9. Perencanaan Nozzle Dan Blade

IV. 9. Perencanaan Nozzle Dan Blade

Dalam perencanaan nozzle harus diketahui fungsi, kegunaan dan bentuk dari nozzle yang dipergunakan pada turbin uap. Demikian juga halnya Blade yang menerima beban berupa benturan uap yang dipancarkan oleh sebuah nozzle, sehingga disc turbin berputar. Oleh karena itu harus diketahui bahan dan kekuatan blade yang cocok untuk turbin ini. Gambar 4.5. Bentuk-bentuk nozzle Universitas Sumatera Utara tenaga potensial fluida menjadi energi kinetik. Nozzle tekanan medium dan tekanan tinggi digunakan bahan yang terbuat dari baja tahan karat. Menurut bentuknya nozzle yang dipergunakan pada turbin uap dibagi atas beberapa jenis, yaitu : - Nozzle konvergen - Nozzle divergen - Nozzle konvergen divergen Untuk memilih nozzle tersebut dapat diambil berdasarkan perbandingan tekanan uap, dengan syarat sebagai berikut : - bila tekanan uap keluar tekanan uap kritis p 1 p kr maka dipakai nozzle divergen. - bila tekanan uap keluar tekanan uap kritis p 1 p kr maka dipakai nozzle konvergen. Dimana : P kr = 0,546 . P o untuk super heater steam P kr = 0,577. P o untuk dry saturated steam Untuk perencanaan ini nozzle yang digunakan adalah super heater steam dengan P kr = 0,546 dari perhitungan terdahulu : P kr = 11,476 kgcm 2 P’ o = 20 kgcm 2 P 1 = P 2 = 3 kgcm 2 Karena : 15 , 20 3 P P 1 = = adalah lebih rendah dari tekanan kritis. Dengan demikian dipakai nozzle jenis konvergen. IV.11. Perhitungan Ukuran Nozzle Luas penampang nozzle ialah : Universitas Sumatera Utara dimana : G o = massa aliran uap yang berguna = 5,60 kgdet c kr = kecepatan kritis uap melalui nozzle = 849,12 mdet v kr = volume spesifik uap pada titik A it = 0,18 m 3 kg sehingga : f min = 849,12 0,181 . 5,60 = 849,12 1,0136 = 0,0012 m 2 Luas penampang sisi keluar nozzle f 1 f max = 1 1 o c v . G …………………………………………………...4.26 dimana : G o = massa aliran yang berguna = 5,60 kgdet V 1 = volume spesifik uap keluar nozzle dengan tekanan 3 kgcm 2 = 0,617 m 3 kg c 1 = kecepatan uap aktual sewaktu meninggalkan nozzle = 785,8det Sehingga : f 1 = 785,8 0,617 . 560 = 785,8 3,4552 = 0,0044 m 2 Universitas Sumatera Utara f min = f max X X = jumlah nozzle Jadi : f min = 12 20 = 0,6 cm Bila panjang nozzle L min = 25 mm diambil jadi lebar nozzle pada bagian lehernya adalah sebesar : a min = min min L f = 0,6 2,5 = 0,24 cm = 24 mm Lebar nozzle pada sisi keluar nozzle ialah sebesar : a 1 = min 1 L . 20 f = 2,5 . 20 44 = 44 50 = 0,88 cm = 8,8 mm = 9 mm diambil Dengan mengambil sudut nozzle = γ = 6 o , maka panjang nozzle yang divergen adalah sebesar : L = 2 γ tan 2 α α min a − Universitas Sumatera Utara = 0,052 . 2 6,6 = 62,8 = 63 mm diambil IV.12. Perhitungan Ukuran Sudu-sudu Sudu merupakan bagian terpenting dari suatu turbin uap yang berfungsi sebagai alat untuk merubah tenaga kinetik dari suatu fluida menjadi tenaga gerak, sehingga tenaga ini mendorong moving blade atau sudu gerak sehingga berputar yang diikuti oleh putaran poros. Uap yang bekerja pada moving blade ini mempunyai suhu yang cukup tinggi dalam bentuk uap kering maupun uap panas lanjut. Tetapi uap itu jika berkali-kali mendorong sudu jalan akan timbul bintik-bintik air dan hal ini dapat mengakibatkan korosi pada sudu jalan tersebut. Untuk mencegah korosi tersebut maka moving blade harus terbuat dari baja tahan karat yaitu baja jenis Crom Nikel atau Stainless Steel. Ukuran-ukuran dari blade perlu derajat pemasukan parsialnya dapat dihitung dengan rumus : ε = 1 maks α sin . I . d . it f …………………………………………………4.27 dimana : d = Diameter cakra atau disc = 1,10 m L = tinggi nozzle pada sisi keluar = 2,5 cm f 1 = f maks = luas penampang sisi keluar nozzle = 0,0044 m 2 Sudut nozzle = 6 o maka : Universitas Sumatera Utara = 0,276 . 0,0252 . 1,1 . 3,14 0,0044 = 0,0240 0,0044 = 0,183 Tinggi sudu gerak pada bagian masuk adalah : L’ = L + 2 = 25 + 2 = 27 mm Tinggi sudu gerak pada bagian keluar adalah L” L” = 2 2 1 o β sin . w . ε . d . π v . G …………………………………………...4.28 Dimana : G o = massa aliran uap = 5,60 kgdet V’ 1 = volume spesifik uap pada sisi keluar sudu gerak baris I = 0,625 m 3 kg d = diameter disc = 1,10 m ε = derajat pemasukan parsial = 0,183 β 2 = sudut keluar relatif pada sudu gerak pertama = 17 o w 2 = kecepatan uap keluar relatif = 590,35 mdet Universitas Sumatera Utara Maka : L” = 35 , 590 . 17 sin . 0,183 . 1,10 . 3,14 0,625 . 5,60 o = 292 , . 35 , 590 . 0,183 . 1,10 . 3,14 3,5 = 108,96 3,5 = 0,032 m = 32 mm Tinggi keluar sudu pengarah L gb adalah : L gb = 1 1 1 o β sin . c . ε . d . π v . G …………………………………………..4.29 Dimana : G o = 5,60 mdet d = 1,10 m ε = 0,183 c 1 = 406,58 mdet pada 21 o maka : L’ gb = o 17 2 sin 58 , 406 . 0,183 . 1,10 . 3,14 0,620 . 3,60 = 324 , . 58 , 406 . 0,183 . 1,10 . 3,14 3,472 = 83,621 3,461 = 0,242 m = 42 mm Tinggi sudu gerak pada bagian masuk baris kedua adalah : L’ 1 = L gb + 2 = 42 + 2 Universitas Sumatera Utara Tinggi sudu gerak pada bagian keluar baris kedua adalah : L’ 2 = 2 2 2 o β sin . c . ε . d . π v . G …………………………………………...4.30 = 32 sin 49 , 241 . 0,183 . 1,10 . 3,14 0,623 . 5,60 = 70,65 3,489 = 0,0489 m = 49 mm Jika lebar sudu diambil b = 25 mm, maka garis kelengkungan profil sudu baris pertama adalah r’ : r’ = 1 β cos 2 b ………………………………………………………..4.31 = 35 cos 2 25 = 1,638 25 = 15,2 mm Jarak antara baris pertama t’ adalah : t’ = β35 s 2 r in ……………………………………………………...4.32 = 35 sin 2 15,2 = 1,146 15,2 = 13,3 mm Universitas Sumatera Utara z = 1 t d ε . π .………………………………………………………...4.33 = 13,3 0,183 . 1100 . 3,14 = 13,3 632,1 = 47 buah Jarak kelengkungan dari profil sudu pada baris kedua r” adalah : R” = 1 β cos 2 b ………………………………………………………4.34 = 32 cos 2 25 = 0,848 . 2 25 = 14,7 mm Jarak antara baris kedua t” adalah : t” = 1 β sin 2 r ……………………………………………………….4.35 = 32 sin 2 14,7 = 0,5299 . 2 14,7 = 13,9 mm dibulatkan = 14 mm Jumlah sudu-sudu pada baris kedua Z 2 ialah : Z 2 = t ε . d . η ………………………………………………………..4.36 = 14 0,183 . 1100 . 3,13 Universitas Sumatera Utara = 45 buah Gambar 4.6. Profil moving blade implus Dari hasil perhitungan maka dapat disimpulkan ukuran-ukuran nozzle sebagai berikut : - Luas penampang nozzle minimum adalah : f min = 0,00012 m 2 = 12 cm 2 - Luas penampang sisi keluar nozzle adalah : f min = 0,0044 m 2 = 44 cm 2 - Lebar luar nozzle pada sisi luarnya : a min = 2,4 mm - Lebar nozzle pada sisi keluarnya adalah : a 1 = 9 mm - Sudut divergensi adalah : - Panjang nozzle yang divergen L = 63 mm Juga ukuran-ukuran sudu pengarah dan sudu gerak dapat disimpulkan sebagai berikut : - Tinggi sisi untuk sudu gerak I L’ = 27 mm - Tinggi sisi keluar untuk sudu gerak I L” = 32 mm Universitas Sumatera Utara - Tinggi sisi keluar untuk sudu gerak II L’ 2 = 49 mm - Jari-jari kelengkungan sudu I r’ = 15,2 mm - Jari-jari kelengkungan sudu II r” = 14,7 mm - Jarak sudu dengan sudu baris I t’ = 13,3 mm - Jarak sudu dengan sudu baris II t” = 13,9 mm IV.13. Perhitungan Kekuatan Blade Gambar 4.7. Rencana moving blade I Ukuran-ukuran moving blade I adalah sebagai berikut : b = 25 mm b 1 = 20 mm f 1 = 15 mm a = 5 mm c = 5 mm l = 5 mm s = 2 mm Dm = diameter purata Dm = D + s + a + l” 1 2 = 1100 + 2 + 5 + 32 2 = 1123 mm D 1 = Dm + l 2 2 + s = 1123 + 252 + 2 Universitas Sumatera Utara = 1123 – 32 2 = 1107 mm Ukuran-ukuran moving blade II b = 25 mm c = 5 mm b 1 = 20 mm a = 5 mm f 1 = 15 mm l = 5 mm s = 2 mm Dm = diameter purata Dm = D + s + a + 1’ 2 2 = 1100 + 2 + 5 + 32 2 = 1131 mm D 1 = Dm + L 2 2 + s = 1131 + 252 + 2 = 1158 mm D 2 = Dm – l 2 2 = 1131 – 492 = 1107 mm Perhitungan dilakukan pada bagian yang terlemah. Bila bagian-bagian terlemah sudah tahan terhadap gaya-gaya yang bekerja padanya, maka pada bagian- bagian yang lain diasumsikan lebih aman. Gaya-gaya yang terjadi ialah : a. Gaya centrifugal pada penampang I-I untuk moving Blade II Universitas Sumatera Utara Gambar 4.8. Penampang Moving Blade Untuk perencanaan moving blade ini tebal blade direncanakan konstan disepanjang penampang. Maka tegangan yang terjadi adalah sebagai berikut : σ = o o F c = o F cs . c ε cb + …………………………………………………….4.37 Dimana : c o = jumlah gaya centrifugal terhadap blade F o = luas penampang I = I Gaya centrifugal terhadap blade atau sudu c b adalah : c b = 2 rat b w . r . G G = g γ . 1 . F o ……………………………………………………….4.38 Dimana : G b = berat blade atau sudu 1’ = tinggi blade pada sisi masuk = 44 mm γ = berat jenis bahan sudu = 0,00785 kgcm 3 g = gravitasi bumi = 9,8 mdet W = kecepatan sudut Universitas Sumatera Utara = 60 3000 . 3,14 . 2 = 314 mdet r rat = radius rata-rata = 2 D m = 2 1131,5 = 565,75 mm F o = Luas penampang I – I = a . t 4 = D 3 Z = 47 1103 . 3,14 = 73,7 mm Maka : F o = 5 . 73,7 = 368,4 mm 2 Sehingga : c b = 981 0,00785 . 4,7 . 3,684 = 7 , 5578068 . 981 0,1659 = 943,33 kg Gaya centrifugal selubung ialah : c s = 2 s s w . r . g c = F s . t s . γ . r s . g w s ………………………………………………4.39 dimana : F s = Luas penampang sudu Universitas Sumatera Utara = 50 mm 2 r s = jari-jari tidak berat selubung = r rat + 0,5 . L + s = 565,75 + 0,5 . 5 + 2 = 613,24 mm t s = panjang setiap belah selubung = z r . 2 s = 47 613,25 . 3,14 . 2 = 28,19 mm Maka : C s = 0,5 . 2819 . 0,00785 . 61,325     981 314 2 = 1,9714 . 100,51 = 198,15 kg Dengan mensubstitusikan persamaan di atas c b dan c s , maka diperoleh : σ = 0,88 . 10 7 . n 2     + s s o s rat r . t . F F 1 ………………………………4.40 = 0,88 . 10 7 3000 2 .       + 3 , 1 6 . 19 , 8 2 . 4,702 0,5 575 , 56 . 9 , 4 = 365,24 kg Untuk momen lengkung pancaran uap ialah : P u = Z . U ε N . 103 2 u = z u o U . ε . 860 H . G . 3600 . 102 Universitas Sumatera Utara Dimana : N u = Daya yang dihasilkan plekrim = 1396,51 ε = derajat pemasukan parsial = 0,183 U = kecepatan keliling = 172,9 raddet Z = jumlah blade = 47 buah G o = massa aliran uap = 5,60 kgdet h u = penurunan kalor yang dimanfaatkan turbin = 22,23 kkalkg Maka : P u = 9,47 . 172 . 0,183 22,23 . 5,60 . 427 = 35,7 kg Momen lengkung akibat pancaran uap yang mengalami perubahan momentum. P’a = 2a 1a o c c z . g G − ……………………………………………4.42 Dimana : c 1a = kecepatan uap = c 1 cos 1 = 785,8 . cos 16 = 755,36 mdet Universitas Sumatera Utara = 785,8 cos 24 = 717,86 mdet Maka : P’a = 86 , 717 . 36 , 755 47 . 0,183 . 9,81 560 = 2,486 kg Sehingga total gaya oleh pancaran uap ialah : P o = a 2 u 2 p p − ……………………………………………………4.43 = 2 2 486 , 2 7 , 5 3 − = 180 , 6 48 , 1274 − = 3 , 1268 = 35,6 kg Untuk P o yang bekerja konstan sepanjang blade atau sudu maka momen lengkung yang bekerja adalah : M 1 = 2 c . P u …………………………………………………………4.44 Dimana : c = Tinggi blade rata-rata = 2 1 1 2 1 + = 2 49 44 + = 46 mm Maka : Universitas Sumatera Utara = 830,02 kgmm Tegangan lengkung yang terjadi disepanjang blade ialah : σ 1b = y 1 M M Dimana : M y = momen perlawanan = 16 . b . l 2 2 = 16 . 25 . 4,9 2 = 10,024 cm 3 Sehingga : σ 1b = 10,024 83,002 = 8,28 kgcm 2 Untuk turbin uap dengan parsial dimension atau pemasukan sebagian, maka untuk σ b ≤ 190 kgcm 2 ………………….. Dengan demikian Blade cukup aman terhadap tegangan lengkung karena, σ lb ≤ ≤ b = 8,28 kgcm 2 ≤ 190 kgcm 2 IV.14. Material Blade Dari hasil perhitungan diperoleh temperatur uap memasuki turbin ialah 350 o C, maka dengan demikian dipilih material turbin adalah SAF 1085 yang komposisinya yaitu sebagai berikut : C = 5 S i = 8 M n = 15 C r = 15 N i = 15 Universitas Sumatera Utara Dengan tegangan 2700 kgcm 2 ………………………………………4.45 Dengan adanya persentase c r sampai 15 maka akan terjadi pada temperatur 1500 o F atau 815 o C. Sedangkan pada perencanaan ini temperatur tertinggi ialah 350 o C, dengan demikian perencanaan cukup aman. IV.15. Perhitungan Karangan Sudu Akibat adanya kecepatan putar pada disc maka akan terjadi gaya centrifugal yang mempengaruhi kekuatan dan karangan sudu atau disc. Sehingga untuk ukuran- ukuran gaya centrifugal tersebut di atas dapat dilihat pada penampang karangan sudu serta besarnya gaya tersebut. IV.15.1. Perhitungan Gaya-gaya yang Mempengaruhi Disc a. Gaya centrifugal akibat gerak blade C s = M blade . r 1 . w 2 ……………………………………4.46 Dimana : M blade = 1 f . t . f . g γ ………………………………………4.47 f = tinggi blade rata-rata = 46,5 mm f 1 = 15 mm t = tebal blade Maka : M blade = 5 , 1 . 965 , . 65 , 4 . 981 0,00785 = 3,9 . 10 5 kgdet 2 Universitas Sumatera Utara = 60 n . π . 2 = 60 3000 . 3,14 . 2 = 314 raddet Sehingga : C s = 3,9 . 10 -5 . 57,9 . 324 2 = 221 kg b. Gaya centrifugal pada penampang I – I adalah : C s = f 1 g γ r 2 – t k . w 2 ………………………………4.48 Dimana : f 1 = 15 mm w = 314 raddet γ = 0,00785 kgcm 2 g = 9,81cmdet r 2 = Dm - 2 , 1 2 4,9 4,4 − + = 67,15 cm Maka : C 1 = 0,15 . 2 314 . 2 . 15 , 67 . 981 0,00785 = 15,89 kg c. Gaya centrifugal pada penampang II – II adalah : C 11 = f 2 g γ r 3 – t k . w 2 ………………………………4.49 Dimana : f 2 = b . b 1 Universitas Sumatera Utara = 10,7 – 102 = 105,7 cm Maka : C 11 = 5 . 2 314 . 695 , . 7 , 105 . 981 0,00785 = 289,79 kg d. Tegangan geser pada penampang I – I adalah : σ = t . d 89 , 15 2 C s + Dimana : d = 0,5 diambil t = 2 cm Maka : g s = 2 . 0,5 89 , 15 1 221 + = 1 89 , 15 1105 + = 126,39 kgcm 2 e. Tegangan lengkung pada penampang II – II adalah : σ gl = 6 d . t 2 C . C 2 C 2 1 s + …………………………………4.50 Dimana : t.d 2 16 = momen perlawanan = 2 . 0,15 2 16 = 0,083 cm C = b 1 – f 1 2 = 0,3 cm Maka : Universitas Sumatera Utara = 0,083 96 , 18 = 228,4 kgcm 2 f. Tegangan geser pada penampang II – II adalah : σ gs = t . b C C 2 C 1 1 s + + = 26 . 2 . 2 79 , 289 89 , 15 2 221 + + = 40 18 , 416 = 104,054 kgcm 2 g.Tegangan lengkung pada penampang II – II adalah : σ 1 Π = 26 . b . t 2 1 2 C C 2 C 1 1 s + + + = 26 . 2 . 2 2 2 2 3 , 89 , 15 2 221 + + + = 1,4 54 , 126 = 97,34 kgcm 2 Jumlah tegangan total geser pada penampang II – II adalah : σ tot = Π σ Π σ 2 1 2 g + = 2 2 97,34 104,45 + = 34 , 20300 = 142,48 kgcm 2 Universitas Sumatera Utara berfungsi untuk memindahkan gerakan putran keliling dari moving blade menjadi gerak putar pada poros, sehingga pada disc akan timbul gaya tangensial dan gaya radial antara lain : - Gaya tangensial ialah gaya yang timbul akibat adanya kecepatan yang mendorong moving blade. - Gaya radial ialah gaya yang ditimbulkan oleh karena adanya gaya sentifugal, sehingga untuk menghitung tegangan pada disc, maka terlebih dahulu ditentukan ukuran-ukuran utama dari disc, dan begitu juga jenis baja apa yang sesuai dengan perencanaan ini. Oleh karena itu disc ini bersinggungan dengan uap yang dipakai untuk mendorong moving blade, maka dengan demikian untuk perencanaan disc dipakai bahan 32 XHM dengan susunan kimia sebagai berikut : C = 28 – 35 Si = 17 – 37 Mn = 30 – 80 Cr = 30 – 80 Ni = 27 – 30 Mo = 30 – 40 S = 3 P = 4 Sehingga untuk bahan disc yang dipakai adalah dari Molybdenum Style.

IV.17. Perhitungan Tegangan Pada Bagian Disc