75
BAB IV
PERHITUNGAN UKURAN UTAMA TURBIN
4.1 Perhitungan Ukuran Poros
Poros berfungsi sebagai penghubung yang memindahkan daya dan putaran turbin serta tempat pemasangan cakram dan sudu, beban yang akan dialami poros ini
adalah: 1.
Beban lentur yang berasal dari berat sudu-sudu dan cakram. 2.
Beban puntir yang berasal dari cakram Dalam perancangan poros dari segi kekuatan mekanis, tegangan-tegangan
pada penampang diambil sebagai dasar perhitungan, yang antara lain : 1.
Penampang yang momen lenturnya terbesar 2.
Penampang yang momen puntirnya maksimum Untuk poros putaran sedang dan beban berat digunakan baja paduan dengan
pengerasan kulit. Untuk ini dipilih bahan poros adalah baja krom nikel JIS 4102 SNC 21 yang memiliki kekuatan tarik 80 kgmm
2
. Tegangan geser¹ yang diizinkan untuk bahan poros dapat dihitung berdasarkan persamaan
[14,8]
: τ
a
= σ
b
Sf
1
x Sf
2
…..[4.1] dimana:
Sf
1
= faktor keamanan karena berat poros untuk baja paduan = 6 Sf
2
= faktor keamanan karena adanya pasak, poros bertingkat, dan konsentrasi tegangan 1,3
÷3,0, diambil sebesar 2,7.
Universraitas Sumatera Utara
76 τ
a
= 7
, 2
6 80
2
× mm
kg
τ
a
= 4,94 kgmm
2
Daya nominal yang ditransmisikan pada perencanaan ini sebesar 10.000 kW pada putaran 5700 rpm
Besarnya momen torsi poros M
t
dapat dihitung dengan persamaan
[14,7]
: M
t
= 9,74 . 10
5
n N
…..[4.2]
M
t
= 9,74 . 10
5
rpm kW
5700 10000
M
t
= 1708771,930 kg.mm Diameter poros d
p
dihitung dengan persamaan
[14,8]
:
3 1
1 ,
5
×
× ×
t b
t a
p
M C
K d
τ …..[4.3]
dimana : K
t
= faktor pembebanan 1,5 ÷3,0, untuk beban kejutan dan
tumbukan yang besar diambil 2,6 C
b
= faktor pembebanan lentur 1,2 ÷ 2,3 diambil 2,2
216 930
, 1708771
2 ,
2 6
, 2
94 ,
4 1
, 5
3 1
=
×
× ×
=
p
d
mm Dari standar poros yang ada maka dipilih diameter poros terkecil yang dipakai
pada perencanaan ini adalah 220 mm, sedangkan untuk poros bertingkatnya dipilih 224 mm.
Universraitas Sumatera Utara
77
4.2 Perhitungan Ukuran Nosel dan Sudu Gerak
Nosel adalah suatu peralatan lintasan aliran dengan luas penampang pada kedua ujungnya berbeda, dimana kecepatan aliran gas atau cairan yang melaluinya
akan meningkat searah dengan lintasan aliran,
1 2
1 2
, P
P V
V 〈
〉 , kerja yang ada pada
nosel hanya kerja aliran. Penampang terkecil pada nosel disebut kerongkongan, nosel berfungsi untuk
mengubah energi panas ke bentuk energi kinetik dengan kerugian yang minimum, pada proses expansi turunnya tekanan aliran uap akan menyebabkan sebagian uap
berubah menjadi kondensat.
Nilai minimum terjadi pada kerongkongan yang disebut tekanan kritis p
kr
yang sama dengan 0,577 P
o
untuk uap jenuh dan 0,546 P
o
untuk uap panas lanjut. Kecepatan uap pada tekanan ini disebut kecepatan kritis.
Bila tekanan sesudah nozel lebih besar dari tekanan kritis P
1
p
kr
, maka ekspansi uap yang terjadi hanya sampai tekanan P
1
dan kecepatan uap pada sisi keluar tekanan ini lebih kecil dari kecepatan kritis, dalam hal ini digunakan nozel konvergen,
sedangkan untuk mendapatkan tekanan sisi keluar P
1
p
kr
dan kecepatan superkritis C
1
C
kr
digunakan nosel konvergen divergen. Untuk menentukan jenis nozel terlebih dahulu ditentukan harga-harga tekanan
kritis p
kr
pada tiap tiap tingkat.
4.2.1 Tinggi Nozel dan Sudu Gerak
Kondisi uap pada tingkat pertama adalah uap panas lanjut, maka tekanan kritisnya: p
kr
= 0,546 x P p
kr
= 0,546 x 39.9 bar = 21,785 bar Dimana tekanan sesudah nozel P
1
= 22 bar, karena P
1
lebih besar dari p
kr,
maka digunakan nozel konvergen.
Universraitas Sumatera Utara
78 Penampang sisi keluar nozel
[14,22]
: f
1
=
1 1
o
c G υ m
2
…..[4.4] dimana :
G = massa aliran uap = 12,06190 kgdet
ν
1
= volume spesifik uap pada penampang sisi keluar = 0,2030 m
3
kg C
1
= kecepatan aktual uap pada penampang sisi keluar = 689,946 mdet f
1
= 00381846
, 2030
, 946
, 689
06190 ,
12 =
× m
2
atau 38,1846 cm
2
Tinggi nosel, disarankan diantara10 mm-20 mm, dan derajat pemasukan parsial,
ε tidak kurang dari 0,2. untuk turbin-turbin dengan kapasitas besar dan menengah dengan sudu-sudu yang relatif besar, nilai derajat pemasukan parsial dapat
mencapai satu. Dengan membuat tinggi nozel l
n
sebesar 16 mm, diperoleh derajat pemasukan parsial uap
[14,57]
: ε =
1 1
sin l
d f
α ×
× ×
π …..[4.5]
ε = 3519
, 20
sin 10
16 631
, 00381846
,
3
= °
× ×
× ×
−
π Tinggi sisi masuk sudu gerak baris yang pertama dibuat sebesar:
l
1
= l
n
+ 2 = 16 + 2 = 18 mm
Tinggi sudu nosel baris yang pertama pada sisi keluarnya
[14,58]
: l
1
=
2 2
1
sin .
. .
.
β ε
π
w d
v G
o
…..[4.6]
Universraitas Sumatera Utara
79 l
1
= 0226
, 15
, 24
sin 165
, 453
3519 ,
631 ,
2030 ,
06190 ,
12 =
× ×
× ×
× π
m 22,6 mm
ν
1
= merupakan volume spesifik uap keluar sudu gerak baris pertama = 0,2030m
3
kg. Tinggi masuk sudu pengarah diambil lebih besar 1,1 mm dari tinggi sudu
nosel baris pertama, sehingga : l
gb
= l
1
+ 1,1 = 22,6 + 1,1 = 23,7 mm Tinggi sisi keluar sudu ini akan sebesar
[14,58]
: l
gb
=
1 1
gb o
sin c
. .
d .
v .
G α
ε π
....[4.7]
02463 ,
47 ,
36 sin
544 ,
297 3519
, 631
, 2110
, 06190
, 12
= °
× ×
× ×
× = π
gb
l m
Dalam perencanaan ini diambil tinggi sisi keluar sudu sebesar 25 mm l
gb
= 25 mm Tinggi sudu gerak sisi masuk baris kedua
l
2
= l
gb
+ 2 l
2
= 25 + 2 = 27 mm
Tinggi sudu gerak sisi keluar baris kedua
l
2
=
2 2
sin .
. .
2 .
β ε
π
w d
v G
o
l
2
= 03743
, 35
sin 112
, 204
3519 ,
631 ,
2123 ,
06190 ,
12 =
° ×
× ×
× ×
π
m
l
2
= 37 mm
Universraitas Sumatera Utara
80 Gambar 4.1 Ukuran Nozel dan Sudu Gerak
[13,88]
Bahan nosel diambil dari baja yang sama dengan bahan sudu karena dari kondisi uap yang masuk merupakan uap panas lanjut, sehingga material nosel yang
dipilih adalah baja krom nikel tahan karat AISI UNS NO.41400 dengan tegangan tarik dan lentur total akibat gaya sentrifugal yang adalah sebesar 2137 kgcm
2
, jadi pemilihan bahan di atas sudah aman.
4.2.2 Lebar Sudu Gerak
Lebar sudu gerak berkisar 20 ÷25 mm untuk turbin kapasitas menengah dan besar.
Dalam perencanaan ini ditetapkan lebar sudu gerak 25 mm. Besarnya jari-jari busur dari profil sudu baris pertama dapat dihitung dengan persamaan
[13,286]
: R
1
=
2 1
cos cos
b β
+ β
= °
+ °
15 ,
24 cos
15 ,
27 cos
25 = 13,87 mm .... [4.8]
Jari-jari busur sudu gerak baris kedua R
2
=
2 1
cos cos
b β
+ β
= °
+ °
35 cos
74 cos
25 = 22,84 mm
Jari-jari busur sudu pengarah R
gb
=
1 2
cos cos
b α
+ α
= °
+ °
47 ,
36 cos
47 ,
39 cos
25 = 15,86 mm
4.2.3 Jarak -bagi antara Sudu Gerak
Universraitas Sumatera Utara
81 Jarak antara masing-masing sudu pada sudu gerak turbin dapat dihitung dengan
persamaan : Jarak bagi sudu-sudu gerak baris pertama
t
1
=
2 1
1
sin sin
β β +
R =
03 ,
16 15
, 24
sin 15
, 27
sin 87
, 13
= °
+ °
mm Jarak bagi sudu-sudu gerak baris kedua
t
2
=
2 1
2
sin sin
R β
+ β
=
88 ,
14 35
sin 74
sin 84
, 22
= °
+ °
mm
Jarak bagi sudu-sudu pengarah t
gb
=
1 2
gb
sin sin
R α
+ α
= 89
, 12
47 ,
36 sin
47 ,
39 sin
86 ,
15 =
° +
° mm
Jumlah nosel yang dipakai, dicari berdasarkan persamaan :
min 1
n n
l a
f z
× =
dimana :
1
f = penampang sisi keluar nosel, = 0,003818 m
2
a = lebar penampang setiap nozel,
1
sin α
× = t
a m
mm a
00548 ,
48 ,
5 20
sin 03
, 16
= =
° ×
= m
mm l
n
016 ,
16
min
= =
maka, 54
, 43
016 ,
00548 ,
003818 ,
= ×
=
n
z dalam perencanaan ini diambil jumlah nozel, z = 44 buah, dimana nosel dipasang di
sekeliling cakra, sehingga besar luas penampang setiap nosel adalah:
z f
f
1 1
=
=
2 2
8677 ,
44 18
, 38
cm cm =
4.2.4 Jumlah Sudu
Jumlah sudu pada tingkat pengaturan dihitung dengan persamaan: Pada sudu gerak baris pertama
Universraitas Sumatera Utara
82 z
1
= 124
03 ,
16 631
.
1
= ×
= π π
t d
sudu dengan:
d = diameter sudu rata rata tingkat pertama t = jarak bagi sudu baris pertama
Pada sudu gerak baris kedua z
2
= 133
88 ,
14 631
.
2
= ×
= π π
t d
sudu Pada sudu pengarah
Z
p
=
154 89
, 12
631 .
= ×
=
π π
gb
t d
sudu
4.2.5 Nozel dan Sudu Gerak Tingkat 2
Tinggi sisi keluar nozel tingkat kedua, disebabkan adanya kebocoran yang melalui diafragma, ditentukan dengan persamaan :
mm dc
G G
l
kebocoran n
9 ,
21 12
sin 376
, 437
631 ,
10 2774
, 1453
, 06190
, 12
sin 10
3 1
1 3
1
= °
× ×
× ×
× −
= ×
× −
=
π α
π υ
Tinggi sisi keluar sudu mm
dw G
l 27
, 26
21 sin
476 ,
216 631
, 10
2800 ,
06190 ,
12 sin
10
3 2
2 3
2 2
= °
× ×
× ×
× =
× ×
= π
β π
υ
Untuk tingkat ketiga sampai tingkat sepuluh dihitung dengan cara yang sama seperti di atas, diperoleh ukuran utama nosel dan sudu gerak dan hasilnya ditabelkan
pada tabel lampiran 6.1.
4.3 Kekuatan Sudu
Kategori