Listrik menjadi sumber energi yang paling sering digunakan manusia di era ini untuk mendukung kehidupan sehari-hari. Manusia membutuhkan energi listrik untuk berbagai aktivitas, termasuk industri, layanan publik, dan rumah tangga. Energi listrik dihasilkan dari bermacam-macam kategori pembangkit, dan yang umumnya adalah Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU).

Permintaan akan energi adalah kebutuhan dasar yang esensial untuk meningkatkan kualitas hidup masyarakat. Seiring dengan peningkatan kualitas hidup dan jumlah populasi, dan seiring meningkatnya kebutuhan energi, salah satu alat konversi energi yang mampu menghasilkan listrik adalah turbin uap. Turbin uap bekerja dengan mengubah energi potensial dari uap menjadi energi kinetik melalui nozzle (pada jenis turbin impuls) atau melalui sudu gerak (pada turbin reaksi). Energi kinetik tersebut kemudian dikonversi menjadi energi mekanik yang diteruskan ke poros turbin..

Turbin uap adalah jenis mesin penggerak utama yang banyak digunakan dalam berbagai industri, seperti untuk menggerakkan generator listrik, pompa, kompresor, dan dalam industri proses . Hal ini didasarkan pada beberapa pertimbangan berikut: efisiensi dan kinerja yang tinggi, fleksibilitas dalam penggunaan bahan bakar, kemampuan untuk memodifikasi sudu turbin, kemudahan dalam perawatan, serta tingkat keandalan yang tinggi.

Sebagai salah satu mesin pengubah(konversi) energi, turbin uap dapat merubah energi potensial uap menjadi energi mekanik pada poros turbin. Ini membuat turbin uap menjadi alternatif yang bagus. Turbin uap dapat diklasifikasikan menjadi berbagai kategori berdasarkan posisi silinder, arah aliran uap, jumlah tingkat tekanan, teknik untuk mengatur prinsip aksi uap, proses penurunan kalor, dan tekanan uap di sisi masuk. Selain itu, turbin uap dapat digunakan dalam berbagai industri.

Turbin uap tingkat kedua, juga dikenal sebagai "second stage steam turbine", adalah komponen dari turbin uap multi-tahap. Dalam proses ini, uap yang keluar dari turbin tahap pertama diarahkan ke turbin tahap kedua untuk menghasilkan lebih banyak tenaga, yang memungkinkan penggunaan energi uap yang lebih efisien.Keuntungan menggunakan turbin uap tingkat kedua yaitu memungkinkan penggunaan energi uap secara lebih optimal dan mampu menghasilkan daya yang lebih besar dibandingkan turbin satu tahap.

Sebuah penelitian sebelumnya menemukan apabila penggunaan variasi jumlah sudu 4, 6, 12 dan pergerakan sudu berengsel dan sudu tetap, jumlah sudu 12 memberikan hasil terbaik. Dengan kecepatan putar 89,9 rpm dan output energi 29,25 Watt, sistem mencapai efisiensi terbaik 0,47%.. "Pengaruh Variasi Jumlah Sudu Terhadap Daya Output Listrik Pada Turbin Vortex," 8 sudu memiliki efisiensi tertinggi sebesar 6,02%. Tetapi turbin pada penelitian tersebut tidak efisien..

Turbin uap terdapat dua bagian yang utama yaitu: stator dan juga rotor, yang keduanya adalah bagian inti. Untuk meningkatkan kinerjanya, ada juga komponen pendukung seperti contohnya yaitu bantalan, kopling, dan sistem bantu lainnya. Penambahan energi termal meningkatkan energi kinetik fluida kerja turbin uap.. Pabrik kelapa sawit atau pabrik lainnya menghasilkan bahan bakar dari turbin uap sebagai fluida kerja. Tenaga uap yang dihasilkan dari turbin uap kemudian didistribusikan ke tiga bagian melalui pipa-pipa: pengepresan, peminyakan, dan perebusan. Pada dasarnya, turbin uap beroperasi dengan menyerap energi kinetik dari uap kering (vapor yang terlalu panas) yang dilepaskan oleh nosel. Akibatnya, bilah turbin terdorong secara angular atau berputar.

Ada berbagai cara untuk merubah energi potensial uap menjadi energi mekanis. Oleh karena itu, turbin uap termasuk dalam tiga kategori utama: turbin uap tipe impuls, turbin uap tipe reaksi, dan turbin campuran/gabungan (impuls-reaksi). Kerugian utama yang terjadi selama proses ekspansi uap dalam turbin dibagi menjadi dua kategori: kerugian dalam dan kerugian luar. Pada dasarnya baik turbin impuls maupun turbin reaksi bekerja dengan aliran aksial, artinya uap masuk trubin mendekati sejajar dengan poros trubin Adapun penunjang turbin uap yaitu Feedwater heater adalah alat dalam sistem pembangkit uap regeneratif yang berfungsi meningkatkan suhu air sebelum masuk ke boiler. Terdapat dua jenis: open feedwater heater (deaerator) untuk menghilangkan oksigen dari kondensat turbin tekanan rendah, dan closed feedwater heater, yaitu low pressure heater dan high pressure heater, yang memanaskan air pengisi pada tekanan berbeda sebelum masuk ke boiler

Di dalam penelitian ini, penulis akan memodifikasi jumlah sudu reaksi pada turbin uap. Sudu ini berputar dengan memanfaatkan gaya reaksi yang dihasilkan oleh uap terhadap sudu geraknya. Prinsip kerja sudu reaksi mirip dengan sistem penyiraman otomatis (automatic sprinkler system) di mana sprinkler bergerak karena gaya reaksi air. Sudu reaksi terdiri dari dua jenis, yaitu sudu gerak (moving blade) dan sudu diam (fixed blade), mirip dengan sudu impuls. Namun, prinsip kerja sudu-sudu ini berbeda dengan sudu gerak dan sudu diam pada sudu impuls. Pada sudu reaksi, baik sudu gerak maupun sudu diam memiliki respon yang sama; uap mengalami penurunan tekanan dan peningkatan kecepatan saat melewati keduanya (seperti pada nosel). Fungsi tambahan nosel (sudu diam) pada jenis ini adalah mengarahkan laju aliran uap.

Hal ini penting karena volume uap di bagian belakang turbin meningkat, sehingga dibutuhkan pengarah dan diameter sudu yang lebih besar untuk mengoptimalkan konversi energi menjadi putaran turbin. Beberapa faktor dapat menyebabkan turunnya performa turbin. Salah satu penyebab utama yang memicu penurunan tersebut adalah laju aliran uap, diikuti oleh faktor lain seperti suhu, tekanan, dan entalpi. dan faktor-faktor seperti celah ujung (tip clearance), geometri sudu, dan tekanan keluar yang tinggi memiliki dampak signifikan pada efisiensi dan kinerja sistem. Meningkatkan jumlah sudu akan menambah kecepatan putar serta gaya tangensial yang dihasilkan, sehingga berdampak pada peningkatan daya dan efisiensi turbin kinetik . Untuk mencapai efisiensi turbin yang optimal, kecepatan uap yang keluar dari sudu gerak terakhir harus ditekan serendah mungkin, sehingga energi kinetik yang tersisa dapat dimanfaatkan secara maksimal dan mengurangi kehilangan energi.

Melalui proses optimasi terhadap efisiensi (η), kerja netto (W-net), dan work ratio, dapat dirancang sebuah turbin uap yang tidak hanya memenuhi kriteria teknis, tetapi juga memberikan keuntungan secara ekonomis. Efisiensi yang tinggi memungkinkan penghematan bahan bakar secara signifikan, yang berdampak langsung pada pengurangan biaya operasional dan peningkatan keberlanjutan sistem. Kerja netto yang besar memungkinkan perancangan turbin dengan ukuran fisik yang lebih kecil, sehingga dapat mengurangi kebutuhan ruang, material konstruksi, serta biaya manufaktur dan pemeliharaan. Sementara itu, work ratio yang stabil menunjukkan bahwa turbin mampu mempertahankan performa yang konsisten dalam berbagai kondisi beban dan gangguan, yang sangat penting dalam sistem tenaga yang menuntut keandalan tinggi. Dengan demikian, hasil dari proses optimasi ini tidak hanya meningkatkan performa teknis turbin uap, tetapi juga mendukung efisiensi biaya dan keandalan operasional jangka panjang, menjadikannya solusi yang unggul untuk kebutuhan pembangkitan energi modern.

Merujuk pada latar belakang yang telah dijelaskan sebelumnya, maka perumusan masalah dapat disampaikan sebagai berikut:

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh variasi jumlah sudu pada turbin uap bertingkat kedua terhadap performa dan efisiensi sistem turbin secara keseluruhan. Penelitian ini juga bertujuan untuk menentukan konfigurasi optimal jumlah sudu yang mampu menghasilkan daya maksimum, efisiensi tertinggi, serta torsi paling besar pada tekanan dan kecepatan putar tertentu. Dengan demikian, hasil dari penelitian ini diharapkan dapat menjadi acuan dalam desain dan pengembangan turbin uap skala kecil yang lebih efisien dan memiliki performa tinggi.

Tujuan untuk mengetahui efesiensi dan performa pada turbin uap bertingkat kedua yang jumlah sudunya bervariasi dan pemanasan uap menggunakan boiler kapasitas 5 liter . Dalam penelitian ini diperlukan alat pengukur seperti tachometer, flowmeter, dan pressure gauge untuk mengukur Rpm,mengukur debit,tekanan uap dengan variasi jumlah sudu (5,7,dan 9) dan tekanan (60,50,dan 40). Adanya konsep penelitian pada benda kerja yakni bertujuan untuk mempermudah saat perancangan menggunakan proses permesinan dan dapat membuat benda kerja yang mempunyai nilai efisiensi tinggi.

Gambar 1. Rangkaian Alat Uji

Gambar di atas menunjukkan diagram sistem pembangkit uap skala kecil yang digunakan untuk menggerakkan turbin uap. Sistem ini dimulai dari bak penampungan yang berfungsi sebagai tempat penyimpanan air sebelum dipompa. Air dari bak penampungan kemudian dialirkan ke pompa yang bertugas menyalurkan air dengan tekanan lebih tinggi ke boiler. Dalam boiler air didihkan hingga berubah menjadi uap bertekanan tinggi. Uap yang dihasilkan kemudian mengalir menuju turbin, di mana tekanan masuknya diukur menggunakan pressure gauge (PI In).

Turbin berfungsi sebagai pengubah energi panas dari uap menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Poros turbin ini terhubung dengan disk handle breaker yang kemungkinan digunakan sebagai pengaman atau kontrol manual. Setelah melalui turbin, uap yang telah kehilangan sebagian tekanannya mengalir keluar dan tekanannya diukur kembali oleh pressure gauge (PI Out). Selanjutnya, uap ini melewati flowmeter yang mencatat laju aliran atau debit uap yang keluar dari sistem. Uap kemudian dibuang atau dikondensasikan ke bak penampungan akhir.

Secara keseluruhan, sistem ini didesain sebagai miniatur pembangkit uap untuk keperluan eksperimen atau pendidikan, guna mempelajari konversi energi dari energi panas menjadi energi mekanik, serta menganalisis kinerja turbin uap berdasarkan tekanan dan debit uap yang masuk dan keluar dari sistem.

Berdasarkan analisis grafik daya, efisiensi, dan torsi terhadap variasi jumlah sudu, tekanan uap, dan kecepatan putar, dapat disimpulkan bahwa performa turbin uap sangat dipengaruhi oleh keseimbangan ketiga parameter tersebut. Dengan jumlah blade (sudu) dari 5 menjadi 7, dan kemudian ke 9, secara konsisten meningkatkan daya, efisiensi, dan torsi yang dihasilkan. Hal ini karena semakin banyak sudu yang digunakan, semakin besar luas permukaan interaksi dengan uap, sehingga lebih banyak energi kinetik yang bisa diubah menjadi energi mekanik. Pada konfigurasi 9 sudu, turbin menghasilkan daya maksimum sekitar 1,46 watt, efisiensi tertinggi mencapai 53%, dan torsi maksimum sekitar 0,024 Nm.

Selain jumlah sudu, tekanan uap juga memainkan peran penting. Tekanan tertinggi yang digunakan dalam pengujian, yaitu 60 psi, terbukti menghasilkan nilai tertinggi untuk semua parameter kinerja turbin. Tekanan yang lebih tinggi membawa lebih banyak energi, namun tetap membutuhkan kecepatan putar yang sesuai agar energi tersebut bisa ditransfer secara efektif ke turbin. Kecepatan putar juga memiliki pengaruh signifikan. Masing-masing konfigurasi jumlah sudu memiliki kecepatan optimal di mana daya, efisiensi, dan torsi mencapai titik maksimum. Misalnya, pada sudu 5 titik optimal terjadi di sekitar 430 rpm, pada sudu 7 di sekitar 540 rpm, dan pada sudu 9 di sekitar 580–590 rpm. Melebihi titik kecepatan ini justru menyebabkan penurunan kinerja, bahkan efisiensi bisa turun hingga 0% karena energi uap tidak dapat dimanfaatkan secara maksimal.

Daya dihasilkan dari torsi dikalikan dengan kecepatan putar, efisiensi mencerminkan seberapa efektif energi uap diubah menjadi energi mekanik, dan torsi menunjukkan kemampuan turbin menghasilkan gaya puntir. Untuk menghasilkan performa optimal, tidak cukup hanya menaikkan salah satu faktor seperti tekanan atau jumlah sudu; seluruh sistem harus diatur dengan seimbang. Oleh karena itu, konfigurasi terbaik untuk turbin uap skala kecil adalah penggunaan 9 sudu, tekanan uap 60 psi, dan kecepatan putar sekitar 580–590 rpm. Kombinasi ini menghasilkan daya, efisiensi, dan torsi tertinggi secara bersamaan, menjadikannya pilihan paling ideal untuk mencapai performa maksimal turbin.

Dengan penuh hormat, penulis menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada keluarga tercinta atas doa, semangat, dan dukungan emosional yang terus mengalir selama proses ini. Penghargaan juga diberikan kepada Universitas Muhammadiyah Sidoarjo, khususnya Program Studi Teknik Mesin, atas kesempatan, fasilitas, dan dukungan yang diberikan selama pelaksanaan penelitian ini.

Ucapan terima kasih yang mendalam disampaikan kepada Dr. A’rasy Fahruddin, S.T., M.T., selaku dosen pembimbing, atas segala bimbingan, saran, serta arahan yang sangat berarti dalam proses penelitian dan penulisan artikel ini.Penulis juga mengapresiasi bantuan dari staf Laboratorium Teknik Mesin yang telah memberikan dukungan teknis dalam pengoperasian peralatan seperti tachometer dan flowmeter, serta dalam penyediaan alat-alat eksperimen yang diperlukan, yang sangat membantu kelancaran pelaksanaan penelitian.

Tidak lupa, penulis mengucapkan terima kasih kepada rekan-rekan mahasiswa dan teman-teman atas dukungan moral serta saran yang diberikan selama proses penyusunan penelitian ini. Penulis berharap hasil penelitian ini dapat memberikan kontribusi nyata terhadap pengembangan ilmu di bidang turbin uap bertingkat kedua, khususnya dalam peningkatan efisiensi dan mendukung upaya global dalam pengembangan teknologi berkelanjutan.