Analisis Dan Simulasi Variasi Sudut Sudu-Sudu Turbin Impuls Terhadap Daya Mekanis Yang Dihasilkan Turbin Sebagai Pembangkit Tenaga Uap Pada PKS Kapasitas 30 Ton Tbs/Jam

ANALISIS DAN SIMULASI VARIASI SUDUT SUDU-SUDU

TURBIN IMPULS TERHADAP DAYA MEKANIS YANG

DIHASILKAN TURBIN SEBAGAI PEMBANGKIT TENAGA

UAP PADA PKS KAPASITAS 30 TON TBS/JAM

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

MARULITUA SIDAURUK NIM. 040401089

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

ANALISIS DAN SIMULASI VARIASI SUDUT SUDU-SUDU

TURBIN IMPULS TERHADAP DAYA MEKANIS YANG

DIHASILKAN TURBIN SEBAGAI PEMBANGKIT TENAGA

UAP PADA PKS KAPASITAS 30 TON TBS/JAM

MARULITUA SIDAURUK

NIM. 04 0401 089

Telah Diketahui Oleh: Pembimbing/Penguji

Ir.Tekad Sitepu NIP. 195212221978031000

Penguji I Penguji II

(Ir. Isril Amir) (Ir. A.Halim Nasution,MSc.)

NIP.194510271974121001 NIP.195403201981021001

Diketahui Oleh

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas

Berkat dan karunia yang dilimpahkan-Nya, sehingga penulis mampu

menyelesaikan tugas skripsi ini.

Tugas skripsi ini merupakan salah satu syarat yang harus dipenuhi

mahasiswa guna menyelesaikan pendidikan dan mendapatkan gelar Sarjana

Teknik di Fakultas Teknik, Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera

Utara. Oleh karena itu penulis sebagai mahasiswa yang akan menyelesaikan

pendidikannya turut melaksanakan skripsi ini.

Adapun dalam skripsi ini, penulis mengambil topik pembahasan tentang

Analisis Dan Simulasi Variasi Sudut Sudu-sudu Turbin Impuls terhadap

Daya Mekanis Yang Dihasilkan Turbin Sebagai Pembangkit Tenaga Uap

Pada PKS Kapasitas 30 ton TBS/ jam.

Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih yang

sebesar-besarnya kepada :

1. Kedua orang tua yang tercinta R. Sidauruk dan S. Br Silalahi yang selalu

memberikan motivasi dan doa dalam menyelesaikan skripsi ini.

2. Bapak Ir. TEKAD SITEPU, sebagai dosen pembimbing yang telah

banyak meluangkan waktu untuk memberikan bimbingan dan pengajaran

dari awal hingga selesainya skripsi ini.

3. Bapak DR.ING.Ir Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Tulus Burhanuddin

ST. MT sebagai ketua jurusan dan sekretaris jurusan Departemen Teknik

Mesin USU.

4. Para dosen dan staf pengajar Departemen Teknik Mesin USU yang telah

5. Bang stambuk yang selalu memberikan waktunya untuk mengajari dan

menyelesaikan tugas skrpsi ini

6. Rekan-rekan mahasiswa Teknik Mesin yang senantiasa membantu dan

memberikan masukan guna penyelesaian skripsi ini.

Penulis menyadari Tugas Sarjana ini masih jauh dari sempurna . Untuk itu

penulis mengharapkan banyak masukan berupa saran dari pembaca untuk

memperbaiki dan melengkapi isi dari skripsi ini kedepannya. Akhir kata atas

perhatian pembaca, penulis mengucapkan terima kasih.

Medan, 02 September 2010

Penulis,

DAFTAR ISI

Kata Pengantar

Daftar Isi

Daftar Gambar

Daftar Simbol

Daftar Tabel

BAB I. PENDAHULUAN ... 1

1.1. Latar Belakang ... 1

1.2. Maksud Dan Tujuan ... 2

1.3. Batasan Masalah ... 2

1.4. Metode Penulisan ... 3

1.5. Sistematika Penulisan ... 3

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA ... 5

2.1. Pandangan Umum Tentang Turbin Uap Sebagai Pembangkit Tenaga ... 5

2.2. Analisa Termodinamika ... 9

2.3. Komponen Instalasi Turbin Uap ... 11

2.4. Klasifikasi Turbin Uap ... 16

2.5. Bagian-Bagian Turbin ... 19

2.6. Analisa Kecepatan Aliran Uap ... 22

2.7. Kerugian Energi Pada Turbin Uap ... 25

2.7.1. Kerugian-Kerugian Dalam ... 26

2.7.2 Kerugian-Kerugian Luar ... 32

2.8 Efisiensi Turbin Uap ... 32

BAB III. PRINSIP DAN PERHITUNGAN TURBIN IMPULS SERTA ANALISIS ALIRAN UAP MELALUI SUDU ... 34

3.1. Dasar Teori Impuls ... 34

3.1.1. Prinsip Impuls Dan Momentum ... 34

3.1.2. Asas Impuls Pada Turbin ... 36

3.3. Prinsip Turbin Impuls ... 41

3.4. Perubahan Energi Thermal Menjadi Energi Kinetis ... 42

3.5. Transformasi Energi Pada Sudu ... 44

3.6. Analisis Kecepatan Aliran Uap ... 46

3.7. Gaya Tangensial Turbin ... 50

3.8. Kerja Turbin Uap Berdasarkan Aksi Uap ... 52

3.9. Efisiensi Turbin Uap ... 52

3.10. Daya Mekanis Yang Dihasilkan Turbin ... 54

BAB IV. ANALISIS VARIASI SUDUT SUDU-SUDU IMPULS TERHADAP DAYA MEKANIS YANG DIHASILKAN TURBIN. ... 55

4.1. Prinsip Aksi Aliran Uap Melalui Sudu ... 55

4.2. Perhitungan Data Survey ... 56

4.2.1. Data hasil Survey Studi ... 56

4.2.2. Perhitungan Data ... 59

4.3. Perhitungan Kecepatan Aliran Uap Pada Sudu-sudu Turbin ... 61

4.4. Perhitungan Kerugian-Kerugian Energi Pada Turbin Uap ... 66

4.5. Perhitungan Gaya Tangensial Turbin ... 68

4.6. Kekuatan Sudu Akibat Semburan Uap ... 68

4.6.1. Tegangan Tarik Pada Sudu Turbin Akibat Gaya Sentrifugal Uap ... 68

4.6.1. Tegangan Lentur Akibat Tekanan Uap ... 69

4.7. Besarnya Momen Torsi Yang Dialami Poros Akibat Semburan Uap ... 72

4.8. Efisiensi Turbin Uap Impuls ... 73

4.9. Daya Mekanis Yang Dihasilkan Turbin ... 74

4.10. Hubungan Variasi α1 Terhadap Fu Dan Pu Yang Dihasilkan Turbin ... 75

4.11. Pengaruh Semburan Uap terhadap Turbin Jika Sudut Masuk Semburan Uap ( α₁) Dibuat Bervariasi ... 76

4.12. Menentukan Besar Sudut α1 Dari Hubungannya Dengan u/c1 Terhadap Efisiensi ... 86

Sudu ( β1) Dibuat Bervariasi ... 87

4.14. Analisis Dengan Menggunakan Simulasi Dengan Bantuan Softwere Visual Basic ... 94

4.14.1. Source code Program Simulasi ... 94

4.14.2. Hasil Dari Simulasi ... 111

BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN ... 113

5.1. Kesimpulan ... 113

5.2. Saran ... 113

DAFTAR PUSTAKA... xxvii

DAFTAR GAMBAR

GAMBAR NAMA GAMBAR

Gambar 2.1 Mesin uap buatan Hero ... 6

Gambar 2.2 Mesin uap buatan Branca ... 7

Gambar 2.3 Turbin impuls sederhana ... 8

Gambar 2.4 Diagram alir Siklus Rankine ... 9

Gambar 2.5 Diagram T-S Siklus Rankine ... 10

Gambar 2.6 Pompa ... 12

Gambar 2.7 Boiler pipa air ... 13

Gambar 2.8 Turbin ... 15

Gambar 2.9 Kondensor ... 16

Gambar 2.10 Penampang Turbin Aksi ... 17

Gambar 2.11 Penampang Turbin Reaksi ... 17

Gambar 2.12 Perbedaan skema aliran uap antara Turbin Aksi dan Reaksi ... 18

Gambar 2.13 Bagian-bagian turbin ... 20

Gambar 2.14 Arah kecepatan uap pada sudu-sudu turbin ... 22

Gambar 2.15 Segitiga kecepatan uap untuk turbin impuls dengan dua tingkat kecepatan ... 22

Gambar 2.16 Proses ekspansi uap di dalam turbin beserta kerugian -kerugian akibat pencekikan ... 27

fungsi tinggi nosel ... 28

Gambar 2.18 Grafik untuk menentukan koefisien ψ untuk Berbagai Panjang dan profil sudu ... 29

Gambar 2.19 Celah kebocoran uap tingkat tekanan pada turbin Impuls ... 31

Gambar 3.1 Asas impuls pada sudu Turbin ... 37

Gambar 3.2 Impuls pada penampang vertikal dan melengkung ... 37

Gambar 3.3 Prinsip aksi uap pada berbagai bentuk sudu ... 38

Gambar 3.4 Sudu Turbin impuls ... 41

Gambar 3.5 Aliran uap pada nosel ... 42

Gambar 3.6 Saluran uap pada nosel ... 42

Gambar 3.7 Skema arah aliran uap pada sudu turbin ... 44

Gambar 3.8 Skema arah kecepatan uap pada sudu turbin... 45

Gambar 3.9 a). Konstruksi turbin uap impuls satu tingkat tekanan b).Grafik efisiensi turbin uap impuls dengan dua ting kat kecepatan sebagai fungsi u/c1 ... 46

Gambar 3.10 Skema segitiga kecepatan uap ... 47

Gambar 4.1 Diagram T-S siklus Rankine ... 56

Gambar 4.2 Ukuran nosel dan sudu turbin... 57

Gambar 4.3 Jarak bagi dari profil sudu turbin... 58

Gambar 4.4 Proses Penurunan kalor pada turbin uap ... 59

Gambar 4.5 Arah kecepatan uap pada sudu-sudu turbin ... 62

Gambar 4.6 Segitiga kecepatan uap ... 63

Gambar 4.8 Segitiga kecepatan uap untuk sudut nosel (α1)

Sebesar ( a ) = 20º, ( b ) = 48º ... 83

Gambar 4.9 Grafik pengaruh perubahan sudut nosel (α1) terha

dap efisiensi turbin. ... 84

Gambar 4.10 Grafik pengaruh perubahan sudut nosel (α1) terha

dap gaya tangensial turbin ... 84

Gambar 4.11 Grafik pengaruh perubahan sudut nosel (α1) terha

dap momen torsi poros turbin ... 85

Gambar 4.12 Grafik pengaruh perubahan sudut nosel (α1) terha

terhadap daya turbin ... 85

Gambar 4.13 Segitiga kecepatan uap untuk sudut masuk sudu ( β1)

sebesar ( a ) = 21° ( b) = 22° dengan sudut

α

1= 16° ... 91

Gambar 4.14 Grafik pengaruh perubahan sudut masuk sudu turbin

(β1) terhadap Efisiensi turbin dengan

memakai α1= 16º ... . 92

Gambar 4.15 Grafik pengaruh perubahan sudut masuk sudu turbin

(β1) terhadap gaya tangensial turbin turbin dengan

memakai α1= 16º ... 92

Gambar 4.16 Grafik pengaruh perubahan sudut masuk sudu

(β1) turbin terhadap momen torsi poros turbin

dengan memakai α1= 16º ... 93

Gambar 4.17 Grafik pengaruh perubahan sudut masuk sudu turbin

memakai α1= 16º ... 93

Gambar 4.18 Form main windosw pada program visual basic ... 94

Gambar 4.19 Form data input ... 95

Gambar 4.20 Segitiga kecepatan uap untuk sudut nosel (α1)

Sebesar 16º ... 111

Gambar 4.21 Grafik pengaruh perubahan sudut nosel (α1) terha

dap hasil yang dihasilkan turbin. ... 111

Gambar 4.22 Segitiga kecepatan uap untuk sudut masuk sudu ( β1)

sebesar 21° dengan memakai sudut α1 = 16° ... 112

Gambar 4.23 Grafik pengaruh perubahan sudut masuk sudu

(β1) terhadap hasil yang dihasilkan turbin dengan

DAFTAR SIMBOL

1. Simbol dari abjad biasa

Simbol Arti Satuan

Ao Luas penampang sudu paling lemah cm2

As Luas plat penguat sudu cm2

a Ruang bebas bantalan mm

b Lebar sudu mm

c1 Kecepatan mutlak uap keluar nosel m/s

c1t Kecepatan uap masuk mutlak teoritis m/s

c2 Kecepatan uap pada saluran keluar m/s

d Diameter nominal sudu atau rotor mm

dp Diameter poros mm

E Modulus elastisitas poros kg/cm2

f1 Luas penampang sudu gerak cm2

g Percepatan gravitasi bumi m/s2

o

m Massa alir uap kg/s

hb Kerugian energi dalam sudu-sudu gerak kJ/kg

he Kerugian energi akibat aliran keluar kJ/kg

hge.a Kerugian energi karena gesekan roda dan

ventilasi

kJ/kg

Fu Gaya tangensial turbin N

hkebasahan Kerugian energi karena kelembaban uap keluar kJ/kg

hn Kerugian energi pada nosel kJ/kg

Ho Nilai penurunan kalor dengan memperhitung

kan kerugian tekanan

kJ/kg

Ho’ Nilai penurunan kalor dengan memperhitungkan

kerugian tekanan dan pemipaan buang

kJ/kg

Ho,th Nilai penurunan kalor teoritis kJ/kg

i0 Kandungan kalor uap saat masuk turbin kJ/kg

i1t Kandungan kalor uap saat keluar turbin kJ/kg

i1’t Kandungan kalor uap setelah katup pengatur kJ/kg

l Tinggi nosel mm

l1’ Tinggi sisi masuk sudu gerak mm

l1” Tinggi sisi keluar sudu gerak mm

Mt Momen puntir kg.mm

n Putaran turbin rpm

Pu Daya mekanis turbin MW

Fu,2 Gaya yang terjadi yang searah dengan

putaran

kg

Fa,2 Gaya yang bekerja akibat perbedaan momentum

uap

kg

P3 Tekanan uap masuk turbin kg/cm2

P3’ Tekanan uap sebelum nosel kg/cm2

P4 Tekanan uap keluar turbin kg/cm2

Pkr Tekanan kritis kg/cm2

p Momentum sudu Kg.m/s

R Jari-jari busur dari profil sudu mm

r1 Jari-jari rata-rata sudu turbin mm

rs Jari-jari rata-rata plat penguat sudu mm

t3 Temperatur uap awal 0C

u Kecepatan keliling sudu turbin m/s

ν Volume spesifik uap m3/kg

Wy Momen perlawanan terkecil sudu cm3

2. Simbol dari abjad Yunani (Greek Letters)

Simbol Arti Satuan

α1 Sudut semburan uap ke sudu gerak yang diukur terhadap garis yang tegak lurus dengan sumbu

poros

o

α2 Sudut uap keluar yang diukur terhadap garis yang tegak lurus dengan sumbu poros

o

β1 Sudut masuk sudu gerak pertama yang diukur terhadap garis yang tegak lurus dengan sumbu

poros

o

β2 Sudut sudu keluar gerak pertama yang diukur terhadap garis yang tegak lurus dengan sumbu

poros

o

as

ρ Massa jenis bahan Alloy Steel kg/m3

u

ρ Massa jenis uap kg/m3

∆pv Penurunan tekanan uap saat melewati katup pengatur

kg/cm2

σ Tegangan kg/cm2

τa Tegangan izin poros kg/cm

2

ω Kecepatan sudut rad/s

ηg Efisiensi generator -

ηm Efisiensi mekanis -

λ Koefisien jenis fluida pada rumus stodola -

ϕ koefisien kecepatan (angka kualitas) nosel -

DAFTAR TABEL

Tabel Nama Tabel Halaman

4.1 Pengaruh variasi sudut nosel (α1) terhadap kecepatan

aliran uap pada sudu-sudu turbin dan daya yang dihasilkan .... .. 77

4.2 Pengaruh variasi sudut masuk sudu ( β1) terhadap

kecepatan aliran uap pada sudu-sudu turbin dan daya yang

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pembangkit tenaga uap merupakan suatu sistem yang dirancang untuk

mengubah energi potensial yang dimiliki uap menjadi energi mekanis pada poros

yang digunakan untuk memutar poros generator dengan tujuan untuk

menghasilkan energi listrik. Jika suatu pembangkit tenaga (power plant)

menggunakan turbin sebagai alat untuk mentransmisikan energi yang dikandung

uap menjadi tenaga yang akan memutar generator, maka pembangkit tersebut

lebih umum dikenal dengan turbin uap.

Dalam instalasi turbin uap, turbin memiliki peranan yang paling penting

guna memperoleh hasil yang dibutuhkan. Untuk memperoleh hasil yang optimal

maka efektifitas dan efisiensi menjadi hal yang utama dalam pengoperasian

tersebut. Selain efektifitas dan efisiensi dalam operasi, hal yang penting juga

untuk diperhatikan adalah efisiensi dan efektifitas dari komponen-komponen

Instalasi turbin uap itu sendiri, artinya dalam merancang instalasinya harus

menggunakan komponen yang paling efektif dan efisien. Oleh sebab itu pemilihan

jenis turbin yang tepat adalah satu hal yang mutlak harus dipenuhi.

Bagian dari turbin yang berperan penting dalam hal ini adalah sudu turbin.

Dimana kita ketahui celah antar sudu merupakan suatu saluran tempat laluan uap

untuk mengalir. Memposisikan sudu secara tepat akan mampu mendayagunakan

uap secara efisien untuk menghasilkan daya turbin. Artinya posisi atau arah sudut

sudu tersebut akan menentukan besar kecilnya daya yang akan ditransmisikan ke

poros turbin. Jadi dengan menentukan arah uap masuk keturbin dan posisi sudu

yang menerima semburan uap harus dihitung secara cermat guna mendapatkan

daya yang dihasilkan turbin semaksimum mungkin.

daya yang di transmisikan ke poros turbin dapat diatur sedemikian dengan

menentukan arah uap masuk sudu dan posisi sudu yang akan menerima semburan

1.2 Maksud Dan Tujuan

Maksud dan tujuan dari penulisan skripsi ini adalah untuk mendapatkan

sudut sudu-sudu turbin yang paling optimal guna memperoleh daya mekanis

turbin dan nilai efisiensi turbin yang semaksimal mungkin dengan bantuan

menggunakan program visual basic.

1.3 Batasan Masalah

Seperti yang dipaparkan diatas bahwa yang menjadi tujuan dari penulisan

skripsi ini adalah untuk menganalisis sudut sudu-sudu turbin yang paling optimal

guna menghasilkan daya yang paling maksimal. Untuk itu diperlukan analisis

yang baik dan tepat. Di samping itu juga harus mudah untuk dipahami, sehingga

tidak terlalu susah dimengerti oleh orang lain. Dengan demikian transpormasi

nilai yang disampaikan dapat terserap dengan baik. Untuk itu dipilih jenis turbin

impuls untuk dianalisis dengan memvariasikan berbagai sudut sudu turbin

tersebut.

Jadi dari jenis turbin yang dianalisis dan juga merujuk kepada tujuan

penulisan skripsi ini maka ada beberapa batasan masalah yang menjadi pokok

pembahasan dalam skripsi ini, yaitu :

• Prinsip kerja turbin uap impuls

• Turbin yang digunakan turbin tingkat tunggal dua kecepatan

• Analisis aliran uap melalui sudu turbin

• Analisis sudut sudu-sudu turbin yang paling optimal untuk memperoleh daya mekanis yang maksimal

Dasar dari pemilihan jenis turbin impuls ini menjadi objek pembahasan,

karena gaya yang diperoleh sudu pada turbin impuls lebih besar, ini disebabkan

karena dorongan atau impuls uap yang diterima sudu lebih maksimal. Konstruksi

turbin impuls ini juga lebih sederhana sehingga lebih memudahkan dalam proses

1.4 Metode Penulisan

Dalam melakukan analisis variasi sudut sudu-sudu turbin impuls ini

digunakan metodelogi penulisan sebagai berikut:

1. Survey Lapangan

. Disini dilakukan peninjauan langsung kelokasi tempat unit pembangkit

listrik tenaga uap itu berada yaitu Pabrik Kelapa Sawit PTP Nusantara III

(Persero) Kebun Rambutan Tebing Tinggi.

2. Pengambilan data dari tempat dimana dilakukan survey lapangan.

3. Studi Literatur

Berupa studi kepustakaan, kajian dari buku–buku dan tulisan-tulisan yang

berhubungan dengan hal yang dibahas.

4. Diskusi

Berupa tanya jawab dan konsultasi dengan dosen pembimbing dan tukar

pikiran dengan mahasiswa mengenai analisis yang dilakukan.

1.5 Sistematika Penulisan

Adapun sistematika penulisan tugas sarjana ini adalah sebagai berikut :

1. BAB I : Pendahuluan, berisikan latar belakang, maksud dan tujuan,

batasan masalah, metode penulisan dan sistematika

penulisan.

2. BAB II : Tinjauan pustaka, berisikan tentang teori-teori tentang

bagan alir dan siklus turbin uap, komponen-komponen

instalasi turbin uap, serta bagian-bagian dari turbin uap itu

sendiri.

3. BAB III : Prinsip dan perhitungan turbin uap impuls serta analisis

aliran uap melalui sudu. Pada bab ini berisikan azas dan

teori turbin impuls, prinsip aliran uap, serta segitiga

4. BAB IV : Analisis variasi sudut sudu-sudu impuls terhadap daya

mekanis yang dihasilkan turbin. Pada bab ini berisikan

analisis dari sudut masuk semburan uap (sudut α1) dan

sudut masuk sudu (sudut β1) yang dibuat bervariasi dengan

bantuan menggunakan software visual basic.

5. BAB V : Kesimpulan dan Saran, berisikan secara garis besar hasil

dari analisis variasi sudut sudu-sudu turbin terhadap

efisiensi energi kinetik uap dengan tujuan untuk

memperoleh daya mekanis yang dihasilkan turbin yang

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. Di dalam 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 dibandingkan dengan penggerak

generator listrik yang lain, turbin uap mempunyai kelebihan antara lain adalah

penggunaan panas yang lebih baik, pengontrolan putaran yang lebih mudah,

dapat menghasilkan daya besar, serta investasi awal yang tidak begitu besar.

Ide turbin uap sudah lama diketahui yakni kira-kira sejak tahun 120 S.M.

Hero di Alexandria membuat prototipe turbin yang pertama yang bekerja

berdasarkan prinsip reaksi (lit.1, hal.3). Alat ini menjadi instalasi tenaga uap yang

primitif, terdiri dari sumber kalor, bejana yang diisi dengan air, penampang

berbentuk bola dengan pipa penyembur (nosel). Akibat kalor, air yang ada di

dalam bejana dipanaskan dan diuapkan yang menghasilkan uap jenuh, mengalir

melalui pipa-pipa vertikal (tegak lurus) dan pipa–pipa mendatar yang dimasukkan

ke dalam penampang berbentuk bola tadi. Dengan kenaikan tekanan, uap yang ada

di dalam penampang berbentuk bola itu dikeluarkan ke atmosfer melalui nosel.

Semburan uap yang keluar dari nosel ini akan mengakibatkan terjadinya gaya

reaksi pada nosel itu sendiri dan memaksa bola itu berputar pada sumbu

Gambar 2.1. Mesin uap buatan Hero.

(Sumber

Keterangan :

1. Sumber kalor

2. Bejana air

3. Penampang berbentuk bola

4. Pipa vertikal

5. Nosel

6. Pipa mendatar

Beberapa abad kemudian, pada tahun 1629, giovanni Branca memberikan

gambaran sebuah mesin yang dibuatnya (lit.1, hal.3), seperti yang ditunjukkan

pada gambar 2.2. Mesin itu terdiri dari ketel uap 1, yang tutupnya dibuat

berbentuk manusia, pipa panjang (nosel) 2, roda mendatar 3 dengan

sudu-sudunya, poros 4 dan roda gigi transmisi 5 untuk menggerakkan kilang penumbuk

6. Uap yang dibangkitkan di dalam ketel sesudah diekspansikan pada nosel 2

memperoleh kecepatan yang tinggi. Semburan uap yang berkecepatan tinggi ini

menubruk sudu-sudu roda 3 yang kemudian akan memutar roda ini. Kecepatan

jumlah aliran uap per satuan waktu. Mesin uap buatan Branca ini, dari prinsip

aksinya adalah prototipe turbin impuls.

Gambar 2.2. Mesin uap buatan Branca.

(Sumber

Keterangan :

1. Ketel Uap

2. Pipa panjang sebagai nosel

3. Roda mendatar dengan sudu-sudu

4. Poros roda mendatar

5. Roda gigi transmisi

6. Penumbuk

Kemajuan yang besar pada pengembangan dan konstruksi turbin uap

dirasakan pada akhir abad ke-19. Pada tahun 1890, ahli teknik berkebangsaan

Swedia, Gustaf de-Laval membuat sebuah turbin uap cakram tunggal dengan

Gambar 2.3. Turbin impuls sederhana.

Keterangan :

1. Poros

2. Cakram

3. Sudu-sudu

4. Nosel

Turbin uap cakram tunggal yang paling sederhana terdiri dari

bagian-bagian utama yakni : nosel ekspansi, poros dan cakram dengan sudu-sudu yang

dipasang pada pinggirannya. Pada turbin-turbin jenis ini, ekspansi uap diperoleh

dari tekanan awalnya sampai ke tekanan akhirnya di dalam satu atau satu grup

nosel yang diletakkan pada stator turbin dan ditempatkan di depan sudu-sudu

cakram yang berputar. Penurunan tekanan uap di dalam nosel diikuti dengan

penurunan kandungan kalornya (heat content). Penurunan kandungan kalor yang

terjadi di dalam nosel ini selanjutnya akan menyebabkan kenaikan kecepatan uap

yang keluar dari nosel. Energi kecepatan semburan uap memberikan gaya impuls

pada sudu-sudu dan melakukan kerja mekanis pada poros rotor turbin.

Turbin- turbin impuls satu-tingkat yang berukuran kecil dibuat dan masih

sedang dikembangkan dengan kepesatan tinggi. Turbin jenis ini yang pertama

dibuat oleh Gustaf de-Laval, beroperasi pada kepesatan 30.000 rpm, dan turbin

tersebut dilengkapi dengan roda gigi reduksi untuk memindahkan momen putar ke

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 :

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

• 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 [ Lit.1 hal.95 ] yaitu :

a. Uap basah, dengan kadar uap 0 < X < 1

b. Uap jenuh (saturated vapor),dengan kadar uap X = 1

c. Uap kering (Superheated vapor)

Diagram alir siklus Rankine dapat dilihat sebagai berikut:

Diagram alir siklus Rankine dapat dilihat sebagai berikut:

Gambar 2.5. 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 2.4 dan 2.5) 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

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 :

• Kerja Pompa WP = h2 – h1

• Penambahan Kalor pada Boiler Qin = h3 – h2

• Kerja Turbin WT = h3 – h4

• Kalor yang dibuang pada Kondensor Qout = h4 – h1

• Efisiensi Thermal η_th =

in P T

in net

Q W W Q

W −

=

=

(

) (

)

(

3 2

)

1 2 4 3

h h

h h h h

−− −

−

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

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

Gambar 2.6. Pompa.

(Sumber

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

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 2.7. 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

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

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,

[image:34.595.265.359.270.441.2]

mengubahnya menjadi energi mekanis dengan efesiensi maksimum.

Gambar 2.8. Turbin.

(Sumber

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

Kondensor terdiri dari tube-tube kecil yang melintang. Pada tube-tube

inilah air pendingin dari laut dialirkan. Sedangkan uap mengalir dari atas menuju

ke bawah agar mengalami kondensasi atau pengembunan. Sebelum masuk

kedalam kondensor, air laut 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

[image:35.595.231.392.290.475.2]

menuju kondensor.

Gambar 2.9. 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.

b) Turbin radial, yaitu turbin dengan arah aliran uap tegak lurus terhadap

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,

[image:36.595.246.412.235.399.2]

sehingga tekanan uap sebelum dan sesudah sudu adalah tetap.

Gambar 2.10. 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-sudu-sudu geraknya, sehingga tekanan uap sesudah

keluar dari tiap tingkat sudu lebih rendah dari sebelumnya.

[image:36.595.248.374.555.726.2]

[image:37.595.187.437.81.328.2]

Gambar 2.12. Perbedaan skema aliran uap antara Turbin Aksi dan Reaksi.

(Sumber

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.

b) Turbin kondensasi langsung, yaitu turbin yang uap bekasnya

dikondensasikan langsung dalam kondensor untuk mendapatkan air

kondensor pengisian ketel.

c) Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan, yaitu turbin yang sebagian uap

bekasnya dicerat (diekstraksi) dan sebagian lagi digunakan untuk

keperluan proses.

d) 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.

f) Turbin non kondensasi dengan ekstraksi, yaitu turbin yang sebagian uap

4. Berdasarkan tekanan uapnya

a) Turbin tekanan rendah, yaitu turbin dengan tekanan uap masuk hingga 2

ata.

b) Turbin tekanan menengah, yaitu turbin dengan tekanan uap masuk hingga

40 ata.

c) Turbin tekanan tinggi, yaitu turbin dengan tekanan uap masuk hingga

diatas 40 ata.

d) Turbin tekanan sangat tinggi, yaitu turbin dengan tekanan uap masuk di

atas 170 ata.

e) Turbin tekanan super kritis, yaitu turbin dengan tekanan uap masuk di atas

225 ata.

5. Menurut jumlah tingkat tekanan, terdiri dari :

a. Turbin satu tingkat dengan satu atau lebih tingkat kecepatan, yaitu

turbin yang biasanya berkapasitas kecil dan turbin ini kebanyakan

dipakai untuk menggerakkan kompresor sentrifugal.

b. Turbin impuls dan reaksi nekatingkat, yaitu turbin yang dibuat dalam

jangka kapasitas yang luas mulai dari yang kecil sampai yang besar.

2.5. Bagian-Bagian Turbin

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

dimaksudkan. Komponen atau bagian-bagian dari turbin tersebut dapat dilihat

[image:39.595.218.404.87.258.2]

Gambar 2.13. 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 p1 > pkr, maka

ekspansi uap yang terjadi hanya sampai tekanan p1, dalam hal ini digunakan nosel

konvergen, sedangkan untuk mendapatkan tekanan sisi keluar p1 < pkr dan

kecepatan superkritis c1 > ckr digunakan nosel konvergen divergen. Untuk

menentukan jenis nosel yang digunakan dalam perencanan ini, terlebih dahulu

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

2.6. Analisa Kecepatan Aliran Uap

Analisa kecepatan aliran uap yang melewati suatu sudu dapat digambarkan

sebagai berikut :

Gambar 2.14. Arah kecepatan uap pada sudu-sudu turbin.

[image:41.595.183.496.186.423.2]

(Sumber : Lit.1, hal 88)

Gambar 2.15. Segitiga kecepatan uap untuk turbin impuls dengan dua

tingkat kecepatan.

1. Kecepatan aktual uap keluar dari nosel (c1) :

c₁ =91,5ϕ H_o' (m/det)………...Lit.1, hal 80

dimana : Ho’ = besar jatuh kalor (entalphi drop) (kkal/kg)

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

2. Kecepatan teoritis uap keluar dari nosel (c1t)

ϕ1 1

c

c_t = (m/det)……...…...…...Lit.1, hal 24

3. Kecepatan tangensial sudu (u)

60 . . nd

u =π (m/det)……….Lit.1, hal 85

dimana : d = diameter pada turbin (m)

n = putaran poros turbin (rpm)

4. Kecepatan relatif uap masuk sudu gerak pertama (w1)

w₁ = c₁2 +u2 −2.c₁.u.cosα₁ (m/det)……….Lit.1, hal 33

5. Kecepatan mutlak radial uap keluar sudu gerak baris pertama (c1u)

1 1 1 c cosα

cu = (m/det)……….Lit.1, hal 76

6. Kecepatan mutlak radial uap keluar sudu gerak baris kedua (c2u)

c_2u =c₂cosα₂ (m/det)………..……..Lit.1, hal 76

7. Sudut masuk sudu gerak baris pertama (β1)

1 1 1 1

sin sin

w

c α

β = (m/det…………...Lit.1, hal 34

8. Sudut uap keluar dari sudu gerak pertama (β2)

9. Kecepatan mutlak uap keluar dari sudu gerak pertama (w2)

w₂ =ψ.w₁ (m/det)………Lit.1, hal 34

Dimana : ψ = koefisien kecepatan pada dinding sudu gerak

10.Kecepatan relatif uap masuk ke sudu pengarah (c2)

2 2

2 2 2

2 w u 2.w .u.cosβ

c = + − (m/det)……….Lit.1, hal 34

11.Kecepatan mutlak uap keluar dari sudu pengarah (c₁,)

c₁'=ψ_gb.c₂ (m/det)………...Lit.1, hal 85

12.Kecepatan teoritis uap keluar dari sudu pengarah (c’1t)

gb t

c c

ψ 1

1 '

' = (m/det)……… Lit.1, hal 85

Dimana : ψgb = koefisien kecepatan pada dinding sudu pengarah

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

α’1 = α2- (3°−5°) (m/det)..………….………….Lit.1, hal 85

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

1 1

2 2 1

1 ' 2. '. .cos '

' c u c u α

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

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

1 1

1 ' cos '

' c α

c _u= (m/det)……….Lit.1, hal 85

16.Sudut masuk sudu gerak kedua ( β’1 )

1 1 1 1

' ' sin ' ' sin

w

c α

β = (m/det)………... Lit.1, hal 85

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

18.Kecepatan relatif uap keluar dari sudu gerak kedua (w’2)

1 2 . '

' w

w =ψ (m/det)………....Lit.1, hal

85

Dimana : ψ = koefisien kecepatan pada dinding sudu gerak

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

c'₂= w'₂2+u2−2.w'₂.u.cosβ'₂ (m/det)………...………..…...Lit.1, hal 85

20.Sudut keluar sudu gerak kedua ( α’2 )

2 2 2 2

' ' sin ' ' sin

c

w β

α = (m/det)……..………...Lit.1, hal 85

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

1 2

2 ' cos '

' c α

c _u= (m/det)………Lit.1, hal 85

2.7. 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

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.

2.7.1. 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

awal (∆P) diperkirakan sebesar

( 3 − 5 ) % dari Po [ Menurut Lit.1 hal. 59 ].

Dimana ∆P = Po – Po’ , pada perencanaan ini diambil kerugian pada katup

pengatur sebesar 5% dari tekan masuk turbin atau dapat di tuliskan :

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

∆H = 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 ∆P = 5%Po.

Adapun gambar 2.16. menunjukkan proses ekspansi uap melalui

mekanisme pengatur beserta kerugian-kerugian yang lainnya yang diakibatkan

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

[image:46.595.154.492.193.476.2]

lebar dapat diandaikan sebesar 5 % dari tekanan uap segar Po [ Lit. 1 hal 59 ].

Gambar 2.16. Proses ekspansi uap di dalam turbin beserta

kerugian-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.

kg kj c

c

h_n t /

2000 2 1 1 2 −

= ………...Lit.1 hal 25

dimana :

hn = besarnya kerugian pada nosel

cit = kecepatan uap masuk nosel teoritis

ϕ = koefisien kecepatan pada dinding nosel (0,93 s/d 0,98) c1 = kecepatan aktual uap keluar dari nosel

Untuk tujuan perancangan, nilai-nilai koefisien kecepatan nosel dapat

diambil dari grafik yang ditunjukkan pada gambar dibawah ini :

Gambar 2.17. Grafik untuk menentukan koefisien kecepatan ϕ sebagai

fungsi tinggi nosel.

(sumber : Lit.1, hal 61)

3. Kerugian energi pada sudu gerak

Kerugian pada sudu gerak dipengaruhi beberapa faktor yaitu :

• 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 w2

Kerugian kalor pada sudu gerak pertama

2000 2 2 2 1 ' w w

hb

−

= (kJ/kg)…...Lit.1, hal 85

Kerugian pada sudu gerak baris kedua

2000 ' '₁2 ₂2 " w w

h_b = − (kJ/kg)……...Lit.1, hal 86

dimana :

w1 = kecepatan relatif uap masuk sudu gerak I

w2 = kecepatan relatif uap keluar sudu gerak I

w’1 = kecepatan relatif uap masuk sudu gerak II

w’2 = kecepatan relatif uap keluar sudu gerak II

Untuk keperluan rancangan maka faktor ψ dapat diambil dari grafik

berikut dibawah ini:

Gambar 2.18. Grafik untuk menentukan koefisien kecepatan ψ untuk berbagai

panjang dan profil sudu.

(Sumber : Lit.1, hal 62)

4. Kerugian energi pada sudu pengarah

2000 2 1 2 2 c

c

h_gb = − (kJ/kg)……….Lit.1, hal 64

5. Kerugian energi akibat kecepatan keluar

Uap meninggalkan sisi keluar dari sudu gerak dengan kecepatan mutlak

akibat kecepatan uap keluar c’2 tersebut untuk tiap 1 kg uap dapat ditentukan

dengar menggunakan rumus seperti dibawah ini.

2000 '2₂ c

he = (kJ/kg)………..Lit.1, hal 63

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:

187 , 4 . 427 102

. _oca

m Ng a

hge = (kJ/kg)………...Lit.1, hal 64

dimana :

o

m = 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 dilakuakn

dengan memakai rumus berikut :

( )

kW l

n d a

Nge. =β⋅10−10⋅ 4⋅ 3⋅ ⋅γ ………...Lit.1 hal 64

dimana :

β = koefisien yang sama dengan 2,06 untuk cakram baris ganda d = diameter cakra yang diukur pada tinggi rata-rata sudu (m)

n = putaran poros turbin (rpm)

l = tinggi sudu (cm)

7. Kerugian energi pada ruang bebas pada turbin impuls

Ada perbedaan tekanan di antara kedua sisi cakram nosel yang dipasang

pada stator turbin, sebagai akibat ekspansi uap di dalam nosel. Diafragma yang

mempunyai sudu-sudu gerak adalah dalam keadaan berputar,

sementara cakram-cakram adalah dalam keadaan diam sehingga selalu ada ruang

bebas yang sempit antara cakram-cakram putar dan diafragma.

Tekanan sebelum melewati diafragma adalah P1 dan tekanan sesudah

cakram yang mempunyai sudu-sudu gerak adalah P2. Oleh sebab itu, seluruh

penurunan tekanan yang terjadi pada perapat labirin dari P1 hingga ke P2

didistribusikan diantara ruang-ruang A, B, C, D, E, dan F. Adanya perbedaan

tekanan menyebabkan adanya kebocoran melalui celah ini, yang besarnya :

h kebocoran = kebocoran_o o

m m

( i0 - i2) (kJ/kg)……...Lit.1, hal 64

Dimana m’ kebocoran ditentukan berdasarkan tekanan kritis, yaitu :

Pkr =

5 , 1 85 ,

0 ₁

+ ⋅

z P

[image:50.595.147.449.435.649.2]

...Lit.1, hal 67

Gambar 2.19. Celah kebocoran uap tingkat tekanan pada turbin impuls.

(sumber : Lit.1, hal 62)

Bila tekanan kritis lebih rendah dari P2, maka kecepatan uap di dalam

labirin adalah lebih rendah daripada kecepatan kritis dan massa alir kebocoran

o

mkebocoran = 100 fs

1 1

2 2 2

1 )

(

υ zP

P P

g − _{(kg/det)………....Lit.1, hal 67}

sebaliknya, bila tekanan kritis lebih tinggi dari P2 , maka kecepatan uap adalah

lebih tinggi dari kecepatan kritisnya dan massa alir kebocoran dihitung :

o

mkebocoran = 100 fs

1 1 5 ,

1 v

P z

g _×

+ ………...Lit.1, hal 67

2.7.2. Kerugian-kerugian Luar

1. Kerugian Mekanis

Kerugian mekanis disebabkan oleh energi yang digunakan untuk

mengatasi tahanan yang diberikan oleh bantalan luncur, seperti bantalan luncur

generator atau mesin yang dihubungkan dengan poros turbin.

2.8. Efisiensi Turbin Uap

1.Efisiensi relatif sudu

Hubungan antara kerja satu kilogram uap Lu pada keliling cakram yang

mempunyai sudu-sudu gerak terhadap kerja teoritis yang dapat dilakukannya

adalah :

u u u

u

i i

L A L L

− = =

0 0

.

η ...Lit.1, hal 71

2. Efisiensi relatif dalam (Internal relatife eficiency)

Hubungan antara kerja yang bermanfaat yang dilakukan oleh sudu dengan

1 kg uap pada tiap tingkat atau di dalam turbin terhadap kerja teoritis yang

0 1 0 2 0 0 0 ' H H i i i i L L _i t i i = −− = =

η ……...Lit.1, hal 71

3. Efisiensi termal

Hubungan antara penurunan kalor adiabatik teoritis di dalam turbin dan

kalor yang tersedia dari ketel adalah :

q i i i q i H t t − − = − = 0 1 0 0 0

η ...Lit.1, hal 71

4. Efisiensi relatif efektif

Hubungan antara efisiensi mekanis dengan efisiensi internal turbin adalah

:

i m re η .η0

η = ...Lit.1, hal 71 Besarnya efisiensi mekanis ditentukan dari gambar diatas sedangkan

efisiensi efektif relatif dapat ditentukan berdasarkan grafik [lit. 2, hal. 88]

Daya dalam turbin dapat dituliskan sebagai berikut :

• Daya dalam turbin

102 . . 427 0 i i H m

N = (kW) ...Lit.1, hal 71

• Daya efektif atau daya poros yang dihasilkan pada turbin adalah :

i m

ef N

N =η . ...Lit.1, hal 72

Daya efektif turbin dapat juga diperoleh dari hubungan antara daya yang

dibangkitkan pada terminal generator Ne dan effisiensi generator ηg, yaitu :

efektif e g N N =

BAB III

PRINSIP DAN PERHITUNGAN TURBIN IMPULS SERTA

ANALISIS ALIRAN UAP MELALUI SUDU TURBIN

3.1. Dasar Teori Impuls

3.1.1. 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=mv...(3.1)

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 = mv. 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

F= t p

∆

∆ _...(3.2)

Dimana : F = gaya total yang bekerja pada benda

p

∆ = perubahan momentum

t

∆ = 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 :

a = dt dv

, maka

F = m. dt dv

F.dt = m.dv

Kalau v1 adalah kecepatan ketika t = t1 dan v2 adalah kecepatan ketika t = t2, maka

:

∫

2 1 t

t F.dt =

∫

2 1 v

v m.dv

∫

2 1 t

t F.dt = m. v2 – m. v1 = m ( v2 – v1 )

Bila t1 = 0 dan t2 = t, maka :

F.t = m ( v2 – v1 )

F = o

3.1.2. Asas Impuls Pada Turbin

Pada roda turbin terdapat sudu dan fluida kerja mengalir melalui ruang di

antara sudu tersebut. Apabila jika ternyata 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

Gambar 3.1. Asas impuls pada sudu Turbin

Gambar 3.2. Impuls pada penampang vertikal dan melengkung

3.2.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 3.3 menunjukkan prinsip aksi uap pada berbagai bentuk sudu.

Dapat ditunjukkan bahwa gaya Fu yang diberikan oleh uap pada berbagai bentuk

berbeda seperti ditunjukkan pada gambar 3.3, gaya-gaya ini dengan mudah dapat

dievaluasi.

Gambar 3.3. Prinsip aksi uap pada berbagai bentuk sudu.

Misalkan kecepatan awal uap pada sisi keluar nosel untuk ketiga

penampang tersebut adalah sama, sama dengan c1t, tetapi dalam arah yang

berbeda sesuai dengan permukaan yang menerimanya.

Kasus (a)

Uap dengan kecepatan awal c1t 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,

Dengan mensubstitusikan kecepatan-kecepatan awal dan akhir uap c1t dan c2, kita

akan mendapatkan gaya yang diberikan yang searah dengan kecepatan c1t.

F1 = o

m ( c1t – c2 )

F1 = o

m ( c1t – 0 )

F1 = o m . c1t

Kasus (b)

Dengan mengabaikan kerugian akibat gesekan pada permukaan yang

melengkung, akan diperoleh

c2 = – c1t

Jadi gaya F2 yang bekerja searah dengan kecepatan c1t dari persamaan (3.3), akan

sama dengan :

F2 = o

m ( c1t – c2 )

F2 = o

m ( c1t + c2 )

Kasus (c)

Dengan tetap mengabaikan kerugian-kerugian pada permukaan sudu seperti pada

kasus (b), sekali lagi diperoleh

c2 = – c1t

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 F3 yang bekerja pada benda tersebut. Dan oleh sebab itu segera terbukti

bahwa pada kecepatan c1t dan c2 harus disubstitusikan nilai-nilai proyeksi

Komponen-komponen kecepatan c1t dan c2 yang searah dengan garis aksi

F3, dengan demikian adalah sama dengan :

c’1t = c1t cos α1

c’2 = c2 cos α1

jadi

F3 = o

m ( c’1t – c’2 )

F3 = o

m ( c1t cos α1+c2 cos α1 )

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).

3.3. 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 β₁ dan sudut keluar β₂ yang sama. Bentuk turbin

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

[image:60.595.245.408.455.590.2]

dipakai pada turbin uap Curtis dan bentuk yang kedua dipakai turbin uap Rateau.

Gambar 3.4. 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

Gambar 3.5. Aliran uap pada nosel.

3.4. Perubahan Energi Thermal Menjadi Energi Kinetis

Ci

Co

Po To

Pi

o

[image:61.595.194.436.85.348.2]

i

Gambar 3.6. 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

masuk. Dengan hukum kekekalan energi disebutkan bahwa energi sebelum dan

sesudah nosel harus sama (Lit 2 hal 93), maka :

1000 . 2

2

o c

+po.vo+uo=

1000 . 2

2

i c

+ pi.vi + ui kJ/kg………...(3.4)

; p.v + u = h, maka :

1000 . 2

2

o c

+ ho =

1000 . 2

2

i c