BAB IV ANALISIS VARIASI TINGGI SUDU-SUDU IMPULS TERHADAP
ENERGI MEKANIS TURBIN
4.1 Prinsip Aksi Aliran Uap Melalui Sudu
Semburan uap yang keluar dari nosel atau kelompok nosel yang diam akan memberikan gaya pada sudu turbin yang besarnaya adalah Fu Newton dalam arah
putarnya. Gaya Fu yang dihasilkan okeh uap sewaktu uap tersebut di dalam laiannya melalui sudu turbin duibah menjadi kerja mekanis pada pinggir sudu. Kerja yang
dilakukan oleh uap pada sudu adalah sebesar :
P
u
= m.u c
1u
– c
2u
…………………………………………………………..4.1
dimana u adalah kecepatan keliling sudu-sudu turbin dalam ms. Gaya yang diberikan oleh uap ke sudu-sudu dapat dicari dengan menggunakan
pendekatan ilmu mekanika. Dari mekanika dapat diketahui bahwa perubahan momentum selama periode waktu tertentu adalah sama dengan gaya yang diberikan.
Dan dengan demikian dapat dituliskan bahwa : F
u
.t = m c
1
– c
2
F
u
=
o
m
c
1
– c
2
…………………………………………………...........4.2
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.1 Semburan uap dari nosel
Sumber : Shlyakhin,P. Turbin uap dan Perancangan, hal. 18
4.2 Analisis Aliran Uap Melalui Penampang Sudu Yang Bervariasi
Semburan uap yang mengalir melalui bentuk penampang sudu yang berbeda, ternyata menghasilkan gaya dan energi yang berbeda pula. Artinya bentuk dari
penampang suatu sudu akan mempengaruhi besar kecilnya energi mekanis yang akan dihasilkan.
Gambar 4.2 Prinsip aksi uap pada berbagai bentuk benda
Sumber : Shlyakhin, ,P. Turbin uap dan Perancangan, hal. 15
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.2 menunjukkan prinsip aksi uap pada berbagai bentuk benda. Dapat ditunjukkan bahwa gaya F
u
yang diberikan oleh uap pada berbagai bentuk benda dengan kondisi aliran yang serupa, tidak akan sama. Untuk jenis aliran yang berbeda
seperti ditunjukkan pada gambar 4.2, gaya-gaya ini dengan mudah dapat dievaluasi. Misalkan kecepatan awal uap pada sisi keluar nosel untuk ketiga penampang
tersebut adalah sama, sama dengan c
1t
, tetapi dalam arah yang berbeda sesuai dengan permukaan yang menerimanya. Untuk hal khusus ini misalkan kecepatan c
1
sama dengan 100 ms dan laju aliran massa uap adalah 5 kgs.
Kasus a Uap dengan kecepatan awal c
1t
menubruk benda A dalam arah tegak lurus terhabap permukaan yang menerimanya dan mengalami perubahan arah aliran sebesar
90
o
sewaktu memencar ke segala arah di permukaan benda tersebut, sehingga proyeksi kecepatan c
2
terhadap arah aksi gaya F
1
semburan uap sama dengan nol. Dangan mensubstitusikan kecepatan-kecepatan awal dan akhir uap c
1t
dan c
2
, kita akan mendapatkan gsys yang diberikan yang searah dengan kecepatan c
1t
. F
1
=
o
m
c
1t
– c
2
F
1
= 5 kgs 100 ms – 0 F
1
= 500 N Kasus b
Dengan mengabaikan kerugian akibat gesekan pada permukaan yang melengkung, akan diperoleh
c
2
= – c
1t
Jadi gaya F
2
yang bekerja searah dengan kecepatan c
1t
dari persamaan 4.2, akan sama dengan :
F
2
=
o
m
c
1t
– c
2
F
2
= 5 kgs 100 + 100ms F
2
= 1000 N
Universitas Sumatera Utara
Kasus c Dengan tetap mengabaikan kerugian-kerugian pada permukaan sudu seperti
pada kasus b, sekali lagi diperoleh c
2
= – c
1t
Dalam hal ini semburan uap pada tempat masuk kepermukaan sudu tidak mengalir dalam arah yang sejajar dengan arah gaya F
3
yang brkerja pada benda tersebut. Dan oleh sebab itu segera terbukti bahwa pada suku-suku kecepatan c
1t
dan c
2
harus disubstitusikan nilai-nilai proyeksi kecepatan semburan uap tadi terhadap arah aksi gaya
F
3
. Komponen-komponen kecepatan c
1t
dan c
2
yang searah dengan garis aksi F
3
dengan demikian adalah sama dengan : c’
1t
= c
1t
cos 30 = 100 0,866 = 86,6 ms c’
2
= c
2
cos 30 = -100 0,866 = -86,6 ms jadi :
F
3
=
o
m
c’
1t
– c’
2
F
3
= 5 kgs 86,6 + 86,6 F
3
= 866 N
Dari ilustrasi-ilustrasi yang diberikan di atas ternyata bahwa gaya maksimum diperoleh untuk kasus b dimana semburan uap yang mengalir sepanjang permukaan
sudu mengalami pembalikan arah sebesar 180
o
. Akan tetapi dalam pembuatan turbin uap, aliran uap yang bemikian itu tidak mungkin diperoleh, dan oleh sebab itu, seperti
yang ditunjukkan pada kasus c, semburan uap diarahklan dengan suatu besar sudut tertentu, baik dari sisi keluar nosel diam maupun dari sudu gerak. Akan tetapi sudut
kemiringan ini terhadap bidang putar sudu-sudu dibuat dekecil mungkin. Untuk bisa mendapatkan kerja yang berguna dari aksi uap, adalah perlu bahwa
bwnda yang ditubruknya dapat bergerak leluasa. Bila kita andaikan bahwa benda-benda A, B, dan C, akibat aksi uap berpindah searah dengan tanda panah, maka dengan
mengetahui kecepatan perpindahan u, kita dapat dengan mudah menghitung gaya F dan
Universitas Sumatera Utara
kerja P. Anggap bahwa akibat aksi semburan uap benda-benda A, B, dan C berpindah searah dengan gaya F, dengan kecepatan u yang sama. Maka gaya F pada ketiga kasus
tersebut akan ditentukan dari pertimbangan- pertimbangan berikut : Kasus a
Kecepatan uap relatif terhadap benda A yang bergerak akan sama dengan : w
1
= c
1t
– u Kecepatan w
1
dikenal sebagai kecepatan relatif. Kecepatan relatif uap sesudah perubahan arah aliran pada benda A akan sama dengan
w
2
= c
2
= 0 Jadi gaya yang diberikan oleh uap ditentukan dari persamaan :
F’
1
=
o
m
w
1
– w
2
=
o
m
c
1t
– u …………………………...…4.3a
Kasus b Kecepatan relatif semburan uap yang menubruk permukaan benda B akan sama
dengan : w
1
= c
1t
– u Kecepatan relatif uap yang meninggalkan permukaan sudu B yang cekung akan sama
dengan : w
2u
= w
1u
= – c
1t
cos 30 + u Oleh sebab itu gaya yang diberikan oleh semburan uap pada benda B adalah :
F’
2
=
o
m
w
1
– w
2
= 2
o
m
c
1t
– u …………………………………….4.3b
Kasus c Proyeksi kecepatan relative semburan uap yang menubruk benda C yang searah
dengan kecepatan u akan sama dengan : w
1u
= c
1t
cos 30 – u Komponen kecepatan relative uap yang meninggalkan permukaan sudu C akan
ditentukan dari persamaan : w
2u
= w
1u
= –c
1t
cos 30 + u
Universitas Sumatera Utara
dan gaya yang diberikan adalah : F’
3
=
o
m
w
1u
– w
2u
= 2
o
m
c
1t
cos 30 – u …………………………......4.3c
Bila sekarang diandaikan bahwa kecepatan awal uap c
1
dan kecepatan perpindahan u ketiga benda tersebut adalah sama yakni c
1t
= 100 ms dan u = 50 ms, maka dengan mensubstitusikan kecepatan-kecepatan ini ke dalam persamaan-persamaan
4.3a, 4.3b, dan 4.3c, kita akan peroleh nilai gaya F’. Untuk kasus a :
F’
1
= 5 kgs 100 – 50 = 250 N Untuk kasus b :
F’
2
= 2.5 kgs 100 – 50 = 500 N Untuk kasus c :
F’
3
= 2.5 kgs 100 cos 30 – 50 F’
3
= 2.5kgs 100 . 0,866 – 50 = 366 N
Kerja yang dilakukan uap pada ketiga hal tersebut di atas yang memindahkan ketiga benda tersebut dengan kecepatan u ditentukan oleh persamaan 4.1.
Untuk kasus a : P
u1
= F’
1
. u = 250 N 50 ms = 12500 Js Untuk kasus b :
P
u2
= F’
2
. u = 500 N 50 ms = 25000 Js Untuk kasus c :
P
u3
= F’
3
. u = 366 N 50 ms = 18300 Js
Universitas Sumatera Utara
Oleh sebab itu, dari persamaan 4.3c ternyata bahwa gaya F’
3
semburan uap tergantung pada nilai cosinus sudut α
1.
Dengan nilai yang minimum-nol, gaya F’
3
akan mencapai nilai batasnya F’
2.
Dalam hal nilai sudut α
1
yang membesar, gaya yang diberikan yang searah dengan arah putaran akan terus berkurang sampai pada nilai α
1
= 90
o
, gaya ini akan menjadi nol. Jadi, kecermatan harus diberikan sewaktu memilih nilai α
1
yang sesuai untuk nosel-nosel dan sudu-sudu turbin uap, biasanya 11
o
sampai 16
o
lit. 1 halaman 16.
4.3 Perhitungan Data Survey 4.3.1 Data hasil Survey Studi
Kategori