BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Pandangan Umum Tentang Turbin Uap Sebagai Pembangkit Tenaga Turbin uap termasuk mesin pembangkit tenaga dimana hasil konversi energinya dimanfaatkan mesin lain untuk menghasilkan daya. Pada turbin terjadi perubahan dari energi

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Pandangan Umum Tentang Turbin Uap Sebagai Pembangkit Tenaga

Turbin uap termasuk mesin pembangkit tenaga dimana hasil konversi energinya dimanfaatkan mesin lain untuk menghasilkan daya. Pada turbin terjadi perubahan dari energi potensial uap menjadi energi kinetik yang kemudian diubah lagi menjadi energi mekanik pada poros turbin, selanjutnya energi mekanik diubah menjadi energi listrik pada generator. Turbin uap sudah sering digunakan sebagai penggerak mula pada PLTU, pompa, kompressor dan mesin-mesin lain.

Jika di bandingkan dengan penggerak generator listrik yang lain, turbin uap mempunyai kelebihan lain diantara :

1. Penggunaan panas yang lebih baik 2.

Pengontrolan putaran yang lebih mudah 3. Tidak menghasilkan loncatan bunga api listrik 4. Uap bekasnya dapat digunakan kembali untuk proses.

Siklus yang terjadi pada turbin uap adalah siklus Reankine, yaitu berupa siklus tertutup, dimana uap bekas dari turbin di manfaatkan lagi dengan cara mendinginkanya kembali di kondensor, kemudian dialirkan lagi di pompa dan seterusnya sehingga merupakan siklus tertutup.

2.2. Analisa Termodinamika

Turbin uap bersama-sama dengan ketel uap, pompa dan kondensor, dipadukan untuk membentuk suatu siklus daya uap atau siklus rankine. Siklus ini menggunakan fluida dalam dua fasa yaitu cairan dan uap. Secara ideal proses termodinamika yang terjadi pada siklus ini adalah penekanan isentropik, penambahan kalor secara isobar, ekspansi isentropik, dan pembuangan panas isobar. Siklus pada turbin uap adalah siklus Rankine, yang terdiri dari dua jenis siklus yaitu : 1.

Siklus terbuka, dimana sisa uap dari turbin langsung dipakai untuk keperluan proses.

2. Siklus tertutup, dimana uap bekas dari turbin dimanfaatkan lagi dengan cara mendinginkannya pada kondensor, kemudian dialirkan kembali kepompa dan seterusnya sehingga merupakan suatu siklus tertutup. Uap menurut keadaannya ada tiga jenis, yaitu : 1. Uap basah, dengan kadar uap 0 < X < 1 2. Uap jenuh (saturated vapor),dengan kadar uap X = 1 3. Uap kering (Superheated vapor)

Diagram alir siklus Rankine dapat dilihat pada gambar 2.1. berikut :

Gambar 2.1. Diagram Alir Siklus Rankine Diagram alir siklus rankine dapat dilihat pada gambar 2.2. berikut :

Gambar 2.2. Diagram T-S Siklus Rankine

Siklus rankine sederhana terdiri dari beberapa proses sebagai berikut :

1 → 2 : Proses pemompaan isentropik didalam pompa

2 → 3 : Proses pemasukan kalor atau pemanasan pada tekan konstan dalam ketel uap.

3 → 4 : Proses ekspansi isentropik didalam turbin

4 → 1 : Proses pengeluaran kalor pada tekanan konstan

Proses termodinamika dalam siklus ini (Gambar 2.1 dan 2.2) dapat diterangkan yaitu: air dipompakan masuk ke boiler hingga mencapai tekanan kerja boiler pada titik 2, kemudian di dalam boiler air dipanaskan hingga menjadi uap pada tekanan konstan terhadap fluida sehingga mencapai keadaan titik 3. Uap yang telah dihasilkan ini akan memutar steam turbine, di dalam steam turbine terjadi perubahan energi panas yang dibawa uap menjadi energi mekanik berupa putaran turbin uap. Pada tahap ini uap tersebut diekspansikan pada turbin sehingga mencapai titik 4. Setelah uap menggerakkan turbin uap akan masuk ke kondensor untuk didinginkan dan berubah fasa kembali menjadi air (titik 1) dan kemudian kembali dimasukkan kedalam boiler.

Dari proses yang terjadi pada siklus turbin uap tersebut maka besar kerja dan kalor dapat ditentukan pada masing-masing proses untuk tiap satuan massa sebagai berikut : 1.

WP = h – h

1 Kerja Pompa 2.

Qin = h 3 – h

2 Penambahan Kalor pada Boiler 3.

WT = h 3 – h

4 Kerja Turbin 4.

Qout = h – h

1 Kalor yang dibuang pada Kondensor −

5. Efisiensi Therma = =

ℎ η h ₁

� �h3−ℎ4�−�h2- th =

�h3-h2�

Untuk memaksimumkan efisiensi siklus, temperatur yang diberikan harus mencapai setinggi mungkin sedangkan panas yang dibuang harus pada temperatur yang serendah-rendahnya. Tekanan boiler yang tinggi akan menaikkan temperatur penguapan, sehingga menaikkan efisiensi siklus.

2.3. Komponen Instalasi Turbin Uap

2.3.1. Pompa

Pompa adalah suatu alat yang digunakan untuk memindahkan suatu cairan dari suatu tempat ke tempat lain dengan cara menaikkan tekanan cairan tersebut. Kenaikan tekanan cairan tersebut digunakan untuk mengatasi hambatan-hambatan pengaliran. Hambatan-hambatan pengaliran itu dapat berupa perbedaan tekanan, perbedaan ketinggian atau hambatan gesek. Zat cair tersebut contohnya adalah air, oli atau minyak pelumas, serta fluida lainnya yang tak mampu mampat. Industri- industri banyak menggunakan pompa sebagai salah satu peralatan bantu yang penting untuk proses produksi. Sebagai contoh pada pembangkit listrik tenaga uap, pompa digunakan untuk menyuplai air umpan ke boiler atau membantu sirkulasi air yang akan diuapkan di boiler.

Gambar 2.3. Pompa

(Sumber http://www.itrademarket.com ) Pompa juga merupakan alat mesin konversi energi, tetapi mesin ini banyak diaplikasikan sebagai alat bantu proses konversi. Sebagai contoh pompa banyak dipakai sebagai alat sirkulasi air pada instalasi pembangkit tenaga uap. Pompa bekerja dengan penggerak dari luar. Jadi mesin ini adalah pengguna energi. Secara umum pompa dapat diklasifikasikan menjadi 2 bagian yaitu pompa kerja positif (positive displacement pump) dan pompa kerja dinamis (non positive

displacement pump ). Pada pompa kerja positif kenaikan tekanan cairan di dalam

pompa disebabkan oleh pengecilan volume ruangan yang ditempati cairan tersebut. Adanya elemen yang bergerak dalam ruangan tersebut menyebabkan volume ruangan akan membesar atau mengecil sesuai dengan gerakan elemen tersebut. Secara umum pompa kerja positif diklasifikasikan menjadi Pompa Reciprocating dan Pompa Rotari Pada pompa kerja dinamis energi penggerak dari luar diberikan kepada poros yang kemudian digunakan untuk menggerakkan baling-baling yang disebut impeler. Impeler memutar cairan yang masuk ke dalam pompa sehingga mengakibatkan energi tekanan dan energi kinetik cairan bertambah. Cairan akan terlempar ke luar akibat gaya sentrifugal yang ditimbulkan gerakan impeler. Yang termasuk jenis pompa ini adalah pompa sentrifugal

2.3.2. Boiler

Boiler sering juga disebut ketel uap, yaitu suatu komponen yang berfungsi sebagai tempat untuk menghasilkan uap, energi kinetiknya digunakan untuk memutar turbin. Uap yang dihasilkan mempunyai suhu dan tekanan tertentu sedemikian rupa hingga dapat beroperasi seefesien mungkin.

Gambar 2.4. Boiler Pipa Air

(Sumber Energi kalor yang dibangkitkan dalam sistem boiler memiliki nilai tekanan, temperatur, dan laju aliran yang menentukan pemanfaatan steam yang akan digunakan. Berdasarkan ketiga hal tersebut sistem boiler mengenal keadaan tekanan-temperatur rendah (low pressure/LP), dan tekanan-temperatur tinggi

(high pressure/HP) , dengan perbedaan itu pemanfaatan steam yang keluar dari

sistem boiler dimanfaatkan dalam suatu proses untuk memanaskan cairan dan menjalankan suatu mesin, atau membangkitkan energi listrik dengan merubah energi kalor menjadi energi mekanik kemudian memutar generator sehingga menghasilkan energi listrik (power boilers). Namun, ada juga yang menggabungkan kedua sistem boiler tersebut, yang memanfaatkan tekanan- temperatur tinggi untuk membangkitkan energi listrik, kemudian sisa steam dari turbin dengan keadaan tekanan-temperatur rendah dapat dimanfaatkan ke dalam proses industri dengan bantuan heat recovery boiler.

Sistem boiler terdiri dari sistem air umpan, sistem steam, dan sistem bahan bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam. Berbagai kran disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan dari sistem air umpan, penanganan air umpan diperlukan sebagai bentuk pemeliharaan untuk mencegah terjadi kerusakan dari sistem steam. Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler. Steam dialirkan melalui sistem pemipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan steam diatur menggunakan kran dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua perlatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan. Peralatan yang diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan pada sistem.

Secara umum boiler dibagi kedalam dua jenis yaitu : boiler pipa api (Fire

tube boiler) dan boiler pipa air (water tube boiler). Pada boiler pipa api proses

pengapian terjadi didalam pipa, kemudian panas yang dihasilkan dihantarkan langsung kedalam boiler yang berisi air. Besar dan konstruksi boiler mempengaruhi kapasitas dan tekanan yang dihasilkan boiler tersebut. Sedangkan pada bioler pipa air proses pengapian terjadi diluar pipa, kemudian panas yang dihasilkan memanaskan pipa yang berisi air dan sebelumnya air tersebut dikondisikan terlebih dahulu melalui economizer, kemudian steam yang dihasilkan terlebih dahulu dikumpulkan di dalam sebuah steam-drum. Sampai tekanan dan temperatur sesuai, melalui tahap secondary superheater dan primary superheater baru steam dilepaskan ke pipa distribusi utama. Didalam pipa air, air yang mengalir harus dikondisikan terhadap mineral atau kandungan lainnya yang larut di dalam air tesebut. Hal ini merupakan faktor utama yang harus diperhatikan terhadap tipe ini.

2.3.3. Turbin

Turbin merupakan mesin penggerak, di mana energi fluida kerja dipergunakan langsung untuk memutarnya. Dengan adanya energi kinetis uap yang digunakan langsung untuk memutar turbin, maka dapat dikatakan juga disini, bahwa kemajuan teknologi turbin banyak dipengaruhi oleh kondisi uap yang dihasilkan. Tujuan yang ingin dicapai oleh teknologi turbin adalah mengambil manfaat sebesar-besarnya dari energi fluida kerja yang tersedia, mengubahnya menjadi energi mekanis dengan efesiensi maksimum.

Gambar 2.5. Turbin

(Sumber http://www.alkerny.en.ec21.com )

2.3.4. Kondensor

Kondensor merupakan alat penukar kalor yang berfungsi untuk mengkondensasikan uap keluaran turbin. Uap setelah memutar turbin langsung mengalir menuju kondensor untuk dirobah menjadi air (dikondensasikan), hal ini terjadi karena uap bersentuhan langsung dengan pipa-pipa (tubes) yang didalamnya dialiri oleh air pendingin. Oleh karena kondensor merupakan salah satu komponen utama yang sangat penting, maka kemampuan kondensor dalam mengkondensasikan uap keluaran turbin harus benar-benar diperhatikan, sehingga perpindahan panas antara fluida pendingin dengan uap keluaran turbin dapat maksimal dan pengkondensasian terjadi dengan baik.

Kondensor terdiri dari tube-tube kecil yang melintang. Pada tube-tube inilah air pendingin dialirkan. Sedangkan uap mengalir dari atas menuju ke bawah agar mengalami kondensasi atau pengembunan. Sebelum masuk kedalam kondensor, air biasanya melewati debris filter yang berfungsi untuk menyaring kotoran-kotoran ataupun lumpur yang terbawa air laut. Agar uap dapat bergerak turun dengan lancar dari sudu terakhir Turbin, maka vakum kondensor harus dijaga, karena dengan ada vakum pada kondensor akan membuat tekanan udara pada kondensor menjadi rendah. Dengan tekanan yang lebih rendah di kondensor, maka uap akan bisa bergerak dengan mudah menuju kondensor.

Gambar 2.6. Kondensor

(Sumber

2.4. Klasifikasi Turbin Uap

Ada beberapa cara untuk mengklasifikasikan turbin uap, yaitu : 1.

Berdasarkan arah aliran uapnya a.

Turbin aksial, yaitu turbin dengan arah aliran uap sejajar dengan sumbu poros.

Turbin radial, yaitu turbin dengan arah aliran uap tegak lurus terhadap sumbu poros.

2. Berdasarkan prinsip aksi uap yang digunakan untuk menggerakkan roda jalan turbin melalui sudu, maka turbin uap dibagi menjadi : a.

Turbin aksi (impuls), yaitu turbin yang perputaran sudu-sudu geraknya karena dorongan dari uap yang telah dinaikkan kecepatannya oleh nosel.

Turbin Impuls, disebut juga turbin aksi atau turbin tekanan tetap, dimana uap mengalami ekspansi hanya pada nosel atau sudu-sudu tetap saja, sehingga tekanan uap sebelum dan sesudah sudu adalah tetap.

Gambar 2.7. Penampang Turbin Aksi b.

Turbin reaksi, yaitu turbin yang perputaran sudu-sudu geraknya karena gaya sudu-sudu itu sendiri terhadap aliran uap yang melewatinya. Pada turbin ini proses ekspansi dari fluida kerjanya terjadi di dalam baris sudu-sudu tetap maupun sudu-sudu geraknya, sehingga tekanan uap sesudah keluar dari tiap tingkat sudu lebih rendah dari sebelumnya.

Gambar 2.8. Penampang Turbin ReaksiGambar 2.9. Perbedaan Skema Aliran Uap Antara Turbin Aksi dan Reaksi

(Sumber http://www.cnccookbook.com ) 3. Berdasarkan kondisi uap yang meninggalkannya a.

Turbin tekanan lawan (back pressure turbine), yaitu turbin yang tekanan uap bekasnya berada di atas tekanan atmosfir dan digunakan untuk keperluan proses.

Turbin kondensasi langsung, yaitu turbin yang uap bekasnya dikondensasikan langsung dalam kondensor untuk mendapatkan air kondensor pengisian ketel.

Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan, yaitu turbin yang sebagian uap bekasnya dicerat (diekstraksi) dan sebagian lagi digunakan untuk keperluan proses.

Turbin ekstraksi dengan kondensasi, yaitu turbin yang sebagian uap bekasnya di cerat (diekstraksi) sebagian lagi dikondensasikan dalam kondensor untuk mendapatkan air kondensat pengisian ketel. e.

Turbin non kondensasi dengan aliran langsung, yaitu turbin yang uap bekasnya langsung dibuang ke udara.

Turbin tekanan sangat tinggi, yaitu turbin dengan tekanan uap masuk di atas 170 ata.

Turbin sebagai salah satu komponen dalam instalasi tenaga uap memiliki fungsi yang sangat penting guna menghasilkan daya yang akan ditransmisikan ke generator nantinya. Untuk itu, turbin juga memiliki beberapa komponen atau bagian-bagian yang dibuat sedemikian rupa guna mencapai tujuan yang dimaksud. Komponen atau bagian-bagian dari turbin tersebut dapat dilihat pada gambar 2.10 berikut.

Turbin impuls dan reaksi nekatingkat, yaitu turbin yang dibuat dalam jangka kapasitas yang luas mulai dari yang kecil sampai yang besar.

Turbin satu tingkat dengan satu atau lebih tingkat kecepatan, yaitu turbin yang biasanya berkapasitas kecil dan turbin ini kebanyakan dipakai untuk menggerakkan kompresor sentrifugal.

5. Menurut jumlah tingkat tekanan, terdiri dari : a.

Turbin tekanan super kritis, yaitu turbin dengan tekanan uap masuk di atas 225 ata.

Turbin tekanan tinggi, yaitu turbin dengan tekanan uap masuk hingga diatas 40 ata.

Turbin tekanan menengah, yaitu turbin dengan tekanan uap masuk hingga 40 ata.

Turbin tekanan rendah, yaitu turbin dengan tekanan uap masuk hingga 2 ata.

4. Berdasarkan tekanan uapnya a.

Turbin non kondensasi dengan ekstraksi, yaitu turbin yang sebagian uap bekasnya dicerat (diekstraksi) dan sebagian lagi dibuang ke udara.

2.5. Bagian-Bagian Turbin

Gambar 2.10. Bagian-bagian Turbin

1. Nosel (pipa pancar)

Nosel merupakan suatu laluan yang penampangnya bervariasi dimana energi potensial uap dikonversikan menjadi energi kinetik berupa pancaran uap ke sudu gerak turbin dengan jalan mengembangkan (mengekspansi) uap dari tekanan tinggi ke tekanan yang lebih rendah dalam sebuah turbin. Dari penyelidikan- penyelidikan secara teoritis dan percobaan, ternyata bahwa uap yang mengalir melalui bagian nosel dengan penampang konvergen sewaktu berekspansi didalamnya hanya mencapai nilai minimum tertentu yang disebut tekanan kritis (pkr) yang sama dengan 0,577 po untuk uap jenuh dan 0,546 po untuk uap panas lanjut. Kecepatan uap pada tekanan ini disebut kecepatan kritis.

Bila tekanan sesudah nosel lebih besar dari tekanan kritis p > pkr, maka

ekspansi uap yang terjadi hanya sampai tekanan p

1 , dalam hal ini digunakan nosel

konvergen, sedangkan untuk mendapatkan tekanan sisi keluar p

1 < pkr dan

kecepatan superkritis c > ckr digunakan nosel konvergen divergen. Untuk

menentukan jenis nosel yang digunakan dalam perencanan ini, terlebih dahulu ditentukan harga-harga tekanan kritis p kr pada tiap tiap tingkat.

Nosel sering juga digantikan dengan sudu pengarah karena fungsinya adalah mengarahkan aliran uap yang masuk turbin.

2. Sudu Tetap

Disebut sudu tetap karena keberadaannya yang memang diam (tidak bergerak). Fungsi sudu ini adalah untuk mengarahkan uap yang keluar dari sudu gerak pertama ke sudu gerak kedua.

3. Sudu Gerak

Sudu turbin disebut juga sudu jalan atau sudu gerak, dimana sudu tersebut dipasamg melingkar melalui rotor sumbu roda turbin. Apabila uap masuk ke dalam sudu lalu menekan sudu-sudu tersebut hingga berputar. Apabila rotor turbin berputar pada kecepatan tinggi maka akan terjadi gaya sentrifugal yang berusaha melepas sudu-sudu rotor dari kedudukannya. Sudu-sudu merupakan bagian utama dari sebuah turbin, di dalam sudu-sudu daya kerja uap harus seekonomis mungkin diubah menjadi kerja keluar. Bentuk atau cara pembuatan sudu yang kurang baik dapat menimbulkan kerugian .

4. Rotor Turbin

Rotor merupakan alat untuk memindahkan kerja yang dihasilkan oleh uap pada sudu-sudu jalan ke poros mesin atau melalui transmisi reduksi roda gigi.

5. Rumah Turbin

Rumah turbin merupakan komponen yang berfungsi untuk membungkus atau menutupi konstruksi turbin uap yang telah selesai dibuat, dengan maksud agar terjaga dari pengaruh luar.

2.6. Dasar Teori Impuls

2.6.1. Prinsip Impuls dan Momentum

Di dalam ilmu fisika ditunjukkan bahwa konsep usaha dan konsep energi tumbuh berdasarkan hukum-hukum gerak newton. Impuls merupakan kosep yang mirip dengan konsep tersebut, yakni juga timbul berdasarkan hukum-hukum tersebut. Dalam ilmu mekanika, impuls pada sutu benda terjadi akibat adanya perubahan momentum benda tersebut dalam selang waktu tertentu. Namun perlu diketahui bahwa impuls diartikan sebagai gaya yang bekerja pada benda dalam waktu yang sangat singkat. Hal ini menjadi dasar persamaan impuls nantinya. Sedangkan momentum suatu benda tersebut dalam fisika didefinisikan sebagai hasil kali massa benda dengan kecepatan gerak benda tersebut. Secara matematis ditulis (Lit.3, hal 214) : P = m.v ...............................................................................................................(2.1) p adalah lambang momentum, m adalah massa benda dan v adalah kecepatan benda. Momentum merupakan besaran vektor, jadi selain mempunyai besar alias nilai, momentum juga mempunyai arah. Besar momentum p = m.v Arah momentum sama dengan arah kecepatan.

Dari persamaan di atas, tampak bahwa momentum (p) berbanding lurus dengan massa (m) dan kecepatan (v). Semakin besar kecepatan benda, maka semakin besar juga momentum sebuah benda. Demikian juga, semakin besar massa sebuah benda, maka momentum benda tersebut juga bertambah besar. Seperti dijelaskan sebelumnya bahwa ada hubungan antara impuls dan momentum. Hubungan tersebut dapat dilihat dari persamaan berikut (Lit.3, hal 214) :

∆

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … … … . . . . . . . . . . . … . . . . . . . . (2.2) F =

∆

Dimana : F = gaya total yang bekerja pada benda

Δ = perubahan momentum

Δ = selang waktu perubahan momentum Jika kita tinjau suatu partikel bermassa m yang bergerak dalam suatu bidang xy dan mengalami gaya resultan F yang besar dan arahnya dapat berubah, maka berdasarkan hukum kedua newton pada setiap saat diperoleh :

F = m. a Jika :

, =

F = .

F.dt = m.dv Kalau v

1 adalah kecepatan ketika t = t 1 dan v 2 adalah kecepatan ketika t = t 2 , maka :

2 ∫ . = ∫ .

. 2 − . 1 = ( 2 − 1) ∫ . =

1 Bila t1 = 0 dan t2 = t, maka :

F.t = m ( v2 – v1 ) F =

̇ = v2 – v1 ………………..………...………….………...……..(2.3)

2.6.2. Asas Impuls Pada Turbin

Pada roda turbin terdapat sudu dan fluida kerja mengalir melalui ruang di antara sudu tersebut. Apabila roda turbin dapat berputar akibat semburan uap, maka ada gaya yang bekerja pada sudu. Gaya tersebut timbul karena terjadinya perubahan momentum dari fluida kerja yang mengalir di antara sudu yang dianggap sangat efektif untuk menghasilkan gaya dorong. Gaya dorong harus lebih besar atau sekurang-kurangnya sama dengan berat turbin dan porosnya, agar turbin dapat berputar dengan lebih ringan. Karena sudu-sudu tersebut dapat bergerak bersama-sama dengan roda turbin, maka sudu tersebut dinamakan sudu gerak. Sebuah roda turbin bisa saja terdapat beberapa baris sudu gerak yang dipasang berurutan dalam arah aliran fluida kerja. Setiap baris sudu terdiri dari sudu-sudu yang disusun melingkari roda turbin, masing-masing dengan bentuk yang sama.

Turbin dengan satu baris sudu gerak dinamai bertingkat tunggal. Sedangkan turbin dengan beberapa baris sudu gerak dinamai turbin bertingkat ganda. Proses fluida kerja mengalir melalui baris sudu yang pertama, kemudian baris kedua, ketiga dan seterusnya. Namun sebelum mengalir ke setiap baris sudu berikutnya, fluida kerja melalui baris sudu yang bersatu dengan rumah turbin. Dan karena sudu tersebut terakhir tidak berputar, sudu tersebut dinamakan sudu tetap, yang berfungsi mengarahkan aliran fluida kerja masuk kedalam sudu gerak berikutnya, sudu pengarah bisa juga disebut sebagai nosel.

Turbin uap adalah mesin rotari yang bekerja karena terjadi perubahan energi kinetik uap menjadi energi mekanis melalui poros turbin. Proses perubahan itu terjadi pada sudu-sudu turbin. Fluida uap dengan energi potensial yang besar berekspansi sehingga mempunyai energi kinetik tinggi yang akan medorong sudu, karena dorongan atau tumbukan tersebut, sudu kemudian bergerak. Proses tumbukan inilah yang dinamakan dengan impuls.

Gambar 2.11. Asas Impuls Pada Sudu TurbinGambar 2.12. Impuls Pada Penampang Vertikal dan Melengkung

2.7. Aliran Uap Melalui Bentuk Penampang Sudu yang Bervariasi

Semburan uap yang mengalir melalui bentuk penampang sudu yang berbeda, ternyata akan menghasilkan gaya dan energi yang berbeda pula. Artinya bentuk dari penampang suatu sudu akan mempengaruhi besar kecilnya energi mekanis yang akan dihasilkan.

Gambar 2.13. menunjukkan prinsip aksi uap pada berbagai bentuk sudu.

Dapat ditunjukkan bahwa gaya Fu yang diberikan oleh uap pada berbagai bentuk sudu dengan kondisi aliran yang serupa, tidak akan sama. Untuk jenis aliran yang berbeda seperti ditunjukkan pada gambar 2.13. gaya-gaya ini dengan mudah dapat dievaluasi.

Gambar 2.13. Prinsip Aksi Uap Pada Berbagai Bentuk Sudu

Misalkan kecepatan awal uap pada sisi keluar nosel untuk ketiga penampang tersebut adalah sama, sama dengan c , tetapi dalam arah yang

1t berbeda sesuai dengan permukaan yang menerimanya.

1. Kasus (a)

Uap dengan kecepatan awal c 1t menubruk benda A dalam arah tegak lurus terhabap permukaan yang menerimanya dan mengalami perubahan arah aliran sebesar 90º sewaktu memencar ke segala arah di permukaan benda tersebut, sehingga proyeksi kecepatan c

2 terhadap arah aksi gaya F 1 sama dengan nol.

Dengan mensubstitusikan kecepatan-kecepatan awal dan akhir uap c 1t dan c

2 , kita akan mendapatkan gaya yang diberikan yang searah dengan kecepatan c 1t

F1 = lt – c

2 )

̇ (c F1 = lt – 0)

̇ (c F1 = lt

̇.c

2. Kasus (b) Dengan mengabaikan kerugian akibat gesekan pada permukaan yang melengkung, akan diperoleh c

2 = - c lt

Jadi gaya F

2 yang bekerja searah dengan kecepatan c 1t dari persamaan (2.3.), akan

sama dengan :

F = c )

2 lt –

̇ (c F

2 = lt c

̇ (c

3. Kasus (c) Dengan tetap mengabaikan kerugian-kerugian pada permukaan sudu seperti pada kasus (b), sekali lagi diperoleh c = - c

2 1t

Dalam hal ini semburan uap pada tempat masuk kepermukaan sudu begitu juga pada tempat keluar dari sudu tidak mengalir dalam arah yang sejajar dengan arah gaya F

3 yang bekerja pada benda tersebut. Maka oleh sebab itu segera

terbukti bahwa pada kecepatan c dan c harus disubstitusikan nilai-nilai proyeksi

kecepatan semburan uap tadi terhadap arah aksi gaya F 3 .

Komponen-komponen kecepatan c 1t dan c

2 yang searah dengan garis aksi

F , dengan demikian adalah sama dengan :

c’ 1t = c 1t

cos α c’

2 = c

cos α Jadi

F = – c’ )

2 1t

̇ ( c’ F

2 = 1t 1 + c

2 1 )

̇ (c cos α cos α Dari ilustrasi-ilustrasi yang diberikan di atas ternyata bahwa gaya maksimum diperoleh untuk kasus (b) dimana semburan uap yang mengalir sepanjang permukaan sudu mengalami pembalikan arah sebesar 180º . Akan tetapi dalam pembuatan turbin uap, aliran uap yang demikian itu tidak mungkin diperoleh, dan oleh sebab itu, seperti yang ditunjukkan pada kasus (c), semburan uap diarahkan dengan suatu besar sudut tertentu, baik dari sisi keluar nosel maupun dari sudu gerak. Akan tetapi sudut kemiringan ini terhadap bidang putar sudu-sudu dibuat sekecil mungkin (lit.1 halaman 16).

2.8. Prinsip Turbin Impuls

Turbin impuls adalah turbin yang mempunyai roda jalan atau rotor dimana terdapat sudu-sudu impuls. Sudu-sudu impuls mudah dikenali bentuknya, yaitu simetris dengan sudut masuk dan sudut keluar yang sama. Bentuk turbin

1 β

impuls pendek dengan penampang yang konstan. Ciri yang lain adalah secara termodinamika penurunan energi terbanyak pada nosel, dimana pada nosel terjadi proses ekspansi atau penuruan tekanan. Sudu-sudu turbin uap terdiri dari sudu tetap dan sudu gerak. Sudu tetap berfungsi sebagai nosel dengan energi kinetik yang naik, sedangkan pada sudu begerak tekanan adalah konstan atau tetap.

Dari karakteristik tersebut, turbin impuls sering disebut turbin tekanan sama. Bentuk dari sudu tetap turbin impuls ada dua macam yaitu bentuk simetris dan bentuk tidak simetris. Pada bentuk sudu tetap simetris, profile kecepatan dan tekanan adalah sama, tidak ada perubahan kecepatan dan tekanan. Sedangkan pada sudu tetap yang berfungsi sebagi nosel mempunyai bentuk seperti nosel yaitu antar penampang sudu membetuk penampang yang menyempit pada ujungnya. Karena bentuknya nosel, kecepatan akan naik dan tekanan turun. Bentuk pertama simetris dipakai pada turbin uap curtis dan bentuk yang kedua dipakai turbin uap rateau.

Gambar 2.14. Sudu Turbin Impuls

Seperti dijelaskan sebelumnya bahwa pada turbin uap agar sudu gerak dapat berputar maka dibutuhkan semburan uap yang akan memberikan dorongan (impuls) pada sudu jalan tersebut. Uap yang disemburkan harus memiliki kecepatan tinggi agar memperoleh energi kecepatan yang besar. Untuk itu maka sebelum memasuki sudu jalan, uap dari ketel harus diekspansikan di dalam nosel atau sudu pengarah.

Gambar 3.5. Aliran Uap Pada NoselGambar 2.15. Aliran Uap Pada Nosel

2.9. Perubahan Energi Thermal Menjadi Energi Kinetis

Gambar 2.16. Saluran Uap Pada Nosel

Bila uap berekspansi melalui orifice yang kecil, akan menghasilkan energi yang seimbang dengan perubahan entalpinya. Energi kinetis diserap oleh sudu- sudu turbin yang akan menghasilkan ekspansi isentropis. Kecepatan uap keluar nosel sangat dipengaruhi oleh besarnya perbandingan tekanan keluar dan tekanan masuk. Dengan hukum kekekalan energi disebutkan bahwa energi sebelum dan sesudah nosel harus sama (Lit 2 hal 93), maka :

1 + + + . = .

2.1000 2.1000

∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (2.4)

; p.v + u = h, maka :

2.1000 2.1000
= ℎ ℎ

1 .

2.1000 2.1000

− ℎ ℎ

= ) + − ℎ ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ ( / )

�2.1000 (ℎ

; Jika c = 0, maka :

= 44,72 ) �(ℎ − ℎ

Dimana c = c , maka

i 1t

c = 44,72

2.10. Transformasi Energi Pada Sudu

Gambar 2.17. Skema Arah Aliran Uap Pada Sudu Turbin Dari proses aliran uap yang melalui nosel atau sudu pengarah hingga keluar dari sudu gerak, dapat dibentuk suatu skema aliran uap. Skema tersebut dapat dilihat berikut ini. c

1 = Kecepatan uap mutlak meninggalkan nosel

u = Kecepatan tangensial sudu w = kecepatan relatif uap masuk sudu

2 = Kecepatan relatif uap meninggalkan sudu

2 = Kecepatan mutlak uap masuk sudu pengarah

= sudut nosel

1 = sudut masuk sudu

2 = sudut keluar fluida

α = sudut keluar sudu sudut keluar fluida

2.11. Analisa Kecepatan Aliran Uap

Analisa kecepatan aliran uap yang melewati suatu sudu dapat digambarkan sebagai berikut :

Gambar 2.19. Arah Kecepatan Uap Pada Sudu-sudu TurbinGambar 2.20. Segitiga Kecepatan Uap Untuk Turbin Impuls Dengan Dua Tingkat Kecepatan

1. Kecepatan aktual uap keluar dari nosel (c ) 1t

c = 44,72 √ ℎ ( / ) ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (2.6)

dimana : Δh = besar jatuh kalor (entalphi drop) (kj/kg)

2. Kecepatan teoritis uap keluar dari nosel (c 1 ) c = c .

( / ) ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (2.7)

1 1t

dimana : φ = koefisien kecepatan pada dinding nosel (0,91 s/d 0,98)

3. Kecepatan tangensial sudu (u) π . n d .

u = (m/det)……………………………….Lit.1, hal 85

60 dimana : d = diameter pada turbin (m) n = putaran poros turbin (rpm)

4. Kecepatan relatif uap masuk sudu gerak pertama (w 1 ) ² ²

w = c u −

₁

5. Kecepatan mutlak radial uap keluar sudu gerak baris pertama (c 1 u)

c = c cos α (m/det)……………...……….…Lit.1, hal 76

_{1 u}

₁

6. Kecepatan mutlak radial uap keluar sudu gerak baris kedua (c u)

c = c cos (m/det)…………………..……..Lit.1, hal 76

_{1 u}

₁

₂

7. Sudut masuk sudu gerak baris pertama 1 ) (β

c sin _q ₁

sin β = (m/det…………….……............Lit.1, hal 34

w ₁

8. Sudut uap keluar dari sudu gerak pertama 2 ) _{o o} (β

β β ₂ = − ( ₁ 3 − 5 ) …………………...........Lit.1, hal 34

u c u w c − + = (m/det)………...……... Lit.1, hal 34

− − = α α (m/det)..………….…… Lit.1, hal 85

5 ' 3 ( ' ₁ ₂ ^{o o}

)

17. Sudut relat uap keluar dari sudu gerak kedua (β’ 2 )

α β = (m/det)…………..…... Lit.1, hal 85

w c

' cos ' ' sin

)

₁

16. Sudut masuk sudu gerak kedua (β’

= (m/det)………….…… Lit.1, hal 85

c c _u

' cos ' ' α

15. Kecepatan pada pelek (rim) menjadi (c’ 1 u) ₁ ₁ ₁

' 2 ' α u c u c w + − + = (m/det)………….....… Lit.1, hal 85

14. Kecepatan relatif uap masuk sudu gerak kedua (w’ 1 ) ₂ ₁ ₂ ₂ ₁ ₁ ' cos . ' .

5 ' 3 ( ₂ ₁ ^{o o}

9. Kecepatan mutlak uap keluar dari sudu gerak pertama (w 2 ) ₁ ₂

)

13. Sudut keluar uap dari sudu pengarah (α’ 1 )

(m/det)…………...…… Lit.1, hal 85 Dimana : ψgb = koefisien kecepatan pada dinding sudu pengarah

' =

ψ ¹ ¹ '

gb c c

. ' c c _gb ψ = (m/det)……………...... Lit.1, hal 85

11. Kecepatan mutlak uap keluar dari sudu pengarah (c 1’ )

2 β

2 ) ₂ ₁ ₂ ₂ ₂ ₂ . cos ' .

10. Kecepatan relatif uap masuk ke sudu pengarah (c

.w w ψ = (m/det)…………...……….… Lit.1, hal 34 Dimana : ψ = koefisien kecepatan pada dinding sudu gerak

− − = β β (m/det) ……………………… Lit.1, hal 85

18. Kecepatan relatif uap keluar dari sudu gerak kedua (w’ )

w ' = ψ . w ' (m/det) …………….... Lit.1, hal 85

₂

₁

19. Kecepatan mutlak uap keluar dari sudu gerak kedua (c’ ) ₂ ₂

2 c ' = w ' u −

2 . w ' u . cos ' (m/det) ...………..…... Lit.1, hal 85 + + ₂ ₂ ₁ β ₂

20. Sudut keluar sudu gerak kedua

2 )

(α’ w ' sin β ' ₂ ₂

sin α = ' (m/det)……..………………... Lit.1, hal 85 ₁

c ' ₁

21. Kecepatan pada pelek (rim) menjadi (c’ 2 u)

c ' = c ' cos α ' (m/det)……………… Lit.1, hal 85

_{2 u}

₂

₁

2.12. Kerugian Energi pada Turbin Uap

Kerugian energi pada turbin adalah pertambahan energi kalor yang dibutuhkan untuk melakukan kerja mekanis pada praktek aktual dibandingkan dengan nilai teoritis yang proses ekspansinya terjadi benar-benar sesuai dengan proses adiabatik. Pada suatu tingkat turbin, jumlah penurunan kalor yang benar- benar dikonversi menjadi kerja mekanis pada poros turbin adalah lebih kecil daripada nilai-nilai yang dihitung untuk tingkat turbin yang ideal. Semua kerugian yang timbul pada turbin aktual [Menurut lit. 1, hal. 59-71] dapat dibagi menjadi dua kelompok utama, yaitu :

1. Kerugian dalam, adalah kerugian yang berkaitan dengan kondisi-kondisi uap sewaktu uap tersebut mengalir melalui turbin. Misalnya : kerugian pada katup-katup pengatur, kerugian pada nosel (sudu pengarah), kerugian kecepatan keluar, kerugian akibat gesekan cakram yang merupakan tempat pemasangan sudu-sudu dan kerugian pengadukan, kerugian akibat ruang bebas antara rotor dan cakram sudu-sudu pengarah, kerugian akibat kebasahan uap, dan kerugian pada pemipaan buang.

2. Kerugian luar, adalah kerugian yang tidak mempengaruhi kondisi-kondisi uap. Misalnya : kerugian mekanis dan kerugian akibat kebocoran uap dari perapat-perapat gland labirin.

2.12.1. Kerugian-kerugian Dalam

1. Kerugian energi pada katub pengatur

Aliran uap melalui katup-katup penutup dan pengatur disertai oleh kerugian energi akibat proses pencekikan (throtling), kerugian ini yang disebut dengan kerugian katup pengatur. Jika tekanan uap masuk adalah Po maka akan terjadi penurunan tekanan menjadi tekan awal masuk turbin Po’. Penurunan tekan a wal (ΔP) diperkirakan sebesar (3 − 5) % dari Po [Menurut Lit.1 hal. 59]. Dimana ΔP = Po – Po’ , pada perencanaan ini diambil kerugian pada katup pengatur sebesar 5% dari tekan masuk turbin atau dapat di tuliskan :

ΔP = 5%Po ……………………………………..............Lit.1 hal 60 Kerugian energi yang terjadi pada katup pengatur ditentukan dengan :

ΔH = Ho –Ho’……………………………………….....Lit.1 hal 59 dimana: Ho = nilai penurunan kalor total turbin

Ho’= nilai penurunan kalor setelah mengalami proses penurunan tekanan akibat pengaturan melalui katup pengatur dan katup penutup yang ditetapkan sebesar 3 – 5% dari Po. jadi tujuan perencanaan kerugian tekanan yaitu sebesar ΔP = 5%Po. Adapun gambar 2.21. menunjukkan proses ekspansi uap melalui mekanisme pengatur beserta kerugian-kerugian yang lainnya yang diakibatkan pencekikan (throttling).

Disebabkan oleh proses pencekikan yang terjadi pada katub pengatur , penurunan kalor yang tersedia pada turbin akan berkurang dari Ho menjadi Ho’ dengan kata lain ada kehilangan energi yang tersedia sebesar H = Ho - Ho’.Besarnya kerugian tekanan akibat pencekikan dengan katub pengatur terbuka lebar dapat diandaikan sebesar 5 % dari tekanan uap segar Po [Lit. 1 hal 59].

kerugian Akibat Pencekikan

2. Kerugian energi pada Nozel (hn)

Kerugian energi dalam nosel adalah dalam bentuk kerugian energi kinetis, dimana besarnya kerugian energi pada nosel disebabkan oleh adanya gesekan uap pada dinding nosel, turbulensi, dan lain-lain. Kerugian energi pada nosel ini dicakup oleh koefisien kecepatan nosel (φ) yang sangat tergantung pada tinggi nosel. Kerugian energi kalor pada nosel dalam bentuk kalor :

Kg kJ c c h ^t _n

/ 2000 ² ¹ ¹ ²

− = ……………..……..............Lit.1 hal 25

Dimana : hn = besarnya kerugian pada nosel c it = kecepatan uap masuk nosel teoritis φ = koefisien kecepatan pada dinding nosel (0,93 s/d 0,98) c

1 = kecepatan aktual uap keluar dari nosel

Untuk tujuan perancangan, nilai-nilai koefisien kecepatan nosel dapat diambil dari grafik yang ditunjukkan pada gambar dibawah ini :

Fungsi Tinggi Nosel

(sumber : Lit.1, hal 61)

3. Kerugian energi pada sudu pengarah ₂ ₂ c − c ₂ ₁ h ' = _gb

kJ/kg)……….Lit.1, hal 64 2000

4. Kerugian energi pada sudu gerak

Kerugian pada sudu gerak dipengaruhi beberapa faktor yaitu : a. kerugian akibat tolakan pada ujung belakang sudu.

Kerugian akibat tumbukan.

Kerugian akibat kebocoran uap melalui ruang melingkar.

Kerugian akibat gesekan.

Kerugian akibat pembelokan semburan pada sudu.

Semua kerugian diatas disimpulkan sebagai koefisien kecepatan sudu gerak ( φ ). Akibat koefisien ini maka kecepatan relatif uap keluar dari sudu w

lebih kecil dari kecepatan relatif uap masuk sudu w 1 . Kerugian kalor pada sudu gerak pertama ₂ ₂

w − w ₁ ₂ h ' = _b

(kJ/kg)…..........Lit.1, hal 85 2000

Kerugian pada sudu gerak baris kedua ₂ ₂

w ' − w ' ₁ ₂ h '' = _b

(kJ/kg)……......Lit.1, hal 86 2000 Dimana : w

1 = kecepatan relatif uap masuk sudu gerak I

2 = kecepatan relatif uap keluar sudu gerak I

w’ = kecepatan relatif uap masuk sudu gerak II

w’

2 = kecepatan relatif uap keluar sudu gerak II

Untuk keperluan rancangan maka fa ktor ψ dapat diambil dari grafik berikut dibawah ini:

Berbagai Panjang dan Profil Sudu

(Sumber : Lit.1, hal 62)

5. Kerugian energi akibat kecepatan keluar ( h ) _e

Uap meninggalkan sisi keluar dari sudu gerak dengan kecepatan mutlak sebesar c . oleh sebab itu sehingga kerugian energi kinetik atau kehilangan energi

akibat kecepatan uap keluar c’

2 tersebut untuk tiap 1 kg uap dapat ditentukan dengar menggunakan rumus seperti dibawah ini. ₂ c ' ₂

(kJ/kg)………..Lit.1, hal 63

h = _e

2000

6. Kerugian energi akibat gesekan cakram

Kerugian gesekan terjadi diantara cakram turbin yang berputar dengan uap yang menyelubunginya. Cakram yang berputar itu menarik pertikel-pertikel yang ada didekat permukaannya dan memberi gaya searah dengan putaran. Sejumlah kerja mekanis digunakan untuk mengatasi pengaruh gesekan dan pemberian kecepatan ini. Kerja yang digunakan untuk melawan gesekan dan percepatan- percepatan partikel uap ini pun akan di konversikan menjadi kalor, jadi akan memperbesar kalor kandungan uap.

Kerugian akibat gesekan cakram dan ventilasi dalam satu kalor dapat ditentukan dari persamaan berikut: 102 Ng _ca

hge . a

4 , 187 = _o (kJ/kg)……….....Lit.1, hal 64 427 . m dimana : _o

= massa aliran uap melalui tingkat turbin (kg/s) Nge.a = daya gesek dari ventilasi cakram ( kW )

Adapun penentuan daya gesek dari ventilasi cakram ini sering dilakuakan dengan memakai rumus berikut : ₁₀ ₄ ₃

−

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Pandangan Umum Tentang Turbin Uap Sebagai Pembangkit Tenaga Turbin uap termasuk mesin pembangkit tenaga dimana hasil konversi energinya dimanfaatkan mesin lain untuk menghasilkan daya. Pada turbin terjadi perubahan dari energi