Prinsip dari turbin gas berputar di seputar siklus Brayton. Siklus Brayton merupakan proses termodinamika yang terdiri dari tiga tahap utama: Kompresi, Pembakaran, dan Ekspansi.
Berikut adalah penjelasan mengenai prinsip-prinsip tersebut.
1. Siklus Brayton (Proses Termodinamika)
Siklus Brayton menjelaskan mengenai cara kerja turbin gas. Ini adalah proses siklus terbuka yang melibatkan aliran kontinu, yang berarti fluida kerja (udara) ditarik dari atmosfer dan dikeluarkan setelah melewati turbin. Empat langkah utama dalam siklus tersebut adalah:
a. Kompresi Isentropik
Udara dikompresi secara adiabatik (adalah proses yang muncul tanpa perpindahan panas dan massa antara sistem dan lingkungannya), yang berarti tidak ada panas yang ditambahkan atau hilang selama kompresi. Saat udara dikompresi dalam kompresor, tekanan dan suhunya meningkat.
b. Pembakaran Isobarik
Udara terkompresi dicampur dengan bahan bakar (seperti gas alam atau bahan bakar jet) dan dinyalakan di ruang pembakaran. Proses ini menambah panas pada tekanan konstan, yang meningkatkan suhu campuran udara-bahan bakar.
c. Ekspansi Isentropik
Gas berenergi tinggi dari hasil pembakaran mengembang melalui turbin, mengubah energi termal menjadi kerja mekanis. Langkah ini menggerakkan turbin itu sendiri dan kompresor, serta menghasilkan daya yang berguna.
d. Pembuangan
Gas yang tersisa dikeluarkan, dan siklus dimulai lagi saat udara segar dihisap masuk.
2. Komponen Utama yang Terlibat dalam Siklus Turbin Gas
a. Kompresor
Kompresor adalah komponen pertama dalam mesin turbin gas. Kompresor memampatkan udara yang masuk ke tekanan tinggi, yang meningkatkan kepadatan dan suhu udara. Langkah ini penting karena menyediakan kondisi yang diperlukan untuk pembakaran yang efisien.
b. Jenis Kompresor
Kompresor aksial (umumnya digunakan dalam turbin gas besar) atau kompresor sentrifugal (digunakan dalam turbin yang lebih kecil).
c. Ruang Bakar
Setelah udara dimampatkan, udara dicampur dengan bahan bakar dan dibakar di ruang bakar. Hal ini meningkatkan suhu secara signifikan dan mengubah energi kimia bahan bakar menjadi energi termal.
d. Turbin
Gas bersuhu tinggi dan bertekanan tinggi dari ruang pembakaran dialirkan melalui turbin, yang mengekstraksi energi dari gas yang mengembang. Energi ini menggerakkan poros turbin dan menghasilkan kerja mekanis, yang dapat digunakan untuk menyalakan generator (pada pembangkit listrik) atau menciptakan daya dorong (pada mesin pesawat).
e. Pembuangan
Gas yang tersisa dibuang, sering kali pada suhu tinggi, dan energi ini dapat digunakan lebih lanjut dalam sistem siklus gabungan untuk meningkatkan efisiensi secara keseluruhan.
3. Transformasi Energi dalam Turbin Gas
a. Pekerjaan Mekanik
Turbin gas mengubah energi melalui berbagai tahap konversi. Awalnya, tekanan udara ditingkatkan oleh kompresor, kemudian energi kimia dalam bahan bakar diubah menjadi energi termal melalui pembakaran. Akhirnya, turbin mengubah energi termal ini menjadi energi mekanik dengan menggerakkan poros yang berputar.
b. Output Daya yang Berguna
Dalam pembangkitan daya, poros yang berputar dihubungkan ke generator listrik, yang mengubah energi mekanik menjadi listrik. Dalam penerbangan, poros ini menciptakan daya dorong dengan mempercepat udara melalui mesin.
4. Aliran Udara dan Bahan Bakar
a. Aliran Udara
Udara atmosfer memasuki kompresor, tempat udara bertekanan. Udara bertekanan kemudian mengalir ke ruang pembakaran, tempat udara tersebut dicampur dengan bahan bakar dan dinyalakan. Gas hasil pembakaran mengembang dengan cepat, mengalir ke turbin, tempat energinya diekstraksi.
b. Aliran Bahan Bakar
Bahan bakar disuntikkan ke dalam ruang pembakaran, tempat udara tersebut dicampur dengan udara bertekanan. Rasio bahan bakar terhadap udara sangat penting untuk pembakaran yang efisien dan meminimalkan emisi berbahaya.
5. Pertimbangan Efisiensi
a. Efisiensi Termal
Efisiensi turbin gas bergantung pada seberapa baik turbin mengubah energi panas dari pembakaran menjadi kerja mekanis. Suhu masuk turbin dan rasio tekanan yang lebih tinggi biasanya meningkatkan efisiensi.
b. Rasio Tekanan
Ini adalah rasio tekanan udara yang keluar dari kompresor dengan tekanan udara yang masuk. Rasio tekanan yang lebih tinggi biasanya menghasilkan efisiensi yang lebih baik.
c. Suhu Masuk Turbin (Turbine Inlet Temperature)
Suhu gas yang masuk ke turbin merupakan faktor kunci dalam efisiensi. Turbin gas modern beroperasi pada suhu yang sangat tinggi untuk meningkatkan efisiensi termal, yang sering kali memerlukan teknologi pendinginan canggih untuk bilah turbin.
6. Keunggulan Turbin Gas
a. Rasio Daya-terhadap-Berat yang Tinggi
Turbin gas relatif ringan dibandingkan dengan jumlah daya yang dihasilkannya, sehingga ideal untuk aplikasi seperti mesin pesawat terbang.
Start-Up Cepat
b. Turbin gas dapat mencapai daya keluaran penuh dengan cepat, itulah sebabnya turbin gas digunakan sebagai pembangkit listrik puncak untuk memenuhi lonjakan permintaan listrik yang tiba-tiba.
Fleksibilitas Bahan Bakar
c. Turbin gas dapat beroperasi dengan berbagai bahan bakar, termasuk gas alam, solar, dan bahkan hidrogen dalam beberapa kasus.
7. Aplikasi Umum
a. Pembangkit Listrik
Turbin gas banyak digunakan di pembangkit listrik, terutama untuk pembangkit listrik tenaga puncak dan pembangkit listrik siklus gabungan.
b. Penerbangan
Mesin jet pada dasarnya adalah turbin gas yang dirancang untuk menghasilkan daya dorong. Mesin ini beroperasi dengan efisiensi tinggi dan ringan, yang sangat penting untuk propulsi pesawat.
c. Propulsi Laut
Turbin gas juga digunakan di kapal, terutama di kapal militer yang membutuhkan kemampuan kecepatan tinggi.
8. Tantangan dan Keterbatasan
a. Suhu Operasional Tinggi
Turbin gas beroperasi pada suhu yang sangat tinggi, yang dapat menyebabkan kelelahan dan keausan material. Material canggih dan teknik pendinginan diperlukan untuk mempertahankan efisiensi dan mencegah kerusakan.
b. Emisi
Meskipun turbin gas relatif bersih dibandingkan dengan beberapa bentuk pembangkit listrik lainnya, turbin gas tetap menghasilkan nitrogen oksida (NOx) dan karbon dioksida (CO2), sehingga diperlukan upaya untuk mengurangi emisi tersebut.
Kesimpulan
Singkatnya, turbin gas beroperasi dengan mengompresi udara, mencampurnya dengan bahan bakar untuk pembakaran, dan mengembangkan gas panas yang dihasilkan untuk menghasilkan kerja mekanis.
Efisiensi proses bergantung pada faktor-faktor seperti rasio tekanan, suhu saluran masuk turbin, dan desain sistem secara keseluruhan. Turbin gas sangat serbaguna, yang menggerakkan segala hal mulai dari mesin jet hingga pembangkit listrik.
Peralatan Pendidikan untuk Turbin Gas
Seperti peralatan pendidikan dari ESSOM ini, TH 150 Mini Gas Turbine Power Plant. Unit ini merupakan pembangkit listrik turbin gas dua poros yang terdiri dari kompresor aliran radial dan turbin aliran aksial, kotak roda gigi, generator, dan beban listrik seperti pada pembangkit listrik turbin gas modern.
Lalu ada ESSOM MT 560 Two-Shaft Gas Turbine, turbin ini adalah mesin turbin gas poros ganda kecil dengan kompresor aliran radial dan turbin aliran aksial seperti pada pembangkit listrik turbin gas modern.
