BAB 4 TURBIN GASTurbin adalah pesawat yang mengubah energi mekanis yang tersimpan di dalam fluida menjadi energi mekanis rotasional. Beberapa jenis turbin menurut fluida kerjanya :- Turbin uap- Turbin gas- Turbin air- Turbin angin/kincir angin4.1. Siklus Daya Turbin IdealSiklus daya Brayton adalah siklus daya termodinamika ideal untuk turbin gas atau mesin turbojet. Siklus Brayton termasuk sistem yang dapat beroperasi dengan pembakaran luar. Keuntungan sistem pembakaran luar antara lain :-Kurang mencemari lingkungan dibanding sistem motor bakar. CHx dan CO dapat dikurangi secara drastis dengan cara pembakaran dengan udara lebih-Dapat memakai bahan bakar yang lebih rendah, misalnya batu bara, minyak reisdu.

BAB 4 TURBIN GASSiklus daya Brayton adalah siklus empat proses yang ditunjukkan pada gambar 4.1. Diagram P-V dan T-S untuk sistem terbuka tidak ada aliran fluida dari turbin ke kompresor (proses 4.1), sebab fluida kerja dibuang ke atmosfir setelah melewati turbin.

BAB 4 TURBIN GASGambar 4.1. Sistem dan Siklus Kerja Braytonideal

BAB 4 TURBIN GASFluida kerja dikompresi secara adiabatis dapat-balik di kompresor (proses 1-2), panas ditambahkan dalam proses isobarik dapat-balik (P = Pmak, proses 2-3) di dalam ruang pembakaran atau penukar panas, gas panas berekspansi secara adiabatis dapat-balik (isentropi S = Smak) di dalam turbin (proses 3-4), dan kemudian panas dibuang dalam proses isobarik dapat-balik (proses 4-1,P = Pmin). Siklus terbuka : -Fluida kerjanya udara atmosfir-Pengeluaran panas di atmosfir Siklus tertutup :-Fluida kerjanya bebas-Pengeluaran panas di alat penukar panas

BAB 4 TURBIN GASKebanyakan turbin gas bekerja pada siklus terbuka.Parameter penting dalam siklus Brayton sederhana adalah angka perbandingan tekanan kompresor (rp) yang merupakan perbandingan tekanan sistem maksimum dan minimum.Panas masuk (Qa) dan pans keluar (Qr) diekspresikan :Qa = Q2-3 = h3 h2 = m.Cp (T3 T2)(4.2)Qr = Q4-1 = h4 h1 = m.Cp (T4 T1)(4.3)Efisiensi siklus Brayton ideal,

BAB 4 TURBIN GASProses (1-2) dan (3-4) adalah isentropis dan P2 = P3 dan P4 = P1, maka :Menurut persamaan (4.3.e), kenaikkan rp dan dapat menaikkan efisiensi dari siklus Brayton sederhana. Naiknya rp, menaikkan th dan suhu pembuangan kompresor. Jika suhu masuk turbin dibatasi kondisi material, kenaikan rp bisa menurunkan kerja spesifik siklus sehingga membutuhkan aliran gas yang lebih banyak untuk mendapatkan daya keluaran yang sama. Jadi efisiensi termal turbin gas tergantung pada temperatur maksimum gas yang diijinkan pada sisi inlet turbin. Pemilihan bahan sudu turbin merupakan langkah awal untuk mempertinggi efisiensi termis. Pelapisan sudu turbin dengan keramik biasa dilakukan agar dapat beroperasi pada suhu tinggi.

BAB 4 TURBIN GASDua aplikasi umum turbin gas adalah pada propulsi pesawat terbang dan pembangkit daya listrik. Pada pesawat terbang, turbin gas memproduksi daya yang cukup untuk menggerakkan kompresor dan generator yang menggerakkan peralatan tambahan. Gas keluar dengan kecepatan tinggi memproduksi gaya dorong (thrust). Kadang turbin gas dikopel dengan instalasi pembangkit daya uap. Gas keluar turbin memberikan panas untuk memproduksi uap.Pada pembangkit daya turbin gas, perbandingan kerja kompresor dan kerja turbin (disebut rasio kerja balik, back work ratio) sangat tinggi. Hal ini kurang menguntungkan apabila efisiensi adiabatis kompresor dan turbin rendah. Berbeda dengan pembangkit daya uap dimana rasio kerja baliknya rendah. Pembangkit dayadengan rasio kerja balik tinggi membutuhkan kapasitas turbin yang besar untuk menyediakan daya yang diperlukan kompresor. Oleh karana itu turbin yang dipakai dalam pembangkit daya turbin gas lebih besar kapasitasnya dibanding turbin yang dipakai pada pembangkit daya uap untuk daya output yang sama.

BAB 4 TURBIN GASGambar 4.2. Illustrasi Kerja Balik4.2. Siklus Daya Turbin AktualSiklus turbin gas aktual berbeda dari siklus ideal Brayton dalam beberapa hal. Penurunan tekanan selama penambahan panas dan pembuangan panas tidak dapat dielakkan. Kerja masukan kompresor aktual berlebihan, dan kerja keluaran turbin aktual kurang berkurang akibat irreversibilitas karena gesekan pada alat ini. Oleh karena itu, perhitungan untuk kondisi aktual harus mempertimbangkan efisiensi kompresor dan turbin :

BAB 4 TURBIN GASGambar 4.3. Siklus Turbin Gas Aktual

BAB 4 TURBIN GASKeadaan 2a dan 4a adalah kondisi keluaran aktual pada kompresor dan turbin sedang keadaan 2s dan 4s menyatakan kondisi isentropik. Efisiensi termis,4.3. Siklus Brayton Dengan RegenerasiPada turbin gas, temperatur gas keluar turbin lebih tinggi daripada temperatur udara yang meninggalkan kompresor. Udara tekanan tinggi keluar kompresor dapat dipanaskan sebelum masuk ruang pembakaran memakai alat penukar kalor aliran berlawanan (counter flow heat exchanger) dengan gas keluar turbin. Alat ini disebut regenerator atau recuperator.

BAB 4 TURBIN GASGambar 4.4. Siklus Turbin Gas Regenerasi(a) skematik(b) diagram T-S

BAB 4 TURBIN GASEfisiensi termal siklus Brayton bertambah dengan pemakaian regenerator. Hal ini berkat adanya pengurangan panas masuk ke ruang bakar yang dibutuhkan pada kerja keluaran yang sama. Dengan asumsi regenerator diisolasi sempurna dan perubahan energi kinetik dan energi potensial diabaikan maka perpindahan panas aktual dan maksimum dari gas keluar turbin ke udara adalah : q regen, aktual = h5 h2(4.7)dan q regen, maksimum = h5 h2 = h4 - h2(4.8)Efektifitas regenerator,Jika panas spesifik (Cp) dianggap konstan,

BAB 4 TURBIN GASKonsekuensi pemasangan regenerator :a.Penghematan bahan bakarb.Jika tinggi, butuh ukuran yang besar sehingga penurunan tekanan juga besarBerdasar konsekuensi tersebut, dalam prakteknya efektifitas regenerator berharga 0,7 atau kurang. Efisiensi termal siklus Brayton ideal dengan regenerator adalah :4.4.Siklus Brayton Dengan Intercoding dan ReheatingKerja bersih siklus turbin gas adalah selisih antara kerja output turbin dan kerja input kompresor. Kerja bersih dapat ditingkatkan dengan menambah kerja turbin atau mengurangi kerja kompresor atau dengan keduanya. Kerja kompresor dapat dikurangi dengan memasang intercooler antara dua buah kompresor. Kerja turbin dapat ditingkatkan dengan menambah reheater antara dua buah turbin.

BAB 4 TURBIN GASGambar 4.5. Turbin Gas Dua Tingkat Dengan Intercooling dan Reheating(a) skematik(b) diagram T-S

BAB 4 TURBIN GASSemakin banyak tingkat kompresor, kompresi menjadi isotermis. Semakin banyak tingkat turbin, proses ekspansi menjadi isotermis.Pada aliran stedi, kerja kompresi dan ekspansi berbanding lurus dengan volume spesifik. Volume spesifik fluida kerja pada proses kompresi dipertahankan serendah mungkin dan dibuat setinggi mungkin untuk proses ekspansi.Gambar 4.6. Perbandingan Kerja Input Kompresor Satu Tingkat (1AC) dan Kompresor Dua Tingkat (1ABD) dengan Intercooling

BAB 4 TURBIN GASPada kondisi ideal, efisiensi turbin,

dan Rasio kerja balik turbin gas dapat diperbaiki sebagai hasil intercooling dan reheating. Bagaimanapun, hal ini tidak berarti bahwa efisiensi termis dapat pula diperbaiki. Pada kenyataannya, intercooling dan reheating akan mengurangi efisiensi termis kecuali kalau dipasang juga regenerator. Hal ini disebabkan intercooling mengurangi temperatur rata-rata dimana panas ditambah (Qa) dan reheating menambah temperatur rata-rata dimana panas dibuang (Qr).

BAB 4 TURBIN GAS

BAB 4 TURBIN GASEfisiensi termal turbin,(4.14)Bandingkan persamaan (4.14) dengan persamaan (4.12).Pada proses ideal, seluruh proses adalah reversibel secara internal dan tidak terjadi penurunan tekanan selama intercooling dan reheating (P2 = P3 dan P7 = P8). Untuk sistem kompresi dan ekspansi dua tingkat, kerja input dapat diminimalkan serta kerja output dapat dimaksimalkan jika tiap-tiap tingkat kompresor dan turbin mempunyai perbandingan tekanan yang sama (persamaan 4.13).

BAB 4 TURBIN GASsehingga,

dimana rp adalah perbandingan tekanan menyeluruh (overall pressure ratio).4.5. Siklus Propulsi-Jet IdealMesin turbin gas secara luas dipakai untuk pembangkit daya pada pesawat terbang karena ringan dan kompal kontruksinya serta mempunyai perbandingan daya-berat yang tinggi. Turbin gas pesawat terbang yang beroperasi pada siklus terbuka disebut siklus propulsi-jet.Gambar 4.8. Diagram T-S Siklus Turbo-jet Ideal dan Komponen Dasar mesin Turbo-jet

BAB 4 TURBIN GASPerbedaan propulsi-jet ideal dengan siklus Brayton sederhana ideal adalah bahwa gas tidak diekspansikan ke tekanan udara sekitar. Gas keluar turbin mempunyai tekanan cukup tinggi dan kecepatannya dipercepat oleh adanya nosel untuk menghasilkan gaya dorong (thrust) yang mendorong pesawat (gambar 4.8). Biasanya pesawat terbang mempunyai turbin gas yang beroperasi pada perbandingan tekanan tinggi (10 sampai 25).Pada kondisi ideal, kerja turbin diasumsikan sama dengan kerja kompresor. Proses pada difuser, kompresor, turbin dan nosel dianggap isentropik. Pada analisis siklus aktual, irreversibilitas pada tiap komponen harus dipertimbangkan. Efek irreversibilitas adalah mengurangi daya dorong yang dihasilkan dari mesin turbojet.Daya dorong yang dihasilkan,F = (mV)exit ( mV)inlet= m(Vexit Vinlet) (N)(4.16)dimana m adalah laju aliran massa udara yang melewat mesin.

BAB 4 TURBIN GASTenaga yang dihasilkan dari thrust disebut tenaga/day propulsi (Wp),Wp = (F) Vpesawat = m (Vexit Vinlet) Vpesawat(4.17)Efisiensi propulsi,Qin adalah energi panas bahan bakar selama pembakaran. Efisiensi propulsi adalah ukuran keefisienan energi pembakaran yang dapat dikonversikan ke energi propulsi.