Material Turbin Gas

Karena desain peralatan turbomachinery rumit dan efisiensi secara langsung terkait dengan kinerja material, pemilihan material sangat penting. Turbin gas dan turbin uap menunjukkan area masalah yang sama, tetapi area masalah ini adalah besaran yang berbeda. Komponen turbin harus beroperasi pada berbagai tekanan, temperatur, dan kondisi korosi. Bilah kompresor beroperasi pada suhu yang relatif rendah tetapi bertekanan tinggi. Operasi pembakanran bekerja pada suhu yang relatif suhu tinggi dan kondisi tekanan rendah. Bilah turbin beroperasi pada kondisi tekanan, suhu, dan korosi yang ekstrim. Kondisi tersebut lebih ekstrim pada turbin gas daripada dalam turbin uap. Akibatnya, pemilihan bahan untuk masing-masing komponen didasarkan pada berbagai kriteria di turbin gas dan uap.

Sebuah desain hanya seefisien kinerja bahan komponen yang dipilih. Ruang bakar dan bilah turbin adalah komponen yang paling penting di turbin gas karena membutuhkan performa tinggi dan umur panjang. Kondisi ekstrim dari tekanan, suhu, dan korosi membuat bilah turbin gas menjadi tantangan material. Komponen turbin lainnya menghadirkan area masalah operasional, tetapi untuk derajat yang lebih rendah.

Material Turbin Gas

Komposisi paduan baru dan konvensional di seluruh turbin ditunjukkan pada Tabel 1 Tabel ini menjelaskan bahan yang digunakan di pada perusahaan GE tetapi bahannya umum untuk semua merek turbin suhu tinggi meskipun mungkin ada beberapa variasi dalam komposisi paduan. Pada tahun-tahun awal pengembangan turbin, kemampuan peningkatan suhu paduan blade menyumbang sebagian besar kenaikan suhu pembakaran sampai udara pendinginan diperkenalkan, yang memisahkan suhu pembakaran dari suhu blade logam. Juga, saat suhu logam mendekati 1600 °F (870 °C), korosi panas pada bilah menjadi lebih membatasi umur daripada kekuatan sampai muncul pengenalan lapisan pelindung. Selama tahun 1980-an, penekanan beralih ke dua area utama yaitu teknologi material yang ditingkatkan, untuk mencapai paduan blade yang berkemampuan lebih tanpa mengorbankan ketahanan korosi paduan dan teknologi pendingin udara yang canggih untuk mencapai kemampuan suhu pembakaran diperlukan untuk turbin gas generasi baru. Penggunaan pendinginan uap untuk peningkatan lefisiensi siklus gabungan dalam ruang bakar diperkenalkan pada pertengahan hingga akhir 1990-an. Pendinginan uap di blade dan nozel diperkenalkan ke beroperasi secara komersial pada tahun 2002.

Tabel 1. Tabel material turbin gas pada perusahaan GE

Pada 1980-an, bilah IN-738 digunakan secara luas. IN-738 diakui sebagai standar korosi untuk industri. Paduan baru, seperti GTD-111, dikembangkan dan dipatenkan oleh GE pada pertengahan 1970-an. GTD-111 memiliki sekitar 35 °F (20 °C) peningkatan kekuatan rupture dibandingkan dengan IN-738. GTD-111 juga lebih unggul dari IN-738 dalam kekuatan fatigue siklus rendah.

Desain paduan ini unik karena memanfaatkan stabilitas fase dan teknik prediksi lainnya untuk menyeimbangkan tingkat elemen kritis (Cr, Mo, Co, Al, W, dan Ta), dengan demikian mempertahankan ketahanan korosi panas IN-738 pada tingkat kekuatan yang lebih tinggi tanpa mengorbankan stabilitas fase. Kebanyakan nozel dan blade cor dibuat dengan menggunakan pengecoran investment konvensional. Dalam proses ini, logam cair dituangkan ke dalam cetakan keramik vakum, untuk mencegah elemen yang sangat reaktif dalam paduan super agar tidak bereaksi dengan oksigen dan nitrogen di udara.

Paduan Turbin Wheel/Roda

Komponen Turbin Gas. Sumber: https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-sciences/turbine-wheel

Alloy 718 Nickel-Based Alloy: berbahan dasar nikel, mengeras dengan presipitasi paduan adalah yang terbaru dan sedang dikembangkan untuk generasi berikutnya dari jenis frame mesin turbin gas. Paduan ini telah digunakan untuk wheel/roda di turbin pesawat untuk: lebih dari 20 tahun. Paduan 718 mengandung elemen paduan konsentrasi tinggi dan karena itu sulit untuk diproduksi dalam ukuran ingot yang sangat besar yang dibutuhkan untuk wheel turbin tipe Frame besar dan tempa spacer. Upaya ini membutuhkan kedekatan kerjasama antara produsen dan peleburan superalloy dan penempaan besar pemasok untuk melakukan studi aliran solidifikasi dan penempaan yang diperlukan untuk membawa ke dalam produksi bahan roda baru untuk roda besar.

Alloy 706 Nickel-Based Alloy: Paduan ini mirip dengan Paduan 718, tetapi mengandung sedikit konsentrasi elemen paduan yang lebih rendah, dan karena itu lebih mudah untuk diproduksi dalam ukuran ingot yang sangat besar yang dibutuhkan untuk turbin gas tipe rangka besar.

Cr–Mo–V Alloy: Roda turbin dan spacer sebagian terbuat dari baja 1% Cr -1,25% Mo-0,25% V.

12 Cr Alloys: keluarga paduannya memiliki kombinasi sifat yang membuatnya sangat berharga untuk roda turbin. Sifat-sifat ini terdiri dari keuletan yang baik pada tingkat kekuatan tinggi, sifat seragam di seluruh bagian tebal, dan kekuatan yang menguntungkan pada suhu hingga sekitar 900 F (482 C).

A286 Alloy: A286 adalah paduan dasar besi austenitik yang telah digunakan dalam aplikasi mesin pesawat. Penggunaannya untuk turbin gas industri dimulai sekitar tahun 1965, ketika kemajuan teknologi membuat produksi ingot mencukupi.

Bahan Sudu Kompresor

Sudu kompresor dibuat dengan berbagai cara dengan penempaan, ekstrusi, atau permesinan. Semua sudu produksi, hingga saat ini, dibuat dari Tipe 403 atau 403 Cb (keduanya 12 Cr) stainless steel. Selama tahun 1980-an, bahan sudu kompresor baru, GTD-450, stainless steel martensit yang dikeraskan presipitasi, diperkenalkan ke dalam produksi untuk mesin canggih dan mesin yang ditingkatkan. Bahan ini memberikan peningkatan kekuatan tarik tanpa mengorbankan ketahanan tegangan korosi. Peningkatan substansial dalam kelelahan dan korosi siklus tinggi kekuatan lelah juga dicapai dengan bahan ini, dibandingkan dengan Tipe 403. Ketahanan korosi yang unggul juga dicapai karena konsentrasi tinggi kromium dan molibdenum. Korosi kompresor biasanya disebabkan oleh kelembaban dan garam yang tertelan oleh turbin. Pelapisan sudu kompresor juga sangat direkomendasikan.

>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL SEPUTAR KONVERSI ENERGI LAINNYA!

Kontributor: Daris Arsyada

By Caesar Wiratama

Sumber:

Boyce, Meherwan P. 2002. Gas Turbines Engineering Handbook: Second Edition. Texas: Gulf Professional Publishing.

https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-sciences/turbine-wheel (diakses pada tanggal 24 Mei 2022)

Subscribe
Notify of
guest
0 Comments
Inline Feedbacks
View all comments