Perancangan Turbin Gas Penggerak Generator Pada Instalasi Pembangkit Tenaga Listrik Dengan Daya Keluaran Generator 130 Mw

PERANCANGAN TURBIN GAS PENGGERAK GENERATOR

PADA INSTALASI PEMBANGKIT TENAGA LISTRIK

DENGAN DAYA KELUARAN GENERATOR 130 MW

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

080421049

PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

BANTA ANDIKA GINTING

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena atas berkat dan rahmat-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Skripsi adalah tugas akhir yang merupakan salah satu syarat untuk dapat menyelesaikan studi pada jenjang kependidikan Sarjana Teknik Mesin Fakultas Universitas Sumatera Utara.

Tugas sarjana ini mengenai perancangan suatu pembangkit listik dengan menggunakan Turbin Gas sebagai penggerak mula. Dalam penulisan skripsi ini dari awal sampai akhir, penulis telah melakukan semaksimal mungkin guna tersusunnya tugas akhir ini. Namun penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan di dalam penulisan skripsi ini. Untuk itu penulis sangat mengharapkan petunjuk dan saran dari semua pihak yang bersifat membangun, guna penyempurnaan skripsi ini.

Dalam kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada :

1. Kedua Orang Tua yang saya cintai yang telah banyak memberikan perhatian, nasehat, doa dan dukungan moril maupun materil.

2. Bapak DR.ING.Ir.Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

3. Bapak Ir. Isril Amir selaku dosen pembimbing yang telah banyak meluangkan waktunya untuk membimbing penulis selama ini.

4. Bapak Tulus Burhanuddin S. ST. MT sebagai dosen pembanding I dan Bapak Ir. Mulfi Hazwi. MSc sebai dosen pembanding II yang telah meluangkan waktu dan pikirannya kepada penulis.

5. Bapak Ir.Syahrul Abda, M.Sc selaku koordinator PPSE Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

6. Seluruh staff pengajar dan pegawai di Departemen Teknik Mesin FT-USU yang telah membantu penulis dalam hal administrasi.

7. Kepada rekan-rekan seluruh mahasiswa Mesin-EXT terutama stambuk 2008 dan rekan-rekan mahasiswa Mesin-D4 stambuk 2004 yang telah banyak membantu dan memotivasi penulis dalam penyusunan skripsi dan selama perkuliahan.

8. Dan teman-teman lainnya yang tak dapat saya sebutkan satu persatu.

Penulis menyadari bahwa tugas skripsi ini masih banyak kekurangan, untuk itu penulis mohon maaf dan mengharapkan koreksi untuk kesempurnaan tugas sarjana ini. Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih, semoga tugas skripsi ini bermanfaat bagi pembaca khususnya para mahasiswa Teknik Mesin.

Medan, 05 Mei 2010 Hormat Penulis

BANTA ANDIKA GINTING NIM. 080421049

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR……….i

DAFTAR ISI……….iii

DAFTAR GAMBAR……….…vi

DAFTAR TABEL………...……viii

DAFTAR NOTASI………ix

DAFTAR LAMPIRAN………xii

BAB I PENDAHULUAN………...1

1.1 Latar Belakang……….1

1.2 TujuanPenulisan………...2

1.3 Pembatasan Masalah………2

1.4 Metodelogi Penulisan………...2

BAB II TINJAUAN PUSTAKA……….4

2.1 Sistem Kerja dan Start Turbin Gas………..4

2.2 Analisa Termodinamika………...5

2.2.1 Analisa termodinamika pada kompresor………..8

2.2.2 Analisa termodinamika pada ruang bakar………9

2.2.3 Analisa termodinamika pada turbin……….9

2.2.4 Effisiensi siklus………..10

2.2.5 Laju aliran massa udara dan bahan bakar………..10

2.2.6 Generator………11

BAB III PENETAPAN SPESIFIKASI DAN PEMBAHASAN MATERI. 3.1 Spesifikasi Teknis Perencanaan……….11

3.1.1 Penentuan putaran turbin………11

3.1.2 Temperatur masuk turbin………...12

3.1.3 Data spesifikasi dan teknis perencanaan………12

3.2.1 Analisa termodinamika pada kompresor………...13

3.2.2 Proses pada ruang bakar……….16

3.2.3 Analisa termodinamika pada turbin………...20

3.2.4 Generator listrik……….21

3.2.5 Laju aliran massa udara dan bahan bakar………..23

3.2.6 Kesetimbangan energi pada ruang bakar………...24

3.2.7 Udara pembakaran……….25

3.2.8 Kerja netto………..25

3.2.9 Back work ratio………..25

3.2.10 Effisiensi thermal siklus……….25

3.2.11 Panas masuk………...26

3.2.12 Panas keluar………...26

3.2.13 Daya tiap komponen instalasi turbin gas………...26

3.2.14 Hasil analisa termodinamika………..27

BAB IV PERENCANAAN TURBIN………28

4.1 Parameter Perencanaan Turbin………..28

4.1.1 Klasifikasi Turbin Gas………...29

4.1.2 Jumlah Tingkat Turbin………...31

4.1.3 Kondisi Gas dan Dimensi Sudu……….31

4.1.4 Segitiga Kecepatan Gas………..33

4.2 Perhitungan Jumlah Tingkat Turbin……….……….34

4.3 Kondisi Gas dan Dimensi Sudu Tiap Tingkat………35

4.4 Diagram Kecepatan dan Sudut Gas Tiap Tingkat Turbin………..46

4.5 Jumlah Sudu Tiap Tingkat Turbin……….53

4.6 Sudut-sudut Sudu Tiap Tingkat Turbin……….56

4.7 Berat Sudu Gerak Tiap Tingkat Turbin……….59

BAB V PERHITUNGAN UKURAN-UKURAN UTAMA………63

5.1 Perencanaan Poros Turbin………..63

5.1.1 Perhitungan poros………...………...64

5.2 Gaya-gaya Pada Sudu Tiap Tingkat Turbin………...66

5.3 Tegangan Yang Timbul Pada Sudu Turbin………67

5.3.1 Tegangan tarik akibat gaya sentrifugal………..68

5.3.2 Tegangan lentur akibat tekanan gas………...69

5.4 Periksaan Kekuatan Sudu………...72

5.5 Perencanaan Turbin Disk………...74

5.6 Perencanaan Pasak……….76

5.7 Perencanaan Bantalan………79

5.8 Sistem Pelumasan………..83

BAB VI KESIMPULAN……….88

DAFTAR PUSTAKA………...90

LAMPIRAN………..92 GAMBAR KERJA

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Siklus Brayton sederhana……….2

Gambar 2.1 Turbin gas………...…….5

Gambar 2.2 Diagram T-S dan diagram P-V (siklus ideal)………...6

Gambar 2.3 Diagram T-S (siklus actual)……….8

Gambar 3.1 Diagram T-S (actual) Siklus Brayton………13

Gambar 3.2 Diagram h-s pada kompresor……….16

Gambar 3.3 Grafik factor kelebihan udara……….19

Gambar 3.4 Kerugian tekanan pada ruang bakar………...19

Gambar 3.5 Diagram h-s pada turbin……….21

Gambar 3.6 Daya pada generator………...22

Gambar 3.7 Kesetimbangan energi pada ruang bakar………...25

Gambar 4.1 Grafik effisiensi turbin – velocity ratio………..28

Gambar 4.2 Turbin aliran radial……….30

Gambar 4.3 Turbin aliran aksial………30

Gambar 4.4 Segitiga kecepatan pada sudu………33

Gambar 4.5 Penampang annulus turbin aksial………...35

Gambar 4.6 Dimensi sudu tingkat 1………..46

Gambar 4.7 Diagram kecepatan pada sudu turbin……….46

Gambar 4.8 Grafik (s/c) sudut-sudut gas………...53

Gambar 4.9 Grafik hubungan sudut masuk gas – sudut keluar gas…………...56

Gambar 4.10 Geometri sudu turbin……….58

Gambar 4.11 Profil sudu turbin NACA seri C-7……….60

Gambar 5.1 Poros………..61

Gambar 5.2 Gaya-gaya pada sudu turbin………..66

Gambar 5.3 Tegangan yang terjadi pada sudu turbin………68

Gambar 5.4 Momen lentur pada sudu………70

Gambar 5.5 Grafik hubungan z dan sudut chamber sudu………..71

Gambar 5.6 Ilustrasi tegangan pada sudu………..72

Gambar 5.7 Bentuk konstruksi cakram turbin………...74

Gambar 5.9 Gaya tangensial pada pasak………...78

Gambar 5.10 Bantalan luncur………..79

Gambar 5.11 Grafik ketebalan lapisan minimum & perbandingan eksentrisitas81 Gambar 5.12 Grafik karakteristik bantalan–posisi ketebalan lapisan minimum.82 Gambar 5.13 Grafik variabel koefisien gesekan………..82

Gambar 5.14 Grafik variabel aliran……….84

Gambar 5.15 Grafik perbandingan aliran………85

Gambar 5.16 Grafik pemilihan jenis pelumas……….87

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Komposisi bahan bakar………..16

Tabel 3.2 Kebutuhan udara pembakaran………17

Tabel 4.1 Kondisi gas pada tiap tingkat sudu turbin………..39

Tabel 4.2 Dimensi sudu turbin………...44

Tabel 4.3 Diagram kecepatan dan sudut gas tiap tingkat………...51

Tabel 4.4 Spesifikasi sudu gerak tiap tingkat turbin………..55

Tabel 4.5 Spesifikasi sudu diam tiap tingkat turbin………...55

Tabel 4.6 Sudut-sudut sudu gerak turbin pada dasar sudu………58

Tabel 4.7 Sudut-sudut sudu gerak turbin pada tengah sudu………..58

Tabel 4.8 Sudut-sudut sudu gerak turbin pada puncak sudu……….59

Tabel 4.9 Dimensi dari sudu gerak turbin……….60

Tabel 4.10 Berat sudu gerak tiap tingkat turbin………..61

Tabel 5.1 Gaya-gaya pada sudu gerak turbin………67

Tabel 5.2 Tegangan yang timbul pada sudu gerak………71

Tabel 5.3 Tegangan pada sudu gerak turbin………..74

DAFTAR NOTASI

1. Simbol dari abjad biasa

Simbol Arti Satuan

A Luas annulus m2

AFR Perbandingan udara dengan bahan bakar kgudara/kgbahan bakar

C Kecepatan absolut gas m/s

C Panjang chord sudu M

Ca Kecepatan aliran fluida masuk kompresor m/s

Cpg Panas spesifik gas hasil pembakaran kJ/kg.K

Cx Panjang chord sudu arah aksial M

Dd Diameter luar cakra M

Dh Diameter lubang cakra M

DN Diameter hidrolis pada sudu diam M

DR Diameter hidrolis pada sudu gerak M

FA Gaya aksial sudu N

FAR Perbandingan bahan bakar dengan udara kgbahan bakar/kgudara

Fr Gaya tangensial sudu N

H Entalpy kJ/kg

K Conductivitas thermal W/m.K

LHV Nilai pembakaran bawah bahan bakar kJ/kg

ma Massa aliran udara kg/s

mf Massa aliran bahan bakar kg/s

mg Massa aliran gas hasil pembakaran kg/s

mp Massa aliran fluida pendingin kg/s

N Putaran Rpm

P Tekanan Bar

Pf Losses tekanan udara pada filter Bar

PG Daya generator MW

PT Daya turbin MW

R Jari-jari sudu M

Ra Konstanta udara kJ/kg.K

Rg Konstanta panjang pitch sudu M

Tc Temperatur fluida dingin K

Th Temperatur fluida panas K

U Kecepatan keliling m/s

V Kecepatan relatif gas m/s

W Lebar sudu M

W Kerja spesifik kJ/kg

WNetto Kerja spesifik kJ/kg

Z Jumlah sudu Buah

1. Simbol dari abjad Yunani (Greek Letters)

Simbol Arti Satuan

α1 Sudut masuk absolut gas pada sudu diam o

α2 Sudut keluar gas dari sudu gerak o

α3 Sudut keluar gas dari sudu diam o

β1 Sudut relatif kecepatan gas masuk sudu o

β2 Sudut relatif gas keluar sudu gerak o

βm Sudut relatif rata-rata sudu o

γ Konstanta adiabatik

-∆ Selisih harga -

cos φ Faktor daya -

φ Koefisien aliran gas -

Ξ Sudut pemasangan sudu o

σ Tegangan normal kg/mm2

τa Tegangan izin poros kg/mm2

τmax Tegangan maksimum poros kg/mm2

ωc Kecepatan sudut putar kritis Rad/s

η Efisiensi %

Ρ Massa jenis kg/m3

λ Sudut kecepatan gas o

ϕ Faktor kecepatan (angka kualitas) nosel -

ψ Koefisien pembebanan sudu -

DAFTAR LAMPIRAN

1. Lampiran 1 Tabel property udara………..94

2. Lampiran 2 Tabel berbagai entalpi untuk beberapa gas………95

3. Lampiran 3 Tabel tekanan maksimum bantalan luncur……….98

4. Lampiran 4 Tabel ukuran standard dari poros………...99

5. Lampiran 5 Standarisasi baja………...100

6. Lampiran 6 Tabel standarisasi……….102

7. Lampiran 7 Faktor konversi satuan……….103

BAB I PENDAHULUAN

1.1.Latar Belakang

Turbin gas merupakan suatu pesawat kalori yang tergolong dalam Internal Combustion Engine (ICE) atau sering disebut dengan mesin pembakaran dalam.

Penggunaan turbin gas sebagai pembangkit tenaga listrik dan sebagai penyedia panas pada industri adalah sangat menguntungkan karena sifatnya yang mudah dipasang, proses kerjanya sederhana, dimensinya kecil, dan dapat dibuat untuk menghasilkan daya rendah sampai daya tinggi serta cocok untuk menanggulangi beban puncak.

Dengan pertimbangan diatas dan kemudahan untuk mendapatkan bahan bakar maka sangat tepat jika instalasi turbin gas dipilih sebagai penggerak generator untuk menghasilkan daya listrik pada sebuah pembangkit tenaga listrik baik dalam system single (pembangkit listrik tenaga gas) ataupun dengan system combine (pembangkit listrik tenaga gas dan uap).

Didasari pemikiran demikian, maka penulis tertarik untuk merancang sebuah turbin gas dengan Siklus Brayton sederhana dengan komponen utama :

1. Kompresor

Kompresor berfungsi untuk menghisap udara luar (udara atmosfer) dan selanjutnya dikompresikan untuk mendapatkan tekanan yang lebih besar.

2. Ruang bakar

Fungsinya adalah sebagai tempat pembakaran bahan bakar agar diperoleh fluida kerja berupa gas hasil pembakaran yang akan digunakan untuk menggerakkan turbin. Bahan bakar terbakar akibat bercampur dengan udara kompresi serta dengan bantuan percikan nyala api dari busi.

3.Tubin

Turbin berfungsi merubah energi kinetik yang tersimpan pada gas hasil pembakaran menjadi energi berguna.

Gambar 1.1. Siklus Brayton sederhana

1.2. Tujuan Penulisan

Penulisan ini dimaksudkan untuk merencanakan sebuah turbin gas pada sebuah instalasi pembangkit tenaga listrik sebagai penggerak generator untuk menghasilkan daya terpasang 130 MW.

1.3. Pembatasan Masalah

Pada penulisan tugas sarjana (skripsi) ini, permasalahan dibatasi pada: a. Analisa Termodinamika

Yaitu pada kompresor, ruang bakar, dan turbin gas. Dalam hal penentuan entalpi tiap proses, termasuk kondisi ideal maupun aktualnya, serta nilai laju aliran massa udara dan bahan bakar.

b. Perancangan komponen-komponen utama

Yang meliputi pemilihan jenis turbin yang digunakan, perhitungan jumlah tingkat turbin, kondisi gas tiap tingkat, serta dimensi sudu turbin.

c. Gambar penampang (gambar teknik) turbin gas

1.4. Metodologi Penulisan

Metode yang digunakan dalam penulisan tugas akhir/sarjana (skripsi) ini adalah sebagai berikut:

a. Survey lapangan : berupa peninjauan langsung ke lokasi tempat unit pembangkit itu berada.

b. Studi Literatur : berupa studi kepustakaan, kajian dari buku-buku, dan tulisan-tulisan yang terkait.

c. Diskusi : berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing, dosen pembanding yang nanti akan ditunjuk oleh pihak Jurusan Teknik Mesin USU mengenai kekurangan-kekurangan didalam tulisan (skripsi) ini.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Sistem Kerja dan Start Turbin Gas

Penggerak mula yang digunakan pada system ini adalah motor diesel. Motor diesel ini dihubungkan dengan accessory gear melalui torque converter dan clute. Mula-mula motor diesel akan memutar kompresor, turbin dan generator sekaligus dalam keadaan idle (tanpa beban) sampai tercapai putaran (16-22)% dari putaran kerja. Pada putaran ini kapasitas kompresor telah cukup untuk proses pembakaran sehingga proses pembakaran telah dapat dilakukan didalam ruang bakar. Gas panas hasil pembakaran kemudian diekspansikan kedalam turbin secara kontinu. Jumlah bahan bakar terus bertambah, sehingga mengakibatkan entalpi hasil pembakaran semakin tinggi, demikian juga tenaga (daya) yang dihasilkan turbin semakin besar. Dengan semakin meningkatnya daya yang dihasilkan turbin, akan membawa kompresor dan turbin itu sendiri semakin cepat berputar. Pada putaran sekitar (65-75) % dari putaran kerja, maka motor diesel telah tertinggal putarannya, sehingga terjadi slip pada kopling. Pada saat inilah kopling melepas hubungan antara motor diesel dan kompresor. Kemudian motor diesel barjalan idle dan akhirnya berhenti, sementara turbin berakselerasi sendiri dengan adanya tambahan bahan bakar sampai dengan putaran kerja. Pada saat putaran kerja telah tercapai, governor telah berfungsi untuk mengatur bahan bakar dan program start telah selesai, sehingga turbin siap menerima beban dari generator dan operasi terus berjalan dengan bervariasi beban dari generator.

Gambar 2.1. Turbin gas (Sumber : www.manufacturer.com)

2.2. Analisa Termodinamika a. Siklus Ideal

Turbin gas secara termodinamika bekerja dengan siklus Brayton. Siklus ini merupakan siklus ideal untuk system turbin gas sederhana dengan siklus terbuka. Siklus ini terdiri dari dua proses isobar dan dua proses isentropik.

Siklus ideal adalah siklus yang dibangun berdasarkan asumsi sebagai berikut :

• Proses kompresi dan ekspansi berlangsung secara reversible dan adiabatic isentropis

• Perubahan energi kinetic dari fluida kerja diantara sisi masuk dan sisi keluar setiap kompresor diabaikan.

• Fluida kerja dianggap ideal dengan panas jenis konstan. • Massa aliran gas dianggap konstan.

Dengan digram h, T – S dan P – V dapat dilihat berikut ini:

Gambar 2.2. Diagram T-S dan diagram P-V (siklus ideal)

Proses-proses yang terjadi dari diagram tersebut diatas adalah sebagai berikut : • Proses 1-2 : Proses kompresi isentropis pada kompresor.

• Proses 2-3 : Proses pembakaran pada tekanan konstan (isobar) didalam ruang bakar, adanya pemasukan panas.

• Proses 3-4 : Proses ekspansi isentropik pada turbin.

• Proses 4-1 : Proses pembuangan kalor pada tekanan konstan.

Dengan demikian pada proses steady state untuk masing-masing proses diatas, diperoleh:

• Proses 1-2 : Kerja kompresor

Wk = h2 - h1 ( KJ / Kg udara )

• Proses 2-3 : Pemasukan panas

Qin = h3 – h2 ( KJ / Kg.gas produk )

• Proses3-4 : Kerja turbin

• Kerja netto siklus ( Wnet ) Wnet = Wr – Wk

= ( h3 – h4) – (h2 – h1)

Oleh karena proses 1-2 dan 3-4 adalah proses yang berlangsung secara isentropis, maka hubungan P-T diperoleh :

( )

4 3 1

1 2

T T p

T T

r

=

= γ−γ

Dimana

_r

_p adalah perbandingan tekanan (pressure ratio), yaitu :

4 3 1 2 4 3 1 2 p

Pr Pr Pr Pr P P P P

r

= = = =

b. Siklus Aktual

Proses – proses yang terjadi diatas berlaku secara teoritis, tetapi kenyataannya (secara aktual) terjadi penyimpangan – penyimpangan dari proses yang ideal. Penyimpangan – penyimpangan itu adalah :

1. Fluida kerja bukanlah gas ideal dengan panas spesifik konstan. 2. Laju aliran massa fluida kerja tidak konstan.

3. Proses yang berlangsung disetiap komponen tidak adiabatik dan reversibel, karena ada kerugian energi akibat gesekan, perpindahan panas dan lain – lain.

4. Proses kompresi didalam kompresor tidak berlangsung secara isentropis. 5. Proses ekspansi didalam turbin tidak berlangsung secara isentropis. 6. Terjadi penurunan tekanan pada ruang bakar.

Kerugian – kerugian diatas akan mempengaruhi effesiensi dari siklus. Untuk losses tersebut dapat dilihat pada gambar diagram siklus actual berikut ini :

Gambar 2.3. Diagram T vs S (siklus aktual)

Dari gambar diatas terlihat bahwa :

• Proses kompresi berlangsung secara aktual, yaitu menurut garis 1–2a, sedangkan pada proses ideal terjadi secara isentropis (1-2).

• Proses ekspansi juga berlangsung secara aktual, yaitu menurut garis 3-4a, sedangkan pada proses ideal secara isentropis (3-4).

2.2.1. Analisa Termodinamika Pada Kompresor

Kerja spesifik ideal adalah kalor spesifik yang dibutuhkan untuk menggerakkan kompresor ideal (Wk 1-2). Sedangkan kerja kompresor aktual adalah kalor spesifik yang dibutuhkan untuk menggerakkan kompresor dengan memperhatikan efisiensi kompresor karena pada dasarnya kompresor tidak pernah bekerja secara isentropis. Effisiensi kompresor merupakan perbandingan antara kerja kompresor pada siklus ideal dengan kerja kompresor sebenarnya, yaitu :

ka k k

W W

i

= η

1 ' 2

1 2 k

h h

h h

− − = η

Dengan menentukan effiensi kompresor menurut [lit 13, hal 198] untuk kompresor aksial berharga 0,85 – 0,90 dan untuk kompresor sentrifugal 0,80.

2.2.2. Analisa Termodinamika Pada Ruang Bakar

Analisa termodinamika pada ruang bakar ini diperlukan untuk menentukan perbandingan udara dengan bahan bakar (AFR)AKT yang diperlukan untuk

menghitung jumlah udara pembakaran dan kelebihan udara pada analisa bahan bakar serta menghitung effesiensi thermal.

Reaksi pembakaran teoritis dengan udara hidrokarbon dengan rumus CmHn adalah menurut persamaan reaksi [Lit 13, Hal 30] :

(

_m

(

_O

_aN

_bH

_O

)

_mCO

_N

_m

_H

_O

H

C

n a m n n b n

n

m ₄ 2 2 2 2 ₄ 2 _{4 4}  2

           ₊ + +             + + → + +    + Dimana,

a = perbandingan volume N2 dengan O2 di udara

b = perbandingan volume H2O dengan O2 di udara

Sehingga dapat diperoleh perbandingan udara dan bahan bakar yang dibutuhkan pada kondisi stoikiometri yaitu :

bakar bahan BM bakar bahan mol udara BM udara mol AFR × × = = bakar bahan massa udara massa

Dimana, AFR = Air fuel Ratio(Kg udara/Kg bahan bakar)

BMudara = berat molekul udara (Kg udara/kmol bahan bakar)

BMbahan bakar = berat molekul bahan bakar(Kg bahan baker/kmol bahan bakar)

Sedangkan untuk mendapatkan nilai AFR pada kondisi aktual, diperoleh melalui persamaan berikut :

% 100 × − = AFR AFR AFR TH TH AKT λ

2.2.3. Analisa Termodinamika Pada Turbin

Pada turbin terjadi pelepasan energi untuk menggerakkan beban (kompresor dan generator). Karena terbatasnya kekuatan material sudu turbin

terhadap temperatur dan tegangan termal maka temperatur gas masuk turbin dibatasi menurut [Lit 13, Hal 184] pada pesawat sampai dengan 1280˚C. Karena adanya kerugian sebab hanya sebagian kalor yang ada diubah menjadi kalor yang berguna sehingga turbin memiliki effisiensi sebesar :

a a

T T T

W W = η

4 3

' 4 3 T

h h

h h

− − = η

Menurut [Lit13, Hal 185] turbin gas memiliki effisiensi sebesar 0,82-0,89.

2.2.4. Effisiensi siklus

Merupakan perbandingan antara jumlah kalor yang dimasukkan kesistem sebesar :

in net th

q W = η

(

) (

)

' 2 3

1 ' 2 ' 4 3 th

h h

h h h h

− − − − = η

BAB III

PENETAPAN SPESIFIKASI DAN PEMBAHASAN MATERI

3.1. Spesifikasi Teknis Perencanaan

Seperti telah diutarakan pada Bab I, perancangan turbin gas ini adalah sebagai pembangkit daya listrik. Sebelum memulai perencanaan turbin pada instalasi turbin gas, maka perlu kiranya untuk menganalisa sistem secara keseluruhan dengan analisa termodinamika untuk mendapatkan kondisi awal perencanaan.

Spesifikasi teknis perencanaan yang ditetapkan sesuai dengan data referensi dari buku yang disesuaikan dengan data hasil survey studi pada sebuah instalasi pembangkit tenaga listrik (PLTG).

3.1.1. Penentuan Putaran Turbin

Putaran turbin dapat ditentukan dengan menentukan putaran generator sebagai berikut, unit generator listrik mempunyai :

• Jumlah pasang kutub : 2 pasang

• Frekuensi : 50 Hz

Maka putaran generator :

p xf n_g =120

2 50 120x

=

=3000 rpm

Generator dan turbin satu poros (dikopel langsung) maka putarannya sama. Dengan menetapkan putaran generator sebesar 3000 rpm, maka putaran poros turbin adalah 3000 rpm.

3.1.2. Temperatur Masuk Turbin

Karena terbatasnya kekuatan material sudu turbin terhadap temperatur dan tegangan termal, maka temperatur gas masuk turbin dibatasi menurut [Lit 13, Hal 184] untuk turbin industri (850 – 1100)˚C. Dalam perencanaan ini dipilih rata – ratanya agar lebih efisien, sebesar 975˚C.

3.1.3. Data Spesifikasi Teknis Perencanaan

Adapun data spesifikasi teknis dari sistem instalasi turbin gas yang akan dirancang adalah sebagai berikut :

• Daya keluar generator : 130 MW

• Bahan bakar : Gas Bumi (Lit 3, Hal 169)

• Putaran turbin : 3000 rpm

• Temperatur lingkungan : 30˚C

• Tekanan barometer : 1,013 bar

• Temperatur masuk turbin : 975˚C

Temperatur udara yang dihisap kompressor mempunyai pengaruh yang besar terhadap daya efektif yang dapat dihasilkan pembangkit, sebab laju aliran massa udara yang dihisap kompressor akan berubah sesuai dengan persamaan umum gas ideal, m = pV / RT, yaitu bila temperatur masuk gas rendah maka massa aliran gas akan naik atau sebaliknya. Hal ini berarti bila temperatur atmosfer turun maka daya efektif sistem akan naik dan sebaliknya.

3.2. Analisa Termodinamika

Gambar 3.1 Diagram T-S (aktual) Siklus Brayton

3.2.1. Analisa termodinamika pada kompresor

Analisa termodinamika pada kompresor dimaksudkan untuk menentukan kondisi udara masuk dan keluar kompresor. Pengambilan asumsi untuk perhitungan termodinamika kompresor adalah didasarkan pada effisiensi politropis, yaitu effisiensi isentropis dari sebuah tingkat kompresor dan turbin yang dibuat konstan untuk setiap tingkat berikutnya.

1. Kondisi udara masuk kompresor : Pa = Tekanan barometer (1,013 bar)

Ta = Temperatur lingkungan (30˚C) = 30 + 273 K = 303 K

γ = Konstan adiabatik

= 1,4 (untuk udara) Sehingga : _P1=_Pa−_Pf

Dimana, _Pf= Proses tekanan pada saringan udara masuk kompresor

= 0,01 bar (hasil survey) Maka:

P1= 1,013 - 0,01

Dengan demikian akan diperoleh suhu keluar saringan udara :

T1=

4 , 1 1 4 , 1 013 , 1 003 , 1 303 −      

T1= 302,14 K

Sehingga dari tabel properti udara (Lamp.1) dengan cara interpolasi diperoleh:

h1=302,34 KJ/Kgudara

2. Kondisi udara keluar kompresor

Untuk mendapatkan nilai effisiensi yang lebih tinggi, maka perbandingan tekanan yang digunakan yang optimum yaitu :

) 1 ( 2 min max −     = k k p _T T

r

[Lit 4, Hal 296]

Dimana,

_r

_p= Perbandingan tekanan optimum

Tmax= T3= Temperatur masuk turbin = 1248 K

Tmin= T1 = Temperatur masuk kompresor = 302,14 K Maka,

r

p=

) 1 4 , 1 ( 2 4 , 1 14 , 302 1248 −      

r

p= 12,0

P P2=

r

p× 1

P2= 12 x 1,003

P2= 12,036 bar

k k P P T T 1 1 2 1 2 −       =

( )

12 1,4 302,14 1 4 , 1 2 x T − =

Maka setelah diinterpolasi dari tabel property udara diperoleh :

h

2= 622,3046 Kj/Kg

3. Kerja kompresor

• Kondisi ideal kompresor Kerja kompresor ideal adalah :

h

h

WKi= 2− 1

=622,3046-302,34 =319, 9646 Kj/Kg • Kondisi aktual perencanaan

Untuk menentukan keadaan pada titik 2, yaitu keadaan aktualnya maka ditetapkan

η

k= 0,88 (antara 0,85 – 0,90 untuk kompresor aksial) [Lit 13, Hal

198]

Maka kerja aktual kompresor adalah :

88 , 0

9646 , 319 =

WKa

=

WKa 363,5961 Kj/Kg

Sehingga akan diperoleh

_h

_2a:

h WKa a

h

₂ = + 1

h

2a=363,5961+302,34

h

2a= 665,9361 Kj/Kg

Dari tabel properti udara dengan cara interpolasi diperoleh temperatur aktual perencanaan keluar kompresor (_T2a)yaitu sebesar : _T2a=655,73 K= 382,73˚C

Gambar 3.2 Diagram h-s pada kompresor

3.2.2. Proses Pada Ruang Bakar

Daya yang dihasilkan turbin tergantung dari entalpi pembakaran. Untuk itu perlu dianalisa reaksi pembakaran yang terjadi pada ruang bakar. Dari analisa ini akan didapat perbandingan bahan bakar dengan udara yang dibutuhkan (FAR) yang dipergunakan, sehingga diperoleh laju aliran massa yang dialirkan ke turbin. Bahan bakar yang dipakai adalah gas alam dengan komposisi pada tabel 3.1 berikut.

Tabel 3.1. Komposisi Bahan Bakar

No. Komposisi % Volume

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

CO2

N2

CH4

C2H6

C3H8

C4H10

C5H12

C6H14

C7H16

2,86 1,80 88,19

3,88 2,1 0,83 0,25 0,05 0,04

∑= 100%

LHV 45.700 Kj/Kg

Dengan reaksi pembakaran komponen bahan bakar adalah:

No.

Untuk CH4

0,8819 CH4 + a (O2 + 3,76 N2) → b CO2 + CH2O + d N2

Persamaan reaksi diatas disetarakan sebagai berikut : Unsur C : b = 0,8819

Unsur H : 2c = 4b c = 1,7638 Unsur O : 2a = 2b + c

a = 1,7638 Unsur N2 : d = 3,76 a

d = 6,6318

Sehingga persamaan reaksi (stoikiometri) yang terjadi :

0,8819 CH4 + 1,7638 (O2 +3,76 N2) → 0,8819 CO2 + 1,7638 H2O +6,6318 N2

Maka akan diperoleh massa bahan bakar CH4 :

Untuk massa CH4 = 0,8819 x 16

= 14,1104 Kg CH4/1 mol bahan bakar

Dengan cara yang sama akan diperoleh hasil pada tabel 3.2. berikut : Tabel 3.2. Kebutuhan udara pembakaran

Komposisi B.Bakar Fraksi Mol B.Bakar (% Volume) Mol udara yang dibutuhkan Massa B.Bakar (KgCmHn/1mol

BB) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. CO2 N2 CH4

C2H6

C3H8

C4H10

C5H12

C6H14

C7H16

0,0286 0,018 0,8819 0,0388 0,021 0,0083 0,0025 0,0005 0,0004 - - 1,7638 0,1358 0,105 0,05395 0,02 0,00475 0,0044 1,2584 0,504 14,1104 1,164 0,924 0,4814 0,18 0,043 0,04

Sedangkan massa udara yang dibutuhkan adalah : Massa = mol x Mr

= 2,08628 x (32 + 3,76 . 28) = 286,4045 Kg

maka, Bakar Bahan Massa Udara Massa AFRTH =

= 7025 , 18 4045 , 286

= 15,3137 Kg_udara /Kg_{bahan bakar}

Untuk menghitung perbandingan bahan bakar aktual, dapat dilihat dari gambar 3.3 berikut, dengan menghitung temperatur udara keluar dari kompresor 382,73˚C dan dengan pertimbangan bahan yang dipakai sudu, ditetapkan temperatur gas masuk turbin 975˚C. Maka dapat ditentukan faktor kelebihan udara (excess air) sebasar 3,334 sehingga :

(

)

015066 , 0 3741 , 66 3137 , 15 3137 , 15 334 , 3 % 100 3137 , 15 3137 , 15 334 , 3 % 100 = = + = × − = × − = AKT AKT AKT AKT TH TH AKT AFR AFR x AFR AFR AFR AFR AFR λ

Gambar 3.3 Grafik faktor kelebihan udara (sumber : Turbin Pompa dan Kompresor, Fritz Dietzel)

Kerugian tekanan pada ruang bakar (gambar 3.3) sebesar (2-3) % [Lit 1, Hal 198], diambil 2%, maka :

bar x Pb P

P a

8 , 11

) 0 , 12 02 , 0 ( 0 , 12

2 3

= − =

∆ − =

Gambar 3.4 Kerugian tekanan pada ruang bakar

Sehingga keadaan pada titik 3:

K T

1248 273 975 3

= + =

Dari tabel properti udara dengan cara interpolasi maka diperoleh kg

kj h₃=1334,354 /

3.2.3 Analisa termodinamika pada turbin

1. Temperatur dan Tekanan udara keluar turbin

Tekanan keluar turbin (ideal) sama dengan tekanan atmosfir, sehingga :

K T T P P T T bar P P K K a 8213 , 618 1248 013 , 1 8 , 11 013 , 1 4 4 , 1 1 4 , 1 4 1 3 4 3 4 4 = ×       =       = = = − −

Dengan cara interpolasi dari tabel udara diperoleh entalpi keluar turbin : kg

kj h₄=626,82944 /

2. Kerja turbin

• Kondisi kerja ideal turbin

kg kj

w

n / 524558 , 707 82944 , 626 354 , 1334 = − =

• Kondisi kerja aktual turbin

Untuk menentukan kerja turbin yang sebenarnya, maka ditentukan effisiensi insentropis turbin yakni dipilih 0,87 (antara 0,82 – 0,89)

87 , 0 = =effisiensiturbin

r η Maka : kg kj kg kj WTa / 5463 , 615 / 524558 , 707 87 , 0 = × =

Sehingga diperoleh entalpi dan temperatur perencanaan :

kg kj W h h a Ta

/ 8076 , 718 5463 , 615 354 , 1334 3 4 = − = − =

Dari tabel properti udara dengan cara interpolasi diperoleh temperatur udara keluar turbin secara aktual sebesar :_T4a =705,14 K =432,14°C

Gambar 3.5 Diagram h-s pada turbin

3.2.4 Generator lisrik

Dalam suatu proses pembebanan listrik arus bolak-balik ada dua unsur yang terlihat dalam proses konversi daya, yaitu :

1. Daya nyata yang diukur dengan Watt dikatakan daya nyata, karena besaran yang terlihat dalam proses konversi daya.

2. Daya listrik yang sebenarnya tidak mempengaruhi suatu proses konversi daya, tetapi adalah suatu kebutuhan yang harus dilayani. Secara ekonomis dikatakan bahwa daya reaktif hanya membebani biaya investasi dan bukan biaya operasi.

Suatu beban membutuhkan daya reaktif yang sebesar karena dua hal, yaitu : a) Karakteristik beban itu sendiri yang tidak bias dielakkan b) Proses konversi daya didalam alat itu sendiri.

Dari kesimpulan diatas diperoleh bahwa daya harus disuplai oleh tubin kepada generator harus dapat memenuhi kebutuhan daya nyata dan daya reaktif.

Gambar 3.6 berikut menggambarkan daya yang bekerja pada generator.

Daya yang dibutuhkan menggerakkan generator untuk menghasilkan daya listrik merupakan daya netto dari turbin. Dengan daya netto besarnya :

φ η

η Cos

P P

Tr G

G E

. . = Dengan,

=

PG daya keluaran generator

=

η_G effisiensi generator =

η_Tr effisiensi transmisi

Dimana daya semu generator adalah :

φ

Cos P PS = G

Dengan, Cosφ= 0,8-0,9

Gambar 3.6 Daya pada generator

• Daya keluaran (nyata) generator : MW

PG=130

• Daya semu generator :

MVA Cos

P PS G

5 , 162

8 , 0 130 = = =

φ

• Daya netto turbin : φ η

η Cos

P P

Tr G

G g

. . =

dimana :

η_G = effisiensi generator (direncanakan 0.98)

η_Tr = effisiensi tranmisi (direncanakan 1 karena turbin dan generator dikopel langsung )

Cosφ = 0.8 – 0,9 (dipilh 0,8) Maka :

MW PE

816 , 165

8 , 0 1 98 , 0

130 =

× × =

3.2.5 Laju Aliran Massa Udara dan Bahan Bakar Laju aliran massa menurut adalah :

P_E =P_T −P_K

_PE=

(

_ma+_mf

)

_WTa−

( )

_{Wa WKa}

W W m m

p ma

Ka Ta a f

E

−    

  ₊ =

1 Dimana,

PE = Daya netto turbin (kW)

PT = Daya brutto turbin (kW)

Pk = Daya kompressor (kW)

WTa = Kerja turbin aktual(kJ/Kg)

Wka = Kerja kompressor aktual (kJ/Kg)

m

a = Laju aliran massa udara (kg/s)

m

f = Laju aliran massa bahan bakar (kg/s)

Laju aliran massa udara dan bahan bakar ini akan digunakan untuk menentukan daya dari kompressor dan turbin, serta dalam perancangan sudu turbin.

W W m m P m Ka Ta a f E a −       ₊ = 1 Dengan :

PE = 165,816 MW

m m

a f

=_FARAKT = 0,015066

Dan,

FARAKT= 66,3741

Sehingga :

[

]

s kg FAR m m s kg m AKT a f a / 563396085 , 9 015066 , 0 7667652 . 634 / 7667652 , 634 5961 , 363 5463 , 615 015066 , 0 1 165816 = × = × = = − + =

3.2.6. Kesetimbangan Energi Pada Ruang Bakar

Ruang bakar tidak menghasilkan dan tidak memerlukan energi mekanis, jadi w = 0, jika proses pembakaran dianggap adiabatik maka ∆EP ≅0 karena relative kecil dibanding dengan besaran lainnya. Maka persamaan untuk ruang bakar dapat dituliskan menurut [Lit 1, Hal 74] :

(

_m

_produkx

_h

_produk

)

(

_m

_reak x

_h

_reak

)

tan tan

Σ = Σ

Maka, ma h2a + mfLHV = ( ma + mf ) h3

634,76676 x 665,9361 + 9,56339608 x 45700 = (634,766 + 9,563) x 1334,354 859.761,3051 kW = 859.761,3051 kW

Artinya didalam ruang bakar terjadi kesetimbangan energi.

3.2.7. Udara Pembakaran

Udara pembakaran adalah perbandingan antara AFRAKT dengan AFRTH

yang digunakan untuk menentukan persentase udara pembakaran.

334 , 4

3137 , 15

3741 , 66 = = =

AFR AFR

H T AKT

τ

3.2.8. Kerja Netto

Kerja spesifik netto adalah selisih antara kerja spesifik turbin dengan kerja spesifik kompresor yang digunakan untuk menentukan nilai effisiensi siklus.

W W

WNET = Ta− Ka

= 615,5463-363,5961 =251,9502 kj/kg

3.2.9 Back Work Ratio

Back Work Ratio merupakan nilai persentase kerja spesifik turbin yang digunakan untuk menggerakkan kompresor.

5906 , 0

5463 , 615

5961 , 363 = = =

WT W k

a a

r

bw

3.2.10 Effisiensi Thermal Siklus

Effisiensi thermal ini merupakan effisiensi total dari siklus yang terjadi pada analisa termodinamika tersebut.

(

)

% 7 , 37

% 100 9361 , 665 354 , 1334

9502 , 251 % 100

2 3

=

× −

= − =

× =

h h

W Q W

a net RB NET TH

η

3.2.11. Panas Masuk

Panas masuk adalah suplai panas dari ruang bakar sebesar: h

h Q

Qin= RB= 3− 2a

= 1334,354 kJ/kg – 665,9361 kJ/kg = 668,4179 kJ/kg

3.2.12. Panas keluar

Panas keluar dari turbin gas sebesar: h

h Qout = 4a− 1

= 718,8076kJ/kg – 302,34 kJ/kg = 416,4676 kJ/kg

3.2.13. Daya Tiap Komponen Instalasi Turbin Gas 1. Daya Kompresor

Daya kompresor dari instalasi turbin gas adalah:

( )

m W PK = a Ka

= (643,766) 363,5961 = 230798,44 kW = 230,798 MW

2. Daya Turbin Gas

Daya brutto turbin dari instalasi turbin gas adalah: P

P PT = K+ E

3.2.14. Hasil Analisa Termodinamika

Setelah diadakan analisa termodinamika, sebagai langkah awal perencanaan, maka diperoleh hasil-hasil sebagai berikut :

1. Temperatur lingkungan (Ta) : 303 K 2. Temperatur keluar kompresor (T2) : 614,53 K

3. Kerja kompresor aktual

( )

WKa : 363,5961 kJ/kgudara 4. Suplai panas dari ruang bakar

( )

Q_RB : 668,4179 kJ/kg_udara

5.

(

AFR

)

_AKT : 66,3741 kg_udara/kg_bahanbakar 6.

(

FAR

)

_AKT : 0,015066 kg_bahanbakar/kg_udara 7. Temperatur gas masuk turbin

( )

_T3 : 1248 K

8. Temperatur gas buang turbin

( )

_T4a : 705,14 K

9. Kerja turbin aktual

( )

WTa : 615,5463 kJ/kgudara 10. Laju aliran massa udara

( )

ma : 634,766 kg/s

11. Laju aliran massa bahan bakar

( )

mf : 9,56 kg/s

12. Daya kompresor

( )

_PK : 230,798 MW

13. Daya turbin

( )

_PT : 396,614 MW

14. Daya nyata generator

( )

_PG : 130 MW

15. Daya poros efektif turbin gas

( )

_PE : 165,816 MW

BAB IV

PERENCANAAN TURBIN

4.1. Parameter Perencanaan Turbin

Dalam perencanaan ini dipilih turbin aksial, karena turbin jenis aksial mempunyai keuntungan: effisiensi yang lebih baik, perbandingan tekanan dapat diubah lebih tinggi, konstruksi lebih ringan dan tidak membutuhkan ruangan yang terlalu besar. Turbin aksial yang direncanakan adalah bertingkat banyak, dimana tiap tingkat terdiri dari satu baris sudu diam dan satu baris sudu gerak. Sudu diam berfungsi mempercepat aliran fluida kerja dan sudu gerak berfungsi untuk mengkonversikan energi kinetik menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran poros turbin.

Turbin aksial terdiri dari turbin curtis (turbin dengan kecepatan bertingkat), turbin reteau (turbin dengan tekanan bertingkat), turbin reaksi (turbin yang proses ekspansinya terjadi tidak hanya pada laluan sudu diam, tetapi juga pada laluan sudu gerak sehingga penurunan seluruh kandungan kalor pada semua tingkat terdistribusi secara merata).

Gambar 4.1. Grafik Effisiensi Turbin – Velocity Ratio (σ) (Sumber : Energy Conversion System, Sorensen)

Maka dalam perencanaan ini dipilih turbin aksial jenis turbin aksial reaksi karena :

1. Effisiensi tingkat pada tipe reaksi lebih baik dari pada yang lainnya, dengan perbandingan kecepatan yang lebih besar.

2. Pada tipe reaksi, effisiensi maksimum dapat dicapai pada daerah perbandingan (U/V) = 0,8 s/d 0,9

3. Pada tipe ini, kecepatan tangensial yang mengalir diantara sudu-sudu adalah tidak terlalu besar, sehingga kerugian gesekan akibat kecepatan juga tidak terlalu besar.

Untuk perencanaan turbin aksial, ada beberapa hal yang perlu diperhatikan dan ditetapkan, sebagai berikut :

• Koeffisien aliran sudu (ψ) = 3………….[Lit 7, Hal 111] • Kecepatan tangensial rata-rata (Um) = (350-400)m/s

• Kecepatan aliran gas (Ca) = 150 m/s…….[Lit 7, Hal 67] • Derajat reaksi tingkat (R_R) = 0,5 ………..[Lit1, Hal 546]

4.1.1. Klasifikasi Turbin Gas

Secara umum turbin gas dapat dibedakan atas : a. Turbin aliran radial (radial flow turbine)

Turbin radial adalah suatu jenis turbin dimana arah aliran fluida kerjanya tegak lurus terhadap sumbu poros yaitu arah radial. Turbin jenis ini dapat dilihat pada gambar 4.2 berikut.

Gambar 4.2 Turbin aliran radial

(Sumber: www.fatimberlake.blogspot.com) b. Turbin aksial

Pada jenis tubin ini, arah aliran fluida kerjanya sejajar terhadap sumbu poros. Turbin jenis ini terdiri dari :

• Turbin aksial reaksi

• Turbin aksial aksi (impuls)

Jenis turbin aksial ini dapat ditunjukkan seperti pada gambar 4.3 berikut.

Gambar 4.3. Turbin aliran aksial (Sumber: www.fatimberlake.blogspot.com)

4.1.2. Jumlah Tingkat Turbin

Jumlah tingkat turbin dihitung berdasarkan total penurunan temperatur dan penurunan temperatur tiap tingkat turbin. Menurut [Lit7, Hal 110] :

U m To cpg S

2

2 ∆

= Ψ

Dimana, Ψ = koefisien pembebanan suhu

_c

pg= panas jenis gas pada tekanan konstan (kJ/Kg.K) s

To

∆ = penurunan temperatur tiap tingkat turbin (K) _Um= Kecepatan tangensial rata-rata sudu (m/s) • Sedangkan total penurunan temperatur gas adalah :

T T To = 3− 4 ∆

Dimana, ∆To= Total penurunan temperatur (K) _T

3= Temperatur gas masuk turbin (K) _T4= Temperatur gas keluar turbin (K) • Jumlah tingkat turbin :

Dimana, n= Jumlah tingkat turbin

4.1.3. Kondisi Gas dan Dimensi Sudu

Kondisi gas dianalisa pada keadaan stagnasi dan keadaan statik. Keadaan stagnasi maksudnya adalah kondisi gas yang dianalisa dalam keadaan diam tanpa memperhitungkan kecepatannya. Sedangkan kondisi statik adalah kondisi gas yang dianalisa dalam keadaan diam dengan memperhitungkan kecepatannya.

• Persamaan- persamaan stagnasi menurut (Lit 2, Hal 144) :

1 1 1 2

.

.

1 −                 ∆ − = y y st R S To R To Po Po η

Dengan, _P01= Tekanan gas sebelum terjadinya proses (bar) To To n s ∆ ∆ =

P02= Tekanan gas setelah terjadinya proses (bar)

RR= Derajat reaksi tingkat (untuk turbin reaksi = 0,5)

η

st= Effisiensi statik

y= Eksponen isentropik _T02= Temperatur pada _P02(K)

• Persamaan-persamaan statik menurut (Lit 2, Hal 257] :

C pg C To T

2 2

1

1= −

y r

To T Po P

1

1 1 1 1

−

        = Dengan, _T

1= Temperatur gas pada kondisi statik (K) _T01= Temperatur gas pada kondisi stagnasi (K)

_P1= Tekanan gas pada kondisi statik (bar)

_P01= Tekanan gas pada kondisi stagnasi (bar)

• Dari kondisi gas ini dapat dicari massa jenis gas yang mengalir [Lit 2, Hal 116] :

T Rg

P . . 100 =

ρ

Dimana, ρ= Massa jenis gas (kg/m3)

• Dengan menghitung laju aliran massa gas maka luas annulus [Lit 2, Hal 258] :

Ca m A g

ρ =

Dengan, A = Luas annulus (m2)

mg= Laju aliran massa gas, yang dalam hal ini untuk tiap tingkat berbeda

• Perhitungan tinggi sudu menurut [Lit 2, Hal 258] :

60 . . U

n A h

m

=

Dengan, h = tinggi putaran (m) n = putaran sudu (rpm)

• Jari-jari sudu (jarak dari pusat cakram ke pitch sudu) besarnya menurut [Lit 2, Hal 271]

2

h r rr= m−

2 h r rt = m+

Dimana, _rt= Jari-jari puncak sudu tiap tingkat turbin (m)

• Tebal sudu dan celah antar sudu menurut persamaan [Lit 1, Hal 265] :

3 h WR = R

C= 0,25._WR

Dimana, W = Tebal sudu (m) C = Celah antar sudu (m)

4.1.4. Segitiga Kecepatan Gas

Untuk menggambarkan kecepatan aliran gas perlu dihitung besar sudut kecepatan gas tersebut untuk sudut masuk dan sudut keluar relatif gas [Lit 2, Hal 249] :

Gambar 4.4. Segitiga kecepatan pada sudu (Sumber: Gas turbine theory, Cohen. H)

2 .

.

4 ₂ +

= φtgβ _m

ψ

2 .

.

4 ₃ −

= φtgβ _m

ψ

Dimana, φ = Koefisien aliran gas

β₁= Sudut relative kecepatan gas masuk sudu (˚)

β₀= Sudut relative kecepatan gas keluar sudu (˚) 4.2. Perhitungan Jumlah Tingkat Turbin

1. Penurunan temperatur tiap tingkat turbin (∆To_S)

Penurunan temperatur tiap tingkat turbin ini masih merupakan nilai yang diperoleh dari penentuan harga U_m, setelah itu akan disubtitusikan kembali untuk mendapatkan nilai yang sebenarnya.

K To To x x U To c S s m s pg 675958 , 188 ) 380 ( 10 148 , 1 2 3 2 2 3 2 = ∆ × ∆ = ∆ = ψ

2. Total penurunan temperatur gas (∆To)

Total penurunan temperatur ini merupakan selisih dari temperatur masuk dan keluar turbin.

K T T To 86 , 542 14 , 705 1248 4 3 = − = − = ∆

3. Jumlah tingkat turbin yang dibutuhkan (n)

s To To n ∆ ∆ = 675 , 188 86 , 542 =

Hasil ini disubstitusikan kembali untuk mendapatkan harga ∆To_sdan

m

U yang sebenarnya.

K To

To

s s

9533 , 180

86 , 542 3

= ∆

∆ =

Maka,

s m U

U x x

U To c

m

m m

s pg

/ 14 , 372

9533 , 180 1148 2 3

2 3

2 2

= =

∆ =

4.3. Kondisi Gas Dan Dimensi Sudu Tiap Tingkat

Untuk merancang sudu turbin dibutuhkan kondisi gas baik dalam keadaan statis maupun stagnasi pada setiap tingkat. Baik pada saat gas masuk sudu diam, keluar sudu diam dan masuk sudu gerak, serta keluar sudu gerak dan masuk sudu diam lagi.

Gambar 4.5. Penampang annulus turbin aksial

Dalam rancangan ini akan dibahas analisis data kondisi gas meliputi perhitungan temperatur dan tekanan juga massa jenis aliran untuk setiap tingkat turbin.

A. TINGKAT SATU 1. Gas masuk sudu diam

Dari gambar 4.2 diatas yaitu pada titik 1. • Kondisi pada keadaan stagnasi

• Kondisi pada keadaan statik

K x x Cp C To T g 2003 , 123 10 148 , 1 2 150 1248 2 3 2 2 1 1 = − = − = bar To T Po P 43 , 11 1248 2003 , 1238 8 ,

11 1,33

1 33 , 1 1 1 1 1 1 =       =       = − − γ γ 3 1 1 1 / 216 , 3 2 , 1238 287 , 0 43 , 11 100 . . 100 m kg x x T Rg P = = = ρ

2. Gas keluar sudu diam dan masuk sudu gerak Pada gambar 4.2 yaitu pada titik 2.

• Kondisi pada keadaan stagnasi 1 1 1 2 . . 1 −             ∆ − = γ γ η To R To Po Po st R S bar Po K To 8 , 11 1248 1 1 = =

Dimana :

st

η = Effisinsi statik (direncanakan 0,9)

R

R = Derajat reaksi (0,5) Sehingga : K x R To To To bar Po x Po Po Po x x Po Po R S 523 , 1157 ) 5 , 0 9533 , 180 ( 1248 . 411 , 8 8 , 11 73 , 0 ) 7128 , 0 ( 1248 9 , 0 5 , 0 9533 , 180 1 1 2 2 2 1 2 1 33 , 1 33 , 1 1 2 = − = ∆ − = = = =             − = −

• Kondisi pada keadaan statik

3 2 2 2 33 , 1 1 33 , 1 1 2 2 2 2 3 2 2 2 2 / 46 , 2 723 , 1147 287 , 0 127 , 8 100 . 100 127 , 8 523 , 1157 723 , 1147 411 , 8 723 , 1147 10 148 , 1 2 150 523 , 1157 2 m kg x x T R P bar To T Po P K x x Cp C To T g g = = = =       =       = = − = − = − − ρ γ γ

3. Gas keluar sudu gerak dan masuk sudu diam Pada gambar 4.5 yaitu pada titik 3.

• Kondisi pada keadaan stagnasi :

(

)

K x R T T T bar Po x x Po Po To R To Po Po R st R S S 046 , 1067 5 , 0 9533 , 180 523 , 1157 . 832 , 5 5 , 1157 9 , 0 5 , 0 9533 , 180 1 . . 1 0 02 03 3 1 33 , 1 33 , 1 2 3 1 2 2 3 = − = ∆ − = =             − =             ∆ − = − − γ γ η

• Kondisi pada keadaan statik

3 3 3 3 33 , 1 1 33 , 1 1 3 3 3 3 3 2 3 2 3 3 / 8518 , 1 2 , 1057 287 , 0 619 , 5 100 . 100 619 , 5 046 , 1067 246 , 1057 832 , 5 246 , 1057 10 148 , 1 2 150 046 , 1067 2 m kg x x T R P bar To T Po P K x x T Cp C To T g g = = = =       =       = = − = − = − − ρ γ γ

Untuk tingkat selanjutnya dilakukan dengan cara yang sama dan hasilnya dapat dilihat pada tabel berikut.

Tabel 4.1. Kondisi gas pada tiap tingkat sudu turbin

TINGKAT 1 2 3

01

P (bar) 11,8 5,832 2,526

01

T (K) 1248 1067,046 886,0923

1

T (K) 1238,2003 1057,246 876,2927

1

P (bar) 11,43 5,619 2,415

1

ρ (kg/m3) 3,216 1,8518 0,960

02

P (bar) 8,411 3,914 1,853

02

T (K) 1157,523 976,569 795,615

2

T (K) 1147,723 966,799 785,816

2

P (bar) 8,127 3,758 1,666

2

ρ (kg/m3) 2,46 1,354 0,738

03

P (bar) 5,832 2,526 1,07508

03

T (K) 1067,046 886,0923 705,138

3

T (K) 1057,246 876,2927 695,3387

3

P (bar) 5,619 2,415 1,016127

3

ρ (kg/m3) 1,8518 0,960 0,509

Ukuran-ukuran (jari-jari sudu) sesuai gambar 4.5 dapat dihitung untuk setiap jumlah aliran massa gas masing-masing baris. Menurut [Lit 2, Hal 294], pendinginan sudu menggunakan 1,5%-2% udara kompresi pada tiap tingkat sudu sehingga tiga tingkat turbin didinginkan dengan (4,5-6)% udara kompresi. Maka laju aliran massa pendinginan (mp) adalah :

mp= (4,5-6)%. ma

= (4,5-6)% x 634,766 kg/s

Untuk setiap baris sudu didinginkan oleh : udara s kg m_n / 5 6 30 = =

Dimana udara pendingin ini ikut berekspansi pada tingkat berikutnya. Kecepatan keliling rata-rata sudu (Um) adalah :

n r U_m =2π. _m. Dimana:

Um = Kecepatan keliling rata-rata sudu (m/s)

rm = Jari-jari rata-rata sudu (m)

n = Putaran poros turbin (rpm) Maka : m x x x n U r m m 184 , 1 3000 14 , 3 2 14 , 372 60 . 2 . 60 = = = π

1. Kondisi masuk pada sudu diam (kondisi -1)

Yang dimaksud dengan kondisi disini adalah laju aliran massa gas pada tingkat 1 serta perhitungan dimensi sudu pada tingkat tersebut.

Ca m A g

1 1

1 = ρ

Dimana : 1

g

m = Laju aliran massa gas masuk sudu diam = m_a +m_f −m_p +m_n1

= 634,766 + 9,56 -30 +5 = 619,326 kg/s

Maka : 2 1 1 28 , 1 150 216 , 3 326 , 619 m A x A = =

60 . . 1 1 m U n A h = Dimana :

h1 = Tinggi blade (m)

A1 = Luas annulus (m2)

maka : m h h 172 , 0 60 14 , 372 3000 28 , 1 1 1 = × × = m h r r_{r m}

098 , 1 2 172 , 0 184 , 1 2 1 1 = − = − =

2. Kondisi keluar sudu diam, masuk sudu gerak (kondisi-2)

Yang dimaksud dengan kondisi disini adalah laju aliran massa gas pada tingkat 2 serta perhitungan dimensi sudu pada tingkat tersebut

Ca m A g 2 2 2 ρ = Dimana : 2 g

m = Laju aliran massa gas masuk sudu =m_g1+m_n2

=619,326 +5 =624,326kg/s Maka : 2 2 2 69 , 1 150 46 , 2 366 , 624 m A A = × =

m h h U n A h m 227 , 0 60 14 , 372 3000 69 . 1 60 . . 2 2 2 2 = × × = = m h r r_{r m}

0705 , 1 2 227 , 0 184 , 1 2 2 2 = − = − = m h r r_{t m}

2975 , 1 2 227 . 0 184 , 1 2 2 2 = + = =

3. Kondisi keluar sudu gerak,masuk sudu diam (kondisi-3)

Yang dimaksud dengan kondisi disini adalah laju aliran massa gas pada tingkat 3 serta perhitungan dimensi sudu pada tingkat tersebut.

Ca m A g

3 3 3 = ρ Dimana : _m

g3= Laju aliran massa gas masuk sudu diam

s kg m m_{g g}

/ 326 , 629 5 326 , 624 3 2 = + = + = Maka : 2 3 3 2656 , 2 150 858180 , 21 326 , 629 m A A = × = m h h U n A h m 304 , 0 60 14 , 372 3000 2656 , 2 60 . . 3 2 3 = × × = =

m h r r_{r m}

032 , 1 2 304 , 0 184 , 1 2 3 3 = − = − = m h r r_{t m}

336 , 1 2 304 . 0 184 , 1 2 3 3 = + = =

4. Tinggi rata-rata sudu diam (hN)

Tinggi rata-rata sudu diam adalah nilai rata-rata dari tinggi sudu pada kondisi 1 dan 2

(

)

(

)

1995 , 0 227 , 0 172 , 0 2 1 2 1 2 1 = + = +

= h h

h_N

5. Tinggi rata-rata sudu gerak (hg)

Tinggi rata-rata gerak adalah nilai rata-rata dari sudu pada kondisi 2 dan 3.

(

)

(

)

m h h h_R 2655 . 0 304 . 0 227 , 0 2 1 2 1 3 2 = + = + =

6. Tebal (lebar) sudu gerak (w)

Tebal sudu gerak pada tingkat 1 adalah :

m h w R R 0885 , 0 3 2655 . 0 3 = = =

7. Lebar celah aksial (c)

Lebar celah aksial merupakan celah yang dirancang antara sudu gerak dengan penutup agar sudu dapat berputar bebas.

0225 . 0

0885 , 0 25 , 0

. 25 , 0 =

× =

=

_w

_R

c

Dengan cara yang sama dapat dihitung dimensi sudu untuk tingkat berikutnya dan hasilnya dapat dilihat pada tabel 4.2 berikut.

Tabel 4.2 Dimensi sudu turbin

TINGKAT 1 2 3

1

g

m (Kg/s) 619,326 629,3226 639,326

1

A (m2) 1,28 2,2656 4,439

1

h (m) 0,172 0,304 0,596

rr1

(m) 1,27 1.336 1,482

rt1

(m) 1,27 1,336 1,482

mg2

(kg/s) 624,326 634,326 644,326

A2 (m2) 1,69 3,123 5,730

h2

(m) 0,227 0,419 0,769

rr2

(m) 1,0705 0,974 0,7995

rt2

(m) 1,2975 1,393 1,5685

mg3

(Kg/s) 639,326 639,326 639,326

A3

(m2) 2,2656 4,439 8,504

h3

(m) 0,304 0,596 1,142

rr3

rt3 (m) 1,336 1,482 1,755

hN (m) 0,4995 0,3615 0,6815

hR

(m) 0,2655 0,5075 0,955

wR

(m) 0,0885 0,1691 0,3185

c (m) 0,022 0,042 0,0796

Dari perhitungan di atas, dapat digambarkan ukuran turbin yang dirancang.dengan skala 1:30 yaitu untuk tingkat 1:

Gambar 4.6 Dimensi sudu tingkat 1

4.4 Diagram Kecepatan dan Sudut Gas Tiap Tingkat Turbin

Untuk dapat menggambarkan kecepatan gas dengan menggunakan diagram segitiga kecepatan perlu untuk menghitung sudut-sudut saat gas melalui sudu-sudu.

Gambar 4.7 Diagram kecepatan pada sudu turbin

TINGKAT SATU

Dari gambar 4.6 dimana sudut gas tingkat -1, yaitu pada dasar,tengah dan puncak sudu dapat dihitung :

1. Sudut Gas pada Tengah Sudu

Sudut-sudut yang terjadi pada tengah sudu antara lain : • Sudut masuk realitif gas (β_2m)

2 .

.

4 ₂ +

= φtgβ _m

ψ Dimana :

4030 , 0

14 , 372

150 = = =

φ φ

m

U Ca

Maka :



8 , 31

620232 ,

0

2 4030

, 0 4 3

2 .

. 4

2

2 2

= =

+ =

+ =

m

m m

tg

xtg x

tg

β β

β β φ ψ

• Sudut keluar relatif gas (β_3m)  13 , 72 10173 , 3 2 3 4030 , 0 4 3 2 . . 4 3 3 3 = = − = − = m m m tg m xtg x tg β β β β φ ψ

Menurut [Lit 2, Hal 249],sudut masuk absolute gas pada sudu diam dan sudut keluar gas pada suhu gerak adalah sama dengan sudut relative gas (β_2m =α_1m =α_3m) yaitu 31,8. Sudut keluar relative gas pada sudu diam sama dengan sudut keluar relative gas pada sudu gerak (α =_2m β_3m) yaitu 72,13

• Kecepatan absolute gas masuk sudu gerak (C_2m)

…(Lit 2, Hal 256)

• Kecepatan absolute gas masuk sudu diam (C_1m)

s m C C a m / 492 , 176 8 , 31 cos 150 cos ₃ 1 = = =  α

• Kecepatan relative gas masuk sudu gerak (V_2m)

…(Lit 2, Hal 260) s m C C m a m / 84 . 488 13 , 72 cos 150 cos ₂ 2 = = =  α

s m C C m a m / 34 , 172 5 , 29 cos 150 cos ₂ 2 = = =  α

• Kecepatan absolute gas keluar sudu gerak (C_3m)

Kecepatan absolute gas keluar sudu gerak sama dengan kecepatan relative gas masuk sudu gerak maka C3m = C1m = 172,34 m/s

• Kecepatan relative gas keluar sudu gerak (V_3m)

s m C V m a m / 84 . 488 13 , 72 cos 150 cos ₃ 3 = = =  β

2.Sudut Gas pada Dasar Sudu

Sudut-sudut gas yang terjadi pada tengah sudu antara lain : • Sudut keluar gas dari sudu diam (α_2r)

(

)

(

)

  404 , 74 5827 , 3 56 , 70 0705 , 1 184 , 1 2 2 2 2 = = = = r m r m r tg tg r r tg α α α

• Sudut keluar absolute gas dari sudu gerak (α_3r)

(

)

(

)

  42 , 35 711 , 5 , 29 032 , 1 184 , 1 2 3 3 3 = = = = r m r m r o tg tg r r tg α α α

• Kecepatan rotasi sudu (Ur)

2       = r m m r r U

Ur …(Lit 2, Hal 236)

s m/ 596 , 411 0705 , 1 184 , 1 14 , 372 =       =

• Sudut keluar relatif gas pada sudu diam (β_2r)



3 , 35 3 2r =α r =

β

• Sudut keluar relative gas pada suhu gerak (β_3r)



45 , 73 2 3r =α r =

β

• Kecepatan absolut gas masuk sudu gerak (C_2r)

s m C C r a r / 926 , 557 404 , 74 cos 150 cos ₂ 2 = ° = = α

• Kecepatan absolut gas keluar sudu gerak (C3r)

s m C C r a r / 065 , 184 42 , 35 cos 150 cos ₃ 3 = ° = = α

• Kecepatan whirl gas masuk sudu gerak (C_w2r)

r r

w Catg

C ₂ = . α₂

…(Lit 2, Hal 263)

s m tg / 384 , 537 404 , 74 150 = ° × =

• Kecepatan relative gas masuk sudu gerak (V_2r)

s m C V r a r / 065 , 184 42 , 35 cos 150 cos ₂ 2 = = =  β

• Kecepatan whirl gas keluar sudu gerak (C_w3r)

r r

w Catg

C ₃ = . α₃ s m tg / 67 , 106 42 , 35 150 = × = 

• Kecepatan relative gas masuk sudu gerak (V2_r)

s m C V m a m / 926 , 557 404 , 74 cos 150 cos ₂ 2 = = =  β

Diagram kecepatan dan sudut gas pada puncak sudu serta perhitungan untuk tingkat selanjutnya dapat dilakukan dengan cara yang sama seperti diatas dan hasilnya dapat dilihat pada tabel 4.3 berikut :

Tabel 4.3 diagram kecepatan dan sudut gas tiap tingkat

TINGKAT 1 Dasar Sudu Tengah Sudu Puncak Sudu

U 411.596 372,14 339,58

1

α 35,42 31,8 29,50

2

α 74,40 72.13 70,92

3

α 35,42 31,8 29,50

2

β 35,42 31,8 29,50

3

β 74,40 72,13 70,92

Cw₂ 537,38 465,174 433,66

Cw₃ 106,67 93,032 84,86

C₂ 557,926 488,76 458,87

C₃ 184,065 176,508 172,34

V₂ 184,065 176,508 172,34

V₃ 557,926 488,76 458,87

TINGKAT 2 Dasar Sudu Tengah Sudu Puncak Sudu

U 452,37 372,14 216,30

1

α 37,0 31,8 27,78

2

α 75,14 72.13 69,227

3

α 37,0 31,8 27,78

2

β 37,0 31,8 27,78

3

β 75,14 72,13 69,227

Cw₂ 565,32 465,174 395,43

Cw₃ 113,03 93,032 79,01

C₃ 187,82 176,508 169,54

V₂ 187,82 176,508 169,54

V₃ 584,89 488,76 422,932

TINGKAT 3 Dasar Sudu Tengah Sudu Puncak Sudu

U 551,11 372,14 280,91

1

α 42,55 31,8 25,08

2

α 77,17 72.13 66,189

3

α 42,55 31,8 25,08

2

β 42,55 31,8 25,08

3

β 77,17 72,13 66,87

Cw₂ 658,63 465,174 351,16

Cw₃ 137,69 93,032 79,20

C₂ 675,49 488,76 381,85

C₃ 203,61 176,508 169,61

V₂ 203,61 176,508 169,61

V₃ 675,49 488,76 381,85

4.5 Jumlah Sudu Tiap Tingkat Turbin

Untuk menentukan jumlah sudu gerak dan sudu diam tiap tingkat turbin, maka dapat dilakukan perhitungan pada tengah-tengah sudu dengan mempergunakan tinggi rata-rata sudu. Perbandingan tinggi sudu dengan chord sudu (aspek ratio,h/c) menurut [Lit 2, Hal 271] dapat direncanakan antara 3 dan 4. Harga perbandingan pitch dengan chord sudu (s/c) dapat diperoleh dari gambar 4.8 berikut dengan bantuan sudu-sudu gas.

Gambar 4.8 grafik (s/c)Vs sudu-sudu gas (sumber Turbine theory, cohen. H)

Jumlah sudu gerak tingkat-1 Dapat ditentukan sebagi berikut ; • Panjang chord sudu (c)

m h

c r

0885 , 0

3 2655 , 0

3

= = =

Perbandingan pitch sudu dengan chord sudu (s/c) untuk harga β2m =31,8dan



13 , 72 3m =

β didapat harga (s/c) = 0,6327{dari gambar 4.6},maka : • Panjang pitch sudu (s)

05592 , 0

6327 , 0 0885 , 0 = =

      =

x c s c c

• Jumlah sudu (z)

buah x

s r

z m

85 , 132

05922 , 0

158 , 1 14 , 3 2 2

= = = π

(Lit 2, Hal 271)

Menurut [Lit 2, Hal 271] digunakan komponen bilangan prima untuk sudu gerak dan komponen bilangan genap untuk sudu diam. Maka direncanakan : jumlah sudu gerak tingkat satu adalah 133 buah, sehingga pitch sudu (s) menjadi 0,05593 ; chord sudu (c) adalah 0,0884 dan tinggi sudu gerak (h_R) = 0,2652 dengan aspect ratio (h/c) adalah 3.

Untuk tingkat selanjutnya baik sudu diam maupun sudu gerak dapat dihitung dengan cara yang sama dan hasilnya dapat dilihat pada tabel 4.4 dan tabel 4.5 berikut.

Tabel 4.4 Spesifikasi sudu gerak tiap tingkat turbin

TNGKAT 1 2 3

R

h (m) 0,2655 0,5075 0,955

C (m) 0,0885 0,1691 0,03183

s/c 0,6327 0,6327 0,06327

S (m) 0,5592 0,1069 0,2013

Z (buah) 132,66 69,59 36,94

Z’ (buah) 133 71 37

S’ (m) 0,5593 0,1047 0,2010

C’ (m) 0,0884 0,1656 0,3177

R

h ’ (m) 0,2652 1,4968 0,9533

Tabel 4.5 Spesifikasi sudu diam tiap tingkat turbin

TNGKAT 1 2 3

R

h (m) 0,1995 0,3615 0,6825

c (m) 0,0665 0,1205 0,2275

s/c 0,6327 0,6327 0,06327

S (m) 0,0420 0,0762 0,1439

Z (buah) 176,81 95,57 51,68

Z’ (buah) 178 96 52

S’ (m) 0,0417 0,0774 0,1430

c’ (m) 0,0660 0,1224 0,2261

R

h ’ (m) 0,1981 1,3674 0,6783

(h/c)’ 3 3 3

4.7 Sudut-Sudut Tiap Tingkat Turbin

Profil sudu direncanakan dari tipe NACA seri C-7 Sudu tingkat satu pada dasar sudu dapat dihitung sebagai berikut. Dari perhitungan sebelumnya diperoleh

• Sudut relatif masuk gas (β_2r)

(β_2r) = 35,42

• Sudut relative keluar gas (β_3r)

(β_3r) = 74,40

Menurut [Lit 2, Hal 268] untuk sudu tipe reaksi, maka sudut jatuh gas (i) berada pada interval -15˚ dan 15˚ dan harga yang disarankan untuk dasar sudu adalah -5˚ dan untuk tengah sudu 5˚ serta untuk puncak sudu adalah 10˚.

• Sudut masuk sudu (β_2r)

(β_2r) =(β_2r) + i =35,3˚ + (-5˚)

• Sudut Keluar sudu (β_3r)

Sudut keluar sudu dapat diperoleh dengan bantuan gambar 4.9 dimana untuk setiap harga sudut relatif keluar gas,maka dapat ditentukan besar sudut keluar sudu. Untuk sudut keluar relatif gas, (β_3r) = 74,40˚ diperoleh (β_3r) = 74,347˚

Gambar 4.9 Grafik hubungan antara sudut masuk gas sudut keluar gas (sumber : Gas turbine theory, cohen. H)

• Sudut chamber sudu (θ_r)

r

θ = (β'2r) + (β'3r) ...(Lit 2, Hal 189)

= 30,42˚ + 74,347˚ = 104,767˚

• Sudu relatif rata-rata sudu (β_mr)

tg(β_mr) = 0,5 (tgβ_3r- tgβ_2r) ...(Lit 2, Hal 189) = 0,5 (tg74,40 - tg35,42)

=1,4352 = 55,13225˚

• Sudut pemasangan sudu (ξ )

ξ _r = β'2r -

2

r

θ

...(Lit 2, Hal 189)

= 30,42 2

67 , 104

• Panjang chord sudu arah aksial (c_xr)

c_xr= c.cos ξ_r ...(Lit 2, Hal 189) = 0,0884.cos(-21,395˚)

= 0,082308 m

Dengan cara yang sama, maka harga sudut-sudut sudu untuk tiap tingkat lainya dapat dihitung dan hasilnya dapat dilihat pada tabel 4.6 dan tabel 4.7 serta tabel 4.8. berikut.

Gambar 4.10 Geometri sudu turbin

Tabel 4.6 Sudut-sudut sudu gerak turbin pada dasar sudu

TINGKAT 1 2 3

r

i ( ˚ ) -5 -5 -5

r

2 '

β ( ˚ ) 30,42 32,0 37,55

r

3 '

β ( ˚ ) 73,347 75,32 76,82

mr

β ( ˚ ) 55,1325 56,44 60,06

r

θ ( ˚ ) 104,76 107,32 114,37

r

ξ ( ˚ ) -21,39 -21,66 -19,635

Lampiran 4 : Tabel Ukuran Standard dari Poros

Diameter poros (Satuan mm)

4

4.5 5

*5.6 6 *6.3

7 *7.1

8 9

10 11 *11.2

12 *12.5

14 (15)

16 (17)

18 19 20 22

*22,4 24 25 28 30 *31.5

32 35 *35.5

38

40 42 45 48 50 55 56 60 63

65 70 71 75 80 85 90 95

100 (105)

110 *112

120 125 130 140 150 160 170 180 190 200 220

*224 240 250 260 280 300 *315

320 340 *355

360 380

400 420 440 450 460 480 500 530 560 600 630

Keterangan : 1. Tanda * menyatakan bahwa bilangan yang bersangkutan dipilih dari bilangan standar.

2. Bilanagan didalam kurung hanya dipakai untuk bagian dimana akan dipasang bantalan gelinding.

Sumber : Sularso, Kiyakatsu Suga. “Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen

Lampiran 5 : Standarisasi Baja

Tabel 5.a Standar baja

Nama Standar Jepang

(JIS)

Standar Amerika (AISI), Inggris (BS), dan Jerman (DIN)

Baja karbon konstruksi mesin

S25C AISI 1025, BS060A25

S30C AISI 1030, BS060A30

S35C AISI 1035, BS060A35, DIN C35

S40C AISI 1040, BS060A40

S45C AISI 1045, BS060A45, DIN C45, CK45

S50C AISI 1050, BS060A50, DIN St 50.11

S55C AISI 1055, BS060A55

Baja tempa SF 40,45 ASTM A105-73

50,55

Baja nikel khrom SNC BS 653M31

SNC22 BS En36

Baja nikel khrom molibden

SNCM 1 AISI 4337

SNCM 2 BS830M31

SNCM 7 AISI 8645, BS En100D

SNCM 8 AISI 4340, BS817M40, 816M40

SNCM22 AISI 4315

SNCM23 AISI 4320, BS En325

SNCM25 BS En39B

Baja khrom

SCr 3 AISI 5135, BS530A36

SCr 4 AISI 5140, BS530A40

SCr 5 AISI 5145

SCr21 AISI 5115

SCr22 AISI 5120

Baja khrom molibden

SCM2 AISI 4130, DIN 34CrMo4

SCM3 AISI 4135, BS708A37, DIN34CrMo4

SCM4 AISI 4140, BS708M40, DIN42CrMo4

SCM5 AISI 4145, DIN50CrMo4

Tabel 5.b Baja karbon untuk konstruksi mesin

Standar dan

macam Lambang

Perlakuan Panas

Kekuatan tarik (kg/mm2)

Keterangan

Baja karbon konstruksi mesin (JIS G

4501)

S30C S35C S40C S45C S50C S55C

Penormalan Penormalan Penormalan Penormalan Penormalan Penormalan

45 52 55 58 62 66 Batang baja

yang difinis dingin

S35C-D S45C-D S55C-D

- - -

53 60 72

ditarik dingin, digerinda, dibubut atau gabungan

Tabel 5.c Baja paduan untuk poros

Standar dan macam Lambang Perlakuan Panas Kekuatan tarik (kg/mm2)

Baja khrom nikel (JIS G 4102)

SNC 2 SNC 3 SNC21 SNC22

- -

Pengerasan kulit Pengerasan kulit

85 95 80 100

Baja khrom nikel molibden (JIS G 4103)

SNCM 1 SNCM 2 SNCM 7 SNCM 8 SNCM22 SNCM23 SNCM25

- - - -

Pengerasan kulit Pengerasan kulit Pengerasan kulit

85 95 100 105 90 100 120 Baja khrom

(JIS G 4104)

SCr 3 SCr 4 SCr 5 SCr21 SCr22

- - -

Pengerasan kulit Pengerasan kulit

90 95 100

80 85

Baja khrom molibden (JIS G 4105)

SCM 2 SCM 3 SCM 4 SCM 5 SCM21 SCM22 SCM23

- - - -

Pengerasan kulit Pengerasan kulit Pengerasan kulit

85 95 100 105 85 95 100

Sumber : Sularso, Kiyakatsu Suga. “Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen

Lampiran 6 : Standar Ukuran Pasak

Ukuran – ukuran utama (Satuan mm)

Ukuran nominal pasak

b x h

Ukuran standar b,b1,

dan b2

Ukuran standar h

C I* _Standar Ukuran

t1

Ukuran standar t2 r1 dan

r2 Referensi pasak prismatis Pasak luncur Pasak tirus Pasak Prismat is Pasak luncur Pasak tirus

Diameter poros yang dapat dipakai d**

2 x 2 3 x 3 4 x 4 5 x 5 6 x 6

2 3 4 5 6 2 3 4 5 6 0,16-0,25 6-20 6-36 8-45 10-56 14-70 1,2 1,8 2,5 3,0 3,5 1,0 1,4 1,8 2,3 2,8 0,5 0,9 1,2 1,7 2,2 0,08-0,16

Lebih dari 6-8 Lebih dari 8-10 Lebih dari 10-12 Lebih dari 12-17 Lebih dari 17-22

0,25-0,40

0,16-0,25 (7 x 7)

8 x 7

10 x 8 12 x 8 14 x 9

7

8

10 12 14

7 7,2 16-80

18-90 22-110 28-140 36-160 4,0 4,0 5,0 5,0 5,5

3,0 3,5 3,0

2,4

2,4 2,4 2,9

Lebih dari 20-25

Lebih dari 22-30

Lebih dari 30-38 Lebih dari 38-44 Lebih dari 44-50 7 8 8 9 3,3 3,3 3,3 3,8 0,40-0,60 0,25-0,40 (15 x 10)

16 x 10 18 x 11

20 x 12 22 x 14

15

16 18

20 22

10 10,2 40-180

45-180 50-200 56-220 63-250 5,0 6,0 7,0 7,5 9,0

5,0 5,5 5,0

3,4 3,4

3,9 4,4

Lebih dari 50-55

Lebih dari 50-58 Lebih dari 58-65

Lebih dari 65-75 Lebih dari 75-85 10 11 12 14 4,3 4,4 4,9 5,4 0,40-0,60 0,60-0,80 (24 x 16)

25 x 14 28 x 16 32 x 18

24

25 28 32

16 16,2 70-280

70-280 80-320 90-360 8,0 9,0 10,0 11,0

8,0 8,5 8,0

4,4 5,4 6,4

Lebih dari 80-90

Lebih dari 85-95 Lebih dari 95-110 Lebih dari 110-130 14 16 18 5,4 6,4 7,4

* l harus dipilih dari angka-angka berikut sesuai dengan daerah yang bersangkutan dalam tabel. 6,8,10,12,14,16,18,20,22,25,28,32,36,40,45,50,56,63,70,80,90,100,110,125,140,160,180,200,220, 250,280,320,360,400.

Sumber : Sularso, Kiyakatsu Suga. “Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen

Lampiran 7 : Faktor Konversi Satuan

Satuan panjang Satuan Luas

1 mil = 1760 yard 1 Mil = 640 Acres

= 5280 feet = 259 Hektar

= 1.609 km 1 Acre = 4840 sq yards

1 yard = 3 feet = 0.4047 Hektar

= 0.914 meter 1 sq yard = 9 sq feet

1 foot = 12 inch = 0.836 m2

= 308.4 mm 1 km2 = 100 hektar

1 inch = 25.4 mm = 0.3861 sq mil

100 ft/min = 0.508 m/dtk 1 sq foot = 144 sq inches

1 km = 1000 m = 0.0929 m2

= 1094 yard 1 Hektar = 10000 m2

= 3281 feet = 2.471 Acres

=0.621 mil 1 m2 = 1000000 mm2

1 m = 1000 mm = 1.196 sq yards

= 39.37 inch = 10.76 sq feet

1 mikron = 0.001 mm

= 0.000039 inch

1 m/dtk = 196.9 ft/min Satuan Volume

1 cu yard = 27 cu feet

= 0.766 m3

Satuan Berat

1 US Long Ton = 2240 lbs 1 cu foot = 1728 cu inches

= 1016 kg = 28.32 liter

1 US Short = 2000 lbs 1 cu inch = 16.39 mm3

= 907 kg 1 Imp gallon = 277.4 cu inches

1 Pound (lb) = 16 ounces = 4.55 liter

= 7000 grains 1 US gallon = 0.833 Imp gallon

= 0.454 kg = 3.785 liter

1 Ounces (os) = 0.0625 pound = 231 cu inches

= 28.33 gr 1 m3 = 1000 liter

1 Grain = 64.8 m gr = 1.308 cu yards

= 0.0023 ounce = 35.31 cu feet

1 lb/ft = 1.488 kg/m 1 liter = 1000000 cc

1 metrik ton = 1000 kg = 0.22 Imp gallon

= 0,984 long ton = 61 cu inches

= 2205 lbs 1 cu ft/min = 1.669 m3/jam

1 Kilogram = 1000 gram 1 m3/jam = 0.589 cu ft/min

= 2.205 pounds 1 US barrel = 42 US gallon

1 Gram = 1000 m gr = 35 Imp gallon

= 0,03527 ounce = 15.43 grains

Satuan Panas dan Energi

1 BTU = 778 ft.lbs 1 kg.m = 0.002342 Kkal

= 107.6 kg.m = 9.81 N.m

= 0.252 Kkal = 9.81 Joule

1 BTU/lb = 0.556 Kkal/kg = 9.81 Watt.sec

1 BTU/cu.ft = 8.9 Kkal/m3 = 0.002724 Watt.jam

1 BTU/hr.ft2.F/ft = 1.488 Kkal/j.m2.C/2 = 0.0000037 DK.jam

1 Kilokalori = 3099 ft.lbs 1 Watt.jam = 0.8599 Kkal

= 427 kg.m = 367 kg.m

= 3.968 BTU = 3600 Joule

= 4.187 KJ = 3600 N.m

1 Kilojoule = 0.2388 Kkal = 3600 Watt.sec

= 0.948 BTU = 0.001 KWH

1 KW = 738 ft.lbs/detik = 0.00136 DK.jam

= 102 kg.m/detik 1 DK.jam = 632.1 Kkal

= 1.341 HP = 270000 kg.m

= 1.36 DK (metric) = 2650000 N.m

1 HP = 33000 ft.lbs/min = 2650000 Joule

= 550 ft.lbs/sec = 0.736 KWH

= 76.04 kg.m/detik

= 0.746 KW Satuan Tekanan

= 1.014 DK metric

1 DK metrik = 32550 ft.lbs/min 1 atm standar = 101.325 Pascal

= 542 ft.lbs/sec = 760 mm Hg

= 75 kg.m/detik = 1.033 kg/cm2

= 0.735 KW = 1013 milibar

= 0.986 HP 1 atm metric = 98056.5 Pascal

1 Kkal = 427 kg.m = 1 kg/cm2

= 4187 N.m = 10 m kolom air

= 4187 joule = 14.22 psi

= 4187 Watt.sec 1 lb/ft2 = 47.88 Pascal

= 0.001163 KWH = 4.88 kg/m2

= 0.001582 DK jam 1 Psi = 6894 Pascal

1 Kkal/kg = 1.8 BTU/lb = 2.036 mm.Hg

= 4.187 kJ/kg = 0.0703 kg/cm2

1 Kkal/m3 = 0.1124 BTU/cu.ft = 0.69 bar

= 4.187 KJ/m3 1 m kolom air = 9806 Pascal

1 N.m = 1 joule = 0.1 kg/cm2

= 1 watt.sec 1 m.Hg = 133.3 Kilo Pascal

= 0.0002388 Kkal = 1.360 kg/cm2

= 0.10194 kg.m = 1333 milibar

= 0.000278 Watt.jam 1 kg/cm2 = 98.066 kilo pascal

1 WH = 3412.14 BTU = 735.5 mm.Hg

= 860 Kkal = 0.981 bar

= 3600000 N.m = 14.22 psi

= 1.36 DK.jam = 3600000 Watt.sec = 367000 kg.m