BAB II Teori Turbin Uap

BAB II

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

TINJAUAN PUSTAKA

II. 1.

II. 1.Sistem PembangkitSistem Pembangkit

Menurut hukum thermodinamika energi tidak bisa diciptakan maupun Menurut hukum thermodinamika energi tidak bisa diciptakan maupun dihilangkan. Akan tetapi energi bisa dirubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. dihilangkan. Akan tetapi energi bisa dirubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya.

Karena tidak semua bentuk energi bisa bermanfaat langsung, ataupun Karena tidak semua bentuk energi bisa bermanfaat langsung, ataupun dapat didistribusikan kedalam kehidupan sehari

dapat didistribusikan kedalam kehidupan sehari  –  –  hari, maka pengkonversianhari, maka pengkonversian  bentuk

 bentuk energi energi sangat sangat krusial. krusial. Karena Karena kebutuhan kebutuhan akan akan energi energi khususnya khususnya energienergi listrik selalu meningkat secara eksponensial bersama dengan peningkatan tingkat listrik selalu meningkat secara eksponensial bersama dengan peningkatan tingkat  peradaban suatu manusia.

 peradaban suatu manusia.

Sebagaimana kita ketahui untuk menghasilkan energi listrik telah banyak  Sebagaimana kita ketahui untuk menghasilkan energi listrik telah banyak  dibangun berbagai jenis pembangkit energi listrik, baik itu merupakan dibangun berbagai jenis pembangkit energi listrik, baik itu merupakan Pembangkit energi listrik dengan sumber energi terbarukan ataupun tidak.

Pembangkit energi listrik dengan sumber energi terbarukan ataupun tidak.

II.1. 1.

II.1. 1.DefinisiDefinisi

Secara definisi ada dua definisi yang diketahui tentang pembangkit listrik  Secara definisi ada dua definisi yang diketahui tentang pembangkit listrik  yaitu :

yaitu :

Sebuah Unit Situs yang berfungsi untuk merubah jenis energi tertentu Sebuah Unit Situs yang berfungsi untuk merubah jenis energi tertentu menjadi energi listrik (

menjadi energi listrik ( Power Plant  Power Plant ))[1][1]

Sebuah Situs stasioner yang memiliki beberapa perangkat atau komponen Sebuah Situs stasioner yang memiliki beberapa perangkat atau komponen untuk mengkonversi bentuk energi skala besar dari salah satu jenis energi seperti untuk mengkonversi bentuk energi skala besar dari salah satu jenis energi seperti hidrolik, uap, atau lainya menjadi energy listrik (

Gambar 2.1 Gambar Situs

Gambar 2.1 Gambar Situs PembangkitPembangkit[p1][p1]

Sistem Pembangkitan daya atau pembangkit listrik merupakan penerapan Sistem Pembangkitan daya atau pembangkit listrik merupakan penerapan dari prinsip

dari prinsip –  – prinsip siklus dasar thermodinamika. Contohnya untuk pembangkitprinsip siklus dasar thermodinamika. Contohnya untuk pembangkit uap maka idealisasinya menggunakan siklus ideal rankine.

uap maka idealisasinya menggunakan siklus ideal rankine.

II.1. 2.

II.1. 2.Klasifikasi Pembangkit Listrik Klasifikasi Pembangkit Listrik 

Bila dilihat dari jenis energi yang digunakan untuk membangkitkan energy Bila dilihat dari jenis energi yang digunakan untuk membangkitkan energy listrik maka pembangkit Listrik dapat diklasifikasikan sebagai berikut :

listrik maka pembangkit Listrik dapat diklasifikasikan sebagai berikut :

II.1.2.1.

II.1.2.1.Energi ThermalEnergi Thermal

Dalam pembangkit listrik tenaga thermal daya dihasilkan dari mesin Dalam pembangkit listrik tenaga thermal daya dihasilkan dari mesin  penghasil

 penghasil panas panas “h“heateat engine” yang mengubah energengine” yang mengubah energi thermal menjadi energii thermal menjadi energi  putar atau mekanik 

 putar atau mekanik [[2]2]

II.1.2.1.1.

II.1.2.1.1. Klasifikasi Pembangkit Listrik Tenaga Klasifikasi Pembangkit Listrik Tenaga ThermalThermal  pembangkit

 pembangkit listrik listrik tenaga tenaga thermal thermal sendiri sendiri dapat dapat diklasifiksikan diklasifiksikan atas atas duadua kriteria yaitu :

a.

a. Sumber bahan bakar:Sumber bahan bakar:

klasfikasi dari pembangkit energi thermal antara lain : klasfikasi dari pembangkit energi thermal antara lain : 

 Bahan Bakar FossilBahan Bakar Fossil 

 Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir  

 Energi GeothermalEnergi Geothermal 

 Pembangki listrik Bertenaga BiomasaPembangki listrik Bertenaga Biomasa 

 Sisa Panas dari Proses IndustriSisa Panas dari Proses Industri 

 Energi Panas MatahariEnergi Panas Matahari b.

b. Penggerak Utama :Penggerak Utama :

Bila dilihat dari penggerak utamanya maka pembangkit Listrik dibedakan Bila dilihat dari penggerak utamanya maka pembangkit Listrik dibedakan menjadi :

menjadi : 

 Turbin UapTurbin Uap 

 Turbin GasTurbin Gas 

 Siklus GabunganSiklus Gabungan 

 Mesin Pembakaran internal dengan Prinsip torak Mesin Pembakaran internal dengan Prinsip torak  

 Microturbine, stirling engineMicroturbine, stirling engine

II.1.2.1.2.

II.1.2.1.2. Siklus ThermodinamikaSiklus Thermodinamika

Sistem Pembangkitan daya atau pembangkit listrik merupakan penerapan Sistem Pembangkitan daya atau pembangkit listrik merupakan penerapan dari prinsip

dari prinsip –  – prinsip siklus dasar thermodinamika. Contohnya untuk pembangkitprinsip siklus dasar thermodinamika. Contohnya untuk pembangkit uap maka idealisasinya menggunakan siklus ideal rankine.

a. Siklus Carnot

Pertama diusulkan tahun 1824 oleh insyinyur berkebangsaan perancis Sadi Carnot. Siklus ini terdari dari empat proses reversible dua isothermal dan dua adiabatic yang dapat dilaksanakan baik dalam sistem tertup maupun tunak .[2

Gambar 2.2. Skema Siklus Carnot[p2]

b. Siklus Brayton

Pertama diuslkan oleh George Brayton sekitar taun 1870. Siklus ini digunakan untuk pada gas turbin, dibuat dalam siklus terbuka, dimana proses kompresi dan ekspansi berlangsung dalam rotating Machienaery.[2]

Siklus turbin gas dapat dimodelkan sebagai siklus tertup dengan menambahkan asumsi standar udara. Proses pembakaran digantikan dengan  penambahan energi termal adiabatik. Proses pembuangan diganti dengan proses  penghilangan energi termal adiabatik kedalam udara lingkungan. [2]

Siklus Ideal Brayton terbagi atas empat proses yaitu :  1-2 Kompresi Isentropik (Kompresor),

 2-3 Penambahan Energi Thermal Isobarik,  3-4 Ekpansi Isentropik (Turbin),

Gambar 2.3 Skema Siklus Brayton[p2]

c. Siklus Rankine

Merupakan siklus ideal untuk pembangkit uap. Siklus ini tidak  mengikutsertakan sedikitpun proses yang irreversible dan terdiri dari empat  proses.[2]yaitu :

 3-4 Kompresi Isentropic di Pompa

 4-1 Penambahan Energi Termal isobaric di Boiler   1-2 Ekspansi Uap Isentropic di Turbin

d. Siklus Kombinasi Gas dan Uap

Pencarian terhadap efisiensi termal telah menghasilkan modifikasi inovatif  terhadappembangkit listrik konvensioanal. Yaitu “the binary vapor cycle” atau  biasa disebut siklus kombinasi gas – vapor atau bisaisebut juga siklus kombinasi, yang mengkombinasikan siklus rankine dan siklus brayton yang memiliki efisensi lebih tinggi bila dibandingkan dengan salah satu siklus bila dilaksanakan secara terpisah.[2]

Gambar 2.5 Skema Siklus Kombinasi Gas dan Uap[p2]

e. Siklus Diesel dan Siklus Otto

Adalah siklus yang digunakn sebagai siklus ideal dari motor bakar torak. Siklus otto sebagai siklus yang digunakan untuk motor bakar torak berbahan  bakar bensin dan siklus diesel untuk motor bakar torak berbahan bakar minya

diesel. Perbedaan dari kedua siklus tersebut adalah pada proses  –  prose yang dilakukan pada siklus tersebut.

Gambar 2.6. Skema Siklus Diesel dan Otto[p3]

II.1.2.2. Jenis Energi Lain

Terdapat beberapa jenis pembangkit energi lain yang juga sangat  bermanfaat bagi masyarakat dalam menghasilkan energi listrk seperti Pembangkit

listrik tenaga Air, tenaga Angin maupun tenaga Surya. a. Pembangkit listrik Tenaga Air

Pembangkit Listrik tenaga air menghasilkan listrik yang berasal dari energy potensial dan kinetic hidrolis air. Yang memiliki prinsip sebagai berikut :

Air ditampung di dalam dam yang kemudian dialirkan ke turbin yang dikopelkan ke generator sehingga mengkonversi energi hidrolis air tersebut menjadi energi listrik,[3]

Gambar 2.7. Pembangkit Listrik Tenaga Air [p5]

b. Pembangkit Listrik Tenaga Angin

Pembangkit listrik menghasilkan listrik yang berasal dari energi kinetik dari angin. Prinsipnya adalah angin yang bergerak memutarkan  poros yang dihubungkan ke generator sehingga dapat menghasilkan listrik.

[en.wikipedie.org]

Gambar 2.8. Pembangkit Listrik Tenaga Angin [p5] c. Pembangkit Listrik Tenaga Surya

Tenaga surya adalah konversi sinar matahari menjadi listrik , baik  secara langsung menggunakan photovoltaic (PV), atau tidak langsung menggunakan tenaga surya terkonsentrasi (CSP). Sistem tenaga surya terkonsentrasi menggunakan lensa atau cermin dan sistem pelacakan untuk 

fokus area besar sinar matahari menjadi sinar kecil. Fotovoltaik mengubah cahaya menjadi arus listrik dengan menggunakan efek  fotolistrik [en.wikipedie.org]

Gambar 2.9. Pembangkit Listrik Tenaga Air [p5]

II.2 Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Uap

Siklus pembangkit Uap adalah pembangkit dimana penggerak utamanya adalah Uap. Air pertama dipanaskan hingga berubah menjadi uap dan memutar  turbin uap. Sehingga memutarkan generator listrik. Setelah uap keluar dari turbin . turbin dikondensasikan didalam kondensor dan didaur ulang menjadi air. Dimana  prinsip kerja ini dikenal dengan siklus Rankine[3]

II.2.1.Sumber Energi

Pembangkit listrik tenaga uap sendiri bias digunakan pada beberapa jenis sumber enegi yaitu :

1. Geothermal 2. Biomassa 3. Sampah 4. Batubara

II.2.2.Analisis Energi pada Siklus

Analisis energi dapat dilihat dari setiap komponen (alat-alat) yang terdapat  pada siklus Rankine dengan menggunakan asumsi bahwa komponen-komponen tersebut bekerja pada aliran tunak ( steady). Persamaan energi untuk sistem dengan aliran tunak yaitu:

                  

  _  _    

       (2.1)

Persamaan energi untuk masing-masing komponen dapat ditulis:  Pompa    _{}  _  _ (2.2)  Boiler         (2.3)  Turbin   _{}  _  _ (2.4)  Condenser         (2.5)

Dari persamaan diatas diperoleh_ yaitu:

         (2.6)

Efisiensi termal siklus Rankine dapat ditulis:

Q

Q

Q

W 

in out  in net _{ }  1   (2.7)

Pada kenyataannya terdapat kerugian dalam siklus Rankine yang terjadi karena:

1. Terjadi gesekan fluida yang menyebabkan turunnya tekanan di boiler dan kondensor sehingga tekanan uap pada saat keluar  boiler sangat rendah maka kerja yang dihasilkan turbin (Wout ) dan efisiensinya menurun. Hal ini dapat diatasi dengan meningkatkan tekanan fluida yang masuk.

2. Kalor yang hilang ke lingkungan menyebabkan kebutuhan kalor  (Qin) dalam proses bertambah sehingga efisiensi termalnya berkurang.

Penyimpangan pada siklus Rankine ditunjukkan oleh Gambar 2.10 dibawah ini.

Gambar 2.10 Siklus Rankine sebenarnya[p3]

Penyimpangan ini terjadi karena adanya irreversibilitas yang terjadi pada  pompa dan turbin, sehingga pompa membutuhkan kerja (Win) yang lebih besar 

dan turbin menghasilkan kerja (Wout ) yang lebih rendah seperti pada Gambar  2.11 dibawah ini.

Gambar 2.11 Siklus Rankine sebenarnya (a), Siklus Rankine isentropik (s) [p2]

Efisiensi pompa dan turbin yang mengalami irreversibilitas dapat dihitung dengan 1 2 1 2 h h h h W  W  a  s a  s  P 

_







  (2.8) a a  s a T  h h h h W  W  4 3 4 3       (2.9) dimana:

 2a & 4a, menyatakan keadaan yang sebenarnya pada turbin dan  pompa.

 2s & 4s, menyatakan keadaan isentropic.

Gambar 2.12. Skema Siklus pembangkit Listrik Tenaga Uap[p2] Pada dasarnya prinsip kerja turbin uap adalah siklus rankine, dimana uap  berasal dari air yang dipompa kedalam boiler dan dirubah fasanya menjadi Uap super panas di boiler tersebut. Proses tersebut dilakukan secara kontinu dan simultan. Setelah itu uap masuk kedalam turbin dan didalam turbin tersebut energi thermal dari uap dikonversikan menjadi energi putar atau mekanik didalam turbin.

Energi mekanik tersebut digunakan untuk mnggerakkan generator  sehingga dapat menghasilkan arus listrik.

Uap yang telah digunakan kemudian dikondensatkan sehingga dapat digunakan kembali didalam siklus.

II.2.4.Komponen Pembangkit Listrik Tenaga Uap

Komponen – komponen utama dari pembangkit listik tenaga uap adalah : 1. Boiler 

2. Tubin Uap 3. Kondensor  4. Pompa

II.2.4.1.Boiler

Boiler adalah sebuah bejana tertutup dimana air atau cairan dipanaskan. Cairan atau Uap yang telah dipanaskan keluar dari boiler dalam bentuk uap untuk  digunakan dalam beberapa proses atau aplikasi pemanasan[4][5][6]

Gambar 2.13. Boiler [p4]

II.2.4.1.1.Material Boiler

Bejana tekan dalam boiler biasanya dibuat dari baja (baja paduan), atau dalam sejarnya dibuat menggunakan besi mentah. Stainless steel dilarang (oleh Kode boiler ASME) untuk digunakan di bagian yang terbasahi dari boiler, tapi stainless steel biasa digunakan dalam bagian superheater yang tidak tersentuh secara langsung terhadap air dalma boiler. Dalam “live steam boiler” tembaga dan kuningan kadang juga digunakan karena mudah dibentuk dan mudah dibuat untuk   boiler dengan kapasitas lebih kecil.

II.2.4.1.2.Bahan Bakar (Fuel)

Asal dari panas yang digunakan pada boiler adalah hasil pembakaran dari  berbagai jenis bahan bakar, contohnya : kayu, batubara, minyak, atau Gas Alam.

Sedangkan Boiler sistem elektrik menggunakan resistansi atau imersi dari  pemanas listrik, Ada juga penggunaan Nuklir yang biasa disebut Nuklir Fisi sebagai sumber dari panas yang digunaka pada boiler. Tapi ada yang menggunakan panas hasil sisa dari proses lainya yang biasa dinamakan  Heat  recovery Steam Generator (HRGRs, contohnya seperti gas turbin.

II.2.4.1.3.Konfigurasi / Jenis Jenis Boiler

Ada beberapa jenis konfigurasi dari boiler. Yang bergantung dari mekanisme penghasilan uap, seperti:

 "Pot boiler"  atau"Haycock boiler" : adalah ketel uap primitif 

dimana api memanaskan ketel tersebut dari bawah. Tipe dari oiler ini menghasilkan uap dengan tekanan sangat rendah

 “fire Tube boiler”. : Jenis ini mengisi tong boiler dengan sedikit

 jumlah air yang hanya cukup mengakomodasi uap. Tipe jenis ini memiliki tungku (firebox) yang kemudian dialirkan kedalam pipa  –  pipa. Yang nantinya akan memanaskan air sehingga menjadi uap.

o Water Tube Boiler . : Pada jenis Ini tabung air disusun dalam ruang pembakaran (Oven) dengan beberapa jenis konfigurasi. biasanya jenis ini ada tabung yang mengubungkan antara tabung besar yang berisi air dengan tabung yang berisi uap .

Gambar 2.15. Water Tube Boiler[p5] 

 Fire-tube boiler dengan Water-tube firebox.

Jenis ini merupakan penggabungan antara firetbe dan water tbe tapi aplikasi dari boiler tipe jenis ini tidak terlalalu banyak diaplikasikan

II.2.4.2.Turbin Uap

Turbin uap adalah suatu penggerak mula yang mengubah energi potensial uap menjadi energi kinetik dan energi kinetik ini yang selanjutnya diubah menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran poros tubin. Poros turbin tersebut langsung atau dengan bantuan roda gigi reduksi, dihubungkan dengan mekanisme yang digerakkan. Tergantung pada jenis mekanisme yang digerakkan turbin uap dapat digunakan pada berbagai bidang industri, seperti untuk pembangkit listrik.

Gambar 2.16 Tu r bin e generator system [1 ]

II.2.4.2.1 Komponen Utama Turbin Uap

Secara umum komponen-komponen utama dari sebuah turbin uap ters usun atas

:

Gambar 2.17 Potongan Secara Melintang Sebuah Turbin Uap

  Nosel ( Nozzle)

kemampuan dalam menurunkan tekanan batasan tersebut dinamakan tekanan kritis.

Gambar 2.18 Skema Nosle Konvergen

Tekanan kritis (Pkr) pada nosel dari penyelidikan penyelidikan teoritis dan  percobaan, diketahui bahwa uap yang mengalir melalui nosel dengan penampang  jenis konvergen dimana uap berekspansi didalamnya dan mencapai nilai minimum tertentu pkr. Yang sama dengan 0,577 dari tekanan awal untuk uap kering jenuh, dan 0,546 dari tekanan awal untuk untuk uap panas lanjut

Pada turbin uap nosel dibagi menjadi dua kategori berdasarkan tekanan awal dan akhir uap sebelum dan sesudah nosel,yaitu

o  Nosel konvergen

 Nosel yang mempunyai laluan dengan luas penampang yang mengecil secara seragam.

Gambar 2.19 Skema Nosle Konvergen

dimana ujung sisi keluar memiliki luas penampang yang minimum dalam hal ini nosel dapat mengekspansi tekanan uap sampai pada tekanan kritisnya

o  Nosel konvergen-difergen

 Nosel yang memiliki laluan penampang yang mengecil yang sering disebut leher(throat ) dan kemudian membesar.

Gambar 2.20 Skema Nosel Konvergen-Di vergen

Kelebihan nosel konvergen yaitu dapat mengekspansi tekanan lebih dari tekanan kritisnya

Sudu merupakan sebuah sebuah alat yang mengkonversi energ kinetik yang didapat dari nosel dan mengubahnya menjadi putaran pada poros.

Gambar 2.21 Sudu Turbin Jenis Impulse

 Cakram

Cakram merupakan dudukan dari sudu yang menghubungkan dan menghantarkan energi yang didapat sudu menuju poros turbin uap

Gambar 2.22 Cakram

 Poros ( shaft )

Merupakan komponen utama pada turbin uap yang berfungsi menghatarkan daya torsi yang diperoleh sudu serta sebagai tempat dudukan cakram

Gambar 4.23 Poros Turbin Yang Sedang Dimesin

 Bantalan (bearing )

Bantalan berfungsi sebagai tumpuan poros dan meminimalkan gesekan pada  poros. Bantalan yang dipakai pada turbin uap umumnya berupa bantalan aksial

dan bantalan radial.

 Kopling

Fungsi kopling adalah sebagai penghubung mekanisme poros dan generator dan  juga berfungsi mentransmisikan daya poros rotor menuju poros generator 

Gambar 2.25 Kopling Tetap Pada Turbin Uap

 Paking labirin

Paking labirin berfungsi mencegah kebocoran uap pada turbin uap

Gambar 2.26 Foto Dan Skema Paking Labirin

 Rumah Turbin (casing )

Rumah turbin berfungsi sebagai tumpuan utama berbagai mekanisme turbin uap dan berbagai komponen lainnya

Gambar 2.27 Casing Turbin Uap Buatan AEG

II.2.4.2.2 Klasifikasi Turbin Uap

Turbin uap dapat diklasifikasikan ke dalam beberapa kategori sebagai berikut :  Menurut jumlah tingkat tekanan:

o Turbin dengan tingkat tunggal ( singel stage turbine)

Diamana turbin jenis ini banyak dipakai untuk menggerakan mesin kompresor  ataupun yang sejenisnya.

o Turbin dengan tingkat banyak (multi stage turbine)

Dimana turbin jenis ini dibuat untuk jangka kapasitas yang luas mulai dari yang kecil hingga yang besar.

 Menurut arah alir uap

o Turbin aksial

Turbin dimana arah aliran uap sejajar dengan sumbu turbin o Turbin radial

 berdasarkan konstruksi, penurunan kalor, kondisi-kondisi awal dan akhir, serta  pemakaiannya dalam bidang industri.

Berdasarkan tekanan uap yang digunakan untuk menggerakkan menggerakan roda  jalan melalui sudu, maka turbin uap dibagi menjadi:

1) Turbin Impuls atau sering disebut turbin aksi ataupun turbin tekanan tetap. Pada turbin jenis ini uap mengalami ekspansi hanya pada nozzle saja sehingga tekanan uap sebelum sudu dan sesudah sudu tetap.

2) Turbin Reaksi atau turbin tekanan berubah. Pada turbin jenis ini uap mengalami ekspansi di dalam nozzle maupun sudu-sudu turbin, sehingga tekanan uap setelah keluar dari tiap tingkat sudu mengalami penurunan dari tingkat sebelumnya.

1. Berdasarkan arah aliran uap di dalam turbin, maka turbin dapat dibedakan menjadi:

1) Turbin aksial, pada turbin ini fluida kerja mengalir dalam arah yang sejajar  terhadap sumbu turbin.

Contohnya turbin Parsons dan turbin Curtis.

2) Turbin radial, pada turbin ini fluida kerja mengalir dalam arah tegak lurus terhadap sumbu turbin.

Contohnya turbin Ljungstrom

2. Berdasarkan tekanan uap keluar turbin, turbin uap dapat dibedakan menjadi:

1) Turbin Kondensasi (Condensing Turbine)

Pada turbin ini saluran keluar dihubungkan langsung dengan kondensor, sehingga tekanan uap pada saluran keluar mendekati vakum.

Gambar 2.29 Skema turbin kondensasi 2) Turbin Tekanan Lawan ( Back Pressure Turbine)

Adalah turbin yang tekanan uap pada saluran keluarnya masih diatas 1 atmosfer, sehingga uap bekas masih dapat dimanfaatkan.

Gambar 2.30 Skema turbin tekanan lawan

3.1.1 Segitiga kecepatan pada turbin impuls

Karena sudu grak berputar, maka ada kecepatan realtif antara uap dan sudu gerak. Hubungan antara kecepatan sudu gerak dan kecepatan absolute uap adalah salah satu faktor yang menentukan efisiensi turbin sudu. Dalam pembahasan segitiga kecepatan , umumnya dipakai notasi-notasi sebagai berikut

 U = kecepatan keliling sudu gerak   W = kecepatan relatif uap terhadap sudu  C = Kecepatan absolut uap

Hubungan antara kecepatan-kecepatan tersebut adalah sebagai berikut: w u c    c₁ u₁ w1 2 2 2 u w c _{ }

Dalam arah tangensial :

w1u = w1.cos β1 c1u = c1.cos α1 w2u = w2.cos β2 c2u = c2.cos α2 Dalam arah aksial :

w1a = w1.sin β1 c1a = c1.sin α1 w2a = w2.sin β2 c2a = c2.sin α2

Dari segitiga kecepatan di atas diperoleh hubungan sebagai berikut : c1u = c2u + u

c2u = w2u - u + c1u + c2u = c2u+ w2u

Gambar 2.32 Koefisien kecepatan sebagai fungsi tinggi sudu (ld) [1 ]

dengan kecepatan putar n dan kecepatan tangensial u, maka kecepatan uap masuk  akan berubah besar dan arahnya. Kecepatan uap tersebut disebut sebagai kecepatan uap masuk relatif, w1 (gambar 4.9). Uap keluar dari sudu gerak baris  pertama dengan kecepatan absolut c2 akan membentuk sudut α2 terhadap arah  putaran cakram, sedangkan kecepatan relatifnya adalah w2dengan sudut β2.

Uap yang keluar dari sudu gerak baris pertama akan masuk ke sudu tetap (sudu pengarah) yang selanjutnya masuk ke sudu gerak baris kedua dan seterusnya.

Sudut serang nosel ( 1) dibuat sekecil mungkin untuk memperoleh gaya tangensial yang besar, namun karena dibatasi oleh konstruksi turbin uap, maka disarankan bahwa sudut 1 haruslah berada diantara 11o-14o (untuk tingkat-tingkat tekanan tinggi), yang secara berangsur-angsur 1 diperbesar (biasanya hanya dapat pada tingkat-tingkat tekanan rendah untuk turbin-turbin kondensasi) hingga ke 20o dan dalam hal khusus bahkan dapat dibuat lebih besar lagi yaitu 30o sampai 35o. Untuk turbin Curtis dengan dua tingkat kecepatan, 1 = 16o –  22o sedangkan untuk turbin Curtis dengan tiga kecepatan, 1= 20o – 24o.

Harga kecepatan tangensial sudu (u) dapat ditentukan untuk variasi harga u/c1 yang tertentu. Kecepatan tangensial merupakan kecepatan keliling turbin  pada diameter cakram rata-rata. Kecepatan tangensial dapat diperoleh dari  persamaan berikut: u = _      1 c u .c1 [m/s] (4.1)

Kecepatan tangensial terbesar pada tingkat tekanan terakhir turbin diatasi sampai 350 m/s. Perbandingan antara kecepatan keliling (tangensial) dan

kecepatan uap absolut, x = u/c1, merupakan variabel yang sangat penting dalam  perancangan turbin uap, khususnya dalam menentukan efisiensi internal relatif 

turbin (ηu). Dalam perhitungan, harga u/c1 diasumsikan terlebih dahulu dan sebagai perhitungan awal untuk berbagai tingkat kecepatan turbin, harga u/c1 dapat menggunakan batasan berikut.

Pada turbin bertingkat, diameter turbin pada setiap tingkatannya dibuat sedemikian rupa sehingga kenaikan diameter terjadi secara gradual dari tingkat  pertama sampai tingkat terakhir.

Untuk mempermudah dalam menentukan besar kecepatan dan sudut pada sudu turbin, maka perlu digambarkan segitiga kecepatan baik pada sisi masuk  maupun pada sisi keluar sudu.

Kecepatan relatif, w1 dapat ditentukan dari diagram segitiga kecepatan atau dengan persamaan matematika untuk aturan cosinus, yaitu :

1 1 2 2 1 1 c u 2.u.c .cos  w







[m/s] (4.3)

Besar sudut β1 adalah :

         1 1 1 1 1 . sin . sin w u        (4.4)

Biasanya sudut β2ditentukan sebagai berikut:

β2= β1- (2o – 10o) (4.5)

Pada sudu akan terjadi rugi-rugi energi yang menyebabkan kecepatan relatif w2 akan lebih kecil dari kecepatan relatif w1. Rugi-rugi energi tersebut dinyatakan sebagai koefisien kecepatan sudu(ψ) sehingga:

Harga koefisien kecepatan untuk sudu gerak maupun sudu tetap (pengarah) dapat diperoleh dari gambar.

Gambar 2.33 Koefisien Kecepatan Sebagai Fungsi Tinggi Sudu (Ld) [1]

Kecepatan absolut uap yang keluar dari sudu gerak (c2), dapat ditentukan secara grafis dari diagram kecepatan atau dengan menggunakan persamaan berikut:

2 2 2 2 2 w u 2.u.cos  c







[m/s] (4.7)

Uap keluar dari sudu gerak dengan sudut α2dan ditentukan dari persamaan :

         2 2 1 2 2 . sin . sin c u        (4.8)

II.2.4.2.3 Ekspansi Uap Pada Nosel

Pada nosel terjadi perubahan energi entalpi uap menjadi energi kinetik uap,  pros es tersebut dinamakan proses ekspansi atau proses pengembangan, karena volume spesifik uap keluar nosel membesar. Pada proses  pengembangan uap ini terjadi :

- Tekanan uap turun - Kecepatan uap naik  - Temperatur turun - Volume spesifik naik  - Entalpi turun

Jika tidak terjadi perpindahan panas dengan lingkungan, maka berdasarkan hukum kekekalan energi, energi total uap pada sisi masuk sama dengan pada sisi keluar nosel, yaitu :

2 2 2 1 1 2 0 0 v h v h _{   (4.9)} Dimana: 2 0 2 0 c v _{ ;} 2 1 2 1 c v  00 2 0 0 2 h v h _{ } 01 2 1 1 2 h v h _{ }

Pada nosel terjadi rugi-rugi energi yang akan menyebabkan berkurangnya kecepatan uap yang keluar dari nosel. Kerugian tersebut dinyatakan sebagai koefisien kecepatan φ, sehingga kecepatan absolut uap sewaktu meninggalkan nosel dapat ditentukan:

Harga φ dapat diperoleh dari gambar 4.12. Harga φ tergantung dari dimensi dan bentuk nosel yang besarnya hanya dapat ditentukan melalui eksperimen,  biasanya ant ara 0,9 1 s ampai 0,98.

II.2.4.2.4 Kerugian Energi Pada Turbin Uap

Pada suatu tingkat turbin, jumlah penurunan kalor yang benar benar  dikonversi menjadi enrgi mekannis pada poros turbin adalah kecil hal ini dikarenakan terdapat beberapa kerugian yang timbul pada turbin pada kenyataannya. Semua kerugian yang timbul pada turbin aktual dapat dibagi menjadi beberapa kelompok:

1 Kerugian dalam yaitu kerugian yang berkaitan dengan kondisi kondisi uap sewaktu uap tersebut mengair melalui turbin

2 Kerugian luar yaitu kerugian yang tidak mempengaruhi kondisi kondisi uap.

Jenis jenis kerugian luar dapat diklasifikasikan sebagai berikut  kerugian pada katup pengatur 

kerugian pada katup pengatur umumnya disebabkan oleh pencekikan (thottling)  pada katup tersebut. Kita dapat mengandaikan bahwa selama proses pencekikan kandungan kalor total uap per kilogram akan tetap sama, dengan kata lain h0 = konstan

Besarnya kerugian tekanan akibat pencekikan dengan katup pengatur terbuka lebar dapat diandaikan sebesar 5% dari tekanan uap segar ,oleh

 Kerugian pada nosel(sudu pengarah)

Kerugian kerugian energi kinetik uap sewaktu mengalir melalui laluan lauan nosel atau sudu pengarah akibat kerugian energi uap sebelum memasuki nosel, tahanan gesek dinding dinding nosel, gesekan akibat visikositas partikel, penyimpangan

aliran, penebalan lapisan batas, turbulensi pada olakan( kerugian olakan) dan kerugian pada dinding dinding di bawah sudu nosel, dll

Kerugian pada kecepatan uap yang keluar dari nosel telah dicakup oleh koefisien kecepatan nosel φ. Besarnya koefisien kecepatan sangat tergantung dari tinggi nosel dimana semakin kecil ukuran nosel maka koefisien kecepatan sudu juga akan semakin berkurang. Koefisien kecepatan sudu dapat dambil dari data berikut

Untuk coran kasar nilai φ = 0,93 - 0,94

Untuk nosel yang dicor dan di mesin f reis φ = 0,95 – 0,96 Untuk nosel yang difrais halus φ = 0,97 – 0,98

 Kerugian pada sudu gerak 

Kerugian pada sudu gerak disebabkan oleh beberapa faktor yaitu kerugian akibat olaka pada ujung belakang sudu kerugian akibat turbrukan, kerugian akibat kebocoran ua melingkar, kerugian akibat gesekan, kerugian akibat pembelokan semburan uap pada sudu dan kerugian akibat penyelubungan.

Kerugian total pada sudu telah dicakup oleh koefisien kecepatan sudu . Koefisien kecepatan sudu dapat diperoleh dari gambar 2. Untuk berbagai ukuran tinggi sudu

 Kerugian akibat gesekan cakram

Kergian terajdi diantara cakram turbin yang berputar dan uap yang menyelubunginya. Cakram yang berputar itu menarik partikel partikel yang ada di dekat permukaannya dan memberi gaya gaya yang searah dengan putarannya. Kerja yang digunakan untuk melawan gesekan dan partikel partikel uap ini akan dikonversi menjadi kalor. Hal ini menyebabkan bertambahnya kandungan kalor