fluida kerja dan bagian-bagian dari turbin. II.5. Prinsip Kerja Turbin Uap Secara singkat prinsip kerja turbin uap adalah sebagai berikut : 1. Uap masuk kedalam turbin melalui nosel. Didalam 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 ke dalam nosel. Uap yang memancar keluar dari nosel diarahkan ke sudu-sudu turbin yang berbentuk lengkungan dan dipasang disekeliling roda turbin. Uap yang mengalir melalui celah-celah antara sudu turbin itu dibelokkan kearah mengikuti lengkungan dari sudu turbin. Perubahan kecepatan uap ini menimbulkan gaya yang mendorong dan kemudian memutar roda dan poros turbin.
2. Jika uap masih mempunyai kecepatan saat meninggalkn sudu turbin berarti hanya sebagian yang energi kinetis dari uap yang diambil oleh sudu-sudu turbin yang berjalan. Supaya energi kinetis yang tersisa saat meninggalkan sudu turbin dimanfaatkan maka pada turbin dipasang lebih dari satu baris sudu gerak. Sebelum memasuki baris kedua sudu gerak. Maka 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. 3. 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.