TEORI DASAR GAS TURBINE ENGINE

1         Pendahuluan

Gas-turbine engine adalah suatu alat yang memanfaatkan gas sebagai fluida untuk memutar turbin dengan pembakaran internal. Didalam turbin gas energi kinetik dikonversikan menjadi energi mekanik melalui udara bertekanan yang memutar roda turbin sehingga menghasilkan daya. Sistem turbin gas yang paling sederhana terdiri dari tiga komponen yaitu kompresor, ruang bakar dan turbin gas.

2    Komponen Gas Turbine Engine

Turbin gas tersusun atas komponen-komponen utama seperti air inlet section, compressor section, combustion section, turbine section, danexhaust section. Untuk lebih jelasnya akan dibahas sebagai berikut :

a.     Inlet Duct

Inlet duct ini letaknya berada paling depang engine yang berfungsi sebagai jalur pemasukan udara inlet duct diharapkan mampu menghisap udara sebanyak mungkin dengan menghindari kehilangan energi yang disebabkan oleh drag dan ram pressure, udara yang mengalir kedalam kompresor juga mampu menghindarai terjadinya turbulance untuk meningkatkan efisiensi pembakaran. Perhatikan gambar 2.1. Inlet duct.

         Gambar 2.1. Inlet duct.

b.   Compressor  

          Saat ini ada dua prinsip tipe dari compressor yang digunakan pada gas turbine engine, yaitu centriugal-flow dan axial flow. Dimana centrifugal-flow compressor mempunyai tujuan dengan mengambil udara yang masuk dan mengakselerasikan udara keluar secara centrifugal. Axial-flow compressor memadatkan udara ketika udara yang mengalir pada compressor secara continoues pada direction of flow

1)        Centrifugal-flow Compressor

Centrifugal-flow Compressor terdiri dari sebuah impeller (rotor), dan sebuah diffuser (stator), dan sebuah compressor manifold. (gambar 2.2) Centrifugal-flow Compressor mempunyai kenaikan pressure yang cukup tinggi per stage nya bisa mencapai 8:1. Umumnya Centrifugal-flow Compressor memiliki batas hingga dua stages karena mengacu pada effieciency. Dua elemen fungsi utama adalah impeller dan diffuser.

 

           

Gambar 2.2 Component of centrifugal-flow compressor

2)        Axial-flow compressor

Axial-flow compressor mempunyai dua element yaitu rotor dan stator, compressor jenis ini mempunyai prinsip kerja dengan cara menghisap udara dan langsup dikompresikan didalamnya udara yang mengalir pada compressor hampir lurus dengan sumbu engine (axial). Compressor jenis ini juga menggunakan diffuser untuk menaikan tekanan, kenaikan tekanan juga terjadi pada rotor dan stator. Perhatikan gambar 2-5. Axial-flow compressor.

Gambar 2.3. Axial-flow compressor

Axial-flow compressor mempunyai kelebihan dibandingkan dengan centrifugal-flow compressor, kelebihannya adalah :

1)      Energi yang hilang rendah, karena udara yang mengalir melalui compressor hampir lurus dengan benuk engine (axial)

2)      Tekanan yang dihasilkan lebih besar, karena compressor  dapat didesain bertingkat-tingkat atau tergantung kebutuhan tenaga engine.

3)      Penampang engine lebih kecil untuk kebutuhan udara yang sama dengan centrifugal-flow compressor, hanya lebih panjang

c.     Combustion chamber

Fungsi utama dari combustion chamber tentunya untuk membakar campuran bahan bakar dan udara, menambahkan energi panas terhadap udara. Agar proses ini efisien maka combustion chamber harus mampu :

·           Menyediakan sarana untuk pencampuran yang tepat dari bahan bakar dan udara untuk menjamin pembakaran yang baik.

·           Membakar campuran bahan bakar dan udara dengan efisien .

·           Gas yang dihasilkan mampu memutarkan turbine .

          Lokasi combustion chamber berada diantara compressor dan turbine, combustion chamber selalu di atur koaksial dengan compressor dan turbine terlepas dari jenisnya, karena chamber harus dalam posisi aliran yang efisien. Semua combustion chamber memiliki komponen dasar yang sama yaitu :

·      Casing

·      Perforated inner liner

·      Fuel injection system

·       Beberapa saran untuk initial ignition

·      Fuel drainage system untuk membuuang bahan bakar yang tidak terbakar setelah engine dimatikan

Ada tiga macam bentuk dasar combustion chamber yaitu can type, can-anular type dan annular type ,penjelasannya sebagai berikut :

1)        Jenis can combustion chamber

Jenis ini digunakan pada engine yang menggunakan axial-flow compressor atau centrifugal, tetapi yang paling sesuai adalah digunakan pada engine dengan menggunakan centrifugal-flow compressor. Perhatikan gambar 2.4. Can type combustion chamber.

 

 

    

Gambar 2.4. Can type combustion chamber

2)        Jenis Annular combustion chamber

Jenis ini terdiri dari satu tabung bakar yang membentuk annular, bagiannya terdiri dari inner casing dan outer casing, tabung bakar bagian depannya terbuka menghadap kearah compressor untuk suplai udara, bagian belakangnya terbuka mengarah ke turbine untuk mengalirkan gas hasil pembakaran, serta pada bagian tengah inner casing dilengkapi dengan tempat pemasangan (hosing), bearing, dan poros turbine. Perhatikan gambar 2.5. Annular combustion chamber

 

Gambar 2.5 Annular combustion chamber with ceramic coating

3)        Jenis Can-Annular combustion chamber

combustion chamber ini adalahh gabungan antara can dan annular, combustion chamber jenis ini mampu menghasilkan efisiensi pembakaran yang tinggi, oleh karena itu jenis ini banyak digunakan pada engine moderen dengan menggunakan twin-spool compressor agar energi yang dihasilkan mampu memenuhi kebutuhan engine selama beroperasi. Perhatikan gambar 2.6. Can-Annular combustion chamber.

Gambar 2.6. Can-Annular chamber

d.   Turbine

          Turbine berfungsi untuk mengubah energi gas panas dari combustion chamber menjadi energi mekanikal untuk memutarkan kompresor dan accessories. Turbine juga berfungsi untuk memutar fan, propeller atau rotor blade, jika engine menggunakan perlengkapan tersebut untuk mengasilkan trusht. Turbine memanfaatkan 60 – 80% energi kinetik dari combustion chamber, atau tergantung dari bebabannya. Turbine terdiri dari beberapa tingkat yaitu low pressure dan high pressure turbine, kedua tingkat tersebut dihubungkan pada masing-masing shaft ­untuk memutar masing-masing ­shaft compressor. Perhatikan gambar 2.7. Low pressure turbine.

 

            Gambar 2.7. Low pressure turbine.

e.    Exhaust nozzle

          Exhaust nozzle letaknya berada dibagian belakang engine bagian ini untuk mengalirkan gas turbine yang bertekanan tinggi karena exhaust nozzle didesain dengan bentuk convergent, untuk mengubah tekanan tinggi menjadi kecepatan tinggi (sub-sonic). Perhatikan gambar 2.8. Exhaust duct.

Gambar 2.8. Exhaust duct

3         Prinsip Kerja Sistem Gas-Turbine Engine

Udara masuk kedalam kompresor melalui saluran masuk udara (inlet). Kompresor berfungsi untuk menghisap dan menaikkan tekanan udara tersebut, sehingga temperatur udara juga meningkat. Kemudian udara bertekanan ini masuk kedalam ruang bakar. Di dalam ruang bakar dilakukan proses pembakaran dengan cara mencampurkan udara bertekanan dan bahan bakar.

Proses pembakaran tersebut berlangsung dalam keadaan tekanan konstan sehingga dapat dikatakan ruang bakar hanya untuk menaikkan temperatur. Gas hasil pembakaran tersebut dialirkan ke turbin gas melalui suatu nozel yang berfungsi untuk mengarahkan aliran tersebut ke sudu-sudu turbin. Daya yang dihasilkan oleh turbin gas tersebut digunakan untuk memutar kompresornya sendiri dan memutar beban lainnya seperti generator listrik, dll. Setelah melewati turbin ini gas tersebut akan dibuang keluar melalui saluran buang (exhaust).