BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
II.1. Pengertian Turbin
Turbin adalah salah satu mesin pengerak dimana mesin tersebut merupakan
pesawat konversi, untuk mengkonversikan energi potensial fluida menjadi energi
kinetis dan kemudian dirubah lagi menjadi energi gerak. Berdasarkan fluida yang
digunakan, maka turbin terbagi atas tiga bagian :
- Turbin Air
- Turbin Uap
- Turbin Gas
Dari ketiga turbin diatas ditemui beberapa persamaan antara lain :
1. Nozzle berfungsi untuk merubah energi potensial fluida menjadi energi kinetik.
2. Moving Blade berfungsi untuk merubah tenaga kinetik menjadi tenaga mekanik.
3. Disc Blade berfungsi untuk meneruskan tenaga dari moving blade ke poros,
dimana moving terpasang kuat pada disc.
4. Poros berfungsi untuk meneruskan daya dari disc untuk dipergunakan
selanjutnya.
5. Rumah Turbin berfungsi untuk tempat rotor dan perlengkapan lainnya.
Turbin berasal dari bahasa latin, yang asal katanya turbo artinya berputar.
Turbin uap adalah pesawat tenaga yang bekerja merubah energi potensial (berupa
energi panas uap) menjadi energi listrik mekanik pada poros turbin sebelum
dikonversikan menjadi energi mekanik, terlebih dahulu dikonversikan menjadi energi
kinetik dalam nozzle (pada turbin implus), atau dalam nozzle dari sudu-sudu pada
turbin reaksi.
Ide untuk membuat turbin sudah lama sekali, ini ternyata dari hasil karya
seorang Alexandria yang bernama Hero. Dimana Ia telah membuat turbin reaksi pada
tahun 120 sebelum Masehi seperti gambar 2.1.
Gambar 2.1. Hero’s Engine
Selang beberapa abad yaitu pada tahun 1629, Geovani Beranca membuat pula
sebuah turbin yang bentuknya sangat sederhana dan lebih praktis dari buatan Hero
seperti yang ditunjuakn pada gambar 2.2.
Gambar 2.2. Branca’s Engine
Kemudian menyusul pula nama Polikanp Zalesop yang membuat turbin pada
tahun 1806-1813 dan kemudian sampai tahun 1830 pekerja-pekerja Nizny juga
dikalangan teknologi namun bagaimanapun juga mereka itu perintis dalam dunia
turbin uap.
Setelah pada tahun 1838 seorang insinyur berkebangsaan Swedia yang bernama
Dr. Gustav De Laval membuat turbin dari jenis “Single Stage Impulse Turbine and
Single Disc” dengan daya 5 Hp, yang kemudian dikenal De Laval. Setahun kemudian
yaitu pada tahun 1884 seorang berkebangsaan Inggris C.A Persons.
Dalam tahun 1900 Impulse Principle dari Single Stage De Laval berkembang
menjadi Multi Stage dimana di Swedia dipelopori oleh Zoelly, sedangkan di Prancis
dipelopori oleh Rateu, yang kemudian dikenal dengan Turbin Zoelly dan Turbin
Rateu.
Turbin Rateu ini adalah sebuah turbin yang terdiri dari beberapa buah turbin De
Laval yang dipasang atau digabung seri pada sebuah sumbu poros turbin sehingga
turbin akan mempunyai beberapa tingkat tekanan dan setiap tingkat tekanan terdiri
dari satu tingkat kecepatan.
Kemudian pada tahun itu juga seorang Sarjana Amerika yang bernama Curties
membuat pula sebuah turbin Impulse dengan prinsip tekanan tunggal dan tingkat
kecepatan ganda. Akhirnya pada tahun 1910 menyusul pula Ljungstrom membuat
sebuah turbin dengan prinsip radial reaksi seperti yang ditunjukan pada gambar 3.3.
Gambar 2.3. Prinsip kerja Turbin Ljungstrom
II.3. Klasifikasi Turbin Uap
Turbin uap dapat diklasifikasikan dalam beberapa kategori yang berbeda,
tergantung kepada :
- Konstruksinya
- Proses penurunan kalor
- Arah aliran
- Kondisi awal dan akhir uap dalam pemakaian
Menurun aliran uap masuk turbin dapat dibagi menjadi:
a. Turbin Axial, dimana pada turbin ini arah uap mengalir sejajar terhadap sumbu
poros turbin. Prinsip konstruksinya dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
Gambar 2.4. Turbin Aksial
b. Turbin Radial, dimana pada turbin ini arah aliran uap tegak lurus terhadap
sumbu poros dari turbin. Turbin ini terbuat dari dua sudu dan
dua poros dimana putaran poros keduanya dalam arah yang berlawanan sehingga
kedua poros ini dapat melayani dua macam pembebanan. Prinsip konstruksinya
dapat dilihat pada gambar berikut ini.
Gambar 2.5. Turbin radial
Menurut jumlah tekanan maka turbin uap dapat dibagi atas :
a. Single stage impulse Turbin dngan satu atau dua tingkat tekanan, turbin
ini umumnya dipakai untuk daya yang besar.
b. Multi Stage Implus and Reaction Turbin, turbin ini menghasilkan daya
yang bervariasi mulai dari daya yang kecil sampai daya yang besar.
Menurut proses penurunan kalor, maka turbin uap dapat terbagi atas :
a. Turbin kondensasi dengan regenator
b. Turbin kondensasi dengan satu atau dua peceratan
c. Turbin tekanan lawan
d. Turbin tekanan rendah.
e. Turbin tekanan campuran
Menurut kondisi atau tekanan uap masuk, maka turbin ini dapat terbagi atas :
a. Turbin tekanan rendah, yaitu sebesar 1,2 – 2 ata
b. Turbin tekanan tinggi, yaitu sebesar 2-40 ata
c. Turbin tekanan sangat tinggi, 100-170 ata dan temperatur yang
dibutuhkan 550oC.
d. Turbin tekanan super kritis, mencapai tekanan 225 ata.
Menurut tempat pemakaiannya di bidang industry, maka turbin dapatdibagi atas :
a. Turbin Stationer dengan putaran yang konstan yang dipakai untuk
penggerak alternator.
b. Turbin Stationer dengan putaran yang bervariasi yaitu dipakai pada kapal,
kereta api dan lain-lain.
Menurut sistem kerja turbin dapat dibagi atas beberapa bagian yaitu :
a. Turbin impulse atau turbin aksi atau juga disebut turbin tekanan rata,
dimana perubahan energi potensial menjadi tekanan kinetik hanya terjadi
pada nozzle, sedangkan pada moving blade tekanan dan volume tetap.
b. Turbin reaksi, pemuaian uap terjadi pada nozzle maupun pada moving
blade, contohnya turbin Person dan turbin Ljungstorm.
c. Turbin kombinasi, biasanya susunan turbin impulse di depan dan turbin
reaksi di belakang. Contoh turbin kombinasi :
• Tubin Curtis dengan turbin person.
• Turbin Curtis dengan turbin Zoelly.
• Turbin delaval dengan turbin person.
Menurut gabungannya maka turbin dapat dibagi atas :
a. Gabungan kecepatan (velocity compounding)
Konstruksinya terdiri dari satu cakra dengan beberapa buah sudu
pengarah, sesuai dengan jumlah sudu gerak. Gambarnya dapat dilihat
seperti berikut :
b. Turbin dengan gabungan tekanan atau pressure compounding.
Turbin ini dibuat dari beberapa buah nozzle diikuti dengan beberapa buah
sudu jalan.
II.4 Prinsip Kerja Turbin Uap
Pada roda turbin terdapat sudu dan fluida kerja mengalir melalui ruang diantara
sudu tersebut, apabila kemudian ternyata bahwa roda turbin dapat berputar, maka ada
gaya yang bekerja pada sudu. Gaya tersebut timbul karena terjadinya perubahan
momentum dari fluida kerja yang mengalir diantara sudunya.
Jadi sudu haruslah dibuat sedemikian rupa sehingga dapat menjadi perubahan
momentum pada fluida kerja tersebut, hal ini akan dijelaskan pada gambar berikut ini.
Gambar 2.7. Roda turbin
Dari gambar 2.7 penampang roda turbin akan dijelaskan lagi irisan sudu-sudu
pada suatu jarak tertentu dari suatu sumbu poros turbin. Gambar tersebut dapat
dilukiskan seperti pada lukisan berikut ini.
Gambar 2.8. Tekanan uap masuk dan keluar
Untuk mempermudah penganalisaan, maka pertama-tama diadakan beberapa
idealisasi sebagai berikut :
a. Aliran dianggap steady, uniform dan satu dimensi.
b. Tidak ada benda lain diantara sudu-sudu.
c. Pengaruh gravitasi ditiadakan.
Kemudian uap ditinjau dari ruang antara dua sudu-sudu yang berdekatan. Seperti
pada gambar 2.8 dimana perubahan momentum uap persatuan waktu (M) lalah :
M = G/g . c
Dan gaya tekannya (Fp) ialah :
Fp = p . A
Dimana:
G = bayak uap mengalir persauan waktu
C = kecepatan absolut dari fluida kerja
g = garvitasi
p = tekanan fluida kerja
A = luas penampung saluran uap
l/e = menyatakan keluar dan masuk sudu
R = gaya reaksi sudu terhadap uap Maka gaya yang bekerja pada uap dan
menyebabkan terjadinya perubahan mementum adalah sebagai berikut:
R + (Fpi + Fpe) = Me-M1 sehingga gaya reaksi sudu
terhadap uap adalah :
R = (Ms-M1)-(Fpi + Fpe) Hukum Newton III menyatakan bahwa aksi = reaksi, oleh
karena itu gaya dari fluida kerja atau uap ialah :
F = -R = -(Me-M1) + (FpI + Fpe)
F = G/g (ci - ce) + (pi .Ai+ Pe - Ae )
Apabila (Fr, - Fpe) = 0 atau sangat kecil diandingkan dengan (Me – Mi), maka:
F = G/g (c, - ce)
Dimana kecepatan c dan gaya F serta kecepatan c, dan ce masing-masing dapat
diuraikan menjadi dua komponen yaitu :
Fu = gaya tangebsial sejajar dengan kecepatan roda turbin. Fa =
gaya aksial sejajar dengan sumbu roda turbin.
F = Fu + Fa
ci = ciu + cia
ce = ceu + cia
dimana:
u dan e menyatakan arah tangensial dan arah aksial maka akibat dari :
F = G/g (ci- ce) - G/g . cu
F = G/g (ciu – ceu)
Gaya-gaya tersebut dilukiskan pada halaman dimana akan terlihat Fu adalah gaya
yang menyebabkan roda turbin berputar dan menghasilkan daya. Oleh karna itu sudu
harus dibuat sedimikian rupa. Sehingga diperoleh (ciu – ceu) yang besar. Sedangkan Fa
adalah gaya yang aksial yang harus ditahan oleh bantalan, maka harus dibuat sekecil
mungkin.
Tetapi hal tersebut diatas tidak dapat dilaksanakan begitu saja, oleh karena
pembelokan fluida yang terlalu tajam dan saluran sudu yang terlalu panjang sehingga
akan mengakibatkan kerugian-kerugian energi yang lebih besar, maka usaha tersebut
diatas ada batasnya.
Dengan berputarnya roda turbin jelaslah bahwa fluida kerja yang mengalir melalui
ruang antara sudu yang berputar, oleh sebab itu kecepatan absolud fluida kerja (c)
adalah kecepatan keliling tangrnsial (u) dari sudu ditambah kecepatan relatif (v) dari
uap yang masuk.
Kecepatan relatif (v) adalah kecepatan uap yang kita lihat apabila benda berada
bersama-sama sudu yang bergerak dari luar turbin tidak berputar .
cos cos
Sedangkan kecepatan absolut adalah krcrpatan fluida kerja yang kita lihat dari turbin,
sedangkan besarnya kecepatan keliling atau tangensial dari sudu adalah:
u = π.D.n
dimana D adalah diameter roda turbin dan n adalah putarn poros.
Gambar 2.9. Kecepatan fluida masuk dan keluar
Untuk turbin aksial kecepatan tangensial masuk (ui) = kecepatan uap keluar (ue) +
kecepatan keliling rat-rata (u) seperti terlihat pada gambar 2.9 diatas.
II.5. Diagram Kecepatan Uap
Berdasarkan persamaan berikut:
c = u + v
c = ui + vi
c = ue + ve
u = π.D.n
ui = ue = u
maka diagram kecepatan fluida dapat digambarkan sebagai berikut:
Gambar 2.10. Diagram kecepatan (c = u + v)
ciu = uiu + u
ceu = ueu + u
sehingga dengan mengurangi ciu dan c maka diperoleh:
cu = ueu + veu
= viu + veu
dari persamaan sebelumnya diperoleh:
F = G/g (ciu - ceu)
dapat pula ditulis dengan rumus:
Fu = G/g (ciu - ceu) = F = G/g (viu - veu)
Dimana:
ciu = ci cos ᴓ
ceu = ce cos ᴓ
viu = vicos βi
viu = vecos βe
II. 6. Siklus Turbin Uap
Siklus Renkine setelah diciptakan langsung diterima sebagai standar untuk
pembangkit daya yang menggunakan uap (steam ). Siklus Renkine nyata yang
digunakan dalam instalasi pembangkit daya jauh lebih rumit dari pada siklus renkine
ideal asli yang sederhana. siklus ini merupakan siklus yang paling banyak digunakan
untuk pembangkit daya listrik sekarang ini. Oleh karena siklus Rankine merupakan
sikus uap cair maka paling baik siklus itu digambarkan dengan diagram P-v dan T-s
dengan garis yang menunjukkan uap jenuh dan cair jenuh. Fluida kerjanya adalah air
(H2O).
Turbin Uap adalah salah satu komponen dasar dalam pembangkit listrik
tenaga uap. Dimana komponen utama dari sistem tersebut yaitu : Ketel,
kondensor, pompa air ketel, dan turbin itu sendiri. Uap yang berfungsi sebagai fluida
kerja dihasilkan oleh katel uap, yaitu suatu alat yang berfungsi untuk mengubah air
menjadi uap.
Gambar 2.11. Siklus rankine
Siklus ideal yang terjadi didalam turbin adalah siklus Renkine ; Air pada siklus 1
dipompakan, kondisinya adalah isentropik s1 = s2 masuk ke boiler dengan tekanan
yang sama dengan tekanan di kondenser tetapi Boiler menyerap panas sedangkan
kondenser melepaskan panas, kemudian dari boiler masuk ke turbin dengan kondisi
super panas h3 = h4 dan keluaran dari turbin berbentuk uap jenuh dimana laju
aliran massa yang masuk ke turbin sama dengan laju aliran massa keluar dari turbin,
ini dapat digambarkan dengan menggunakan diagram
T-s berikut:
Menurut Hukum pertama Thermodinamika, kerja yang dihasilkan oleh suatu
proses siklus adalah sama dengan Jumlah Perpindahan Kalor pada fluida kerja selama
proses siklus tersebut berlangsung. Jadi untuk proses Siklus
1 – 2 – 2’ – 3 – 3’ – 4 – 1
Dengan rumus:
W = φ T dS
W = Kerja per satuan berat fluida kerja
Ds = Luas 1 – 2 - 2 – 2’ – 3 – 4 - 1 pada diagaram ( T – s )
Dalam kenyataan Siklus sistem Turbin Uap menyimpang dari Siklus Ideal
(Siklus Rankine ) antara lain karena faktor tersebut dibawah ini :
1. Kerugian dalam pipa atau saluran fluida kerja, misalnya kerugian gesekan
dan kerugian kalor ke atmosfer disekitarnya .
2. Kerugian tekanan dalam ketel uap
3. Kerugian energi didalam turbin karena adanya gesekan pada fluida kerja dan
bagian-bagian dari turbin.
II.5. Prinsip Kerja Turbin Uap
Secara singkat prinsip kerja turbin uap adalah sebagai berikut :
1. Uap masuk kedalam turbin melalui nosel. Didalam nosel energi panas dari uap
dirubah menjadi energi kinetis dan uap mengalami pengembangan.
Tekanan uap pada saat keluar dari nosel lebih kecil dari pada saat masuk ke
dalam nosel, akan tetapi sebaliknya kecepatan uap keluar nosel lebih besar dari
pada saat masuk ke dalam nosel.
Uap yang memancar keluar dari nosel diarahkan ke sudu-sudu turbin yang
berbentuk lengkungan dan dipasang disekeliling roda turbin. Uap yang mengalir
melalui celah-celah antara sudu turbin itu dibelokkan kearah mengikuti
lengkungan dari sudu turbin. Perubahan kecepatan uap ini
menimbulkan gaya yang mendorong dan kemudian memutar roda dan poros
2. Jika uap masih mempunyai kecepatan saat meninggalkn sudu turbin berarti
hanya sebagian yang energi kinetis dari uap yang diambil oleh sudu-sudu turbin
yang berjalan. Supaya energi kinetis yang tersisa saat meninggalkan sudu turbin
dimanfaatkan maka pada turbin dipasang lebih dari satu baris sudu gerak.
Sebelum memasuki baris kedua sudu gerak. Maka antara baris pertama dan
baris kedua sudu gerak dipasang satu baris sudu tetap ( guide blade ) yang
berguna untuk mengubah arah kecepatan uap, supaya uap dapat masuk ke baris
kedua sudu gerak dengan arah yang tepat.
3. Kecepatan uap saat meninggalkan sudu gerak yang terakhir harus dapat dibuat
sekecil mungkin, agar energi kinetis yang tersedia dapat dimanfaatkan sebanyak
mungkin. Dengan demikian effisiensi turbin menjadi lebih tinggi karena
kehilangan energi relatif kecil.
