• Tegangan geser yang timbul pada poros selama beroperasi τ
s
τ
s
=
3
1 ,
5
S
d T
×
τ
s
=
3 6
500 10
. 5208
, 154
1 ,
5 ×
τ
s
= 6,304 kgmm
2
Dari perhitungan diatas dapat dilihat bahwa tegangan geser yang timbul pada poros selama beropersi τ
s
= 6,304 kgmm
2
jauh lebih kecil dari tegangan geser izin poros τ
a
= 12,22 kgmm
2
. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa poros aman untuk digunakan.
5.2. Gaya – Gaya Pada Sudu Tiap Tingkat Turbin
Adapun gaya –gaya yang dialami oleh sudu turbin adalah terdiri dari gaya tangensial dan gaya aksial. Untuk perencanaan ini gaya-gaya tersebut dihitung
pada tengah-tengah sudu pada tinggi rata-rata sudu. Gambar 5.2 berikut adalah gaya-gaya yang terjadi pada sudu :
Gambar 5.2. Gaya-gaya pada sudu turbin Gaya-gaya yang timbul pada sudu-sudu tingkat 1 sesuai gambar 5.2 diatas
dapat dihitung sebagai berikut :
• Gaya tangensial sudu
Ft = P
2
– P
3
. C
x,r
. h
R
. Z … Lit 2, Hal 281
Dimana : P
2
= Tekanan masuk sudu gerak Nm
2
Universitas Sumatera Utara
P
3
= Tekanan keluar sudu gerak Nm
2
C
x,r
= Panjang chord sudu arah aksial m h
R
= Tinggi rata-rata sudu gerak m Z = Jumlah sudu tiap tingkat turbin buah
Maka : Ft = 8,127 – 5,619 10
5
. 0,08840 . 0,2652 . 133 = 7,4307 x 10
5
N
• Gaya aksial sudu Fa
Fa = P
2
– P
3
. 2 π . r
m
. h
R
Fa = 8,127 – 5,619 10
5
. 2π . 1,184 . 0,2652 = 4,948 . 10
5
N
Untuk tingkat selanjutnya dapat dilakukan dengan cara yang sama dan hasilnya dapat dilihat pada tabel 5.1 berikut :
Tabel 5.1 Gaya-gaya pada sudu gerak turbin TINGKAT
1 2
3
P
2
10
5
Nm
2
8,127 3,758
1,666 P
3
10
5
Nm
2
5,619 2,415
1,016127 C
x,r
m 0,0840
0,1539 0,2992
h
R
m 0,2652
0,4968 0,9533
Z buah 133
71 37
r
m
m 1,184
1,184 1,184
Ft 10
5
kN 7,4307
7,2904 6,858
Fa 10
5
kN 4,948
4,9635 4,607
5.3. Tegangan yang timbul pada sudu turbin
Akibat adanya gaya sentrifugal dan tekanan gas yang terjadi pada sudu- sudu turbin menimbulkan terjadinya tegangan pada sudu-sudu tersebut.
Tegangan- tegangan yang timbul tersebut yaitu : A. Tegangan tarik sentrifugal
B. Tegangan lentur
Universitas Sumatera Utara
Gambar 5.3 Tegangan yang terjadi pada sudu turbin
Tegangan tarik dan tegangan lentur yang besarnya konstan dikenal sebagai tegangan statis tegangan yang timbul akibat gaya sentrifugal dan tegangan
dinamis tegangan akibat tekanan gas. Sudu-sudu didesain berdasarkan pengaruh total tegangan statis dan dinamis karena sudu ini dibebani oleh keduanya secara
serentak.
5.3.1. Tegangan tarik akibat gaya sentrifugal σ
ct
Penampang yang paling berbahaya pada sudu dengan penampang yang konstan adalah penampang pada bagian root dasar sudu. Karena beban
sentrifugal merupakan beban utama yang diterima secara kontinu oleh sudu, terutama pada dasar sudu yang menerima beban paling besar. Harga tegangan
tarik sentrifugal maksimum yang muncul pada root dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:
∫
=
t r
r b
maks ct
ardr a
2
.
ω σ
σ … Lit 2, Hal 272
Dimana :
b
σ = Kerapatan bahan sudu ω = Kecepatan sudu
a = Luas penampang sudu
r
a = Jari-jari root
Universitas Sumatera Utara
Dengan menggunakan bahwa luas penampang sudu sama dari tip puncak sampai root dasar sudu, dari [Lit 2, Hal 272] diperoleh :
A N
b maks
ct
. .
. 2
2
ρ π
σ
=
Sudu rotor biasanya dipertajam dengan membentuk radius pada chord dan tebal pada root sampai ke tip sedemikian, a
t
a
r
antara 14 -13. Untuk perhitungan desain awal sisi yang aman diasumsikan bahwa penajam sudu taper mereduksi
tegangan menjadi 23 dari harga sudu yang tidak ditaper, sehingga rumus diatas menjadi :
A N
b maks
ct
. .
. .
3 4
2
ρ π
σ
=
Dimana :
3 2
2 1
A A
A +
=
2656 ,
2 69
, 1
2 1
+ =
A
2
9778 ,
1 m
A =
Dengan N = 3000 rpm = 50 rps, maka :
Mpa
maks ct
308 ,
96 9778
, 1
. 4650
. 50
. .
3 4
2
= =
π σ
5 .3.2. Tegangan lentur akibat tekanan gas σ
gb
Gaya yang muncul dan perubahan momentum sudut dari gas dalam arah tangensial menghasilkan torka yang berguna, yang juga menghasilkan momen
bending gas pada sekitar arah aksial M
ω
gambar. Karena adanya kemungkinan akan terjadi perubahan momentum dalam
arah aksial Ca
3
= Ca
2
, maka kemungkianan akan terjadi momen bending gas dalam arah tangensial. Tegangan maksimum dapat dihitung dengan metode yang
sesuai dengan bagian yang tidak simetris.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 5.4 Momen lentur pada sudu
Tegangan bending gas σ
gb
akan menjadi tegangan tarik pada ujung traling dan leading dan tegangan tekan pada belakang sudu, bahkan dengan sudut
puntir yang bertaper untuk harga maksimum terjadi pada keduanya leading dan trailing. Karena M
ω
merupakan bending yang lebih besar maka sumbu principal tidak berdeviasi dengan lebar dari arah aksial sudut Ф kecil. Maka perkiraan
yang berguna diberikan pada persamaan berikut :
3 3
2
1 2
ZC h
z C
C m
r m
m maks
ct
× −
=
ω ω
σ … Lit 2, Hal 273
Dimana : z’ = Jumlah sudu
Z = Fungsi dari sudut chamber sudu dan thicknesschord ratio tc Z = 1B 10 tc
n
…… diperoleh dari gambar 5.3
3 2
ω ω
C C
− = Kecepatan tangensial dihitung pada diameter rata-rata
Universitas Sumatera Utara
Gambar 5.5 Grafik hubungan z dan sudut chamber sudu Sumber : Gas Turbine Theory, Cohen. H
Menurut [2] profil sudu C7 mempunyai harga tc sebesar 10. Dari gambar 5.5 untuk sudu
t chamber sudu υ
m
= 106,168 diperoleh harga – harga sebagai berikut :
n = 1,156 B = 412,5
Z = 1412,5 10.0,1
1,15
= 2,424.10
-3
Sehingga :
3 3
0884 ,
10 .
242 ,
2 1
2 2652
, 133
67 ,
106 38
, 537
326 ,
619
−
× ×
− =
maks gb
σ
Mpa
maks gb
363 ,
148 =
σ Untuk tingkat selanjutnya dilakukan dengan cara yang sama dan hasilnya
dapat dilihat pada tabel 5.2 berikut :
Tabel 5.2 Tegangan yang timbul pada sudu gerak TINGKAT
1 2
3
M kgs 619,326
629,326 639,326
z’ buah 133
71 37
Universitas Sumatera Utara
υ
m
8 104,76
107,32 114,37
Z 2,424.10
-3
2,424.10
-3
2,424.10
-3
c m 0,0884
0,1656 0,3177
h
r
m 0,2652
0,4968 0,9533
A m
2
1,9778 3,781
7,117 Mpa
maks ct
σ 96,308
184,1214 346,57289
Mpa
maks gb
σ 158,804
85,4997 43,509
5.4. Pemeriksaan kekuatan sudu
Tegangan-tegangan yang timbul pada sudu gerak turbin dapat diilustrasikan sebagai berikut :
Gambar 5.6 Ilustrasi tegangan pada sudu
Tegangan-tegangan utama yang timbul pada sudu gerak tingkat 1 turbin adalah sebagai berikut :
2 2
2 ,
1
2 2
xy y
x y
x
τ σ
σ σ
σ σ
+
−
± +
=
… Lit 12, Hal 27 Dengan mengabaikan tegangan geser
τ
xy
= 0 maka :
2 2
, 1
2 3119
, 96
804 ,
158 2
3119 ,
96 804
, 158
− ±
+ =
σ
Universitas Sumatera Utara
Maka : MPa
MPa 3119
, 96
804 ,
158
2 1
= =
σ σ
Sehingga tegangan ekivalen yang terjadi σ
ek
adalah :
MPa
ek ek
ek
949 ,
149 2
3119 ,
96 804
, 158
3119 ,
96 804
, 158
2
2 2
2 2
2 1
2 1
= +
+ −
= +
+ −
=
σ σ
σ σ
σ σ
σ
Bahan sudu gerak turbin direncanakan dari Titanium alloy ASTM B265- 58T dengan sifat-sifat menurut [Lit 12, Hal 170-176] sebagai berikut :
Kekuatan tarik σ
gb
: 1188,27 Mpa Kekuatan mulur S
y
: 1118,62 Mpa Kerapatan ρ
: 4650 kgm
3
Komposisi : V = 16,0 ; Al = 2,5 ; Ti = 82,5
Temperatur lebur : 1610
˚C Syarat perencanaan :
Sf Sy
ek
≤ σ
Dimana : Sy = 1118,62 Mpa
Sf = faktor keamanan direncanakan = 2 Maka :
3 62
, 1118
≤
ek
σ ≤
ek
σ 559,31 Mpa
Karena terbukti harga Sf
Sy
ek
≤ σ
, maka konstruksi aman untuk digunakan . Untuk pemeriksaan kekuatan sudu tingkat selanjutnya dengan cara yang sama
dilakukan hasilnya dapat dilihat pada tabel 5.3 berikut ini :
Universitas Sumatera Utara
Tabel 5.3 Tegangan pada sudu gerak turbin TINGKAT
1 2
3
σ
1
Mpa 158,804
184,1214 346,57289
σ
2
Mpa 96,3119
85,4997 43,509
σ
ek
Mpa 149,949
143,7176 274,294
Dari tabel dan data-data perhitungan diatas dapat dilihat bahwa bahan sudu cukup aman untuk digunakan dalam perencanaan ini.
5.5. Perencanaan Turbin Disk
