1. turbin uap

Berbagi dan Menyebarkan Ilmu Pengetahuan Serta Nilai-Nilai Perusahaan 1

PT. PLN (PERSERO) PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN TURBIN UAP

BAB I

TURBIN UAP

Turbin uap adalah mesin tenaga yang berfungsi untuk mengubah energi thermal (energi panas

yang terkandung dalam uap) menjadi energi poros (putaran). Sebelum energi thermal (enthalpi)

diubah menjadi energi poros, energi tersebut diubah dulu menjadi energi kinetik. Alat untuk

mengubah menjadi energi kinatik tersebut adalah nozzle. Uap dengan tekanan dan temperatur

tinggi diarahkan menggunakan nozzle untuk mendorong sudu-sudu turbin yang dipasang pada

poros sehingga poros turbin berputar. Pada waktu uap melewati celah antara sudu-sudu gerak,

uap mengalami perubahan momentum sehingga menurut hukum Newton II, dibangkitkan gaya

yang bekerja pada uap tersebut. Dari hukum Newton III, sudu menerima gaya yang besarnya

sama dengan gaya tersebut, tetapi arahnya berlawanan. Akibat melakukan kerja di turbin,

tekanan dan temperatur uap yang keluar turbin menjadi turun sehingga menjadi uap basah.

Uap ini kemudian dialirkan ke kondensor, sedangkan tenaga putar poros yang dihasilkan

digunakan untuk memutar generator.

1.1. Prinsip Kerja Turbin Uap

Suatu turbin dapat terdiri dari satu dua atau banyak silinder yang merupakan mesin rotasi

berfungsi untuk merubah energi panas menjadi energi mekanik. Tiap silinder memiliki sebuah

rotor yang disangga oleh bantalan-bantalan. Rotor-rotor tersebut disambung menjadi satu

termasuk rotor generator. Ruang diantara rotor dengan rumah turbin (casing) terdiri dari

rangkaian sudu-sudu tetap dan sudu-sudu gerak yang dijajarkan berselang-seling.

Sudu-sudu tetap dipasang disekeliling bagian dalam rumah turbin, sedang rangkaian sudu

gerak dipasang pada rotor. Bila kedalam turbin dialirkan uap, maka energi panas yang

dikandung uap akan diubah menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros.

Mula-mula energi panas dalam uap diubah terlebih dahulu menjadi energi kinetik (kecepatan)

dengan cara melewatkan uap melalui nosel-nosel. Uap berkecepatan tinggi kemudian

diarahkan ke sudu-sudu sehingga menghasilkan putaran poros turbin dimana energi mekanik

ini selanjutnya dapat digunakan untuk menggerakkan generator, pompa dan sebagainya.



Perubahan energi panas menjadi energi kinetik terjadi didalam nosel (sudu diam) turbin,

sedangkan perubahan energi kinetik menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran rotor turbin

terjadi pada sudu jalan turbin.

Nozzle

Blades

Gambar 1.1, Konversi energi didalam turbin

Thermal Energy

Kinetic Energy

Mechanical Energy



Gambar 1.2, Prinsip kerja turbin uap 1 tingkat.

Jadi didalam turbin, uap mengalami proses ekspansi yaitu penurunan tekanan dan mengalir

secara kontinyu. Akibat pengurangan tekanan uap didalam rangkaian sudu-sudu, maka

kecepatan uap meningkat sangat tinggi. Kecepatan aliran uap tersebut akan bergantung pada

selisih banyaknya panas uap sebelum dan sesudah ekspansi. Selisih banyaknya panas uap

sebelum dan sesudah ekspansi didalam turbin dinamakan penurunan panas / heat drop.



1.2. Jenis-jenis Turbin Uap

Terdapat banyak variasi, susunan, karakteristik dan konstruksi turbin yang diterapkan di unit-

unit PLTU. Oleh karena itu turbin dapat diklasifikasikan menjadi beberapa kelompok yaitu:

1. Dari segi tekanan akhir uap.

- Turbine tekanan lawan (back pressure turbine)

- Turbine Kondensasi

2. Dari segi arah aliran Uap.

- Turbin aksial.

- Turbin radial.

- Turbin tangensial

3. Dari segi azas tekanan uap.

- Turbin impuls

- Turbin reaksi

4. Dari segi pembentukan tingkat uap.

- Turbin tekanan bertingkat (reteau)

- Turbin kecepatan bertingkat (turbine curtis)

5. Dari segi aliran Uap dan Casingnya.

- Turbin reheat dan Non-Reheat

- Turbin ekstraksi dan Non-ekstraksi

- Turbin single casing dan Multi casing

6. Exhaust flow

1.2.1. Jenis turbin yang ditinjau dari tekanan uap akhir

Turbin Tekanan Lawan (Back Pressure Turbine)

Turbin tekanan lawan (back pressure turbine) adalah turbin yang tekanan akhirnya diatas

tekanan atmosfir karena uap keluaran akhir dari turbin tersebut tidak dikondensasikan.



Gambar 1.3, Turbine Back Pressure

Turbine Kondensasi (Condensation Turbine)

Turbin kondensasi adalah turbin yang mana uap keluaran sudu terakhirnya dikondensasikan,

tekanan akhir dari turbin kondensasi ini dibuat vaccum, sehingga temperature kondensasinya

sedikit diatas temperatur air pendingin yang tersedia.



Gambar 1.4, Turbine Condensation

1.2.2. Jenis turbin yang ditinjau dari segi arah aliran uap

Turbine Aliran Radial

Konstruksi Turbin aliran Radial yang dikembangkan oleh Ljungstrom Turbin ini terdiri dari dua

rotor dengan blades dipasang bersilangan.

Kedua rotor berputar dengan arah saling berlawanan, dan masing-masing rotor dikopel

terhadap dua generator terpisah.

Turbin satu poros juga ada yang arah aliran uapnya radial (tegak lurus menjauhi poros) seperti

gambar 1.5a dan 1.5b, oleh karena itu dinamakan Turbin aliran Radial.



Gambar 1.5a, Rotor Turbin Aliran Radial

Gambar 1.5b, Turbin arah Aliran Radial



Turbin Aliran Tangensial

Jenis turbin ini memiliki konstruksi yang kokoh akan tetapi efisiensinya sangat rendah.

Pancaran uap dari Nosel diarahkan untuk menghembus buckets yang dipasang melingkar pada

rotor. Arah hembusan uap adalah tangensial (pada garis singgung putaran bucket) oleh

karenanya turbin ini dinamakan Turbin Aliran Tangensial.

Gambar 1.6, Turbin Aliran Tangensial

Turbin Aliran Aksial

Merupakan tipe turbin yang paling populer dan sangat cocok untuk kapasitas besar. Turbin ini

dapat merupakan tipe Reaksi maupun tipe Impulse. Arah aliran uap sejajar dengan poros.



Gambar 1.7, Turbin Axial

1.2.3. Ditinjau dari segi azas tekanan uap.

Berdasarkan azas tekanan uap yang digunakan untuk menggerakkan roda/rotor turbin sebelum

masuk dan setelah keluar dari sudu-sudu yang terpasang pada roda tersebut, maka dikenal

sudu impuls dan sudu reaksi. Turbin uap untuk pembangkit listrik saat ini umumnya terdiri dari

kombinasi kedua macam sudu tersebut.



Gambar 1.8, Prinsip dasar Sudu Reaksi dan Sudu Impuls

Turbin Impulse

Turbin impulse pertama kali dibuat oleh Branca pada tahun 1629, konstruksinya diperlihatkan

pada Gambar 1.8 dan 1.9. Dimana pancaran uap yang keluar dari Nosel menghembus daun-

daun rotor (disebut blades) sehingga rotor berputar. .

Sudu Impuls

Sudu impuls juga disebut sudu aksi atau sudu tekanan tetap, adalah sudu

dimana uap mengalami ekspansi hanya dalam sudu-sudu tetap. Sudu-sudu tetap berfungsi

sebagai nosel (saluran pancar) sehingga uap yang melewati akan mengalami peningkatan

energi kinetik.

Uap dengan kecepatan tinggi selanjutnya akan membentur (impuls) sudu-sudu gerak. Benturan

antara uap dengan sudu gerak ini menimbulkan gaya yang mengakibatkan poros turbin

berputar.

Setelah memutar sudu gerak, selanjutnya uap diarahkan masuk ke dalam sudu tetap baris

berikutnya. Selama melintasi sudu gerak tekanan dan entalpi uap tidak berubah. Dengan

demikian pada sudu impuls penurunan tekanan dan energi panas uap hanya terjadi pada sudu-

sudu tetap atau nosel.



Turbin Reaksi

Turbin ini dirancang pertama oleh Hero, 120 tahun sebelum Masehi. Reaksi dari pancaran uap

yang keluar dari ujung pipa yang disebut Nosel atau Nozzle (lihat Gambar 1.8 dan 1.9

mendorong rotor sehingga berputar.

Sudu Reaksi

Dalam suatu turbin yang terdiri dari 100 % sudu-sudu reaksi, maka sudu-sudu gerak juga

berfungsi sebagai nosel-nosel sehingga uap yang melewatinya akan mengalami peningkatan

kecepatan dan penurunan tekanan. Peningkatan kecepatan ini akan menimbulkan gaya reaksi

yang arahnya berlawanan dengan arah kecepatan uap.



Gambar 1.9, profil dan karakteristik sudu Reaksi dan Impuls

Gaya reaksi pada sudu gerak inilah yang akan memutar poros turbin. Uap selanjutnya dialirkan

ke sudu tetap yang berfungsi untuk mengarahkan uap ke sudu gerak baris berikutnya.



Sudut dan profil sudu-sudu dibuat sedemikian rupa sehingga apabila turbin berputar pada

kecepatan rancangannya uap akan mengalir dengan mulus melewati sudu-sudu tersebut

sehingga dapat menurunkan erosi sampai pada tingkat minimum.

Pada sebuah roda/poros turbin sudu-sudu yang terpasang pada roda tersebut bisa terdiri dari

satu baris sudu atau beberapa baris sudu. Setiap baris sudu terdiri dari sudu yang disusun

melingkari roda turbin masing-masing dengan bentuk dan ukuran yang sama. Turbin dengan

hanya satu baris sudu yang terpasang pada rotornya dinamai turbin bertingkat tunggal.

Sedangkan turbin dengan beberapa baris sudu-sudu yang terpasang pada rotornya dinamai

turbin bertingkat banyak (multi stages).

1.2.4. Jenis turbin yang ditinjau dari segi pembentukan uap bertingkat

TurbinTekanan Bertingkat (Rateau)

Turbin tekanan bertingkat (rateau) adalah jenis turbin yang mana kondisi tekanan uap yang

mengalir di dalamnya bertingkat sedangkan kecepatannya tetap.



Gambar 1.10, Turbin Tekanan Bertingkat

Turbin Kecepatan Bertingkat (Turbin Curtis)

Turbin kecepatan bertingkat (curtis) adalah jenis turbin yang mana kecepatan aliran uap yang

mengalir di dalamnya bertingkat sedangkan tekanannya tetap.



Gambar 1.11, Turbin Kecepatan Bertingkat

1.2.5. Jenis Turbin di tinjau dari Aliran Uap dan Casingnya.

Turbin Reheat dan Non Reheat

Sirkit uap

Salah satu karakteristik yang dapat dipakai untuk mengklasifikasikan turbin adalah reheat dan

non reheat. Turbin reheat terdiri lebih dari satu silinder dan uap mengalami proses pemanasan

ulang di reheater boiler. Pada turbin reheat, uap yang keluar dari Turbin Tekanan Tinggi (HP)

dialirkan kembali kedalam ketel. Didalam ketel, uap ini dipanaskan kembali pada elemen

pemanas ulang (reheater) untuk selanjutnya dialirkan kembali melalui saluran reheat ke Turbin

Tekanan Menengah dan Turbin Tekanan Rendah.



Secara umum, ada dua keuntungan yang dapat diperoleh dari proses pemanasan ulang uap ini

yaitu : meningkatkan efisiensi siklus termodinamika dan mengurangi proses erosi pada sudu-

sudu turbin tingkat akhir karena kualitas uap keluar dari LP turbin menjadi lebih kering.

Gambar 1.12, Turbin Reheat

Aspek Operasi

Konstruksi turbin reheat umumnya silinder tekanan tinggi (HP) dan silinder tekanan menengha

(IP) berada dalam satu casing. Dengan konstruksi seperti itu, maka salah satu aspek yang

penting untuk diperhatikan adalah bahwa perbedaan temperatur antara main steam dengan

reheat steam tidak boleh terlampau besar. Umumnya pabrik pembuat turbin akan

merekomendasikan besarnya harga perbedaan temperatur yang masih diizinkan. Bila harga

perbedaan temperatur yang telah direkomendasikan ini terlampaui, akan terjadi stress thermal

pada casing serta rotor turbin.



Gambar 1.13, Turbin Non-Reheat



Turbin Ekstraksi dan Non-Ekstraksi

Sirkit uap

Cara lain yang juga dipakai untuk mengklasifikasikan turbin adalah melalui sistem ekstraksi dan

non ekstraksi. Turbin ekstraksi (extraction turbine) adalah turbin yang mengekstrak sebagian

uap yang mengalir dalam turbin.

Pengekstraksian uap ini dapat dilakukan di beberapa tempat disepanjang casing turbin. Uap

yang diekstrak kemudian dialirkan ke pemanas awal air pengisi untuk memanaskan air pengisi.

Tekanan dan aliran uap ekstraksi sangat tergantung pada beban.

Pada turbin-turbin ekstraksi yang relatif kecil, variasi tekanan dan aliran uap ekstraksi tidak

terlalu signifikan sehingga tidak diperlukan katup pengatur pada saluran uap ekstraksinya.

Tetapi pada turbin ekstraksi yang besar, variasi ini cukup besar sehingga diperlukan katup

pengatur pada saluran ekstraksi guna mengontrol tekanan/aliran uap ekstraksi. Turbin

ekstraksi seperti ini disebut Turbin Ekstraksi Otomatis (Automatic Extraction Turbine).

Gambar 1.14, Turbin Non-Ekstraksi



Gambar 1.15, Turbin Ekstraksi

Sedangkan pada turbin non ekstraksi, tidak dilakukan ekstraksi uap sama sekali. Jadi seluruh

uap yang mengalir masuk turbin non ekstraksi akan keluar meninggalkan turbin melalui

exhaust.

Aspek Operasi

Pengambilan (ekstraksi) uap dari turbin mengakibatkan kerja uap didalam turbin berkurang

sehingga kemampuan turbin juga akan berkurang. Disisi lain terjadi peningkatan panas pada

air pengisi sehingga mengurangi konsumsi bahan bakar untuk memanaskan air tersebut.

Keuntungan lainnya adalah karena jumlah uap masuk kondensor berkurang, maka

pembuangan panas ke air pendingin juga berkurang. Dengan demikian mengurangi jumlah

kerugian panas.

Mengingat uap ekstraksi akan mengurangi jumlah uap yang melakukan kerja dalam turbin,

maka pengaliran uap ekstraksi dilakukan apabila turbin telah berbeban diatas batas

minimumnya. Hal ini untuk menghindari ketidak stabilan operasi turbin karena ketika beban

rendah aliran uap ke turbin juga masih rendah.



Turbin Single Casing dan Multi Casing

Single Casing

Cara berikutnya yang juga dapat dipakai untuk mengklasifikasikan turbin adalah melalui

konstruksi single casing turbine atau multy casing (compound) turbine.

Turbin single casing adalah turbin dimana seluruh tingkat sudu-sudunya terletak didalam satu

casing saja seperti terlihat pada gambar 1.16. Ini merupakan konstruksi turbin yang paling

sederhana tetapi hanya dapat diterapkan pada turbin-turbin kapasitas kecil.

Gambar 1.16, Turbin single silinder tanpa ekstraksi

Untuk turbin-turbin kapasitas yang lebih besar, konstruksi single casing menjadi kurang cocok.

maka dibuatlah turbin-turbin dengan 2 casing atau lebih (multy casing). Komposisi dari turbin

multy casing ada 2 macam yaitu : Tandem Compound dan Cross Compound.



Turbin compound (multi) casing

Komposisi tandem compound terlihat seperti pada gambar 1.17. Pada turbin tandem

compound, casing-casing dipasang secara seri antara satu dengan lain sehinggga sumbu-

sumbu aksial casing berada dalam 1 garis. Dalam ilustrasi terlihat turbin tandem compound

dengan 2 casing. Untuk turbin-turbin yang lebih besar dapat terdiri hingga 5 casing.

Sedangkan gambar 2.16 memperlihatan komposisi “Cross Compound Turbine”. Dalam

komposisi ini, casing turbin diletakkan dalam posisi paralel satu dengan yang lain dimana

masing-masing casing memiliki poros /rotornya sendiri -sendiri. Jadi rotor-rotor dari turbin ini

terpisah satu dengan yang lainnya.

Turbin PLTU dengan komposisi cross compound berarti juga mempunyai 2 generator. Karena

ada 2 generator yang digerakkan, maka ukuran masing-masing generator menjadi lebih kecil

dibanding apabila digunakan 1 generator dengan total kapasitas yang sama. Hal ini

memberikan keuntungan karena mempermudah pabrikasi serta transportasi.

Gambar 1.17, Turbin Multy Casing Tandem Compound



1.2.6. Jenis turbin yang ditinjau dari segi Exhaust Flow.

Single flow

Turbin juga dapat diklasifikasikan berdasarkan exhaust flow. Turbin-turbin kecil biasanya hanya

memiliki 1 saluran exhaust. Turbin semacam ini biasanya disebut Turbin Single Flow. Tetapi

untuk turbin-turbin besar, bila menerapkan rancangan seperti ini, maka dibutuhkan exhaust

yang sangat luas. Sebagaimana diketahui kondisi uap pada exhaust turbin sudah dibawah

jenuh atau uap basah, dan tekanannya dibawah tekanan atmosfir.

Perubahan tekanan dari beberapa puluh bar menjadi tekanan minus mengakibatkan perubahan

volume yang sangat besar sehingga dibutuhkan laluan yang luas agar uap dapat melintas

tanpa hambatan yang berarti. Karena keterbatasan kemampuan material, luas laluan exhaust

juga menjadi sangat terbatas, sehingga kemampuan turbin dengan exhaust tunggal juga

terbatas.

multi flow

Berdasarkan kondisi tersebut, maka untuk turbin-turbin kapasitas besar umumnya exhaust

dipecah menjadi dua atau lebih. Bila ternyata dibutuhkan 2 exhaust, berarti keduanya berada

dalam satu poros dengan aliran uap yang berlawanan. Rancangan turbin seperti ini disebut

turbin multi flow (aliran banyak) seperti terlihat pada gambar 1.18. Dengan cara seperti ini

masalah keterbatasan luas laluan exhaust dapat diatasi sekaligus memberi perimbangan

terhadap gaya aksial pada poros.



Gambar 1.18, Turbin Cross Compound dengan Exhaust Multy Flow

1.3. Bagian-Bagian Turbin Uap

Sebagai mesin rotasi turbin uap terdiri dari dua bagian utama, yaitu bagian yang diam disebut

stator dan bagian yang berputar disebut rotor. Pada tiap bagian utama ini dilengkapi komponen

yang mendukung kerja sistem turbin, dan gambar 19 menunjukkan diagram bagian utama

turbin secara sederhana.



Gambar 1.19, Turbin Medium/ Small



Komponen-komponen turbin uap seperti :

- Stator

- Nozzle

- Rotor

- Bearing dan Pedestal

- Stop valve

- Steam chest

- Governor valve

- Reheat valve dan Interception valve

- Dummy piston

1.3.1. Stator

Stator turbin pada dasarnya terdiri dari dua bagian, yaitu casing dan sudu diam (fixed blade).

Namun untuk tempat kedudukan sudu-sudu diam dipasang diapragma.

Gambar 1.20a, Stator yang terdiri dari Casing dan Sudu



Gambar 1.20b, Stator yang terdiri dari Casing dan Sudu

Casing

Casing atau shell adalah suatu wadah berbentuk menyerupai sebuah tabung dimana rotor

ditempatkan. Casing juga berfungsi sebagai sungkup pembatas yang memungkinkan uap

mengalir melewati sudu-sudu turbin. Pada ujung casing terdapat ruang besar mengelilingi

poros turbin disebut exhaust hood.

Konfigurasi Casing

Casing turbin dapat dibedakan menjadi dua, yaitu

• Casing Utuh

Seluruh bagian casing merupakan satu kesatuan. Casing berbentuk seperti drum yang utuh

tidak dapat diurai atau dibelah. Umumnya diterapkan pada konstruksi turbin-turbin kecil.



Gambar 1.21, Turbin Casing Utuh

• Casing Terpisah (Split Casing)

Casing turbin merupakan 2 bagian yang terpisah secara horizontal dan disambungkan menjadi

satu dengan baut-baut pengikat. Kedua bagian casing tersebut masing-masing disebut casing

bagian atas (Top half) dan casing bagian bawah (Bottom half). Konstruksi ini lebih banyak

dipakai karena pembongkaran dan pemasangannya yang relatif lebih mudah.



Gambar 1.22, Turbin Casing Terpisah

Rancangan Casing

Dari klasifikasi ini casing turbin dibedakan menjadi 3 kategori : yaitu “Single Casing”, “Double

Casing” dan “Tripple Casing”.

Hampir semua turbin uap masa kini menerapkan rancangan Double Casing atau Tripple

Casing, karena periode startnya lebih cepat, masalah diferensial expansion lebih kecil dan

pemeliharaannya relatif lebih mudah.



Single Casing

Turbin dengan single casing umumnya diterapkan pada rancangan turbin-turbin lama dan

kapasitas kecil. Meskipun demikian, turbin-turbin saat inipun masih ada yang menerapkan

rancangan single casing terutama pada turbin-turbin untuk penggerak pompa air pengisi ketel

(BFP).

Bila rancangan ini diterapkan untuk turbin-turbin besar, maka casing turbin akan menjadi

sangat tebal sehinggga memerlukan waktu yang lama dalam periode “warming” ketika start

hingga mencapai posisi memuai penuh.

Hal ini disebabkan karena dinding casing sangat tebal dan hanya dipanaskan oleh uap dari

satu sisi yaitu sisi bagian dalam. Kondisi ini mengakibatkan terjadinya perbedaan temperatur

yang cukup besar antara permukaan bagian dalam casing dengan permukaan bagian luar.

Dengan demikian maka waktu yang diperlukan untuk pemerataan temperatur menjadi lebih

lama. Ilustrasi turbin single casing dapat dilihat pada gambar 1.23.



Gambar 1.23, Turbin Single Casing.

Bila temperatur uap masuk turbin 454 °C, maka ketik a start up, temperatur bagian dalam

casing juga mendekati 454 °C sementara temperatur b agian luar casing adalah temperatur

udara luar atau sekitar 38 °C. Dengan demikian maka pada saat start terjadi perbedaan

temperatur antara permukaan bagian dalam dengan permukaan luar sebesar 416 °C.

Bagian dalam cenderung akan memuai sedang bagian luar relatif belum akan akan memuai.

Bila perbedaan temperatur ini cukup besar, maka pada kondisi ekstrim dapat mengakibatkan

keretakan pada casing yang cukup tebal.

Double Casing



Dalam rancangan double casing, Turbin terdiri dari 2 casing utuk setiap selinder. Dengan

demikian maka ketebalan masing-masing casing hanya setengah dari ketebalan single casing.

Dengan demikian maka proses pemerataan panas dan ekspansi menjadi lebih cepat.

Disamping itu, karena setiap segmen casing menjadi lebih ringan, maka pemeliharaan menjadi

lebih mudah dan lebih cepat. Ilustrasi untuk Turbin double casing dapat dilihat pada gambar

1.24.

Gambar 1.24, Turbin Double Casing.

Bila temperatur uap saat 460 °C sedang temperatur a tmosfir 38 °C, maka perbedaan

temperatur tetap 420 °C. Keuntungan rancangan doubl e casing adalah bahwa ∆t sebesar 420



°C ini terbagi pada 2 casing. Uap masuk casing dala m (inner casing) pada 460 °C dan keluar

pada sekitar 349 °C untuk kemudian mengalir ke casi ng luar (outer casing) yang berarti

memanaskan sisi bagian luar inner casing. Dengan demikian maka ∆t permukaaan bagian

dalam dan bagian luar inner casing adalah 460 °C - 349 °C = 111 °C. Sedang t permuk aaan

bagian dalam dan bagian luar outer casing adalah 349 °C - 38 °C = 311 °C. Dengan demikian

maka ∆t pada setiap casing menjadi lebih kecil sehinggga memperkecil kemungkinan

keretakan.

Tripple Casing

Dalam rancangan tripple casing, setiap selinder terdiri dari 3 buah casing yaitu inner casing,

intermediate casing dan outer casing. Dinding setiap casing menjadi relatif lebih tipis dan

perbedaan temperatur (∆ t) setiap casing menjadi lebih rendah sehinggga waktu untuk

pemerataan panas relatif lebih singkat lagi.

Sudu Tetap (fixed blade)

Sudu merupakan bagian dari turbin dimana konversi energi terjadi. Sudu terdiri dari bagian akar

sudu, badan sudu dan ujung sudu.

Sudu seperti terlihat pada gambar 1.25, kemudian dirangkai sehingga membentuk satu

lingkaran penuh. Rangkaian sudu tersebut ada yang difungsikan sebagai sudu jalan dan ada

yang difungsikan menjadi sudu tetap. Rangkaian sudu jalan dipasang disekeliling rotor sedang

rangkaian sudu tetap dipasang disekeliling casing bagian dalam.



Gambar 1.25, Sudu Turbin.

Sudu tetap, selain ada yang berfungsi untuk mengubah energi panas menjadi energi kinetik,

tetapi ada juga yang hanya berfungsi untuk mengarahkan aliran uap.



Gambar 1.26, Sudu tetap dan diapragma

Sudu-sudu tetap dipasang melingkar pada dudukan berbentuk piringan yang disebut

diapragma. Pemasangan sudu-sudu tetap ini pada diapragma menggunakan akar berbentuk T

sehingga memberi posisi yang kokoh pada sudu.

Diapragma terdiri dari dua bagian (atas dan bawah) dan dipasang pada alur-alur yang ada

didalam casing. Setiap baris dari rangkaian sudu-sudu tetap ini membentuk suatu lingkaran

penuh dan ditempatkan langsung didepan setiap baris dari sudu-sudu gerak. Gambar 1.26

memperlihatkan diapragma dan sudu tetap.

1.3.2. NOZZLE.

Fungsi Nozzle.

Nozzle adalah suatu alat untuk mengubah energi panas dalam fluida (gas atau cair) menjadi

energi kinetik melalui expansi fluida.

Jenis - Jenis Nozzle.



Dalam dunia keteknikan, dikenal beberapa jenis nozzle diantaranya :

• Nozzle convergen.

• Nozzle divergen.

• Nozzle convergen - divergen.

a. Nozzle Convergen.

Ilustrasi dari nozzle convergen tampak seperti gambar 1.27.

Gambar 1.27, Nozzle Convergen

Anggap uap dengan temperatur T1 dan tekanan P1 mengalir masuk nozzle convergen.

Sebelum memasuki mulut nozzle uap ini bergerak dengan kecepatan V1. Ternyata, ketika

melntasi nozzle, uap mengalami percepatan dan keluar dari nozzle dengan kecepatan yang

lebih tinggi tetapi tekanan dan temperatur uap keluar nozzle menjadi lebih rendah dibanding

ketika uap memasuki mulut nozzle. Karena energi kinetik merupakan fungsi kuadrat dari

kecepatan, maka manakala kecepatan naik, berarti energi kinetik juga mengalami peningkatan.

Dari ilustrasi pada gambar 13 terlihat bahwa kecepatan uap keluar nozzle naik bila tekanan

keluar nozzle turun. Tetapi kenaiknan kecepatan ini hanya berlangsung manakala tekanan

turun hingga mencapai harga tertentu. Apablia tekanan uap keluar nozzle terus turun

melampaui harga tertentu ini, ternyata kecepatana uap tidak lagi mengalami peningkatan.



Kalau perbandingan antara kecepatan uap keluar nozzle (P2) dengan kecepatan uap masuk

nozzle (P1) kita sebut ratio tekanan, maka ratio tekanan dimana kecepatan uap tidak lagi

mengalami perubahan disebut ratio tekanan kritis. Ilustrasi kondisi ini diperlihatkan pada

gambar 1.28.

Gambar 1.28. Ratio Tekanan Kritis.

Mulai harga ratio tekanan kritis, kecepatan uap tidak lagi mengalami peningkatan dan

kecepatan uap pada kondisi sama dengan kecepatan suara. Ini berarti kita mungkin mencapai

kecepatan supersonic (lebih tinggi dari kecepatan suara) bila menggunakan nozzle convergen.



Tetapi dalam konteks turbin uap, adakalanya dibutuhkan kecepatan supersonic uap dalam

rangka untuk mentransformasikan energi panas uap sebesar mungkin. Guna memenuhi

kebutuhan ini, maka diperlukan nozzle convergen - divergen.

b. Nozzle Convergen - Divergen

Gambar 1.29. mengilustrasikan nozzle convergen - divergen.

Gambar 1.29. Nozzle Convergen - Divergen

Pada nozzle convergen - divergen yang dirancang secara sempurna, kecepatan sonic akan

tercapai didaerah leher (Throat) Nozzle, kecepatan supersonic terjadi diseksi divergen dari

nozzle sedang kecepatan uap keluar nozzle tergantung pada besarnya tekanan uap keluar

nozzle.

Inti dari pembahasan ini adalah bahwa nozzle merupakan bagian yang cukup penting.

Deformasi yang terjadi pada nozzle baik akibat erosi ataupun karena deposit dapat

mempengaruhi unjuk kerja.

1.3.3. Rotor



Adalah bagian dari turbin yang berputar akibat pengaruh gerakan uap terhadap sudu-sudu

gerak. Rotor turbin juga terdiri dari dua bagian, yaitu poros dan sudu jalan ( moving blade).

Gambar 1.30, Rotor

Tipe Rotor

Secara umum ada 2 macam tipe rotor turbin yaitu rotor tipe cakra (disk) dan rotor tipe drum

(silinder).

a. Rotor Tipe Disk

Pada rotor tipe ini, piringan-piringan (disk) dipasangkan pada poros sehingga membentuk

jajaran piringan seperti terlihat pada gambar 1.31.



Gambar 1.31, Rotor Tipe Cakram (Disk).

b. Rotor Tipe Drum

Pada rotor tipe ini, poros dicor dan dibentuk sesuai yang dikehendaki dan rangkaian sudu-sudu

langsung dipasang pada poros. Rotor tipe drum sangat fleksibel dan dapat dipakai hampir

untuk semua jenis turbin. Ilustrasi rotor jenis ini dapat dilihat pada gambar 1.32.

Gambar 1.32, Rotor Tipe Drum.

Poros

Poros dapat berupa silinder panjang yang solid ( pejal ) atau berongga ( hollow ). Pada

umumnya poros turbin sekarang terdiri dari silinder panjang yang solid.

Pada kebanyakan turbin, didekat ujung poros sisi tekanan tinggi dibuat collar untuk keperluan

bantalan aksial ( thrust bearing ).



Sepanjang poros dibuat alur-alur melingkar yang biasa disebut akar ( root ) untuk tempat

dudukan, sudu-sudu gerak ( moving blade ).

Sudu Gerak ( Moving Blades )

Adalah sudu-sudu yang dipasang di sekeliling rotor membentuk suatu piringan. Dalam suatu

rotor turbin terdiri dari beberapa baris piringan dengan diameter yang berbeda-beda,

banyaknya baris sudu gerak biasanya disebut banyaknya tingkat.



Gambar 1.33, Sudu gerak



Gambar 1.34, Sudu gerak yang dipasangkan pada Shaft

1.3.4. Pedestal dan Bantalan ( Bearing )

Pedestal berfungsi untuk menempatkan bantalan sebagai penyangga rotor juga dipasangkan

pada casing. Umumnya salah satu pedestal diikat (anchored) mati kepondasi. Sedang yang

lain ditempatkan diatas rel peluncur (Sliding feet) sehinggga casing dapat bergerak bebas

akibat pengaruh pemuaian maupun penyusutan (contraction).

Biasanya pedestal yang diikat pada pondasi adalah pedestal sisi tekanan rendah atau sisi yang

berdekatan dengan generator (generator end). Sedang sisi yang lain dibiarkan untuk dapat

bergerak dengan bebas. Ketika temperatur casing dan rotor naik, maka seluruh konstruksi

turbin akan memuai. Dengan penempatan salah satu pedestal diatas rel peluncur, maka

seluruh bagian turbin dapat bergerak dengan bebas ketika memuai.



Bantalan berfungsi sebagai penyangga rotor sehingga membuat rotor dapat stabil/lurus pada

posisinya didalam casing dan rotor dapat berputar dengan aman dan bebas.

Adanya bantalan yang menyangga turbin selain bermanfaat untuk menjaga rotor turbin tetap

pada posisinya juga menimbulkan kerugian mekanik karena gesekan.

Sebagai bagian yang berputar, rotor memiliki kecenderungan untuk bergerak baik dalam arah

radial maupun dalam arah aksial.Karena itu rotor harus ditumpu secara baik agar tidak terjadi

pergeseran radial maupun aksial yang berlebihan. Komponen yang dipakai untuk keperluan ini

disebut bantalan (bearing).

Turbin uap umumnya dilengkapi oleh bantalan jurnal (journal bearing) dan bantalan aksial

(Thrust bearing) untuk menyangga rotor maupun untuk membatasi pergeseran rotor.

Gambar 1.35, Pedestal dan Bearing

Bantalan Luncur ( Journal Bearing )

Bantalan ini digunakan untuk menyangga poros turbin generator. Terdapat satu bantalan

pada tiap sisi turbin. Semua bantalan ini dilapisi dengan babbit pada bagian dalamnya, dimana

ini adalah material yang lebih lunak dibanding poros turbin. Hal ini untuk mencegah poros turbin

aus akibat gesekan atau vibrasi tinggi. Selain itu babbit mempunyai kemampuan untuk



menahan pelumasan pada metal sehingga membantu mencegah gesekan antara bantalan dan

jurnal pada saat poros mulai berputar.

Hampir semua pabrik turbin telah beralih ke bantalan tipe elip. Bantalan ini mempunyai celah

(clearance) lebih horinsontal dari pada celah vertikal. Hal ini memberi keuntungan karena rugi

dayanya rendah, kenaikan temperaturnya rendah dan sangat stabil. Kenaikan temperatur

minyak biasanya dibatasi pada 50°F (10°C) pada setiap bantalan jurnal.

Gambar 1.36, Bantalan Luncur (Journal Bearing)

Bantalan aksial ( Thrust Bearing )

Sehubungan dengan toleransi arah aksial rotor turbin sangat kecil, maka digunakan bantalan

aksial untuk menyerap dan membatasi gerakan aksial poros turbin. Kebanyakan turbin

menggunakan bantalan aksial kingsbury atau tapered land (bentuk meruncing).

Bantalan aksial tapered land terdiri dari thrust rumer yang tak lain adalah dua collar kaku yang

dipasang pada poros turbin dan ikut berputar. Diantara kedua collar ini dipasang thrust plate

yang dilapis babbit dan di sangga oleh bantalan aksial itu sendiri. Dudukan bantalan didalam

rumah penyangga dan dipasang pada penyangga turbin. Tapered land berhubungan dengan

pad lapisan babbit yang akan menyerap gaya aksial. Pad (dudukan) ini berbentuk tapered

dalam arah melingkar dan radial. Thrust wear (keausan ) pada bantalan ini dibatasi oleh thrust

wear detector.



Gambar 1.37, Bantalan aksial (thrust bearing)



1.3.5. Katup Utama (stop Valve) dan Steam Chest

Pada umumnya katup uap utama turbin dipasang menjadi satu dengan rumah atau header dari

katup pengatur uap (governor valve). Header katup GV biasa disebut dengan steam chest.

Steam Chest

Steam chest adalah merupakan titik pertemuan antara pipa uap utama dengan saluran uap

masuk turbin. Fungsi utama Steam Chest adalah sebagai wadah untuk menempatkan katup-

katup governor sebagai pengatur aliran uap yang akan masuk ke Turbin.

Posisi Steam Chest pada konstruksi berbagai turbin sangat beragam. Pada salah satu

rancangan turbin, steam chest mungkin ditempatkan dibagian atas dan bawah dari turbin

tekanan tinggi. Pada rancangan lain, steam chest ditempatkan dikedua sisi turbin tekanan

tinggi. Disebagian besar konstruksi turbin, katup penutup cepat (stop valve) juga ditempatkan

pada steam chest. Gambar 2.35, memperlihatkan sketsa tipikal steam chest dari turbin uap.

Gambar 1.38, Steam Chest.



Pada gambar terlihat bahwa uap masuk ke steam chest melalui stop valve. Dari steam chest,

uap kemudian mengalir melalui pembukaan katup governor (governor valve) kedalam sisi

masuk turbin tekanan tinggi (HP Turbine).

Setiap katup governor dapat mengalirkan uap hanya untuk satu segmen saluran masuk uap ke

Turbin. Dalam keadaan semua katup governor membuka penuh, maka seluruh segmen saluran

uap masuk yang berbentuk lingkaran penuh akan dilalui oleh uap.

Pada beberapa konstruksi turbin, steam chest dengan saluran masuk uap ke Turbin Tekanan

Tinggi dihubungkan dengan pipa-pipa yang bersilangan bagaikan spageti sehingga kerap

disebut Spagety Pipe, seperti terlihat pada gambar 1.39.

Gambar 1.39, Saluran Uap Pada Turbin.

Katup Uap Utama (Main Stop Valve= MSV)



Main Stop valve adalah katup penutup cepat yang berfungsi untuk memblokir aliran uap dari

ketel ke Turbin. Katup ini dirancang hanya untuk menutup penuh atau membuka penuh. Pada

sebagian turbin, Pembukaan katup ini juga dapat diatur (Throtling) selama periode start turbin

untuk mengatur aliran uap hingga putaran turbin tertentu.

Fungsi pengaturan ini bagi katup penutup cepat merupakan fungsi tambahan. Fungsi utamanya

adalah untuk memutus aliran uap secara cepat ketika dalam kondisi emergensi. Sesuai dengan

fungsi utamanya, maka stop valve diharapkan menutup lebih cepat dibanding katup governor.

Karena stop valve memiliki fungsi utama dan fungsi tambahan, maka konstruksinya juga terdiri

dari katup utama (main valve) dan katup bantu (pilot valve) seperti terlihat pada gambar 1.40.

Gambar 1.40, MSV dengan Pilot valve.

Pilot valve berfungsi mengontrol aliran uap masuk turbin ketika turbin sedang start serta untuk

mempernudah pembukaan Main Stop Valve akibat berkurangnya perbedaan tekanan uap (∆P).



Dalam keadaan tertutup atau pada posisi trip, kedua katup (pilot valve dan main valve) akan

menutup rapat karena ditekan oleh pegas. Untuk membuka katup, diperlukan tekanan hidrolik

yang akan menggerakkan aktuator hidrolik (servo motor) dan melawan tekanan dari pegas.

Ketika gaya hidrolik sedikit lebih besar dari gaya pegas, maka batang katup akan mulai

bergerak. Gerakan batang katup ini mula-mula akan membuka pilot valve sementara main

valve masih dalam posisi menutup penuh akibat tekanan uap seperti terlihat pada gambar.

Pembukaan valve ini akan mengalirkan uap kedalam steam chest dan kemudian kedalam

turbin untuk memutar rotor. Untuk menaikkan putaran, maka pembukaan pilot valve diperbesar.

Bila tekanan hidrolik pada aktuator terus dinaikkan, maka pilot valve akan terus membuka

sampai posisi maksimum. Ketika sudah berada pada posisi maksimum buka dan tekanan

hidrolik terus diperbesar, maka batang katup dan pilot valve akan terus bergerak bersama main

valve. Dengan demikian maka main valve akan mulai membuka sehingga uap akan mengalir

kedalam steam chest melalui pilot valve dan main valve seperti yang terlihat pada gambar 1.41.

Gambar 1.41, Pembukaan Stop Valve

Bila tekanan hidrolik hilang, maka pegas akan menekan batang katup dan mendorong dengan

cepat keposisi menutup. Dalam posisi menutup, Main valve ditahan oleh pilot valve dan pegas

serta tekanan uap dari sisi luar katup.



Katup uap utama dibuka oleh tekanan minyak hidrolik dan ditutup secara mekanik oleh tekanan

pegas setelah tekanan minyak hydrolik habis terbuang ke drain. Kadangkala katup ini

dilengkapi atau disebut dengan katup penutup darurat (Emergency Stop Valve = ESV)

1.3.6. Governor Valve (Control Valve)

Katup ini berfungsi untuk mengontrol laju aliran uap ke turbin untuk mengendalikan putaran.

Katup ini berada didalam jalur aliran uap setelah katup uap utama dan steam chest. Governor

valve bekerja (membuka) sesuai dengan permintaan (kebutuhan) untuk mempertahankan

putaran turbin. Begitu ia bergerak, maka aliran uap ke turbin akan berubah dengan demikian

juga mengendalikan putaran. Governor valve biasanya terdiri dari empat buah yang bekerjanya

secara berurutan.

Gerakan katup-katup ini dilakukan oleh tekanan hidrolik yang dipasang pada aktuator saat

urutan membuka. Gerakan penutupan dilakukan oleh tekanan pegas.

Gambar 2.39a dan 2.39b memperlihatkan governor yang digerakkan dengan bar lift rod

dengan jumlah valve nya 4 buah.



Gambar 1.42a, Katup Governor dengan bar lift rod



Gambar 1.42b, Katup Governor

Katup-katup governor umumnya juga ditempatkan pada steam chest. Jumlah katup governor

bervariasi sesuai dengan faktor-faktor desain turbin yang meliputi kapasitas turbin, kebutuhan

aliran uap dan tekanan kerja uap.

Pada prinsipnya katup governor dibuka oleh minyak hidrolik dengan perantaraan aktuator

hidrolik (servo motor). Sedangkan untuk menutup katup governor digunakan pegas penekan

(return spring). Untuk memenuhi karakteristik katup governor sebagai pengatur aliran uap,

maka presentase pembukaan katup dapat diatur sesuai kebutuhan (positioned). Sistem kontrol

governor dapat berupa mekanik, hidrolik maupun elektrik-hidrolik.



1.3.7. Reheat Stop Valve dan Intercept Valve

Reheat Stop Valve (RSV)

Reheat stop valve adalah komponen yang merupakan bagian dari rancangan turbin reheat.

Seperti diketahui bahwa pada turbin reheat, uap yang keluar dari turbin tekanan tinggi (HP

Turbine) dialirkan kembali kedalam ketel untuk dipanaskan ulang (reheat). Uap panas ulang

(reheat steam) dari ketel ini selanjutnya dialirkan kembail ke Turbin. Tekanan menengah

ataupun turbin tekanan rendah. Sebelum masuk turbin, uap ini harus melintasi reheat stop

valve dan intercept valve lebih dahulu.

Reheat stop valve hanya dapat berada dalam 2 posisi yaitu posisi menutup penuh dan posisi

membuka penuh. Fungsi reheat stop valve hampir sama dengan Main Stop Valve tetapi katup

ini dipasang pada saluran reheat. Reheat stop valve dibuka oleh tekanan hidrolik melalui

aktuator hidrolik dan ditutup oleh tekanan pegas. Gambar memperlihatkan konstruksi reheat

stop valve.

Intercept Valve

Katup berikut yang dipasang pada saluran reheat setelah reheat stop valve adalah katup

intersep (Intercept Valve). Jadi intercept valve adalah katup terakhir yang dilalui uap sebelum

masuk ke Turbin Tekanan Menengah (IP Turbine). Pada kondisi operasi normal, intercept valve

hanya beroperasi pada 2 posisi yaitu posisi menutup penuh dan posisi membuka penuh. Tetapi

dalam kondisi abnormal, misalnya pada saat terjadi penurunan beban yang cukup besar,

sehingga putaran turbin naik sampai harga tertentu, katup ini juga berfungssi sebagai

pengontrol aliran uap reheat.



Gambar 1.43, Interceps Valve

Bila katup ini menutup, maka aliran uap ke Turbin Tekanan menengah (IP) dan Turbin Tekanan

Rendah (LP) akan berkurang sehingga putaran turbin juga cenderung turun. Pembukaan

katup intercept juga dilakukan oleh tekanan hidrolik dengan perantaraan aktuator hidrolik,

sementara untuk menutup digunakan tekanan pegas. Salah satu fungsi intercept valve adalah

untuk mencegah turbin dari kemungkinan overspeed. Umumnya katup ini mendapat perintah

untuk menutup dari sistem Auxiliary Governor.

Bila karena suatu sebab putaraan turbin naik hingga harga tertentu, Auxiliary Governor akan

memerintahkan intercept valve untuk menutup dan menurunkan putaran. Bila putaran turbin

telah turun, maka intercept valve akan kembali membuka. Ilustrasi intercept valve dapat dilihat

pada gambar 1.43.



1.3.8. DUMMY PISTON

Fungsi

Ekspansi uap pada turbin reaksi mengakibatkan terjadinya penurunan tekanan pada setiap

melewati baris sudu geraknya. Hal ini mengakibatkan timbulnya gaya aksial (thrust) yang besar

pada rotor . Makin panjang barisan sudu reaksi makin besar gaya aksial yang timbul. Arah gaya

aksial ini searah dengan arah aliran uap didalam turbin. Gaya aksial ini akan mengakibatkan

terjadinya pergesekan rotor dengan sudu-sudu diam turbin.

Untuk meredam besarnya gaya dorong aksial yang timbul, maka diterapkan ’dummy piston’

(piston pengimbang) yang dipasang pada rotor disisi depan sudu pertama turbin seperti

diperlihatkan pada gambar 1.44.

Prinsip kerja

Prinsip kerja dummy piston adalah membalansir gaya aksial poros dengan cara mengalirkan

sebagian kecil uap kearah dummy piston. Luas permukaan antara sisi tekanan tinggi dan sisi

tekanan rendah dumy piston dibuat berbeda sehingga menimbulkan perbedaan tekanan.

Perbedaan tekanan ini akan menghasilkan gaya dorong aksial yang cukup untuk meredam

gaya aksial yang ditimbulkan oleh aliran uap pada turbin. Apabila masih terdapat resultan gaya

dorong yang biasanya cukup kecil, maka gaya ini akan diredam oleh bantalan aksial (thrust

bearing) yang dipasang dibagian depan turbin.



Gambar 1.44, Penempatan Dummy piston

Pada turbin dengan casing ganda atau triple casing, sisi tekanan rendah dummy piston

dihubungkan ke sisi uap keluar silinder. Tetapi pada mesin yang lama sisi tekanan rendah

dummy piston dihubungkan dengan silinder tekanan rendah melalui saluran pipa yang

dipasang diluar silinder. Untuk mengurangi kebocoran uap, pada bagian tepi dummy piston

dipasang perapat jenis labirin.

Dummy piston terutama diperlukan pada turbin reaksi aliran tunggal (single flow). Pada jenis

turbin impuls tidak terjadi drop tekanan ketika melewati sudu geraknya sehingga tidak timbul

gaya aksial poros. Pada turbin aliran ganda, gaya aksial yang timbul dinetralisir dengan

membuat aliran uap yang berlawanan antara silinder HP dengan silinder IP dan pada silinder

LP.

1. turbin uap

Documents