118
d Bahan Sudu Turbin
Bahan sudu turbin direncanakan terbuat dari bahan INCONEL Alloy 718, yang dapat tahan terhadap temperatur sampai 1336
o
C. Adapun data-data material properties dari Inconel Alloy 718 dapat dilihat seperti pada Lampiran 2.
4.1.5 Pemeriksaan kekuatan sudu turbin
Pembebanan atau tegangan tarik sentrifugal merupakan gaya utama yang
konstan yang terjadi sudu dasar root . Penampang yang paling berbahaya pada sudu dengan penampang yang konstan adalah pada bagian dasar root sudu.
Karena beban mengalami beban utama yang diterima secara kontinu oleh sudu, terutama pada dasar sudu yang menerima beban paling besar.
Sehingga harga tegangan tarik sentrifugal maksimum yang muncul pada root dapat dihitung dengan persamaan berikut ini :
∫
=
t r
r b
maks ct
ardr a
2
.
ω ρ
σ
Keterangan : =
b
ρ Massa jenis bahan sudu kgm
3
ω = Kecepatan sudut rads a = Luas penampang sudu m
2
a
r
= Jari-jari root m Dengan mengasumsikan bahwa luas penampang sudu sama dari tip
puncak sampai root dasar sudu diperoleh data :
A N
b maks
ct
. .
. 2
2
ρ π
σ
=
Universitas Sumatera Utara
119
Sudu rotor biasanya dipertajam dengan membentuk radius pada chord dan tebal dari 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 di atas menjadi :
A N
b maks
ct
. .
. .
3 4
2
ρ π
σ
=
Keterangan
ct
σ = Tegangan tarik sentrifugal Mpa =
b
ρ Massa jenis bahan sudu kgm
3
N = Putaran poros turbin rads A = Luas penampang sudu m
2
Untuk luas penampang sudu dapat dicari dengan persamaaan berikut : A = 12A
2
+ A
3
dimana, A
2
= Luas penampang pada sisi masuk impeler m
2
A
3
= Luas penampang pada keluar impeler m
2
dimana luas penampang pada sisi masuk turbin gas adalah
2 2
2 a
eg
C m
A ρ
=
Keterangan A
2
= Luas penampang pada sisi masuk impeler turbin m
2
m
eg
= Laju aliran massa gas masuk turbin kgs C
m2
= Lecepatan relatif gas masuk impeler ms = 102,05 ms
2
ρ = Massa jenis gas masuk impeler kgm
3
Universitas Sumatera Utara
120
Dan massa jenis gas masuk impeler dapat dicari dengan rumus berikut ini :
2 2
2
RT P
= ρ
Keterangan
2
ρ = Massa jenis gas masuk impeler kgm
3
R = Konstanta gas = 0,287 kjkgK T
2
= Temperatur gas masuk nosel K = 74,28 K
P
2
= Tekanan gas keluar nosel turbin Pa =
Pa
5
10 55
, 1
× Sehingga massa jenis gas masuk impeler turbin adalah :
28 ,
744 287
, 10
55 ,
1
5 2
K kg
kJ Pa
× =
ρ
3 2
725 ,
m kg
= ρ
Maka luas penampang pada sisi masuk impeler turbin :
05 ,
102 725
, 184
,
2
s m
s kg
s kg
A =
2 3
2
10 48
, 2
m A
−
× =
Untuk mencari luas penampang pada sisi keluar turbin gas adalah :
3 3
3 a
eg
C m
A ρ
=
Keterangan A
3
= Luas penampang pada sisi keluar turbin m
2
m
eg
= Laju aliran massa gas masuk turbin kgs
Universitas Sumatera Utara
121
Ca
3
= Kecepatan absolut gas keluar turbin ms =
07 ,
214 ms
3
ρ = Massa jenis gas keluar turbin kgm
3
Untuk mencari massa jenis gas keluar turbin dalam keadaan statik dapat digunakan rumus :
3 3
3
RT P
= ρ
Keterangan
3
ρ = Massa jenis gas keluar turbin kgm
3
R = Konstanta gas = 0,287 kjkgK T
3
= Temperatur gas keluar turbin K = 686,97 K
P
3
= Tekanan gas keluar turbin Pa =
Pa
5
10 923
, ×
Sehingga massa jenis gas keluar turbin :
97 ,
686 287
, 10
923 ,
5 3
K kg
kJ Pa
× =
ρ
468 ,
3
= ρ
kgm
3
Maka luas penampang pada sisi keluar turbin gas adalah :
07 ,
214 468
, 184
,
3 3
s m
m kg
s kg
A =
2 3
3
10 83
, 1
m A
−
× =
Universitas Sumatera Utara
122
Maka penampang sudu turbin adalah sebagi berikut ini : A = 12A
2
+ A
3
A = 122,48x10
-3
m
2
+ 1,83x10
-3
m
2
A = 2,15 x10
-3
m
2
Dimana diketahui bahwa massa jenis dari INCONEL Alloy 718 adalah : =
b
ρ 8100 kgm
3
Maka tegangan tarik sentrifugal dapat dicari dengan rumus berikut ini :
A N
b maks
ct
. .
. .
3 4
2
ρ π
σ
=
10 15
, 2
8100 90000
14 ,
3 3
4
2 3
3 2
− −
× =
m m
kg rpm
maks ct
σ 48
, 166
=
maks ct
σ MPa
Analisa kekuatan sudu
3 3
2
1 2
zc x
h x
z C
C m
m w
m w
gb
+ =
σ
tan tan
3 2
3 2
α α +
= +
Ca m
C C
m
w w
karena
3
= α
43 ,
71 tan
05 ,
102 184
, tan
2 2
o eg
s m
Ca m
= α
9 ,
55 tan
2 2
= α
Ca m
eg
kN dengan jumlah sudu 12,
maka 2
1
3 2
h h
h +
= dimana kecepatan tangensial sudu rata-rata u
m
maka :
2
. 2
m s
p
u C
∆ =
ϕ
Universitas Sumatera Utara
123
dimana ϕ
s p
m
C u
∆ =
. 2
2
3 31
, 57
1147 2
2
K kg
kJ u
m
=
33 ,
290 =
m
u
m sehingga
m
u N
A h
.
2 2
=
1000 60
33 ,
290 90000
48 ,
2
2 2
× ×
= s
m rpm
m h
013 ,
2
= h
m dan
m
u N
A h
.
3 3
=
1000 60
33 ,
290 90000
83 ,
1
2 2
× ×
= s
m rpm
m h
010 ,
2
= h
m maka tinggi rata-rata
2 1
3 2
h h
h +
= 010
, 013
, 2
1 m
m h
+ =
012 ,
= h
m untuk hc = 3
∼4 diambil hc = 3,5
maka 3
=
N
c h
3 h
c
N
=
Universitas Sumatera Utara
124
5 ,
3 012
, =
N
c 0034
, =
N
c Untuk syarat perencanaan, bahwa tegangan tarik sentrifugal yang terjadi haruslah
lebih kecil atau sama dengan tegangan izin dari material tersebut,
f y
ct
S S
≤
σ
Keterangan
ct
σ = Tegangan sentrifugal yang terjadi pada turbin Mpa Sy = Kekuatan tarik yield =
1100 MPa S
f
= Faktor keamanan Faktor keamanan S
f
yang direncanakan berdasarkan kekuatan lelah, haruslah
bernilai 1,2 untuk 99 keandalan . Karena diperkirakan kontruksi mesin mungkin akan menerima beban yang lebih banyak berlebih,sehingga beban ini
dapat menaikkan beban torsi sampai 43 ,beban lentur sampai 80 Akibatnya nilai faktor keamanan menjadi,
S
f
= 1,2 x 1,43 x 1,8 = 3,08 Maka dapat diperiksa kekuatan sudu apakah aman terhadap material yang
digunakan
f y
ct
S S
≤
σ
08 ,
3 1100
48 ,
166 Mpa
Mpa ≤
Mpa Mpa
14 ,
357 48
, 166
≤ sehingga bahan sudu dari bahan INCONEL Alloy 718, aman untuk digunakan.
Universitas Sumatera Utara
125
4.1.6 Diameter Poros Turbin D
