Analisis Variasi Sudut Sudu-sudu Turbin Impuls terhadap Daya Mekanis Turbin pada Pembangkit Tenaga Uap PKS Kapasitas 30 ton TBS/jam

TUGAS SKRIPSI

SISTEM PEMBANGKIT TENAGA

ANALISIS VARIASI SUDUT SUDU-SUDU TURBIN IMPULS TERHADAP DAYA MEKANIS TURBIN SEBAGAI PEMBANGKIT TENAGA UAP PADA PKS

KAPASITAS 30 TON TBS/JAM

OLEH

ISKANDAR PERANGIN ANGIN 0 4 0 4 0 1 0 3 0

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA FAKULTAS TEKNIK

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN MEDAN

TUGAS SKRIPSI

SISTEM PEMBANGKIT TENAGA

ANALISIS VARIASI SUDUT SUDU-SUDU TURBIN IMPULS TERHADAP DAYA MEKANIS TURBIN PADA PEMBANGKIT TENAGA UAP PKS KAPASITAS 30

TON TBS/JAM

Oleh :

ISKANDAR PERANGIN ANGIN 040401030

Diketahui/Disyahkan : Disetujui oleh :

Departemen Teknik Mesin Dosen Pembimbing

Fakultas Teknik USU Ketua,

DR. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri

NIP. 132 018 668 NIP. 130353113

ANALISIS VARIASI SUDUT SUDU-SUDU TURBIN IMPULS

TERHADAP DAYA MEKANIS TURBIN SEBAGAI PEMBANGKIT

TENAGA UAP PADA PKS KAPASITAS 30 TON TBS/JAM

ISKANDAR PERANGIN ANGIN NIM. 040401030

Telah Disetujui dari Hasil Seminar Skripsi Periode ke-546, pada tanggal 8 Agustus 2009

Pembanding I Pembanding II

Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc.

NIP. 132018668 NIP. 132018668

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN AGENDA : 847 / TS / 2008

FAKULTAS TEKNIK USU DITERIMA TGL:

M E D A N PARAF :

TUGAS SKRIPSI

NAMA : ISKANDAR PERANGIN ANGIN

N I M : 040401030

MATA PELAJARAN : SISTEM PEMBANGKIT TENAGA

SPESIFIKASI : Analisis dan simulasi untuk mendapatkan sudut-sudut turbin pada PKS kapasitas 30 ton/jam

Analisis meliputi :

- Perhitungan manual dari kondisi yang ada

- Pemrograman simulasi untuk memperoleh optimasi - Menggunakan data-data awal dari hasil survey.

DIBERIKAN TANGGAL : 02 / 02 / 2009 SELESAI TANGGAL : 22 / 07/ 2009

MEDAN, 02 FEBRUARI 2009

KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DOSEN PEMBIMBING,

DR.ING.IR IKHWANSYAH ISRANURI

NIP. 132018668 NIP. 130353113

KARTU BIMBINGAN No : 847 / TS / 2008 TUGAS SKRIPSI MAHASISWA Sub. Program studi : Mesin Konversi Energi

Bidang Tugas : Sistem Pembangkit Tenaga.

Judul Tugas Skripsi : Analisis Variasi Sudut Sudu-Sudu Turbin Impuls Terhadap Daya

Mekanis Turbin Sebagai Pembangkit Tenaga Uap Pada PKS Kapasitas 30 Ton TBS/Jam

Diberikan Tanggal : 02 Februari 2009 Selesai Tanggal : 22 Juli 2009

Dosen Pembimbing : Ir. Zamanhuri,MT Nama Mahasiswa : Iskandar Perangin Angin

NIM : 04 0401 030

NO Tanggal Kegiatan Asistensi Bimbingan Tanda Tangan Dosen

1 02-02-2009 Pemberian tugas dan diskusi ide mengenai gambaran umum tugas skripsi

2 10-02-2009 Studi literatur mesin pengangkat & mekanika kekuatan bahan

3 25-02-2009 Survey data penelitian di PKS PTPN IV

4 03-03-2009 Diskusi hasil Pengambilan Data 5 17-03-2009 Penentuan Spesifikasi Tugas dan

Bahan Kajian 3 26-03-2009 Asistensi BAB I 6 30-03-2009 Asistensi BAB II

7 03-04-2009 Perhitungan manual dari data-data yang diperoleh

8 17-04-2009 Analisis prinsip impuls pada turbin 9 15-05-2009 Analisis variasi sudut uap masuk

terhadap gaya, daya dan efisiensi turbin

10 30-05-2009 Analisis dan simulasi dengan bantuan program computer Matlab

11 14-06-2009 Asistensi hasil analisis dengan program Matlab

12 18-07-2009 Acc dan siap diseminarkan

CATATAN : Diketahui,

1. Kartu ini harus diperlihatkan kepada dosen Ketua Departemen Teknik Mesin pembimbing setiap asistensi. F.T U.S.U

2. Kartu ini harus dijaga bersih dan rapi. 3. Kartu ini harus dikembalikan kejurusan,

bila kegiatan asistensi telah selesai,

DR. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri NIP. 132 018 668

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Allah SWT yang atas nikmat dan karunia yang dilimpahkannya sehingga penulis mampu menyelesikan tugas skripsi ini.

Tugas skripsi ini merupakan salah satu syarat yang harus dipenuhi mahasiswa guna menyelesaikan pendidikan dan mendapatkan gelar Sarjana Teknik di Fakultas Teknik, Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara. Oleh karena itu penulis sebagai mahasiswa yang akan menyelesaikan pendidikannya turut melaksanakan skripsi ini.

Adapun dalam skripsi ini, penulis mengambil topik pembahasan tentang Analisis Variasi Sudut Sudu-sudu Turbin Impuls terhadap Daya Mekanis Turbin pada Pembangkit Tenaga Uap PKS Kapasitas 30 ton TBS/ jam.

Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Bapak Ir. Zamanhuri, MT sebagai dosen pembimbing yang telah banyak meluangkan waktu untuk memberikan bimbingan dan pengajaran dari awal hingga selesainya skripsi ini.

2. Bapak DR.ING.Ir Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Tulus Burhanuddin ST. MT sebagai ketua jurusan dan sekretaris jurusan Departemen Teknik Mesin USU.

3. Para dosen dan staf pengajar Departemen Teknik Mesin USU yang selama ini telah memberikan dan mengajarkan ilmu-ilmu keteknik-mesinan.

4. Kedua orang tua yang tercinta M. S Perangin Angin dan R. Br Tarigan yang selalu memberikan motivasi dan doa dalam menyelesaikan skripsi ini.

5. Rekan-rekan mahasiswa Teknik Mesin yang senantiasa membantu dan memberikan masukan guna penyelesaian skripsi ini.

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih belum mencaoai kesempurnaan dan masih banyak kesilapan dan kekurangan-kekurangan. Untuk itu penulis mengharapkan masukan dan krietikan yang membangun untuk perbaikan selanjutnya. Kiranya skripsi ini bermanfaat bagi kita semua, khususnya mahasiswa Departemen Teknik Mesin FT USU.

Medan, 22 Juli 2009 Penulis,

040401030

DAFTAR ISI

Kata Pengantar ... i

Daftar Isi ... iii

Daftar Simbol ... vi

Daftar Gambar ... viii

Daftar Tabel .. ... xi

BAB I. PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Maksud Dan Tujuan ... 2

1.3 Batasan Masalah ... 3

1.4 Metode Penulisan ... 3

1.5 Sistematika Penulisan ... 4

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA ... 9

2.1 Pandangan Umum Tentang Turbin Uap Sebagai Pembangkit Tenaga. 9 2.2 Analisa Termodinamika ... 10

2.3 Komponen Instalasi Turbin Uap ……… 12

2.4 Klasifikasi Turbin Uap ... 17

2.5 Bagian-bagian Turbin ... 21

2.6 Kerugian Energi pada Turbin Uap ... 22

2.6.1 Kerugian Energi Kalor pada Katup Pengatur ... 23

2.6.2 Kerugian Energi Pada Nosel ... 24

2.6.4 Kerugian Energi Akibat Kecepatan Keluar ... 26

2.6.5 Kerugian Energi karena Gesekan Roda dan Ventilasi ... 26

2.6.6 Kerugian akibat Ruang Bebas ... 27

2.6.7 Kerugian Akibat Kebasahan Uap ... 28

2.6.8 Kerugian akibat Pemipaan Buang ... 28

2.6.9 Kerugian Mekanis ... 29

2.6.10 Efisiensi dalam Turbin ... 30

BAB III. PRINSIP DAN PERHITUNGAN TURBIN IMPULS SERTA ANALISIS ALIRAN UAP MELALUI SUDU ... 31

3.1 Dasar Teori Impuls ... 31

3.1.1 Prinsip Impuls dan Momentum ... 31

3.2 Asas Impuls Pada Turbin ... 33

3.3 Prinsip Turbin Impuls ... 34

3.4 Perubahan Energi Thermal Menjadi Energi Kinetis ... 36

3.5 Transformasi Energi Pada Sudu ... 38

3.6 Analisis Kecepatan Aliran Uap ... 40

3.7 Gaya Tangensial Turbin ... 43

3.8 Daya Mekanis yang dihasilkan Turbin ... 44

3.9 Efisiensi Turbin Impuls ... 46

BAB IV. ANALISIS VARIASI SUDUT SUDU-SUDU IMPULS TERHADAP ENERGI MEKANIS TURBIN ... 41

4.1 Prinsip Aksi Aliran Uap Melalui Sudu ... 41

4.3 Perhitunan Data Survey ... 47

4.3.1 Data hasil Survey Studi ... 47

4.3.2 Perhitungan Data ... 49

4.4 Perhitungan Kerja Turbin Berdasarkan Prinsip Aksi Uap ... 52

4.5 Hubungan Variasi α 1 terhadap Fu dan Pu 4.6 Hubungan u/c dengan besar sudut ... 55

1 α dan pengaruhnya terhadap Efisiensi Turbin ... 58

4.7 Menentukan Sudut α₁ Optimal ... 59

4.8 Analisis Dan Simulasi Dengan Bantuan Softwere Komputer ... 61

4.8.1 Menghitung Gaya Tangensial dan Daya Mekanis Turbin dengan softwere MATLAB ... 63

4.8.2 Analisis Variasi sudut terhadap Fu dan Pu 4.8.3 Pengaruh Sudut dan Koefisien Kecepatan Terhadap Effisiensi .... 71

... 67

4.9 Perbandingan Hasil Perhitungan Manual Dengan Simulasi ………. 75

BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN... 77

5.1 Kesimpulan ... 77

5.2 Saran ... 77

DAFTAR SIMBOL

Simbol Arti Satuan

A Luas penampang turbin m

b Lebar sudu turbin m

2

c1 c

Kecepatan uap mutlak masuk sudu m/s 2

c

Kecepatan uap mutlak keluar sudu m/s it

d Diameter turbin m

Kecepatan uap teoritis m/s

F Gaya impuls N

Fu

g Percepatan gravitasi bumi m/s

Gaya tangensial turbin N

h Entalphy uap kJ/kg

2

Mt

m Massa uap kg

Momen torsi Nm



m Laju aliran massa uap kg/s

n Jumlah putaran turbin rpm

P Momentum kg.m/s

Pu P

Daya/ energi mekanis turbin kWatt 0

P

Tekanan uap masuk turbin bar 2

t Jarak bagi sudu m

Tekanan uap bekas turbin bar

u Kecepatan tangensial turbin m/s

v Spesific volume m3

w

/kg

w2

x Kualitas uap --

Kecepatan relatif uap keluar sudu gerak m/s

z Jumlah sudu buah

1

α Sudut masuk uap ke turbin derajat

2

α Sudut keluar sudu derajat

1

β Sudut masuk sudu derajat

2

β Sudut keluar uap derajat

ε Pemasukan uap parsial --

u

η Effisiensi turbin %

ϕ Koefisien gesek pada nosel --

ψ ω

Kerugian pada sudu-sudu --

DAFTAR GAMBAR

GAMBAR NAMA GAMBAR

Gambar 2.1 Mesin uap buatan Hero Gambar 2.2 Mesin uap buatan Branca Gambar 2.3 Turbin impuls sederhana Gambar 2.4 Diagram alir Siklus Rankine Gambar 2.5 Diagram T-s Siklus Rankine Gambar 2.6 Pompa

Gambar 2.7 Boiler pipa air Gambar 2.8 Turbin

Gambar 2.9 Kondensor

Gambar 2.10 Penampang Turbin Aksi Gambar 2.11 Penampang Turbin Reaksi

Gambar 2.12 Perbedaan skema aliran uap antara Turbin Aksi dan Reaksi Gambar 2.13 Bagian-bagian turbin

Gambar 2.14 Grafik untuk Menentukan Koefisien ϕ sebagai Fungsi Tinggi Nosel.

Gambar 2.15 Grafik untuk menentukan koefisien ψ berdasarkan tinggi sudu-gerak untuk turbin impuls

Gambar 2.16 Efisiensi Mekanis Turbin Uap Gambar 2.17 Efisiensi Generator

Gambar 2.18 Efisiensi Efektif

Gambar 3.2. Impuls pada penampang vertikal dan melengkung Gambar 3.3. Sudu Turbin simetris

Gambar 3.4. Aliran uap pada nosel Gambar 3.5. Saluran uap pada nosel

Gambar 3.6. Skema aliran uap pada sudu gerak

Gambar 3.7. Skema arah kecepatan uap pada sudu gerak Gambar 3.8 Konstruksi turbin uap impuls satu tahap Gambar 4.1 Semburan uap dari nosel

Gambar 4.2 Prinsip aksi uap pada berbagai bentuk benda Gambar 4.3 Arah aliran uap melalui sudu turbin

Gambar 4.4 Impuls uap pada sudu

Gambar 4.6 Grafik pengaruh perubahan sudut terhadap gaya tangensial Gambar 4.7 Grafik pengaruh perubahan sudut terhadap Daya mekanis

turbin

Gambar 4.8 Grafik variasiη_u sebagai fungsi u/c Gambar 4.9 Grafik nilai (u/c

1

1 Gambar 4.10 Layar tampilan Matlab

) optimum terhadap effisiensi

Gambar 4.11 Layar kerja Matlab Gambar 4.12 Aliran uap melalui sudu Gambar 4.13 Instruksi kerja Matlab Gambar 4.14 Hasil instruksi kerja Matlab

Gambar 4.15 Grafik hubungan sudut dengan Gaya tangensial turbin Gambar 4.16 Grafik hubungan sudut dengan daya mekanis turbin

Gambar 4.17 Grafik hubungan nilai (u/c1

Gambar 4.18 Grafik effisiensi sebagai fungsi u/c

) optimum terhadap effisiensi maksimum

Gambar 4.19 Grafik effisiensi dengan sudut uap masuk sudu

Gambar 4.20 Grafik hubungan sudut dengan daya dan efisiensi turbin Gambar 4.21 Grafik perbandingan hasil perhitungan manual dengan simulasi

Gambar 5.1 Grafik sudutα 1 Gambar 5.2 Grafik sudut

terhadap gaya tangensial turbin α 1

Gambar 5.3 Grafik effisiensi sebagai fungsi u/c

terhadap daya mekanis turbin

Gambar 5.4 Grafik effisiensi vs u/c optimum

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Pengaruh variasi sudut terhadap Gaya dan Daya turbin Table 4.2 Pengaruh (u/c1

Tabel 4.3 Pengaruh variasi sudut terhadap Gaya tangensial turbin ) terhadap Effisiensi turbin

Tabel 4.4 Pengaruh variasi sudut terhadap Daya mekanis turbin Table 4.5 Pengaruh (u/c1

Tabel 4.6 Pengaruh variasi sudut terhadap Daya dan Effisiensi Turbin ) terhadap Effisiensi turbin

Tabel 4.6 Perbandinganhasil perhitungan manual dengan simulasi

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pembangkit tenaga uap merupakan suatu sistem yang dirancang untuk memanfatkan energi potensial uap sebagai penghasil tenaga untuk membangkitkan suatu generator. Jika suatu pembangkit tenaga (power plant) menggunakan turbin sebagai alat untuk mentransmisikan energi yang dikandung

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Pengaruh variasi sudut terhadap Gaya dan Daya turbin Table 4.2 Pengaruh (u/c1

Tabel 4.3 Pengaruh variasi sudut terhadap Gaya tangensial turbin ) terhadap Effisiensi turbin

Tabel 4.4 Pengaruh variasi sudut terhadap Daya mekanis turbin Table 4.5 Pengaruh (u/c1

Tabel 4.6 Pengaruh variasi sudut terhadap Daya dan Effisiensi Turbin ) terhadap Effisiensi turbin

Tabel 4.6 Perbandinganhasil perhitungan manual dengan simulasi

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pembangkit tenaga uap merupakan suatu sistem yang dirancang untuk memanfatkan energi potensial uap sebagai penghasil tenaga untuk membangkitkan suatu generator. Jika suatu pembangkit tenaga (power plant) menggunakan turbin sebagai alat untuk mentransmisikan energi yang dikandung

uap menjadi tenaga yang akan memutar generator, maka pembangkit tersebut lebih umum dikenal dengan turbin uap.

Dalam hal ini turbin memiliki peran yang sangat penting guna memperoleh daya sedemikian rupa sesuai dengan yang dibutuhkan. Untuk memperoleh hasil yang optimal maka efektifitas dan efisiensi menjadi hal yang utama dalam pengoperasian tersebut. Selain efektifitas dan efisiensi dalam operasi, hal yang penting juga untuk diperhatikan adalah efisiensi dan efektifitas dari komponen-komponen Instalasi turbin uap itu sendiri, artinya dalam merancang instalasinya harus menggunakan komponen yang paling efektif dan efisien.

Dalam instalasi turbin uap, turbin memiliki peranan yang paling besar guna memperoleh hasil yang dibutuhkan. Seperti yang dipaparkan sebelumnya bahwa turbin ialah alat yang digunakan untuk mentransmisikan daya uap menjadi daya putaran poros untuk memutar generator. Untuk itu pemilihan jenis turbin yang tepat adalah satu hal yang mutlak harus dipenuhi.

Bagian dari turbin yang berperan penting dalam hal ini adalah sudu turbin. Sudu tersebut sebagai saluran tempat laluan uap yang mengalir. Memposisikan sudu secara tepat akan mampu mendayagunakan uap secara efisien untuk menghasilkan daya turbin. Artinya posisi atau arah sudu tersebut akan menentukan besar kecilnya daya yang akan ditransmisikan ke poros turbin. Jadi daya yang di transmisikan ke poros turbin dapat diatur sedemikian rupa dengan menentukan arah uap masuk sudu dan posisi sudu yang menerima semburan uap.

1.2 Maksud Dan Tujuan

Maksud dan tujuan dari penulisan skripsi ini adalah untuk mendapatkan sudut sudu-sudu turbin yang paling optimal guna memperoleh daya mekanis turbin yang paling baik dan juga nilai efisiensi yang paling maksimal.

1.3 Batasan Masalah

Agar skripsi ini lebih terukur dan terarah, maka suatu hal yang penting untuk merumuskan batasan masalah yang akan dibahas ke depan. Seperti yang dipaparkan sebelumnya bahwa yang menjadi tujuan dari penulisan skripsi ini adalah untuk menganalisis sudut sudu-sudu turbin yang paling optimal guna menghasilkan daya yang paling maksimal. Untuk itu diperlukan analisis yang baik dan tepat. Di samping itu juga harus mudah untuk dipahami, sehingga tidak terlalu susah dimengerti orang lain. Dengan demikian transpormasi nilai yang disampaikan dapat terserap dengan baik. Untuk itu dipilih jenis turbin impuls untuk dianalisis pada skripsi inidengan memvariasikan berbegai besar sudut sudu turbin tersebut.

Jadi dari jenis turbin yang dianalisa dan juga merujuk kepada tujuan penulisan skripsi ini maka ada beberapa batasan masalah yang menjadi pokok pembahasan dalam skripsi ini, yaitu :

• Prinsip turbin uap impuls

• Prinsip dan analisis aliran uap melalui sudu turbin

• Analisis sudut sudu-sudu turbin yang paling optimal untuk memperoleh daya putaran poros yang maksimal

Dasar pemilihan turbin impuls menjadi objek pembahasan skripsi ini adalah karena gaya yang diperoleh sudu pada turbin impuls lebih besar karena

dorongan/ impuls uap yang diterima sudu lebih maksimal. Konstruksi turbin impuls juga lebih sederhana sehingga lebih memudahkan dalam proses analisis dan simulasi turbin.

1.4 Metode Penulisan

Dalam melakukan analisis variasi sudut sudu-sudu turbin impuls ini dipakai tiga metode dasar penyelesaian, yaitu:

1. Survey Lapangan

. Disini dilakukan peninjauan langsung pada PT.Pamina Adolina Jl Medan - Tebing Tinggi Km 37 Perbaungan 20586, Kab. Serdang Bedagai – Sumatera Utara, yang menggunakan turbin uap sebagai pembangkit tenaga dan penggerak mula pada operasional pabrik. Pada tahapan ini akan didapatkan data-data yang berhubungan untuk dianalisa dan dikomparasi dengan dasar teorinya.

2. Studi Literatur

Berupa studi kepustakaan dan kajian dari buku – buku dan tulisan tulisan yang berhubungan dengan hal yang dibahas.

3. Diskusi

Berupa tanya jawab dan konsultasi dengan dosen pembimbing dan tukar pikiran dengan mahasiswa mengenai analisis yang dilakukan.

1. 5 Sistematika Penulisan

1. BAB I : Pendahuluan, berisikan latar belakang, maksud dan tujuan, batasan masalah, metode penulisan dan sistematika penulisan.

2. BAB II : Tinjauan Pustaka, berisikan tentang teori- teori tentang bagan alir dan siklus turbin uap, komponen-komponen instalasi turbin uap, serta bagian-bagian dari turbin uap itu sendiri.

3. BAB III : Prinsip dasar dan analisis turbin impuls, berisikan azas dan teori turbin impuls, prinsip aliran uap, serta segi tiga kecepatan turbin uap.

4. BAB IV : Analisis variasi sudut sudu-sudu turbin, berisikan analisis dan komparasi dari beberapa sudut kelengkungan sudu turbin yang dibuat bervariasi.

5. BAB V : Kesimpulan dan Saran, berisikan secara garis besar hasil dari analisis variasi sudut sudu turbin terhadap efisiensi energi kinetik uap.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pandangan Umum Tentang Turbin Uap Sebagai Pembangkit Tenaga Turbin uap termasuk mesin pembangkit tenaga dimana hasil konversi energinya dimanfaatkan mesin lain untuk menghasilkan daya. Di dalam turbin terjadi perubahan dari energi potensial uap menjadi energi kinetik yang kemudian diubah lagi menjadi energi mekanik pada poros turbin, selanjutnya energi mekanik diubah menjadi energi listrik pada generator.

Turbin uap sudah sering digunakan sebagai penggerak mula pada PLTU, pompa, kompressor dan mesin-mesin lain. Jika dibandingkan dengan penggerak generator listrik yang lain, turbin uap mempunyai kelebihan antara lain adalah penggunaan panas yang lebih baik, pengontrolan putaran yang lebih mudah, dapat menghasilkan daya besar, serta investasi awal yang tidak begitu besar.

Ide turbin uap sudah lama diketahui yakni kira-kira sejak tahun 120 S.M. Hero di Alexandria membuat prototipe turbin yang pertama yang bekerja berdasarkan prinsip reaksi (lit.1, hal.3). Alat ini menjadi instalasi tenaga uap yang primitif, terdiri dari sumber kalor, bejana yang diisi dengan air, penampang berbentuk bola dengan pipa penyembur (nosel). Akibat kalor, air yang ada di dalam bejana dipanaskan dan diuapkan yang menghasilkan uap jenuh, mengalir melalui pipa-pipa vertikal (tegak lurus) dan pipa–pipa mendatar yang dimasukkan ke dalam penampang berbentuk bola tadi. Dengan kenaikan tekanan, uap yang ada di dalam penampang berbentuk bola itu dikeluarkan ke atmosfer melalui nosel. Semburan uap yang keluar dari nosel ini akan mengakibatkan terjadinya gaya

reaksi pada nosel itu sendiri dan memaksa bola itu berputar pada sumbu mendatarnya.

Gambar 2.1 Mesin uap buatan Hero

(Sumber

Keterangan :

1. Sumber kalor 2. Bejana air

3. Penampang berbentuk bola 4. Pipa vertikal

5. Nosel

6. Pipa mendatar

Beberapa abad kemudian, pada tahun 1629, giovanni Branca memberikan gambaran sebuah mesin yang dibuatnya (lit.1, hal.3), seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.2. Mesin itu terdiri dari ketel uap 1, yang tutupnya dibuat

berbentuk manusia, pipa panjang (nosel) 2, roda mendatar 3 dengan sudu-sudunya, poros 4 dan roda gigi transmisi 5 untuk menggerakkan kilang penumbuk 6. Uap yang dibangkitkan di dalam ketel sesudah diekspansikan pada nosel 2 memperoleh kecepatan yang tinggi. Semburan uap yang berkecepatan tinggi ini menubruk sudu-sudu roda 3 yang kemudian akan memutar roda ini. Kepesatan putar roda 3 ini dan momen putarnya pada poros 4 tergantung pada kecepatan dan jumlah aliran uap per satuan waktu. Mesin uap buatan Branca ini, dari prinsip aksinya adalah prototipe turbin impuls.

Gambar 2.2 Mesin uap buatan Branca

(Sumber

Keterangan :

1. Ketel Uap

2. Pipa panjang sebagai nosel 3. Roda mendatar dengan sudu-sudu 4. Poros roda mendatar

5. Roda gigi transmisi 6. Penumbuk

Kemajuan yang besar pada pengembangan dan konstruksi turbin uap dirasakan pada akhir abad ke-19. Pada tahun 1890, ahli teknik berkebangsaan Swedia, Gustaf de-Laval membuat sebuah turbin uap cakram tunggal dengan kapasitas 5 dk, dengan poros fleksibel dan cakram yang kekuatannya sama.

Gambar 2.3 Turbin impuls sederhana

Keterangan : 1. Poros 2. Cakram 3. Sudu-sudu 4. Nosel

Turbin uap cakram tunggal yang paling sederhana terdiri dari bagian-bagian utama yakni : nosel ekspansi, poros dan cakram dengan sudu-sudu yang dipasang pada pinggirannya. Pada turbin-turbin jenis ini, ekspansi uap diperoleh dari tekanan awalnya sampai ke tekanan akhirnya di dalam satu atau satu grup nosel yang diletakkan pada stetor turbin dan ditmpatkan di depan sudu-sudu cakram yang berputar. Penurunan tekanan uap di dalam nosel diikuti dengan penurunan kandungan kalornya (heat content). Penurunan kandungan kalor yang terjadi di dalam nosel ini selanjutnya akan menyababkan kenaikan kecepatan uap yang keluar dari nosel. Energi kecepatan semburan uap memberikan gaya impuls pada sudu-sudu dan melakukan kerja mekanis pada poros rotor turbin.

Turbin- turbin impuls satu-tingkat yang berukuran kecil dibuat dan masih sedang dikembangkan dengan kepesatan tinggi. Turbin jenis ini yang pertama dibuat oleh Gustaf de-Laval, beroperasi pada kepesatan 30.000 rpm, dan turbin tersebut dilengkapi dengan roda gigi reduksi untuk memindahkan momen putar ke mekanisme yang digerakkan, seperti generator listrik, danlain-lain.

2.2 Analisa Termodinamika

Turbin uap bersama-sama dengan ketel uap, pompa dan kondensor, dipadukan untuk membentuk suatu siklus daya uap atau siklus rankine. Siklus ini menggunakan fluida dalam dua fasa yaitu cairan dan uap. Secara ideal proses termodinamika yang terjadi pada siklus ini adalah penekanan isentropik, penambahan kalor secara isobar, ekspansi isentropik, dan pembuangan panas isobar.

Diagram alir siklus Rankine tersebut dapat dilihat sebagai berikut:

Gambar 2.5 Diagram T-s Siklus Rankine

Proses 1-2 : Penekanan isentropik dengan mempergunakan pompa. Proses 2-3 : Penambahan kalor pada tekanan konstan (isobar). Proses 3-4 : Proses ekspansi uap secara isentropik.

Proses 4-1 : Pembuangan kalor pada temperatur dan tekanan konstan.

Proses termodinamika dalam siklus ini (Gambar 2.4 dan 2.5) dapat diterangkan yaitu: air dipompakan masuk ke boiler hingga mencapai tekanan kerja boiler pada titik 2, kemudian di dalam boiler air dipanaskan hingga menjadi uap pada tekanan konstan terhadap fluida sehingga mencapai keadaan titik 3. Uap yang telah dihasilkan ini akan memutar steam turbine, di dalam steam turbine terjadi perubahan energi panas yang dibawa uap menjadi energi mekanik berupa putaran turbin uap. Pada tahap ini uap tersebut diekspansikan pada turbin sehingga mencapai titik 4. Setelah uap menggerakkan turbin uap akan masuk ke kondensor untuk didinginkan dan berubah fasa kembali menjadi air (titik 1) dan kemudian kembali dimasukkan kedalam boiler.

Dari proses yang terjadi pada siklus turbin uap tersebut maka besar kerja dan kalor dapat ditentukan pada masing-masing proses untuk tiap satuan massa sebagai berikut :

• Kerja Pompa WP = h2 – h

•

1

Penambahan Kalor pada Boiler Qin = h3 – h2

•

Kerja Turbin WT = h3 – h

•

4

Kalor yang dibuang pada Kondensor Qout = h4 – h1

• Efisiensi Thermal ηth =

in P T in net Q W W Q W − =

(

) (

)

(

3 2

)

1 2 4 3 h h h h h h −− − − =

Untuk memaksimumkan efisiensi siklus, temperatur yang diberikan harus mencapai setinggi mungkin sedangkan panas yang dibuamh harus pada temperatur yang serendah-rendahnya. Tekanan boiler yang tinggi akan menaikkan temperatur penguapan, sehingga menaikkan efisiensi siklus.

2.3 Komponen Instalasi Tenaga Uap 1. Pompa

Pompa adalah suatu alat yang digunakan untuk memindahkan suatu cairan dari suatu tempat ke tempat lain dengan cara menaikkan tekanan cairan tersebut. Kenaikan tekanan cairan tersebut digunakan untuk mengatasi hambatan-hambatan pengaliran. Hambatan-hambatan pengaliran itu dapat berupa perbedaan tekanan, perbedaan ketinggian atau hambatan gesek. Zat cair tersebut contohnya adalah air, oli atau minyak pelumas, serta fluida lainnya yang tak mampu mampat. Industri-industri banyak menggunakan pompa sebagai salah satu peralatan bantu yang penting untuk proses produksi. Sebagai contoh pada pembangkit listrik tenaga uap, pompa digunakan untuk menyuplai air umpan ke boiler atau membantu sirkulasi air yang akan diuapkan di boiler.

Gambar 2.6 Pompa

(Sumber

Pompa juga merupakan alat mesin konversi energi, tetapi mesin ini banyak diaplikasikan sebagai alat bantu proses konversi. Sebagai contoh pompa banyak dipakai sebagai alat sirkulasi air pada instalasi pembangkit tenaga uap. Pompa bekerja dengan penggerak dari luar. Jadi mesin ini adalah pengguna energi.

Secara umum pompa dapat diklasifikasikan menjadi 2 bagian yaitu pompa kerja positif (positive displacement pump) dan pompa kerja dinamis (non positive displacement pump).

Pada pompa kerja positif kenaikan tekanan cairan di dalam pompa disebabkan oleh pengecilan volume ruangan yang ditempati cairan tersebut. Adanya elemen yang bergerak dalam ruangan tersebut menyebabkan volume ruangan akan membesar atau mengecil sesuai dengan gerakan elemen tersebut. Secara umum pompa kerja positif diklasifikasikan menjadi Pompa Reciprocating dan

Pada pompa kerja dinamis energi penggerak dari luar diberikan kepada poros yang kemudian digunakan untuk menggerakkan baling-baling yang disebut impeler. Impeler memutar cairan yang masuk ke dalam pompa sehingga mengakibatkan energi tekanan dan energi kinetik cairan bertambah. Cairan akan terlempar ke luar akibat gaya sentrifugal yang ditimbulkan gerakan impeler. Yang termasuk jenis pompa ini adalah pompa sentrifugal

2. Boiler

Boiler sering juga disebut ketel uap, yaitu suatu komponen yang berfungsi sebagai tempat untuk menghasilkan uap, energi kinetiknya digunakan untuk memutar turbin. Uap yang dihasilkan mempunyai suhu dan tekanan tertentu sedemikian rupa hingga dapat beroperasi seefesien mungkin.

Gambar 2.7 Boiler pipa air

(Sumber

Energi kalor yang dibangkitkan dalam sistem boiler memiliki nilai tekanan, temperatur, dan laju aliran yang menentukan pemanfaatan steam yang akan digunakan. Berdasarkan ketiga hal tersebut sistem boiler mengenal keadaan tekanan-temperatur rendah (low pressure/LP), dan tekanan-temperatur tinggi (high pressure/HP), dengan perbedaan itu pemanfaatan steam yang keluar dari sistem boiler dimanfaatkan dalam suatu proses untuk memanasakan cairan dan menjalankan suatu mesin, atau membangkitkan energi listrik dengan merubah energi kalor menjadi energi mekanik kemudian memutar generator sehingga menghasilkan energi listrik (power boilers). Namun, ada juga yang menggabungkan kedua sistem boiler tersebut, yang memanfaatkan tekanan-temperatur tinggi untuk membangkitkan

energi listrik, kemudian sisa steam dari turbin dengan keadaan tekanan-temperatur rendah dapat dimanfaatkan ke dalam proses industri dengan bantuan

Sistem boiler terdiri dari sistem air umpan, sistem

heat recovery boiler.

steam, dan sistem bahan bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam. Berbagai kran disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan dari sistem air umpan, penanganan air umpan diperlukan sebagai bentuk pemeliharaan untuk mencegah terjadi kerusakan dari sistem steam. Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler. Steam dialirkan melalui sistem pemipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan steam

Secara umum boiler dibagi kedalam dua jenis yaitu : boiler pipa api (Fire tube boiler) dan boiler pipa air (water tube boiler). Pada boiler pipa api proses pengapian terjadi didalam pipa, kemudian panas yang dihasilkan dihantarkan langsung kedalam boiler yang berisi air. Besar dan konstruksi boiler mempengaruhi kapasitas dan tekanan yang dihasilkan boiler tersebut. Sedangkan pada bioler pipa air proses pengapian terjadi diluar pipa, kemudian panas yang dihasilkan memanaskan pipa yang berisi air dan sebelumnya air tersebut dikondisikan terlebih dahulu melalui economizer, kemudian

diatur menggunakan kran dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua perlatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan. Peralatan yang diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan pada sistem.

steam yang dihasilkan terlebih dahulu dikumpulkan di dalam sebuah steam-drum. Sampai tekanan dan temperatur sesuai, melalui tahap secondary superheater dan primary superheater baru steam dilepaskan ke pipa utama distribusi. Didalam pipa air, air yang mengalir harus dikondisikan terhadap mineral atau kandungan lainnya yang larut di dalam air tesebut. Hal ini merupakan faktor utama yang harus diperhatikan terhadap tipe ini.

3. Turbin

Turbin merupakan mesin penggerak, di mana energi fluida kerja dipergunakan langsung untuk memutarnya. Dengan adanya energi kinetis uap yang digunakan langsung untuk memutar turbin, maka dapat dikatakan juga disini, bahwa kemajuan teknologi turbin banyak dipengaruhi oleh kondisi uap yang dihasilkan. Tujuan yang ingin dicapai oleh teknologi turbin adalah mengambil manfaat sebesar-besarnya dari energi fluida kerja yang tersedia, mengubahnya menjadi energi mekanis dengan efesiensi maksimum.

Gambar 2.8 Turbin

(Sumber

4. Kondensor

Kondensor merupakan alat penukar kalor yang berfungsi untuk mengkondensasikan uap keluaran turbin. Uap setelah memutar turbin langsung mengalir menuju kondensor untuk dirobah menjadi air (dikondensasikan), hal ini terjadi karena uap bersentuhan langsung dengan pipa-pipa (tubes) yang didalamnya dialiri oleh air pendingin. Oleh karena kondensor merupakan salah satu komponen utama yang sangat penting, maka kemampuan kondensor dalam mengkondensasikan uap keluaran turbin harus benar–benar diperhatikan, sehingga perpindahan panas antara fluida pendingin dengan uap keluaran turbin dapat maksimal dan pengkondensasian terjadi dengan baik.

Kondensor terdiri dari tube-tube kecil yang melintang. Pada tube-tube inilah air pendingin dari laut dialirkan. Sedangkan uap mengalir dari atas menuju ke bawah agar mengalami kondensasi atau pengembunan. Sebelum masuk kedalam kondensor, air laut biasanya melewati debris filter yang berfungsi untuk menyaring kotoran-kotoran ataupun lumpur yang terbawa air laut.

Agar uap dapat bergerak turun dengan lancar dari sudu terakhir Turbin, maka vakum kondensor harus dijaga, karena dengan ada vakum pada kondensor akan membuat tekanan udara pada kondensor menjadi rendah. Dengan tekanan yang lebih rendah di kondensor, maka uap akan bisa bergerak dengan mudah menuju kondensor.

Gambar 2.9 Kondensor

(Sumber

2.4. Klasifikasi Turbin Uap

Ada beberapa cara untuk mengklasifikasikan turbin uap, yaitu: 1. Berdasarkan arah aliran uapnya

a) Turbin aksial, yaitu turbin dengan arah aliran uap sejajar dengan sumbu poros. b) Turbin radial, yaitu turbin dengan arah aliran uap tegak lurus terhadap sumbu poros.

2. Berdasarkan tekanan uap yang digunakan untuk menggerakkan roda jalan turbin melalui sudu, maka turbin uap dibagi menjadi :

a) Turbin aksi (impuls), yaitu turbin yang perputaran sudu-sudu geraknya karena dorongan dari uap yang telah dinaikkan kecepatannya oleh nosel. Turbin Impuls, disebut juga turbin aksi atau turbin tekanan tetap, dimana uap mengalami ekspansi hanya pada nosel atau sudu-sudu tetap saja, sehingga tekanan uap sebelum dan sesudah sudu adalah tetap.

Gambar 2.10 Penampang Turbin Aksi

b) Turbin reaksi, yaitu turbin yang perputaran sudu-sudu geraknya karena gaya -sudu itu sendiri terhadap aliran uap yang melewatinya. Pada turbin ini proses ekspansi dari fluida kerjanya terjadi di dalam baris sudu-sudu tetap maupun sudu-sudu geraknya, sehingga tekanan uap sesudah keluar dari tiap tingkat sudu lebih rendah dari sebelumnya.

Gambar 2.12 Perbedaan skema aliran uap antara Turbin Aksi dan Reaksi

(Sumber

3. Berdasarkan kondisi uap yang meninggalkannya

a) Turbin tekanan lawan (back pressure turbine), yaitu turbin yang tekanan uap bekasnya berada di atas tekanan atmosfir dan digunakan untuk keperluan proses. b) Turbin kondensasi langsung, yaitu turbin yang uap bekasnya dikondensasikan

langsung dalam kondensor untuk mendapatkan air kondensor pengisian ketel.

c) Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan, yaitu turbin yang sebagian uap bekasnya dicerat (diekstraksi) dan sebagian lagi digunakan untuk keperluan proses.

d) Turbin ekstraksi dengan kondensasi, yaitu turbin yang sebagian uap bekasnya di cerat (diekstraksi) sebagian lagi dikondensasikan dalam kondensor untuk mendapatkan air kondensat pengisian ketel.

e) Turbin non kondensasi dengan aliran langsung, yaitu turbin yang uap bekasnya langsung dibuang ke udara.

f) Turbin non kondensasi dengan ekstraksi, yaitu turbin yang sebagian uap bekasnya dicerat (diekstraksi) dan sebagian lagi dibuang ke udara.

4. Berdasarkan tekanan uapnya

a) Turbin tekanan rendah, yaitu turbin dengan tekanan uap masuk hingga 2 ata. b) Turbin tekanan menengah, yaitu turbin dengan tekanan uap masuk hingga 40 ata. c) Turbin tekanan tinggi, yaitu turbin dengan tekanan uap masuk hingga diatas 40 ata. d) Turbin tekanan sangat tinggi, yaitu turbin dengan tekanan uap masuk di atas 170 ata. e) Turbin tekanan super kritis, yaitu turbin dengan tekanan uap masuk di atas 225 ata.

2. 5. Bagian-bagian Turbin

Turbin sebagai salah satu komponen dalam instalasi tenaga uap memiliki fungsi yang sangat penting guna menghasilkan daya yang akan ditransmisikan ke generator nantinya. Untuk itu, turbin juga memiliki beberapa komponen atau bagian-bagian yang dibuat sedemikian rupa guna mencapai tujuan yang dimaksudkan. Komponen atau bagian-bagian dari turbin tersebut dapat dilihat pada gambar 2.13 berikut.

Gambar 2.13 Bagian-bagian turbin

1. Nosel (pipa pancar)

Nosel ialah sebuah peralatan untuk mangubah energi potensial uap menjadi energi kinetis dengan jalan mengembangkan (mengekspansi) uap dari tekanan tinggi ke tekanan yang lebih rendah dalam sebuah turbin. Nosel sering juga digantikan dengan sudu pengarah karena fungsinya adalah mengarahkan aliran uap yang masuk turbin.

2. Sudu Tetap

Disebut sudu tetap karena keberadaannya yang memang diam (tidak bergerak). Fungsi sudu ini adalah untuk mengarahkan uap yang keluar dari ketel ke sudu gerak.

3. Sudu Gerak

Sudu turbin disebut juga sudu jalan atau sudu gerak, dimana sudu tersebut dipasamg melingkar melalui rotor sumbu roda turbin. Apabila uap masuk ke dalam sudu lalu menekan sidi-sidi tersebut hingga berputarlah rotor. Apabila rotor turbin berputar pada kecepatan tinggi terjadi gaya sentrifugal yang berusaha melepas sudu-sudu rotor dari kedudukdnnya.

Sudu-sudu merupakan bagian utama dari sebuah turbin, di dalam sudu-sudu daya kerja uap harus seekonomis mungkin diubah menjadi kerja keluar. Bentuk atau cara pembuatan sudu yang kurang baik dapat menimbulkan kerugian .

4. Rotor Turbin

Rotor merupakan alat untuk memindahkan kerja yang dihasilkan oleh uap pada sudu-sudu jalan ke poros mesin atau melalui transmisi reduksi roda gigi.

5. Rumah Turbin

Rumah turbin merupakan komponen yang berfungsi untuk membungkus atau menutupi konstruksi turbin uap yang telah selesai dibuat, dengan maksud agar terjaga dari pengaruh luar.

2.6. Kerugian Energi pada Turbin Uap

Pada saat pengoperasiannya turbin uap mengalami kehilangan atau kerugian energi yang dapat dikategorikan atas 2 jenis, yaitu:

• Kerugian dalam yaitu kerugian yang berkaitan dengan kondisi uap sewaktu uap tersebut melalui turbin (pada katup pengatur, nosel, sudu, kecepatan keluar, gesekan dengan cakram, pengadukan, ruang bebas, kebasahan, dan pemipaan buang ).

• Kerugian luar yaitu kerugian yang tidak mempengaruhi kondisi uap (kerugian mekanis, kebocoran uap melalui perapat labirin depan dan belakang)

2.6.1. Kerugian Energi Kalor pada Katup Pengatur

Kerugian energi pada katup pengatur adalah kerugian aliran uap melalui katup-katup penutup dan pengatur disertai oleh kerugian energi akibat adanya penurunan tekanan uap saat melewati katup pengatur. Jika tekanan uap ketel adalah (po), maka akan terjadi penurunan tekanan menjadi tekanan awal masuk turbin (po'

∆

). Untuk katup pengatur yang penuh, maka diperkirakan terjadi penurunan tekanan ( p) sebesar 3-5% dari tekanan uap ketel (Lit.1,hal.60).

∆p = po - p = (3-5)% p

o'

Untuk tujuan perancangan kerugian tekanan diambil sebesar 5% atau dapat dituliskan:

o

∆p= (0,05)p

Kerugian energi yang terjadi pada katup pengatur ditentukan dengan : o

∆H = Ho-Ho Dimana :

’ (kkal/kg)

Ho’= Penurunan kalor isentropis dengan memperhitungkan kerugian kalor pada katup pengatur keluar (kkal/kg).

2.6.2. Kerugian Energi Pada Nosel

Kerugian energi pada nosel disebabkan oleh adanya gesekan uap pada dinding nosel, turbulensi, dan lain-lain. Kerugian energi pada nosel ini dicakup oleh koefisien kecepan nosel

(φ) yang sangat tergantung pada tinggi nosel.

Kerugian energi kalor pada nosel dalam bentuk kalor :

(kkal/kg)

8378 c -c h 2 1 2 t 1

n = ..………..(Lit. 1, hal 25)

8378 c ). -1 ( 8378 c x -1 2 t 1 2 2 1 2 2 φ = φφ =

hn = (1-ϕ2).Ho dimana: c

’ (kkal/kg) 1t

c

= Kecepatan uap masuk teoritis (m/det) 1 = ϕ.c1t

h

= Kecepatan uap masuk mutlak (m/det) n

ϕ = Koefisien kecepatan atau angka kualitas nosel = Besar kerugian pada nosel

Untuk tujuan perancangan, nilai-nilai koefisien kecepatan nosel dapat diambil dari grafik yang ditunjukkan pada gambar dibawah ini:

Gambar 2.14 Grafik untuk Menentukan Koefisien ϕ sebagai Fungsi Tinggi Nosel. (Sumber Lit. 1. hal 61).

2.6.3. Kerugian Energi Kalor pada sudu-sudu Gerak

Kerugian energi pada sudu-sudu gerak disebabkan oleh beberapa faktor yaitu: kerugian akibat benturan, gesekan, kebocoran uap dan akibat pembelokan sudu.

Semua faktor ini disimbolkan sebagai koefisien kecepatan (angka kualitas) sudu-sudu )

ψ

( , dimana koefisien kecepatan ini mempunyai nilai lebih kecil dari satu.

Kerugian energi pada sudu-sudu menyebabkan penurunan kecepatan keluar nisbi ω2

lebih kecil dari kecepatan masuk nisbi ω1 (ω2 = ψ. ω1

g 2 -EK 2 2 2 1 ω ω = ∆

). Sebagai akibatnya akan terjadi penurunan energi kinetik sebesar:

(kg.m/kg)………(Lit. 1, hal. 34)

atau dikatakan terjadi kehilangan energi dalam sudu-sudu gerak sebesar:

hb

8378 - ₂2

2

1 ω

ω

=

hb

( )

2 1 2 x 8378 -1 ω ψ

= (kkal/kg) ………..(Lit. 1, hal 34)

Untuk pemakaian praktis, harga ψ dapat ditentukan dengan tinggi sudu-sudu gerak pada gambar di bawah ini.

Gambar 2.15 Grafik untuk menentukan koefisien ψ berdasarkan tinggi sudu-gerak . (Sumber Lit. 1. hal 62).

2.6.4. Kerugian Energi Akibat Kecepatan Keluar

Uap meninggalkan sisi keluar sudu gerak dengan kecepatan mutlak c2, sehingga kerugian energi kinetik akibat kecepatan uap c2

g 2 c22

untuk setiap satu kilogram uap dapat ditentukan yaitu: (kg.m/kg), jadi sama dengan kehilangan energi sebesar:

he

8378 c2₂

= (kkal/kg)

.

BAB III

PRINSIP DAN PERHITUNGAN TURBIN IMPULS

SERTA ANALISIS ALIRAN UAP MELALUI SUDU

3.1. Dasar Teori Impuls

3.1.1 Prinsip Impuls dan Momentum

Di dalam ilmu fisika ditunjukkan bahwa konsep usaha dan konsep energi tumbuh berdasarkan hukum-hukum gerak Newton. Impuls merupakan kosep yang mirip dengan konsep tersebut, yakni juga timbul berdasarkan hukum-hukum tersebut. Dalam ilmu mekanika impuls pada sutu benda terjadi akibat adanya perubahan momentum benda tersebut dalam selang waktu tertentu. Namun perlu diketahui bahwa impuls diartikan sebagai gaya yang bekerja pada benda dalam waktu yang sangat singkat. Hal ini menjadi dasar persamaan impuls nantinya. Sedangkan momentum suatu benda tersebut dalam fisika didefinisikan sebagai hasil kali massa benda dengan kecepatan gerak benda tersebut. Secara matematis ditulis :

p = mv ……….. (3.1)

p adalah lambang momentum, m adalah massa benda dan v adalah kecepatan benda. Momentum merupakan besaran vektor, jadi selain mempunyai besar alias nilai, momentum juga mempunyai arah. Besar momentum p = mv

Dari persamaan di atas, tampak bahwa momentum (

. Arah momentum sama dengan arah kecepatan.

p) berbanding lurus dengan massa (m) dan kecepatan (v). Semakin besar kecepatan benda, maka semakin besar juga momentum

sebuah benda. Demikian juga, semakin besar massa sebuah benda, maka momentum benda tersebut juga bertambah besar.

Seperti dijelaskan sebelumnya bahwa ada hubungan antara impuls dan momentum.. Hubungan tersebut dapat dilihat dari persamaan berikut :

F =

t p

∆

∆ _...(3.2)

Dimana : F = gaya total yang bekerja pada benda p

∆ = perubahan momentum

t

∆ = selang waktu perubahan momentum

Jika ditinjau suatu partikel bermassa m yang bergerak dalam suatu bidang xy dan mengalami gaya resultan F yang besar dan arahnya dapat berubah, maka berdasarkan hukum kedua Newton pada setiap saat diperoleh :

F = m. a Jika :

a = dt dv

, maka

F = m.

dt dv

F.dt = m.dv

Kalau v1 adalah kecepatan ketika t = t1 dan v2 adalah kecepatan ketika t = t2

∫

2 1 t t

, maka : F.dt =

∫

2

1 v

v m.dv

∫

2

1 t

Bila t1 = 0 dan t2 F.t = m ( v

= t, maka : 2 – v1

F =

)

o

m ( v2 – v1 ) ...(3.3)

3.2. Asas Impuls Pada Turbin

Pada roda turbin terdapat sudu dan fluida kerja mengalir melalui ruang di antara sudu tersebut. Apabila kemudian ternyata bahwa roda turbin dapat berputar, maka ada gaya yang bekerja pada sudu. Gaya tersebut timbul karena terjadinya perubahan momentum dari fluida kerja yang mengalir di antara sudu yang dianggap sangat efektif untuk menghasilkan gaya dorong. Gaya dorong harus lebih besar atau sekurang-kurangnya sama dengan berat turbin dan porosnya, agar turbin dapat berputar dengan lebih ringan.

Karena sudu-sudu tersebut dapat bergerak bersama-sama dengan roda turbin, maka sudu tersebut dinamakan sudu gerak. Sebuah roda turbin bisa saja terdapat beberapa baris sudu gerak yang dipasang berurutan dalam arah aliran fluida kerja. Setiap baris sudu terdiri dari sudu-sudu yang disusun melingkari roda turbin, masing-masing dengan bentuk yang sama. Turbin dengan satu baris sudu gerak dinamai bertingkat tunggal. Sedangkan turbin dengan beberapa baris sudu gerak dinamai turbin bertingkat ganda. Proses fluida kerja mengalir melalui baris sudu yang pertama, kemudian baris kedua, ketiga dan seterusnya. Namun sebelum mengalir ke setiap baris sudu berikutnya, fluida kerja melalui baris sudu yang bersatu dengan rumah turbin. Dan karena sudu tersebut terakhir tidak berputar, sudu tersebut dinamakan sudu tetap, yang berfungsi mengarahkan aliran fluida kerja masuk kedalam sudu gerak berikutnya, bisa juga sebagai nosel

Turbin uap adalah mesin rotari yang bekerja karena terjadi perubahan energi kinetik uap menjadi putaran poros turbin. Proses perubahan itu terjadi pada sudu-sudu turbin. Fluida uap dengan energi potensial yang besar berekspansi sehingga mempunyai energi kinetik

tinggi yang akan medorong sudu, karena dorongan atau tumbukan tersebut, sudu kemudian bergerak. Proses tumbukan inilah yang dinamakan dengan Impuls.

Gambar 3.1. Impuls pada sudu Turbin

Gambar 3.2. Impuls pada penampang vertikal dan melengkung

3.3. Prinsip Turbin Impuls

Turbin impuls adalah turbin yang mempunyai roda jalan atau rotor dimana terdapat sudu-sudu impuls. Sudu-sudu impuls mudah dikenali bentuknya, yaitu simetris dengan sudut masuk β₁ dan sudut keluar β₂ yang sama. Bentuk turbin impuls pendek dengan penampang yang konstan. Ciri yang lain adalah secara termodinamika penurunan energi terbanyak pada nosel, dimana pada nosel terjadi proses ekspansi atau penuruan tekanan. Sudu-sudu turbin uap terdiri dari sudu tetap dan sudu gerak. Sudu tetap berfungsi sebagai nosel dengan energi kinetik yang naik, sedangkan pada sudu begerak tekanan adalah konstan atau tetap. Dari karakteristik tersebut, turbin impuls sering disebut turbin tekanan sama. Bentuk dari sudu tetap turbin impuls ada dua macam yaitu bentuk simetris dan bentuk

tidak simetris. Pada bentuk sudu tetap simetris, profile kecepatan dan tekanan adalah sama, tidak ada perubahan kecepatan dan tekanan. Sedangkan pada sudu tetap yang berfungsi sebagi nosel mempunyai bentuk seperti nosel yaitu antar penampang sudu membetuk penampang yang menyempit pada ujungnya. Karena bentuknya nosel, kecepatan akan naik dan tekanan turun. Bentuk pertama simetris dipakai pada turbin uap Curtis dan bentuk yang kedua dipakai turbin uap Rateau.

Gambar 3.3. Sudu Turbin simetris

Seperti dijelaskan sebelumnya bahwa pada turbin uap agar sudu gerak dapat berputar maka dibutuhkan semburan uap yang akan memberikan dorongan (impuls) pada sudu jalan tersebut. Uap yang disemburkan harus memiliki kecepatan tinggi agar memperoleh energi kecepatan yang besar. Untuk itu maka sebelum memasuki sudu jalan, uap dari ketel harus diekspansikan di dalam nosel atau sudu pengarah.

3.4 Perubahan Energi Thermal Menjadi Energi Kinetis

Proses perubahan energi thermal menjadi energi kinetic berlangsung di dalam nosel, yang mana di dalam nosel tersebut akan terjadi penurunan tekanan uap dan kenaikan

kecepatan uap. Hal tersebut diperlihatkan pada gambar berikut.

Ci

Co

Po To

Pi

o

i

Gambar 3.5. saluran uap pada nosel

Bila uap berekspansi melalui penampang yang kecil, akan menghasilkan energi yang seimbang dengan perubahan entalpinya. Energi kinetis diserap oleh sudu-sudu turbin yang akan menghasilkan ekspansi isentropis. Kecepatan uap keluar nosel sangat dipengaruhi oleh besarnya perbandingan tekanan keluar dan tekanan masuk. Dengan hukum kekekalan energi disebutkan bahwa energi sebelum dan sesudah nosel harus sama, maka :

2

2 o

c

+ po.vo + uo 2

2 1t

c

= + p1.v1 + u

; p.v + u = h, maka :

1

2

2 o

c

+ ho

2

2 1t

c = + h

2 2 1t c 1 - 2 2 o c

c1t = ………kJ/kg

c1t = ……...J/kg

c1t = 44,72

; jika co = 0, maka

c1t = 44,72

c1t = 44,72 (m/det)………... (3.4)

3.5 Transformasi Energi Pada Sudu

Uap yang keluar dari dalam nosel dengan kecepatan mutlak c1 memasuki laluan-laluan sudu pada sudut α1. Disebabkan oleh perputaran cakram turbin, kecepatan uap pada jalan masuk ke laluan-laluan sudu akan mempunyai kecepatan relative terhadap dinding laluan sudu tersebut. Kecepatan relative tersebut akan memiliki nilai dan arah yang berbeda dengan kecepatan mutlaknya.

Dari proses aliran uap yang melalui nosel atau sudu pengarah hingga keluar dari sudu gerak, dapat dibentuk suatu skema aliran uap. Skema tersebut dapat dilihat berikut ini.

α

β

β

_α

α

β

β

α

Gambar 3.7. Skema arah kecepatan uap pada sudu gerak

c1

u

= Kecepatan uap mutlak meninggalkan nosel

w

= Kecepatan tangensial sudu

1

w

= kecepatan relatif uap masuk sudu

2

c

= Kecepatan relatif uap meninggalkan sudu

2

= Kecepatan mutlak uap meninggalkan sudu 1

α = sudut nosel

1

β = sudut masuk sudu 2

α = sudut keluar sudu 2

3.5. Analisis Kecepatan Aliran Uap

Analisis terhadap kecepatan uap dapat ditentukan dengan memperhatikan bagaimana proses aliran uap yang terjadi, mulai dari masuk hingga keluar turbin. Untuk itu posisi nosel dan sudu turbin perlu diperhatikan, karena hal tersebut akan mempengaruhi proses aliran uap tersebut.

Gambar 3.8 Konstruksi turbin uap impuls satu tahap

Gambar diatas adalah skema turbin de-laval atau turbin impuls satu tahap. Turbin terdiri satu atau lebih nosel konvergen divergen dan sudu-sudu impuls terpasang pada roda

jalan (rotor). Tidak semua nosel terkena semburan uap panas dari nosel, hanya sebagian saja. Pengontrolan putaran dengan jalan menutup satu atau lebih nosel konvergen divergen.

Adapun cara kerjanya adalah sebagai berikut. Aliran uap panas masuk nosel konvergen divergen, di dalam nosel uap berekspansi sehingga tekanannya turun. Berbarengan dengan penurunan tekanan, kecepatan uap panas naik, hal ini berarti terjadi kenaikan energi kinetik uap panas. Setelah berekspansi, uap panas menyembur keluar nosel dan menumbuk sudu-sudu impuls dengan kecepatan abolut c1. Pada sudu-sudu impuls uap panas memberikan

sebagian energinya ke sudu-sudu, dan mengakibatkan sudu-sudu bergerak dengan kecepatan u. Tekanan pada sudu-sudu turbin adalah konstan atau tetap, sedangkan kecepatan uap keluar sudu berkurang menjadi c

Berdasarka arah aliran uap yang mengalir melalui nosel atau sudu pengarah dan melalui sudu gerak turbin maka dapat digambarkan suatu skema segi tiga kecepatan uap, yang kemudiam melalui skema tersebut dapat ditentukan kecepatan uap tersebut.

2.

.

1

α

2

β

2

α

β

1

Gambar 3.9. Skema segitiga kecepatan uap

Dari segitiga kecepatan diatas, panjang pendeknya garis adalah mewakili dari besar kecepatan masing-masing. Sebagai contoh, fluida masuk sudu dari nosel dengan kecepatan c1 kemudian keluar dari nosel sudah berkurang menjadi w1 dengan garis yang lebih pendek, artinya sebagian energi kinetik fluida masuk sudu diubah menjadi energi kinetik sudu dengan

kecepatan u, kemudian fluida yang sudah memberkan energinya meningglkan sudu dengan kecepatan c2.

1. Kecepatan uap mutlak masuk sudu turbin: c1 = ϕ c1t

c

) ..………...(3.5)

1 = ϕ 44,72 H

c1

H = Besar panas jatuh (kJ/kg)

= Kecepatan uap mutlak masuk sudu turbin (m/s)

ϕ = koefisien gesek pada dinding nosel (0,91 – 0,98)

2. Kecepatan Tangensial sudu :

u =

60 . . nd

π _...(3.6)

u = Kecepatan tangensial sudu (m/s) d = diameter rata-rata turbin (m) n = jumlah putaran turbin (rpm)

3. Kecepatan relatif uap masuk sudu gerak :

w1 1 1

2 2

1 +u −2⋅u⋅c ⋅cosα

c

= ...(3.7) w1

α

= Kecepatan relatif uap masuk sudu gerak 1= sudut mutlak uap masuk sudu gerak

4. Sudut relatif uap masuk sudu gerak w1 sinβ 1 = c1 sin α

sin

1

β 1 = 1

1

sinα

× w c

5. Sudut relatif uap keluar sudu gerak β 2 =β 1

Atau kadang

...(3.9) β 2 =β 1- (3 - 5o o)

6. Kecepatan uap keluar sudu gerak

w2 =ψ w1 ...(3.10)

ψ

86 , 0

=

ψ

= koefisien sudu gerak

7. Kecepatan uap mutlak keluar sudu turbin:

c2 2 2

2 2

2 +u −2⋅u⋅w ⋅cosβ

w

= ...(3.11)

8. Sudut mutlak uap keluar sudu gerak : w2 sinβ 2 = c2 sin α

sin

2

α 2 2

2 2

sinβ

× c w

= ...(3.12)

3.6. Gaya Tangensial Turbin :

Gaya tangensial turbin ditentukan berdasarkan prinsip impuls yang terjadi pada sudu. Yang mana impuls tersebut terjadi akibat adanya perubahan momentum pada sudu, dan perubahan momentum tersebut diakibatkan oleh adanya perubahan kecepatan uap yang mengalir pada sudu.

Fu

o

m

= (c1 cosα 1 - c2 cos α 2) ...(3.13)

o

m

= (c1 cosα 1 – (- c2 cos α 2

=

))

o

m

(c1 cosα 1 + c2 cos α 2)

c1 cosα 1 + c2 cos α 2 = w1cosβ 1 + w2 cosβ 2

;w2 = ψ w1

c1 cosα 1 + c2 cos α 2 = w1cosβ1 + ψ w1 cosβ 2 = (1 + ψ )

cos cos

1 2

β

β _w1cosβ1

c1 cosα 1 + c2 cos α 2 = (1 + ψ ) cos cos

1 2

β

β _w1cosβ1

; w1cosβ 1= c1 cosα 1

c

– u

1 cosα 1 + c2 cos α 2 = (1 + ψ ) cos cos

1 2

β

β _{( c1 cosα 1 – u)} ……….(3.14)

jadi :

Fu

o

m

= (c1 cosα 1 + c2 cos α 2 F

)

u

o

m

= (1 + ψ )

cos cos

1 2

β

β _{( c1 cosα 1 – u)} ...(3.15)

3.7. Daya Mekanis yang dihasilkan Turbin :

Daya mekanis yang dihasilkan oleh turbin ditentukan berdasarkan gaya dan kecepatan tangensial turbin tersebut yang akan menghasilkan torsi pada poros turbin. Sehingga dengan menerapkan persamaan daya mekanis turbin, maka akan diperoleh :

Pu

o

m

= .u (c1u – c2u karena

)

c2u = c2 cos α 2

c1u = c1 cosα 1 maka

Pu

o

m

= .u (c1 cosα 1 - c2 cos α 2 =

)

o

m

.u (c1 cosα 1 – (- c2 cos α 2 P

))

u

o

m

= .u (c1 cosα 1 + c2 cos α 2 Dari persamaan 3.14, diketahui bahwa :

) ………...(3.16)

c1 cosα 1 + c2 cos α 2 = (1 + ψ ) cos cos

1 2

β

β _{( c1 cosα 1}

dengan mensubstitusikan persamaan 3.14 ke persamaan 3.16, maka akan diparoleh persamaan :

– u)

Pu

o

m

= .u (1 + ψ ₎ cos cos

1 2

β β _{( c}

1 cosα 1

Daya mekanis turbin dapat juga ditentukan menurut persamaan berikut :

– u) ...(3.17)

Mt

=

Fu

.

r

ω

= u_r Pu

=

(Fu

P

.

r) (u/r)

u = Fu

Jika disubstitusikan persamaan 3.15 ke persamaan 3.18, maka akan menghasilkan persamaan yang sama dengan persamaan 3.17, yaitu

.

u ...(3.18)

Pu

o

m

= .u (1 + ψ ) cos cos

1 2

β

β _{( c1 cosα 1 – u)}

3.8. Efisiensi Turbin Impuls

Kerja teoritis uap pada pinggir cakram untuk turbin ideal, dengan kata lain tidak adanya kerugian baik pada nosel ataupun sudu akan menjadi :

P = 2 2 1t o _c m ...(3.18) P Pu u =

η

...(3.19)

(

)

2 cos cos cos 1 2 1 1 1 1 2 t o o u c m u c u m −     +

= β α

β ψ η

(

)

2 1 1 1 1 2 _cos cos cos 1 2 t u c u c u −     +

= β α

β ψ η

; ₂

2 1 2 1

ϕ

c c_t =

(

)

2 2 1 1 1 1 2 _cos cos cos 1 2 ϕ α β β ψ η c u c u u −     + =

(

)

2

1 1 1 1 2 2 cos cos cos 1 2 c u u c u −     +

=

ϕ

ψ

β

_β

α

η

(

)

₂

1 1 1 1 2 2 cos cos cos 1 2 c u u c

u  −

 

 +

=

ϕ

ψ

β

_β

α

η

    ₋     + = 2 1 2 1 1 1 2 2 cos cos cos 1 2 c u c u u

α

β

β

ψ

ϕ

η

1 1 1 1 2 2 cos cos cos 1 2 c u c u u     ₋     +

=

ϕ

ψ

β

_β

α

η

...(3.20) Jika ; β 1= β2

(

)

1 1 1 2 cos 1 2 c u c u u     ₋ +

=

ϕ

ψ

α

η

, maka :

BAB IV

ANALISIS VARIASI SUDUT SUDU-SUDU IMPULS

TERHADAP DAYA MEKANIS TURBIN

4.1 Prinsip Aksi Aliran Uap Melalui Sudu

Semburan uap yang keluar dari nosel atau kelompok nosel yang diam akan memberikan gaya pada sudu turbin yang besarnaya adalah Fu (Newton) dalam arah putarnya. Gaya Fu yang dihasilkan oleh uap sewaktu uap tersebut di dalam laiannya melalui sudu turbin duibah menjadi kerja mekanis pada pinggir sudu. Kerja yang dilakukan oleh uap pada sudu adalah sebesar :

Pu = m.u (c1u – c2u) ………. (4.1)

dimana u adalah kecepatan keliling sudu-sudu turbin dalam m/s.

Gaya yang diberikan oleh uap ke sudu-sudu dapat dicari dengan menggunakan pendekatan ilmu mekanika. Dari mekanika dapat diketahui bahwa perubahan momentum selama periode waktu tertentu adalah sama dengan gaya yang diberikan. Dan dengan demikian dapat dituliskan bahwa :

Fu.t = m ( c1 – c2

F

)

u

o

m

Gambar 4.1 Semburan uap dari nosel

4.2 Analisis Aliran Uap Melalui Penempang Sudu Yang Bervariasi

Semburan uap yang mengalir melalui bentuk penampang sudu yang berbeda, ternyata menghasilkan gaya dan energi yang berbeda pula. Artinya bentuk dari penampang suatu sudu akan mempengaruhi bedar kecilnya energi mekanis yang akan dihasilkan.

Gambar 4.2 Prinsip aksi uap pada berbagai bentuk benda

Gambar 4.2 menunjukkan prinsip aksi uap pada berbagai bentuk benda. Dapat ditunjukkan bahwa gaya Fu yang diberikan oleh uap pada berbagai bentuk benda dengan

kondisi aliran yang serupa, tidak akan sama. Untuk jenis aliran yang berbeda seperti ditunjukkan pada gambar 4.2, gaya-gaya ini dengan mudah dapat dievaluasi.

Misalkan kecepatan awal uap pada sisi keluar nosel untuk ketiga penampang tersebut adalah sama, sama dengan c1t, tetapi dalam arah yang berbeda sesuai dengan permukaan yang menerimanya. Untuk hal khusus ini misalkan kecepatan c1 sama dengan 100 m/s dan laju aliran massa uap adalah 5 kg/s.

Kasus (a)

Uap dengan kecepatan awal c1t menubruk benda A dalam arah tegak lurus terhabap permukaan yang menerimanya dan mengalami perubahan arah aliran sebesar 90o sewaktu memencar ke segala arah di permukaan benda tersebut, sehingga proyeksi kecepatan c2 terhadap arah aksi gaya F1 semburan uap sama dengan nol. Dangan mensubstitusikan kecepatan-kecepatan awal dan akhir uap c1t dan c2, kita akan mendapatkan gsys yang diberikan yang searah dengan kecepatan c1t.

F1

o

m

= ( c1t – c2 F

) 1

F

= 5 kg/s (100 m/s – 0) 1 = 500 N

Kasus (b)

Dengan mengabaikan kerugian akibat gesekan pada permukaan yang melengkung, akan diperoleh

c2 = – c Jadi gaya F

1t

2 yang bekerja searah dengan kecepatan c1t dari persamaan (4.2), akan sama dengan :

F2

o

m

= ( c1t – c2 F

) 2

F

= 5 kg/s (100 + 100)m/s 2 = 1000 N

Kasus (c)

Dengan tetap mengabaikan kerugian-kerugian pada permukaan sudu seperti pada kasus (b), sekali lagi diperoleh

c2 = – c

Dalam hal ini semburan uap pada tempat masuk kepermukaan sudu tidak mengalir dalam arah yang sejajar dengan arah gaya F

1t

3 yang brkerja pada benda tersebut. Dan oleh sebab itu segera terbukti bahwa pada suku-suku kecepatan c1t dan c2 harus disubstitusikan nilai-nilai proyeksi kecepatan semburan uap tadi terhadap arah aksi gaya F3

Komponen-komponen kecepatan c

.

1t dan c2 yang searah dengan garis aksi F3

c’

dengan demikian adalah sama dengan :

1t = c1t c’

cos 30 = 100 (0,866) = 86,6 m/s 2 = c2

jadi

cos 30 = -100 (0,866) = -86,6 m/s

F3

o

m

= ( c’1t – c’2 F

) 3

F

= 5 kg/s (86,6 + 86,6) 3 = 866 N

Dari ilustrasi-ilustrasi yang diberikan di atas ternyata bahwa gaya maksimum diperoleh untuk kasus (b) dimana semburan uap yang mengalir sepanjang permukaan sudu mengalami pembalikan arah sebesar 180o. Akan tetapi dalam pembuatan turbin uap, aliran uap yang bemikian itu tidak mungkin diperoleh, dan oleh sebab itu, seperti yang ditunjukkan

pada kasus (c), semburan uap diarahklan dengan suatu besar sudut tertentu, baik dari sisi keluar nosel diam maupun dari sudu gerak. Akan tetapi sudut kemiringan ini terhadap bidang putar sudu-sudu dibuat sekecil mungkin.

Untuk bisa mendapatkan kerja yang berguna dari aksi uap, adalah perlu bahwa bwnda yang ditubruknya dapat bergerak leluasa. Bila kita andaikan bahwa benda-benda A,B, dan C, akibat aksi uap berpindah searah dengan tanda panah, maka dengan mengetahui kecepatan perpindahan u, kita dapat dengan mudah menghitung gaya F dan kerja P. Anggap bahwa akibat aksi semburan uap benda-benda A,B, dan C berpindah searah dengan gaya F, dengan kecepatan u yang sama. Maka gaya F pada ketiga kasus tersebut akan ditentukan dari pertimbangan- pertimbangan berikut :

Kasus (a)

Kecepatan uap relatif terhadap benda A yang bergerak akan sama dengan : w1 = c1t

Kecepatan w1 dikenalsebagai kecepatan relatif. – u

Kecepatan relatif uap sesudah perubahan arah aliran pada benda A akan sama dengan w2 = c2

Jadi gaya yang diberikan oleh uap ditentukan dari persamaan : = 0

F’1

o

m

= ( w1 – w2

o

m

) = ( c1t – u ) ………...…(4.3a)

Kasus (b)

Kecepatan relatif semburan uap yang menubruk permukaan benda B akan sama dengan :

w1 = c1t

Kecepatan relatif uap yang meninggalkan permukaan sudu B yang cekung akan sama dengan – u

w2u = w1u = – c1t

Oleh sebab itu gaya yang diberikan oleh semburan uap pada benda B adalah : cos 30 + u

F’2

o

m

= ( w1 – w2

o

m

) = 2 ( c1t – u ) ……….(4.3b)

Kasus (c)

Proyeksi kecepatan relative semburan uap yang menubruk benda C yang searah dengan kecepatan u akan sama dengan :

w1u = c1t

Komponen kecepatan relative uap yang meninggalkan permukaan sudu C akan ditentukan dari persamaan

cos 30 – u

w2u = w1u = –c1t

dan gaya yang diberikan adalah : cos 30 + u

F’3

o

m

= ( w1u – w2u

o

m

) = 2 ( c1t cos 30 – u ) ………...(4.3c)

Bila sekarang diandaikan bahwa kecepatan awal uap c1 dan kecepatan perpindahan u ketiga benda tersebut adalah sama yakni c1t

Untuk kasus (a) :

= 100 m/s dan u = 50 m/s, maka dengan mensubstitusikan kecepatan-kecepatan ini ke dalam persamaan-persamaan (4.3a), (4.3b), dan (4.3c), kita akan peroleh nilai gaya F’.

F’1 Untuk kasus (b) :

= 5 kg/s (100 – 50) = 250 N

F’2 Untuk kasus (c) :

= (2).5 kg/s (100 – 50) = 500 N

F’3 F’

= (2).5 kg/s (100 cos 30 – 50)

Kerja yang dilakukan uap pada ketiga hal tersebut di atas yang memindahkan ketiga benda tersebut dengan kecepatan u ditentukan oleh persamaan (4.1).

Untuk kasus (a) : Pu1 = F’1 Untuk kasus (b) :

. u = (250 N) (50 m/s) = 12500 J/s

Pu2 = F’2 Untuk kasus (c) :

. u = (500 N) (50 m/s) = 25000 J/s

Pu3 = F’3 . u = (366 N) (50 m/s) = 18300 J/s

Oleh sebab itu, dari persamaan (4.3c) ternyata bahwa gaya F’3 semburan uap

tergantung pada nilai cosinus sudut α1. Dengan nilai yang minimum-nol, gaya F’3 akan mencapai nilai batasnya F’2. Dalam hal nilai sudut α1 yang membesar, gaya yang diberikan

yang searah dengan arah putaran akan terus berkurang sampai pada nilai α1 = 90o, gaya ini

akan menjadi nol. Jadi, kecermatan harus diberikan sewaktu memilih nilai α1 yang sesuai untuk nosel-nosel dan sudu-sudu turbin uap, biasanya yang diperbolehkan adalah 11o sampai 20o (lit. 1 halaman 16).

4.3 Perhitungan Data Survey 4.3.1 Data Hasil Survey Studi

Untuk membantu dalam penyelesaian skripsi ini, maka dilakukan survey studi ke Pabrik Kelapa Sawit PTP Nusantara IV, yang dalam memenuhi kebutuhan energi listriknya menggunakan turbin uap sebagai penggerak mula generator listrik. Dari survey tersebut diperoleh beberapa informasi yang berkaitan dengan data-data yang dibutuhkan.

Data Turbin :

1. Daya turbin (Pu) : 630 kWatt 2. Diameter turbin (d) : 800 mm 3. Jumlah putaran turbin (n) : 3000 rpm 4. Sudut masuk uap ke turbin (α 1) : 20o 5. Sudut masuk sudu (β₁) : 24

6. Sudut keluar sudu (

o

2

α ) : 31

7. Sudut keluar uap (

o

2

β ) : 24

8. Pemasukan uap parsial (

o ε) : 0,25 9. Tinggi sudu (l) : 20 mm 10. Lebar sudu (b) : 15 mm 11. Jarak bagi sudu (t) : 12 mm 12. Jumlah sudu (z) : 209 buah 13. Kecepatan uap mutlak (c1

14. Kecepatan tangensial turbin (u) : 125 m/s ) : 714 m/s

15. Tekanan uap masuk (P1 16. Suhu uap masuk (T

) : 15 bar 1) : 240 o 17. Tekanan uap bekas turbin (P

C 2

18. Kualitas uap (x) : 0,95 ) : 3 bar

4.3.2 Perhitungan Data

Untuk mendapatkan besarnya gaya tangensial dan daya mekanis yang dihasilkan turbin maka ditentukan terlebih dahulu variabel –variabel berikut :

a) Panas Jatuh

Pada tekanan uap masuk 15 bar dan temperatur 240 o h

C, diperoleh : 1

v

= 2899,3 kJ/kg 1 = 0,1483 m3/kg

Gambar 4.3 Diagram T-s siklus rankine

kemudian pada saat uap keluar pada tekanan 3 bar diperoleh : hf

h

= 560,34 kJ/kg fg

v

= 2164, 52 kJ/kg f = 0,001073 m3

v

/kg fg = 0,603227 m3/kg

maka h2 = hf + x h

h

fg

2

h

= 560,34 kJ/kg + (0,95) 2164, 52 kJ/kg

2 = 2616,63 kJ/kg

= 0,001073 m3/kg + (0,95) 0,603227 m3 = 0,57413 m

/kg 3

∆h = h

/kg 1 - h2

= 282,66 kJ/kg

b) Perubahan Energi Thermal Menjadi Energi Kinetis

Dengan hukum kekekalan energi disebutkan bahwa energi sebelum dan sesudah nosel harus sama, maka :

2

2 o

c

+ po.vo + uo 2

2 1t

c

= + p1.v1 + u

; p.v + u = h, maka :

1

2

2 o

c

+ ho

2

2 1t

c = + h

2 2 1t c 1 - 2 2 o c

= ho - h

1

c1t = 2(ho −h1)+co2 ………kJ/kg

c1t = 2.1000.(ho −h1)+co2 ……...J/kg

c1t = 44,72 .(ho −h1)+co2

; jika co

c

= 0, maka

1t = 44,72 .(ho −h1)

c1t = 44,72 ∆h (m/det)………(4.5)

c) Kecepatan uap masuk turbin teoritis : c1t = 44,72 ∆h = 44,72 282,66

= 751,8 m/s

d) Kecepatan mutlak uap masuk turbin :

Karena ada pengaruh koefisien kecepatan ϕ c

= 0,95, maka 1 = ϕ c

= 0,95. 751,8 m/s

1t ;

= 714 m/s

e) Laju Aliran Massa Uap : v

m Q= .

c A Q= .

Dari kedua persamaan tersebut didapat : m.v = A.c

Dimana : A = π.d.l

Untuk mengetahui laju aliran masa uap, maka rumus luas penampang juga dipengaruhi oleh sudut masuk uap (α 1) dan pemasukan uap parsial ( ), sehingga rumus di ε atas menjadi :

A = π.d.l.ε.sinα₁ Maka : m.v = π.d.l.ε.c₁sinα₁

m =

v c l

d.. . ₁sin ₁

. ε α

π

m = 5kg

m3/kg 0,57413 ) 714 )( 25 , 0 )( 02 , 0 )( 8 , 0 ( 14 , 3 =

4.4 Perhitungan Kerja Turbin Berdasarkan Prinsip Aksi Uap.

Seperti penjelasan sebelmnya bahwa untuk menentukan variabel-variabel yang mendukung performa turbin, semuanya merujuk kepada proses aliran uap yang terjadi ketika memasuki sudu hingga meninggalkan sudu. Skema aliran tersebut ditunjukkan pada gambar 4.4 berikut.

α

β

β

_α

α

β

β

_α

Gambar 4.4 Impuls uap pada sudu

a) Kecepatan tangensial : u =

60 . . nd

π ₌

60

) . 3000 )( . 8 , 0

.( m rpm

π

u = 125 m/s

1

α

2

β

2

α

β1

b) Kecepatan relatif uap masuk sudu turbin :

w1 1 1

2 2

1 +u −2⋅u⋅c ⋅cosα

c =

= 714,212 +1252 −2⋅714,21⋅125⋅cos20 =598,27 m/s

c) Sudut relatif uap masuk sudu gerak : w1 sinβ 1 = c1 sin α

sin 1

β 1 = 1

1 1 sinα × w c

sinβ 1 = sin20 27 , 598 21 . 714

× = 0,4083

β 1= arc sin 0.4083 = 24o d) Sudut relatif keluar sudu gerak :

β 2 =β 1= 24o

e) Kecepatan uap keluar sudu gerak :

Kecepatan uap keluar sudu gerak dipengaruhi oleh kerugian pada sudu-sudu ψ =0,86 w2 =ψ w

w

1

2 = 0,86 . 598,27 = 514,5 m/s

f) Kecepatan uap mutlak keluar sudu turbin :

c2 2 2

2 2

2 +u −2⋅u⋅w ⋅cosβ

w =

c2 = 514,52 +1252 −2⋅125⋅514,5⋅cos24

g) Sudut mutlak uap keluar sudu gerak : w2 sinβ 2 = c2 sin α

sin

2

α 2 2

2 2 sinβ × c w =

sinα 2 = sin24 52 , 403 5 , 514

× = 0,5186

α 2 = arc sin 0,5186 = 31,2o h) Gaya Tangensial turbin :

Fu = m (c1 cosα 1 - c2 cos α 2) = m (c1 cosα 1 – (- c2 cos α 2 = m (c

)) 1 cosα 1 + c2 cos α 2 Jika :

)

c1u = c1 cosα 1

c

= 714,21 cos 20 = 671 m/s 2u = c2 cos α 2

maka :

= 403,52 cos 31,2 = 345 m/s

Fu = m (c1u + c2u F

)

u = 5kg/s (671 + 345) = 5080 N

i) Daya Turbin

Pu = m.u (c1u - c2u P

)

u = m.u (c1u – (- c2u P

))

u = m.u (c1u + c2u P

)

u P

= 125 m/s (5080 N) = 635000 Watt u = 635 kWatt

4.5 Hubungan Variasi α 1 terhadap Fu dan P

Berdasarkan persamaan-persamaan sebelumnya diketahui bahwa besar α u

1 akan mempengaruhi nilai dari gaya tangensial (Fu) dan daya mekanis (Pu) turbin. Jika α1 divariasikan, maka nilai Fu dan Pu juga akan ikut bervariasi. Berdasarkan literatur yang ada dan juga data di lapangan, batas variasi sudu yang diperbolehkan itu adalah berkisar antara 11o s/d 20o

F .

u = m (c1 cosα 1 - c2 cos α 2) = m (c1 cosα 1 – (- c2 cos α 2 = m (c

)) 1 cosα 1 + c2 cos α 2 Karena :

)

c1 cosα 1 + c2 cos α 2 = w1cosβ 1 + w2 cosβ 2

;w2 = ψ w

c

1

1 cosα 1 + c2 cos α 2 = w1cosβ1 + ψ w1 cosβ 2 = (1 + ψ ₎

cos cos

1 2

β

β _w1cosβ1

; β1= β

c

2

1 cosα 1 + c2 cos α 2 = (1 + ψ ) w1cosβ 1

; w1cosβ 1= c1 cosα 1

c

– u 1 cosα 1 + c2 cos α 2 = (1 + ψ ) ( c1 cosα 1

jadi :

– u)

Fu = m (c1 cosα 1 + c2 cos α 2 F

) u = m (1 + ψ ) ( c1 cosα 1

Dimana : m = 5 kg/s u = 125 m/s – u)

jadi :

Fu = 5 (1,86)(714,21 cos α 1 = 9,3 (714,21 cos

-125) α 1

Dan untuk daya :

– 125)

Pu = m.u (c1u + c2u = m.u (c

)

1 cosα 1 + c2 cos α 2 P

) u = m.u (1 + ψ ) ( c1 cosα 1

Dengan menggunakan persamaan di atas diperoleh nilai F – u)

u dan Pu α

yang berbeda-beda jika 1 divariasikan, seperti yang ditunjukkan pada tabel di bawah ini.

Tabel 4.1 Pengaruh variasi sudut terhadap Gaya dan Daya turbin

α 1

F

u (kN)

P

u (kW)

0o 5,47965 684,956

5o 5,45437 681,796

10o 5,37874 672,342

15o 5,25332 656,665

20o 5,08008 635,085

25o 4,85733 607,166

1

α

1

α

Gambar 4.6 Grafik pengaruh perubahan sudut terhadap gaya tangensial

1

α

Gambar 4.7 Grafik pengaruh perubahan sudut terhadap Daya mekanis turbin

Berdasarkan grafik di atas dapat diketahui bahwa jika sudut semakin kecil maka gaya tangensial dan daya mekanis turbin akan semakin besar, demikian juga sebaliknya. Hal tersebut disebabkan karena jika α₁ semakin kecil (mendekati 0), maka dorongan/ semburan uap yang diterima sudu akan semakin besar. Hal ini dikerenakan sumburan uap tersebut lebih terserap sudu secara keseluruhan sehingga makin meminimalisir kerugian.

4.6 Hubungan u/c dengan besar sudut α₁ dan pengaruhnya terhadap Efisiensi Turbin Dari persamaan 3.20 diketahui bahwa :

1 1 1 1 2 2 cos cos cos 1 2 c u c u u     ₋     +

=

ϕ

ψ

β

_β

α

η

Dari persamaan di atas ternyata bahawa besaran

η

utergantung pada nilai u/c1 Hubungan u/c

, sudut nosel, koefisien kecepatan, dan sudut

1

1

α

agaknya merupakan karakteristik dasar tingkat turbin. Jika nilai-nilai sudut ,β₁,β₂dan koefisien kecepatan ϕ dan ψ tetap konstan pada persamaan 3.20, maka nilai

η

_uhanya tergantung pada rumus berikut.

2 1 1 1 1 1 1 cos cos     − =     ₋ c u c u c u c u

α

α

………...……….(4.4)

Jika u/c1= 0 dan u/c1= cos α, rumus di atas akan menjadi nol dan akibatnya

η

uadalah

sama dengan nol. Untuk menentukan nilai optimum u/c1 akoefisien turunan (diferensial) pertama sisi kanan persamaan 4.4 harus disamakan dengan nol.

0 cos 1 2 1 1 1 =                 − c u d c u c u d

α

0 2 cos 1

1  =

   − c u

α

2 cos 1 1

α

=     opt c u ...(4.5)

Dengan mensubstitusikan nilai u/c1

(

1

)

2 1 2 max . cos cos cos 1

2

β

α

β

ψ

ϕ

η

u = _ + _

dari persamaan 4.5 ke persamaan 3.20, maka diperoleh nilaiefisiensimaksimum.

……….…….(4.6)

Jika :

β 1 = β2

(

)

(

2

)

.max 1 cos 1

2

u

ϕ

η = +ψ α

, maka

………...(4.7

4.7 Menentukan Sudut α1 Optimal

Dari analisis dan perhitungan yang dilakukan, diketahui bahwa besar sudut sudu turbin sangat mempengaruhi besarnya gaya dan daya mekanis turbin tersebut. Namun perlu diketahui satu besar sudut tertentu yang paling baik untuk perencanaan turbin. Hal tersebut dapat ditentukan berdasarkan hubungan effisiensi turbin tersebut terhadap besar sudut dan koefisien kecepatan (u/c1

Menurut Muin (1993) bahwa nilai koefisien kecepatan optimum (u/c ).

1) = 0,483. Hal tersebut dapat terlihat dari table dan grafik berikut :

Lampiran I.

Tabel dan grafik hubungan variasi Sudut sudu turbin terhadap gaya tangensial dan

daya mekanis turbin

α

1 Fu (kN) Pu (kW)

10o 5,3787 672,34

11o 5,3576 669,70

12o 5,3345 666,81

13o 5,3094 663,68

14o 5,2824 660,30

15o 5,2533 656,67

16o 5,2223 652,79

17o 5,1894 648,68

18o 5,1546 644,32

19o 5,1178 639,72

20o 5,0791 634,89

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

5050 5100 5150 5200 5250 5300 5350 5400

Grafik hubungan

sudut uap masuk

α₁

vs gaya tangensial Fu

G

a

y

a

t

a

n

g

e

n

si

a

l

F

u

(

N

e

w

to

n

)

Sudut uap masuk

α₁ (..

°)

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 630

635 640 645 650 655 660 665 670 675

Grafik hubungan

sudut uap masuk

α₁

vs daya mekanis Pu

Sudut uap masuk

α₁ (..

°)

D

a

y

a

m

e

k

a

n

is

P

u

(k

W

a

tt

Lampiran II.

Tabel dan grafik hubungan koefisien kecepatan (u/c

1

) atau (X) dengan effisiensi turbin

Koefisien kecepatan (X)

Efisiensi (

η)

0,000 0,0000

0,100 0,3216

0,200 0,5671

0,300 0,7420

0,351 0,8016

0,400 0,8407

0,483 0,8663

0,500 0,8652

0,600 0,8154

0,700 0,6913

0,800 0,4911

0,900 0,2204

0,966 0,0000

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

koefisien kecepatan (X)

ef

fi

s

iens

i

Grafik Effisiensi vs koefisien kecepatan

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Grafik effisiensi sebagai fungsi u/c

u/c

ef

fi

s

ien

s

i

0 drjt

15 drjt

30 drjt

45 drjt

60 drjt

75 drjt

90 drjt

Lampiran III.

Grafik hubungan sudut terhadap daya dan efisiensi turbin

2

α

1

α

0 5 10 15 20 25 30 50

60 70 80 90 100 110

u/c1=0.5 u/c1=0.483 u/c1=0.6 Daya Mekanis