Turbin Uap

Turbin uap adalah suatu penggerak mula yang mengubah energi potensial menjadi energi kinetik dan energi kinetik ini selanjutnya diubah menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros turbin. Poros turbin langsung atau dengan bantuan elemen lain, dihubungkan dengan mekanisme yang digerakkan. Tergantung dari jenis mekanisme yang digerakkan turbin uap dapat digunakan pada berbagai bidang industri, seperti untuk pembangkit listrik.

Turbin uap merupakan salah satu jenis mesin yang menggunakan metode external combustion engine (mesin pembakaran luar). Pemanasan fluida kerja (uap) dilakukan di luar sistem. Prinsip kerja dari suatu instalasi turbin uap secara umum adalah dimulai dari pemanasan air pada ketel uap. Uap air hasil pemanasan yang bertemperatur dan bertekanan tinggi selanjutnya digunakan untuk menggerakkan poros turbin. Uap yang keluar dari turbin selanjutnya dapat dipanaskan kembali atau langsung disalurkan ke kondensor untuk didinginkan. Pada kondensor uap berubah kembali menjadi air dengan tekanan dan temperatur yang telah menurun. Selanjutnya air tersebut dialirkan kembali ke ketal uap dengan bantuan pompa. Dari penjelasan diatas dapat disimpulkan bahwa turbin uap adalah mesin pembangkit yang bekerja dengan sistem siklus tertutup.

Komponen Utama Turbin UapSecara umum komponen-komponen utama dari sebuah turbin uap adalah :

Nosel, sebagai media ekspansi uap yang merubah energi potensial menjadi energi kinetik. Sudu, alat yang menerima gaya dari energi kinetik uap melalui nosel. Cakram, tempat sudu-sudu dipasang secara radial pada poros. Poros, sebagai komponen utama tempat dipasangnya cakram-cakram sepanjang sumbu. Bantalan, bagian yang berfungsi uuntuk menyokong kedua ujung poros dan banyak

menerima beban. Kopling, sebagai penghubung antara mekanisme turbin uap dengan mekanisme yang

digerakkan.

Klasifikasi Turbin UapTurbin uap dapat diklasifikasikan sebagai berikut :a. Menurut arah aliran uapTurbin aksialFluida kerja mengalir dalam arah yang sejajar terhadap sumbu turbinTurbin radialFluida kerja mengalir dalam arah yang tegak lurus terhadap sumbu turbin.b. Menurut prinsip aksi uapTurbin impulsEnergi potensial uap diubah menjadi energi kinetik di dalam nosel.Turbin reaksiEkspansi uap terjadi pada sudu pengarah dan sudu gerak.c. Menurut kondisi uap pada sisi masuk turbin.Turbin tekanan rendahMemakai uap pada tekanan 1,2 – 2 ata.Turbin tekanan menengahMemakai uap pada tekanan sampai 40 ata.Turbin tekanan tinggiMemakai uap pada tekanan sampai 170 ata atau lebih.Turbin tekanan super tinggiMemakai uap pada tekanan sampai 235 ata atau lebih.d. Menurut pemakaiannya di bidang industri- Turbin stasioner dengan putaran yang konstan yang dipakai terutama untuk generator.- Turbin stasioner dengan putaran yang bervariasi dipakai untuk mengerakkan blower turbo, pompa, dan lain-lain.- Turbin tidak stasioner dengan putaran yang bervariasi, biasa digunakan pada kapal dan lokomotif uap.

BAB II

PEMBAHASAN

Pengertian Turbin Uap

Turbin kukus (uap air) adalah suatu penggerak mula yang mengubah energi potensial kukus menjadi energi kinetik ini selanjutnya diubah menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros turbin. Poros turbin langsung atau dengan bantuan roda gigi reduksi, dihubungkan dengan mekanisme yang digerakkan. Tergantung pada jenis mekanisme yan digerakkan, turbin kukus dapat dipergunakan pada berbagai bidang industri, untuk pembangkit tenaga listrik, dan untuk transportasi.

Ide turbin kukus ini sudah lama. Sudah umum diketahui bahwa kira-kira tahun 120 S.M. Hero Alexandera membuat prototipe turbin yang pertama yang bekerja berdasarkan prinsip reaksi. Alat ini yang menjelma menjadi instalasi tenaga kukus yang primitif

Turbin uap (kukus) secara umum diklasifikasikan kedalam tiga jenis impuls, dan gabungan (impuls-reaksi), yang tergantung pada cara perolehan perubahan energi potensial menjadi energi kinetik semburan kukus.

1. Komponen Turbin Uap2. Kompoen Lengkap Sistem Turbin Uap

1. Ketel2. Kondensor3. pompa air ketel4. Turbin (komponen trubin akan dijelaskan dalam sub bab berikut)5. Komponen Utama Turbin

BAGIAN UTAMA TURBIN

1. Cassing

Adalah sebagai penutup (rumah) bagian-bagian utama turbin.

1. Rotor

Adalah bagian turbin yang berputar terdiri dari:

1)      Poros

Berfungsi sebagai komponen utama tempat dipasangnya cakram-cakram sepanjang sumbu.

2)      Sudu turbin atau deretan sudu

Berfungsi sebagai alat yang menerima gaya dari energi kinetik uap melalui nosel.

3)      Cakram

Berfungsi sebagai tempat sudu-sudu dipasang secara radial pada poros.

1. Nosel

Berfungsi sebagai media ekspansi uap yang merubah energi potensial menjadi energi kinetik.

1. Bantalan

Merupakan bagian yang berfungsi uuntuk menyokong kedua ujung poros dan banyak menerima beban.

1. Kopling

Berfungsi sebagai penghubung antara mekanisme turbin uap dengan mekanisme yang digerakkan.

1. Asas Impuls dan Reaksi

Turbin adalah mesin rotari yang bekerja karena terjadi perubahan energi kinetik uap menjadi putaran poros turbin. Proses perubahan itu terjadi pada sudu-sudu turbin. Sebagai perbandingan dengan mesin torak yang bekerja karena ekpansi energi panas gas atau uap di dalam silinder yang mendorong torak untuk bergerak bolak-balik. Pada dasarnya, prinsip kerja mesin torak dengan turbin uap adalah sama. Fluida gas dengan energi potensial yang besar berekspansi sehingga mempunyai energi kinetik tinggi yang akan medorong torak atau sudu, karena dorongan atau tumbukan tersebut, torak atau sudu kemudian bergerak. Proses tumbukan inilah yang dinamakan dengan Impuls.

Azas impuls dapat dijelaskan dengan metode sebagai berikut. Pada gambar 3. A adalah sebuah pelat yang ditumbuk dengan fluida gas berkecepatan Vs, dan laju massa m, karena pelat itu beroda sehingga bergerak dengan kecepatan Vb. Dari dua model di atas, dapat dilihat bahwa model sudu mempunyai daya yang lebih besar pada kecepatan dan laju massa fluida gas yang sama.

Maka dengan alasan tersebut, bentuk sudu dianggap yang paling efisien untuk diterapkan pada turbin uap atau jenis turbin lainnya seperi turbin gas dan air. Penerapan model sudu tersebut di atas pada turbin uap, penataannya kurang lebih seperti pada gambar 4, yaitu menata sudu sudut tersebut sebaris mengelilingi roda jalan atau poros turbin uap, sehingga terjadi keseimbangan gaya.

Perbedaan turbin impuls dan reaksi dari segi aliran

Model turbin impuls dalam sejarahnya sudah pernah dibuat oleh Branca (Gambar 5). Prinsip kerjanya adalah dengan menyemburkan uap berkecapatan tinggi melalui nosel ke sudu-sudu impuls pada roda jalan. Akibat adanya tumbukan antara semburan gas dengan sudu-sudu jalan turbin impuls, poros turbin menjadi berputar.

Berbeda dengan azas impuls, azas reaksi untuk sebagaian orang lebih sulit dipahami. Untuk menggambarkan azas reaksi bekerja pada gambar adalah model jet uap dari Newton.

Gambar 6. Mesin uap Newton gaya aksi reaksi

Semburan uap dari tabung mempunyai energi kinetik yang besar sehingga sepeda akan bergerak ke kiri. Dari hal tersebut dapat dipahami bahwa mesin tersebut bekerja dengan azas reaksi, yaitu semburan uap melakukan aksi sehingga timbul reaksi pada sepeda untuk begerak melawan aksi.

.

1. Klasifikasi Turbin Uap

Turbin uap (kukus) dapat ddiklasifikasikan ke dalam kategori yang berbeda yang tergantung pada kontruksinya, proses penurunan kalor, kondisi-kondisi awal dan akhir kukus dan pemakaiannya di bidang industi sebagai berikut :

1. Menurut jumlah tingkat tekanan : 1. Turbin satu tingkat dengan satu atau lebih tingkat kecepatan yang biasaya

berkapasitas kecil, turbin ini kebanyakan dipakai untuk menggerakkan kompresor sentrifugal dan mesin-mesin lain yang serupa;

2. Turbin impuls dan reaksi nekatingkat ; turbin ini dibuat dalam jangka kapasitas yang luas mulai dari yang terkecil hingga yang besar.

1. Menurut arah aliran khusus:

1. Turbin aksial, yang kukusnya mengalir dalam arah yang sejajar terhadap sumbu turbin; tegak lurus terhadap sumbu turbin satu atau lebih tingkat kecepatan- rendah pada turbin itu dibuat  aksial;

2. Turbin radial, yang kukusnya mengalir dalam arah tegak lurus terhadap sumbu turbin;

3. Menurut jumlah silinder: 1. Turbin silinder-tunggal;2. Turbin silinder-ganda;3. Turbin tiga-silinder, dan4. Turbin empat silinder;

4. Menurut metode pengaturan: 1. Turbin dengan pengatur pencekik (throttling);

Turbin yang kukus segarnya masuk melalui satu atau lebih (yang tergantung pada daya yang dihasilkan) katup pencekik yang dioperasikan serempak.

1. Turbin dengan pengatur nosel;

Turbin yang kukus segarnya masuk melalui dua atau lebih pengatur pembuka (opening regulator) yang berurutan

1. Turbin dengan pengatur langkah(by-pass governing).

Turbin yang kukus segarnya disamping dialirkan ke tingkat pertama langsung dialirkan ke tingkat dua, atau bahkan 3 ttingkat menengah turbin tersebut

1. Menurut prinsip aksi khusus: 1. Turbin impuls , yang energi potensial kukusnya diubah menjadi energi kinetik di

dalam nosel atau laluan yang dibentuk oleh sudu-ari sudu diam yang berdekatan.

1. Turbin reaksi aksial yang ekspansi kukusnya di antara laluan sudu baik sudu pengarah maupun sudu-gerak tiap-tiap tingkat berlangsung hampir pada derajat yang sama;

1. Turbin reaksi radial tanpa sudu pengarah yang diam;2. Turbin reaksi radial dengan sudu pengarah yang diam.

1. Menurut proses penurunan kalor: 1. Turbin kondensasi;

Untuk jenis turbin ini kukus pada tekanan yang lebih rendah dari tekanan atmosfer dialirkan ke kondensor. Selain itu kukus juga dicerat melalui tingkat-tingkat menengahnya untuk memanaskan air pengisian ketel, jumlah penceratan yang demikian itu biasanya 2-3 hingga sebanyak 8-9.

TURBIN KONDENSASI

1. Turbin tekan lawan;

Kukus buang digunakan untuk keperluan industry dan pemanasan kedalam turbin ini juga ditambahkan. Turbin dengan kevakuman yang dihilangkan. Kukus kerja digunakan untuk pemanasan dan proses kerja.

1. Turbin tumpang;

Jenis turbin tekanan lawan dengan perbedaaan kukus buang. Dipakai untuk turbin kondensasi tekanan menengah dan rendah, kebanyakan dipakai untuk membesarkan kapasitas pembangkitan pabrik dengan maksut untuk mendapatkan efisiensi yang lebih baik.

1. Turbin tekanan rendah(back pressure turbine);

Turbin yang kukus buang dari mesin-mesin kukus,palu kukus, meesin tekan, dll dipakai sebagai keperluan pembangkitan tenaga listrik.

1. Turbin tekan-campuran. Dilengkapi dengan dua atau tiga tingkat tekanan, dengan suplai kukus buang ke tingkat-tingkat menengahnya.

2. Menurut kondisi-kondisi kukus pada  sisi masuk turbin:

Dalm hal ini yang dibedakan hanyalah berapa tekanan kukus yang masuk kedalam turbin, untuk cara kerja pada dasarnya adalah sama.

1. Turbin tekanan rendah;

Turbin yang memakai kukus pada tekanan 1,2 – 2 atm.

1. Turbin tekkanan  menengah;

Turbin yang memakai kukus pada tekanan sampai 40 atm.

1. Turbin teanan tinggi;

Turbin yang memakai kukus pada tekanan diatas 40 atm

1. Turbin tekanan sangat tinggi;

Turbin yang memakai kukus pada tekanan 170 atm atau lebih dari temperatur diatas 550 C atau lebih.

1. Turbin tekanan super kritis.

Turbin yang memakai kukus pada tekanan 225 atm atau lebih.

1. Menurut pemakaian dibidang industri:

1. Turbin stationer dengan kompresi;

Dengan kepesatan yang konstan yang dipakai terutama untuk menggerakkan alternator.

1. Turbin stationer dengan kepesatan

Dengan kepesatan yang bervariasi yang dipakai untuk menggerakkan blower-turbo, pengedar udara (air circulator), pompa dll.

BAB III

PENUTUP

1. Kesimpulan

Turbin uap merupakan suatu penggerak mula yang mengubah energi potensial uap menjadi energi kinetik dan energi kinetik ini selanjutnya diubah menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran poros turbin. Poros turbin dihubungkan dengan yang digerakkan, yaitu generator atau peralatan mesin lainnya, menggunakan mekanisme transmisi roda gigi.

Turbin uap (kukus) secara umum diklasifikasikan kedalam tiga jenis impuls, dan gabungan (impuls-reaksi), yang tergantung pada cara perolehan perubahan energi potensial menjadi energi kinetik semburan uap (kukus).

Prinsip Kerja Turbin Uap

digg [ I ]

Pada dasarnya prinsip kerja turbin uap sama dengan mesin uap tipe bolak balik. Bedanya mesin uap tipe bolak balik menggunakan piston, sedangkan turbin uap menggunakan turbin. Pada mesin uap tipe bolak balik, kalor diubah terlebih dahulu menjadi energi kinetik translasi piston. Setelah itu energi kinetik translasi piston diubah menjadi energi kinetik rotasi roda pemutar. Nah, pada turbin uap, kalor langsung diubah menjadi energi kinetik rotasi turbin.

Turbin bisa berputar akibat adanya perbedaan tekanan. Suhu uap sebelah atas bilah jauh lebih besar daripada suhu uap sebelah bawah bilah (bilah tuh lempeng tipis yang ada di tengah turbin). Ingat ya, suhu berbading lurus dengan tekanan. Karena suhu uap pada sebelah atas bilah lebih besar dari suhu uap pada sebelah bawah bilah maka tekanan uap pada sebelah atas bilah lebih besar daripada tekanan uap pada sebelah bawah bilah. Adanya perbedaan tekanan menyebabkan

si uap mendorong bilah ke bawah sehingga turbin berputar. Arah putaran turbin tampak seperti gambar di bawah:

Perlu diketahui bahwa prinsip kerja mesin uap didasarkan pada diagram perpindahan energi yang telah dijelaskan di atas. Dalam hal ini, energi mekanik bisa dihasilkan apabila kita membiarkan kalor mengalir dari benda atau tempat bersuhu tinggi menuju benda atau tempat bersuhu rendah. Dengan demikian, perbedaan suhu sangat diperlukan pada mesin uap.Btw, apabila dirimu perhatikan cara kerja mesin uap tipe bolak balik, tampak bahwa piston tetap bisa bergerak ke kanan dan ke kiri walaupun tidak ada perbedaan suhu (tidak ada kondensor dan pompa). Piston bisa bergerak ke kanan akibat adanya pemuaian uap bersuhu tinggi atau uap bertekanan tinggi. Dalam hal ini, sebagian kalor pada uap berubah menjadi energi kinetik translasi piston. Energi kinetik translasi piston kemudian berubah menjadi energi kinetik rotasi roda pemutar. Setelah melakukan setengah putaran, roda akan menekan piston kembali ke kiri. Ketika roda menekan piston kembali ke kiri, energi kinetik rotasi roda berubah lagi menjadi energi kinetik translasi piston. Ketika piston bergerak ke kiri, piston mendorong uap yang ada dalam silinder.Pada saat yang sama, katup pembuangan terbuka. Dengan demikian, uap yang didorong piston tadi akan mendorong temannya ada di sebelah bawah katup pembuangan. Nah, apabila suhu uap yang berada di sebelah bawah katup pembuangan = suhu uap yang didorong piston, maka semua energi kinetik translasi piston akan berubah lagi menjadi energi dalam uap. Energi dalam berbanding lurus dengan suhu. Kalau energi dalam uap bertambah maka suhu uap meningkat. Suhu berbanding lurus dengan tekanan. Kalau suhu uap meningkat maka tekanan uap juga meningkat. Dengan demikian, tekanan uap yang dibuang melalui katup pembuangan = tekanan uap yang masuk melalui katup masukan. Piston akan tetap bergerak ke kanan dan ke kiri seterusnya tetapi tidak akan ada energi kinetik total yang bisa dimanfaatkan (tidak ada kerja total yang dihasilkan). Jadi energi kinetik yang diterima oleh piston selama proses pemuaian (piston bergerak ke kanan) akan dikembalikan lagi kepada uap selama proses penekanan (piston bergerak ke kiri). Pahami perlahan-lahan ya… Dari penjelasan panjang lebar dan bertele-tele sebelumnya, kita bisa menyimpulkan bahwa perbedaan suhu dalam mesin uap tetap diperlukan. Perbedaan suhu dalam mesin uap bisa

diperoleh dengan memanfaatkan kondensor. Ketika suhu dan tekanan uap yang berada di sebelah bawah katup pembuangan jauh lebih kecil dari pada suhu dan tekanan uap yang berada di dalam silinder, maka ketika si piston bergerak kembali ke kiri, besarnya tekanan (P = F/A) yang dilakukan piston terhadap uap jauh lebih kecil daripada besarnya tekanan yang diberikan uap kepada piston ketika si piston bergerak ke kanan.Dengan kata lain, besarnya usaha alias kerja yang dilakukan piston terhadap uap jauh lebih kecil daripada besarnya kerja yang dilakukan uap terhadap piston (W = Fs). Jadi hanya sebagian kecil energi kinetik piston yang dikembalikan lagi pada uap. Dengan demikian akan ada energi kinetik total atau kerja total yang dihasilkan. Energi kinetik total ini yang dipakai untuk menggerakan sesuatu (membangkitkan listrik dkk…) Pembangkitan energi listrik akan dibahas secara mendalam pada pokok bahasan listrik dan magnet.

Turbin Uap (Pendahuluan)

Turbin uap merupakan suatu penggerak mula yang mengubah energi potensial uap menjadi energi kinetik dan energi kinetik ini selanjutnya diubah menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran poros turbin. Poros turbin, lansung atau dengan bantuan roda gigi reduksi, dihubungkan dengan mekanisme yang akan digerakkan. Tergantung pada jenis mekanisme yang digunakan, turbin uap dapat digunakan pada berbagai bidang seperti pada bidang industri, untuk pembangkit tenaga listrik dan untuk transportasi. Pada proses perubahan energi potensial menjadi energi mekanisnya yaitu dalam bentuk putaran poros dilakukan dengna berbagai cara.

Turbin uap modern pertama kali dikembangkan oleh Sir Charles Parsons pada tahun 1884. Pada perkembangannya, turbin uap ini mampu menggantikan peranan dari kerja mesin uap piston torak. Hal ini disebabkan karena turbin uap memiliki kelebihan berupa efisiensi termal yang besar dan perbandingan berat dengan daya yang dihasilkan yang cukup tinggi. Pada prosesnya turbin uap menghasilkan gerakan rotasi, sehingga hal ini sangat cocok digunakan untuk menggerakkan generator listrik. Pada saat ini, sudah hampir 80% pembangkit listrik diseluruh dunia telah menggunakan turbin uap.

Secara umum turbin uap dapat digolongkan menjadi tiga macam yaitu turbin impuls, reaksi dan gabungan. Penggolongan ini berdasarkan cara mendapatkan perubahan energi potensial menjadi energi kinetik dari semburan uapnya.

Turbin Impuls VS Turbin Reaksi (untuk lebih jelas, klik pada gambar)

Adapun turbin impuls mengubah energi potensial uapnya menjadi energi kinetik didalam nosel (yang dibentuk oleh sudu-sudu diam yang berdekatan). Nosel diarahkan kepada sudu gerak. Didalam sudu-sudu gerak, energi kinetik diubah menjadi energi mekanis. Energi potensial uap berupa ekspansi uap, yang diperoleh dari perubahan tekanan awal hingga tekanan akhirnya di dalam sebuah nosel atau dalam satu grup nosel yang ditempatkan didepan sudu-sudu cakram yang berputar. Penurunan tekanan uap didalam nosel diikuti dengan penurunan kandungan kalornya yang terjadi didalam nosel.  Hal ini menyebabkan naiknya kecepatan uap yang keluar dari nosel (energi kinetik). Kemudian energi kecepatan semburan uap yang keluar dari nosel yang diarahkan kepada sudu gerak (sudu-sudu cakram yang berputar) memberikan gaya impuls pada-pada sudu gerak sehingga menyebabkan sudu-sudu gerak berputar (melakukan kerja mekanis).

Atau bisa dafahami secara sederhana pronsip kerja dari turbin impuls yaitu turbin yang proses ekspansi lengkap uapnya hanya terjadi pada kanal diam (nosel) saja, dan energi kecepatan diubah menjadi kerja mekanis pada sudu-sudu turbin. Kecepatan uap yang keluar dari turbin jenis ini bisa mencapai 1200/detik. Turbin jenis ini pertama kali dibuat oleh de Laval, yang mana turbin ini mampu beroperasi pada putaran 30.000rpm. Pada aplikasinya turbin impuls ini dilengkapi dengan roda gigi reduksi untuk memindahkan momen putar ke mekanisme yang akan digerakkan seperti generator listrik.

Turbin reaksi yaitu turbin yang ekspansi uapnya tidak hanya terjadi pada laluan-laluan sudu pengarah (nosel) yang tetap saja tetapi juga terjadi pada laluan sudu gerak (sudu-sudu cakram yang berputar), sehingga terjadi penurunan keseluruhan kandungan kalor pada semua tingkat sehingga terdistribusi secara seragam. Turbin yang jenis ini umumnyan digunakan untuk kepentingan industri. Kecepatan uap yang mengalir pada turbin (yang biasanyan nekatingkat)  lebih rendah yaitu sekitar 100 – 200 m/detik.

Bersambung insyaAllah..

Diselesaikan pada hari selasa, 04 Mai 2010.

Sumber:

Steam Turbines Theory and Design (P. Shylakhin) Wikipedia How Stuff Work