TUGAS SARJANA TURBIN UAP
PERANCANGAN TURBIN UAP DENGAN TEKANAN MASUK 20 BAR DAN TEMPERATUR 350 OC SEBAGAI
PENGGERAK ALTERNATOR
OLEH :
BAMBANG KURNIAWAN 100421014
PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT atas segala rahmat dan
karunia-Nya yang senantiasa penulis dapatkan, sehingga penulis dapat menyelesaikan
skripsi ini. Tak lupa juga shalawat beriring salam dihadiahkan kepada junjungan kita
nabi Muhammad SAW yang telah menuntun kita semua menuju zaman yang penuh
pengetahuan.
Skripsi ini adalah salah satu syarat untuk dapat lulus menjadi Sarjana Teknik
di Deparetemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun
judul skripsi ini adalah “ Perancangan Turbin Uap Dengan Tekanan Masuk 20 bar
dan Temperatur 350 oC Untuk Sebagai Penggerak Alternator”. Skripsi ini berisikan
perhitungan analisa Thermodinamika dan Performansi, serta dimensi bagian – bagian
dari Turbin Uap yang digunakan oleh Pabrik Pengolahan Kelapa Sawit (PKS) PT.
Perkebunan Nusantara IV (PERSERO) Unit Usaha Kebun Gunung Bayu Kecamatan
Bosar Maligas Kabbupaten Simalungun.
Selama penyusunan skripsi ini, banyak pihak yang membantu penulis untuk
menyelesaikan skripsi ini, sehingga penulis perlu untuk berterima kasih kepada :
1. Bapak Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri dan Ir. Syharil Gultom, MT selaku ketua dan
sekretaris Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Mesin USU.
2. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc selaku dosen pembimbing yang telah banyak
meluangkan waktunya untuk membimbing penulis hingga skripsi ini dapat
diselesaikan.
3. Bapak/Ibu staf pengajar dan pegawai Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik
Mesin USU yang telah banyak membantu dan memberikan ilmu selama penulis
mengikuti masa perkuliahan.
4. Kedua orang tua ayahanda Bapak Pairin dan Ibunda Susi Asmita, serta keluarga
besar penulis yang telah memberikan banyak bantuan materil maupun moril
dalam kehidupan penulis.
5. Seluruh rekan – rekan mahasiswa Teknik Mesin Ekstensi stambuk 2010 USU.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh belum sempurna, dari segi
penulisan maupun teori. Oleh karena itu, kritik dan saran dari pembaca sangat
diharapkan untuk dapat menyempurnakan skripsi ini.
Demikian yang dapat penulis sampaikan, semoga skripsi ini dapat bermanfaat
bagi pembaca pada umumnya dan bagi penulis pada khususnya.
Medan, 10 Oktober 2013
Penulis,
NIM: 100421014 Bambang Kurniawan
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR...i
DAFTAR ISI...ii
BAB I PENDAHULUAN...1
1.1. Latar Belakang...1
1.2. Tujuan Penulisan...2
1.3. Batasan Masalah...3
1.4. Sistematika Penulisan...4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA...5
2.1 Pengertian Turbin...5
2.2 Sejarah Turbin Uap...6
2.3 Klasifikasi Turbin Uap...8
2.4 Prinsip Kerja Turbin Uap...11
2.5 Diagram Kecepatan Uap...15
2.6 Siklus Turbin Uap...17
2.7 Prinsip Kerja Turbin Uap...19
BAB III METODE PENULISAN SKIPSI...21
3.1 Tempat dan Waktu ...21
3.2 Metode Penyusunan Skripsi...21
BAB IV PERENCANAAN TURBIN UAP...24
4.1 Perencanaan Spesifikasi Turbin Uap...24
4.2 Hasil Survey Penggunaan Energi Listrik...24
4.3 Keadaan Uap Dalam Katub...25
4.4 Perencanaan Daya Turbin...28
4.5 Perencanaan dan Perhitungan Sudu Baris I...29
4.6 Perencanaan dan Perhitungan Sudu Pada Baris II...34
4.7 Analisa Kerugian Energi Kalor...37
4.8 Head Drop...40
4.9 Perencanaan Nozle dan Blade...42
4.10 Pemilihan Jenis Nozle...42
4.11 Perhitungan Ukuran Nozle...44
4.12 Perhitungan Ukuran Sudu – Sudu...46
4.13 Perhitungan Kekuatan Blade...54
4.14 Material Blade...62
4.15 Perhitungan Karangan Sudu...63
4.16 Perencanaan Disc...68
4.17 Perhitungan Tegangan Pada Bagian Disc...69
4.18 Perencanaan Poros...70
4.19 Defleksi Lenturan Statis Poros (fo)...74
4.20 Seal Labyrint...77
4.21 Material dan Rumah Turbin...78
4.22 Konstruksi Rumah Turbin...78
4.23 Perencanaan Bantalan...80
4.24 Pemilihan Bantalan...81
4.25 Bahan Bantalan...81
4.26 Perhitungan Bantalan Radial...82
4.27 Perhitungan Bantalan Aksial...84
4.28 Pelumasan...86
4.30 Koefisien Gesek (f)...88
4.31 Tinggi Film Minyak Pelumas (h)...89
4.32 Gaya Gesek Pada Bantalan (Ar)...89
4.33 Panas Pada Pelumasan (Ør)...90
4.34 Pelumasan Bantalan Aksial...91
4.35 Governors...94
4.36 Effisiensi Thermal Siklus Uap Ideal Rankine...99
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN...104
5.1 Kesimpulan...105
5.2 Saran...106
LITERATUR...107
LAMPIRAN...108
BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang
Mengingat saat ini energi listrik menjadi kebutuhan yang sangat vital bagi
kesejahteraan manusia yang bukan saja digunakan untuk penerangan namun
digunakan juga untuk penggerak mesin-mesin, dari mobil sampai Bull Dozer
semuanya memerlukan energi listrik.
Potensi komersial energi listrik di masyarakat saya kira sangat menggiurkan
bagi orang-orang yang ingin meningkatkan masalah finansial.
Sebagai seorang calon Sarjana, yang telah dibekali ilmu pengetahuan Penulis
merasa tertantang untuk mendalami Perpormance dan dimensi Turbin Uap beserta
elemen-elemennya.
Ketika melakukan kerja praktek di PTPN IV. Persero. Unit Usaha Kebun
Gunung Bayu. Bosar Maligas, Simalungun Penulis mendapat informasi dari Manager
Pabrik bahwa terjadi peningkatan kebutuhan listrik pada masyarakat PTPN IV.
Persero. Unit Usaha Kebun Gunung Bayu. Bosar Maligas, Simalungun dikarenakan
peningkatan penduduk dan peningkatan penerangan jalan, karena itu Penulis mencoba
merancang ulang Turbin Uap tetapi dengan Daya yang lebih besar dari yang ada saat
ini yaitu dari 704 kW menjadi 1250 kW atau ditingkatkan sebesar 56,32 % sebagai
solusi alternatif kebutuhan listrik dimassa yang akan datang.
Keanekaragaman sumber daya alam dunia yang begitu melimpah ruah yang
diberikan oleh Allah SWT memiliki banyak manfaat bagi manusia dan tidak ada yang
sia-sia, karena dunia Allah ciptakan untuk manusia tetapi manusia diciptakan untuk
Allah SWT. Oleh karena itu kita harus mensyukuri nikmat yang telah Allah
berikan, salah satunya dengan memanfaatkan segala materi yang ada di alam ini,
karena di dalam setiap materi memiliki energi yaitu energi dalam (U) oleh karena itu
terpikir oleh Penulis untuk memanfaatkan energi fluida berupa air untuk
menghasilkan energi listrik, dengan mengkonversikan air menjadi uap yang memiliki
tekanan dan temperatur tinggi dan mengkonversikan energi potensial fluida menjadi
energi kinetik dan menjadi energi mekanik untuk pendorong roda turbin sebagai
penggerak Alternator.
1.2. Tujuan Penulisan
Tujuan umum skripsi ini adalah merancang ulang Turbin Uap dengan tekanan
20 Bar dengan temperatur uap 350 0 C dengan Daya 1250 kW .
Tujuan khusus skripsi ini adalah mengetahui kecepatan aliran fluida pada sudu
gerak dan tetap, nozzle, perencanaan nozzle, sudu, disc, poros, bantalan, pelumasan
dan lain-lainnya yang dianggap penting.
Menjadi manusia yang banyak bermanfaat untuk kebaikan adalah suatu
kebanggaan bagi diri saya, karena itu saya merancang sebuah mesin turbin uap
sebagai penggerak alternator untuk menghasilkan energi listrik yang dapat mensuplai
kebutuhan listrik di pabrik pengolahan Kelapa Sawit (PKS) dan kebutuhan listrik
masyarakat sekitarnya.
Data-data yang Penulis dapat dari hasil survey berupa daya 704 KW dan
putaran 3000 rpm pada tekanan masuk turbin 20 Bar pada temperatur 350oC, tetapi
dikarenakan adanya perkiraan peningkatan kebutuhan listrik dimasa yang akan datang
seperti peningkatan jumlah penduduk, penerangan jalan dan lainnya maka dari itu
penulis coba merancang ulang Turbin Uap berdaya 1250 kW pada
putaran 3000 rpm dengan tekanan masuk dan temperatur yang sama dan penulis
jadikan tantangan untuk merealisasikannya.
Dan tujuan akhir dari penulisan ini adalah untuk mencari dimensi serta
kekuatan setiap elemen dari mesin turbin uap ini sendiri.
1.3. Batasan Masalah
Keterbatasan waktu yang begitu singkat rasanya tidak mungkin penulis
merancang seluruh elemen dan accessories mesin turbin uap secara detail disebabkan
limit waktu yang telah ditentukan oleh Fakultas dan penulis harus secepatnya
menyelesaikan tugas sarjana sebagai syarat menjadi Sarjana di Fakultas Teknik USU.
Karena itu penulis hanya merancang daya turbin dan elemen-elemen pentingnya saja
seperti blade, nozzle, poros, dan bantalan saja sedangkan yang lainnya tidak begitu
detail.
1.4. Sistematika Penulisan
Dalam menyusun skripsi ini penulis mensistematikakan skripsi ini sebagai berikut:
BAB I Pendahuluan berisikan Latar Belakang, Tujuan Penulisan ... , Batasan
Masalah, dan Sistematika Penulisan.
BAB II Tinjauan Pustaka berisikan, Pengertian Turbin, Sejarah Turbin Uap,
Klasifikasi Turbin Uap dan Prinsip Kerja Turbin Uap.
BAB III Perencanaan Daya Turbin berisikan Perencanaan Spesifikasi Turbin Uap,
Hasil Survey Kebutuhan Energi Listrik, Keadaan Uap dalam Katup, Perencanaan
Daya Turbin, Perencanaan dan Perhitungan Sudu Baris I,
Perencanaan dan Perhitungan Sudu Baris II, Kerugian Energi Kalor, Head Drop yang
Berguna pada Turbin.
Dan Bab-bab berikutnya berisikan rancangan elemen-elemen Turbin Uap dan sampai
pada kesimpulan dan saran.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
II.1. Pengertian Turbin
Turbin adalah salah satu mesin pengerak dimana mesin tersebut merupakan
pesawat konversi, untuk mengkonversikan energi potensial fluida menjadi energi
kinetis dan kemudian dirubah lagi menjadi energi gerak. Berdasarkan fluida yang
digunakan, maka turbin terbagi atas tiga bagian :
- Turbin Air
- Turbin Uap
- Turbin Gas
Dari ketiga turbin diatas ditemui beberapa persamaan antara lain :
1. Nozzle berfungsi untuk merubah energi potensial fluida menjadi energi kinetik.
2. Moving Blade berfungsi untuk merubah tenaga kinetik menjadi tenaga mekanik.
3. Disc Blade berfungsi untuk meneruskan tenaga dari moving blade ke poros,
dimana moving terpasang kuat pada disc.
4. Poros berfungsi untuk meneruskan daya dari disc untuk dipergunakan
selanjutnya.
5. Rumah Turbin berfungsi untuk tempat rotor dan perlengkapan lainnya.
Turbin berasal dari bahasa latin, yang asal katanya turbo artinya berputar.
Turbin uap adalah pesawat tenaga yang bekerja merubah energi potensial (berupa
energi panas uap) menjadi energi listrik mekanik pada poros turbin sebelum
dikonversikan menjadi energi mekanik, terlebih dahulu dikonversikan menjadi energi
kinetik dalam nozzle (pada turbin implus), atau dalam nozzle dari sudu-sudu pada
turbin reaksi.
Ide untuk membuat turbin sudah lama sekali, ini ternyata dari hasil karya
seorang Alexandria yang bernama Hero. Dimana Ia telah membuat turbin reaksi pada
tahun 120 sebelum Masehi seperti gambar 2.1.
Gambar 2.1. Hero’s Engine
Selang beberapa abad yaitu pada tahun 1629, Geovani Beranca membuat pula
sebuah turbin yang bentuknya sangat sederhana dan lebih praktis dari buatan Hero
seperti yang ditunjuakn pada gambar 2.2.
Gambar 2.2. Branca’s Engine
Kemudian menyusul pula nama Polikanp Zalesop yang membuat turbin pada
tahun 1806-1813 dan kemudian sampai tahun 1830 pekerja-pekerja Nizny juga
dikalangan teknologi namun bagaimanapun juga mereka itu perintis dalam dunia
turbin uap.
Setelah pada tahun 1838 seorang insinyur berkebangsaan Swedia yang bernama
Dr. Gustav De Laval membuat turbin dari jenis “Single Stage Impulse Turbine and
Single Disc” dengan daya 5 Hp, yang kemudian dikenal De Laval. Setahun kemudian
yaitu pada tahun 1884 seorang berkebangsaan Inggris C.A Persons.
Dalam tahun 1900 Impulse Principle dari Single Stage De Laval berkembang
menjadi Multi Stage dimana di Swedia dipelopori oleh Zoelly, sedangkan di Prancis
dipelopori oleh Rateu, yang kemudian dikenal dengan Turbin Zoelly dan Turbin
Rateu.
Turbin Rateu ini adalah sebuah turbin yang terdiri dari beberapa buah turbin De
Laval yang dipasang atau digabung seri pada sebuah sumbu poros turbin sehingga
turbin akan mempunyai beberapa tingkat tekanan dan setiap tingkat tekanan terdiri
dari satu tingkat kecepatan.
Kemudian pada tahun itu juga seorang Sarjana Amerika yang bernama Curties
membuat pula sebuah turbin Impulse dengan prinsip tekanan tunggal dan tingkat
kecepatan ganda. Akhirnya pada tahun 1910 menyusul pula Ljungstrom membuat
sebuah turbin dengan prinsip radial reaksi seperti yang ditunjukan pada gambar 3.3.
Gambar 2.3. Prinsip kerja Turbin Ljungstrom
II.3. Klasifikasi Turbin Uap
Turbin uap dapat diklasifikasikan dalam beberapa kategori yang berbeda,
tergantung kepada :
- Konstruksinya
- Proses penurunan kalor
- Arah aliran
- Kondisi awal dan akhir uap dalam pemakaian
Menurun aliran uap masuk turbin dapat dibagi menjadi:
a. Turbin Axial, dimana pada turbin ini arah uap mengalir sejajar terhadap sumbu
poros turbin. Prinsip konstruksinya dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
Gambar 2.4. Turbin Aksial
b. Turbin Radial, dimana pada turbin ini arah aliran uap tegak lurus terhadap
sumbu poros dari turbin. Turbin ini terbuat dari dua sudu dan
dua poros dimana putaran poros keduanya dalam arah yang berlawanan sehingga
kedua poros ini dapat melayani dua macam pembebanan. Prinsip konstruksinya
dapat dilihat pada gambar berikut ini.
Gambar 2.5. Turbin radial
Menurut jumlah tekanan maka turbin uap dapat dibagi atas :
a. Single stage impulse Turbin dngan satu atau dua tingkat tekanan, turbin
ini umumnya dipakai untuk daya yang besar.
b. Multi Stage Implus and Reaction Turbin, turbin ini menghasilkan daya
yang bervariasi mulai dari daya yang kecil sampai daya yang besar.
Menurut proses penurunan kalor, maka turbin uap dapat terbagi atas :
a. Turbin kondensasi dengan regenator
b. Turbin kondensasi dengan satu atau dua peceratan
c. Turbin tekanan lawan
d. Turbin tekanan rendah.
e. Turbin tekanan campuran
Menurut kondisi atau tekanan uap masuk, maka turbin ini dapat terbagi atas :
a. Turbin tekanan rendah, yaitu sebesar 1,2 – 2 ata
b. Turbin tekanan tinggi, yaitu sebesar 2-40 ata
c. Turbin tekanan sangat tinggi, 100-170 ata dan temperatur yang
dibutuhkan 550oC.
d. Turbin tekanan super kritis, mencapai tekanan 225 ata.
Menurut tempat pemakaiannya di bidang industry, maka turbin dapat dibagi atas :
a. Turbin Stationer dengan putaran yang konstan yang dipakai untuk
penggerak alternator.
b. Turbin Stationer dengan putaran yang bervariasi yaitu dipakai pada kapal,
kereta api dan lain-lain.
Menurut sistem kerja turbin dapat dibagi atas beberapa bagian yaitu :
a. Turbin impulse atau turbin aksi atau juga disebut turbin tekanan rata,
dimana perubahan energi potensial menjadi tekanan kinetik hanya terjadi
pada nozzle, sedangkan pada moving blade tekanan dan volume tetap.
b. Turbin reaksi, pemuaian uap terjadi pada nozzle maupun pada moving
blade, contohnya turbin Person dan turbin Ljungstorm.
c. Turbin kombinasi, biasanya susunan turbin impulse di depan dan turbin
reaksi di belakang. Contoh turbin kombinasi :
• Tubin Curtis dengan turbin person. • Turbin Curtis dengan turbin Zoelly.
• Turbin delaval dengan turbin person.
Menurut gabungannya maka turbin dapat dibagi atas :
a. Gabungan kecepatan (velocity compounding)
Konstruksinya terdiri dari satu cakra dengan beberapa buah sudu
pengarah, sesuai dengan jumlah sudu gerak. Gambarnya dapat dilihat
seperti berikut :
b. Turbin dengan gabungan tekanan atau pressure compounding.
Turbin ini dibuat dari beberapa buah nozzle diikuti dengan beberapa buah
sudu jalan.
II.4 Prinsip Kerja Turbin Uap
Pada roda turbin terdapat sudu dan fluida kerja mengalir melalui ruang diantara
sudu tersebut, apabila kemudian ternyata bahwa roda turbin dapat berputar, maka ada
gaya yang bekerja pada sudu. Gaya tersebut timbul karena terjadinya perubahan
momentum dari fluida kerja yang mengalir diantara sudunya.
Jadi sudu haruslah dibuat sedemikian rupa sehingga dapat menjadi perubahan
momentum pada fluida kerja tersebut, hal ini akan dijelaskan pada gambar berikut ini.
Gambar 2.7. Roda turbin
Dari gambar 2.7 penampang roda turbin akan dijelaskan lagi irisan sudu-sudu
pada suatu jarak tertentu dari suatu sumbu poros turbin. Gambar tersebut dapat
dilukiskan seperti pada lukisan berikut ini.
Gambar 2.8. Tekanan uap masuk dan keluar
Untuk mempermudah penganalisaan, maka pertama-tama diadakan beberapa
idealisasi sebagai berikut :
a. Aliran dianggap steady, uniform dan satu dimensi.
b. Tidak ada benda lain diantara sudu-sudu.
c. Pengaruh gravitasi ditiadakan.
Kemudian uap ditinjau dari ruang antara dua sudu-sudu yang berdekatan. Seperti
pada gambar 2.8 dimana perubahan momentum uap persatuan waktu (M) lalah :
M = G/g . c
Dan gaya tekannya (Fp) ialah :
Fp = p . A
Dimana:
G = bayak uap mengalir persauan waktu
C = kecepatan absolut dari fluida kerja
g = garvitasi
p = tekanan fluida kerja
A = luas penampung saluran uap
l/e = menyatakan keluar dan masuk sudu
R = gaya reaksi sudu terhadap uap Maka gaya yang bekerja pada uap dan
menyebabkan terjadinya perubahan mementum adalah sebagai berikut:
R + (Fpi + Fpe) = Me-M1 sehingga gaya reaksi sudu
terhadap uap adalah :
R = (Ms-M1)-(Fpi + Fpe) Hukum Newton III menyatakan bahwa aksi = reaksi, oleh
karena itu gaya dari fluida kerja atau uap ialah :
F = -R = -(Me-M1) + (FpI + Fpe) F = G/g (ci - ce) + (pi .Ai+ Pe - Ae )
Apabila (Fr, - Fpe) = 0 atau sangat kecil diandingkan dengan (Me – Mi), maka:
F = G/g (c, - ce)
Dimana kecepatan c dan gaya F serta kecepatan c, dan ce masing-masing dapat
diuraikan menjadi dua komponen yaitu :
Fu = gaya tangebsial sejajar dengan kecepatan roda turbin. Fa =
gaya aksial sejajar dengan sumbu roda turbin.
F = Fu + Fa
ci = ciu + cia
ce = ceu + cia
dimana:
u dan e menyatakan arah tangensial dan arah aksial maka akibat dari :
F = G/g (ci- ce) - G/g . cu
F = G/g (ciu – ceu)
Gaya-gaya tersebut dilukiskan pada halaman dimana akan terlihat Fu adalah gaya
yang menyebabkan roda turbin berputar dan menghasilkan daya. Oleh karna itu sudu
harus dibuat sedimikian rupa. Sehingga diperoleh (ciu – ceu) yang besar. Sedangkan Fa
adalah gaya yang aksial yang harus ditahan oleh bantalan, maka harus dibuat sekecil
mungkin.
Tetapi hal tersebut diatas tidak dapat dilaksanakan begitu saja, oleh karena
pembelokan fluida yang terlalu tajam dan saluran sudu yang terlalu panjang sehingga
akan mengakibatkan kerugian-kerugian energi yang lebih besar, maka usaha tersebut
diatas ada batasnya.
Dengan berputarnya roda turbin jelaslah bahwa fluida kerja yang mengalir melalui
ruang antara sudu yang berputar, oleh sebab itu kecepatan absolud fluida kerja (c)
adalah kecepatan keliling tangrnsial (u) dari sudu ditambah kecepatan relatif (v) dari
uap yang masuk.
Kecepatan relatif (v) adalah kecepatan uap yang kita lihat apabila benda berada
bersama-sama sudu yang bergerak dari luar turbin tidak berputar .
cos cos
Sedangkan kecepatan absolut adalah krcrpatan fluida kerja yang kita lihat dari turbin,
sedangkan besarnya kecepatan keliling atau tangensial dari sudu adalah:
u = π.D.n
dimana D adalah diameter roda turbin dan n adalah putarn poros.
Gambar 2.9. Kecepatan fluida masuk dan keluar
Untuk turbin aksial kecepatan tangensial masuk (ui) = kecepatan uap keluar (ue) +
kecepatan keliling rat-rata (u) seperti terlihat pada gambar 2.9 diatas.
II.5. Diagram Kecepatan Uap
Berdasarkan persamaan berikut:
c = u + v
c = ui + vi
c = ue + ve
u = π.D.n
ui = ue = u
maka diagram kecepatan fluida dapat digambarkan sebagai berikut:
Gambar 2.10. Diagram kecepatan (c = u + v)
ciu = uiu + u
ceu = ueu + u
sehingga dengan mengurangi ciu dan c maka diperoleh:
cu = ueu + veu
= viu + veu
dari persamaan sebelumnya diperoleh:
F = G/g (ciu - ceu)
dapat pula ditulis dengan rumus:
Fu = G/g (ciu - ceu) = F = G/g (viu - veu)
Dimana:
ciu = ci cos ᴓ
ceu = ce cos ᴓ
viu = vicos βi
viu = vecos βe
II. 6. Siklus Turbin Uap
Siklus Renkine setelah diciptakan langsung diterima sebagai standar untuk
pembangkit daya yang menggunakan uap (steam ). Siklus Renkine nyata yang
digunakan dalam instalasi pembangkit daya jauh lebih rumit dari pada siklus renkine
ideal asli yang sederhana. siklus ini merupakan siklus yang paling banyak digunakan
untuk pembangkit daya listrik sekarang ini. Oleh karena siklus Rankine merupakan
sikus uap cair maka paling baik siklus itu digambarkan dengan diagram P-v dan T-s
dengan garis yang menunjukkan uap jenuh dan cair jenuh. Fluida kerjanya adalah air
(H2O).
Turbin Uap adalah salah satu komponen dasar dalam pembangkit listrik
tenaga uap. Dimana komponen utama dari sistem tersebut yaitu : Ketel,
kondensor, pompa air ketel, dan turbin itu sendiri. Uap yang berfungsi sebagai fluida
kerja dihasilkan oleh katel uap, yaitu suatu alat yang berfungsi untuk mengubah air
menjadi uap.
Gambar 2.11. Siklus rankine
Siklus ideal yang terjadi didalam turbin adalah siklus Renkine ; Air pada siklus 1
dipompakan, kondisinya adalah isentropik s1 = s2 masuk ke boiler dengan tekanan
yang sama dengan tekanan di kondenser tetapi Boiler menyerap panas sedangkan
kondenser melepaskan panas, kemudian dari boiler masuk ke turbin dengan kondisi
super panas h3 = h4 dan keluaran dari turbin berbentuk uap jenuh dimana laju
aliran massa yang masuk ke turbin sama dengan laju aliran massa keluar dari turbin,
ini dapat digambarkan dengan menggunakan diagram
T-s berikut:
Menurut Hukum pertama Thermodinamika, kerja yang dihasilkan oleh suatu
proses siklus adalah sama dengan Jumlah Perpindahan Kalor pada fluida kerja selama
proses siklus tersebut berlangsung. Jadi untuk proses Siklus
1 – 2 – 2’ – 3 – 3’ – 4 – 1
Dengan rumus:
W = φ T dS
W = Kerja per satuan berat fluida kerja
Ds = Luas 1 – 2 - 2 – 2’ – 3 – 4 - 1 pada diagaram ( T – s )
Dalam kenyataan Siklus sistem Turbin Uap menyimpang dari Siklus Ideal
(Siklus Rankine ) antara lain karena faktor tersebut dibawah ini :
1. Kerugian dalam pipa atau saluran fluida kerja, misalnya kerugian gesekan
dan kerugian kalor ke atmosfer disekitarnya .
2. Kerugian tekanan dalam ketel uap
3. Kerugian energi didalam turbin karena adanya gesekan pada fluida kerja dan
bagian-bagian dari turbin.
II.5. Prinsip Kerja Turbin Uap
Secara singkat prinsip kerja turbin uap adalah sebagai berikut :
1. Uap masuk kedalam turbin melalui nosel. Didalam nosel energi panas dari uap
dirubah menjadi energi kinetis dan uap mengalami pengembangan.
Tekanan uap pada saat keluar dari nosel lebih kecil dari pada saat masuk ke
dalam nosel, akan tetapi sebaliknya kecepatan uap keluar nosel lebih besar dari
pada saat masuk ke dalam nosel.
Uap yang memancar keluar dari nosel diarahkan ke sudu-sudu turbin yang
berbentuk lengkungan dan dipasang disekeliling roda turbin. Uap yang mengalir
melalui celah-celah antara sudu turbin itu dibelokkan kearah mengikuti
lengkungan dari sudu turbin. Perubahan kecepatan uap ini
menimbulkan gaya yang mendorong dan kemudian memutar roda dan poros
2. Jika uap masih mempunyai kecepatan saat meninggalkn sudu turbin berarti
hanya sebagian yang energi kinetis dari uap yang diambil oleh sudu-sudu turbin
yang berjalan. Supaya energi kinetis yang tersisa saat meninggalkan sudu turbin
dimanfaatkan maka pada turbin dipasang lebih dari satu baris sudu gerak.
Sebelum memasuki baris kedua sudu gerak. Maka antara baris pertama dan
baris kedua sudu gerak dipasang satu baris sudu tetap ( guide blade ) yang
berguna untuk mengubah arah kecepatan uap, supaya uap dapat masuk ke baris
kedua sudu gerak dengan arah yang tepat.
3. Kecepatan uap saat meninggalkan sudu gerak yang terakhir harus dapat dibuat
sekecil mungkin, agar energi kinetis yang tersedia dapat dimanfaatkan sebanyak
mungkin. Dengan demikian effisiensi turbin menjadi lebih tinggi karena
kehilangan energi relatif kecil.
BAB III
METODE PENULISAN SKRIPSI
III.1. Tempat dan Waktu
Dalam menyelesaikan skripsi ini menggunakan tempat dan waktu seperti
ditunjukan pada tabel 3.1 berikut ini.
No. Kegiatan Instansi Pendukung Keterangan
1. Survey data turbin uap PTPN IV. Persero. Unit Usaha Kebun Gunung Bayu. Bosar Maligas, Simalungun
Tekanan uap masuk turbin 20 Bar, temperatur 3500 C
2. Bimbingan Skripsi Fakultas Teknik Universitas Sumatera utara (USU) Medan
3. Sumber Landasan teori Perpustakaan Universitas Sumatera utara (USU) Medan, PTPN IV, Google Searching
4.
Tabel 3.1. Kegiatan dan tempat penyusunan skripsi
Waktu yang digunakan dalam menyelesaikan skripsi ini diperkirakan satu
semester.
III. 2. Metode Penyusunan Skipsi
Metode perancangan yang penulis terapkan disini ialah pertama-tama
pengumpulan data-data hasil survey yang meliputi kebutuhan energi listrik di setiap
stasiun pabrik, kantor, dan perumahan karyawan yaitu + 704 KW tetapi dalam
perancangan ini dirancang turbin yang dapat menghasilkan daya 1250 KW karena
diperkirakan perkebunan akan menambah areal tanaman, bekerjasama dengan petani
swasta lain yang tentunya akan membutuhkan energi yang lebih besar.
Data-data yang telah diperoleh kemudian disubstitusikan kedalam rumus-rumus
perancangan mesin yang terdapat didalam literatur yang kemudian diperiksa dan
diteliti lagi oleh Dosen Pembimbing yang kemudian hasilnya dibandingkan dengan
mesin-mesin pabrik yang telah ada.
Penulisan ini di perkirakan akan terdiri dari sepuluh Bab yang dimulai dari
Pendahuluan yang menerangkan latar belakang penulisan, tujuan penulisan,
pembatasan masalah, serta sistematika penulisan.
Pada Bab II penulis menghimpun tinjauan pustaka yang menerangkan
pengertian, sejarah, klasifikasi, serta prinsip kerja mesin turbin. Setelah mengenalkan
ruang lingkup turbin barulah penulis menentukan perencanaan daya, putaran, dimensi
dan kekuatan sudu baris satu dan dua, analisa kerugian kalor dan head drop yang
berguna pada turbin.
Dari hasil perhitungan kecepatan uap memasuki dan keluar nozzle melalui
rumus-rumus yang terdapat di dalam literatur penulis dapat menentukan pemilihan
Nozzle, dimensi, bahan, karangan Sudu, kekuatannya, gaya-gaya yang mempengaruhi
Disc, perencanaan Disc dan tegangan yang terjadi pada Disc yang akan ditulis di
dalam Bab III.
Pada Bab IV didalamnya akan membahas faktor-faktor yang menyebabkan
defleksi pada poros akibat beban dan putaran turbin serta pencegahan pengeluararn
uap dari kebocoran dari selah-selah poros dan elemen lainnya.
Pada Bab V akan berisikan perencanaan bantalan, pemilihan bantalan, bahan
bantalan, dimensi bantalan, serta kekuatannya. Kemudian pada Bab VI akan
membahas jam kerja, koefisien gesek tinggi film minyak gaya gesek, panas yang
terjadi dan beban dari bantalan dalam bab ini penulis dapat menentukan kebutuhan
minyak pelumas yang akan terpakai.
Kemudian pada bab-bab selanjutnya penulis menerangkan sedikit aksesoris-aksesoris
yang digunakan pada turbin uap seperti governor dan rumah turbin. Dan yang
terakhir ialah mengenai kesimpulan dan saran serta literatur dan lampiran.
BAB IV
PERENCANAAN TURBIN UAP
IV.1. Perencanaan Spesifikasi Turbin Uap
Untuk mendapatkan data-data dari turbin uap yang akan direncanakan, penulis
akan menguraikan spesifikasi turbin uap. Adapun turbin yang dirancang adalah :
Turbin Implus dengan satu tingkat tekanan dan dua tingkat kecepatan (Turbin Implus
Aksi).
Jenis turbin tersebut sesuai dengan jenis yang digunakan di pabrik kelapa
sawit PTPN IV. Persero. Unit Usaha Kebun Gunung Bayu. Bosar Maligas,
Simalungun. Dari data spesifikasi tugas yang diberikan pada penulis yang
merencanakan sebuah turbin untuk penggerak Generator Listrik dengan kapasitas
1250 KW dengan putaran 3000 rpm.
IV.2. Hasil Survey Penggunaan Energi Listrik
Energi listrik yang digunakan pada lingkungan pabrik ini meliputi 14 stasiun.
Masing-masing stasiun pabrik itu antara lain ialah :
1. Boiler/Water Treatment : 194 KW
Jumlah keseluruhan daya yang dibutuhkan dari 14 stasiun tersebut adalah
643,4 KW. Untuk mengatasi kerugian pada jaringan, maka pada generator
direncanakan lebih besar 10%, maka daya pada generator ialah : 643,4 x 1,1 = 704 KW.
Dari dua data tersebut di atas belum cukup untuk merencanakan sebuah
adalah tempat penulis melakukan Kerja Praktek (KP), data ini sesuai dengan data
operasinya.
Data-data tersebut antara lain ialah :
- Temperatur uap masuk = 350oC
- Tekanan uap masuk turbin = 21 kg/cm2
- Tekanan uap keluar turbin = 3 kg/cm2
Sehingga dengan menggunakan diagram mollier dapat diperoleh enthalpy uap
pada titik Ao dengan menarik tekanan di dapat Io = 750 kkal/kg. Untuk uap pada kondisi
Ao adalah uap sebelum masuk katub pengatur. Sehingga untuk uap pada titik Ait dengan
tekanan P1 = 3 kg/cm2, di dapat ilt = 650 kkal/kg. Sehingga penurunan uap secara
isentropis adalah :
H0 = i0 - Ilt
= 750 – 650
= 100 kkl/kg
IV.3 Keadaan Uap Dalam Katub
Keadaan uap dalam katub sebelum memasuki nozzle terlebih dahulu uap
dialirkan melalui pipa dan katub pengatur. Sehingga dalam hal ini kerugian dapat
diperhitungkan. Untuk penurunan dalam katub diperkirakan sebesar :
∆P’ = 0,03 – 0,05 Po ..……… 4.1
Diambil : 0,05 Po
Maka :
∆P’ = 0,05 . 21 kg/cm2
= 1,05 kg/cm2
Sehingga tekanan uap masuk nozzle ialah :
Po’ = Po - ∆P
= 21 – 1,05
= 19,95 kg/cm2 (digenapkan)
Dengan demikian dari diagram i-s (diagram mollier) pada halaman dapat
dilihat bahwa Ao dipindahkan ke Ao’ dengan enthalpy sebesar io = 750 kkal/kg,
kondisi uap Ait dengan tekanan 3 kg/cm2 dari diagram moiller di dapat ilt = 668,2
kkal/kg.
Sehingga penurunan enthalpy uap masuk nozzle ialah :
Ho’ = io’ – iit’
= 750 – 668,2
= 81,8 kkal/kg
IV.4 Perencanaan Daya Turbin
Hubungan daya generator dengan efisiensi generator terhadap daya turbin uap
(daya poros) adalah sebagai berikut :
Ne =
g g η N
Dimana :
Ng = Daya generator = 1250 kw
ηg = Effisiensi generator = 0,95
Jadi :
Ne =
0,95 1250
= 1315,8 kw
karena putaran di kopel langsung, maka effisiensi kopling 100%, jadi n = 3000 rpm.
Gambar 4.2 Effisiensi generator
Daya turbin sebelum dan sesudah kopling ialah sama, Ne = 1315,8 kw. Daya
inilah yang harus dibangkitkan oleh turbin.
Jadi dapatlah dituliskan spesifikasi perencanaan sebagai berikut :
- Daya turbin = 1315,8 kW
- Putaran turbin = 3000 rpm
- Daya generator = 1250 kW
- Putaran generator = 3000 rpm
Kondisi uap masuk turbin :
- Tekanan uap masuk turbin = 20 kg/cm2
- Temperatur uap masuk turbin = 350oC
- Tekanan uap keluar turbin = 3 kg/cm2
- Temperatur uap keluar turbin = 135oC
Uap bekas dari turbin dipergunakan untuk proses lain, misalnya untuk
keperluan perebusan buah kelapa sawit dan keperluan lainnya.
IV.5 Perencanaan dan Perhitungan Sudu Baris I
Dimana pada Pasal IV.2 telah diketahui bahwasannya enthalpy Ho’ = 81,8 kkal/kg.
Kecepatan uap meninggalkan nozzle ialah :
cit = 91,5 .
' o
H ………..4.3
= 91,5 . 18,8
= 91,5 . 9,04
= 827,16 m/det
kecepatan uap aktual meninggalkan nozzle ialah :
ci = ϕ . cit ………..……….4.4
u/ci ditentukan berdasarkan jumlah baris cakra, maka :
- untuk cakra dua baris,
u/ci = 0,10 – 0,13 ………..………4.5
- untuk cakra tiga baris,
u/ci = 0,05 – 0,20 ……….………4.6
Untuk turbin implus dengan dua tingkat kecepatan berdasarkan dari sudut
nozzle dan perbandingan antara kecepatan tangensial dengan aktual yang dianjurkan
adalah :
α1 = 16o – 22o
u/c1 = 0,20 – 0,25
Dalam perencanaan ini penulis memilih, α1 = 16o
u/c1 = 0,22
Maka di dapat : U = 0,22 . 785,8
Dari persamaan :
Kecepatan uap masuk relatif (w1)
w1 = 1 1
Kecepatan uap keluar relatif (w2)
w2 = ϕ . w1 ………4.8
Sin β1 =
Kecepatan absolut keluar pada sudu gerak baris I (c2)
c2 = 2 2
sin2 =
Maka dapat disimpulkan dari hasil perhitungan adalah :
c1 = 744,4 m/det
IV.6 Perencanaan dan Perhitungan Sudu Pada Baris II Kecepatan uap masuk pada baris II (c’1) adalah :
c’1 = ϕ . c2 ………4.12
= 0,9 . 394,97
c’1 = 355,47 m/det
besar sudut masuk baris II (a’1) adalah :
α’1 = α’2 – (3o – 5o) ………..4.13
= 24,98o – 3o
α’1 = 21,98o
untuk sudut ini diambil 3o
kecepatan uap masuk relatif baris II (w’1) adalah :
w’1 = 1 1
Kecepatan keluar relatif pada baris II (w’2) adalah :
w’2 = α . w1 ……….4.15
β’1 = 40o
β’2 = β’1 – 3o
= 40o – 3o
β’2 = 37o
kecepatan uap keluar pada sudu baris II (c’2) adalah :
c’2 = 2 2
Maka dapat disimpulkan bahwa :
c’1 = 355,47 m/det
c’2 = 144 m/det
w’1 = 205,59 m/det
w’2 = 185,03 m/det
α’2 = 50o
β’1 = 40o
β’2 = 37o
u = 172,9 m/det
D = 1,10 m
IV.7 Analisa Kerugian Energi Kalor
Kerugian-kerugian akibat kehilangan energi kalor uap yang terjadi pada
tingkat curtis dapat ditentukan sebagai berikut :
Energi pada nozzle ialah :
hn =
Kerugian kalor pada sudu gerak baris I.
Atau moving blade I adalah :
hb =
= 4,4 kkal/kg
Kerugian kalor pada sudu pengarah (guide blade)
hgh =
Kerugian energi kalor pada sudut gerak baris II atau moving blade II adalah :
h’b =
Kerugian kalor karena kecepatan uap keluar :
he =
Kerugian akibat gesekan cakra dan angin (hge.a) adalah :
hge.a =
dimana :
λ = kecepatan superheater steam = 1
u = kecepatan keliling rotor = 172,9 m/det
d = D = diameter disc = 1,10 m
γ = berat spesifik uap dimana cakra berputar
γ = 1/v1 = 1/0,621 kg/m3 pada P = 20 bar
= 1 (karena tidak menggunakan roda gigi)
ηg = Effisiensi generator
=
237792,06 1131588
= 4,76 kg/det
Selanjutnya dapat digambar diagram i-s untuk kerugian-kerugian pada turbin
implus dengan dua tingkat kecepatan.
IV.8. Head Drop
Head drop yang berguna pada turbin (H1) adalah :
H’1 = H’o – (hn + H’b + hbg + hb + He + he.a) ……….4.23
= 81,8 – (8,05 + 4,44 + 4,2 + 6,2 + 0,0489)
= 81,8 – (22,23)
= 59,57 kkal/kg
Effisiensi relatif dalam turbin atau effisiensi kalor tanpa memperhitungkan
kerugian-kerugian pada katup pengatur.
oi =
o H'
H'1
………..4.24
= 81,8 59,7
= 0,37
Jadi kerugian-kerugian pada laluan mulai dari katup pengatur sampai uap keluar dari
turbin adalah :
=
81,8 59,57 -81,8
= 0,27
= 27%
IV. 9. Perencanaan Nozzle Dan Blade
Dalam perencanaan nozzle harus diketahui fungsi, kegunaan dan bentuk dari
nozzle yang dipergunakan pada turbin uap. Demikian juga halnya Blade yang
menerima beban berupa benturan uap yang dipancarkan oleh sebuah nozzle, sehingga
disc turbin berputar. Oleh karena itu harus diketahui bahan dan kekuatan blade yang
cocok untuk turbin ini.
IV.10. Pemilihan Jenis Nozzle
Nozzle adalah salah satu dari turbin uap yang mana nozzle berfungsi merubah
tenaga potensial fluida menjadi energi kinetik.
Nozzle tekanan medium dan tekanan tinggi digunakan bahan yang terbuat dari
baja tahan karat. Menurut bentuknya nozzle yang dipergunakan pada turbin uap
dibagi atas beberapa jenis, yaitu :
- Nozzle konvergen
- Nozzle divergen
- Nozzle konvergen divergen
Untuk memilih nozzle tersebut dapat diambil berdasarkan perbandingan
tekanan uap, dengan syarat sebagai berikut :
- bila tekanan uap keluar < tekanan uap kritis (p1 < pkr) maka dipakai nozzle
divergen.
- bila tekanan uap keluar > tekanan uap kritis (p1 > pkr) maka dipakai nozzle
konvergen.
Dimana :
Pkr = 0,546 . Po (untuk super heater steam)
Pkr = 0,577. Po (untuk dry saturated steam)
Untuk perencanaan ini nozzle yang digunakan adalah super heater steam dengan Pkr =
0,546 dari perhitungan terdahulu :
Pkr = 11,476 kg/cm2
1 = = adalah lebih rendah dari tekanan kritis.
Dengan demikian dipakai nozzle jenis konvergen.
IV.11. Perhitungan Ukuran Nozzle
Luas penampang nozzle ialah :
fmin =
Luas penampang sisi keluar nozzle (f1)
fmax =
c1 = kecepatan uap aktual sewaktu meninggalkan nozzle
= 785,8/det
Dalam perencanaan ini akan dipasang nozzle sebanyak 20 buah maka
luas penampang terkecil tiap nozzle ialah :
fmin = fmax / X
X = jumlah nozzle
Jadi :
fmin = 12 / 20
= 0,6 cm
Bila panjang nozzle Lmin = 25 mm (diambil) jadi lebar nozzle pada bagian
lehernya adalah sebesar :
amin =
Lebar nozzle pada sisi keluar nozzle ialah sebesar :
a1 =
Dengan mengambil sudut nozzle = γ = 6o, maka panjang nozzle yang divergen adalah
sebesar :
=
IV.12. Perhitungan Ukuran Sudu-sudu
Sudu merupakan bagian terpenting dari suatu turbin uap yang berfungsi
sebagai alat untuk merubah tenaga kinetik dari suatu fluida menjadi tenaga gerak,
sehingga tenaga ini mendorong moving blade atau sudu gerak sehingga berputar yang
diikuti oleh putaran poros.
Uap yang bekerja pada moving blade ini mempunyai suhu yang cukup tinggi
dalam bentuk uap kering maupun uap panas lanjut. Tetapi uap itu jika berkali-kali
mendorong sudu jalan akan timbul bintik-bintik air dan hal ini dapat mengakibatkan
korosi pada sudu jalan tersebut. Untuk mencegah korosi tersebut maka moving blade
harus terbuat dari baja tahan karat yaitu baja jenis Crom Nikel atau Stainless Steel.
Ukuran-ukuran dari blade perlu derajat pemasukan parsialnya dapat dihitung
dengan rumus :
ε =
Tinggi sudu gerak pada bagian masuk adalah :
L’ = L + 2
= 25 + 2
= 27 mm
Tinggi sudu gerak pada bagian keluar adalah (L”)
L” =
V’1 = volume spesifik uap pada sisi keluar sudu gerak baris I
= 0,625 m3/kg
Maka :
Tinggi keluar sudu pengarah (Lgb) adalah :
Lgb =
Tinggi sudu gerak pada bagian masuk baris kedua adalah :
L’1 = Lgb + 2
= 42 + 2
= 44 mm
Tinggi sudu gerak pada bagian keluar baris kedua adalah :
L’2 =
Jika lebar sudu diambil b = 25 mm, maka garis kelengkungan profil sudu baris
pertama adalah (r’) :
Jarak antara baris pertama (t’) adalah :
t’ =
Jumlah sudu pada baris pertama (z) adalah :
Jarak kelengkungan dari profil sudu pada baris kedua (r”) adalah :
R” =
Jarak antara baris kedua (t”) adalah :
t” =
Jumlah sudu-sudu pada baris kedua (Z2) ialah :
Z2 = "
=
14 632,1
= 45 buah
Gambar 4.6. Profil moving blade implus
Dari hasil perhitungan maka dapat disimpulkan ukuran-ukuran nozzle sebagai
berikut :
- Luas penampang nozzle minimum adalah :
fmin = 0,00012 m2 = 12 cm2
- Luas penampang sisi keluar nozzle adalah :
fmin = 0,0044 m2 = 44 cm2
- Lebar luar nozzle pada sisi luarnya :
amin = 2,4 mm
- Lebar nozzle pada sisi keluarnya adalah :
a1 = 9 mm
- Sudut divergensi adalah :
- Panjang nozzle yang divergen L = 63 mm
Juga ukuran-ukuran sudu pengarah dan sudu gerak dapat disimpulkan sebagai
berikut :
- Tinggi sisi untuk sudu gerak I L’ = 27 mm
- Tinggi sisi masuk untuk sudu pengarah Lgb = 34,5 mm
- Tinggi sisi masuk untuk sudu gerak II L1 = 44 mm
- Tinggi sisi keluar untuk sudu gerak II L’2 = 49 mm
- Jari-jari kelengkungan sudu I r’ = 15,2 mm
- Jari-jari kelengkungan sudu II r” = 14,7 mm
- Jarak sudu dengan sudu baris I t’ = 13,3 mm
- Jarak sudu dengan sudu baris II t” = 13,9 mm
IV.13. Perhitungan Kekuatan Blade
Gambar 4.7. Rencana moving blade I
Ukuran-ukuran moving blade I adalah sebagai berikut :
b = 25 mm
b1 = 20 mm
f1 = 15 mm
a = 5 mm
c = 5 mm
l = 5 mm
s = 2 mm
Dm = diameter purata
Dm = D + s + a + l”1 / 2
= 1100 + 2 + 5 + 32 / 2
= 1123 mm
D1 = Dm + l2 / 2 + s
= 1123 + 25/2 + 2
= 1141 mm
D2 = Dm – l2 / 2
= 1123 – 32 / 2
= 1107 mm
Ukuran-ukuran moving blade II
b = 25 mm c = 5 mm
b1 = 20 mm a = 5 mm
f1 = 15 mm l = 5 mm
s = 2 mm
Dm = diameter purata
Dm = D + s + a + 1’2 / 2
= 1100 + 2 + 5 + 32 / 2
= 1131 mm
D1 = Dm + L2 / 2 + s
= 1131 + 25/2 + 2
= 1158 mm
D2 = Dm – l2/2
= 1131 – 49/2
= 1107 mm
Perhitungan dilakukan pada bagian yang terlemah. Bila bagian-bagian
terlemah sudah tahan terhadap gaya-gaya yang bekerja padanya, maka pada
bagian-bagian yang lain diasumsikan lebih aman.
Gaya-gaya yang terjadi ialah :
a. Gaya centrifugal pada penampang I-I untuk moving Blade II
Gambar 4.8. Penampang Moving Blade
Untuk perencanaan moving blade ini tebal blade direncanakan konstan
disepanjang penampang.
Maka tegangan yang terjadi adalah sebagai berikut :
σ =
co = jumlah gaya centrifugal terhadap blade
Fo = luas penampang I = I
Gaya centrifugal terhadap blade atau sudu (cb) adalah :
cb = rat 2
=
Gaya centrifugal selubung ialah :
cs = s 2
= b . s
Dengan mensubstitusikan persamaan di atas (cb dan cs), maka diperoleh :
σ = 0,88 . 107 . n2
Untuk momen lengkung pancaran uap ialah :
Pu =
=
hu = penurunan kalor yang dimanfaatkan turbin
= 22,23 kkal/kg
Momen lengkung akibat pancaran uap yang mengalami perubahan
momentum.
c2a = kecepatan uap keluar blade
Sehingga total gaya oleh pancaran uap ialah :
Po = p2u − p2a ………4.43
= 35,72− 2,4862
= 1274,48− 6,180
= 1268,3
= 35,6 kg
Untuk Po yang bekerja konstan sepanjang blade atau sudu maka momen lengkung
yang bekerja adalah :
M1 =
M1 =
Tegangan lengkung yang terjadi disepanjang blade ialah :
σ1b =
Untuk turbin uap dengan parsial dimension atau pemasukan sebagian, maka untuk σb
≤ 190 kg/cm2 ……….. *
Dengan demikian Blade cukup aman terhadap tegangan lengkung karena,
σlb≤≤b = 8,28 kg/cm2≤ 190 kg/cm2
IV.14. Material Blade
Dari hasil perhitungan diperoleh temperatur uap memasuki turbin ialah 350oC,
maka dengan demikian dipilih material turbin adalah SAF 1085 yang komposisinya
yaitu sebagai berikut :
C = 5%
Si = 8%
Mn = 15%
Cr = 15%
Ni = 15%
W = 27%
Mb = 6%
Dengan tegangan 2700 kg/cm2 ………4.45
Dengan adanya persentase cr sampai 15% maka akan terjadi pada temperatur
1500oF atau 815oC.
Sedangkan pada perencanaan ini temperatur tertinggi ialah 350oC, dengan
demikian perencanaan cukup aman.
IV.15. Perhitungan Karangan Sudu
Akibat adanya kecepatan putar pada disc maka akan terjadi gaya centrifugal
yang mempengaruhi kekuatan dan karangan sudu atau disc. Sehingga untuk
ukuran-ukuran gaya centrifugal tersebut di atas dapat dilihat pada penampang karangan sudu
serta besarnya gaya tersebut.
IV.15.1. Perhitungan Gaya-gaya yang Mempengaruhi Disc
a. Gaya centrifugal akibat gerak blade
Cs = Mblade . r1 . w2 ………4.46
Dimana :
Mblade = .f .t .f1 g
γ
………4.47
f = tinggi blade rata-rata
= 46,5 mm
f1 = 15 mm
t = tebal blade
Maka :
Mblade = .4,65.0,965.1,5 981
0,00785
r1 = D1/2 = 1158/2 = 579 mm = 57,9 cm
b. Gaya centrifugal pada penampang I – I adalah :
Cs = f1
c. Gaya centrifugal pada penampang II – II adalah :
C11 = f2
= 20 . 25
d. Tegangan geser pada penampang I – I adalah :
σ =
e. Tegangan lengkung pada penampang II – II adalah :
σgl =
σgl =
f. Tegangan geser pada penampang II – II adalah :
σgs =
g.Tegangan lengkung pada penampang II – II adalah :
σ1Π =
Jumlah tegangan total geser pada penampang II – II adalah :
σtot = σ Π σ Π
IV.16. Perencanaan Disc
Disc atau roda turbin ialah bagian utama dari turbin, yang mana disc ini
berfungsi untuk memindahkan gerakan putran keliling dari moving blade menjadi
gerak putar pada poros, sehingga pada disc akan timbul gaya tangensial dan gaya
radial antara lain :
- Gaya tangensial ialah gaya yang timbul akibat adanya kecepatan yang mendorong
moving blade.
- Gaya radial ialah gaya yang ditimbulkan oleh karena adanya gaya sentifugal,
sehingga untuk menghitung tegangan pada disc, maka terlebih dahulu ditentukan
ukuran-ukuran utama dari disc, dan begitu juga jenis baja apa yang sesuai dengan
perencanaan ini.
Oleh karena itu disc ini bersinggungan dengan uap yang dipakai untuk mendorong
moving blade, maka dengan demikian untuk perencanaan disc dipakai bahan 32
XHM dengan susunan kimia sebagai berikut :
C = 28 – 35%
Si = 17 – 37%
Mn = 30 – 80%
Cr = 30 – 80%
Ni = 27 – 30%
Mo = 30 – 40%
S = 3%
P = 4%
Sehingga untuk bahan disc yang dipakai adalah dari Molybdenum Style.
IV.17. Perhitungan Tegangan Pada Bagian Disc
Untuk perencanaan disc ini telah diperhitungkan pada bab sebelumnya,
dimana di dapat ukuran diameternya ialah :
D = Diameter Disc
Mp = 110 cm
Sehingga untuk memenuhi persyaratan dari disc dan juga untuk tegangan pada disc
ini dapat diperhitungkan melalui besar diameter poros dan daya turbin ialah :
Mp = 7120 N/n ……….. kg/cm
Dimana tegangan yang diijinkan ialah :
τp =
dimana pada perencanaan ini bahan poros dibuat dari bahan baja paduan dengan
:
IV.18. Perencanaan Poros
Perencanaan ukuran poros pada Turbin ini berdasarkan pada :
- Berat sudu atau blade shrounding
- Berat disc
- Berat poros itu sendiri
IV.18.1. Berat sudu atau blade I (Gb1) adalah :
Gb1 = γ . f1 . Z1 . t
Dimana :
f1 = Luas penampang sudu
= L1 . b
= 3,2 . 2,5
= 8 cm2
γ = berat jenis
= 0,00785 kg
Z1 = jumlah sudu gerak pertama (dari perhitungan terdahulu)
= 47 buah
maka :
Gb1 = 0,00785 . (8) . 47 . 1,3
= 3,84 kg
IV.18.2. Berat blade atau sudu II (Gambar 2) adalah :
Gb2 = γ . f2 . Z2 . t
Dimana :
f2 = L2 . b
= 4,9 . 2,5
= 12,25cm
Z2 = jumlah sudu gerak kedua
= 45
γ = berat jenis
= 0,00785 kg
maka :
Gb2 = 0,00785 . 12,45 . 45 . 1,39 = 6,015 kg
IV.18.3. Berat disc (Gd) adalah :
Gd = 2π . y . (r22 – ro2)
+
2 Y Y12 22
Gambar 4.9. Profil poros dan disc
Dimana :
γ = berat jenis
= 0,00785 kg
r2 = jari-jari disc
= 55 cm
ro = jari-jari poros
= 3,5cm
Berat total keseluruhan (Gtot) adalah :
Gtot = Gb1 + Gb2 + Gd + Gp
= 3,84 + 6,015 + 556,98 + 30
= 596,8 kg
Gambar 4.10. Skets posisi beban
k = koefisien yang tergantung pada tipe bantalan yang dipakai untuk
mendukung poros.
Untuk bantalan yang kaku dipakai k = 1/192.
Go = beban dari poros
= 0,02 mm
Dari hasil perhitungan di dapat harga putaran kritis nkr = 9461,8 rpm,
sedangkan putaran normaln = 3000 rpm.
Ternyata n < nkr, maka kerja mesin yang dirancang cukup aman terhadap gangguan.
Menentukan diameter kritis (dkr) adalah :
Untuk bahan poros diambil standard Jepang I . JIS G. 4051 (S 35 C) dengan kekuatan
tarik (σtr) = 5000 kg/cm2.
Dimana kadar karbonnya adalah 0,32 -38%
Tegangan yang terjadi (σp) adalah :
σp =
Sf2 . Sf1
σtr kg/cm2
Sf1 = faktor keamanan yang berhubungan dengan batas kelelahan puntir
yang besarnya = 6
Sf2 = faktor keamanan yang berhubungan dengan pengaruh konsentrasi
tegangan karena adanya alur pasak
= 1,3 – 3 (diambil 3)
Dimana tegangan yang diijinkan (σtr) = 5000 kg/cm2, sedangkan tegangan yang
terjadi σp = 277,8 kg/cm2. Maka dengan demikian konstruksi cukup aman.
IV.20. Seal Labyrint
Labyrint Seal adalah suatu alat yang berfungsi untuk mengurangi
kebocoran-kebocoran uap dari celah poros, casing dan lain-lain pada turbin.
Adapun jenis-jenis Labyrint Seal adalah :
- Carbon ring gland, yang mana carbon ring gland ini berisi sejumlah ring dan
masing-masing terdiri dari cast iron atau steel dan beberapa dari sistem ring ini
diletakkan bersama-sama oleh petugas Gerter dan pada umumnya ring ini terbagi
atas 3 atau 4 clearence yaitu 0 – 0,006 inch.
- Dummy Piston Glang, biasanya dipergunakan untuk turbin reaksi.
- Water Gland, dipergunakan pada spindle yang keluar dari casing dan ini terdiri
dari impeller yang kecil atau paddle wheel.
- Labyrin Seal, biasanya berbentuk potongan gigi dan bagian ujungnya berbentuk
pisau. Clearencenya yaitu 0,002 inch dan material yang dipergunakan adalah babit,
aluminium, brass dan bronze, sedangkan untuk temperatur yang tinggi digunakan
stanless steel atau alloy steel.
Dalam perencanaan ini dipilih prinsip labyrin yang disebut “Staff Bukse”
yang diuraikan dari:
Pk =
Maka untuk jumlah labyrin dapat dicari dengan :
Z = 1,4
= 4,498 digenapkan menjadi 5 buah
IV.21. Material dan Rumah Turbin
Selinder untuk kapasitas kecil dan menengah dengan tekanan awal uap
setinggi 12 – 21 cm2 dan temperatur 350oC, biasanya terbuat dari besi cor ……..*
akan tetapi beberapa pabrik telah memakai besi cor perlit khususnya untuk
turbin-turbin yang beroperasi pada suhu 300 – 400oC.
IV.22. Konstruksi Rumah Turbin
Kekuatan dari suatu konstruksi rumah turbin adalah sangat penting dalam
perencanaan ini, terutama terhadap kondisi temperatur yang berbeda-beda pada
konstruksi rumah turbin ini, direncanakan di atas beban normal.
Faktor-faktor yang menentukan ukuran tebal dinding selinder turbin adalah
sebagai berikut :
- Tekanan uap yang bekerja pada dinding turbin
- Temperatur uap
- Jenis fluida yang bekerja pada turbin
- Jam kerja mesin
Dengan kata lain dinding selinder dianggap seperti sebuah drum, maka tebal dinding
selinder adalah sebagai berikut :
t =
p = tekanan dinding selinder dari uap
= 20 kg/cm2
IV.23. Perencanaan Bantalan
Bantalan ialah bagian utama dari elemen mesin yang berguna menumpu
bagian poros yang terbeban, sehingga putaran atau gerakan bolak balik pada poros
dapat berlangsung secara halus dan aman serta umur dari peralatan tersebut dapat
lebih panjang. Dalam hal ini hendaknya bantalan harus kokoh untuk memungkinkan
poros serta elemen-elemen yang lain dapat bekerja dengan sempurna.
Bantalan dapat diklasifikasikan sebagai berikut :
a. Atas dasar gerakan terhadap poros yaitu :
- Bantalan luncur, dimana pada bantalan ini akan terjadi gesekan luncur antara
bantalan dan poros.
- Bantalan gelinding, dimana pada bantalan ini akan terjadi gesekan gelinding
antara bagian yang berputar dengan bagian yang diam dan melalui elemen
yang menggelinding seperti bola atau rol jarum yang bulat.
b. Atas arah beban terhadap putaran poros :
- Bantalan radial, dimana arah beban yang ditumpu bantalan adalah gerak lurus
pada sumbu poros.
- Bantalan axial, dimana arah beban bantalan ialah sejajar dengan sumbu poros.
- Bantalan gelinding khusus, dimana bantalan ini dapat menumpu beban yang
arahnya sejajar atau tegak lurus terhadap sumbu poros.
IV.24. Pemilihan Bantalan
Untuk pemilihan bantalan pada perencanaan ini adalah bantalan axial dan
bantalan radial dimana bantalan ini berfungsi untuk meyokong gaya axial yang terjadi
pada poros serta mengstabilkan posisi axial dari rotor terhadap putaran.
Jenis bantalan yang dipergunakan pada konstruksi turbin ini adalah sebagai
berikut :
- Plain coller type
Beveled coller type
- Kingsbony or michell type
- Plain collerwith fixed
Sehingga dalam perencanaan ini dapat dipilih jenis plain coller type dengan
pemakaian bantalan ialah :
- Bantalan axial
- Bantalan radial
IV.25. Bahan Bantalan
Untuk bahan bantalan harus mempunyai sifat-sifat sebagai berikut :
- Mempunyai sifat pengantar yang baik
- Tidak terjadi kerusakan akibat adanya beban
- Struktur dari bahan bantalan hendaknya sama
- Mempunyai koefisien gesek yang kecil
Pada umumnya bahan bantalan dilapisi dengan metal putih dengan komposisi
sebagai berikut :
Tabel 6. Elemen Mesin By Sularso
Material For Ordinary Condition For High Temperature
Tin 75% 86%
Antymony 13% 8,5%
Copper 6% 5,5%
Lead 3% --
IV.26. Perhitungan Bantalan Radial
Untuk bantalan turbin uap, perbandingan antara panjang bantalan dengan
diameter bantalan adalah :
L = (1,0 – 2,0) . d ……….4.53
= 1,5 . d (diambil)
sedangkan diameter poros = 70 mm, sehingga :
L = 1,5 . 70
= 105 mm
= 110 mm digenapkan
IV.26.1. Tebal Metal
Bahan metal diambil dari bahan metal putih dengan ukuran sebagai berikut :
t = 0,07 . d + 4 mm
= 0,07 . 70 + 4
= 8,9 mm
IV.26.2. Tekanan Rata-rata pada Bantalan
P = kg/cm2
d . L
W
.………4.54
Dimana :
W = beban bantalan arah radial
Gambar 4.11. Skets posisi beban dan bantalan
Dimana :
W = berat sudu + berat disc + berat poros
= 596,8 kg (pada perhitungan poros terdahulu)
Akibat gaya W pada konstruksi di atas maka terjadi reaksi di RA dan RB (bantalan)
dan dapat kita cari melalui rumus kesetimbangan gaya yaitu :
∑H = 0,
∑V = 0,
∑MA = 0.
RA + RB = W ……….. 1
RA + RB – W = 0 ……… 2
W ½ l – RB 1 = 0 ……… 3
Dari persamaan terakhir di dapat :
RB = .W
Tekanan yang diijinkan untuk bahan timah putih adalah :
P1 = (0,7 – 2,0) kg/cm2 ………4.55
Maka :
P ≤ P1
Ternyata : 0,0386 kg/cm2≤ 0,7 kg/cm2, berarti perencanaan cukup aman.
IV.27. Perhitungan Bantalan Aksial Diameter bantalan besar (D) ialah :
D = (1,2 – 1,3) . d ……….4.56
(1,3 yang diambil)
d = diameter poros
= 70 dari perhitungan terdahulu
Maka :
D = 1,3 . 70
= 91 mm
IV.27.1. Tebal bantalan (t) adalah :
t = (1,0 – 1,5) . d ………4.57
1,2 (yang diambil)
maka :
t = 1,2 . 70
= 84 mm
IV.27.2. Lebar dari bantalan (b) adalah :
b = (0,1 – 0,15) . d ………4.58
0,15 (yang diambil)
maka :
b = 0,15 . 70
= 10,5 mm
IV. 28. Pelumasan
Pelumasan adalah suatu usaha untuk memperpanjang umur dari suatu mesin
dengan cara melumasi elemen tersebut dengan oli atau grase.
Fungsi-fungsi pelumasan antara lain :
- Mengurangi gesekan dan aus
- Mencegah korosi
- Mengurangi panas dan lain sebagainya
Pada sebuah turbin uap merupakan hal yang sangat penting, hal ini didasarkan
pada :
- Daya yang dihasilkan relatif besar
- Putaran turbin relatif tinggi
- Kondisi kerja turbin uap yang kontinue dan vital
Pelumasan pada turbin uap diutamakan pada bantalan dan peralatan-peralatan
yang bergerak lainnya dan pelumasan dilakukan dengan menggunakan pompa minyak
IV.29. Pelumasan Bantalan Radial
Koefisien pembebanan pada bantalan (∅V) adalah :
∅V =
( )
a = spiling antara poros dan bantalan
= 0,2 ……….4.50
d = diameter bantalan
= 70 mm
u = kecepatan keliling poros
= 172,9 rad/det
µ = kekentalan minyak yang dipilih untuk bantalan turbin, dipakai minyak
dengan viskositas 40 Cp pada suhu 38oC.
IV.30. Koefisien Gesek (f) adalah : f = a/d .
V S
∅∅ ……….4.51
dimana :
∅S = koefisien hambatan
dimana untuk mencari ∅S terlebih dahulu dicari ratio dan relatif ecenticity. Angka
ratio (ξ) = d/L = 70/110 = 0,636.
Relatif ecenticity :
X =
maka koefisien gesek (f) adalah :
f =
h = (1x X)
dimana tinggi minimum (hmin) yang diijinkan adalah :
hmin = (0,01 – 0,05) mm
dalam perencanaan ini tinggi film minimum harus lebih kecil atau sama dengan tinggi
film yang direncanakan, ternyata 0,05 ≤ 0,065, maka bantalan cukup aman
digunakan.
IV.32. Gaya Gesek pada Bantalan (Ar) adalah :
Ar = kg/det
∅r = Ar / 427 ……….4.56
= 12,324 / 427
= 0,03120 kkal/det
Jadi jumlah minyak pelumas yang terpakai (qo) adalah :
qo =
c = kapasitas perpindahan panas
= 0,4 kkal/kg oc
t1 = temperatur minyak pelumas untuk bantalan
= 35 – 40oC
= 0,0058 liter/detik
= 20,88 liter/jam
IV.34. Pelumasan Bantalan Aksial
Koefisien gesek pada bantalan aksial (fa) adalah :
fa = W
ft
………4.58
dimana :
Ft = gaya yang ditimbulkan minyak pelumas
Ft = µ . A .
1
h V
µ = viskositas minyak pelumas
µ = 40 Cp = 0,408.10-6
h1 = spiling antara kerah dan bantalan
= 0,005 cm
Jadi gaya gesekan (Ar) adalah :
Ar =
Jadi jumlah minyak pelumas yang digunakan (qo) adalah :
Qo’ =
= 0,0075566 liter/detik
= 27,2 liter/jam
Maka jumlah total pemakaian minyak pelumas untuk turbin uap adalah :
Q = qo + qo’
= 20,88 + 27,3
= 48,8 liter/jam
Untuk mendinginkan kembali minyak pelumas tersebut, maka minyak
pelumas harus dinaikkan ke tempat yang tersedia dengan menggunakan pompa roda
gigi yang langsung dikopel terhadap poros, dengan demikian pelumas tersebut
akan dingin melalui proses Water Cooler.
Pendinginan tersebut dilakukan secara Cool Exchanger, dimana air pendingin
mengalir di luar tabung pelumasan sehingga panas pelumasan tersebut dapat diserap
oleh air pendingin. Demikianlah seterusnya selama turbin masih beroperasi.
IV.35. Governors
Governors adalah alat yang berfungsi mengatur putaran dan daya turbin
dengan cara mengatur uap yang masuk ke dalam turbin. Governors yang digunakan
gerakannya diambil dari sistem throttle governing yaitu dengan cara pengaturan uap
masuk ke dalam turbin melalui sebuah throttle.
Untuk mengatur gerak dari governors valve digunakan sistem hidrolic, apabila
rotor turbin berputar melebihi putaran yang ditentuan maka katup dari governors akan
bergerak sehingga akan terjadi pengecilan ruangan tempat masuknya uap ke dalam
turbin, mengakibatkan kapasitas uap masuk turbin berkurang.
Bentuk-bentuk dari throttle valve antara lain adalah :
- Single Throttle Valve, arah uap melalui katup dalam arah tegak lurus terhadap
sumbu katup.
- Throttle Valve With Shaped Profil, arah aliran uap sejajar dengan sumbu katup.
- Combined Double Shaped Profil, yaitu gabungan dari kedua throttle valve yang
digunakan di atas.
- Dalam perencanaan ini throttle valve yang digunakan adalah jenis Combined
Double Shaped Profil.
Untuk perencanaan ini memakai sistem Indiret Regulation, tetapi dalam
perencanaan ini Penulis hanya merencanakan beberapa dimensi utama dari Governoor
seperti:
Diameter pipa
Governor masuk,
kecepatan uap masuk,
luas penampang pipa,
diameter katup,
diameter pipa uap keluar
diameter pipa masuk turbin
Kecepatan uap masuk pipa utama :
C = 91,5 (HO − HO')………4.59
Dimana :
HO = penurunan uap masuk nozzle
= 100 kkal/kg (diagram mollier pada perhitungan terdahulu)
HO’ = penurunan enthapy memasuki turbin
= 81,8 kkal/kg (diagram mollier pada perhitungan terdahulu)
maka :
C = 91,5 100 −81,8
= 390,3 m/detik
Luas penampang pipa utama (Ap) adalah :
Ap =
Diameter pipa utama adalah :
Dp = A.Ap / π
= 4.3987,8/ 3,14
= 71 mm
Luas efektif dudukan katup (Adt) adalah :
Adt = 2 . π . Cc . Dk . L
Dimana :
= 0,8 direncanakan
Kecepatan uap keluar dari pipa untuk Back Presure Turbin (Cs) adalah antara (30 –
50 m/sec) .
Untuk ini kecepatan uap keluar (Cs) yang direncanakan yaitu A:
Cs = 30 m/det.
Diameter pipa uap buang keluar turbin (Do) adalah :
Do =
