Perencanaan Sudu Turbin dan Disk Turbin

Bonar M. Robintang Siahaan : Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Putaran 3000 Rpm Dan Daya Terpasang Generator 132 Mw, 2009. USU Repository © 2009 Adapun perencanaan perancangan bagian–bagian utama pada unit turbin gas tipe axial reaksi yang akan dibahas meliputi : 1 Perencanaan sudu turbin dan disk turbin 2 Perencanaan poros penghubung Central Hollow Shaft.

4.3.1. Perencanaan Sudu Turbin dan Disk Turbin

Menurut Lit.2, hal. 249 untuk turbin d engan d erajat reak si =5 0 ditentukan bahwa : φ 1 = tan 3 – tan 2 Perbandingan langsung 3 = 2 dan 2 = 3 dan diagram kecepatan akan menjadi simetris. Selanjutnya untuk multi stage c 3 = c 1 dalam arah sebagai besarnya, 1 = 3 = 2 dan sudu stator dan rotor memiliki sudut sisi masuk dan keluar yang sama. Bonar M. Robintang Siahaan : Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Putaran 3000 Rpm Dan Daya Terpasang Generator 132 Mw, 2009. USU Repository © 2009 Gambar 4.4 50 Percent Reaction Design Untuk flow coefficient φ = 0,8 dan nilai optimum temperatur drop coefficient yaitu dari 3 ke 5, sehingga besarnya sudut gas adalah : = 4 φ tan 2 – 2 dan, tan 2 = φ 4 2 + Ψ = 8 , 4 2 3 × + = 1,5625 2 = 57,38º Kemudian untuk sudut putaran angin swirl angle , 3 adalah : = 4 φ tan 2 + 2 ta n 3 = φ 4 2 − Ψ = 8 , 4 2 3 × − = 0,3125 Bonar M. Robintang Siahaan : Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Putaran 3000 Rpm Dan Daya Terpasang Generator 132 Mw, 2009. USU Repository © 2009 3 =17,35º Dari geometri diagram kecepatan diperoleh : C a = C a2 = C a3 = U . φ = 350 × 0,8 = 280 ms Kecepatan gas absolut C 2 adalah : C 2 = V 3 = 8 , 350 = 437,5 ms C a1 = C 1 = C 3 = 3 3 cos α a C = 35 17 cos 280 ° = 293,35 ms Dikarenakan 3 = 2 = 17,35º maka bentuk diagram kecepatan adalah simetrical seperti gambar berikut : Gambar. 4.5 Diagram kecepatan untuk derajat reaksi Maka dari gambar diatas dapat diperoleh data-data sebagai berikut: C 3 = V 2 = 293,35 ms V 3 = C 2 = 437,35 ms 3 = 2 = 17,35º Bonar M. Robintang Siahaan : Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Putaran 3000 Rpm Dan Daya Terpasang Generator 132 Mw, 2009. USU Repository © 2009 2 = 3 = 57,38º 4.3.1.i Kondisi gas pada tingkat turbin a. Kondisi sudu tetap turbin tingkat I Gambar. 4.6 Diagram h–s untuk satu tingkat turbin Pada gambar 4.1.6 diatas ditunjukkan diagram sederhana untuk satu tingkat turbin Enthalpy Drop actual pada tingkat I menurut Lit. 8, hal 149 yaitu : ha 1t = J g C C C pg ⋅ ⋅ ⋅ − + ⋅ − 2 cos 2 1 2 2 2 2 2 α φ φ σ Dimana : = koefisien kecepatan sudu yaitu 0,7 – 0,8 dipakai 0,8 C pg = 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 = 17,35º Bonar M. Robintang Siahaan : Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Putaran 3000 Rpm Dan Daya Terpasang Generator 132 Mw, 2009. USU Repository © 2009 sehingga : ha 1t = 2 , 778 2 , 32 148 , 1 2 35 , 17 cos 8 , 2 8 , 1 43 , 1435 8 , 43 , 1435 2 2 2 × × × × − + × −  = 33,06 BTU lb atau ≈ 76,91 kJ kg Kondisi gas keluar sudu tetap tingkat I pada titik 2t adalah : h 2t = h 1t – ha 1t dimana : h 1t = h 03 , dari tabel gas untuk T 03 = T 1t = 1004ºC = 1839,2 ºF h 1t = 588,49 BTU lb = 1368, 92 kJ kg Pr 3 = Pr 1t = 307,25 psi maka : h 2t =1368,92 – 76,91 =1292,01 kJkg ≈ 555,46 BTU lb Dari tabel ideal properties untuk h 2t = 555,46 BTU lb diperoleh : T 2t = 1722,27 ºF =1212,2 K Pr 2t = 248,18 psi Maka tekanan pada titik 2t adalah : P 2t = t t t P 1 1 2 Pr Pr × Dimana : P 1t = P 03 = 9,769 bar =141,65 psi P 2t = 68 , 141 25 , 307 18 , 248 × = 7,89 bar ≈114,44 psi Efisiensi isentropis turbin s adalah 0,9. Untuk itu penurunan enthalpi isentropis hs 1t adalah : Bonar M. Robintang Siahaan : Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Putaran 3000 Rpm Dan Daya Terpasang Generator 132 Mw, 2009. USU Repository © 2009 hs 1t = 9 , 1t ha ∆ = 9 , 91 , 76 = 85,45 kJ kg Enthalpy isentropis gas keluar sudu tetap tingkat I adalah : h 2ts = h 1t – hs 1t = 1368,92 – 85,45 = 1283,47 kJ kg ≈ 551,76 BTU lb Dari tabel ideal gas properties diperoleh untuk h 2ts = 551,76 BTU lb yaitu : Pr 2ts = 242,17 psi T 2ts = 1709,31 ºF ≈ 1205 K Volume spesifik gas keluar sudu tetap tingkat I 2t adalah : 2t = t t P T R 2 2 dimana : R = konstanta gas = 287 J kg K 2t = 5 10 89 , 7 2 , 1212 287 × × = 0,44 m 3 kg Kapasitas aliran gas Q 2t adalah : Dimana : m t = massa campuran bahan bakar, m f + udara, m ac = 9,816 + 595,727 = 605,51 kg s maka : Q 2t = 605,51 × 0,44 = 266,42 m 3 s Bonar M. Robintang Siahaan : Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Putaran 3000 Rpm Dan Daya Terpasang Generator 132 Mw, 2009. USU Repository © 2009 b. 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 kearah seksi keluar. Enthalpy drop actual sudu gerak tingkat I adalah : ha 2t = ha 1t = 76,91 kj kg Seksi keluar sudu gerak tingkat I diberi notasi 3t sehingga enthalpi aktual sudu gerak tingkat I adalah : h 3t = h 2t – ha 2t = 1292,01 – 76,91 = 1215,1 kj kg ≈ 522,37 BTU lb Dari tabel ideal properties untuk h 3t = 522,37 BTU lb diperoleh : T 3t = 1604,19 ºF = 1146,6 K Pr 3t = 197,75 psi Tekanan gas aktual keluar sudu gerak tingkat I adalah : P 3t = t t t P 2 2 3 Pr Pr × = 44 , 114 18 , 248 75 , 197 × = 91,18 psi ≈ 6,28 bar Enthalpi isentropis keluar sudu gerak tingkat I adalah : h 3ts = h 2ts - s t s h η 2 ∆ = 1283,47 - 9 , 45 , 85 Bonar M. Robintang Siahaan : Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Putaran 3000 Rpm Dan Daya Terpasang Generator 132 Mw, 2009. USU Repository © 2009 = 1188,52 kj kg ≈ 510,94 BTU lb Dari tabel ideal gas properties diperoleh untuk h 3ts = 510,94 BTU lb : T 3ts = 1563,15 ºF = 1123,8 K Pr 3ts = 182,24 psi Volume spesifik gas keluar Dari sudu gerak tingkat I adalah : 3t = R . t t P T 3 3 = 287 5 10 28 , 6 6 , 1146 × × = 0,52 m 3 kg Kapasitas aliran gas Q 3t adalah : Q 3t = mt . 3t = 605,51 × 0,52 = 314,86 kg s c. 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 = 803,24 K ≈ 986,144 ºF : h 04 = 354,98 BTU lb ≈ 825,69 kj kg maka : Zt = 1 , 1215 92 , 1368 69 , 825 92 , 1368 − − = 3,531 Bonar M. Robintang Siahaan : Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Putaran 3000 Rpm Dan Daya Terpasang Generator 132 Mw, 2009. USU Repository © 2009 = 4 tingkat diambil Maka untuk turbin gas dengan derajat reaksi = 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 1368.92 129.,01 1215.1 1138.19 1061.28 984.37 907.46 830.55 A Pr psi 307.25 248.18 197.75 155.43 120.29 91.51 68.2 49.68 S T K 1277.16 1212.2 1146.6 1080.4 1013.4 945.8 877.4 808 U P psi 141,68 114.44 91.18 71.67 55.46 42.18 31.44 22.90 K m³ kg 0.37 0.44 0.52 0.63 0.76 0.94 1.17 1.48 Q m³ s 224.03 226.42 314.86 380.07 461.02 566.77 705.91 894.37 K h kj kg 129.,01 1215.1 1138.19 1061.28 984.37 907.46 830.55 753.64 E Pr psi 248.18 197.75 155.43 120.29 91.51 68.2 49.680 35.05 L T K 1212.2 1146.6 1080.4 1013.4 945.8 877.4 808 737.5 U P psi 114.44 91.18 71.67 55.46 42.18 31.44 22.90 16.15 A m³ kg 0.44 0.52 0.63 0.76 0.94 1.17 1.48 1.91 R Q m³ s 226.42 314.86 380.07 461.02 566.77 705.91 894.37 1154.63 Dalam penentuan ukuran–ukuran sudu turbin, maka terlebih dahulu ditentukan besarnya kerapatan gas pada sisi masuk dan keluar sudu, dimana : 1 = 1 1 ν = 37 , 1 = 2,70 kg m 3 Luas Annulus : dimana : m t = massa udara mf + massa bahan bakar m ac = 9,816 + 595,777 = 605,51 kg s Bonar M. Robintang Siahaan : Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Putaran 3000 Rpm Dan Daya Terpasang Generator 132 Mw, 2009. USU Repository © 2009 A 1 = 1 1 Ca m t ⋅ ρ = 5 , 293 70 , 2 51 , 605 × = 0,764 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 , 764 , × = 0,779 m 2 Tinggi sudu notasi I dapat diproleh dari persamaan : h 1 = m t U N A ⋅ 1 dimana : N = putaran kerja = 3000 rpm = 50 rps U m = kecepatan keliling sudu rata–rata = 350 ms h 1 = Um N A t ⋅ 1 = 350 50 779 , × = 0,111 m Radius annulus rata–rata r m adalah : r m = N U m ⋅ 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 − + =   −   + 2 111 , 115 , 1 2 111 , 115 , 1 = 1,104 Bonar M. Robintang Siahaan : Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Putaran 3000 Rpm Dan Daya Terpasang Generator 132 Mw, 2009. USU Repository © 2009 Gambar 4.7 Axial flow turbin stage Pada titik 2 - 2 = 1 1 ν = 44 , 1 = 2,27 kg m 3 - A 2 = 2 2 a t C m ⋅ ρ = 280 27 , 2 51 , 605 × = 0,952 m 2 A 2t = Kv Ka A ⋅ 2 = 98 , 952 , = 0,971 m 2 - h 2 = m t U N A ⋅ 2 = 350 50 971 , × = 0,139 m - r t r r =   −   + 2 139 , 115 , 1 2 139 , 115 , 1 = 1,132 Pada titik 3 - 3 = 3 1 ν = 52 , 1 = 1,923 kg m 3 Bonar M. Robintang Siahaan : Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Putaran 3000 Rpm Dan Daya Terpasang Generator 132 Mw, 2009. USU Repository © 2009 - A 3 = 3 3 a t C m ⋅ ρ = 280 923 , 1 51 , 605 × = 1,124 m 2 A 3t = Kv Ka A ⋅ 3 = 98 , 124 , 1 = 1,146 m 2 - h 3 = m t U N A ⋅ 3 = 350 50 146 , 1 × = 0,163 m - r t r r =   −   + 2 163 , 115 , 1 2 163 , 115 , 1 = 1,157 Untuk turbin ini kita peroleh tinggi sudu tetap tingkat I h NI yaitu : h NI = 2 1 h 1 + h 2 = 2 1 0,111 + 0,139 = 0,125 m = 12,5 cm Radius puncak tip radius, r t adalah : r t = 1,115 +     2 NI h = 1,115 +   2 125 , = 1,177 m Radius dasar root radius, r r adalah : r r = 1,115 -     2 NI h = 1,115 -   2 125 , = 1,052 m Tinggi sudu gerak tingkat I h RI adalah : h RI = 2 1 h 2 + h 3 = 2 1 0,139 + 0,163 = 0,151 m = 15,1 cm Radius puncak tip radius, r t adalah : Bonar M. Robintang Siahaan : Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Putaran 3000 Rpm Dan Daya Terpasang Generator 132 Mw, 2009. USU Repository © 2009 r t = 1,115 +     2 RI h = 1,115 +   2 151 , = 1,1905 m Radius dasar root radius, r r adalah : r r = 1,115 -     2 RI h = 1,115 -   2 151 , = 1,0395 m 4.3.1.ii Aspect ratio hc Aspect ratio merupakan perbandingan antara tinggi sudu dengan panjang chord. Menurut lit. 2 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 = 3 125 , = 0,041 m = 4,1 cm C RI = 3 RI h = 3 151 , = 0,050 m = 5,0 cm 4.3.1.iii Pitchchord ratio sc Bonar M. Robintang Siahaan : Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Putaran 3000 Rpm Dan Daya Terpasang Generator 132 Mw, 2009. USU Repository © 2009 Gambar 4.8 Nilai ‘optimum’ pitchchord ratio Dari grafik optimum pitch chord ratio , untuk 2 = 57,38º dan 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 ×0,046 = 0,041 m atau = 4,1 cm S RI = 0,9 . C RI = 0,9 ×0,051 = 0,045 m atau = 4,5 cm Menurut Lit. 2 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 Bonar M. Robintang Siahaan : Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Putaran 3000 Rpm Dan Daya Terpasang Generator 132 Mw, 2009. USU Repository © 2009 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 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 kg m³ 2.7 2.27 1.923 1.593 1.313 1.068 0.858 0.677 0.524 A m² 0.764 0.952 1.124 1.295 1.571 1.931 2.405 3.047 3.94 At m² 0.779 0.971 1.146 1.321 1.603 1.97 2.454 3.109 4.021 r r r t 1.104 1.132 1.157 1.185 1.229 1.289 1.373 1.497 1.694 h m 0.111 0.139 0.163 0.189 0.229 0.281 0.351 0.444 0.574 Dengan demikian dapat pula ditabelkan ukuran–ukuran sudu turbin keseluruhan sebagai berikut : Tabel 4.7. Ukuran–ukuran utama sudu turbin Bonar M. Robintang Siahaan : Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Putaran 3000 Rpm Dan Daya Terpasang Generator 132 Mw, 2009. USU Repository © 2009 Tingkat Turbin Satuan ukuran I II III IV ST SG ST SG ST SG ST SG h m 0.125 0.151 0.176 0.209 0.255 0.316 0.397 0.509 r t m 1.178 1.191 1.203 1.219 1.243 1.273 1.314 1.37 r r m 1.053 1.04 1.027 1.011 0.987 0.957 0.916 0.86 c m 0.042 0.05 0.059 0.07 0.085 0.105 0.132 0.17 S m 0.038 0.045 0.053 0.063 0.077 0.095 0.119 0.153 ht m 0.042 0.05 0.059 0.07 0.085 0.105 0.132 0.17 Wt m 0.05 0.06 0.07 0.084 0.102 0.126 0.159 0.204 Wr m 0.005 0.006 0.007 0.008 0.01 0.013 0.016 0.02 t t m 0.01 0.013 0.015 0.017 0.021 0.026 0.033 0.042 t r m 0.005 0.006 0.007 0.008 0.01 0.013 0.016 0.02 LER m 0.0013 0.0015 0.0018 0.0021 0.0026 0.0032 0.004 0.0051 TER m 0.0006 0.0008 0.0009 0.001 0.0013 0.0016 0.002 0.0025 CLL m 0.004 0.005 0.006 0.007 0.009 0.011 0.013 0.017 4.3.1.iv Berat Sudu Tiap Tingkat Sudu Turbin Berat Sudu = Volume sudu × Berat jenis material sudu atau, Gs = Vs × 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 = 15,1 × 0,93 × 5 = 70,21 cm 3 ≈ 70 cm 3 berat jenis sudu tingkat I = 0,025 kgf cm 3 dipakai maka berat per_sudu gerak Tingkat I adalah : Gs = 70 × 0,025 = 1,755 kg Jumlah sudu gerak tingkat I dari hasil survey adalah Z 1 = 88 buah. Sehingga berat tingkat I sudu gerak adalah : 1,755 ×88 = 154,46 kg Bonar M. Robintang Siahaan : Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pltg Dengan Putaran 3000 Rpm Dan Daya Terpasang Generator 132 Mw, 2009. USU Repository © 2009 Dari data survey lapangan, berat stage tingkat I + ring adalah 2688 kg. Sehingga berat disc turbin tingkat I adalah : 2688 – 154,46 = 2533,54 Kg. Diameter disc turbin tingkat I adalah jari–jari dasar turbin r r dikali dua D d1 = 2 × 1,040 = 2,08 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 70 189 647 2717 kg cm³ 0.025 0.02 0.017 0.0076 Gs kg 1.76 3.77 11 20.65 Gs tot kg 154.5 335.9 681.9 908.6 D d cm 208 202.2 191.4 172 G stage kg 2688 3065 3560 3346 G d kg 2533.5 2729.1 2878.1 2437.4

4.3.2. Perencanaan Poros Penghubung Central Hollow Shaft