Mesin Fluida (Bag. 2) Mesin Tenaga (Turbin)

   Mesin Tenaga Berfungsi untuk merubah energi fluida menjadi energi mekanis seperti : turbin air, turbin uap, turbin gas, kincir angin, dll. Berikut sekilas penjelasan beberapa jenis turbin. Mesin turbin yang paling sederhana terdiri dari sebuah bagian yang berputar disebut rotor, yang terdiri atas sebuah poros/shaft dengan sudu-sudu atau blade yang terpasang disekelilingnya. Rotor tersebut berputar akibat dari tumbukan aliran fluida atau berputar sebagai reaksi dari aliran fluida tersebut. Oleh karena itulah turbin terbagi atas 2 jenis, yaitu turbin impuls dan turbin reaksi. Rotor pada turbin impuls berputar akibat tumbukan fluida bertekanan yang diarahkan oleh nozzle kepada rotor tersebut, sedangkan rotor turbin reaksi berputar akibat dari tekanan fluida itu sendiri yang keluar dari ujung sudu melalui nozzle. Untuk lebih jelasnya dapat kita amati pada gambar di bawah ini.

Turbin Impuls                                            Turbin Reaksi

Turbin Impuls, Turbin ini merubah arah dari aliran fluida berkecepatan tinggi menghasilkan putaran impuls dari turbin dan penurunan energi kinetik dari aliran fluida. Tidak ada perubahan tekanan yang terjadi pada fluida, penurunan tekanan terjadi di nozzle.

Turbin Reaksi, Turbin ini menghasilkan torsi dengan menggunakan tekanan atau massa gas atau fluida. Tekanan dari fluida berubah pada saat melewati sudu rotor. Pada turbin jenis ini diperlukan semacam sudu pada casing untuk mengontrol fluida kerja seperti yang bekerja pada turbin tipe multistage atau turbin ini harus terendam penuh pada fluida kerja (seperti pada kincir angin).

Konversi Energi Panas Uap Air Menjadi Energi Kinetik

   Pada sub bab ini hanya akan membahas tentang turbin uap atau steam turbin yang umum digunakan pada sistem pembangkit listrik tenaga uap. Prinsip kerja turbin uap, terletak pada perubahan energi panas yang terkandung di dalam uap air (keseluruhan sampai energi panas dalam uap air di sisi exhaust turbin) yang dikonversikan menjadi energi mekanik yang ditransmisikan ke rotor turbin. Hal ini terjadi di beberapa stage turbin uap yang berbeda. Satu stage turbin selalu terdiri atas bagian sudu-sudu melingkar yang diam/stasioner dan bagian sudu-sudu yang berputar/berotasi. Energi panas di dalam uap air ditunjukkan oleh besaran entalpi (h).

Pertama, energi panas harus dikonversikan menjadi energi kinetik, proses ini terjadi pada nozzle (lihat gambar di atas). Pada turbin uap, nozzle terpasang di sisi casing (sudu-sudu stator turbin) dan ditambah pada sisi sudu-sudu rotor, yang selanjutnya dikenal denganreaction stage/sisi reaksi. Pada nozzle, uap air mengalami penambahan kecepatan/akselerasi, dan akselerasi ini menyebabkan diferensial tekanan antara sisi sebelum nozzle dengan sesudah nozzle. Kedua, energi kinetik ditransformasikan menjadi energi putar dari rotor turbin yang hanya terjadi pada sisi sudu-sudu yang berputar/rotor.

Vektor Kecepatan Pada Stage Turbin Uap Reaksi

Stage pada turbin memiliki perbedaan kecepatan, seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas. Pada tiap level digambar segitiga vektor kecepatan, satu di sisi inlet blade yang berputar, dan yang kedua di sisi outletnya. Kecepatan absolut (c) di inlet dan outlet besarnya berbeda, karena energi kinetik dari uap air dikonversikan menjadi energi mekanik pada rotor.

Gambar berikut akan menjelaskan bagaimana uap air diekstrak melalui sisi stator sebuah turbin uap.

Sistem Ekstraksi Uap Air Pada Turbin Uap

Uap air diekstrak dari dalam turbin uap melalui sebuah orifice yang berada melingkar di sisi dalam stator turbin. Orifice ini memiliki luas penampang cekik yang bervariasi, dari yang tersempit di bagian atas stator, hingga yang terluas di bagian bawah. Bagian cekik yang terluas, terhubung dengan saluran manifold sebagai bagian yang terhubung dengan pipa ekstraksi uap air keluar sistem turbin uap. Melalui pipa ekstraksi inilah uap air didistribusikan ke sistem pengguna, seperti halnya pre-heater sebagai pemanas awal air boiler. Dimensi longitudinal cekikan dan manifold relatif terhadap sumbu poros turbin, memiliki nilai yang tepat sedemikian rupa sehingga uap air terekstrak secara homogen melalui aliran uap air yang melewati sudu-sudu turbin, dan tidak tercipta perubahan tekanan secara drastis di area ekstraksi uap. Sekalipun proses ekstraksi uap air ini akan mengurangi daya yang dibangkitkan turbin uap, namun secara termodinamika penggunaan extraction steam akan meningkatkan efisiensi termal siklus rankine. Peningkatan efisiensi termal siklus rankine tersebut diakibatkan oleh lebih sedikitnya energi kalor (Q_in) yang dibutuhkan oleh boiler untuk memanaskan air karena temperatur air yang masuk ke boiler lebih tinggi. Kelebihan lain penggunaan extraction steam adalah untuk mengurangi kehilangan energi di dalam kondenser karena jumlah uap air yang masuk ke dalamnya menjadi lebih sedikit dari pada siklus rankine biasa.

Turbin uap secara umum bisa diklasifikasikan beberapa jenis:

a. Thermal proses

Ø  Condensing steam turbine

Ø  Once adjustment extraction steam turbine

Ø  Twice adjustment extraction turbine

Ø  Back pressure steam turbine

b. Prinsip kerja

Ø  Impulse steam turbine

Ø  Reactionary steam turbine

Ø  Impulse and reactionary turbine

c. Tekanan yang bekerja

Ø  Low pressure steam turbine (1.18-1.47 Mpa)

Ø  Medium pressure steam turbine (1.96-3.94 Mpa)

Ø  High pressure steam turbine (5.88-9.81 Mpa)

Ø  Ultra high pressure steam turbine (11.77-13.75 Mpa)

Ø  Sub critical steam turbine (15.69-17.65 Mpa)

Ø  Super critical steam turbine (>22.16 Mpa)