4.2. Perencanaan sudu turbin dan disk turbin
Menurut Lit.3 , hal. 249 untuk turbin dengan derajat reaksi Λ = 50
ditentukan bahwa : φ
1 =
tan β
3
– tanβ
2
Perbandingan langsung β
3
= α
2
dan β
2
= α
3
dan diagram kecepatan akan menjadi simetris. Selanjutnya untuk multi stage c
3
= c
1
dalam ara h sebagai besarnya, α
1
= α
3
= β
2
dan sudu stator dan rotor memiliki sudut sisi masuk dan keluar yang sama.
Gambar 4.4 50 Percent Reaction Design
Untuk flow coefficient φ = 0,8 dan nilai optimum temperatur drop coefficient ψ
yaitu dari 3 ke 5, sehingga besarnya sudut gas α adalah :
Universitas Sumatera Utara
ψ = 4
φ tan α
2
– 2 tan α
2
= φ
4 2
+ Ψ
= 8
, 4
2 3
× +
= 1,5625 α
2
= 57,38º Kemudian untuk sudut putaran angin swirl angle
, α
3
adalah : ψ
= 4 φ tan α
2
+ 2 tan α
3
= φ
4 2
− Ψ
= 8
, 4
2 3
× −
= 0,3125 α
3
= 17,35º Dari geometri diagram kecepatan diperoleh :
Ca = Ca
2
= Ca
3
= U . φ = 350 × 0,8
= 280 ms Kecepatan gas absolut C
2
adalah : C
2
= V
3
= σ
U
= 8
, 350
= 437,5 ms Ca
1
= C
1
= C
3
=
3 3
cos α
Ca =
35 17
cos 280
°
= 293,35 ms
Dikarenakan α
3
= β
2
= 17,35º maka bentuk diagram kecepatan adalah simetrikal seperti gambar berikut :
Universitas Sumatera Utara
Gambar. 4.5 Diagram kecepatan untuk derajat reaksi Maka dari gambar di atas dapat diperoleh data-data sebagai berikut:
C
3
= V
2
= 293,35 ms V
3
= C
2
= 437,35 ms α
3
= β
2
= 17,35º α
2
= β
3
= 57,38º
3.2.1.1 Kondisi sudu tetap turbin tingkat I
Gambar. 4.6 Diagram h–s untuk satu tingkat turbin Pada gambar 4.6 diatas ditunjukkan diagram sederhana untuk satu tingkat turbin
Enthalpy Drop actual pada tingkat I menurut Lit. 8, hal 149 yaitu : Δha
1t
= J
g Cpg
C C
⋅ ⋅
⋅ −
+ ⋅
− 2
cos 2
1
2 2
2 2
2
α φ
φ σ
Universitas Sumatera Utara
Dimana : σ
= koefisien kecepatan sudu yaitu 0,7 – 0,8 dipakai 0,8 Cpg = panas spesifik gas = 1,148 kJkg K
φ = flow coefficient = 0,8 dipakai J
= mechanical equivalent in engineering units = 778,2 ft-lb Btu
C
2
= 437,5 ms, atau =1435,43 fts α
= 17,35º sehingga :
Δha
1t
= 2
, 778
2 ,
32 148
, 1
2 35
, 17
cos 8
, 2
8 ,
1 43
, 1435
8 ,
43 ,
1435
2 2
2
× ×
× ×
− +
× −
= 33,225 BTU lb ≈ 77,28 kj kg
Kondisi gas keluar sudu tetap tingkat I pada titik 2t adalah : h
2t
= h
1t
– Δha
1t
dimana : h
1t
= h
03
, dari tabel gas untuk T
03
= T
1t
= 1050ºC = 1323,15 ºK h
1t
= 1423,33 kj kg Pr
3
= Pr
1t
= 353,9 maka :
h
2t
= 1423,33 – 77,28 = 1346,05 kjkg
≈ 578,68 BTU lb Dari tabel ideal properties untuk h
2t
= 578,68 BTU lb diperoleh : T
2t
= 1257,96 ºK = 984,96 K Pr
2t
= 287,26
Universitas Sumatera Utara
Maka tekanan pada titik 2t adalah : P
2t
=
t t
t
P
1 1
2
Pr Pr ×
Dimana : P
1t
= P
03
= 9,77 bar = 141,70 psi P
2t
= 7
, 141
9 ,
353 287,26 ×
= 7,93 bar ≈ 115,01 psi
Efisiensi isentropis turbin η
s
adalah 0,9. Untuk itu penurunan enthalpi isentropis Δhs
1t
adalah : Δhs
1t
= 9
,
1t
ha ∆
= 9
, 28
, 77
= 85,87 kj kg Enthalpy isentropis gas keluar sudu tetap tingkat I adalah :
h
2ts
= h
1t
– Δhs
1t
= 1423,33 – 85,87 = 1337,48 kj kg
≈ 574,98 BTU lb Dari tabel ideal gas properties diperoleh untuk h
2ts
= 574,98 BTU lb yaitu : Pr
2ts
= 280,43 T
2ts
= 1791,55 ºF ≈ 1250,68 ºK
Volume spesifik gas keluar sudu tetap tingkat I ν
2t
adalah : ν
2t
=
t t
P T
R
2 2
dimana : R = konstanta gas = 287 J kg K ν
2t
=
5
10 93
, 7
96 ,
1257 287
× ×
= 0,45 m
3
kg
Universitas Sumatera Utara
Kapasitas aliran gas Q
2t
adalah : Q
2t
= M
t
x V
2t
Dimana : m
t
= massa campuran bahan bakar, m
f
+ udara, m
ac
= 11,46 + 694,5 = 705,96 kg s
maka : Q
2t
= 705,96 × 0,45
= 317,68 m
3
s
4.2.2 Kondisi sudu gerak turbin tingkat I
Tinggi sudu gerak dibuat lebih tinggi dari sudu tetap agar pancaran aliran gas yang keluar dari sudu tetap dapat ditampung oleh sudu gerak, karena pancaran gas
tersebut menyebar ke arah sisi keluar. Enthalpy drop actual sudu gerak tingkat I adalah :
Δha
2t
= Δha
1t
= 77,28 kj kg Sisi keluar sudu gerak tingkat I diberi notasi 3t sehingga enthalpi aktual sudu gerak
tingkat I adalah : h
3t
= h
2t
– Δha
2t
= 1346,07 – 77,28 = 1268,79 kj kg
≈ 545,45 BTU lb Dari tabel ideal properties untuk h
3t
= 545,45 BTU lb diperoleh : T
3t
= 1686,51 ºF = 1192,32 K Pr
3t
= 230,57 psi
Universitas Sumatera Utara
Tekanan gas aktual keluar sudu gerak tingkat I adalah : P
3t
=
t t
t
P
2 2
3
Pr Pr ×
= 01
, 115
26 ,
287 230,57 ×
= 92,31 psi ≈ 6,36 bar
Enthalpi isentropis keluar sudu gerak tingkat I adalah : h
3ts
= h
2ts
-
s t
s
h η
2
∆
= 1337,48 - 9
, 87
, 85
= 1242,07 kj kg ≈ 533,97 BTU lb
Dari tabel ideal gas properties diperoleh untuk h
3ts
= 533,97 BTU lb : T
3ts
= 1645,48 ºF = 1169,5 K Pr
3ts
= 213,06 Volume spesifik gas keluar dari sudu gerak tingkat I adalah :
ν
3t
= R .
t t
P T
3 3
= 287
5
10 36
, 6
32 ,
1192 ×
×
= 0,54 m
3
kg Kapasitas aliran gas Q
3t
adalah : Q
3t
= mt . ν
3t
= 705,96 × 0,54
= 381,21 kg s
Universitas Sumatera Utara
Jumlah tingkat stage turbin direncanakan adalah : Zt =
t t
t t
h h
h h
3 1
4 1
− −
dimana : h
4t
= h
04
Dari tabel ideal gas properties diperoleh untuk T
04
= 828,32 K ≈ 1031,31 ºF :
h
04
= 853,17 kj kg maka :
Zt =
79 ,
1268 33
, 1423
17 ,
853 33
, 1423
− −
= 3,7 = 4 tingkat diambil
Maka untuk turbin gas dengan derajat reaksi Λ = 0,5, penurunan entalpi
enthalphy drop adalah sama pada sudu tetap dan sudu geraknya. Untuk kondisi setiap tingkatnya ditabulasikan pada tabel sebagai berikut:
Tabel 4.5. Kondisi tiap tingkat turbin
Kondisi Gas
Tingkat Turbin I
II III
IV ST
SG ST
SG ST
SG ST
SG
M
h kj kg 1423,33
1346,05 1268,79
1191,51 1114,23
1036,95 959,67
882,39
A
Pr psi 353,9
287,26 230,57
182,78 142,86
109,86 82,93
61,26
S
T K 1323,15
1257,96 1192,32
1126,15 1059,36
991,88 923,62
854,51
U
P psi 141,7
115,01 92,31
73,57 57,5
44,22 33,38
24,66
K
νm³ kg
0,39 0,45
0,54 0,64
0,77 0,93
1,15 1,44
Q m³ s
275,32 317,68
381,21 451,8
543,57 656,52
811,83 1016,55
K
h kjkg 1346,05
1268,79 1191,51
1114,23 1036,95
959,67 882,39
805,11
E
Pr psi 287,26
230,57 182,78
142,86 109,86
82,93 61,26
44,1
L
T K 1257,96
1192,32 1126,15
1059,36 991,88
923,62 854,51
784,45
U
P psi 115,01
92,31 73,57
57,5 44,22
33,38 24,66
17,75
A
νm³kg
0,45 0,54
0,64 0,77
0,93 1,15
1,44 1,83
R
Q m³s
317,68 381,21
451,8 543,57
656,52 811,83
1016,55 1291,87
Universitas Sumatera Utara
4.2.3 Ukuran-ukuran sudu turbin Dalam penentuan ukuran–ukuran sudu turbin, maka terlebih dahulu ditentukan
besarnya kerapatan gas ρ pada sisi masuk dan keluar sudu, dimana : Pada titik 1
ρ
1
=
1
1 ν
= 39
, 1
= 2,56 kg m
3
Luas Annulus : dimana : m
t
= massa udara mf + massa bahan bakar m
ac
= 694,5 + 11,44 = 705,96 kg s
A
1
=
1 1
Ca m
t
⋅ ρ
= 35
, 293
56 ,
2 96
, 705
× = 0,94 m
2
Untuk mengatasi akibat adanya boundary layers Lit. 6 hal. 451, 452, maka diambil harga–harga koreksi yaitu :
Ka = 0,997 ; Kv = 0,983 maka luas annulus terkoreksi A
1t
adalah : A
1t
=
Kv Ka
A ⋅
1
= 983
, 997
, 0,94
× = 0,959 m
2
Tinggi sudu notasi I dapat diperoleh dari persamaan : h
1
=
Um N
A
t
⋅
1
dimana : N
= putaran kerja = 3000 rpm = 50 rps Um = kecepatan keliling sudu rata–rata = 350 ms
h
1
=
Um N
A
t
⋅
1
=
350 50
0,959 ×
= 0,137 m
Universitas Sumatera Utara
Radius annulus rata–rata r
m
adalah : r
m
=
N Um
⋅
π
2
=
50 2
350 ×
π = 1,115 m
Ratio radius annulus r
t
r
r
adalah :
r t
r r
= 2
2 h
r h
r
m m
− +
=
−
+ 2
0,137 115
, 1
2 0,137
115 ,
1 = 1,131
Gambar 4.7 Axial flow turbin stage Pada titik 2
- ρ
2
=
1
1 ν
= 44
, 1
= 2,22 kg m
3
- A
2
=
2 2
Ca m
t
⋅ ρ
= 280
22 ,
2 94
, 705
× = 1,136 m
2
A
2t
=
Kv Ka
A ⋅
2
= 98
, 1,136
= 1,159 m
2
- h
2
=
Um N
A
t
⋅
2
=
350 50
1,159 ×
= 0,166 m
Universitas Sumatera Utara
- r
t
r
r
=
−
+ 2
0,166 115
, 1
2 0,166
115 ,
1 = 1,161
Pada titik 3 -
ρ
3
=
3
1 ν
= 54
, 1
= 1,852 kg m
3
- A
3
=
3 3
Ca m
t
⋅ ρ
= 280
1,852 94
, 705
× = 1,361 m
2
A
3t
=
Kv Ka
A ⋅
3
= 98
, 1,361
= 1,389 m
2
- h
3
=
Um N
A
t
⋅
3
=
350 50
1,389 ×
= 0,198 m
- r
t
r
r
=
−
+ 2
0,198 115
, 1
2 0,198
115 ,
1 = 1,195
Untuk turbin ini kita peroleh tinggi sudu tetap tingkat I h
NI
yaitu : h
NI
= 2
1 h
1
+ h
2
= 2
1 0,137 + 0,166 = 0,152 m = 15,2 cm
Radius puncak tip radius, r
t
adalah : r
t
= 1,115 +
2
NI
h
= 1,115 +
2
0,152
= 1,191 m Radius dasar root radius, r
r
adalah : r
r
= 1,115 -
2
NI
h
= 1,115 -
2
0,152
= 1,039 m
Universitas Sumatera Utara
Tinggi sudu gerak tingkat I h
RI
adalah : h
RI
= 2
1 h
2
+ h
3
= 2
1 0,166 + 0,198 = 0,182 m = 18,2 cm
Radius puncak tip radius, r
t
adalah : r
t
= 1,115 +
2
RI
h
= 1,115 +
2
0,182
= 1,206 m Radius dasar root radius, r
r
adalah : r
r
= 1,115 -
2
RI
h
= 1,115 -
2
0,182
= 1,024 m
Aspect ratio hc Aspect ratio merupakan perbandingan antara tinggi sudu dengan panjang
chord. Menurut lit. 3 hal. 296 bahwa nilai hc yang baik digunakan adalah berada diantara 3 dan 4. Maka dalam perencanaan ini dipakai hc = 3
C
NI
=
3
NI
h
=
3 152
,
= 0,051 m = 5,1 cm
C
RI
=
3
RI
h
=
3 182
,
= 0,061 m = 6,1 cm
Universitas Sumatera Utara
Pitchchord ratio sc
Gambar 4.8 Nilai ‘optimum’ pitchchord ratio Dari grafik optimum pitch chord ratio
, untuk α
2
= 57,38º dan α
3
= 17,35º diperoleh nilai sc = 0,9
dimana : s = space atau pitch antar sudu Untuk sudu tetap dan sudu gerak tingkat I besarnya ”s” adalah :
S
NI
= 0,9 . C
NI
= 0,9 ×0,051
= 0,046 m = 4,6 cm S
RI
= 0,9 . C
RI
= 0,9 ×0,061
= 0,055 m = 5,5 cm
Menurut Lit. 3 hal. 285, dalam menggambarkan sudu ditetapkan harga–harga sebagai berikut :
W = Width lebar sudu min h3. Untuk tip dan root dipakai h3 dan h25
tc = 0,1 sd 0,2. Untuk tip dan root dipakai t
t
= 0,25 dan t
r
=0,12 LER = Leading Edge Radius = 0,12 . t
TER = Trailing Edge Radius = 0,06 . t
Universitas Sumatera Utara
CLL = Camber Line Length max = 0,4 . c i = Angle of incidence = 5º
Gambar 4.9 Profil sudu turbin gas dan T6 aerofoil section
Hasil selengkapnya dari ρ
1
, A, A
t
, r
t
r
r
dan h untuk setiap bagian dari turbin lihat gambar 4.1.7 , ditabelkan sebagai berikut :
Tabel 4.6. Ukuran–ukuran sudu turbin
Bagian Notasi 1
2 3
4 5
6 7
8 9
ρ kg m³
2,56 2,22
1,852 1,563
1,299 1,075
0,87 0,695
0,547
A m² 0,94
1,136 1,362
1,613 1,941
2,345 2,898
3,628 4,609
At m²
0,959 1,159
1,390 1,645
1,981 2,39
2,957 3,702
4,703
r
r
r
t
1,131 1,161
1,396 1,237
1,291 1,362
1,468 1,622
1,863
h m 0,137
0,166 0,199
0,236 0,283
0,342 0,529
0,529 0,672
Universitas Sumatera Utara
Dengan demikian dapat pula ditabelkan ukuran–ukuran sudu turbin keseluruhan sebagai berikut :
Tabel 4.7. Ukuran–ukuran utama sudu turbin
Tingkat Turbin Satuan
ukuran
I II
III IV
ST SG
ST SG
ST SG
ST SG
h m
0,152 0,183
0,218 0,260
0,313 0,383
0,476 0,601
r
t
m
1,191 1,206
1,224 1,245
1,272 1,307
1,353 1,416
r
r
m
1,039 1,024
1,006 1,985
0,959 0,924
0,877 0,815
c m
0,051 0,061
0,073 0,087
0,104 0,128
0,159 0,201
S m
0,046 0,055
0,066 0,079
0,094 0,116
0,143 0,181
ht m
0,051 0,061
0,073 0,087
0,104 0,128
0,159 0,201
Wt m
0,061 0,073
0,087 0,104
0,125 0,153
0,191 0,241
Wr m
0,006 0,007
0,009 0,011
0,013 0,016
0,019 0,024
t
t
m
0,013 0,015
0,018 0,022
0,026 0,032
0,040 0,051
t
r
m
0,005 0,006
0,007 0,008
0,01 0,013
0,016 0,02
LER m
0,0016 0,0018
0,0022 0,0027
0,003 0,004
0,005 0,006
TER m
0,001 0,001
0,0011 0,0013
0,0016 0,0019
0,0024 0,0031
CLL m
0,021 0,025
0,029 0,035
0,041 0,051
0,064 0,081
Berat Sudu Tiap Tingkat Sudu Turbin Berat Sudu = Volume sudu
× Berat jenis material sudu atau,
Gs = Vs
× γ
Volume sudu = Tinggi sudu × Tebal sudu × chord
atau, Vs = h
× t
s
× c
Perhitungan volume sudu tingkat I yaitu : Vs = h
1
× t
s1
× c
1
= 18,3 × 1,1 × 6,1
= 122,8 cm
3
≈ 123 cm
3
Universitas Sumatera Utara
berat jenis sudu tingkat I γ = 0,025 kgf cm
3
dipakai maka berat per_sudu gerak Tingkat I adalah :
Gs = 123 × 0,025 = 3,1 kg
Jumlah sudu gerak tingkat I dari hasil survey adalah Z
1
= 88 buah. Sehingga berat tingkat I sudu gerak adalah : 3,1
×88 = 273 kg Dari data survey lapangan, berat stage tingkat I + ring adalah 2688 kg. Sehingga
berat disc turbin tingkat I adalah : 2688 – 273 = 2415 Kg. Diameter disc turbin tingkat I adalah jari–jari dasar turbin r
r
dikali dua D
d1
= 2 × 1,024
= 2,05 cm Berdasarkan data yang diperoleh dari hasil survey lapangan dan perhitungan,
diperoleh berat sudu dan disc turbin pada tabel sebagai berkut :
Tabel 4.8. Berat tingkat stage turbin
Satuan Tingkat stage
Ukuran I
II III
IV Z
88 89
62 44
V cm³
123 385
1177 4530
γ
kg cm³
0,025 0,02
0,017 0,0076
Gs kg
3,1 7,7
20 34,43
Gs
tot
kg
273 685
1241 1515
D
d
cm
205 197
185 163
G
stage
kg
2688 3065
3560 3346
G
d
kg
2415 2380
2319 1831
Universitas Sumatera Utara
4.3 Perencanaan Poros Penghubung Central Hollow Shaft
Kategori