Perancangan Kompresor PERENCANAAN KOMPRESOR, RUANG BAKAR DAN TURBIN

Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008. USU Repository © 2009 8. Temperatur gas buang turbin To 4 : 781,06 K 9. Kerja turbin W t : 587,29 kJkg udara 10. Laju aliran massa udara m a : 470,05 kgs 11. Laju aliran massa bahan bakar m f : 8,25 kgs 12. Daya kompresor N k : 166,504 MW 14. Daya turbin N t : 267,550 MW 15. Daya berguna generator N b : 130 MW 17. Daya semu generator N s : 162,5 MW 18. Laju aliran massa udara total pada kompresor : 500,6 kgs 19. Efisiensi termal siklus th.sikl : 29,7

BAB 4 PERENCANAAN KOMPRESOR, RUANG BAKAR DAN TURBIN

4.1. Perancangan Kompresor

4.1.1 Jumlah Tingkat Kompresor Banyaknya jumlah tingkat kompresor dinyatakan sebagai perbandingan antara kenaikan temperatur setiap tingkatnya. Secara sistematis ,menurut [8] hal 292 adalah : Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008. USU Repository © 2009 s k T T Z ∆ ∆ = α Kenaikan temperatur seluruh tingkat adalah selisih antara temperatur udara keluar dengan temperatur udara masuk kompresor. Dari diagram h – s untuk kompresor dapat dilihat kenaikan temperatur untuk seluruh tingkat yaitu : ∆T = T 02 – T 1 …Lit 2 Hal 159 Sedangkan kenaikan temperatur setiap tingkatnya menurut [2] halaman 166 : 2 1 tan tan . β β λ − = ∆ a s C U Cp T dimana : = Faktor kerja setiap tingkat, besarnya antara 0,80 – 1,0 = diambil 0,9 …Lit 2 hal 166 U = Kecepatan keliling sudu rata-rata = 350 ms Lit 2 hal 161 1 = Sudut kecepatan masuk aksial 2 = Sudut kecepatan keluar aksial Kerapatan udara untuk titik 1 dan 2 diagram h – s adalah : 01 01 1 xT R P a = ρ …. Lit 2 hal 180 dimana : R a = 0,287 kJkg K 1 = 46 , 301 287 , 10 993 , 2 x x = 1,147 kgm 3 Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008. USU Repository © 2009 2 = 02 02 .T R P = 07 , 634 287 , 10 32 , 10 2 x x = 5,671 kgm 3 Jari-jari puncak kompresor adalah r t r t 2 =             − 2 1 1 . . t r at r r Ca m ρ π …Lit 2 hal 180 dimana : t r r r = Perbandingan dasar dan puncak sudu [2] halaman 180 = 0,4 ÷ 0,6 r t 2 =             − 2 1 150 147 , 1 . 500,6 t r r r x π r t 2 =             − 2 1 0,927 t r r r Kecepatan aliran sudu U t diperoleh dari hubungan r k yaitu : U t = 2 . r t . N …Lit 2 hal 180 Sehingga besarnya kecepatan poros rotor adalah : N = t t r U . 2 π = t r . 2 350 π Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008. USU Repository © 2009 Perhitungan harga r t dan N dapat dilakukan dengan memasukkan harga-harga r r r t seperti tabel berikut : Tabel 4.1. Perbandingan dasar dan Puncak Sudu r r r t r t m N rps 0,40 1,051 53,028 0,45 1,078 51,700 0,50 1,112 50,119 0,55 1,153 48,337 0,60 1,203 46,328 Dari tabel tersebut tabel 4.1. dapat dilihat harga yang mendekati putaran poros 3000 rpm = 50 rps adalah pada r r r t = 0,40, sehingga jari-jari tengah sudu rata-rata adalah : r m = 2 t r r r + = 2 051 , 1 420 , + = 0,74 m Kecepatan keliling sudu rata-rata U t : U t = 2 . r m . N = 2 x 0,74 x 50 = 232,36 ms Sudut kecepatan masuk aksial udara pada tingkat pertama menurut [2] halaman 183 adalah : Tan 1 = 55 , 1 150 36 , 232 = = a t C U 1 = 57 17’ Kecepatan relatif udara masuk V 1 Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008. USU Repository © 2009 V 1 = 1 β cas C a ... Lit2 hal 183 = 68 , 276 17 57 150 = Cos ms Kecepatan relatif udara keluar V 2 dapat diketahui dengan mempergunakan angka De Haller minimum yang disarankan menurut [2] hal 183 yaitu V 2 V 1 ≤ 0,72, sehingga didapat : V 2 = 0,72 . V 1 = 0,72 x 276,68 = 199,21 ms Sudut kecepatan keluar aksial 2 adalah : Cos 2 = 2 V C a = 753 , 21 , 199 150 = 2 = 41 15’ Sehingga kenaikan temperatur setiap tingkatnya adalah : ∆ T os = 2 tan tan . . 1 β β λ − a p C U C = 3 10 005 , 1 15 41 tan 17 57 tan 150 36 , 232 9 , x x x − = 21,100 K Jumlah tingkat kompresor yang dibutuhkan adalah : Z k = s s T T T T T 1 02 ∆ − = ∆ ∆ α = 21,100 290,26 - 634,07 = 16,29 ≈ 16 tingkat Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008. USU Repository © 2009 Menurut [2] halaman 166 kemungkinan penggunaan kompresor menghendaki 16 tingkat adalah wajar, mengingat dari pengaruh faktor kerja work – done faktor. Pada perancangan ini diambil 16 tingkat sesuai survey lapangan. Dengan 16 tingkat dan kenaikan temperatur seluruhnya ∆T = 343,81 K, maka kenaikan temperatur rata-rata setiap tingkat adalah 21,47 K. Hal ini normal dalam kenaikan temperatur yang agak rendah pada tingkat pertama dan terakhir. Pada perencanaan ini diambil ∆T o ≈ 20 K untuk tingkat pertama dan tingkat terakhir. Sementara ∆T ≈ 21,7 K untuk tingkat selanjutnya. Perbedaan tekanan untuk setiap tingkatnya adalah : ∆P = n R C 1 = 10,4 116 = 1,157 Bar Volume Spesifik tiap tingkat v adalah : v = 1 1 = 1 1,147 = 0,872 m 3 kg Selanjutnya besarnya tekanan dan temperatur setiap tingkat dapat dihitung seperti berikut: Tingkat I Masuk : Keluar : P = 1 Bar P = 1,157 x 1 = 1,157 Bar T = 303 K T = 303 + 20 = 323 K Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008. USU Repository © 2009 Untuk lebih jelas kondisi setiap tingkat dapat dilihat pada tabel 4.2. sebagai berikut : Tabel 4.2. Kondisi Udara Tiap Tingkat Kompresor Tingkat Udara Masuk Udara Keluar V P Bar T K P Bar T K mkg kgm I 1,000 303 1,157 323 0,872 1,147 II 1,157 323 1,339 344,7 0,739 1,353 III 1,339 344,7 1,549 366,4 0,679 1,473 IV 1,549 366,4 1,792 388,1 0,622 1,609 V 1,792 388,1 2,073 409,8 0,567 1,763 VI 2,073 409,8 2,399 431,5 0,516 1,937 VII 2,399 431,5 2,775 453,2 0,469 2,134 VIII 2,775 453,2 3,211 474,9 0,424 2,356 IX 3,211 474,9 3,715 496,6 0,384 2,607 X 3,715 496,6 4,299 518,3 0,346 2,890 XI 4,299 518,3 4,974 540 0,312 3,209 XII 4,974 540 5,754 561,7 0,280 3,570 XIII 5,754 561,7 6,658 583,4 0,251 3,976 XIV 6,658 583,4 7,703 605,1 0,225 4,436 XV 7,703 605,1 8,913 626,8 0,202 4,954 XVI 8,913 626,8 10,312 646,8 0,180 5,555 4.1.2. Sudu Kompresor Dalam perencanaan sudu kompresor, akan dihitung dimensi utama dari sudu kompresor sistem turbin gas yang tidak terlepas dari faktor-faktor yang dapat mempengaruhinya. 4.1.2.1. Annulus Kompresor Annulus adalah ruang yang dibatasi oleh kompresor casing dan rotor. Massa aliran dalam laluan annulus adalah tetap konstan. Luas annulus sisi masuk kompresor atau tingkat I A 1 A 1 = a C m . 1 ρ …Lit 2 hal 180 dimana : m = m at = massa aliran udara total Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008. USU Repository © 2009 = 500,6 kgs sehingga : A 1 = 150 147 , 1 6 , 500 x = 2,909 m 2 Luas annulus sisi keluar kompresor atau tingkat 16 A 16 A 16 = a at C m . 16 ρ = 150 555 , 5 6 , 500 x = 0,601 m 2 Diambil hubungan puncak dan dasar sudu r r r t = 0,40 dengan r t = 1,051 m, maka r r = r t . 0,4 = 1,051 . 0,4 = 0,42 m Jari-jari rata-rata annulus r m adalah : r m = 2 t r r r + = 2 051 , 1 42 , + = 0,74 m Tinggi sudu gerak kompresor tingkat I h 1 adalah : h 1 = m r A . . 2 1 π = 74 , . . 2 909 , 2 π = 0,626 m Jari-jari puncak r t dan dasar r r sudu gerak tingkat I : r t1 = r m + h 1 2 = 0,74 + 0,626 2 = 1,053 m r r1 = r m – h 1 2 = 0,74 – 0,626 2 Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008. USU Repository © 2009 = 0,427 m Tinggi sudu gerak kompresor tingkat 16 h 16 adalah : h 16 = m r A . . 2 16 π = 74 , . . 2 0,601 π = 0,129 m Jari-jari puncak r t dan dasar r r sudu gerak tingkat 16 : r t16 = r m +       2 16 h = 0,74 + 0,1292 = 0,805 m r r16 = r m -       2 16 h = 0,74 - 0,1292 = 0,676 m Sudu kompresor terdiri dari dua bagian yaitu : 1. Sudu Gerak moving blade 2. Sudu Diam guide blade Derajat reaksi direncanakan 50, maka losses pada sudu gerak sama dengan losses pada sudu tetap. Dengan demikian bentuk kontruksi sudunya akan sama pada tingkat yang sama. Hal ini menguntungkan karena mudah dalam pembuatannya dan sederhana dalam perencanaannya. Telah didapat sebelumnya bahwa : 1 = 2 = 41 15’ 2 = 1 = 57 17’ Sehingga air deflection didapat : Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008. USU Repository © 2009 = 1 – 2 = 57 17’ – 41 15’ = 16 02’ Dari [2] grafik 5,62 untuk 2 = 41 15’ dan = 12 ,57’ diperoleh sc = 1,2 dimana : c = Chord s = Pitch or space Gambar 4.1. Grafik Hubungan sc Aspect Ratio direncanakan hc = 3, maka selanjunya jarak pitch dan chord sudu setiap tingkat dapat dihitung : c = 3 h Untuk tingkat 1 dan 16 : c 1 = 3 0,626 3 1 = h = 0,2087 m s 1 = 1,2 . c 1 = 1,2 x 0,2087 = 0,2504 m Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008. USU Repository © 2009 c 16 = 3 0,129 3 16 = h = 0,043 m s 16 = 1,2 . c 16 = 1,2 x 0,043 = 0,0516 m Tebal Sudu t Pada perencanaan ini direncanakan tebal sudu maksimum adalah 10 Chord, jadi tebal sudu gerak tingkat 1 dan 16 kompresor adalah : t 1 = 10 . c 1 = 0,10 x 0,2087 = 0,02087 m t 16 = 10 . c 16 = 0,10 x 0,043= 0,0043 m Berat Sudu W s W s = volume sudu x berat jenis sudu dimana : V s = h . c. t = 76 kNm 3 ≈ 7,6 x 10 4 Nm 3 Untuk volume sudu tingkat 1 dan 16 : V s1 = h 1 . c 1 . t 1 = 0,626 . 0,2087 . 0,0287 = 0,002727 m 3 = 2,727 . 10 -3 m 3 V s16 = h 16 . c 16 . t 16 = 0,129 . 0,043 . 0,0043 = 0,0000239 m 3 = 2,39. 10 -5 m 3 Sehingga berat sudu kompresor tingkat 1 dan 16 adalah : W s1 = V s1 . = 2,727 x 10 -3 . 7,6 x 10 4 = 207,25 N W s16 = V s16 . = 2,39 . 10 -5 . 7,6 x 10 4 Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008. USU Repository © 2009 = 1,82 N Berdasarkan hasil perhitungan dan data survey maka ukuran-ukuran utama kompresor ditabelkan pada tabel 4.3. sebagai berikut : Tabel 4.3. Ukuran-ukuran utama kompresor Tingkat Jumlah Z Annulus A m Tinggi h m Chord c m Pitch s m Tebal t m Volume V m 3 Berat W N 1 29 2,91 0,63 0,209 0,2504 0,021 2,727 207,3 2 33 2,47 0,53 0,177 0,2123 0,018 1,661 126,3 3 37 2,27 0,49 0,163 0,1950 0,016 1,288 97,9 4 41 2,07 0,45 0,149 0,1786 0,015 0,988 75,1 5 43 1,89 0,41 0,136 0,1630 0,014 0,751 57,1 6 43 1,72 0,37 0,124 0,1483 0,012 0,566 43 7 43 1,56 0,34 0,112 0,1346 0,011 0,424 32,2 8 53 1,42 0,30 0,102 0,1219 0,010 0,315 23,9 9 53 1,28 0,28 0,092 0,1102 0,009 0,232 17,7 10 53 1,15 0,25 0,083 0,0994 0,008 0,171 13 11 65 1,04 0,22 0,075 0,0895 0,007 0,125 9,5 12 65 0,93 0,20 0,067 0,0805 0,007 0,090 6,9 13 65 0,84 0,18 0,060 0,0722 0,006 0,065 5 14 79 0,75 0,16 0,054 0,0648 0,005 0,047 3,6 15 79 0,67 0,14 0,048 0,0580 0,005 0,034 2,6 16 79 0,60 0,13 0,043 0,0517 0,004 0,024 1,8 4.1.2.2. Gaya-gaya yang berkerja pada sudu kompresor Apabila sebuah sudu aerofoil dengan panjang chord C dan jarak antara sudu s berada didalam suatu aliran fluida dengan kecepatan aksial rata-rata Vm, maka sudu tersebut akan mengalami dorongan yang akibatnya sebuah gaya akan bekerja yaitu : Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008. USU Repository © 2009 Gambar 4.2. Gaya-gaya yang berkerja pada sudu kompresor F = S. . Va 2 tan 2 – tan 1 ...Lit 2 hal 209 Dimana : S = [Jarak antar sudu s . r m ] = 0,2504 . 0,74 = 0,1853 m 2 1 = 41 15’ 2 = 57 17’ = Massa jenis udara = 1,147 kgm 3 Va 2 = Kecepatan aksial = 150 ms 2 sehingga : F = 0,1853 . 1,147 x 150 2 tan 57 17’ – tan 41 15’ = 28.693 N Didasari atas drag coeficient C d dan Lift coeficient C l , maka kecepatan rata- rata adalah : V m = V a . sec m ...Lit 2 hal 209 dimana : Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008. USU Repository © 2009 tan = 2 1 tan 1 + tan 2 = 2 1 tan 41 15’ + tan 57 17’ = 1,212 = 50 47’ Sehingga : V m = 150 . sec 50 47’ = 235,67 ms Jika D dan L adalah gaya dorong dan gaya angkat : D = 2 1 . V m 2 . C. C dp ...Lit 2 hal 209 = F sin m - S. ∆P. cos m = 28.693 x sin 50 47’ – 0,1853 . 1,157 x 10 5 . cos 50 47 = 8484,99 N sehingga : C d = 2 . . . 5 , m V C D ρ = 2 67 , 235 . 207 , . 147 , 1 . 5 , 99 , 8484 = 1891,5 L = 2 1 . V m 2 . C . C l …Lit 2 hal 211 atau L = F cos m + S . ∆ p . sin m L = 28.693 cos 50 47’ + 0,1853 . 1,157 x 10 5 sin 50 47’ Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008. USU Repository © 2009 = 34798,46 N sehingga : C l = C V L m . . . 2 1 2 ρ = 207 , . 235,67 . 147 , 1 . 2 1 23 , 3257 2 = 0,49 dimana : C l dan C d adalah koefisien gaya dorong dan daya angkat 4.1.3 Perencanaan Poros Utama Tie Rod Poros utama berfungsi sebagai pengikat disk kompresor, poros penghubung dan disk turbin menjadi satu. Bahan poros direncanakan adalah AISI 440 C, menurut [4] halaman 34 dengan kekuatan tarik B = 200,335 kgmm 2 . Menurut [5] halaman 8 tegangan geser yang diizinkan untuk beban poros dapat dihitung dengan rumus : a = 2 1 .Sf Sf B σ dimana : Sf 1 = Faktor keamanan karena kelelahan puntir adalah 18 dari kekuatan tarik, maka 10,18 = 5,6 diambil Sf 2 = Faktor keamanan karena pengaruh konsentrasi tegangan yang cukup besar dan pengaruh kekasaran permukaan, besarnya antara 1,3 – 3,0 Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008. USU Repository © 2009 2,5 diambil. Maka tegangan geser yang diizinkan adalah : a = , 2 6 , 5 335 , 200 x = 17,89 kgmm 2 = 175,44 MPa Momen torsi yang terjadi pada poros adalah : M P = 9,74 x 10 5 x n N t dimana : N t = Daya yang harus dibangkitkan = 382057 kW n = Putaran poros = 3000 rpm maka : M P = 9,74 x 10 5 x 3000 382057 = 124041172,7 N.mm = 1,240 x 10 8 N.mm Menurut [5] halaman 8 diameter poros dapat dihitung dengan persamaan : D s = 3 . . . 1 , 5 Mp C Kt b a τ dimana : K t = Faktor koreksi tumbukan 1 ÷ 1,5 C b = Faktor kelenturan 1,2 ÷ 2,3 maka : D s = 3 8 10 240 , 1 2 , 1 1 89 , 17 1 , 5 x x x x Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008. USU Repository © 2009 = 348,75 ≈ 355 mm Dari standar poros yang ada maka dipilih diameter poros yang direncanakan adalah D s = 350 mm. [Lit 5 hal 9]. 4.1.4 Perencanaan Poros Penghubung Central Hollow Shaft Central hallow shaft adalah poros yang berfungsi sebagai penghubung antara disk kompresor dan disk turbin. Karena letaknya ditengah dan bentuknya adalah poros bolong serta terletak antara disk kompresor dan disk turbin maka disebut Center Hollow Shaft. Poros penghubung ini direncanakan seperti gambar 4.3 Gambar 4.3. Poros Penghubung Dari data survey diperoleh : t 1 = t 2 = t 3 = t 4 = 7 cm L = 160 cm r 1 = 35,5 cm r 2 = 67 cm r 3 = 73 cm Maka berat poros penghubung adalah sebagai berikut : W = . r 2 . t . Edy Saputra : Turbin Gas Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Daya 130 Mw, 2008. USU Repository © 2009 dimana : = Berat jenis poros = 76,0 kNm 3 Bagian 1 W 1 = r 2 2 – r 1 2 t 1 . = 0,67 2 – 0,355 2 0,07 . 76 = 5,394 kN ≈ 5394 N Bagian 2 W 2 = W 3 = W 4 = W 1 = 5394 N Bagian 5 W 5 = r 3 2 – r 2 2 L . = 0,73 2 – 0,67 2 1,60 . 76 = 32,073 kN ≈ 32073 N Sehingga berat total poros penghubung adalah : Wsp = W 1 + W 2 + W 3 + W 4 + W 5 = 5394 x 4 + 32073 = 53649 N

4.2. Perencanaan Ruang Bakar