Studi Variasi Tinggi Sudu Turbin terhadap Daya Output Turbin pada Pembangkit Tenaga Uap PKS Kapasitas 30 ton TBS/ jam

STUDI VARIASI TINGGI SUDU TURBIN TERHADAP

DAYA OUTPUT TURBIN SEBAGAI PEMBANGKIT

TENAGA UAP PADA PKS KAPASITAS 30 TON

TBS/JAM

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Memenuhi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

NIM. 040401010

NABAHANSYAH RITONGA

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

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 “Studi Variasi Tinggi Sudu Turbin terhadap Daya Output 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. H. A. Halim Nasution, Msc 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 telah

memberikan dan mengajarkan ilmu.

4. Kedua orang tua yang tercinta yang selalu memberikan motivasi dan do’a

dalam menyelesaikan skripsi ini, termasuk Pak H. Mahmud S dan kedua adik-adikku yang senantiasa memberikan dukungan untuk menyelsaikan skripsi ini.

5. Rekan-rekan Mahasiswa Teknik Mesin khususnya Irfandi, Fajar

Muhammadin, Alfansuri, Raja Naposo Harahap, Gunawan, Ahmad Balko, Ilham, Sefri, Ali Fatanah, Alam dan Asril Sitorus yang

senantiasa membantu dan memberikan masukan guna penyelesaian skripsi ini.

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih belum mencapai 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, April 2010

Penulis,

040401010

DAFTAR ISI

Kata Pengantar ……….. i

Daftar Isi ……… iii

Daftar Gambar ………. vi

Daftar Simbol ……….... viii

Daftar Tabel ………... . x

BAB I. PENDAHULUAN ... 1

1.1Latar Belakang ... 1

1.2Maksud Dan Tujuan ... 2

1.3Batasan Masalah ... 2

1.4Metode Penulisan ... 3

1.5Sistematika Penulisan ... 3

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA ……….. 4

2.1Pandangan Umum Tentang Turbin Uap Sebagai Pembangkit Tenaga … 4 2.2Analisa Termodinamika ... 8

2.3Komponen Instalasi Turbin Uap ……….. 10

2.4Klasifikasi Turbin Uap ... 16

2.5Bagian-bagian Turbin ... 19

2.6Kerugian Energi pada Turbin Uap ... 20

2.6.1 Kerugian Energi Kalor pada Katup Pengatur ... 21

2.6.2 Kerugian Energi Pada Nosel ... 22

2.6.4 Kerugian Energi Akibat Kecepatan Keluar ... 24

2.6.5 Kerugian Energi karena Gesekan Roda dan Ventilasi ... 24

2.6.6 Kerugian akibat Ruang Bebas ... 25

2.6.7 Kerugian Akibat Kebasahan Uap ... 26

2.6.8 Kerugian akibat Pemipaan Buang ... 26

2.6.9 Kerugian Mekanis ... 27

2.6.10 Efisiensi dalam Turbin ... 28

BAB III. PRINSIP DAN PERHITUNGAN TURBIN IMPULS SERTA ANALISIS ALIRAN UAP MELALUI SUDU ... 29

3.1Dasar Teori Impuls ... 29

3.1.1 Prinsip Impuls dan Momentum ... 29

3.2Asas Impuls Pada Turbin ... 31

3.3Prinsip Turbin Impuls ... 33

3.4Perubahan Energi Thermal Menjadi Energi Kinetis ... 34

3.5Transformasi Energi Pada Sudu ... 36

3.6Analisis Kecepatan Aliran Uap ... 38

3.7Gaya Tangensial Turbin ... 41

3.8Daya Mekanis yang dihasilkan Turbin ... 42

BAB IV. ANALISIS VARIASI SUDUT SUDU-SUDU IMPULS TERHADAP ENERGI MEKANIS TURBIN ... 45

4.1 Prinsip Aksi Aliran Uap Melalui Sudu ... 45

4.2 Analisis Aliran Uap Melalui Penempang Sudu Yang Bervariasi ... 46

4.3.1 Data hasil Survey Studi ... 51

4.3.2 Perhitungan Data ... 52

4.4 Perhitungan Distribusi Laju Aliran Massa Pada Permukaan Sisi Keluar Nozel ... 54

4.5 Perhitungan Momen Kelembaman Rotor dari Masing-Masing Tinggi Sudu yang Divariasikan ... 62

4.5.1 Menghitung Luas Penampang Profil Sudu ... 62

4.5.2 Menghitung Momen Inersia Rotor Turbin ... 74

4.6 Analisis Aliran Uap Melalui Tinggi Sudu Yang Bervariasi ... 79

4.6.1 Analisa Tinggi Sudu ½ ... 80

4.6.2 Analisa Tinggi Sudu 2/2 ... 86

4.6.3 Analisa Tinggi Sudu 3/2 ... 88

4.6.4 Perbandingan Daya Output Hasil Analisa Secara Teoritis Terhadap Data survey ... 90

BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN ... 95

5.1 Kesimpulan ... 95

5.2 Saran ... 96

DAFTAR PUSTAKA 97

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 2.17 Efisiensi Mekanis Turbin Uap

Gambar 2.18 Efisiensi Generator

Gambar 2.19 Efisiensi Efektif

Gambar 3.1. Impuls pada sudu Turbin

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 Siklus Rankine

Gambar 4.5 Permukaan sisi keluar Nozel yang telah dibagi dalam 5 node

Gambar 4.6 Distribusi kecepatan aliran uap pada sisi keluar Nozel

Gambar 4.7 Distribusi laju aliran massa pada Nozel

Gambar 4.8 Permukaan profil sudu

Gambar 4.9 Permukaan profil sudu yang dianalisa

Gambar 4.10 Permukaan profil sudu yang telah dibagi dalam tiga daerah

Gambar 4.11 Cakra hub

Gambar 4.12 Tinggi sudu ½

Gambar 4.13 Tinggi sudu

DAFTAR TABEL

DAFTAR SIMBOL

Simbol Arti Satuan

A Luas penampang turbin m2

b Lebar sudu turbin m

c1 Kecepatan uap mutlak masuk sudu m/s

cit Kecepatan uap teoritis m/s

d Diameter turbin m

F Gaya impuls N

Fu Gaya tangensial turbin N

g Percepatan gravitasi bumi m/s2

h Entalphy uap kJ/kg

l Tinggi nozel m

Mt Momen torsi Nm

m Massa uap kg



m Laju aliran massa uap kg/s

n Jumlah putaran turbin setelah direduksi rpm

P Momentum kg.m/s

Pu Daya/ energi mekanis turbin kWatt

P0 Tekanan uap masuk turbin bar

P2 Tekanan uap bekas turbin bar

u Kecepatan tangensial turbin m/s

v Spesific volume m3/kg

w1 Kecepatan relatif uap masuk sudu turbin m/s

x Kualitas uap --

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 Kerugian pada sudu-sudu --

ω Kecepatan sudut rad/s

nt Putaran turbin rpm

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. Bentuk 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 merancang bentuk sudu yang sesuai.

Memilih bentuk sudu yang tepat, selain meningkatkan efisiensi dan efektifitas kerja turbin, juga akan mempengaruhi efisiensi tempat. Hal ini akan

menghindari pemakaian tempat berlebihan. Jika suatu instalasi turbin uap hendak dibangun, namun memiliki keterbatasan tempat, sementara tenaga yang dibutuhkan seyogiyanya akan diperoleh pada instalasi yang lebih besar. Maka cara yang paling efektif untuk menanganinya salah satunya adalah dengan mengefisienkan tempat dibangunnya instalasi tersebut. Caranya bisa dengan memperkecil diameter turbin yang digunakan nantinya, namun diupayakan daya yang dihasilkan turbin tidak berkurang. Untuk mewujudkan hal ini yakni dengan merancang sudu-sudu yang sedemikian rupa. Bagaimanakah bentuk sudu yang paling efektif dan bagaimana cara menentukannya adalah merupakan pembahasan lebih lanjut pada skripsi ini.

1.2Maksud Dan Tujuan

Maksud dari penulisan skripsi ini adalah untuk membantu dalam merencanakan dan memilih tinggi sudu turbin uap yang paling efektif dan efisien yang digunakan untuk merubah energi kecepatan uap menjadi energi mekanis turbin dalam bentuk putaran, dan selanjutnya menjadi daya putaran poros yang dihubungkan ke generator.

1.3Batasan 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 tinggi 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 tinggi 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

• Analisa segitiga kecepatan aliran uap pada sudu

• Variasi tinggi sudu yang dianalisa hanya enam variasi tinggi sudu

1.4 Metode Penulisan

Dalam melakukan analisis variasi tinggi 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

Adapun sistematika penulisan tugas skripsi ini adalah sebagai berikut :

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 tinggi sudu-sudu turbin, berisikan analisis

dan komparasi dari beberapa tinggi sudu turbin yang dibuat bervariasi.

5. BAB V : Kesimpulan dan Saran, berisikan secara garis besar hasil

dari analisis variasi tinggi sudu turbin terhadap efisiensi energi kinetik uap.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pandangan Umum

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.

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 SM,

Hero di Alexandria membuat prototipe turbin yang pertama yang bekerja

berdasarkan prinsip reaksi seperti terlihat pada gambar 2.1. Alat ini menjadi

instalasi tenaga uap yang primitif, terdiri dari sumber kalor, bejana yang diisi

dengan air, penampang berbentuk bola dengan pipa penyembur (nozel). 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

Gambar 2.1 Mesin uap buatan Hero

(Sumber : Shlyakhin, P. Turbin Uap dan Perancangan, hal. 3)

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, 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

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 : Shlyakhin, P. Turbin Uap dan Perancangan, hal. 4)

Keterangan :

1. Ketel Uap

2. Pipa panjang sebagai nosel

3. Roda mendatar dengan sudu-sudu

4. Poros roda mendatar

5. Roda gigi transmisi

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

(Sumber : Shlyakhin, P. Turbin Uap dan Perancangan, hal. 5)

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

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 putaran 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 2.4 Diagram alir Siklus Rankine

Gambar 2.5 Diagram T-s Siklus Rankine

(Sumber : Cengel, Yunus A, Boles Michael A. Thermodinamics)

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

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 – h1

• Penambahan Kalor pada Boiler Qin = h3 – h2

• Kerja Turbin WT = h3 – h4

• Kalor yang dibuang pada Kondensor Qout = h4 – h1

• Efisiensi Thermal η_th =

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 Turbin 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

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

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.

Pompa 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

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

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 heat recovery boiler.

Sistem boiler terdiri dari sistem air umpan, sistem 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 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.

Secara umum boiler dibagi kedalam dua jenis yaitu : boiler pipa api (Fire tube

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

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

Gambar 2.8 Turbin

4. Kondensor

Kondensor merupakan alat penukar kalor yang berfungsi untuk

mengkondensasikan uap keluaran turbin. Uap setelah memutar turbin langsung

mengalir menuju kondensor untuk diubah 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

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 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

Gambar 2.10 Penampang Turbin Aksi

b) Turbin reaksi, yaitu turbin yang perputaran sudusudu 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

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

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 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. Sebagaimana

Gambar 2.13 Bagian-bagian turbin

(Sumber :

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

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 kedudukannya.

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 membungkusatau

menutupi kuntruksi 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

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 - po'

= (3-5)% po

Untuk tujuan perancangan kerugian tekanan diambil sebesar 5% atau dapat

dituliskan:

∆p= (0,05)po

Kerugian energi yang terjadi pada katup pengatur ditentukan dengan :

∆H = Ho-Ho’ (kkal/kg)

Dimana :

Ho = Penurunan kalor isentropis dengan mengabaikan kerugian (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

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’ (kkal/kg)

dimana: c1t = Kecepatan uap masuk teoritis (m/det)

c1 = ϕ.c1t = Kecepatan uap masuk mutlak (m/det)

hn = Besar kerugian pada nosel

ϕ = Koefisien kecepatan atau angka kualitas 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 60).

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)

Kerugian energi pada sudu-sudu menyebabkan penurunan kecepatan keluar nisbi

ω2 lebih kecil dari kecepatan masuk nisbi ω1 (ω2 = ψ. ω1). Sebagai akibatnya akan

terjadi penurunan energi kinetik sebesar:

g 2 -EK 2 2 2 1 ω ω =

∆ (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 =

( )

12

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 untuk turbin impuls (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 untuk setiap satu kilogram uap dapat

ditentukan yaitu:

g 2

c22 (kg.m/kg), jadi sama dengan kehilangan energi sebesar:

he =

8378 c22

2.6.5. Kerugian Energi karena Gesekan Roda dan Ventilasi

Kerugian ini terjadi karena adanya gesekan antara rotor dengan uap dan

kerugian pengadukan dalam hal pemasukan parsial. Sebagai akibatnya kerja digunakan

untuk melawan gesekan, dan kecepatan partikel uap akan dikonversi menjadi kalor,

sehingga memperbesar kandungan kalor uap. Kerugian ventilasi sulit dihitung secara

teoritis dan umumnya dihitung secara empiris. Salah satu rumus empiris yang dipakai

adalah rumus Stodola, yaitu:

N angin = λ[ 1,07 d2 + 0,061 z (1 - ε ) dl110,5 ] x ₆ 2

10 u

γ (kW)

Dimana: N angin = daya yang hilang dalam mengatasi gesekan;

λ = koefisien yang biasanya satu untuk uap panas lanjut

temperatur tinggi, untuk uap panas lanjut antara 1,1

dan 1,2 , untuk uap jenuh 1,3;

γ = bobot spesifik uap di dalam mana cakram itu

berputar, dalam kg/m3

Kerugian akibat gesekan cakram dan ventilasi dalam satuan kalor dapat

ditentukan dari persamaan berikut:

h angin =

G 427

N 102 angin

×

× (kkal/kg)………...………. (Lit. 1, hal 64)

2.6.6. Kerugian akibat Ruang Bebas

Ada perbedaan tekanan di antara kedua sisi cakram nosel yang dipasang pada

stator turbin ,sebagai akibat ekspansi uap di dalam nosel.Diafragma yang mempunyai

sudu sudu gerak adalah dalam keadaan berputar ,sementara cakram-cakram adalah

cakram-cakram putar dan diafragma. Adanya perbedaan tekanan menyebabkan adanya

kebocoran melalui celah ini, yang besarnya:

h kebocoran = G G_kebocoran

( i0 - i2) (kkal/kg)………...…..(Lit. 1, hal 64)

dimana G kebocoran ditentukan berdasarkan tekanan kritis

Pkr =

5 , 1 z p 85 , 0 ₁ +

× _{) ...………....…..(Lit. 1, hal 67)}

Bila tekanan kritis lebih rendah dari p2 ,maka kecepatan uap di dalam labirin

adalah lebih rendah daripada kecepatan kritis dan massa alir kebocoran ditentukan

dengan persamaan:

Gkebocoran = 100 fs

1 1 2 2 2 1 zp ) p p ( g υ

− _{...………....…..(Lit. 1, hal 67)}

sebaliknya ,bila tekanan kritis lebih tinggi dari p2 , maka kecepatan uap adalah lebih

tinggi dari kecepatan kritisnya dan massa lair kebocoran dihitung dengan :

Gkebocoran = 100 fs

1 1 p 5 . 1 z g υ ×

+ ...………....…..(Lit. 1, hal 67)

Gambar 2.16 Efisiensi Mekanis Turbin Uap

2.6.7. Kerugian Akibat Kebasahan Uap

Dalam hal turbin kondensasi, beberapa tingkat yang terakhir biasanya beroperasi

pada kondisi kondisi uap basah yang menyebabkan terbentuknya tetesan air . Tetesan

air ini oleh pengaruh gaya sentrifugal akan terlempar ke arah keliling. Pada saat

bersamaan tetesan air ini menerima gaya percepatan dari partikel-partikel uap searah

dengan aliran, jadi sebagian energi kinetik uap hilang dalam mempercepat tetesan air

ini.

hkebasahan = ( 1-x) hi ...………...…..(Lit. 1, hal 68)

Dimana x adalah fraksi kekeringan rata- rata uap didalam tingkat yang dimaksud.

2.6.8. Kerugian akibat Pemipaan Buang

Kecepatan uap buang (cs) dari turbin kondensasi dapat mencapai sebesar (100 -

120 m/s), sehingga kerugian pemipaan buang harus dihitung.

Kerugian tekanan pada pemipaan buang dapat ditentukan dari:

p2 - p2k = λ (cs/100)2 p2k

dimana : λ koefisien yang bervariasi dari 0,07 sampai 0,1 p2k tekanan uap dalam pemipaan buang

2.6.9. Kerugian Mekanis

Kerugian mekanis ini disebabkan oleh energi yang digunakan untuk mengatasi

tahanan yang diberikan oleh bantalan luncur dan dorong termasuk bantalan luncur

generator.

Kerugian mekanis pada instalasi turbin dicakup oleh suatu besaran yang disebut

Gambar 2.17 Efisiensi Mekanis Turbin Uap

(Sumber : Dietzel, Firtz. Turbin, Pompa dan Kompresor, hal. 88)

Sedangkan efisiensi generator dapat diperoleh dari grafik dibawah :

Gambar 2. 18 Efisiensi Generator

(Sumber : Dietzel, Firtz. Turbin, Pompa dan Kompresor, hal. 88)

2.6.10. Efisiensi dalam Turbin

Hubungan antara kerja yang bermanfaat yang dilakukan oleh 1 kilogram uap

di pada tingkat atau di dalam turbin terhadap kerja teoritis yang tersedia disebut sebagai

efisiensi-dalam turbin.

Besarnya efisiensi dalam turbin uap dapat ditentukan dari :

e m oi

η η = η

dimana : ηm merupakan efisiensi mekanis

ηe merupakan efektif efektif

Besarnya efisiensi efektif dapat ditentukan dari grafik dibawah :

Gambar 2. 19 Efisiensi efektif

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. Arah momentum sama

dengan arah kecepatan.

Dari persamaan di atas, tampak bahwa momentum (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

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 kita tinjau 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, maka :

∫

2 1

t

t F.dt =

∫

2 1 v v m.dv

∫

2 1 t

Bila t1 = 0 dan t2 = t, maka :

F.t = m ( v2 – 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

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

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. Bentu

pertama simetris dipakai pada turbin uap Curtis dan bentuk yang kedua dipakai turbin

uap Rateau.

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.

Gambar 3.4. Aliran uap pada nosel

3.4. Perubahan Energi Thermal Menjadi Energi Kinetis

Bila uap berekspansi melalui orifice yang kecil, akan menghasilkan energi yang

sedmbang dengan perubahan entalpinya. Energi kinetis diserap pleh sudu-sudu turbin

yang akan menghasilkan ekspansi isentropis. Kecepatan uap keluar nosel sangat

Ci

Co

Po To

Pi

o

i

Gambar 3.5. saluran uap pada nosel

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 + u1

; p.v + u = h, maka :

2

2 o

c

+ ho =

2

2 1t

c

+ h1

2 2 1t c - 2 2 o c

= ho - h1

c1t = 2(ho −h1)+co2 ………kJ/kg

c1t = 2.1000.(ho −h1)+co2 ……...J/kg

c1t = 44,72

2 1)

.(h_o −h +c_o

; jika co = 0, maka

c1t = 44,72 .(ho −h1)

3.5. Transformasi Energi Pada Sudu

Uap yang keluar dari nozel diam dengan kecepatan mutlak C1 akan memasuki

sudu gerak. Sesuai dengan bentuk sudu gerak dan kerugian-kerugian yang terjadi

padanya, arah dan kecepatan uap yang mengalir melaluinya akan mengalami perubahan,

kemudian uap meninggalkan sudu gerak dengan kecepatan Ca seperti pada gambar

berikut.

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 = Kecepatan uap mutlak meninggalkan nosel

u = Kecepatan tangensial sudu

w1 = kecepatan relatif uap masuk sudu

w2 = Kecepatan relatif uap meninggalkan sudu

c2 = Kecepatan mutlak uap meninggalkan sudu

1

α = sudut nosel

1

β = sudut masuk sudu

2

α = sudut keluar sudu

2

3.6. Analisis Kecepatan Aliran Uap

Pada gambar 3.8 di bawah terlihat skema turbin de laval atau turbin impuls satu

tahap. Turbin terdiri dari satu atau lebih nozel konvergen divergen dan sudu-sudu

impuls terpasang pada roda jalan (rotor). Tidak semua nozel terkena semburan uap

panas dari nozel hanya sebagian saja. Pengontrolan putaran dengan jalan menutup satu

atau lebih nozel konvergen divergen.

Gambar 3.8 Konstruksi turbin uap impuls satu tahap

Adapun cara kerjanya adalah sebgai 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-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 c2._.

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.

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 c1kemudian 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

1. Kecepatan uap mutlak masuk sudu turbin:

c1 = ϕ c1t ) ………. ...(3.5)

c1 = ϕ 44,72 H

c1 = Kecepatan uap mutlak masuk sudu turbin (m/s)

H = Besar panas jatuh (kJ/kg)

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

2. Kecepatan Tangensial sudu :

u =

60 . . ntd

π _{... ...(3.6)}

u = Kecepatan tangensial sudu (m/s)

d = diameter rata-rata turbin (m)

nt = 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 = Kecepatan relatif uap masuk sudu gerak

4. Sudut relatif uap masuk sudu gerak

w1 sinβ1 = c1 sin α 1

sinβ1 = 1

1

1 ×_sinα

w c

...(3.8)

5. Sudut relatif uap keluar sudu gerak

β2 = β1 ...(3.9)

Atau kadang β2 =β1- (3o- 5o)

6. Kecepatan uap keluar sudu gerak

w2 = ψ w1 ...(3.10)

ψ = koefisien sudu gerak

86 , 0

=

ψ

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 sinβ2 = c2 sin α 2

sinα 2 = 2

2 2 sinβ × c w ...(3.12)

3.7. Gaya Tangensial Turbin :

Fu =

o

m

(c1 cosα 1 - c2 cos α 2) ...(3.13)

= o

m

(c1 cosα1 – (- c2 cos α 2))

=

o

m

(c1 cosα1 + c2 cos α 2)

c1 cosα1 + c2 cos α 2 = w1cosβ1 + w2 cosβ2

; w2 = ψ w1

c1 cosα1 + c2 cos α 2 = w1cosβ1 + ψ w1 cosβ2

= (1 + ψ )

cos cos

1 2 β

β _w1cosβ1

c1 cosα1 + c2 cos α 2 = (1 + ψ )

cos cos

1 2 β β _w

1cosβ1

; w1cosβ1= c1 cosα 1 – u

c1 cosα1 + c2 cos α 2 = (1 + ψ )

cos cos

1 2 β β _{( c}

1 cosα 1 – u) ……….(3.14)

jadi :

Fu =

o

m

(c1 cosα 1 + c2 cos α 2)

Fu =

o

m

(1 + ψ )

cos cos

1 2 β β _{( c}

3.8. Daya Mekanis yang dihasilkan Turbin :

Pu =

o

m

.u (c1u – c2u)

karena :

c2u = c2 cos α 2

c1u = c1 cosα1

maka :

Pu =

o

m

.u (c1 cosα1 - c2 cos α 2)

= o

m

.u (c1 cosα1 – (- c2 cos α2))

Pu =

o

m

.u (c1 cosα1 + c2 cos α 2) ……….(3.16)

Dari persamaan 3.14, diketahui bahwa :

c1 cosα1 + c2 cos α 2 = (1 + ψ )

cos cos

1 2 β β _{( c}

1 cosα 1 – u)

dengan mensubstitusikan persamaan 3.14 ke persamaan 3.16, maka akan diparoleh

persamaan :

Pu =

o

m

.u (1 + ψ )

cos cos

1 2 β

Daya mekanis turbin dapat juga ditentukan menurut persamaan berikut :

Pu = Mt. ω ...(3.15)

Mt = Fu. r

ω = u _r

Pu = (Fu. r) (u/r)

Pu = Fu. u ...(3.18)

Jika disubstitusikan persamaan 3.15 ke persamaan 3.18, maka akan menghasilkan

persamaan yang sama dengan persamaan 3.17, yaitu

Pu =

o

m

.u (1 + ψ )

cos cos

1 2 β

BAB IV

ANALISIS VARIASI TINGGI SUDU-SUDU IMPULS TERHADAP

ENERGI 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 okeh 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 )

Fu =

o

Gambar 4.1 Semburan uap dari nosel

(Sumber : Shlyakhin,P. Turbin uap dan Perancangan, hal. 18)

4.2 Analisis Aliran Uap Melalui Penampang 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 besar 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 )

F1 = 5 kg/s (100 m/s – 0)

F1 = 500 N

Kasus (b)

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

c2 = – c1t

Jadi gaya F2 yang bekerja searah dengan kecepatan c1t dari persamaan (4.2), akan sama

dengan :

F2 =

o

m( c1t – c2 )

F2 = 5 kg/s (100 + 100)m/s

Kasus (c)

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

c2 = – c1t

Dalam hal ini semburan uap pada tempat masuk kepermukaan sudu tidak mengalir

dalam arah yang sejajar dengan arah gaya F3 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 c1t dan c2 yang searah dengan garis aksi F3

dengan demikian adalah sama dengan :

c’1t = c1t cos 30 = 100 (0,866) = 86,6 m/s

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

jadi :

F3 =

o

m( c’1t – c’2 )

F3 = 5 kg/s (86,6 + 86,6)

F3 = 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 dekecil 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 – u

Kecepatan w1 dikenal sebagai kecepatan relatif.

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

w2 = c2 = 0

Jadi gaya yang diberikan oleh uap ditentukan dari persamaan :

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 – u

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

w2u = w1u = – c1t cos 30 + u

Oleh sebab itu gaya yang diberikan oleh semburan uap pada benda B adalah :

F’2 = o

m( w1 – w2 ) = 2

o

m( 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 cos 30 – u

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

dan gaya yang diberikan adalah :

F’3 = o

m( w1u – w2u ) = 2

o

m( 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 = 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’.

Untuk kasus (a) :

F’1 = 5 kg/s (100 – 50) = 250 N

Untuk kasus (b) :

F’2 = (2).5 kg/s (100 – 50) = 500 N

Untuk kasus (c) :

F’3 = (2).5 kg/s (100 cos 30 – 50)

F’3 = (2).5kg/s (100 . 0,866 – 50) = 366 N

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

Untuk kasus (b) :

Pu2 = F’2 . u = (500 N) (50 m/s) = 25000 J/s

Untuk kasus (c) :

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 11o sampai 16o (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) : 1630 kWatt

2. Diameter cakra (d) : 800 mm

3. Tinggi sudu turbin : 20 mm

4. Jumlah putaran turbin setelah melalui

roda gigi reduksi (n)` : 3000 rpm

5. Perbandingan transmisi putaran (i) : 3,58

6. Putaran turbin (nt) : 10740 rpm

7. Sudut masuk uap ke turbin (α1) : 20o

8. Pemasukan uap parsial (ε) : 0,25

9. Lebar sudu (b) : 14 mm

10.Jumlah sudu (z) : 209 buah

12.Suhu uap masuk (T1) : 240 oC

13.Tekanan uap bekas turbin (P2) : 3 bar

14.Kualitas uap Keluar turbin (x) : 0,95

15.Spesific volume (v ) : 0,57413 m3/k

α

β

β _α

α

β

β _α

4.3.2 Perhitungan Data

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

a.) Panas Jatuh

Pada tekanan uap masuk 15 bar dan temperatur 240 oC diperoleh :

h1 = 2899,3 kJ/kg

V1 = 0,1483 m3/ kg

Gambar 4.4 Siklus rankine

Kemudian pada saat uap keluar pada tekanan 3 bar diperoleh :

hf = 560,34 kJ/kg

hfg =2164,52 kJ/kg

f = 0,001073 m3/kg

vfg= 0603227 m3/kg

maka : h2 = hf + x hfg

h2 = 560,34 kJ/kg + (0.95) 2164,52 kJ/kg

2= νf + x. fg

= 0,0010703 m3/kg + (0,95) (0,603227 m3/kg)

= 0.57413 m3/kg

Δh = h1 – h2

= 282,66 kJ/kg

b.) Perubahan Energi Potensial Uap Menjadi Energi Kinetis

Dengan hukum kekekalan energi disebutkan bahwa energi sebelum dan sesudah nozel harus sama, maka kecepatan uap keluar nosel teoritis diperoleh :

C1t = 44,72 m/s

c.) Kecepatan uap keluar permukaan nozel teoritis :

C1t = 44,72

= 751 m/s

d.) Kecepatan mutlak uap masuk turbin :

Karena pengaruh koefisien kecepatan (φ) = 0,95

maka :

C1= φ . C1t

= 0,95 (751,8 m/s) = 714 m/s

e.) Laju aliran massa uap keluar permukaan nozel : Q = m.V

Q = A.C

Dari kedua persamaan tersebut didapat : m.V = A.C ---> dimana ; A = Π.d.

Untuk mengetahui Laju aliran massa uap, maka rumus luas penampang juga dipengaruhi

oleh sudut masuk uap (α1) dan pemasukan uap parsial (ε), sehingga rumus diatas menjadi :

A = Π d .ε . sin α1 Maka : =

=

=

5,342312581 kg/s = 5,34 kg/s

4.4 Perhitungan Distribusi Laju Aliran Massa pada Permukaan Sisi Keluar Nozel

Dari survey diperoleh data berikut:

Jenis nozel konvergen – divergen

Tinggi sisi keluar nozel : 18 mm

Lebar sisi keluar nozel : 3 mm

Suhu uap masuk turbin : 240 oC

Tekanan uap masuk turbin : 15 bar

Viskosity dinamik (μ) : 1,302.10-4 Pa.s

Volume spesifik (

)

: 0,1483 m3/kg

Massa jenis (ρ) : 6,7430 kg/m3

Dalam analisa ini diasumsikan Aliran dalam nozel adalah :

- Laminar

Untuk menganalisa distribusi laju aliran massa, kita menggunakan persamaan :

C1 = 0

yang mana dengan menggunakan residu galerkin diperoleh :

Re = C1 dx = 0

Jika U = ψ maka : ; C1 = 0

Dari persamaan ini dapat diperoleh C1= μ, C2 = 0, dan C3 = -dP/dx.

= -3 m

T = 273 + 240

= 513 K

ax =

=

= 437,34 m/s2

=

ρ a

_x =

a

_x

/v

₁

=

= 2949,022 Pa/m

Gambar 4.5 Permukaan sisi keluar nozel yang telah dibagi dalam 5 node

Matrik Kekakuan Elemen

Karena suhu pada sisi-sisi keluar permukaan nozel sama, maka matrik elemen memiliki besar yang sama.

[k](1) = [k](2) = [k](3) = [k](4) = [k](e)

[k](e) =

= + 0

[k](1) =

=

[K](G) =

Matrik Kekakuan Global

[K](G) =

Matrik gaya pada masing-masing elemen :

[F](1) = [F](2) = [F](3) = [F](4) = [F](e)

[F](e) =

[F](1) =

=

= 6,6353

[F](1) =

[F](G) = Matrik Gaya Global

1 0 0 0 0 U1 0

-0.289 0.578 -0.289 0 0 U2 132706

0 -0.289 0.578 -0.289 0 U3 = 132706

0 0 -0.289 0.578 -0.289 U4 132706

0 0 0 0 1 U5 0

Persamaan1 U1 = 0

Persamaan2 -0.289 U1 + 0.578 U2 - 0.289 U3 = 13.2706 Persamaan3 -0.289 U2 + 0.578 U3 - 0.289 U4 = 13.2706 Persamaan4 -0.289 U3 + 0.578 U4 - 0.289 U5 = 13.2706 Persamaan5 U5 = 0

Substitusi U1 ke Pers 2 :

-0.289 U1 + 0.578 U2 - 0.289 U3 = 13.2706 0 + 0.578 U2 - 0.289 U3 = 13.2706 Maka didapat Pers 6 : 0.578 U2 - 0.289 U3 = 3.2706 Substitusi U5 ke Pers 4 :

-0.289 U3 + 0.578 U4 - 0.289 U5 = 13.2706 -0.289 U3 + 0.578 U4 - 0 = 13.2706 Maka didapat Pers 7 : -0.289 U3 + 0.578 U4 = 13.2706 Eliminasi Pers 6 & 3 :

0.578 U2 - 0.289 U3 = 13.2706 -0.289 U2 + 0.578

U3

- 0.289 U4 = 13.2706

0.578 U2 - 0.289 U3 = 13.2706 -0.578 U2 + 1.156

U3

- 0.578 U4 = 26.5412

Maka didapat Pers 8 : 0.867 U3 - 0.578 U4 = 39.8118

Eliminasi Pers 8 & 7 :

0.867 U3 - 0.578 U4 = 39.8118

-0.289 U3 + 0.578 U4 = 13.2706 0.578 U3 = 53.0824 U3 = 91.83806 Substitusi U3 ke Pers 6 :

0.578 U2 - 0.289 U3 = 13.2706 0.578 U2 - 26.5412 = 13.2706 0.578 U2 = 39.8118 U2 = 68.87855

Maka diperoleh Nilai Masing masing :

U1 = 0 U2 = 68.87855 U3 = 91.83806 U4 = 68.87855 U5 = 0

U3 = Umax = 91,838

Maka :

(C1)1 = C1

= 0 m/s

(C1)2 = C1

= 714

= 535,496 m/s

(C1)3 = C1

= 714

= 714 m/s

(C1)4 = C1

= 535,496 m/s

= m/s

Substitusi U3 ke Pers 8 :

0.867 U3 - 0.578 U4 = 39.8118 79.6236 -0.578 U4 = 39.8118 U4 = 68.87855

Gambar 4.6 Distribusi kecepatan aliran uap pada sisi luar nozel

total = (e)

(e)

= =

= ρW (1)= ρW

= 6,7430 . 3.10-3.4,5.10-3

= 3,135.10-3 kg/s

(2)

= 6,7430 . 3.10-3.4,5.10-3

= 7,315.10-3 kg/s

(3)

= 6,7430 . 3.10-3.4,5.10-3

= 7,315.10-3 kg/s

(4)

= 6,7430 . 3.10-3.4,5.10-3

total = (1) + (2) + (3) + (4)

= 19,756.10-3 kg/s

1 = (5,34) kg/s

= 0,847 kg/s

2 = (5,34) kg/s

= 1,977 kg/s

3 = (5,34) kg/s

= 1,977 kg/s

4 = (5,34) kg/s

= 0,847 kg/s

= kg/s

4.5 Perhitungan Momen Kelembaman Rotor dari Masing-Masing Tinggi Sudu yang Divariasikan

Gambar 4.8 Permukaan profil sudu

(sumber: shlyakhin, P. Turbin uap dan perancangan, Hal: 286)

4.5.1 Menghitung Luas Penampang Profil Sudu

Dimana lebar sudu (b) = 14 mm

Dengan mengacu pada gambar 4.8, kita dapat menggambarkan ukuran-ukuran permukaan sudu yang lebarnya 14 mm

R =

=

= 7,968 mm

x1 = x 9,59

x2 = (9,83)

x2 = 7,226 mm

x3 = 14 mm – 7,049 mm

= 6,951 mm

x4 = 14 mm – 7,226 mm

= 6,744 mm

r = x 5,26 mm

= 3,866 mm

y1 = x (4,92 + 1,12) mm

= 4,4397 mm

y2 = x (7,52 - 1,12) mm

= 4,704 mm

y1 = x 6,96 mm

= 5,116 mm

Misal (1) adalah garis 1

(2) adalah garis 2

 Menentukan persamaan garis (1) yang tepat menyinggung lingkaran dengan

jari-jari (r).

1. Perhitungan persamaan garis (1)

Persamaan garis (1) : X = Y/m + 14

(X - 6,774)2 + (Y – 4,704)2 = (3,886)2

( + 14 - 6,774)2 + (Y – 4,704)2 = (3,886)2

( + 7,226)2 + (Y – 4,704)2 = (3,886)2

+ + 52,215076 + Y2 – 9,408 Y + 22,127616 = 14945956

(1 + 1/m2)Y2 + ( - 9,408)Y + 59,396736 = 0

Syarat garis menyinggung lingkaran adalah : D = 0

b2 – 4ac = 0

(14,452/m – 9,408)2 – 4(1 + 1/m2) (59,396736) = 0

(208,860304/m2) – 271,928832/m + 88,510464 – (237,586944/m2) = 0

- (28,72664/m2) – (271,928832/m) – 149,07648 = 0 X -m2

149,07648 m2 + 271,928832 m + 28,72664 = 0

Untuk menentukan nilai m maka harus menyelesaikan persamaan kuadrat tersebut dengan menggunakan rumus ABC :

m1,2 =

m1,2 =

m= - 1,711499677

Y = m (X – 14) = - 1,711499677

Solusi dari persamaan tersebut adalah :

Y1,2 =

–

Y1,2 =

Maka : Y1 = 6,654460015 atau Y2 = 6,654199625

Jadi titik singgung garis (1) terhadap lingkaran dengan jari-jari r = 3,866 adalah : [(10,11191278) , (6,54460015)]

2. Perhitungan persamaan garis (2)

Persamaan garis Y = mX

(X – 6,774)2 + (Y – 4,704)2 = 3,8662 (X – 6,774)2 + (mX – 4,704)2 = 3,8662

X2 – 13,548 X + 45,887076 + m2X2 – 9,408 mX + 22,127616 = 14,945956

(1 + m2) X2 – (13,548 + 9,408 m)X + 53,06836 = 0

Syarat D = 0

Maka : [-(13,548 + 9,408 m)]2 – 4(1 + m2)( 53,06836) = 0

183,548304 + 254,919168 m + (88,510464) m2 – 212,274944 – (212,274944 m2) = 0

(123,76448) m2 - 254,919168 m + 28,72664 = 0

m12 =

m12 =

m1 = 1,940073454 atau m2 = 0,119638411 tidak termasuk

Persamaan garis : Y = 1,940073454 X

(1 + (1,940073454)2 ) X2 – (13,548 + 9,408 (1,940073454)) X + 53,068736 = 0

X1,2 =

=

X1 = 3,337698901

X2 = 3,337569502

Persamaan lingkaran X1 = Y1 = 6,475381031 yang paling memenuhi

Persamaan garis X1 = Y2 = 6,475381035

Persamaan lingkaran X2 = Y1 = 6,475129987

Persamaan garis X2 = Y2 = 6,475129992

Sehingga titik singgung lingkaran r = 3,866 terhadap garis (2) adalah : [(3,337698901) , (6,475381031)]

Persamaan lingkaran dengan jari-jari r : Y = + 4,704

Persamaan lingkaran dengan jari-jari R : Y = + 4,4397

 Luas Sudu Profil

a. Menghitung luas L1

L1 =

L1 =

= - -

(1) (2) (3)

(1) = X2

= 10,80643608 – 0 = 10,80643608 mm2

(2) misal:

(X – 6,941) 7,968

θ

Cos θ =

= 7,968 Cos θ …….(1)

Sin θ = θ = sin-1

X = 7,9681 sin θ + 6,951

= 7,9681 cos θ + 0

dx = 7,9681 cos θ dθ ………(2)

Substitusikan persamaan (1) dan (2) ke dalam persamaan integral (2).

=

= 7,96812

= (7,9681)2/2 [

= (7,9681)2/2 [

=

=

= - 856,0627083 + (-12,8301549) – [-1927,997207 – 13,53778543]

= 1072,642134 mm2

(3) = 4,437 X

= 14,80937002 mm2

Sehingga luas L1 = 10,80643608 + 1072,642134 + 14,80937002

b. Menghitung luas LII

LII =

(1) (2)

= dx + -

–

(3) (4)

(1) dx

misalkan :

Cos θ =

= 3,866 cos θ

Sin θ =

X – 6,774 = 3,866 sin θ

X = 3,866 sin θ + 6,744 dx = 3,866 cos θ dθ

3,866 cos θ dθ =

= 3,8662

= (θ + sin θ cos θ)

=

=

= 446,1424022 + 3,255232707 – (-468,7748181 – 3,043499292)

= 921,2159523

(2) = 4,704 X

= 31,86590209

(3)

misalkan :

Cos θ =

= 7,968 cos θ Sin θ =

X – 6,951 = 7,986 sin θ

X = 7,968 sin θ + 6,951 = 7,968 cos θ dx = 7,968 cos θ dθ

Substitusikan ke persamaan integralnya :

= 7,9682

= 7,9682

=

=

=

=

= 741,9358203 + 11,55978847 – (-856,0528305 – 12,8301549)

= (4) = 4,4397 X

= 30,07547736

Sehingga luas daerah II :

LII = 921,2159523 + 31,86590209 - 1622,378594 - 30,07547736

c. Menghitung luas daerah III : LIII =

(1) (2)

= + -

-

(3) (4)

(1) =

= -80,22587953

(2) = 23,96099538 X

= 93,16243992

(3)

misalkan :

Cos θ =

= 7,968 cos θ

Sin θ = θ = sin-1

X = 7,968 sin θ + 6,951 = 7,968 cos θ + 0 dx = 7,968 cos θ dθ

Substitusikan nilai-nilainya ke dalam persamaan integral :

=

=

7,968

2

=

=

[ θ + ½ sin 2θ]

=

[ θ + sin θ . cos θ]

=

=

= 1974,831136 + 23,53121095 + - (741,9358203 + 12,57199002) = 1243,854537

(4) = 4,4397 X

= 17,26194083

LIII = -80,22587953 + 93,16243992 – 1243,854537 – 17,26194083

Maka didapat luas permukaan sudu :

Lpermukaan sudu = L1 + LII + LIII

= -1076,645068 + (-699,372212) + (-1248,179917)

=

= mm2

4.5.2 Menghitung Momen Inersia Rotor Turbin

- Sudu

Dalam analisa ini, sebuah sudu diasumsikan sebagai partikel

Jenis sudu : sudu profil

Tinggi sudu rata-rata : 20 mm

Lebar sudu : 14 mm

Bahan sudu : Baja paduan Ni-Cr

ρ baja paduan Ni-Cr : 7930 kg/m3

- Momen inersia sudu yang tingginya 1/2

Vs1 = luas profil sudu x ½

= 3024,19702 mm2 x ½ (18 mm)

= 27217,77318 mm3

= 27217,77318 . 10-9 m3

ms1 =ρ baja paduan Ni-Cr x Vs1

= 7930 kg/m3 . 27217,77318 . 10-9 m3

= 21,58369413 . 10-2 kg

mtotal = 21,58369413 . 10-2 kg x 209 buah sudu

c. Galat Tinggi sudu 13,5 mm =

= 15,61 %

d. Galat Tinggi sudu 18 mm =

= 35,15 %

e.

Galat Tinggi sudu 21 mm = = 1,4 %

f. Galat Tinggi sudu 22,5 mm =

= 7,62 % g. Galat Tinggi sudu 27 mm =

= 20,72 %

Pada data hasil analisa terlihat penyimpangan nilai daya output, hal ini disebabkan karena pada perhitungan sebagai berikut:

- Kebocoran uap yang terjadi pada ruang antara permukaan nosel dan sudu diabaikan - Gaya gesekan pada poros turbin terhadap bantalan diabaikan.

- Aliran uap melalui nosel diasumsikan laminar

- Kerugian akibat olakan pada ujung belakang sudu diabaikan - Kerugian akibat kebasahan uap diabaikan

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

Dari data analisa yang telah kita dapatkan dalam studi variasi tinggi sudu turbin terhadap daya output dapat disimpulkan antara lain sebagai berikut :

1. Untuk tinggi sudu ½ l (9 mm) dihasilkan : nt = 7764,8 rpm

U = 328,7 m/s Fu = 1903,0 N Pu = 625,6 kW

2. Untuk tinggi sudu ¾ l (13,5 mm) dihasilkan : nt = 9698,39 rpm

U = 412,89 m/s Fu = 3331,295 N Pu = 1375,46 kW

3. Untuk tinggi sudu l (18 mm) dihasilkan : nt = 10493,3 rpm

U = 449,2 m/s Fu = 4905,99 N Pu = 2203,08 kW

4. Untuk tinggi sudu 7/6 l (21 mm) dihasilkan : nt = 9056,93 rpm

U = 389,13 m/s Fu = 4247,55 N Pu = 1652,85 kW

5. Untuk tinggi sudu 5/4 l (22,5 mm) dihasilkan : nt = 8629,78 rpm

U = 371,46 m/s Fu = 4053,5 N Pu = 1505,7 kW

6. Untuk tinggi sudu 3/2 l (27 mm) dihasilkan : nt = 7955,4 rpm

U = 344,3 m/s Fu = 3752,95 N Pu = 1292,2 kW

7. Dari keenam variasi tinggi sudu yang dianalisa diperoleh kesimpulan bahwa tinggi sudu 18mm yang memiliki daya output paling besar.

5.2. Saran

1. Diharapkan untuk melakukan analisa dengan lebih banyak variasi tinggi sudu agar daya output yang paling optimal dapat diperoleh dengan lebih baik lagi. 2. Diharapkan untuk melanjutkan analisa pada turbin inpuls tingkat tunggal dengan

dua tingkat kecepatan.

3. Sebaiknya diadakan simulasi dengan menggunakan program komputer untuk menganalisa tinggi sudu yang paling tepat.

DAFTAR PUSTAKA

1. Shlyakhin, P. Turbin Uap dan Perancangan, terjemahan Zulkifli Harahap, Penerbit Erlangga, Jakarta 1993.

2. Dietzel, Fritz. Turbin, Pompa dan Kompresor, terjemahan Dakso Sriyono, Penerbit Erlangga, Jakarta 1993.

3. Cengel, Yunus A, Boles Michael A. Thermodinamics, Fourth edition, Mc Graw hill : New York 2002.

4. Menson, Bruce R, Young, Donal F. Mekanika Fluida, edisi keempat jilid 2, alih bahasa Dr. Harinaldi dan Budiarso M.Eng, Penerbit : Erlangga Jakarta, 2003.

5. Moran, Michael J, Shapiro, Howard N, Termodinamika Teknik, jilid 1 dan 2, alih bahasa Yulianto Sulistiyo M.Sc, Ph.D, Penerbit Erlangga, Jakarta 2004.

6. Moaveni, Saeed. Finite Element Analysis, Prentice hall, New Jersey 1999.

7. Rich, Barnett, Schmidt, Philip A. Aljabar Elementer, edisi ketiga, alih bahasa Ir. Julian Gressando, Msc. Penerbit : Erlangga Jakarta 2004.

8. Sears, Zemansky. Fisika Universitas, edisi kesepuluh jilid I, alih bahasa Ir. Endang Juliastuti, Msc. Penerbit : Erlangga, Jakarta 1999.

9. Streeter, Victor L. Wylie, E. Benjamin. Fluid Mechanics, Mc Graw-Hill International book, New York 1981.

10.Gere, Timoshenko. Mekanika Bahan, edisi keempat jilid I, Alih bahasa Ir. Bambang Suryo Datraono, Msc, Phd. Penerbit : Erlangga, Jakarta 1996.