Cara Kerja Turbo

Turbo atau juga biasa dikenal dengan turbocharger adalah sebuah komponen tambahan motor bakar yang berfungsi untuk menambah jumlah udara yang masuk ke dalam ruang bakar, dengan memanfaatkan energi panas yang terkandung di dalam gas buang mesin. Gas buang yang masih mengandung energi panas dilewatkan ke sebuah turbin untuk mengubah energi panas tersebut menjadi energi mekanis putaran poros. Sebuah kompresor yang berada satu poros dengan turbin, memanfaatkan energi mekanik tadi untuk men-supply lebih banyak udara ke dalam ruang bakar. Jika pada satu siklus motor bakar udara yang dimasukkan ke dalam ruang bakar lebih banyak kuantitasnya, maka dimungkinkan juga dalam satu siklus tersebut, bahan bakar yang dimasukan ke dalam ruang bakar juga menjadi lebih banyak.

20140509-075515 AM.jpg

Prinsip Kerja Turbo
(Sumber)

Pada kondisi normal motor bakar torak, udara masuk ke dalam ruang bakar adalah akibat dari gerakan hisap dari torak. Gerakan hisap torak akan menciptakan tekanan negatif di dalam ruang bakar, yang jika diikuti dengan terbukanya katup manifold, maka udara dalam jumlah tertentu akan masuk ke dalam ruang bakar karena tekanan udara masuk (atmosfer) lebih besar daripada tekanan di dalam ruang bakar. Dan karena putaran siklus motor bakar bekerja dengan sangat cepat, maka udara yang masuk ke ruang bakar pada saat siklus hisap berjumlah relatif sedikit. Jumlah udara yang relatif sedikit ini akan diikuti pula dengan sedikitnya jumlah bahan bakar yang masuk sesuai dengan setting sistem pencampuran bahan bakar di ruang bakar (karburator maupun injeksi). Dengan kondisi ini, daya mesin yang dihasilkanpun relatif rendah pula.

Penggunaan turbocharger akan meningkatkan daya keluaran motor bakar. Karena kompresor dari turbo akan meningkatkan tekanan dan kuantitas udara yang masuk ke ruang bakar pada saat siklus hisap. Secara otomatis, kuantitas campuran udara dan bahan bakar yang masuk ke dalam ruang bakar pada satu siklus motor akan lebih banyak. Kuantitas campuran bahan bakar dan udara yang lebih banyak inilah yang menghasilkan daya total siklus menjadi lebih besar daripada mesin konvensional yang tidak menggunakan turbo.

20140517-041026 PM.jpg

(a) Mesin BMW N26 dengan turbocharge
(b) Mesin BMW M54 tanpa turbocharge

Pembangkitan daya yang relatif lebih besar ini, memungkinkan para produsen kendaraan bermotor untuk mendesain mesin dengan kapasitas ruang bakar kecil, namun menghasilkan daya total yang sama dengan mesin berkapasitas besar. Sebagai salah satu contoh, sejak tahun 2012 produsen mobil BMW membuat mesin N26 berkapasitas 1.997cc yang dilengkapi dengan turbocharge. Mesin ini mampu menghasilkan 241 tenaga kuda pada putaran mesin 6500rpm. Angka tersebut cukup jauh jika dibandingkan dengan mesin BMW M54 (tahun 2000-2006) berkapasitas 2.494cc yang hanya menghasilkan daya 181 tenaga kuda pada putaran 6000rpm.

Turbocharge tersusun atas berbagai komponen. Komponen-komponen tersebut termasuk turbin, kompresor, shaft, dan casing sebagai komponen utamanya. Penggunaan turbo juga didukung oleh berbagai komponen pendukung seperti pendingin udara, sistem ECU (Electric Control Unit), distribusi oli pelumas, dan lain sebagainya. Pada artikel selanjutnya kita akan membahas berbagai komponen penyusun sistem turbocharge.

Referensi:

Prinsip Kerja Turbin Gas

Bagi sebagian orang, mungkin turbin gas sudah tidak asing lagi bagi mereka. Namun tentu tidak bagi sebagian yang lain, mereka mungkin tidak menyadari bahwa pada saat mereka naik pesawat terbang, mesin yang digunakan kendaraan ini adalah turbin gas. Atau mungkin listrik yang mereka nikmati, tidak disadari bahwa salah satu pemasoknya adalah generator berpenggerak turbin gas. Bahkan bisa jadi kendaraan masa depan akan menggunakan turbin gas berbahan bakar ramah lingkungan (baca: WAVE: truk trailer masa depan).
20140308-091922 AM.jpg

Mobil Konsep Jaguar Berpenggerak Dua Gas Turbin dan Empat Motor Listrik
(Sumber)

Turbin adalah suatu mesin rotari yang berfungsi untuk mengubah energi potensial aliran fluida menjadi energi gerak yang bermanfaat. Fluida yang digunakan untuk menggerakkan turbin antara lain adalah gas, air, uap air, dan angin. Perbedaan jenis fluida inilah yang membedakan tipe-tipe dari turbin, dimana salah satunya adalah turbin gas.
20140309-114628 AM.jpg

Rotor Turbin Gas
(Sumber)

Prinsip kerja dari turbin gas tidak jauh berbeda dengan turbin-turbin yang lain. Putaran dari rotor turbin, diakibatkan oleh adanya gas bertekanan yang melewati sudu-sudu turbin. Gas dengan tekanan tinggi didapatkan dari pembakaran bahan bakar dengan udara, sesaat sebelum masuk turbin. Ekspansi udara hasil proses pembakaran inilah yang digunakan untuk menggerakkan sudu-sudu turbin.
20140310-113831 AM.jpg

Aliran Fluida Kerja Turbin Gas

Turbin gas menggunakan udara atmosfer sebagai media kerjanya. Udara masuk melalui sisi inlet akibat terhisap oleh kompresor. Kompresor ini berfungsi untuk memampatkan udara hingga mencapai tekanan tertentu. Biasanya, tekanan di akhir sudu kompresor mencapai 30 kali tekanan inlet kompresor. Pada sisi akhir kompresor udara bertekanan akan melewati difuser. Difuser ini berfungsi untuk mendukung kompresor meningkatkan tekanan udara.
20140310-115746 AM.jpg

Area Pembakaran Turbin Gas
(Udara bertekanan mengalir dari kanan ke kiri)

Proses selanjutnya adalah masuknya udara bertekanan yang keluar dari kompresor untuk menuju area pembakaran (biasa disebut combustion chamber). Di area ini, dilakukan injeksi bahan bakar diikuti dengan proses pembakaran bahan bakar tersebut di dalam udara. Pembakaran ini mengakibatkan terjadinya ekspansi dari udara sehingga volume udara hasil pembakaran meningkat, dan tentu saja temperaturnya yang juga meningkat. Proses pembakaran di dalam chamber tidak akan meningkatkan tekanan udara, karena peningkatan volume udara akibat pemanasan cepat mengakibatkan udara berekspansi ke sisi turbin. Sedangkan kenaikan suhu udara hasil pembakaran, mengindikasikan kandungan energi dalam udara (entalpi) yang naik pula. Energi inilah yang akan dikonversikan menjadi tenaga putaran poros oleh turbin gas.

Udara hasil pembakaran selanjutnya masuk ke sisi turbin. Turbin gas terdiri atas beberapa stage sudu. Stage pertama yang dilewati oleh udara pembakaran disebut sisi high pressure stage (tekanan tinggi), sedangkan sudu yang paling akhir disebut dengan sisi low pressure stage (tekanan rendah). Sudu-sudu dari tiap stage turbin uap berfungsi sebagai nozzle, yang akan mengubah energi panas yang terkandung di dalam udara hasil pembakaran untuk menjadi energi gerak. Selain sisi rotor, sudu turbin juga terdapat pada sisi stator. Untuk lebih memahami bagaimana proses perubahan energi panas menjadi energi gerak putaran pada poros turbin, baca artikel berikut.
20140310-020410 PM.jpg

Kompresor dan Turbin Gas Berada Pada Satu Shaft

Kompresor pada sistem turbin gas, berada pada satu poros (shaft) dengan turbin. Sebagian energi mekanis berupa rotasi poros yang dihasilkan oleh turbin, digunakan untuk memutar rotor kompresor. Pada pembangkit listrik, sebagian energi mekanis digunakan untuk memutar generator yang juga berada satu poros dengan turbin dan kompresor.

Animasi Mesin Turbojet Pesawat Terbang
(Sumber)

Berbeda dengan mesin turbojet pesawat terbang, sebagian kecil energi panas udara hasil pembakaran digunakan untuk memutar turbin, yang selanjutnya energi putaran tersebut digunakan untuk memutar kompresor. Sebagian besar energi panas pada udara hasil pembakaran mesin jet digunakan untuk mendorong pesawat, dimana pada sisi keluaran turbin berbentuk nozzle. Nozzle ini berfungsi untuk meningkatkan kecepatan dorong gas buang, sehingga mendapatkan gaya dorong yang lebih besar bagi pesawat.

20140310-030923 PM.jpg

Mesin Turbojet Pesawat Terbang
(Sumber)


Referensi:

Reaction Ratio Pada Turbin Uap

Pada stage sudu-sudu stator turbin uap hanya akan terjadi penurunan entalpy (heat drop) secara isentropik, sedangkan pada stage sudu-sudu rotor terjadi konversi dari energi kinetik menjadi energi mekanik. Akan tetapi ada beberapa turbin uap yang di sudu-sudu rotornya dapat terjadi perubahan energi panas menjadi energi kinetik juga. Seberapa banyak energi panas yang diubah menjadi energi kinetik pada satu stage sudu-sudu rotor ditunjukkan dengan sebuah rasio bernama Reaction Ratio (Rasio Reaksi).

Rasio Reaksi (R) = ΔHis,rot/ΔHis,stage

Dimana ΔHis,rot adalah jumlah penurunan entalpi yang dikonversikan menjadi energi kinetik pada sisi sudu rotor, dan ΔHis,stage adalah jumlah total penurunan entalpi pada satu stage tersebut.

Profil dan Vektor Kecepatan Turbin Impuls dan Reaksi

20110811-111048.jpg

Rasio Reaksi (R) = 0
Pada R = 0 berarti 100% penurunan entalpi akibat berubah menjadi energi kinetik terjadi pada sudu-sudu stator. Proses ini merupakan proses impuls murni yang ditandai dengan tekanan yang konstan pada titik sebelum dan sesudah sudu rotor, aliran uap air hanya mengalami perubahan arah saja. Sudu-sudu rotor merubah arah dari impuls uap air yang diarahkan padanya dan mentransfer torsi yang tinggi kepada poros turbin. Oleh karena itu, turbin tipe ini juga disebut dengan turbin impuls.

Keuntungan dari turbin tipe ini adalah penurunan entalpi yang besar pada satu stage sudu-sudu, sehingga pembangkitan energi oleh satu turbin lebih besar. Sehingga jumlah stage dari turbin akan lebih sedikit, dan ukuran turbin akan lebih pendek. Namun kerugian dari tipe ini adalah kehilangan aliran steam yang terlalu banyak karena kecepatan aliran yang lebih besar.

Rasio Reaksi (R) = 0,5
Turbin dengan desain R=0,5 berarti bahwa separuh dari penurunan entalpi pada satu stage sudu turbin terjadi pada sisi sudu stator, dan separuhnya lagi terjadi pada sudu rotor turbin. Turbin dengan desain ini disebut juga dengan turbin reaksi. Penurunan tekanan dan entalpi dari uap air terjadi pada sisi stator dan rotor turbin. Tekanan uap di inlet sudu rotor lebih besar daripada sisi outletnya. Aliran fluida (uap air) tidak hanya mengalami akselerasi di sisi stator, tetapi juga di sisi rotor turbin.

Perbedaan tekanan uap air pada sisi sudu rotor, menyebabkan timbulnya gaya aksial pada keseluruhan turbin. Gaya aksial berarti gaya yang arahnya segaris dengan arah poros/shaft. Gaya aksial dari rotor turbin ini berlawanan arah dengan arah aliran uap air, dan disebut juga axial thrust. Axial thrust/gaya aksial harus dikompensasi oleh penggunaan thrust bearing atau dilawan gaya tersebut dengan menggunakan balance piston.

Keuntungan dari penggunaan turbin tipe ini adalah berkurangnya kehilangan aliran uap air akibat kenaikan kecepatan aliran di setiap stage yang sedikit. Namun kerugiannya adalah desain turbin yang semakin panjang, karena kebutuhan stage yang lebih banyak daripada turbin impuls.

Pada prakteknya, turbin dengan desain R = 0,7 lebih banyak digunakan pada saat ini. Ini berarti penurunan entalpi lebih banyak terjadi pada sisi rotor turbin daripada sisi statornya.