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

PERANCANGAN TURBIN GAS PENGGERAK GENERATOR

PADA INSTALASI PEMBANGKIT TENAGA LISTRIK

DENGAN DAYA KELUARAN GENERATOR 130 MW

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

080421049

PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

BANTA ANDIKA GINTING

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

KATA PENGANTAR

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

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

Dalam kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada :

1. Kedua Orang Tua yang saya cintai yang telah banyak memberikan perhatian,

nasehat, doa dan dukungan moril maupun materil.

2. Bapak DR.ING.Ir.Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik

Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

3. Bapak Ir. Isril Amir selaku dosen pembimbing yang telah banyak meluangkan

waktunya untuk membimbing penulis selama ini.

4. Bapak Tulus Burhanuddin S. ST. MT sebagai dosen pembanding I dan Bapak

Ir. Mulfi Hazwi. MSc sebai dosen pembanding II yang telah meluangkan waktu dan pikirannya kepada penulis.

5. Bapak Ir.Syahrul Abda, M.Sc selaku koordinator PPSE Departemen Teknik

Mesin Universitas Sumatera Utara.

6. Seluruh staff pengajar dan pegawai di Departemen Teknik Mesin FT-USU

yang telah membantu penulis dalam hal administrasi.

7. Kepada rekan-rekan seluruh mahasiswa Mesin-EXT terutama stambuk 2008

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

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

Medan, 05 Mei 2010 Hormat Penulis

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR……….i

DAFTAR ISI……….iii

DAFTAR GAMBAR……….…vi

DAFTAR TABEL………...……viii

DAFTAR NOTASI………ix

DAFTAR LAMPIRAN………xii

BAB I PENDAHULUAN………...1

1.1 Latar Belakang……….1

1.2 TujuanPenulisan………...2

1.3 Pembatasan Masalah………2

1.4 Metodelogi Penulisan………...2

BAB II TINJAUAN PUSTAKA……….4

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

2.2 Analisa Termodinamika………...5

2.2.1 Analisa termodinamika pada kompresor………..8

2.2.2 Analisa termodinamika pada ruang bakar………9

2.2.3 Analisa termodinamika pada turbin……….9

2.2.4 Effisiensi siklus………..10

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

2.2.6 Generator………11

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

3.1.1 Penentuan putaran turbin………11

3.1.2 Temperatur masuk turbin………...12

3.1.3 Data spesifikasi dan teknis perencanaan………12

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

3.2.2 Proses pada ruang bakar……….16

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

3.2.4 Generator listrik……….21

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

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

3.2.7 Udara pembakaran……….25

3.2.8 Kerja netto………..25

3.2.9 Back work ratio………..25

3.2.10 Effisiensi thermal siklus……….25

3.2.11 Panas masuk………...26

3.2.12 Panas keluar………...26

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

3.2.14 Hasil analisa termodinamika………..27

BAB IV PERENCANAAN TURBIN………28

4.1 Parameter Perencanaan Turbin………..28

4.1.1 Klasifikasi Turbin Gas………...29

4.1.2 Jumlah Tingkat Turbin………...31

4.1.3 Kondisi Gas dan Dimensi Sudu……….31

4.1.4 Segitiga Kecepatan Gas………..33

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

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

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

4.5 Jumlah Sudu Tiap Tingkat Turbin……….53

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

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

BAB V PERHITUNGAN UKURAN-UKURAN UTAMA………63

5.1 Perencanaan Poros Turbin………..63

5.1.1 Perhitungan poros………...………...64

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

5.3 Tegangan Yang Timbul Pada Sudu Turbin………67

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

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

5.4 Periksaan Kekuatan Sudu………...72

5.5 Perencanaan Turbin Disk………...74

5.6 Perencanaan Pasak……….76

5.7 Perencanaan Bantalan………79

5.8 Sistem Pelumasan………..83

BAB VI KESIMPULAN……….88

DAFTAR PUSTAKA………...90

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Siklus Brayton sederhana……….2

Gambar 2.1 Turbin gas………...…….5

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

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

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

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

Gambar 3.3 Grafik factor kelebihan udara……….19

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

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

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

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

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

Gambar 4.2 Turbin aliran radial……….30

Gambar 4.3 Turbin aliran aksial………30

Gambar 4.4 Segitiga kecepatan pada sudu………33

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

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

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

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

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

Gambar 4.10 Geometri sudu turbin……….58

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

Gambar 5.1 Poros………..61

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

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

Gambar 5.4 Momen lentur pada sudu………70

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

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

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

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

Gambar 5.10 Bantalan luncur………..79

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

Gambar 5.14 Grafik variabel aliran……….84

Gambar 5.15 Grafik perbandingan aliran………85

Gambar 5.16 Grafik pemilihan jenis pelumas……….87

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Komposisi bahan bakar………..16

Tabel 3.2 Kebutuhan udara pembakaran………17

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

Tabel 4.2 Dimensi sudu turbin………...44

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

DAFTAR NOTASI

1. Simbol dari abjad biasa

Simbol Arti Satuan

A Luas annulus m2

AFR Perbandingan udara dengan bahan bakar kgudara/kgbahan bakar

C Kecepatan absolut gas m/s

C Panjang chord sudu M

Ca Kecepatan aliran fluida masuk kompresor m/s

Cpg Panas spesifik gas hasil pembakaran kJ/kg.K

Cx Panjang chord sudu arah aksial M

Dd Diameter luar cakra M

Dh Diameter lubang cakra M

DN Diameter hidrolis pada sudu diam M

DR Diameter hidrolis pada sudu gerak M

FA Gaya aksial sudu N

FAR Perbandingan bahan bakar dengan udara kgbahan bakar/kgudara

Fr Gaya tangensial sudu N

H Entalpy kJ/kg

K Conductivitas thermal W/m.K

LHV Nilai pembakaran bawah bahan bakar kJ/kg

ma Massa aliran udara kg/s

mf Massa aliran bahan bakar kg/s

mg Massa aliran gas hasil pembakaran kg/s

mp Massa aliran fluida pendingin kg/s

N Putaran Rpm

P Tekanan Bar

Pf Losses tekanan udara pada filter Bar

PG Daya generator MW

PT Daya turbin MW

R Jari-jari sudu M

Ra Konstanta udara kJ/kg.K

Rg Konstanta panjang pitch sudu M

Tc Temperatur fluida dingin K

Th Temperatur fluida panas K

U Kecepatan keliling m/s

V Kecepatan relatif gas m/s

W Lebar sudu M

W Kerja spesifik kJ/kg

WNetto Kerja spesifik kJ/kg

Z Jumlah sudu Buah

1. Simbol dari abjad Yunani (Greek Letters)

Simbol Arti Satuan

α1 Sudut masuk absolut gas pada sudu diam o

α2 Sudut keluar gas dari sudu gerak o

α3 Sudut keluar gas dari sudu diam o

β1 Sudut relatif kecepatan gas masuk sudu o

β2 Sudut relatif gas keluar sudu gerak o

βm Sudut relatif rata-rata sudu o

γ Konstanta adiabatik

-∆ Selisih harga -

cos φ Faktor daya -

φ Koefisien aliran gas -

Ξ Sudut pemasangan sudu o

σ Tegangan normal kg/mm2

τa Tegangan izin poros kg/mm2

τmax Tegangan maksimum poros kg/mm2

ωc Kecepatan sudut putar kritis Rad/s

η Efisiensi %

Ρ Massa jenis kg/m3

λ Sudut kecepatan gas o

ϕ Faktor kecepatan (angka kualitas) nosel -

ψ Koefisien pembebanan sudu -

DAFTAR LAMPIRAN

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

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

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

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

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

6. Lampiran 6 Tabel standarisasi……….102

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

BAB I PENDAHULUAN

1.1.Latar Belakang

Turbin gas merupakan suatu pesawat kalori yang tergolong dalam Internal

Combustion Engine (ICE) atau sering disebut dengan mesin pembakaran dalam.

Penggunaan turbin gas sebagai pembangkit tenaga listrik dan sebagai

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

Dengan pertimbangan diatas dan kemudahan untuk mendapatkan bahan bakar maka sangat tepat jika instalasi turbin gas dipilih sebagai penggerak generator untuk menghasilkan daya listrik pada sebuah pembangkit tenaga listrik baik dalam

system single (pembangkit listrik tenaga gas) ataupun dengan system combine

(pembangkit listrik tenaga gas dan uap).

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

1. Kompresor

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

2. Ruang bakar

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

3.Tubin

Gambar 1.1. Siklus Brayton sederhana

1.2. Tujuan Penulisan

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

1.3. Pembatasan Masalah

Pada penulisan tugas sarjana (skripsi) ini, permasalahan dibatasi pada:

a. Analisa Termodinamika

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

b. Perancangan komponen-komponen utama

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

c. Gambar penampang (gambar teknik) turbin gas

1.4. Metodologi Penulisan

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

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

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

c. Diskusi : berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing, dosen

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Sistem Kerja dan Start Turbin Gas

Penggerak mula yang digunakan pada system ini adalah motor diesel.

Motor diesel ini dihubungkan dengan accessory gear melalui torque converter

dan clute. Mula-mula motor diesel akan memutar kompresor, turbin dan generator

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

2.2. Analisa Termodinamika

a. Siklus Ideal

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

Siklus ideal adalah siklus yang dibangun berdasarkan asumsi sebagai berikut :

• Proses kompresi dan ekspansi berlangsung secara reversible dan adiabatic

isentropis

• Perubahan energi kinetic dari fluida kerja diantara sisi masuk dan sisi

keluar setiap kompresor diabaikan.

• Fluida kerja dianggap ideal dengan panas jenis konstan.

• Massa aliran gas dianggap konstan.

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

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

Proses-proses yang terjadi dari diagram tersebut diatas adalah sebagai berikut :

• Proses 1-2 : Proses kompresi isentropis pada kompresor.

• Proses 2-3 : Proses pembakaran pada tekanan konstan (isobar) didalam

ruang bakar, adanya pemasukan panas.

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

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

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

• Proses 1-2 : Kerja kompresor

Wk = h2 - h1 ( KJ / Kg udara )

• Proses 2-3 : Pemasukan panas

Qin = h3 – h2 ( KJ / Kg.gas produk )

• Proses3-4 : Kerja turbin

• Kerja netto siklus ( Wnet )

Wnet = Wr – Wk

= ( h3 – h4) – (h2 – h1)

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

( )

4 3 1

1 2

T T p

T T

r

=

= γ−γ

Dimana

r

_p adalah perbandingan tekanan (pressure ratio), yaitu :

4 3 1 2 4 3 1 2 p

Pr Pr Pr Pr P P P P

r

= = = =

b. Siklus Aktual

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

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

3. Proses yang berlangsung disetiap komponen tidak adiabatik dan

reversibel, karena ada kerugian energi akibat gesekan, perpindahan panas dan lain – lain.

4. Proses kompresi didalam kompresor tidak berlangsung secara isentropis.

5. Proses ekspansi didalam turbin tidak berlangsung secara isentropis.

6. Terjadi penurunan tekanan pada ruang bakar.

Gambar 2.3. Diagram T vs S (siklus aktual)

Dari gambar diatas terlihat bahwa :

• Proses kompresi berlangsung secara aktual, yaitu menurut garis 1–2a,

sedangkan pada proses ideal terjadi secara isentropis (1-2).

• Proses ekspansi juga berlangsung secara aktual, yaitu menurut garis 3-4a,

sedangkan pada proses ideal secara isentropis (3-4).

2.2.1. Analisa Termodinamika Pada Kompresor

Kerja spesifik ideal adalah kalor spesifik yang dibutuhkan untuk

menggerakkan kompresor ideal (Wk 1-2). Sedangkan kerja kompresor aktual

adalah kalor spesifik yang dibutuhkan untuk menggerakkan kompresor dengan

memperhatikan efisiensi kompresor karena pada dasarnya kompresor tidak pernah bekerja secara isentropis. Effisiensi kompresor merupakan perbandingan antara kerja kompresor pada siklus ideal dengan kerja kompresor sebenarnya, yaitu :

ka k k

W W

i

= η

1 ' 2

1 2 k

h h

h h

− − = η

Dengan menentukan effiensi kompresor menurut [lit 13, hal 198] untuk

2.2.2. Analisa Termodinamika Pada Ruang Bakar

Analisa termodinamika pada ruang bakar ini diperlukan untuk menentukan

perbandingan udara dengan bahan bakar (AFR)AKT yang diperlukan untuk

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

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

(

m

(

O

aN

bH

O

)

mCO

N

m

H

O

H

C

n a m n n b n

n

m ₄ 2 2 2 2 ₄ 2 _{4 4}  2

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

a = perbandingan volume N2 dengan O2 di udara

b = perbandingan volume H2O dengan O2 di udara

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

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

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

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

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

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

% 100 × − = AFR AFR AFR TH TH AKT λ

2.2.3. Analisa Termodinamika Pada Turbin

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

a a

T T T

W W = η

4 3

' 4 3 T

h h

h h

− − = η

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

2.2.4. Effisiensi siklus

Merupakan perbandingan antara jumlah kalor yang dimasukkan kesistem sebesar :

in net th

q W = η

(

) (

)

' 2 3

1 ' 2 ' 4 3 th

h h

h h h h

BAB III

PENETAPAN SPESIFIKASI DAN PEMBAHASAN MATERI

3.1. Spesifikasi Teknis Perencanaan

Seperti telah diutarakan pada Bab I, perancangan turbin gas ini adalah sebagai pembangkit daya listrik. Sebelum memulai perencanaan turbin pada

instalasi turbin gas, maka perlu kiranya untuk menganalisa sistem secara keseluruhan dengan analisa termodinamika untuk mendapatkan kondisi awal perencanaan.

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

3.1.1. Penentuan Putaran Turbin

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

• Jumlah pasang kutub : 2 pasang

• Frekuensi : 50 Hz

Maka putaran generator :

p xf n_g =120

2 50 120x

=

=3000 rpm

3.1.2. Temperatur Masuk Turbin

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

3.1.3. Data Spesifikasi Teknis Perencanaan

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

• Daya keluar generator : 130 MW

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

• Putaran turbin : 3000 rpm

• Temperatur lingkungan : 30˚C

• Tekanan barometer : 1,013 bar

• Temperatur masuk turbin : 975˚C

3.2. Analisa Termodinamika

Gambar 3.1 Diagram T-S (aktual) Siklus Brayton

3.2.1. Analisa termodinamika pada kompresor

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

1. Kondisi udara masuk kompresor :

Pa = Tekanan barometer (1,013 bar)

Ta = Temperatur lingkungan (30˚C)

= 30 + 273 K = 303 K

γ = Konstan adiabatik

= 1,4 (untuk udara)

Sehingga : _P1=_Pa−_Pf

Dimana, _Pf= Proses tekanan pada saringan udara masuk kompresor

= 0,01 bar (hasil survey) Maka:

P1= 1,013 - 0,01

Dengan demikian akan diperoleh suhu keluar saringan udara :

T1=

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

T1= 302,14 K

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

h1=302,34 KJ/Kgudara

2. Kondisi udara keluar kompresor

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

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

r

[Lit 4, Hal 296]

Dimana,

r

_p= Perbandingan tekanan optimum

Tmax= T3= Temperatur masuk turbin = 1248 K

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

Maka,

r

p=

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

r

p= 12,0

P P2=

r

p× 1

P2= 12 x 1,003

P2= 12,036 bar

k k P P T T 1 1 2 1 2 −       =

( )

12 1,4 302,14 1 4 , 1 2 x T − =

Maka setelah diinterpolasi dari tabel property udara diperoleh :

h

2= 622,3046 Kj/Kg

3. Kerja kompresor

• Kondisi ideal kompresor

Kerja kompresor ideal adalah :

h

h

WKi= 2− 1

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

Untuk menentukan keadaan pada titik 2, yaitu keadaan aktualnya maka

ditetapkan

η

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

198]

Maka kerja aktual kompresor adalah :

88 , 0

9646 , 319 = WKa

=

WKa 363,5961 Kj/Kg

Sehingga akan diperoleh

h

_2a:

h WKa a

h

₂ = + 1

h

2a=363,5961+302,34

h

2a= 665,9361 Kj/Kg

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

Gambar 3.2 Diagram h-s pada kompresor

3.2.2. Proses Pada Ruang Bakar

Daya yang dihasilkan turbin tergantung dari entalpi pembakaran. Untuk itu perlu dianalisa reaksi pembakaran yang terjadi pada ruang bakar. Dari analisa ini akan didapat perbandingan bahan bakar dengan udara yang dibutuhkan (FAR)

yang dipergunakan, sehingga diperoleh laju aliran massa yang dialirkan ke turbin. Bahan bakar yang dipakai adalah gas alam dengan komposisi pada tabel 3.1 berikut.

Tabel 3.1. Komposisi Bahan Bakar

No. Komposisi % Volume

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

CO2

N2

CH4

C2H6

C3H8

C4H10

C5H12

C6H14

C7H16

2,86 1,80 88,19

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

∑= 100%

LHV 45.700 Kj/Kg

Dengan reaksi pembakaran komponen bahan bakar adalah:

No.

Untuk CH4

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

Persamaan reaksi diatas disetarakan sebagai berikut :

Unsur C : b = 0,8819

Unsur H : 2c = 4b

c = 1,7638

Unsur O : 2a = 2b + c

a = 1,7638

Unsur N2 : d = 3,76 a

d = 6,6318

Sehingga persamaan reaksi (stoikiometri) yang terjadi :

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

Maka akan diperoleh massa bahan bakar CH4 :

Untuk massa CH4 = 0,8819 x 16

= 14,1104 Kg CH4/1 mol bahan bakar

[image:32.595.116.512.455.741.2]

Dengan cara yang sama akan diperoleh hasil pada tabel 3.2. berikut :

Tabel 3.2. Kebutuhan udara pembakaran Komposisi B.Bakar Fraksi Mol B.Bakar (% Volume) Mol udara yang dibutuhkan Massa B.Bakar (KgCmHn/1mol

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

C2H6

C3H8

C4H10

C5H12

C6H14

C7H16

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

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

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

maka, Bakar Bahan Massa Udara Massa AFRTH =

= 7025 , 18 4045 , 286

= 15,3137 Kg_udara /Kg_{bahan bakar}

Untuk menghitung perbandingan bahan bakar aktual, dapat dilihat dari gambar 3.3 berikut, dengan menghitung temperatur udara keluar dari kompresor

382,73˚C dan dengan pertimbangan bahan yang dipakai sudu, ditetapkan

temperatur gas masuk turbin 975˚C. Maka dapat ditentukan faktor kelebihan

udara (excess air) sebasar 3,334 sehingga :

[image:34.595.160.480.407.610.2]

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

Kerugian tekanan pada ruang bakar (gambar 3.3) sebesar (2-3) % [Lit 1,

Hal 198], diambil 2%, maka :

bar x Pb P

P a

8 , 11

) 0 , 12 02 , 0 ( 0 , 12

2 3

= − =

∆ − =

Gambar 3.4 Kerugian tekanan pada ruang bakar

Sehingga keadaan pada titik 3:

K T

1248 273 975

3

= + =

Dari tabel properti udara dengan cara interpolasi maka diperoleh kg

3.2.3 Analisa termodinamika pada turbin

1. Temperatur dan Tekanan udara keluar turbin

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

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

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

kj h₄=626,82944 /

2. Kerja turbin

• Kondisi kerja ideal turbin

kg kj

w

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

• Kondisi kerja aktual turbin

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

87 , 0 = =effisiensiturbin

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

Sehingga diperoleh entalpi dan temperatur perencanaan :

kg kj W h

h a Ta

Dari tabel properti udara dengan cara interpolasi diperoleh temperatur udara

[image:36.595.148.494.115.321.2]

keluar turbin secara aktual sebesar :_T4a =705,14 K =432,14°C

Gambar 3.5 Diagram h-s pada turbin

3.2.4 Generator lisrik

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

1. Daya nyata yang diukur dengan Watt dikatakan daya nyata, karena

besaran yang terlihat dalam proses konversi daya.

2. Daya listrik yang sebenarnya tidak mempengaruhi suatu proses konversi

daya, tetapi adalah suatu kebutuhan yang harus dilayani. Secara ekonomis dikatakan bahwa daya reaktif hanya membebani biaya investasi dan bukan biaya operasi.

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

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

Gambar 3.6 berikut menggambarkan daya yang bekerja pada generator.

φ η

η Cos

P P

Tr G

G E

. . =

Dengan, =

PG daya keluaran generator

=

η_G effisiensi generator

=

η_Tr effisiensi transmisi

Dimana daya semu generator adalah :

φ Cos

P

PS = G

Dengan, Cosφ= 0,8-0,9

Gambar 3.6 Daya pada generator

• Daya keluaran (nyata) generator :

MW PG=130

• Daya semu generator :

MVA Cos

P

PS G

5 , 162

8 , 0 130

= = =

φ

• Daya netto turbin :

φ η

η Cos

P P

Tr G

G g

dimana :

η_G = effisiensi generator (direncanakan 0.98)

η_Tr = effisiensi tranmisi (direncanakan 1 karena turbin dan

generator dikopel langsung )

Cosφ = 0.8 – 0,9 (dipilh 0,8)

Maka :

MW PE

816 , 165

8 , 0 1 98 , 0

130

=

× × =

3.2.5 Laju Aliran Massa Udara dan Bahan Bakar

Laju aliran massa menurut adalah :

P_E =P_T −P_K

_PE=

(

_ma+_mf

)

_WTa−

( )

_{Wa WKa}

W W m m

p ma

Ka Ta a f

E

−    



 ₊

= 1

Dimana,

PE = Daya netto turbin (kW)

PT = Daya brutto turbin (kW)

Pk = Daya kompressor (kW)

WTa = Kerja turbin aktual(kJ/Kg)

Wka = Kerja kompressor aktual (kJ/Kg)

m

a = Laju aliran massa udara (kg/s)

m

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

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

PE = 165,816 MW

m m

a f

=_FARAKT = 0,015066

Dan,

FARAKT= 66,3741

Sehingga :

[

]

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

3.2.6. Kesetimbangan Energi Pada Ruang Bakar

Ruang bakar tidak menghasilkan dan tidak memerlukan energi mekanis,

jadi w = 0, jika proses pembakaran dianggap adiabatik maka ∆EP ≅0 karena

relative kecil dibanding dengan besaran lainnya. Maka persamaan untuk ruang bakar dapat dituliskan menurut [Lit 1, Hal 74] :

(

m

_produkx

h

_produk

)

(

m

_reak x

h

_reak

)

tan tan

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

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

Artinya didalam ruang bakar terjadi kesetimbangan energi.

3.2.7. Udara Pembakaran

Udara pembakaran adalah perbandingan antara AFRAKT dengan AFRTH

yang digunakan untuk menentukan persentase udara pembakaran.

334 , 4

3137 , 15

3741 , 66

= = =

AFR AFR

H T AKT

τ

3.2.8. Kerja Netto

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

W W

WNET = Ta− Ka

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

3.2.9 Back Work Ratio

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

5906 , 0

5463 , 615

5961 , 363

= = =

WT W k

a a

r

bw

3.2.10 Effisiensi Thermal Siklus

(

)

% 7 , 37

% 100 9361 , 665 354 , 1334

9502 , 251 % 100

2 3

=

× −

= − =

× =

h h

W Q W

a net RB NET TH

η

3.2.11. Panas Masuk

Panas masuk adalah suplai panas dari ruang bakar sebesar:

h h Q

Qin= RB= 3− 2a

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

3.2.12. Panas keluar

Panas keluar dari turbin gas sebesar:

h h Qout = 4a− 1

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

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

Daya kompresor dari instalasi turbin gas adalah:

( )

m W

PK = a Ka

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

2. Daya Turbin Gas

Daya brutto turbin dari instalasi turbin gas adalah:

P P

PT = K+ E

3.2.14. Hasil Analisa Termodinamika

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

1. Temperatur lingkungan (Ta) : 303 K

2. Temperatur keluar kompresor (T2) : 614,53 K

3. Kerja kompresor aktual

( )

WKa : 363,5961 kJ/kgudara

4. Suplai panas dari ruang bakar

( )

Q_RB : 668,4179 kJ/kg_udara

5.

(

AFR

)

_AKT : 66,3741 kg_udara/kg_bahanbakar

6.

(

FAR

)

_AKT : 0,015066 kg_bahanbakar/kg_udara

7. Temperatur gas masuk turbin

( )

_T3 : 1248 K

8. Temperatur gas buang turbin

( )

_T4a : 705,14 K

9. Kerja turbin aktual

( )

WTa : 615,5463 kJ/kgudara

10. Laju aliran massa udara

( )

ma : 634,766 kg/s

11. Laju aliran massa bahan bakar

( )

mf : 9,56 kg/s

12. Daya kompresor

( )

_PK : 230,798 MW

13. Daya turbin

( )

_PT : 396,614 MW

14. Daya nyata generator

( )

_PG : 130 MW

15. Daya poros efektif turbin gas

( )

_PE : 165,816 MW

BAB IV

PERENCANAAN TURBIN

4.1. Parameter Perencanaan Turbin

Dalam perencanaan ini dipilih turbin aksial, karena turbin jenis aksial mempunyai keuntungan: effisiensi yang lebih baik, perbandingan tekanan dapat diubah lebih tinggi, konstruksi lebih ringan dan tidak membutuhkan ruangan yang

terlalu besar. Turbin aksial yang direncanakan adalah bertingkat banyak, dimana tiap tingkat terdiri dari satu baris sudu diam dan satu baris sudu gerak. Sudu diam berfungsi mempercepat aliran fluida kerja dan sudu gerak berfungsi untuk mengkonversikan energi kinetik menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran poros turbin.

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

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

1. Effisiensi tingkat pada tipe reaksi lebih baik dari pada yang lainnya,

dengan perbandingan kecepatan yang lebih besar.

2. Pada tipe reaksi, effisiensi maksimum dapat dicapai pada daerah

perbandingan (U/V) = 0,8 s/d 0,9

3. Pada tipe ini, kecepatan tangensial yang mengalir diantara sudu-sudu

adalah tidak terlalu besar, sehingga kerugian gesekan akibat kecepatan juga tidak terlalu besar.

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

• Koeffisien aliran sudu (ψ) = 3………….[Lit 7, Hal 111]

• Kecepatan tangensial rata-rata (Um) = (350-400)m/s

• Kecepatan aliran gas (Ca) = 150 m/s…….[Lit 7, Hal 67]

• Derajat reaksi tingkat (R_R) = 0,5 ………..[Lit1, Hal 546]

4.1.1. Klasifikasi Turbin Gas

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

[image:45.595.186.455.471.695.2]

Gambar 4.2 Turbin aliran radial

(Sumber: www.fatimberlake.blogspot.com)

b. Turbin aksial

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

• Turbin aksial reaksi

• Turbin aksial aksi (impuls)

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

4.1.2. Jumlah Tingkat Turbin

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

U m To

cpg S

2

2 ∆

= Ψ

Dimana, Ψ = koefisien pembebanan suhu

c

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

s

To

∆ = penurunan temperatur tiap tingkat turbin (K)

_Um= Kecepatan tangensial rata-rata sudu (m/s)

• Sedangkan total penurunan temperatur gas adalah :

T T

To = 3− 4

∆

Dimana, ∆To= Total penurunan temperatur (K)

_T

3= Temperatur gas masuk turbin (K)

_T4= Temperatur gas keluar turbin (K)

• Jumlah tingkat turbin :

Dimana, n= Jumlah tingkat turbin

4.1.3. Kondisi Gas dan Dimensi Sudu

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

memperhitungkan kecepatannya. Sedangkan kondisi statik adalah kondisi gas yang dianalisa dalam keadaan diam dengan memperhitungkan kecepatannya.

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

1 1 1 2

.

.

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

P02= Tekanan gas setelah terjadinya proses (bar)

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

η

st= Effisiensi statik

y= Eksponen isentropik

_T02= Temperatur pada _P02(K)

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

C pg C To T

2

2

1 1= −

y r

To T Po P

1

1 1 1 1

−

        =

Dengan, _T

1= Temperatur gas pada kondisi statik (K)

_T01= Temperatur gas pada kondisi stagnasi (K)

_P1= Tekanan gas pada kondisi statik (bar)

_P01= Tekanan gas pada kondisi stagnasi (bar)

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

116] :

T Rg

P . . 100 =

ρ

Dimana, ρ= Massa jenis gas (kg/m3)

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

258] :

Ca m

A g

ρ =

Dengan, A = Luas annulus (m2)

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

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

60 . . U

n A h

m

=

Dengan, h = tinggi putaran (m)

n = putaran sudu (rpm)

• Jari-jari sudu (jarak dari pusat cakram ke pitch sudu) besarnya menurut

[Lit 2, Hal 271]

2

h r rr= m−

2 h r rt = m+

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

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

3 h

WR = R

C= 0,25._WR

Dimana, W = Tebal sudu (m)

C = Celah antar sudu (m)

4.1.4. Segitiga Kecepatan Gas

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

2 .

.

4 ₂ +

= φtgβ _m

ψ

2 .

.

4 ₃ −

= φtgβ _m

ψ

Dimana, φ = Koefisien aliran gas

β₁= Sudut relative kecepatan gas masuk sudu (˚)

β₀= Sudut relative kecepatan gas keluar sudu (˚)

4.2. Perhitungan Jumlah Tingkat Turbin

1. Penurunan temperatur tiap tingkat turbin (∆To_S)

Penurunan temperatur tiap tingkat turbin ini masih merupakan nilai yang

diperoleh dari penentuan harga U_m, setelah itu akan disubtitusikan kembali untuk

mendapatkan nilai yang sebenarnya.

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

2. Total penurunan temperatur gas (∆To)

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

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

3. Jumlah tingkat turbin yang dibutuhkan (n)

s To To n ∆ ∆ = 675 , 188 86 , 542 =

Hasil ini disubstitusikan kembali untuk mendapatkan harga ∆To_sdan

m

U yang sebenarnya.

K To

To

s s

9533 , 180

86 , 542 3

= ∆

∆ =

Maka,

s m U

U x x

U To c

m

m m

s pg

/ 14 , 372

9533 , 180 1148 2 3

2 3

2 2

= =

∆ =

4.3. Kondisi Gas Dan Dimensi Sudu Tiap Tingkat

[image:50.595.112.506.436.650.2]

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

Gambar 4.5. Penampang annulus turbin aksial

A. TINGKAT SATU 1. Gas masuk sudu diam

Dari gambar 4.2 diatas yaitu pada titik 1.

• Kondisi pada keadaan stagnasi

• Kondisi pada keadaan statik

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

11 1,33

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

2. Gas keluar sudu diam dan masuk sudu gerak

Pada gambar 4.2 yaitu pada titik 2.

• Kondisi pada keadaan stagnasi

Dimana :

st

η = Effisinsi statik (direncanakan 0,9)

R

R = Derajat reaksi (0,5)

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

• Kondisi pada keadaan statik

3. Gas keluar sudu gerak dan masuk sudu diam

Pada gambar 4.5 yaitu pada titik 3.

• Kondisi pada keadaan stagnasi :

(

)

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

• Kondisi pada keadaan statik

[image:54.595.123.516.141.596.2]

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

Tabel 4.1. Kondisi gas pada tiap tingkat sudu turbin

TINGKAT 1 2 3

01

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

01

T (K) 1248 1067,046 886,0923

1

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

1

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

1

ρ (kg/m3) 3,216 1,8518 0,960

02

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

02

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

2

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

2

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

2

ρ (kg/m3) 2,46 1,354 0,738

03

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

03

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

3

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

3

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

3

ρ (kg/m3) 1,8518 0,960 0,509

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

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

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

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

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

n r U_m =2π. _m.

Dimana:

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

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

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

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

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

Ca m

A g

1 1 1 = ρ

Dimana :

1 g

m = Laju aliran massa gas masuk sudu diam

= m_a +m_f −m_p +m_n1

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

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

h1 = Tinggi blade (m)

A1 = Luas annulus (m2)

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

r_{r m}

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

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

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

Ca m A g 2 2 2 ρ = Dimana : 2 g

m = Laju aliran massa gas masuk sudu

=m_g1+m_n2

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

r_{r m}

0705 , 1 2 227 , 0 184 , 1 2 2 2 = − = − = m h r

r_{t m}

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

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

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

Ca m

A g

3 3 3 = ρ

Dimana : _m

g3= Laju aliran massa gas masuk sudu diam

s kg m

m_{g g}

m h r

r_{r m}

032 , 1 2 304 , 0 184 , 1 2 3 3 = − = − = m h r

r_{t m}

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

4. Tinggi rata-rata sudu diam (hN)

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

(

)

(

)

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

= h h

h_N

5. Tinggi rata-rata sudu gerak (hg)

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

(

)

(

)

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

6. Tebal (lebar) sudu gerak (w)

Tebal sudu gerak pada tingkat 1 adalah :

7. Lebar celah aksial (c)

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

0225 . 0

0885 , 0 25 , 0

. 25 , 0

= × =

=

w

_R

c

[image:59.595.116.520.291.748.2]

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

Tabel 4.2 Dimensi sudu turbin

TINGKAT 1 2 3

1 g

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

1

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

1

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

rr1

(m) 1,27 1.336 1,482

rt1

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

mg2

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

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

h2

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

rr2

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

rt2

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

mg3

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

A3

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

h3

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

rr3

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

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

hR

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

wR

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

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

[image:60.595.115.441.328.577.2]

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

Gambar 4.6 Dimensi sudu tingkat 1

4.4 Diagram Kecepatan dan Sudut Gas Tiap Tingkat Turbin

[image:61.595.221.459.84.285.2]

Gambar 4.7 Diagram kecepatan pada sudu turbin

TINGKAT SATU

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

1. Sudut Gas pada Tengah Sudu

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

2 .

.

4 ₂ +

= φtgβ _m

ψ

Dimana :

4030 , 0

14 , 372

150

= = =

φ φ

m

U Ca

Maka :



8 , 31

620232 ,

0

2 4030

, 0 4 3

2 .

. 4

2

2 2

= =

+ =

+ =

m

m m

tg

xtg x

tg

β β

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

Menurut [Lit 2, Hal 249],sudut masuk absolute gas pada sudu diam dan

sudut keluar gas pada suhu gerak adalah sama dengan sudut relative gas

(β_2m =α_1m =α_3m) yaitu 31,8. Sudut keluar relative gas pada sudu diam sama dengan sudut keluar relative gas pada sudu gerak (α =_2m β_3m) yaitu 72,13

• Kecepatan absolute gas masuk sudu gerak (C_2m)

…(Lit 2, Hal 256)

• Kecepatan absolute gas masuk sudu diam (C_1m)

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

• Kecepatan relative gas masuk sudu gerak (V_2m)

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

• Kecepatan absolute gas keluar sudu gerak (C_3m)

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

• Kecepatan relative gas keluar sudu gerak (V_3m)

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

2.Sudut Gas pada Dasar Sudu

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

(

)

(

)

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

• Sudut keluar absolute gas dari sudu gerak (α_3r)

(

)

(

)

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

• Kecepatan rotasi sudu (Ur)

2       = r m m r r U

Ur …(Lit 2, Hal 236)

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

• Sudut keluar relatif gas pada sudu diam (β_2r)



3 , 35 3 2r =α r =

β

• Sudut keluar relative gas pada suhu gerak (β_3r)



45 , 73 2 3r =α r =

β

• Kecepatan absolut gas masuk sudu gerak (C_2r)

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

• Kecepatan absolut gas keluar sudu gerak (C3r)

• Kecepatan whirl gas masuk sudu gerak (C_w2r)

r r

w Catg

C ₂ = . α₂

…(Lit 2, Hal 263)

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

• Kecepatan relative gas masuk sudu gerak (V_2r)

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

• Kecepatan whirl gas keluar sudu gerak (C_w3r)

r r

w Catg

C ₃ = . α₃

s m tg / 67 , 106 42 , 35 150 = × = 

• Kecepatan relative gas masuk sudu gerak (V2_r)

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

Tabel 4.3 diagram kecepatan dan sudut gas tiap tingkat

TINGKAT 1 Dasar Sudu Tengah Sudu Puncak Sudu

U 411.596 372,14 339,58

1

α 35,42 31,8 29,50

2

α 74,40 72.13 70,92

3

α 35,42 31,8 29,50

2

β 35,42 31,8 29,50

3

β 74,40 72,13 70,92

Cw₂ 537,38 465,174 433,66

Cw₃ 106,67 93,032 84,86

C₂ 557,926 488,76 458,87

C₃ 184,065 176,508 172,34

V₂ 184,065 176,508 172,34

V₃ 557,926 488,76 458,87

TINGKAT 2 Dasar Sudu Tengah Sudu Puncak Sudu

U 452,37 372,14 216,30

1

α 37,0 31,8 27,78

2

α 75,14 72.13 69,227

3

α 37,0 31,8 27,78

2

β 37,0 31,8 27,78

3

β 75,14 72,13 69,227

Cw₂ 565,32 465,174 395,43

Cw₃ 113,03 93,032 79,01

C₃ 187,82 176,508 169,54

V₂ 187,82 176,508 169,54

V₃ 584,89 488,76 422,932

TINGKAT 3 Dasar Sudu Tengah Sudu Puncak Sudu

U 551,11 372,14 280,91

1

α 42,55 31,8 25,08

2

α 77,17 72.13 66,189

3

α 42,55 31,8 25,08

2

β 42,55 31,8 25,08

3

β 77,17 72,13 66,87

Cw₂ 658,63 465,174 351,16

Cw₃ 137,69 93,032 79,20

C₂ 675,49 488,76 381,85

C₃ 203,61 176,508 169,61

V₂ 203,61 176,508 169,61

V₃ 675,49 488,76 381,85

4.5 Jumlah Sudu Tiap Tingkat Turbin

[image:68.595.154.462.88.289.2]

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

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

m h

c r

0885 , 0

3 2655 , 0

3

= = =

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



13 , 72 3m =

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

• Panjang pitch sudu (s)

05592 , 0

6327 , 0 0885 , 0 = =

      =

• Jumlah sudu (z)

buah x

s r

z m

85 , 132

05922 , 0

158 , 1 14 , 3 2 2

= =

= π

(Lit 2, Hal 271)

Menurut [Lit 2, Hal 271] digunakan komponen bilangan prima untuk sudu

gerak dan komponen bilangan genap untuk sudu diam. Maka direncanakan :

jumlah sudu gerak tingkat satu adalah 133 buah, sehingga pitch sudu (s) menjadi 0,05593 ; chord sudu (c) adalah 0,0884 dan tinggi sudu gerak (hR) = 0,2652 dengan aspect ratio (h/c) adalah 3.

[image:69.595.112.523.396.669.2]

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

Tabel 4.4 Spesifikasi sudu gerak tiap tingkat turbin

TNGKAT 1 2 3

R

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

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

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

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

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

Z’ (buah) 133 71 37

S’ (m) 0,5593 0,1047 0,2010

C’ (m) 0,0884 0,1656 0,3177

R

h ’ (m) 0,2652 1,4968 0,9533

[image:70.595.112.521.104.376.2]

Tabel 4.5 Spesifikasi sudu diam tiap tingkat turbin

TNGKAT 1 2 3

R

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

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

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

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

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

Z’ (buah) 178 96 52

S’ (m) 0,0417 0,0774 0,1430

c’ (m) 0,0660 0,1224 0,2261

R

h ’ (m) 0,1981 1,3674 0,6783

(h/c)’ 3 3 3

4.7 Sudut-Sudut Tiap Tingkat Turbin

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

• Sudut relatif masuk gas (β_2r)

(β_2r) = 35,42

• Sudut relative keluar gas (β_3r)

(β_3r) = 74,40

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

• Sudut masuk sudu (β_2r)

(β_2r) =(β_2r) + i

• Sudut Keluar sudu (β_3r)

Sudut keluar sudu dapat diperoleh dengan bantuan gambar 4.9 dimana untuk setiap harga sudut relatif keluar gas,maka dapat ditentukan besar sudut keluar

sudu. Untuk sudut keluar relatif gas, (β_3r) = 74,40˚ diperoleh (β_3r) = 74,347˚

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

• Sudut chamber sudu (θ_r)

r

θ = (β'2r) + (β'3r) ...(Lit 2, Hal 189) = 30,42˚ + 74,347˚

= 104,767˚

• Sudu relatif rata-rata sudu (β_mr)

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

= 0,5 (tg74,40 - tg35,42) =1,4352

= 55,13225˚

• Sudut pemasangan sudu (ξ )

ξ _r = β'2r - 2

r

θ

...(Lit 2, Hal 189)

= 30,42

2 67 , 104

• Panjang chord sudu arah aksial (c_xr)

c_xr= c.cos ξ_r ...(Lit 2, Hal 189)

= 0,0884.cos(-21,395˚) = 0,082308 m

[image:72.595.262.439.272.446.2]

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

[image:72.595.115.517.516.756.2]

Gambar 4.10 Geometri sudu turbin

Tabel 4.6 Sudut-sudut sudu gerak turbin pada dasar sudu

TINGKAT 1 2 3

r