Oleh:Heru Mirmanto

Turbin gas merupakan suatu pesawat yang mengkonversi energi fluida menjadi energi mekanik berupa daya mesin. Fluida yang berenergi tinggi berasal dari pembakaran bahan bakar

Ditemukan oleh tahun 1930 Dipatenkan tahun 1934Pertama digunakan untuk mesin pesawat tahun 1942 oleh German selama PD2Aplikasi saat ini : Mesin pesawat, kapal laut & power plant Pabrik pembuat : General Electric, Rolls Royce, Pratt &Whitney, Alstom, SNECMA, Siemens Westinghouse , Honeywell

Prinsip Kerja Turbin Gas

Prinsip Kerja Turbin GasKompresor :Menyediakan kebutuhan udara bertekanan untuk proses pembakaran pada jumlah dan tekanan tertentu.Ruang Bakar :Bahan bakar diinjeksikan masuk ke ruang bertekanan lalu dibakar pada tekanan konstan sehingga menghasilkan kenaikan temperatur fluida kerja.Turbin Gas :Mengkonversi energi panas fluida menjadi kerja poros digunakan untuk menggerakan kompresor dan beban.

KEUNTUNGANAliran Fluida KontinuGerakan mesin berputar sehingga putaran lebih tinggi & dapat dikopel langsung dengan bebanGetaran rendah, Konstruksi kompak & pondasi lebih sederhanaBerat persatuan daya lebih besarTingkat polusi rendahBahaya kebakaran rendahdll

KERUGIANMAHAL: Beroperasi pada putaran tinggi dan temperatur tinggi. Teknologi perancangan dan manufaktur serta pemilihan material. Bahan bakar boros.Cocok untuk beban konstan dp berfluktuasi.

Lower emission compared to all conventional methods (except nuclear)Regulations require further reduction in emission levels

Mesin Pesawat TerbangTransportasi (Darat, Laut)Kereta Api, Kendaraan Militer, Kapal Laut Pembangkit Tenaga ListrikIndustri Minyak & GasdllKEGUNAAN TURBIN GAS

Jet Car

Siklus Kerja :Open CycleClosed CycleCombined CycleKLASIFIKASI

KLASIFIKASIC = CompressorRB = Ruang BakarTG = Gas Turbine G = GeneratorHE = Heat ExchangerCD = CondensorP = PumpB = BoilerST = Steam turbine

Susunan Poros :TunggalGandaSplitTwin SpoolKLASIFIKASI

Susunan Poros :Twin SpoolPoros SplitKLASIFIKASI

Arah Aliran AksialPenampang turbin gas dengan propeler untuk menggerakkan pesawat terbang (Dietzel, 1980) KLASIFIKASI

Arah Aliran RadialKLASIFIKASI

KLASIFIKASITurbin Aksi

KLASIFIKASITurbin Reaksi

KOMPRESORRUANG BAKARTURBIN GASINTERCOOLERHEAT EXCHANGERKOMPONEN UTAMA

KOMPRESORKOMPONEN UTAMAPeralatan untuk merubah energi mekanik (daya poros ke impeller) selanjutnya digunakan menaikan kecepatan dan tekanan fluida (udara/gas). Kenaikan tekanan berikutnya tergantung type kompresor (volute chamber atau difuser). Type kompresor dynamik :RadialAksial

casing.Inlet coverBack plateImpellerShaftSealJournal bearingThrust bearingCoupling hubBalance planeInlet Guide VanesNomenklatur :KOMPRESOR RADIAL

KOMPRESOR RADIALAliran kontinyuKenaikan tekanan tiap stage tinggi.Kapasitas rendahCocok untuk daya rendahLosses meningkat ketika multisatgeSesuai utuk CR 5:1

KOMPRESOR RADIALMultistage Radial Compressor

Kapasitas yang sangat besar untuk luasan yang samaEffisiensi yang tinggiArah aliran fluida yang searah poros sehinga cocok untuk multistageKapasitas aliran dapat bervariasi (70,000 300,000) cfm. CR hingga 20 :1Pada Gas Turbine, Tekanan discharge hingga 250 psi .KOMPRESOR AKSIAL

KOMPRESOR AKSIAL

Nilai Efisiensi vs Type Impeller

KARAKTERISTIK KOMPRESOR AKSIAL

Unstable Operation

Akibat yang ditimbulkan antara lain :Kompresor beroperasi pada kondisi tidak stabilTerjadi fluktuasi aliran dengan frekuensi yang tinggi dan bergetarTimbulnya suara yang gaduhTemperatur yang meningkat dengan cepatKerusakan pada bantalan dll.Suatu phenomena dimana tekanan yang dihasilkan oleh kompresor berfluktuasi, akibat beroperasi melebihi batas kapasitas minimum.Surge

Akibat Surge

Akibat yang ditimbulkan antara lain :Tekanan kompresor menurun drastis akibat kecepatan fluida di dalam impeller melebihi Mach number (sonic).Suatu phenomena dimana tekanan yang dihasilkan oleh kompresor menurun drastis. Hal ini akibat kompresor beroperasi melebihi batas kapasitas maksimum.Choke

Penyebab Surge & Choke

Pengaruh Head systemPengaruh throtling

Pengaruh Pengotoran

STALLBlade stallWall stall

- Impurities in inlet airChange compressor characterisiticReduce eficiencyErosi lapisanFiltrationMenyaring kotoranAmbient air conditionDijaga agar tidak terjadi foulingFexible sealing bandsDijaga agar tidak terjadi crack karena menyebabkan udara yang tidak tersaring masuk dan dapat merusak engine.Hal yang harus diperhatikan :

Air Inlet SectionBerfungsi untuk menyaring kotoran dan debu yang terbawa dalam udara sebelum masuk ke kompresor. Bagian ini terdiri dari:1. Air Inlet Housing, merupakan tempat udara masuk dimana didalamnya terdapat peralatan pembersih udara.2. Inertia Separator, berfungsi untuk membersihkan debu-debu atau partikel yang terbawa bersama udara masuk.3. Pre-Filter, merupakan penyaringan udara awal yang dipasang pada inlet house.4. Main Filter, merupakan penyaring utama yang terdapat pada bagian dalam inlet house, udara yang telah melewati penyaring ini masuk ke dalam kompresor.5. Inlet Bellmouth, berfungsi untuk membagi udara agar merata pada saat memasuki ruang kompresor.6. Inlet Guide Vane, merupakan blade yang berfungsi sebagai pengatur jumlah udara yang masuk agar sesuai dengan yang diperlukan.Hal yang harus diperhatikan :

INLET AIR FILTER

Suatu ruang dimana Bahan bakar diinjeksikan dalam udara bertekanan untuk dikabutkan selanjutnya dipantik agar terjadi pembakaran.Bahan bakar dan udara dibakar secara stokiometri pada tekanan konstan. Gas hasil pembakaran dicampur dengan udara agar sesuai dengan temperatur inlet turbin.RUANG BAKAR

Ada tiga bagian utama Combustor :Recirculation zone:- Fuel dikabutkan dan sebagian terbakarBurning zone: - Semua bahan bakar telah terbakarDilution Zone:- Tempat transfer panas antara udara dengan gas hasil pembakaran- Penambahan udara pembakaran untuk membantu proses pembakaran sempurna. RUANG BAKAR

Tipe Ruang Bakar :TubularCan-AnnulerAnnulerRUANG BAKAR

Flame StabilizationFuel yang keluar dari nozzle akan membentuk aliran pusaranPenyebaran api disesuaikan dengan bentuk combustor Temperatur disesuaikan dengan inlet turbinTemperature Gradient Thermal stress Creep/ rapturekekuatan dari materialCombustion dan dilution: Campuran stokiometriPolutan : Smoke, Carbon deposit, Nox, dllFilm cooling of liner: Pengaruh terhadap kekuatan dari material liner Menyebabkan fatigueRUANG BAKAR

Smoke:Terjadi karena campuran bahan bakar dan udara pada liner / chamber terlalu kayaCara mengatasinya dengan menyuplai udara yang lebih banyak ke dalam chamber / linerHydrocarbon dan Carbon Monoxide:Terjadi karena pembakaran yang kurang sempurnaFaktor ini dapat diminimalisir dengan mengusahakan pencampuran udara dan bahan bakar agar lebih homogenSerta dengan meningkatkan local temperatur dalam liner / chamberOxide of Nitrogen, dapat diminimalisir dengan:Menurunkan peak flame temperatur dengan mengusahakan campuran menjadi miskinMenginjeksikan steam atau air untuk menurunkan temperatur pembakaran (firing temperature)menginjeksikan gas inert ke dalam combustorRUANG BAKARAir Polution Problem

BAHAN BAKARPertimbangan memilih bahan bakarHeating ValueCleanliness CorrosivityDeposition and fouling tendenciesAvailability

Tipe Radial FlowTURBIN GAS

Tipe Radial FlowEkspansi Gas pembakaran mengalir dari arah radial ke aksialKurang cocok untuk ekspansi bertingkatSesuai untuk Daya kecilEfisiensi turbin radial lebih rendah dp turbin aksi

Tipe Aksial FlowTurbin yang banyak digunakan Efisiensi lebih tinggiMerupakan turbin aksi dan reaksiTurbin Reaksi yang paling banyak digunakanEfisiensi turbin Reaksi lebih tunggi dp turbin aksi

TURBIN GAS

TURBIN GAS

TEMPERATUR PEMBAKARAN

PENDINGINAN BLADE TURBIN Blades harus tetap bekerja pada temperatur tertentu Hindarkan beroperasi dekat titik leleh material Meningkatkan 17 C dapat menurunkan umur mesin Pendinginan dengan mengalirkan udara (300 C ) melalui lubang2 kecil pada blade, dapat menjaga blades tetap amanMetode yang digunakan untuk pendinginan pada turbin gas adalah : Convection Cooling Impingement Cooling Film Cooling Transpiration Cooling Water Cooling

PENDINGINAN BLADE TURBINConvection CoolingMengalirkan udara dingin ke dalam turbine bladeAliran udara yang digunakan : aliran radial, yang melewati berbagai jalur dari hub sampai ke tip dari bladeMetode yang paling umum digunakan pada turbin gas.

PENDINGINAN BLADE TURBINImpingement Cooling :Pengembangan dari convection cooling. Udara disemprotkan di dalam permukaan blade dengan high-velocity air jetsHal ini meningkatkan transfer panas dari permukaan metal ke udara pendinginKelebihan dari metode ini adalah sistemnya dapat diterapkan hanya di tempat yang membutuhkan pendinginan lebih banyak

Film CoolingMembuat insulating layer diantara aliran gas panas dan bladeJuga untuk melindungi combustor liners dari gas panasPENDINGINAN BLADE TURBIN

PENDINGINAN BLADE TURBINTranspiration CoolingTranspiration cooling dapat dicapai dengan mengalirkan udara pendingin melalui lubang pori pada dinding bladeAliran udara pendingin akan mendinginkan aliran gas panas secara langsungMetode ini sangat efektif untuk temperatur yang sangat tinggi, karena seluruh bagian blade dilewati oleh udara pendingin

PENDINGINAN BLADE TURBINWater CoolingMengalirkan air ke dalam tube di dalam blade dan akan keluar pada bagian tip dari blade dalam wujud uapAir harus mengalami pemanasan awal untuk mencegah terjadinya thermal shockDapat menurunkan suhu blade hingga kurang 1000 OF (538 OC)

PENDINGINAN BLADE TURBIN

HEAT EXCHANGER Heat Exchanger : Suatu peralatan untuk mentransfer energy panas (enthalpy) antara 2 atau lebih fluida, antara permukaan padat dan fluida atau antara partikel padat dan fluida pada suhu yang berbeda dalam kontak thermal.

Fungsi HE di lapangan :Heater, cooler, evaporator dan condensor

INTERCOOLER

Instalasi Turbin Gas

Inspection IntervalFollowing table shows the operating hours at which inspection should be performed for operation on gas fuel and continuous dutyRecommended Inspection Interval

Note: (1) Hours mean quivalent Operating Hoursreflecting the operation conditions of Gas Turbines

Summary of GT Inspection

InspectionProcedureInspection ItemsCombustor InspectionDismantling combustor basketVisual inspection & NDT (1) of fuel nozzles, combustor baskets and transition piecesVisual inspection of turbine blade row 4 and vane row 1 and 4Visual inspection of compressor IGV, blade row 1 and vane row 1Turbine InspectionLifting the upper housing of the turbineVisual inspection and NDT (1) of turbine blades, vanes and sealsCombustor inspection is carried out at the same timeMajor Overhaul InspectionLifting the upper housing of the turbine and compressorLifting the rotorVisual inspection & NDT (2) of all components from expansion joint of the inlet air to the first expansion joint of the exhaust gasInspection of auxiliaries, control systems and instruments

NDT (1) : Non Destructive Test (Penetrant Test)NDT (2) : Non Destructive Test (Penetrant Test, Magnetic Particle test and Ultrasonic test

CombustorCompressorGT Inspection

Inlet Guide VanesGT Inspection

Lifting the upper housing CompressorGT Inspection

Combustor InspectionNo 1. Compressor inlet (1)No 2. Turbine blade row 4 (1)No 3. Flame detector and igniter (2)No 4. Fuel nozzle (2)No 5. Combustor basket (2)No 6. Transition piece (2)

(1): Visual Inspection(2): Roll-in & Roll-out Parts

Combustion Inspection Schedule(for one (1) Gas Turbine)

Transition pieceGT Inspection

Turbine InspectionNo 1. Compressor inlet (1)No 2. Flame detector and igniter (2)No 3. Fuel nozzle (2)No 4. Combustor basket (2)No 5. Transition piece (2)No 6. Turbine blade (2)No 7. Turbine vane (2)No 8. Compressor last row and OGVs blade and diaphragm (1)

(1): Visual Inspection(2): Roll-in & Roll-out Parts

Routine Maintenance

Terima Kasih