PRINSIP KERJA TURBIN

I. PENDAHULUAN 

Gambar – 1. Menunjukkan prinsip kerja turbin gas yang dioperasikan sesuai dengan proses dasarnya. Secara prinsip, turbin gas adalah mesin dengan pembakaran internal (internal combustion) seperti halnya diesel engine atau explosion engine. Proses di dalam turbin gas sebagai berikut: Pengisapan udara – 
Kompresi – Pembakaran – Ekspansi – Exhaust. Siklus di dalam proses turbin gas serupa dengan siklus yang terjadi di dalam Internal combustion engine, namun terdapat perbedaan besar, hal ini dapat dilihat dengan menggunakan pressure-volume (p – V)  dan diagram temperature – entropy (T – s) .

Gambar – 1. Prinsip kerja turbin gas yang dioperasikan sesuai dengan proses dasarnya.

  

Gambar – 2. dapat kita lihat pasangan diagram pressure-volume (p – V) dan diagram temperature-entropy (T – s) yang menggambarkan siklus turbin gas. Ke-dua diagram tersebut adalah hasil studi dari ilmuwan bernama Brayton dan Joule, yang melakukan studi siklus turbin gas, maka siklus dimaksud disebut ‘Brayton/Joule’ cycle.

Siklus Brayton/Joule cycle mengikuti proses berikut ini:

1 → 2   Kompresi udara sekeliling (ambient air) menggunakan kompresor multi tingkat. 

Kondisi setelah kompresi kira-kira: 6 to 30 bar dan suhu 250 to 500 °C.

 2 → 3  Pemanasan/pembakaran udara dengan bahan-bakar dalam tekanan konstan. 

Kondisi setelah pemanasan kira-kira: 5.5 to 29 bar suhu naik menjadi  900 to 1250oC.  

3 → 4  Ekspansi gas panas tersebut terjadi di dalam bagian turbin ke tekanan atmosfer. 

Tekanan terakhir: tekanan atmosfer dan suhu 450 – 600oC. 

4 → 1  Pendinginan gas panas dengan tekanan atmosfer ke ambient temperature. 

Hal ini terjadi di luar turbin gas.

Pada titik 4, gas panas dibuang bebas ke atmosfer dan akan didinginkan menuju kondisi atmosfer. Siklus demikian disebut “open cycle’. Hal ini berarti sejumlah udara yang pernah diproses akan masuk kembali ke siklus.

Gambar – 2. diagram pressure-volume (p – V) dan diagram temperature-entropy (T – s) 

Karakteristik siklus turbin gas:

- Udara dikompresi dan hanya ¼-nya saja yang digunakan untuk pembakaran. Udara sisanya dipanaskan oleh gas-panas hasil pembakaran. Ketika campuran udara dan gas hasil pembakaran meninggalkan ruang-bakar (combustion chamber), masih mengandung kira-kira 15 s/d 16% oxygen (O2). Dibanding dengan diesel engine atau explosion engine lainnya, dimana semua udara digunakan untuk pembakaran.

- Pemanasan udara (proses 2 à 3 dalam diagram p – V) secara teoritis terjadi dengan tekanan konstan. Pada kenyataannya, tekanan akan turun sedikit, yang disebabkan kerugian aliran di dalam ruang-bakar. (Dibanding dengan explosion engine, umumnya tekanan meningkat selama proses pembakaran.

- Ekspansi udara (proses 3 à 4 dalam diagaram) berlangsung sampai tekanan atmosfer dicapai. Dalam explosion engine, ekspansi terhenti sebelum tekanan atmosfer tercapai.  Pelepasan (discharge) dari combustion gas mengalir melalui terusan diperlukan sedikit tekanan.

- Perbedaan penting antara turbin gas dan diesel engine atau explosion engine, adalah siklus turbin gas berkesinambungan. Dalam proses ini tidak ada interupsi seperti yang terjadi dalam mesin 2 dan 4 stroke (2-langkah dan 4-langkah), tetapi terjadi proses berkesinambungan dalam inlet (pengisapan udara), kompresi, ekspansi, dan exhaust. Hal ini mengakibatkan tersedianya torsi yang konstan pada poros-output, merupakan keunggulan atas torsi yang tidak rata pada mesin berpiston.

- Siklus Brayton/Joule dapat diimplementasikan pada mesin yang relatif besar. Sebagai contoh: GE dapat membuat turbin gas dengan tenaga output-nya sebesar 226 MW.

- Seperti pada mesin explosion atau diesel engine, turbin gas harus di-start dengan perangkat starting, dapat menggunakan turbin-uap, gas expansion turbine, diesel engine atau motor-listrik. Perangkat strating akan mempercepat putaran poros turbin sampai pada putaran pada mana turbin gas dapat memutarkan sendiri porosnya. Kemudian perangkat starting berpisah dari poros turbin secara otomatis.

Siklus Brayton/Joule yang diuraikan di atas dapat diimplementasikan pada turbin gas statik, lihat Gambar – 3.  Udara dari atmosfer sekeliling turbin gas diisap oleh kompresor, dikompresi sampai 6 s/d 12 bar. Suhu udara akan meningkat sebanding dengan naiknya tekanan udara.

Udara yang terkompresi tersebut mengalir menuju ruang-bakar dan bercampur dengan ahan-bakar yang diinjeksikan melalui sejumlah fuel-nozzle. Bahan-bakar yang terbakar akan meningkatkan suhu gas-terbakar (udara + gas-terbakar) sedangkan tekanan tetap konstan. Gas panas berekspansi dalam turbin menghasilkan kerja-makanik. Kerja-mekanik yang dihasikan, umumnya digunakan untuk menggerakkan axial-compressor kira-kira 60% dan selebihnya untuk menggerakkan generator, compressor, blower dan lain sebagainya

Gambar – 3. Turbin Gas statik

Efisiensi siklus. 

Setiap heat engine selalu timbul pertanyaan penting: Seberapa besar efisiensi dari prosesnya? Atau dengan lain perkataan: berapa presentase bahan-bakar yang dapat menjadi tenaga bermanfaat yang disalurkan melalui poros turbin gas? Efisiensi dari proses yang terjadi dapat dikalkulasi menggunakan rumus termodinamik yang ada. Efisiensi siklus dapat dilihat menggunakan diagram Sankey. Energi mengalir ke dan dari mesin, dinyatakan sebagai busur dengan lebar yang proporsional dengan diagram tersebut. Gambar – 4 menunjukkan diagram Sankey dari turbin gas sesuai dengan proses dasar (basic process) atau siklus sederhana (simple cycle)

Sebagai gambaran: 

- 33% dari 100% energi gas-bakar yang dipasok tersedia sebagai energi-mekanik yang dapat dimanfaatkan untuk menggerakkan driven-equipment.

- Radiasi dan kerugian-mekanik menyerap 2%, dimana 65% dilepas ke udara ke atmosfer melalui exhaust.

Secara umum efisiensi dapat dinyatakan dengan;

h = (Kerja yang digunakan / energi yang dipasok) x 100% 

Gambar – 4. Diagram Sankey siklus sederhana turbin gas

Dalam siklus Brayton/Joule,energi termanfaatkan adalah kerja-mekanik, dipasok oleh turbin gas ke poros output (Lihat Gambar – 5). Karena turbin gas juga menggerakkan kompresor, maka kerja turbin gas adalah jumlah kerja-poros output ditambah kerja poros-kompresor, dinyatakan:

Wt’ = Wsh + Wc’ 

Wt’ = Kerja turbin gas ;  Wsh  = Kerja poros output;  Wc’ =  kerja poros-kompresor 

Dari pernyataan tersebut di atas, kerja poros output (kerja-mekanik yang dapat dimanfaatkan)  dapat dinyatakan : Wsh  =  Wt’ -  Wc’ 

Atau kerja poros output  Wsh  (kerja-mekanik yang dapat dimanfaatkan)  dapat dinyatakan sebagai perbedaan antara energi yang dipasok Q1 dan energi terbuang dalam exhaust Q2 yaitu : Wsh  = Q1 – Q2  

Jadi efisiensi siklus dapat dikalkulasi sebagai berikut:

 = 

Gambar – 5.  Perhitungan efisiensi.

Bila media yang mengalir di dalam kompresor dan turbin mempunyai specific heat cp yang sama, maka efisiensi siklus dari turbin gas dapat juga dinyatakan dalam pernyataan / rumus berikut:

Rumus tersebut di atas tidak dapat digunakan untuk mengkalkulasi kondisi actual turbin gas, karena ada perbedaan nilai cp,  yang terjadi di dalam kompresor, ruang-bakar, dan di dalam turbin. Namun dari persamaan dapat disimpulkan, bahwa efisiensi turbin gas akan tinggi bila:

a) Suhu exhaust dapat dibuat serendah mungkin: (T4' - T1) .

b) Suhu masuk ke turbin dibuat setinggi mungkin: (T3 - T2').

Suhu mana saja yang dapat dipengaruhi oleh kondisi lingkungan? 

- T1 adalah ambient temperature, yang sangat tergantung dengan kondisi alam lingkungan dimana turbin gas dioperasikan. Bila perbedaan suhu siang hari dan malam hari cukup tinggi, maka pengaruhnya dapat ditunjukkan oleh sistem kontrol. Namun hal ini dapat dipengaruhi bila pada aliran udara-masuk dipasang pendingin jenis evaporative cooler.

- T2' adalah suhu discharge-nya yang ditentukan oleh perbandingan kompresi (compression ratio) dan efisiensi kompresor. Hal ini mengharuskan agar kondisi kompresor selalu prima.

- T3 adalah suhu gas-bakar + udara masuk ke ruang-turbin (turbine inlet temperature). Suhu kira-kira mencapai 1200oC, hal ini dapat diatas dengan teknologi metalllurgy terkini yang dapat membuat tehnik pendinginan dan pelapisan material dari komponen turbin yang dilalui  oleh gas-panas hasil pembakaran (pemanasan). Oleh karena itu pembuat komponen turbin gas selalu melakukan penelitian untuk menemukan material yang tahan suhu lebih tinggi dan teknik pendinginan untuk bucket, combution liner, nozzle untuk dapat mencapai suhu T3 setinggi mungkin.

- T4' adalah suhu exhaust turbin. Nilai T4’ ditentukan oleh ekspansi termodinamik gas dalam sudu dan nozzle turbin gas dan efisiensi turbin. Keausan internal pada komponen turbin akan menurunkan efisiensi yang tidak dapat dipengaruhi oleh operator.

Kerja yang digunakan untuk menggerakkan kompresor belum diperlihatkan dalam diagram Sankey Gambar – 4. Kerja kompresi tiap kg udara kira-kira 1 s/d 1.5 kali dari kerja yang disalurkan oleh poros output. Hal ini merupakan jumlah besarnya kerja/energi. Namun kerja/energi ini bukan merupakan kerugian, karena dalam proses kompresi-udara terjadi energi tekanan dan suhu (pressure and temperature energy) Hampir semua kerja/energi dikembalikan pada saat gas-panas berekspansi dalam bagian turbin. Hal ini digambarkan oleh Gambar 6.

Kondisi lingkungan yang mempengaruhi pengoperasian turbin gas. 

Pada turbin gas dengan siklus terbuka, beroperasi menggunakan udara sebagai medium. Secara prinsip, kompresor menarik volume udara dengan volume konstan pada kecepatan putar konstan. Hal ini berarti, bila kepadatan udara berubah, maka aliran-masa udara akan berubah. Hal ini akan memberi dampak pada total produksi kerja/energi dan efisiensi.

Kinerja turbin gas dinyatakan dalam kondisi standard yang telah disepakati secara internasional, ISO : bp1 = 1013 mbar  and  t1 = 15 °C (288 K)  (ISO-standard)

Bila ambient temperature, yang juga menjadi compressor inlet temperature T1, menurun, maka  compressor discharge temperature T2, kira-kira sama penurunannya. Hal ini benar untuk putaran kompresor konstan. Bila T1 dan T2 menurun, rasio dalam kompresor T2/T1 akan meningkat.

Jadi kompresi adiabatik dapat dinyatakan dengan :

     

Gambar-6. Diagram Sankey termasuk  Kerja kompresor

Bila temperature ratio T2/T1 meningkat, maka untuk faktor-k konstan, maka pressure ratio p2/p1 akan meningkat juga.

Jadi: Untuk penurunan T1 dengan putaran kompresor konstan, dan ambient pressure p1 juga konstan, maka discharge pressure p2 akan meningkat.

Masa-alir udara akan meningkat bila inlet temperature T1 menurun.

Dalam prakteknya, telah dibuktikan bahwa  rasio tekanan  yang besar, akan meningkatkan atau menurunkan specific work dalam pemilihan design point pada kondisi standard. Turbin gas berbeda dirancang untuk 'standard' operating points. 

Lihat contoh pada tabel – 1 dibawah ini:

Tabel – 1.  Contoh perbandingan spesific work 2 turbin gas

3 (tiga) efek telah dibahas, yaitu: meningkatkan masa-alir (mass-flow) udara, meningkatkan efisiensi dan meningkatkan  specific work. Sebagai contoh diilustrasikan oleh grafik-kinerja Gambar – 7 untuk turbin gas model MS6001B (model yang dipasang di UP-III Plaju). Dalam grafik tersebut ditunjukkan perubahan efisiensi, masa-alir dan tenaga sebagai fungsi dari ambient temperature t1.

Catatan: Dalam grafik kinerja turbin gas buatan GE, digunakan suhu dengan skala oF, dan sebagai ganti dari efisiensi digunakan istilah ‘heat rate’ (specific fuel consumption).

Gambar – 7.  Hubungan antara Ambient temperature dengan Kinerja

Bila ambient pressure p1 menurun pada inlet temperature t1 konstan, rasio tekanan p2/p1 dan rasio temperature T2/T1 akan tetap tidak berubah. (hal ini benar untuk putaran rotor kompresor konstan)

Efisiensi dan specific work dalam kasus demikian tidak berubah. Namun bila kepadatan udara menurun, masa-alir ke turbin gas menurun, menyebabkan power output menurun.

Kesehubungan ini ditunjukkan oleh Gambar – 8.  Dimana output turbin gas mempunyai hubungan linier dengan ambient pressure.

Karena power output dari turbin gas berubah secara linier dengan ambient pressure, maka faktor koreksi untuk tekanan dapat diperoleh dengan:

(pbaro = ambient pressure in mbar)

Faktor koreksi (Correction factors) TCF untuk  temperature and faktor koreksi untuk tekanan PCF dapat diperoleh dari Gambar – 7 dan Gambar – 8 untuk mengestimasi output turbin gas pada beberapa kondisi ambient.

 

Gambar – 8. Grafik hubungan ambient pressure dengan output  

Contoh mengestimasi kinerja turbin gas:

Gas turbine dirancang dengan (ISO) power output of 38 000 kW, dan (ISO) efisiensi η = 33%

Misalkan pada suatu hari kondisinya: t1 = +10 °C dan  p1 = 950 mbar.

Dari Gambar – 7. temperature correction factor TCF diperoleh 1.03.

Dari Gambar – 8. pressure correction factor PCF diperoleh 0.94.

Maka power maksimum yang dapat dihasilkan pada hari tersebut :

Pmax = Pdesign * TCF * PCF

Pmax = 38,000 * 1,03 * 0,94 = 36,792 kW

Efisiensi turbin gas dapat dihitung dengan:

ηmax = ηdesign * TCF

Dari Gambar – xx. temperature correction factor untuk efisiensi diperoleh: 1.015.

Maka efisiensi pada hari tersebut adalah:  ηmax = 33 * 1.015 = 33.5%

Setiap pembuat turbin gas akan melengkapi dan memberikan performance graphs pengaruh kondisi ambient untuk turbin gas model tertentu. Pengaruh dari extra pressure losses pada sistem inlet and exhaust dapat diperoleh pada performance graphs tersebut. Grafik-grafik tersebut harus selalu menjadi acuan utama untuk mengkalkulasi kinerja turbin gas.

II. KOMPONEN TURBIN GAS

II. 1.  Kompressor (lihat Gambar – 9 dan 10)

Bagian kompresor dari turbin gas terdiri dari rotor-kompresor dan casing membentuk kesatuan 17- tingkat kompresi, inlet guide vane, 2 exit guide vane. Dalam kompresor, udara dibatasi pada ruang antara sudu-sudu rotor dan sudu-sudu stator dimana udara dikompres secara bertingkat oleh deretan sudu yang berputar (rotor) dan sudu tetap (stator) berbentuk airfoil. Sudu-sudu rotor memberi energi yang diperlukan untuk mengkompresi udara dalam setiap tingkat. Satu tingkat terdiri dari barisan sudu-rotor diikuti oleh barisan sudu-sudu stator Udara yang telah dikompresi keluar menuju turbin dan ruang bakar melalui discharge casing. Sebagian udara diekstraksi untuk turbine cooling, dan untuk lube oil casing. Rotor kompresor rakitan dari 17-roda, stub shaft, baut pengencang, dan sudu-sudu rotor. Masing-masing roda memiliki alur (slot) di sekelilingnya. Slot tersebut digunakan untuk mengikat sudu-sudu rotor. 

Gambar – 9. Kompresor sebagai komponen turbin gas

Gambar – 10. Komponen-kompone turbin gas

Sudu rotor berbentuk airfoil yang dirancang untuk mengkompresi udara secara efisien pada tip velocity tinggi. Roda-roda rotor dan stub shaft dirakit dengan sambungan suai agar konsentrik dan diikat menjadi satu dengan tie bolts. Pemosisian yang selektif dari roda-roda dilakukan untuk mengurangi balance correction. Setelah dirakit lengkap, rotor secara utuh di-balance secara dinamik. Lihat Gambar -11, 12 dan 13.

Gambar – 11. Susunan sudu-sudu kompresor

Selama startup, kompresor akan berputar mulai dari putaran rendah sampai mencapai putaran operasi (Full Speed No Load). Situasi ini akan kompresor pada putaran tertentu akan mengalami ubnormalitas dimana terjadi surging dan hal ini harus bisa dihindari. Oleh karena itu selama kompresor start-up dan stop dilengkapi dengan sistem otomatis untuk selalu menjaga agar kompresor tidak mengalami surging dengan action sebagai berikut:

- Inlet Guide Van dibuka pada posisi minimum open (15o Open) untuk mereduksi aliran udara masuk ke kompresor. Hal ini juga menurunkan kebutuhan tenaga turbin untuk startup.

Lihat Gambar – 14. IGV dan pinion gear-nya

Gambar – 12. Susunan roda-roda sudu (rotor) kompresor

Gambar – 13. Susunan sudu-sudu stator kompressor

- Dua bleed valve dipasang pada tingkat-10 untuk membuang udara ke atmosfer untuk menjaga aliran udara yang melalui tingkat-10 sekecil mungkin. Dan pada waktu bersamaan membuang udara dari tingkat-11 sampai tingkat-17, agar tidak terjadi surging/stall.

Gambar – 14. Inlet Guide Vane (IGV) dan pinion gear-nya

Gambar – 15. Bleed Valve kiri dan kanan untuk mencegah compressor surging/stall

II. 2 Sistem Pembakaran (Lihat Gambar – 16)

Fungsi dari sistem pembakaran dalam turbin gas adalah untuk memasok energi panas ke siklus turbin.  Energi panas tersebut berasal dari pembakaran campuran bahan bakar dengan  udara dari kompresor menghasilkan pembakaran dengan kelebihan udara, mencapai suhu tinggi mengalir menuju inlet nozzle turbin tingkat – 1. 

Gambar – 16. Ruang-bakar (combustion chamber) sebagai komponen turbin gas

Sistem pembakaran turbin gas MS-6001B (terpasang di UP-III) terdiri dari komponen-komponen berikut :

Ø 10 outer combustion casings (Lihat Gambar – 17) 

Ø 10 combustion cap and liner assemblies

Ø 10 cross fire tubes

Ø 10 transition piece assemblies 

Ø 10 fuel nozzles

Ø 2 ignition transformers

Ø 4 flame detectors

Agar pembakaran dapat efektif maka perlu dipenuhi kriteria berikut: penyalaan yang baik, presssure drop rendah pada liner, pembakaran yang stabil, umur panjang (awet), suhu merata pada nozzle turbin tingkat – 1, tidak terjadi penumpukan karbon, tidak berasap, dan gas buang rendah kadar NOx-nya. 

Sistem pembakaran turbin MS 6001B adalah sistem reverse flow dan multi combustor. Sistem combustor terdiri dari rakitan ruang-bakar, nozzle bahan bakar, busi (pematik api), dan detektor nyala api (flme detector). Udara kompresi dari kompresor mengalir masuk ke ruang-bakar.

Gambar – 17. Susunan 10 ruang-bakar turbin gas dan urutan penomorannya

Kira-kira hanya 20% yang digunakan untuk membakar bahan bakar; sisanya mengalir ke ruang bakar dan terpanasi oleh gas-pembakaran yang panas. 

Gambar – 18. Ruang-bakar (combustion chamber) dan kelengkapannya

Combustor dirancang untuk memproduksi aliran udara dan pencampuran gas yang merata untuk memenuhi suhu inlet nozzle turbin tingkat – 1 . Dari ruang bakar gas panas hasil pembakaran dialir dan diarahkan ke nozzle turbin tingkat – 1 oleh transition pieces.

Gambar – 19. Combustion chamber liner dan transition piece serta support-nya

Bahan bakar gas dicatu ke setiap combustion chamber liner melalui fuel nozle yang dipasang pada combustion chamber cover. Penyalaan awal campuran bahan bakar dan udara dilakukan menggunakan spark plug (busi) pada combustion chamber No 1 dan 10. kemudian api merambat melalui crossfire tube ke combustion chamber yang berdekatan.

Untuk memberi signal ke sistem kontrol, bahwa api sudah menyala merata, digunakan flame detector yang dipasang pada combustion chamber no. 2, 3, 7, dan 8. Lihat Gambar – 20a dan 20b

Ruang-bakar (combustion chamber) Lihat Gambar - 18 

Ruang bakar (combustion chambers) terdiri dari casing silinder berlobang kecil-kecil pada dindingnya, terbuat dari plat metal diletakkan pada bulkhead vertikal dari casing kompresor sisi discharge. Di sebelah belakang ruang bakar terdapat tutup yang menggunakan engsel dan dikencangkan ke casing ruang bakar menggunakan baut. Nozzle bahan bakar dipasang pada tutup tersebut. Di dalam casing bahan bakar terdapat liner dan cap. Udara yang masuk ke ruang bakar tekanannya 7 sampai dengan 11.5 bar A dan suhunya kira-kira 360oC.

Sekeliling combustion liner dikelilingi oleh udara bertekanan yang relatif lebih rendah suhunya, dan mengalir ke dalam liner melalui lobang-lobang dan slot yang ada pada liner. Karena combustion chamber casing dilalui oleh udara yang relatif dingin, maka tidak perlu dibuat dari logam khusus.

Gambar – 20a. Lokasi flame detector	Gambar – 20b. Busi (spark plug)

Sedangkan bagian dalam dari liner dialiri oleh jilatan api yang panasnya kira-kira mencapai 2000oC, maka diperlukan special coating tahan panas, dan bisa bertahan 24,000 jam operasi.

Combustion chambers dihubungkan satu dengan lainnya oleh cross fire tubes, terdiri dari outer dan inner tube (Lihat Gambar – 21) . Dua combustion chambers dilengkapi dengan extra flange pada dinding-sampingnya untuk meletakkan spark plug, dan empat buah lainnya memiliki flange yang sama untuk meletakkan flame detector.

Gambar – 21. Cross fire tube (inner dan outer tube)

Cap and liner assembly Lihat Gambar – 22)

Rakitan cap and liner adalah tempat dimana terjadi percampuran bahan-bakar dari fuel nozzle dengan sebagian udara kompresi yang berasal dari kompresor. Gas-panas hasil pembakaran memanasi sisa udara-bertekanan tersebut. 

Gambar – 22. Cap dan Liner dari ruang-bakar

Sisi-terbuka dari cap and liner dihubungkan dengan transition pieces, yang dilengkapi dengan seal khusus yang dinamai “hula skirt” dimana komponen cap dan liner dapat berekspansi dengan bebas. 

Gambar – 23.  Fuel nozzle

Gambar – 24. Transition pieces

Gambar – 25. Komponen ruang bakar dan transition piece

II. 3.  Prinsip kerja bagian turbin

Hampir semua energi panas-tinggi hasil pembakaran dari bagian combustion diubah menjadi tenaga-poros di dalam bagian turbin. Lihat Gambar – 26.

Pada dasarnya turbin terdiri dari sejumlah nozzle (sudu-tetap) melalui mana gas panas berekspansi mencapai kecepatan tinggi, dan sejumlah roda-roda dalam mana kecepatan (velocity) diubah menjadi energi mekanikal.

Gambar – 26. Bagian turbin sebagai komponen dari turbin gas

Gambar – 27. Lintasan aliran gas-panas di dalam bagian turbin

Gambar – 27 memperlihatkan bagian turbin gas terdiri dari 3-tingkat (stage). Gas panas mengalir dari ruang-bakar (combustion chamber) melalui transition pieces ke ring nozzle tingkat-1. Pada nozzle ini, tekanan dan suhu gas panas menurun drastis, menghasilkan peningkatan kecepatan. Gas berkecepatan tinggi ini berbelok arah dalam sudu-sudu turbin memberikan energi mekanikal. Setelah keluar dari sudu-sudu tingkat – 1. gas panas mengalir ke nozzle tingkat – 2. terjadi proses yang sama dengan nozzle dan sudu-sudu tingkat – 1. Demikian juga terjadi hal yang sama di nozzle dan sudu-sudu tingkat – 3. 

Gambar – 28. Skematik 1 tingkat turbin, terdiri dari satu nozzle & roda-sudu

Ketiga tingkat nozzle dan sudu dibentuk sedemikian rupa, sehingga gas dari combustion chamber yang mempunyai tekanan kira-kira 11.5 bar diekspansikan samapi di bawah tekanan atmosfer dalam saluran exhaust. Sepanjang ekspansi tersebut suhu menurun dari suhu-pengapian 1140oC (untuk mesin di UP-III Plaju) ke 540oC.

Pertingkatan turbin (nozzle and wheel) secara skematik digambarkan oleh Gambar …. Gas panas mengalir secara aksial masuk ke nozzle ring. Potongan-melintang dari nozzle berbentuk converging searah dengan aliran, yang dibentuk oleh celah di antara nozzle airfoil dengan dinding inner dan outer nozzle ring. 

Kecepatan gas dalam nozzle meningkat dengan cepat, seraya tekanan dan suhu menurun. Demikian juga arah aliran gas panas berubah arahnya masuk ke sudu-sudu (bucket) dengan sudut mengarah.

Profil sudu turbin (backet blade)

Segi-tiga kecepatan pada Gambar 28 merupakan bentuk segi-tiga kecepatan dari tipe sudu impulse. Dengan bentuk demikian tidak terjadi perubahan arah aliran dan ekspansi gas panas. Kecepatan-lingkar gas panas tergantung dari jarak dari titik pusat putaran. Pada akar-sudu kecepatan paling rendah sedangkan pada sisi-luar sudu kecepatannya relatif tinggi. Agar menjamin terjadinya bentuk aliran yang halus pada saat gas-panas memasuki sudu-sudu, maka bentuk sudu (bucket) dibuat melintir secara bertahap, seperti ditunjukkan oleh Gambar – 29a

Gambar – 29a. Profil sudu turbin	Gambar – 29b. Lintasan tekanan, suhu, kecepatan

Oleh karena bentuknya yang asimetrik tersebut, maka sudu (bucket) tidak sepenuhnya berbentuk sudu-impulse.

Lintasan Tekanan, Suhu, dan Kecepatan. 

Gas-panas ekspansi dalam nozzle tingkat-1, mengakibatkan tekan dan suhu turun dan kecepatannya meningkat. Di antara sudu (bucket) tingkat-1, tekanan dan suhu hampir konstan, seraya kecepatan menurun. Penurunan energi kecepatan berhubungan dengan jumlah energi yang dialihkan (transfered) ke sudu-sudu tingkat-1.  Lihat Gambar – 29b.

Diffuser channel pendek di antara turbin tingkat-1, tingkat-2, dan tingkat-3 saling berhadapan dalam arah aliran gas panas. Hal ini akan menghasilkan tekanan yang lebih tinggi sebelum nozzle tingkat-2 dan tingkat-3, dan energi yang ditransfer ke sudu-sudu tingkat-2 dan tingkat-3.

Dalam turbin tingkat-2 dan terakhir dalam tingkat-3, gas panas berekspansi sampai mendekati di bawah tekanan atmosfer dan suhu menurun sampai ke nilai exhaust.

Setelah gas-panas menyerahkan sebagian energi kinetiknya menjadi kerja-mekanik melalui sudu-sudu tingkat-1, 2, dan 3 ke poros turbin, gas panas meninggalkan sudu-sudu tingkat-3 menuju saluran exhaust dengan tetap membawa sebagian energi kinetiknya. Agar tidak semua energi kinetiknya hilang, maka gas dialirkan melalui diffuser untuk merubah sebagian kecepatannya menjadi tekanan. Tekanan semula sedikit di bawah atmofer (merupakan pressure drop di dalam sisi turbin) menjadi sedikit di atas nya (merupakan pressure drop) di dalam saluran exhaust.

Komponen Bagian Turbin.

Bagian turbin adalah bagian dimana gas panas dengan suhu tinggi yang berasal dari combustion chamber ditransfer menjadi kerja mekanik ke poros. Untuk itu turbin gas dilengkapi dengan tiga-tingkat piringan rotor untuk memutar generator/kompresor beserta kompresor. 

Rumah turbin (turbine casing) berisi dan menyangga bagian-nozzle tingkat-1, 2, dan 3, tip shroud, interstage diaphragm dan exhaust diffuser. Karena bentuk casing menentukan semua clearance antara bagian-bagain tersebut dengan rotor, maka sangatlah penting mengontrol ekspansi-termal secara baik. Rumah turbin tidak mengalami tekanan tinggi, tetapi mengalami suhu lebih tinggi daripada casing kompresor.

Oleh karena itu casing dibuat terdiri dari beberapa bagian (nodular) dan berisi kanal-kanal yang dialiri oleh udara-pendingin yang mendinginkan sehingga mencapai suhu yang cukup rendah. 

Bagian nozzle terdiri dari segment yang dirakit menjadi satu. Nozzle tingkat-1 ditopang dan disatukan oleh ring (cincin) dan diikatkan ke discharge casing dari kompresor dengan dipasang plat shim di antaranya. Lihat Gambar – 31.

Nozzle tingkat-2 dan tingkat-3 ditopang oleh alur (grove) dalam turbine tip shrouds. 

Untuk melakukan sealing di antara tingkat-1, 2, dan 3 digunakan diaphragm yang menjadi bagian integral  dari tingkat-2 dan tingkat-3.

Sebagai sealing untuk sudu-sudu turbin digunakan shroud block yang dipasang pada casing turbin membentuk lingkaran. Lihat Gambar – 30 

Gambar – 30. Rumah turbin (turbine casing)

Gambar – 31. Cincin (ring)

Nozzle tingkat-1.

Nozzle tingkat-1 terdiri dari 18 segment hasil cetakan (casting) secara presisi. Masing-masing segment terdiri dari  2 partisi berbentuk airfoil. Partisi tersebut diletakkan di antara dinding dalam dan dinding luar. Gambar – 32.

Gambar – 32. Nozzle tingkat-1

Agar nozzle tidak meleleh atau terbakar, nozzle dilengkapi dengan lobang-lobang pendingin yang mengalirkan udara pendingin (cooling air) dari casing kompresor masuk ke dalam badan nozzle.

Hal ini ditunjukkan oleh Gambar – 33.

Gambar – 33.  Lobang-lobang pendingin pada nozzle tingkat-1.

Nozzle tingkat-2 dan diaphragm 

Dalam nozzle tingkat-2, gas panas berekspansi ke tekanan dan suhu lebih rendah, sehingga kecepatan gas panas meningkat. Nozzle tingkat-2 terdiri dari 16 segment hasil cetakkan (casting). Masing-masing memiliki tiga partisi berbentuk airfoil yang dipasang di antara shroud block tingkat-1 dan shroud block tingkat-2. Susunan nozzle tingkat-1, sudu-turbin tingkat-1, dan nozzle tingkat-2, dapat dilihat pada Gambar – 35.

Gambar – 34. Nozzle tingkat-2 dan diaphragm-nya

Gambar – 35. Nozzle tingkat-1, sudu-turbin tingkat-1, nozzle tingkat-2

Nozzle tingkat-3 dan diaphragm-nya 

Dalam nozzle tingkat-3, gas panas berekspansi ke tekanan paling rendah dalam sistem turbin gas. Lingkaran-nozzle terdiri dari 16 segment, masing-masing empat airfoil yang dipasang di antara shroud block tingkat-2 dan shroud block tingkat-3. Pada sisi ring-dalam (inner ring) diletakkan diaphragm. Diaphragm berfungsi sebagai pencegah bocoran gas dari nozzle tingkat-3 dan mendistribusikan udara-pendingin sepanjang bagian belakang roda-sudu tingkat-2 dan bagian depan roda-sudu tingkat-3. Lihat Gambar – 36.

Gambar – 36. Nozzle tingkat-3 dan diaphragm-nya

Gambar – 37. Sudu-turbin tingkat-2, nozzle tingkat-3, sudu-turbin tingkat-3.

Rotor turbin (turbine rotor) 

Roda-sudu turbin gas (gas turbine wheel)

Roda-sudu turbin gas dibuat dari aloy steel tahan panas yang ditempa. Rotor turbin terdiri dari tiga roda-sudu dengan dua spacer (penyekat) di antaranya. Roda-sudu dan penyekatnya dipasang dengan sambungan-pres dan diikat dengan 12 baut panjang menjamin kepaduan struktur rotor. Di depan rotor turbin dipasang distance piece berupa silinder berongga, yang menghubungkan dengan rotor kompresor. Di belakang roda-sudu tingkat-3 dihubungkan dengan poros-output. Pada poros tersebut terdapat tempat bantalan (bearing) no 2.  Penyekat (spacer) di antara roda-roda sudu digunakan untuk menjamin adanya penjarak-an aksial di antara roda-roda sudu tersebut. Di dalam penyekat (spacer) terdapat saluran (channel) untuk mengalirkan udara-pendingin mendinginkan ke sekeliling permukaan roda-sudu. Lihat Gambar – 38.

Secara individual masing-masing roda-sudu (turbine wheel) di-seimbangkan (di-balance) sebelum dirakit menjadi satu kesatuan. Kemudian rotor turbin dan rotor kompresor secara kesatuan lengkap di di-balance lagi secara dinamik dan akurat, agar tidak membangkitkan vibrasi berlebihan pada saat dioperasikan. Bila turbin beroperasi di bawah critical speed (putaran kritis)–nya, maka putaran-rendah untuk mem-balance rotor sudah cukup memadai. 

Gambar – 38. Rotor turbin dan rotor kompresor

Sudu-turbin (turbine buckets)

Sudu-turbin merubah energi kinetik dari aliran gas-panas menjadi energi-putar mekanik dalam roda-sudu turbin (turbine wheel). Energi tersebut digunakan untuk menggerakkan kompresor aksial (axial compressor) dan menyediakan tenaga output pada porosnya.

Pada antar-muka (interface) antara gas yang berekspansi dan rotor, sudu-sudu turbin berada dalam lingkungan gas-panas, dan pada saat yang sama harus menahan stress rotasional yang ekstrem.  Pergolakan gas-panas secara periodik yang disebabkan oleh nozzle dapat menyebabkan sudu bergetar. Kombinasi suhu-tinggi, beban sentrifugal, dan gaya-bergetar menjadikan sudu-turbin komponen turbin-gas yang sangat kritikal dalam perancangannya (design). 

Gaya-gaya yang harus dapat ditahan oleh sudu-turbin adalah: Lihat Gambar – 39. 

- Tensile strain yang disebabkan oleh masa-sudu yang berputar. “Kc”

- Gaya aksial yang disebabkan oleh benturan antara aliran gas atas leading edge dan disebabkan oleh pressure drop antara sudu. “Ka”

- Gaya tangensial disebabkan oleh gaya impulse dari aliran gas ke sudu, searah putaran roda-sudu. “Kta”

- Gaya torsional yang disebabkan oleh ketidak seimbangan gaya pada leading edge dan trailing edge. “Kto”

Gambar – 39. Gaya-gaya pada sudu-turbin

Sudu turbin dibuat dari bahan nickel-based alloys yang dicetak. Paduan logam tersebut merupakan kombinasi penting dari kekuatan (strength), panas, tahan creep. 

Pada sudu tingkat-1 dan 2 memiliki lobang saluran udara-pendingin untuk ketahanan dan kinerja. Udara dari kompresor tingkat-16, mengalir melalui poros-penyekat (distance piece) antara kompresor dan roda-sudu yang berongga, udara didistribusikan ke beberapa bagian memerlukan pendinginan. 

Sudu harus dikunci ke roda-sudu agar tahan terhadap geseran aksial. Sudu tingkat-1 dan 2 dikunci dengan menggunakan lock-wire (lihat Gambar – 40) 

Gambar – 40. Cara penguncian sudu pada roda-sudu

Sudu turbin tingkat-1. Gambar – 41.

Gambar – 41. Sudu turbin tingkat-1.

Sudu turbin tingkat-2. Gambar – 42 

Gambar – 42.  Sudu turbin tingkat-2.

Sudu turbin tingkat-3.  Gambar – 43.

Gambar – 43. Sudu turbin tingkat-3.

II. 4.  Bantalan