Turbin aksial adalah jenis turbin yang proses ekspansinya terjadi tidak hanya pada sudu diam, tetapi juga terjadi pada gerak, sehingga penurunan seluruh
kandungan kalor pada semua tingkat, kurang lebih terdistribusi secara seragam. Turbin aksial aksi impuls adalah jenis turbin aksial yang proses
ekspansinya terjadi hanya pada sudu diam saja dan energi kecepatan diubah menjadi energi mekanis pada sudu-sudu turbin tanpa terjadi ekspansi yang lebih
lanjut. Turbin impuls ini sendiri contohnya yaitu turbin kurtis turbin dengan kecepatan bertingkat dan turbin retue turbin dengan tekanan bertingkat.
Maka dalam perencanaan ini dipilih turbin aksial, jenis turbin aksial reaksi karena:
• Pada tipe ini, kecepatan tangensial yang mengalir diantara sudu sudu
adalah tidak terlalu besar, sehingga kerugian gesekan akibat kecepatan juga tidak terlalu besar.
• Effisiensi tingkat pada tipe reaksi lebih baik dari pada yang lainnya,
dengan perbandingan kecepatan yang lebih besar. •
Pada tipe reaksi, effisiensi maksimum dapat dicapai pada daerah perbandingan UV = 0,8 sd 0,9
Untuk perencanaan turbin aksial, ada beberapa hal yang perlu diperhatikan dan ditetapkan, sebagai berikut :
• Koeffisien aliran sudu
ψ
= 3 lit 3 hal 111
• Kecepatan tangensial rata-rata Um = 350 – 400ms
• Kecepatan aliran gas Ca
= 150 ms lit 3 hal 671
• Derajat reaksi tingkat R
R
= 0,5 lit 1 hal 546
5.2. Perencanaan Sudu Turbin
Untuk turbin dengan derajat reaksi 50 dapat ditentukan bahwa :
2 3
β tan
tan 1
β φ
=
Universitas Sumatera Utara
2 3
β α
=
dan
3 2
α β
=
C
3
= C
1
sehingga
2 3
1
β α
α =
=
1. Penurunan temperatur tiap tingkat turbin
Δ
Tos Penurunan temperatur tiap tingkat turbin ini masih merupakan nilai yang
diperoleh dari penentuan harga U
m
. setelah itu akan disubstitusikan kembali untuk mendapatkan nilai yang sebenarnya.
2
Δ 2
ψ
m s
pg
U To
c =
=
s
To Δ
188,67 K 2. Total penurunan temperatur gas
Δ
To Total penurunan temperatur ini merupakan selisih dari temperatur masuk
dan keluar turbin.
Δ
To = T
03
– T
04
= 1134,54 K –639,84 K = 494,7K
3. Jumlah tingkat turbin yang dibutuhkan n Dari perhitungan penurunan temperatur tiap tingkat dan total penurunan
temperatur gas di atas, akan diperoleh jumlah tingkat turbin yang dibutuhkan. n =
s
To To
Δ Δ
= 2,62
≈
3 tingkat
Universitas Sumatera Utara
Hasil ini disubstitusikan kembali untuk mendapatkan harga
Δ
Tos dan Um yang sebenarnya.
= 164,9 K Maka,
3 =
2
Δ 2
m s
pg
U To
c
= 355,25 ms
5.3. Kondisi Gas Dan Dimensi Sudu Tiap Tingkat.
Untuk merancang sudu turbin dibutuhkan kondisi gas baik dalam keadaan statis maupun stagnasi pada setiap tingkat. Baik pada saat gas masuk sudu diam.
keluar sudu diam dan masuk sudu gerak, serta keluar sudu gerak dan masuk sudu. Dalam rancangan ini akan dibahas analisis data kondisi gas meliputi perhitungan
temperatur dan tekanan juga massa jenis aliran untuk setiap tingkat turbin. Penampang annulus turbin aksial pada gambar di bawah untuk satu tingkat turbin
yang terdiri dari sudu diam s
d
dan sudu gerak s
g
Gambar 5.1. Sudu tetap dan sudu gerak dalam ruang anulus
Universitas Sumatera Utara
Keterangan gambar : sd = sudu dian
sg = sudu gerak h = tinggi sudu
w = lebar sudu Kondisi masuk sudu diam
Dari gambar 5.1 di atas yaitu pada titik 1, kondisi gas pada sudu tingkat I ini sama dengan kondisi gas masuk tubin
Dimana : =1134,54 K
= 12,08 bar Massa jenis gas masuk sudu diam tingkat I
adalah :
3,709 kgm
3
Kondisi keluar sudu diam dan masuk sudu gerak Pada sudu gerak tinggi sudu dibuat lebih tinggi dari sudu tetap hal ini
dimaksudkan agar semua aliran gas yang keluar dari sudu tetap dapat ditampung oleh sudu gerak, karena aliran gas tersebut menyebar kearah sisi luar.
dimana : R
R
= Derajat reaksi 0,5
Universitas Sumatera Utara
Sehingga :
P
2t
= 8,93 bar Temperatur pada titik 2t adalah :
T
2t
= T
1t -
Δ
T
os.
R
R
=1.134,54- 164,9.0,5 = 1.052,09 K
Massa jenis gas masuk sudu gerak tingkat I adalah :
2,957 kgm
3
Kondisi keluar sudu gerak Maka tekanan pada titik 3
t
adalah :
P
3t
= 6,44 bar Temperatur pada titik 2t adalah :
T
3t
= T
2t -
Δ
T
os.
R
R
= 1.052,09- 164,9.0,5
Universitas Sumatera Utara
= 969,64 K Massa jenis gas keluar sudu gerak tingkat I
adalah :
2,314 kgm
3
Jadi untuk drop temperatur terendah dan penurunan tekanan sampai mendekati 1 bar tekanan keluar turbin gas, diperoleh 3 tingkat turbin. Kondisi setiap tingkat
dapat ditabulasikan pada tabel 5.1 sesuai dengan penghitungan di atas.
Gambar 5.2. Diagram kecepatan sudu Turbin Aksial
Tabel 5.1. Kondisi gas pada tiap tingkat sudu turbin Kondisi Gas
Tingkat Turbin I
II II
P
1t
bar 12,08
6,45 3,06
T
1t
K 1.134,54
969,64 804,74
kgm
3
3,709 2,32
1,32 P
2t
bar 8,93
4,52 1,98
T
2t
K 1.052,09
887,19 722,29
Universitas Sumatera Utara
kgm
3
2,958 1,774
0,957 P
3t
bar 6,44
3,06 1,22
T
3t
K 969,64
804,74 639,84
kgm
3
2,314 1,324
0,665 Ukuran-ukuran jari-jari sudu sesuai gambar 4.1. dapat dihitung untuk
setiap jumlah aliran massa gas masing-masing baris. Menurut lit.[2] Hal.294, pendinginan sudu menggunakan 1.5 - 2 udara kompresi pada tiap tingkat
sudu sehingga tiga tingkat turbin didinginkan dengan 4.5 - 6 untuk itu perbandingan yang diambil sebesar 5 udara kompresi Maka laju aliran massa
pendingin m
p
adalah : m
p
= 5 .m
u
=5 x 845,76 kgs = 42,28 kgs
≈
42 kgs untuk setiap baris sudu didinginkan n=6, maka ;
7 kgs udara Dimana udara pendingin ini ikut berekspansi pada tingkat berikutnya. Kecepatan
keliling rata-rata sudu U
m
adalah : U
m= 2
π
.
r
m.
n Cohen et al 1987
dimana: U
m
= Kecepatan keliling rata-rata sudu ms r = Jari- jari rata-rata sudu m
N = putaran poros turbin 3000 rpm Maka :
Universitas Sumatera Utara
1,131 m Kondisi masuk sudu diam
Luas annulus A
1t
=
a g
C m
1 1
ρ
dimana :
1 g
m
= Laju aliran massa gas masuk sudu diam = m
u
+ m
f
-m
p
+ m
pn
= 845,76+13,53 - 42+7 = 810,29 kgs
maka :
1,456 m
2
Tinggi sudu pada kondisi I, adalah ;
dimana : h
1t
= Tinggi sudu m A
1t
= Luas anulus m
2
Maka :
Jari-jari akar sudu tetap r
r1
r
r1
= 1,029 m Jari-jari puncak sudu tetap r
t1
Universitas Sumatera Utara
r
t1
= 1,233 m
Kondisi masuk sudu gerak Luas annulus
dimana :
maka :
1,842 m
2
Tinggi sudu pada kondisi II, adalah ;
Maka :
Jari-jari akar sudu tetap r
r2
r
r2
= 1,002 m
Universitas Sumatera Utara
Jari-jari puncak sudu tetap r
t2
r
t2
= 1,261 m Kondisi keluar sudu gerak
Luas annulus
dimana :
maka :
2,374 m
2
Tinggi sudu pada kondisi III, adalah ;
Maka :
Jari-jari akar sudu tetap r
r3
r
r3
= 0,964 m
Universitas Sumatera Utara
Jari-jari puncak sudu tetap r
t1
r
t3
= 1,298 m Ukuran perencanaan sudu untuk setiap kondisi pada tingkat turbin dapat di
tabulasikan sesuai tabel berikut : Tabel 5.2. Ukuran-ukuran utama sudu turbin pada setiap tingkat
Notasi Ukuran Sudu
Tingkat Turbin I
II III
I mg1 kgs
810,29 831,29
852,29 A1t m2
1,456 2,395
4,295 h1t m
0,205 0,337
0,605 rr1m
1,029 0,962
0,829 rt1 m
1,233 1,300
1,433
II mg2 kgs
817,29 838,29
859,29 A2t m2
1,842 3,153
5,989 h2t m
0,259 0,444
0,843 rr2m
1,001 0,909
0,710 rt2 m
1,261 1,353
1,552
III mg3 kgs
824,29 845,29
866,29 A3t m2
2,375 4,260
8,686 h3t m
0,334 0,600
1,222 rr3m
0,964 0,831
0,520 rt3 m
1,298 1,431
1,742
Tinggi rata-rata sudu diam h
n1
adalah nilai rata-rata dari tinggi sudu pada kondisi 1 dan 2, sebagai berikut :
Sehingga :
Universitas Sumatera Utara
Tinggi rata-rata sudu gerak h
s1
adalah nilai rata-rata dari tinggi sudu pada kondisi 2 dan 3, sebagai berikut :
Sehingga :
Tebal lebar sudu gerak w Tebal sudu gerak pada tingkat 1 adalah :
Lebar celah aksial C Lebar celah aksial merupakan celah yang dirancang antara sudu gerak dengan
penutup agar sudu dapat berputar bebas.
C = 0,25. w
s1
= 0,25 x m
= 0,025 m Lebar celah radial K
Lebar celah radial merupakan celah yang dirancang antara puncak sudu gerak dengan sudu gerak yang dapat ditentukan dengan perbandingan Kh
K = 0,02. h
s1
= 0.02 x m
Universitas Sumatera Utara
= 0,0059 m Tabel 5.3. Ukuran-ukuran skunder sudu turbin pada setiap tingkat
Ukuran Sudu Tingkat Turbin
I II
II h
n1
m 0,232
0,390 0,724
h
s1
m 0,297
0,522 1,033
w
s1
m 0,099
0,174 0,344
C m 0,025
0,043 0,086
K m 0,0059
0,0104 0,0207
5.4. Diagram Dan Sudut Kecepatan Tiap Tingkat Turbin
