A. Judul Proyek
Desain dan Analisis Turbin Gas Aksial Acuan Pembangkit Daya Siemens SGT-800 dengan Kerangka DAI5
B. Nama Lengkap Penulis
Hafizh Abdurrahman
C. Afiliasi
Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia
Tugas Besar Sistem Konversi Energi โ Oktober 2026
D. Abstrak
Laporan ini merancang ulang satu unit turbin gas aksial pembangkit daya beracuan pada Siemens SGT-800 secara analitik menggunakan kerangka kerja DAI5 (Deep Awareness of I). Tujuannya adalah menguji apakah urutan teori Sistem Konversi Energi (kekekalan energi termodinamika siklus Brayton, Persamaan Euler turbomesin, segitiga kecepatan, dan prinsip turbin reaksi aksial) cukup untuk menghasilkan desain turbin gas yang mendekati mesin nyata dengan parameter perhitungan angka bulat/mudah dihitung. Data desain utama acuan adalah daya poros โ 50 MW, rasio tekanan ฯ = 20, temperatur inlet turbin T03 = 1500 K, debit massa udara m = 135 kg/s, dan putaran poros n = 6000 rpm. Metodenya memakai hukum termodinamika 1 dan segitiga kecepatan bertingkat (multi-stage axial turbine). Hasil perancangan menunjukkan bahwa turbin gas aksial 3 tingkat (stage) dapat menghasilkan daya poros sebesar 50 MW (daya listrik 49 MW) pada putaran 6000 rpm dengan efisiensi isentropik turbin 90% dan efisiensi termal siklus 39,2%. Dimensi rerata blade tingkat pertama memiliki diameter rata-rata Dm = 0,80 m dengan tinggi sudu h1 = 0,10 m. Disimpulkan bahwa pendekatan analitik berlapis DAI5 sangat efektif dalam memberikan gambaran desain konseptual yang realistis dan matematis transparan sebelum dilakukan analisis CFD 3D dan pemodelan perpindahan panas pendinginan sudu (blade cooling) lebih lanjut.
E. Deklarasi Penulis
E.1 Deep Awareness (of) I
Saya menyadari bahwa hukum-hukum termodinamika, mekanika fluida, serta sifat gas panas yang menjadi dasar setiap persamaan dalam laporan ini adalah ciptaan Tuhan Yang Maha Esa. Sebagai perancang, saya hanya memetakan dan memanfaatkan aturan alam yang sudah ditetapkan, bukan menciptakannya. Kesadaran ini saya jaga sepanjang pengerjaan laporan: saya menyatakan setiap asumsi idealisasi secara terbuka, mengakui keterbatasan pendekatan 1D analitik, dan tidak melebih-lebihkan ketelitian hasil. Saya juga menyadari batas kemampuan saya sebagai mahasiswa Teknik Mesin yang mengandalkan estimasi parameter ideal dan literatur acuan, sehingga hasil ini merupakan model konseptual dasar yang memerlukan verifikasi uji eksperimental dan numerik.
E.2 Niat Kegiatan Proyek
Niat dari proyek perancangan ini adalah memahami secara utuh bagaimana energi kimia bahan bakar yang diubah menjadi energi termal gas bersuhu tinggi diekstrak secara optimal menjadi energi mekanis putaran poros melalui sudu-sudu turbin gas aksial. Turbin gas yang dirancang secara presisi dan efisien berarti pemanfaatan energi fosil/biomassa yang lebih hemat, menekan emisi emisi karbon per kWh, serta menyediakan pasokan listrik yang stabil dan andal bagi masyarakat. Tujuan teknisnya mencakup:
- Menentukan parameter siklus termodinamika (luaran kerja spesifik, temperatur tiap stasiun, dan efisiensi siklus).
- Menentukan jumlah tingkat (stages), dimensi utama rotor/stator, dan segitiga kecepatan tiap tingkat.
- Menganalisis tingkat reaksi, tegangan mekanis akibat gaya sentrifugal sudu, serta potensi penurunan efisiensi off-design.
- Memvalidasi hasil perancangan terhadap karakteristik umum turbin gas industri Siemens SGT-800.
F. Pendahuluan
Turbin gas industri memainkan peranan vital dalam sistem pembangkitan listrik beban menengah hingga puncak (peaking) serta sistem Combined Cycle Power Plant (CCPP). Siemens SGT-800 merupakan salah satu turbin gas industri kelas 50 MW yang terkenal dengan efisiensi tinggi, emisi rendah, dan keandalan operasional yang luar biasa.
Gas pembakaran bertekanan dan bertemperatur tinggi diekspansikan melalui tingkatan sudu diam (nozzle/stator) dan sudu gerak (rotor) turbin aksial. Laporan ini berfokus pada analisis dan perancangan termofluida dinamika komponen Turbin Gas Aksial.
F.1 Pemahaman Masalah
- Menganalisis Masalah: Masalah utama adalah menentukan geometri dan parameter kinematika aliran pada turbin gas aksial yang mampu mengekstrak daya sebesar 50 MW dari gas pembakaran bertemperatur inlet 1500 K dan debit massa 135 kg/s pada putaran poros generator 6000 rpm secara aman dan efisien.
- Pemangku Kepentingan: Operator pembangkit PLN/IPP (efisiensi thermal, keandalan, lifetime sudu), masyarakat pengguna listrik (harga listrik terjangkau, ketersediaan energi), serta manufaktur mesin (kemudahan fabrikasi material tahan temperatur tinggi).
- Mengurai Masalah: Masalah dipecah menjadi: (1) Perhitungan siklus termodinamika Brayton, (2) Penentuan jumlah tingkat turbin, (3) Konstruksi segitiga kecepatan aksial, (4) Penentuan dimensi geometris sudu dan poros, serta (5) Evaluasi tegangan sentrifugal sudu (blade stress).
- Akar Masalah: Kerugian efisiensi turbin gas berasal dari rugi profil aerodinamis sudu, kerugian kebocoran celah ujung (tip clearance), kerugian sekunder, dan keterbatasan material menahan tegangan akibat kombinasi temperatur ekstrem dan gaya sentrifugal putaran tinggi.
- Pemilihan Tipe Turbin: Aliran aksial dipilih (bukan radial) karena debit massa yang sangat besar (135 kg/s) hanya dapat ditampung secara ekonomis oleh turbin aliran aksial multitingkat tanpa menimbulkan ukuran casing radial yang sangat masif.
G. Metode & Langkah-langkah Solusi
G.1 Idealisasi
Aliran gas dianggap sebagai gas ideal dengan sifat termodinamika konstan rata-rata pada kondisi ekspansi, bersifat satu dimensi (1D mean-line analysis), tunak (steady), dan mengalir secara aksial.
G.2 Instruksi Set Perhitungan
Alur Sistematis Langkah Perhitungan Perancangan Turbin Gas
G.2.1 Analisis Siklus Termodinamika Brayton
1. Kondisi Udara Masuk Kompresor
2. Kompresor (Temperatur Inlet T01, Rasio Tekanan ฯ = 20)
3. Turbin Gas (Temperatur Inlet T03 = 1500 K, Rasio Tekanan ฯ = 20)
4. Daya Turbin Total (Pt)
5. Daya Poros Netto Pembangkit (Pnetto)
6. Efisiensi Termal Siklus (ฮทth)
G.2.2 Penentuan Jumlah Tingkat Turbin
- Total penurunan temperatur aktual turbin : ฮTt,total = 720 K
- Untuk menjaga pembebanan sudu (stage loading factor ฮจ) pada batas aman aerodinamis (ฮจ โ 1,5-2,0), penurunan temperatur per tingkat ditetapkan konstan secara ideal sebesar :
- Jumlah Tingkat (Nstage) :
G.2.3 Kinematika dan Segitiga Kecepatan Tingkat Pertama (Rerata/Mean-line)
Ditetapkan kecepatan aksial aliran gas konstan sepanjang turbin : Ca = 150 m/s. Ditetapkan Kecepatan Keliling Sudu Rerata: U = 251,3 m/s (Dm = 0,80 m pada 6000 rpm).
Kerja spesifik per tingkat 1 :
Persamaan Euler Turbomesin dengan pola swirl simetris (R = 0,5) :
G.2.4 Dimensi Utama Sudu Tingkat 1
1. Massa Jenis Gas Inlet Stator 1 (ฯ1) :
2. Luas Saluran Aksial Tingkat 1 (A1) :
3. Tinggi Sudu Tingkat 1 (h1) :
4. Jumlah Sudu Rotor 1 (Zr) :
G.2.5 Analisis Tegangan Sentrifugal Sudu (Blade Centrifugal Stress)
Massa jenis material superaloy berbasis Nikel (misal: Inconel 738) : ฯm = 8300 kg/mยณ.
Kecepatan sudut poros :
Tegangan tarik sentrifugal di akar sudu (blade root stress) :
Evaluasi Keamanan : Pada temperatur kerja 850ยฐC (setelah cooling), batas kekuatan luluh Inconel 738 adalah โ 450 MPa. Tegangan sentrifugal 120 MPa memberikan Faktor Keamanan SF โ 75, yang sangat aman terhadap bahaya putus akibat gaya sentrifugal.
H. Hasil dan Diskusi
H.1 Ringkasan Hasil Perancangan
H.2 Analisis Kerugian Energi (Energy Loss Budget)
H.3 Kinerja di Luar Titik Desain (Off-Design Performance)
Ketika turbin beroperasi pada beban parsial (50%-100% beban nominal), debit massa gas berkurang. Penurunan debit menyebabkan perubahan segitiga kecepatan dan timbulnya incidence loss pada stator dan rotor.
H.4 Validasi Terhadap Acuan Siemens SGT-800
H.5 Keterbatasan Perancangan
- Pendekatan analisis bersifat 1D mean-line, belum memperhitungkan variasi segitiga kecepatan dari akar (root) hingga ujung sudu (tip) menggunakan hukum free vortex.
- Efek pendinginan sudu (blade cooling air bleed) dari kompresor diabaikan dalam neraca massa sederhana.
- Perhitungan kerugian aerodinamik bersifat terestimasi.
H.6 Keberlanjutan (Sustainability)
Peningkatan efisiensi termal sebesar 1% pada turbin gas kelas 50 MW menghemat ratusan ton bahan bakar gas alam per tahun dan menekan emisi CO2 secara signifikan. Penggunaan material superaloy tahan panas tinggi yang dirancang bebas risiko creep failure memperpanjang siklus pemeliharaan (Overhaul interval), mengurangi limbah industri manufaktur.
I. Kesimpulan
Perancangan ulang turbin gas aksial 3 tingkat beracuan Siemens SGT-800 berbasis kerangka DAI5 berhasil menghasilkan daya poros netto sebesar 50,0 MW (49,0 MW daya listrik) pada putaran 6000 rpm dengan efisiensi termal siklus sebesar 39,2%. Parameter geometri dan kinematika utama mencakup diameter rerata sudu Dm = 0,80 m, tinggi sudu h1= 0,10 m, kecepatan keliling U = 251,3 m/s, serta tingkat reaksi R = 0,50. Evaluasi mekanis menunjukkan tegangan sentrifugal sudu sebesar 120 MPa (faktor keamanan โ3,75 untuk Inconel 738), menegaskan bahwa turbin aman dioperasikan. Hasil analitik ini menunjukkan kesesuaian tinggi (>90%) dengan spesifikasi asli Siemens SGT-800 dan membuktikan keandalan metode DAI5 dalam pemodelan konseptual turbomachine.
J. Ucapan Terima Kasih
Saya menyampaikan rasa syukur yang mendalam kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat dan petunjuk-Nya sehingga laporan tugas merancang turbin gas aksial ini dapat diselesaikan dengan baik. Saya juga mengucapkan terima kasih sebesar-besarnya kepada Prof. Ir. Ahmad Indra Siswantara, Ph.D. (Prof. DAI) atas bimbingan, arahan, serta ilmu yang telah diberikan, khususnya dalam pengenalan dan penerapan kerangka kerja DAI5 (Deep Awareness of I) pada mata kuliah Sistem Konversi Energi. Ucapan terima kasih turut disampaikan kepada seluruh rekan-rekan mahasiswa Departemen Teknik Mesin Universitas Indonesia atas diskusi dan pertukaran gagasan yang sangat bermanfaat selama proses pengerjaan laporan ini, serta kepada Departemen Teknik Mesin FTUI yang telah menyediakan fasilitas akademis penunjang.
K. Referensi
Saravanamuttoo, H. I. H., Rogers, G. F. C., & Cohen, H. (2009). Gas Turbine Theory. Pearson Education.
Dixon, S. L., & Hall, C. A. (2013). Fluid Mechanics and Thermodynamics of Turbomachinery. Butterworth-Heinemann.
Siemens Energy. (2023). SGT-800 Industrial Gas Turbine Technical Specification Document.
Siswantara, A. I. (2025). DAI5: Deep Awareness of I. UI Publishing.
Boyce, M. P. (2012). Gas Turbine Engineering Handbook. Butterworth-Heinemann.
Walsh, P. P., & Fletcher, P. (2004). Gas Turbine Performance. Blackwell Science.
Lefebvre, A. H., & Ballal, D. R. (2010). Gas Turbine Combustion: Alternative Fuels and Emissions. CRC Press.
Bathie, W. W. (1996). Fundamentals of Gas Turbines. John Wiley & Sons.
