BAB IV PERENCANAAN TURBIN
4.1. Perencanaan Bagian Kompresor
Adapun perencanaan perancangan bagian–bagian utama dalam unit kompresor yang akan dibahas meliputi :
1. Jumlah Tingkat Kompresor
2. Sudu Kompresor
3. Poros Utama Tie Rod
4. Disk Kompresor.
4.1.1. Jumlah Tingkat Kompresor
Menurut Lit.3 hal. 182 bahwa kenaikan temperatur seluruh tingkat adalah selisih antara temperatur udara keluar dengan temperatur udara masuk kompresor.
Sedangkan banyaknya jumlah tingkat kompresor dinyatakan sebagai perbandingan antara kenaikan temperatur seluruh tingkat dengan kenaikan temperatur setiap
tingkatnya. Dari diagram h–s dapat dilihat kenaikan temperatur untuk seluruh tingkat kompresor
yaitu : ΔTα = T
02
– T
01
Sedangkan kenaikan temperatur untuk setiap tingkatnya menurut Lit.3 hal 166 yaitu ΔTα =
p a
C C
U tan
tan .
.
2 1
β β
λ −
Dimana : λ = Faktor kerja setiap tingkat, besarnya antara 0,80 s d 0,98
= 0,80 dipakai
Universitas Sumatera Utara
U = Kecepatan keliling sudut rata–rata ms β
1
= Sudut kecepatan masuk aksial β
2
= Sudut kecepatan keluar aksial Kerapatan udara pada titik 1 dan 2 dari diagram h–s adalah :
ρ
1
=
01 01
.T R
P
air
Dimana, R
air
= 0,287 kj kg K ρ
1
= 61
, 301
287 ,
10 993
,
2
× ×
= 1,147 kg m
3
ρ
2
= 27
, 627
287 ,
10 97
, 9
2
× ×
= 5,538 kg m
3
maka jari–jari puncak kompresor adalah : rt
2
=
−
2 1
1 .
.
t r
a ac
r r
C m
ρ π
Dimana :
t r
r r
= Perbandingan dasar dan puncak sudu = 0,4 s d 0,6
........Lit.3 hal 180
r
t 2
=
−
× ×
2
1 150
147 ,
1 45
, 695
t r
r r
π
Universitas Sumatera Utara
r
t 2
=
−
2
1 287
, 1
t r
r r
Kecepatan relatif sudu U
t
direlasikan pada r
t
oleh persamaan U
t
= 2 π.r
t
.N dan karena itu nilai untuk U
t
= 350 ms sehingga diperoleh besarnya putaran poros rotor adalah :
N =
t t
r U
. 2
π
=
t
r ⋅
π 2
350
Kisaran nilai r
t
dan N terlihat pada tabel dibawah ini. Perhitungan harga r
t
dan N dilakukan dengan memasukkan harga–harga r
r
r
t
yaitu : Tabel 4.1. Perbandingan dasar dan puncak sudu
r
r
r
t
m r
t
s rev
N
0,40 1,237
45,02 0,45
1,270 43,87
0,50 1,309
42,43 0,55
1,358 41,04
0,60 1,418
39,30
Berdasarkan data yang telah diperoleh diatas, nilai yang mendekati putaran poros 3000 rpm = 50 rev s adalah pada data
t r
r r
= 0,40. Untuk itu dapat diperoleh jari–jari tengah sudu rata–rata r
m
yaitu : r
m
=
2
t r
r r
+
=
2 237
, 1
495 ,
+
= 0,866 m
Universitas Sumatera Utara
Kecepatan keliling sudu rata–rata U adalah : U
= 2π x r
m
x N =
50 866
, 2
× ×
π = 271,93 m s
Sudut kecepatan masuk aksial udara pada tingkat pertama menurut Lit 3, hal. 183 adalah :
tan β
1
=
Ca U
=
150 93
, 271
= 1,813 β
1
= 61,12 º Kecepatan relatif udara masuk V
1
adalah : V
1
=
1
cos β
Ca =
° 12
, 61
cos 150
= 310,57 m s Agar estimasi kemungkinan defleksi maksimum dalam rotor diaplikasikan kriteria
de Haller, V
2
V
1
≤ 0,72 atas dasar nilai minimum yang diperbolehkan. Untuk itu,
V
2
= V
1
× 0,72 V
2
= 310,57 × 0,72
= 223,61 m s Sudut kecepatan aksial keluar adalah :
cos β
2
=
V2 Ca
= 223,61
150 = 47,87 º
Untuk itu kenaikan temperatur setiap tingkatnya adalah : ΔT
os
= Cp
tan β
n β
λ.U.Ca.ta
2 1
−
=
3
10 005
, 1
87 ,
47 tan
12 ,
61 tan
150 93
, 271
8 ,
× °
− °
× ×
= 22,97 K
Universitas Sumatera Utara
Jumlah tingkat kompresor yang dibutuhkan adalah : Z
k
=
os α
T T
∆ ∆
=
os 1
02
T T
- T
∆
= 97
, 22
290,42 -
627,27
= 15,66 Sepertinya dari data diatas kompresor akan membutuhkan 15 atau 16 tingkat dan
dalam beberapa pengaruh dari faktor kerja work_down factor, pada perancangan ini dipilih 16 tingkat.
Dengan 16 tingkat dan kenaikan temperatur keseluruhan sebesar 336,85 K, rata-rata kenaikan temperatur adalah 20,05 K per tingkat kompresor. Hal tersebut adalah
normal dirancang untuk mengurangi kenaikan temperatur di awal dan di akhir tingkat. Sedangkan perbedaan tekanan untuk setiap tingkatnya adalah :
Δp =
n p
r
1
= 10,04
116
= 1,1550 Bar Volume spesifik tiap tingkat v adalah :
v =
ρ
1
=
147 ,
1 1
= 0,872 m
3
kg
Universitas Sumatera Utara
Untuk selanjutnya dihitung besarnya tekanan dan temperatur setiap tingkat sebagai berikut :
Tingkat I : Tingkat II :
Masuk Kompresor : Keluar Kompresor :
P = 1 Bar P = 1,155
×1 = 1,155 Bar T = 303.15 K
T = 303,15 + 20 = 323,15 K
Untuk lebih jelasnya, dapat dilihat pada tabel 4.2 sebagai berikut : Tabel 4.2 Kondisi udara tiap tingkat kompresor
Tingkat Udara Masuk
Udara Keluar v
ρ P Bar
T K P Bar
T K m³ kg
kg m³ I
1,000 303,15
1,155 323,15
0,872 1,147
II
1,155 323,15
1,334 344,32
0,741 1,350
III
1,334 344,32
1,541 365,49
0,681 1,469
IV
1,541 365,49
1,780 386,66
0,624 1,604
V
1,780 386,66
2,055 407,83
0,569 1,756
VI
2,055 407,83
2,374 429
0,518 1,928
VII
2,374 429
2,742 450,17
0,471 2,122
VIII
2,742 450,17
3,167 471,34
0,427 2,341
IX
3,167 471,34
3,658 492,51
0,386 2,587
X
3,658 492,51
4,225 513,68
0,349 2,866
XI
4,225 513,68
4,880 534,85
0,315 3.179
XII
4,880 534,85
5,636 556,02
0,283 3,532
XIII
5,636 556,02
6,510 577,19
0,255 3,930
XIV
6,510 577,19
7,519 598,36
0,228 4,378
XV
7,519 598,36
8,684 619,53
0,205 4,884
XVI
8,684 619,53
10,030 639,53
0,180 5,569
Universitas Sumatera Utara
4.1.2. Poros Utama
Fungsi dari poros utama tie rod adalah sebagai pengikat disk kompresor, poros penghubung dan disk turbin menjadi satu. Bahan poros direncanakan adalah
Stainless Steels AISI 440 C Hardened and Tempered condition, Lit. 4 hal. 85 dengan kekuatan tarik σ
B
= 285 kpsi = 200,355 kg mm
2
. Untuk pemakaian umum pada poros menurut Lit.5 hal. 8 bahwa tegangan
geser yang diizinkan τ
a
kg mm
2
untuk bahan poros dapat dihitung dengan rumus : τ
a
=
2 1
Sf Sf
B
× σ
dimana : Sf
1
= Safety factor untuk batas kelelahan puntir sebesar 18 dari kekuatan tarik σ
B
, maka diambil sebesar 10,18 =5,6 Sf
2
= Safety factor karna pengaruh konsentrasi tegangan yang cukup besar serta pengaruh kekasaran permukaan dengan harga sebesar 1,3 sampai 3,0
2,50 diambil Maka tegangan geser yang diizinkan adalah :
τ
a
= 15
, 2
6 ,
5 335
, 200
× = 166,4 kg mm
2
Momen torsi yang terjadi pada poros adalah : Mp = 9,74 x 10
5
× N
Nt
dimana : Nt = Daya yang harus dibangkitkan oleh turbin = 350168,99 KW
N = Putaran poros = 3000 rpm
Universitas Sumatera Utara
Untuk itu, Mp = 9,74
× 10
5
×
3000 350168,99
= 113688198,8 kgmm
2
= 1,137 . 10
8
kgmm
2
Maka dapat dihitung diameter poros menurut Lit. 5 hal. 8 yaitu :
d
S
=
3 1
1 ,
5
⋅
⋅ ⋅
T Cb
Kt
a
τ
atau, d
S
=
3 8
10 .
137 ,
1 2
, 1
, 1
64 ,
16 1
, 5
× ×
×
= 347,2 ≈ 355 mm diambil sesuai dengan tabel
4.1.3. Sudu Kompresor
Setelah menentukan distribusi sudut udara yang akan dibutuhkan oleh tingkat kerja work stage, kini saatnya dibutuhkan penjabaran ke dalam distribusi sudut sudu,
dimana berasal dari ketelitian mengukur susunan sudu yang akan ditentukan. Dalam perencanaannya akan dihitung dimensi utama sudu kompresor serta faktor–faktor
yang mempengaruhinya. 1.
Perhitungan Annulus Kompresor Massa aliran dalam annulus adalah tetap konstan. Luas annulus pada sisi masuk
kompresor atau tingkat I A
I
adalah : A
I
= Ca
m .
ρ Dimana :
m = M
ac
= massa aliran udara = 694,5 kg s
Universitas Sumatera Utara
sehingga : A
I
= .Ca
ρ m
1
= 150
147 ,
1 694,5
× = 4,04 m
2
dan luas annulus sisi keluar kompresor atau tingkat 16 A
16
adalah : A
16
= .Ca
ρ m
2
= 150
569 ,
5 694,5
× = 0,83 m
2
Mengacu pada data dari tabel 4.1 diperoleh hubungan puncak dan dasar sudu
t r
r r
= 0,40 dengan r
t
= 1,237 m, maka :
t r
r r
= 0,40 maka diperoleh radius dasar sudu yaitu :
r
r
= 1,237 × 0,40
= 0,495 m Jari-jari rata-rata annulus r
m
adalah : r
m
=
2
t r
r r
+
=
2 1,237
495 ,
+
= 0,866 m
Universitas Sumatera Utara
2. Tinggi sudu gerak kompresor tingkat I h
1
adalah : h
1
=
m
r A
. 2
1
π
= 866
, 2
04 ,
4 ×
π = 0,743 m
3. Jari–jari puncak r
t
dan dasar r
r
sudu gerak tingkat I : r
t
= r
m
+
2
1
h
= 0,866 +
2
0,743
= 1,238 m r
r
= r
m
-
2
1
h
= 0,866 -
2
0,743
= 0,494 m 4.
Tinggi sudu gerak kompresor tingkat 16 h
16
adalah : h
16
=
m
r A
. 2
16
π =
0,866 2
83 ,
× π
= 0,153 m 5.
Jari–jari puncak r
t
dan dasar r
r
sudu gerak tingkat 16 adalah : r
t
= r
m
+
2
1
h
= 0,866 +
2
153 ,
= 0,943 m
Universitas Sumatera Utara
r
r
= r
m
-
2
1
h
= 0,866 -
2
153 ,
= 0,790 m
6. Perancangan sudu Blade Design
Sudu kompresor terdiri dari dua bagian yaitu : a
Sudu Gerak moving blade b
Sudu Tetap guide Blade Agar loses pada sudu gerak adalah sama dengan loses pada sudu tetap maka
direncanakan derajat reaksinya sebesar 50. Hal tersebut dimaksudkan agar bentuk konstruksi sudunya akan sama pada tingkat yang sama.
Dari data yang telah diperoleh sebelumnya yaitu : α
1
= β
2
= 47,87º α
2
= β
1
= 61,12º sehingga air deflection
ε diperoleh : ε
= β
1
- β
2
= 61,12º - 47,87º = 13,25º
Dari Lit. 3, grafik 5.26 hal. 204 kurva desain defleksi yaitu untuk β
2
= 47,87º dan
ε = 13,25º diperoleh c
s = 0,98. s = pitch dan c = chord
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.1 Grafik hubungan sc
7. Direncanakan Aspect Ratio, hc = 3. Maka selanjutnya jarak pitch dan
Chord untuk setiap tingkat sudu dapat diperoleh yaitu : c
=
3 h
Dari persamaan di atas dapat dicari untuk tingkat 1 dan 16 yaitu : c
1
=
3
1
h
=
3 743
,
= 0,248 m s
1
= 0,98 . c
1
= 0,98 × 0,248 = 0,243 m
dan, c
16
=
3
16
h
= 3
153 ,
= 0,051 m s
16
= 0,98 × c
16
= 0,98 × 0,051 = 0,05 m
Universitas Sumatera Utara
8. Tebal sudu t
Pada perencanaan ini, direncanakan tebal sudu maksimum adalah 10 chord. Jadi tebal sudu gerak tingkat 1 dan 16 dari kompresor adalah :
t
1
= 10 . c
1
= 0,10 × 0,248 = 0,025 m
t
16
= 10 . c
2
= 0,10 × 0,051 = 0,005 m
9. Berat sudu Ws
Ws = volume sudu Vs × berat jenis sudu γ material
dimana, Vs = h . c . t γ = 7,6 x 10
-3
kg m
3
maka perhitungan volume sudu tingkat 1 dan 16 adalah : Vs
1
= h
1
. c
1
. t
1
= 0,743 × 0,248 × 0,025
= 4,607 × 10
-3
m
3
= 4607 cm
3
Vs
16
= h
16
. c
16
. t
16
= 0,153 × 0,051 × 0,005
= 3,902 × 10
-5
m
3
= 39,02 cm
3
dengan diperolehnya perhitungan tebal sudu, maka perhitungan untuk berat sudu adalah :
Ws
1
= Vs
1
× γ = 4607
× 7,6 x 10
-3
= 35 kg Ws
16
= Vs
16
× γ = 39,02
× 7,6 x 10
-3
= 0,3 kg
Universitas Sumatera Utara
Berdasarkan hasil data perhitungan dan data dari hasil survey, maka ukuran– ukuran utama kompresor adalah sebagai berikut :
Tabel 4.3 Ukuran–ukuran utama kompresor
Tingkat Jumlah Annulus
Volume Berat
Tinggi Tebal
Pitch Chord
Z A cm²
V cm³ W kg
h cm T cm
S cm ccm
I
29 404
4607 35
74,3 2,5
24,3 24,8
II
33 343
2783 21,2
63,1 2,1
20,6 21
III
37 315
2123 16,1
57,9 1,9
18,9 19,3
IV
41 289
1695 12,9
53,2 1,8
17,4 17,7
V
43 264
1257 9,6
48,5 1,6
15,9 16,2
VI
43 240
972 7,4
44,1 1,5
14,4 14,7
VII
43 218
752 5,7
40,1 1,4
13,1 13,4
VIII
53 198
529 4,0
36,4 1,2
11,9 12,1
IX
53 179
398 3,0
32,9 1,1
10,8 11
X
53 162
295 2,3
29,8 1,0
9,7 9,9
XI
65 146
218 1,7
26,9 0,9
8,8 9
XII
65 131
156 1,2
24,1 0,8
7,9 8,1
XIII
65 118
109 0,8
21,7 0,7
7,1 7,2
XIV
79 106
89 0,7
19,5 0,7
6,4 6,5
XV
79 95
61 0,5
17,5 0,6
5,7 5,8
XVI
79 83
39 0,3
15,3 0,5
5,0 5,1
Universitas Sumatera Utara
10. Perhitungan performa tingkat kompresor
Gambar 4.2 Profil sudu aerofoil Gaya axial per unit panjang pada tiap sudu adalah Δp dan dari pertimbangan
momentum, aksi gaya sepanjang cascade per unit panjang adalah : F
= s . ρ . Va
2
× perubahan komponen kecepatan sepanjang cascade F
= s . ρ . Va
2
× tan α
1
– tanα
2
...Lit.3 hal 209 Dimana :
Va = Ca = kecepatan axial = 150 ms ρ
= 1,147 kgm
3
α
1
= 47,87º α
2
= 61,12º S
= Blade pitch = Δp . s = 1,155
× 0,243 = 0,28
untuk itu, F
= 0,28 × 1,147 × 150
2
tan 61,12º – tan 47,87º = 5112 kg
Universitas Sumatera Utara
Koefisien C
L
dan C
Dp
didasarkan pada vektor kecepatan rata–rata Vm dibagi oleh segitiga kecepatan. Maka,
Vm = Va . sec α
m
dimana α
m
adalah : tan
α
m
=
2 1
tan α
1
+ tan α
2
=
2 1
tan 47,87º + tan 61,12º tan
α
m
= 1,459 α
m
= 55,59º untuk itu,
Vm = Va . sec α
m
= 150 . sec 55,59º = 265,44 ms
Jika D dan L adalah gaya angkat tarikan dan gaya dorong sudu, dan tegak lurus terhadap arah vektor kecepatan rata–rata
maka : D =
2 1
ρ .Vm
2
.c .C
Dp
...Lit.3, hal. 209 atau,
D = F .sin α
m
– s . Δp .cos α
m
= 5112 .sin 55,59º – 0,28 cos 55,59º = 4217,3 kg
Universitas Sumatera Utara
sehingga, C
Dp
=
2
Vm c
ρ 2
1 D
× ×
×
=
2
44 ,
265 248
, 147
, 1
5 ,
4217,3 ×
× ×
= 0,42 Merubah ketegaklurusan terhadap vektor rata–rata
L = 2
1 ρ .Vm
2
.c .C
L
atau, L =
F .cos α
m
+ s .Δp .sin α
m
= 5112 .cos 55,59º + 0,28 .sin 55,59º = 2889 kg
Sehingga diperoleh koefisien gaya dorong lift forces coefficient, C
L
yaitu : C
L
=
2
2 1
Vm c
L ×
× ×
ρ
C
L
=
2
44 ,
265 248
, 147
, 1
2 1
2889 ×
× ×
= 0,29
Universitas Sumatera Utara
4.1.4. Disk Kompresor
Disk kompresor merupakan piringan tempat menanam cakar sudu. Diameter disk merupakan diameter dasar sudu pada tiap–tiap tingkat dengan ketebalan disk
dibuat sama dengan jumlah tingkat kompresor. Disamping fungsinya sebagai tempat kedudukan sudu–sudu, disk kompresor juga berfungsi sebagai rotor. Adapun tampilan
disk kompresor terlihat pada gambar sebagai berikut :
Ket :
Compressor :
16 Stage
A. Front Hollow Shaft Turbin
:
4 Stage
B. Central Hollow Shaft C. Rear Hollow Shaft
D. Central Tie Bolt E. Disk
Gambar 4.3 Penampang konstruksi turbin gas 1.
Diameter Disk Kompresor Dari gambar diatas untuk disk kompresor dapat dihitung besar diameternya
sebagai berikut : D
dK
= 2 × r
r
dimana : r
r
adalah root radius atau jari–jari dasar sudu kompresor Dengan demikian dapat dihitung diameter disk kompresor tingkat 1 dan 16 yaitu:
D
dK 1
= 2 × r
r
D
dK 1
= 2 × 0,495
= 0,99 m ≈ 99 cm
Universitas Sumatera Utara
dan, D
dK 16
= 2 × r
r
= 2 × 0,79
= 1,58 m ≈ 158 cm
2. Berat Disk Kompresor
Berat disk kompresor adalah berat sudu kompresor setiap tingkat dikurang dengan berat total sudu setiap tingkatnya atau ;
W
dK
= W
stn
- W
skn
dmana : W
stn
= Berat sudu kompresor tingkat n W
skn
= Berat total sudu kompresor tingkat n Pada gambar 4.3 diatas, untuk sudu tingkat I langsung dijoint dengan front hollow
shaft. Dari data survey di lapangan diperoleh berat total front hollow shaft tersebut
Wst 1
= 4273 kg. Sehingga berat untuk disk front hollow shaft adalah : W
dK
= W
st 1
- W
sk 1
= 4273 – 1015 = 3258 kg
Universitas Sumatera Utara
Hasil dari disk kompresor selengkapnya ditabelkan pada tabel sebagai berikut :
Tabel 4.4 Berat dan diameter disk kompresor
Compressor Compressor
Dia. Disk Berat Disk
Stage Wheel
cm kg
I
4273 99
3250
II
1584 110
885
III
1388 115
792
IV
1311 120
782
V
1401 125
988
VI
1124 129
806
VII
1135 133
890
VIII
905 137
693
IX
902 140
743
X
1051 143
929
XI
719 146
608
XII
719 149
641
XIII
690 152
638
XIV
599 154
544
XV
597 156
557
XVI
599 158
557
Universitas Sumatera Utara
4.2. Perencanaan sudu turbin dan disk turbin
Kategori