Antu aku

Pendahuluan

Pengembangan turbin gas hingga bisa dibuat seperti sekarang ini, yaitu sampai bisa

ekonomis untuk dipakai sebagai mesin penggerak pesawat terbang dan untuk instalasi darat yang

dapat dipakai untuk membangkitkan tenaga listrik, sudah menghabiskan waktu yang cukup lama.

Sejak abad yang lalu sudah dimulai usaha untuk mengembangkan turbin gas, tetapi

kurang berhasil dan perkembangan selanjutnya pun dapat dikatakan agak lambat bila

dibandingkan dengan tenaga uap yang mencapai kemajuan pesat dengan makin tingginya tekanan

dan temperatur uap. Konstruksi dan cara kerja turbin gas sangat mudah bila hanya dilihat dari

kertas gambar desain, tetapi kenyataannya bila diwujudkan menjadi sangat sukar karena

pemakaian bahan bakar turbin harus dibuat hemat.

Temperatur gas untuk turbin yang dipakai diindustri adalah 950oC, dan di pesawat

terbang bisa mencapa 12000 oC. Karena itu turbin gas sudah mempunyai arti yang sangat besar,

karena untuk penggerak pesawat terbang dengan daya yang besar harus memakai turbin gas dan

sudah tidak ada alternatif pembangkit daya yang lain, sebab ukuran luar dan berat turbin gas tidak

bisa disaingi oleh mesin-mesin yang lain.

Keuntungan penggunaan turbin gas sebagai pembangkit tenaga listrik dan sebagai

penyedia panas di industri adalah kemudahan dalam proses penginstalan, proses kerjanya tidak

rumi.

Karena turbin gas ini sangat efisien dalam menghasilkan daya, dengan berat dan ukuran

turbin gas yang tidak terlalu besar, maka turbin gas ini menjadi salah satu sumber energi yang

efisien yang biasanya dipakai di pesawat terbang atau pembangkit tenaga listrik. Tetapi

masalahnya adalah, gas yang berada di dalam turbin gas mempunyai suhu yang sangat tinggi dan

tekanan yang sangat tinggi pula, sehingga tidak sembarang material bisa digunakan untuk

membuat turbin ini. Salah satu material yang berpotensi adalah komposit matriks keramik,

keramik dipilih sebagai matriks karena ketahanan terhadap tekanan tinggi dan titik leleh yang

juga cukup tinggi, dan jika dibuat menjadi komposit maka akan bisa dikombinasikan sifat keras

tersebut dengan bahan lain sebagai filler, sehingga bisa dibuat material yang kuat, keras, tahan

panas dan tekanan, serta tidak mudah patah.

Turbin Gas

Ada beberapa jenis turbin gas, yang pertama adalah 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.

Kedua adalah 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.

Kemudian turbin angin, menggunakan angin sebagai tenaga penggeraknya. Turbin angin 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 sangat tinggi ini

mampu memutarkan turbin.

Turbin gas ini dipilih sebagai mesin tank ataupun mesin pesawat terbang. Ada dua 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 lainnya. Tentu ini sangat

bermanfaat untuk meminimaliskan bobot daripada tank namun tetap memiliki tenaga yang

besar. Mesin turbin gas memiliki ukuran yang relatif lebih kecil dibanding dengan mesin lainnya

dengan daya yang sama.

Namun bukan berarti turbin gas tidak memiliki kelemahan dibanding mesin lainnya,

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 diam/idle  karena

memang lebih banyak beroperasi pada beban konstan daripada fluktuatif. Hal – hal yang telah

dikemukakan tadi menjadi alasan kenapa turbin gas lebih suka dipakai pada mesin jet pesawat terbang

dan juga pada pembangkit listrik.

Proses Singkat Pada Turbin Gas

Turbin gas secara teori tidak begitu rumit. 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. 

Gambar 1. Komponen utama turbin gas.

Pada Mesin Turbin seperti diatas, udara dengan tekanan normal masuk dengan cara 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.

Gambar 2. Radial flow compressor.

Gambar 3. 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 )

Gambar 4. Combustion area.

Udara bertekanan yang dihasilkan oleh kompressor tadi lalu masuk ke bagian Combustian

Area dimana sebuah ring bahan bakar menginjeksikan bahan bakar dengan aliran konstan. Bahan

bakar yang biasa digunakan disini adalah karosene, jet fuel, propana dan gas alam.  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.

Gambar 5. Turbin seporos dengan compresor tetapi tidak saling berhubungan.

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.

Semua topik itu menjadi permasalahan serius bagi perencana turbin mengingat turbin gas

beroperasi pada tekanan, temperatur, dan kecepatan yang sangat tinggi. Sehingga material yang

digunakan untuk membuat turbin tidak sembarangan. Salah satu solusinya adala CMCs (Komposit

matrik keramik) yang akan dijelaskan pada subbab berikutnya.

Komposit matriks keramik untuk gas turbin.

Fabrikasi komposit matriks keramik ini, bentuknya meniru dengan bentuk turbin gas

yang sudah ada, karena disini kita hanya bermaksud untuk mengganti bahan materialnya,

bukan untuk mendesign bentuk turbin yang lebih efisien.

Pengembangan bahan suhu tinggi selama empat puluh tahun terakhir telah menjadi salah satu

faktor kunci yang bertanggung jawab untuk perbaikan kinerja gas turbin. Bahan yang

digunakan saat ini adalah paduan nikel dan kobalt, yang dalam banyak kasus bisa digunakan

pada suhu sampai ~1100oC, lebih kecil 50oC dari temperatur leleh. Akibatnya, ada kebutuhan

yang serius untuk mengembangkan bahan yang dapat digunakan pada suhu yang lebih tinggi

dari ~ 1100oC.

Keramik adalah bahan tahan api yang dengan demikian memungkinkan untuk

diaplikasikan pada turbin gas. Keramik monolitis, seperti SiC dan Si3N4, telah ada selama

lebih dari 40 tahun tapi belum bisa diaplikasikan dalam gas turbin karena mereka tidak terlalu

tahan terhadap tekanan dan bisa mengalami retakan serempak. Komposit matriks keramik,

terutama yang diperkuat dengan serat, mengurangi toleransi kerusakan dan dengan demikian

memungkinkan untuk diaplikasikan untuk turbin gas.

Dua kelas CMC yang cukup cocok untuk aplikasi dalam suhu tinggi adalah oksida

serat komposit matriks, disebut oksida / oksida komposit, dan silikon karbida diperkuat serat

silikon karbida matriks komposit, disebut SiC / SiC komposit. Oksida / oksida komposit

terbatas pada suhu ~ 1100oC karena kurangnya ketersediaan serat oksida yang tahan suhu

tinggi. Selain itu, karena konduktivitas termal rendah dan koefisien ekspansi termal yang

tinggi, oksida-oksida komposit ketika terkena kejutan termal rentan untuk retak, yang jelas

tidak memenuhi persyaratan utama untuk aplikasi di bagian panas turbin gas. Sebaliknya, SiC

/ SiC komposit lebih memungkinkan untuk aplikasi suhu tinggi karena ketersediaan serat

yang tahan suhu tinggi dan SiC lebih tahan kejutan termal.

Selama lebih dari 10 tahun, telah dikembangkan melt infiltrated SiC / SiC komposit.

Komposit ini dibuat oleh infiltrasi lelehan silikon menjadi bentuk yang baru yaitu serat

silikon yang terlapisi BN yang tertanam dalam matriks SiC dan / atau karbon. Pada saat

infiltrasi (perembesan), silikon bereaksi dengan karbon membentuk silikon karbida, dan pori-

pori yang tersisa diisi dengan silikon menghasilkan komposit dengan silikon-silikon karbida

matriks dan serat silikon karbida dilapisi BN. Serat yang terlapisi BN memberikan toleransi

kerusakan pada komposit.

Melt Infiltrated (MI) SiC / SiC komposit sangat menarik untuk aplikasi turbin gas

karena konduktivitas termal tinggi, termal resistensi shock yang baik, tahan terhadap

pemuluran, dan tahan oksidasi dibandingkan dengan CMC lainnya.

Pengujian Sampel Komposit Matrik Keramik.

Pengujian dilakukan dengan alat yang diperlihatkan seperti gambar dibawah

Gambar 6. Bentuk SiC/SiC komposit yang sudah difabrikasi.

Gambar 7. Pengujian kekuatan dari komposit matrik keramik sampel turbin.

Pengujian dilakukan dengan memberikan aliran panas dan tekanan tinggi dari suatu

arah, dan dilihat sampai mana bahan tersebut tahan dan berapa tekanan maksimum dan suhu

maksimum yang bisa diampu. Lebih dari 1000 jam pengujian mesin sukses telah dilakukan.

Detilnya tidak akan dibahas disini karena terlalu panjang dan rumit. Meskipun kemajuan

substansial telah dibuat, risiko yang signifikan dan tantangan masih tetap ada sebelum komposit ini

dapat dikomersialisasikan untuk komponen turbin gas.