SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN PADA BLADE UNTUK DESAIN NOZZLE DAN BLADE TURBIN UAP TIPE IMPULS SATU TINGKAT

SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN PADA BLADE UNTUK DESAIN NOZZLE DAN BLADE

TURBIN UAP TIPE IMPULS SATU TINGKAT

ANDRIAN HADI PRAMONO 2105 100 075

Dosen Pembimbing : Dr Eng Prabowo M.Eng

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2009

Tugas Akhir

Konversi Energi

Turbin uap merupakan bagian penting dari siklus pembangkit ditunjukkan bagian A Kebutuhan energi semakin meningkat

salah satu cara meningkatkan efisiensi siklus adalah meningkatkan efisiensi turbin uap Belum ada analisa

numerik untuk mengetahui

karakteristik aliran pada sudu turbin Belum ada desain turbin uap dari dalam negeri

Penelitian terdahulu

Tujuan Perancangan

Tujuan perancangan ini adalah untuk:

1. Mendapatkan geometri nozzle

• Panjang nozzle l

• Lebar nozzle pada sisi keluar a¹

• Lebar nozzle pada bagian leher a^min

• Penampang leher setiap nozzle f’^min

• Penampang sisi keluar nozzle f^maks

• Sudut pada nozzle α¹

2. Mendapatkan geometri sudu turbin

• Tinggi sisi masuk sudu gerak l’¹

• Sudut pada sudu gerak β1,β²

3. Melakukan analisa secara numerik menggunakan FLUENT software untuk mengetahui kualitas desain pada sudu turbin

Batasan Masalah

Batasan masalah perancangan ini adalah:

1. penelitian berdasarkan teori perancangan turbin uap yang telah ada

2. turbin uap yang di desain adalah turbin uap tipe impuls dengan satu tingkat kecepatan.

3. Kondisi operasi diasumsikan steady state, incompressible flow.

4. Tidak ada perpindahan panas keluar turbin Adiabatik.

5. Disimulasikan dengan bantuan FLUENT software dimana boundary condition untuk inlet adalah velocity inlet

sedangkan pada posisi outlet adalah outflow.

6. penelitian tidak mengikutsertakan analisa metallurgy.

7. Penelitian tidak mengikutsertakan analisa ekonomi.

8. Penelitian tidak mengikutsertakan analisa kekuatan material

Perumusan masalah

Hasil yang didapat

P₁,T₁,

P₂,T₂, Turbin uap,

N_e, n inlet

outlet

Perhitungan manual Geometri nozzle ????

Karakteristik aliran pada sudu ????

Geometri sudu turbin ????

Jumlah sudu ????

Jumlah tingkat ????

Siklus Rankine

Panas yang dimasukkan pada boiler Q

_A

= h

₁

- h

₄

Kerja bersih/kg uap

W

_net-

= W

_T

– W

_P

= (h

₁

–h

₂

) – v

₃

(p

₄

– p

₃

)

Efisiensi siklus rankine ideal

A net

th

Q

Kerja turbin W

meningkat sehingga efisiensi siklus

rankine meningkat

Kerja turbin

meningkat jika

efisiensi turbin

meningkat

Penelitian Terdahulu

Erosion behaviour and mechanisms for steam turbine rotor blade

B . S taniSa a, V. IvuSiC b (1995)

B . S taniSa a, V. IvuSiC b (1995)

Dalam Penelitian berjudul ”Erosion behaviour and mechanisms for steam turbine rotor blade”

Didapatkan:

Kerusakan blade turbin akibat erosi(third region) pada tingkat terakhir

turbin uap bertekanan rendah

(A) Kerusakan blade setelah turbin beroperasi 56.384 jam

(B) Kerusakan blade

setelah turbin beroperasi

82.910 jam.

Kerusakan turbin akibat erosi pada second region

Hasil dari penelitian menunjukkan bahwa

kerusakan blade akibat erosi tergantung dari fungsi

banyaknya waktu operasi

turbin

Perancangan turbin uap dengan perhitungan manual

Perancangan Turbin Uap terdiri dari beberapa tahap, sebagai berikut:

1. Penentuan Jenis Turbin Uap yang Dirancang

2. Penentuan Jumlah Tingkat Yang dibutuhkan

3. Menghitung Daya Keluaran

4. Perancangan geometri perapat labirin

5. Pemilihan jenis nozzle

6. Pemilihan u/c1 maksimum

7. Perhitungan Kerugian-kerugian

8. Koreksi Perancangan Nozzle

9. Perancangan Sudu Gerak.

Pada penelitian ini dibutuhkan input data sebagai berikut

P₁,T₁,

P₂,T₂, Turbin uap,

N_e, n inlet

outlet

Perhitungan secara thermodinamika

Kerja turbin uap ideal

(isentropik)

Kerja turbin uap aktual

Wturbin uap ideal = m(h₃-h₄) Wturbin uap aktual = m(h₃- h_4’ )

Penentuan Jenis Turbin Uap yang Dirancang

Turbin uap, dapat dibedakan menjadi:

1. Turbin Uap Tipe Impuls: Ekspansi uap hanya terjadi pada nozzle dan energi

kinetik diubah menjadi kerja mekanis pada sudu – sudu turbin (tanpa terjadi ekspansi uap)

2. Turbin Uap Tipe Reaksi: ekpansi uap terjadi tidak hanya pada sudupengarah tetapi juga pada sudu gerak.

Dari perbedaan dua jenis turbin diatas maka dipilih turbin uap tipe impuls yang

dirancang.

Penentuan jumlah tingkat

Jenis Turbin uap Menurut tekanan Penurunan enthalpy maksimum (tiap satu tingkat)

Low Pressure (LP) (43-86) kJ/kg

Intermediate Pressure (IP) 200 kJ/kg

High Pressure (HP) 100 kJ/kg

Penurunan Kalor

H

o

c

₁

91 , 5

t

o

i i

H

_{0 1}

Penurunan enthalpy dari data masukan

dari penurunan enthalpy data masukan

diketahui tingkat yang dibutuhkan adalah satu

tingkat

Penurunan kecepatan pada sisi keluar nozzle

Menghitung daya keluaran

y = 0.021ln(x) + 0.818

0.91 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98 0.99

0 500 1000 1500

ηm

Ne (hp)

Efisiensi mekanis turbin

n = 3000 untuk absis dikalikan 10

Log. (n = 3000 untuk absis dikalikan 10)

y = 2E-14x³- 5E-10x²+ 6E-06x + 0.924

0.925 0.93 0.935 0.94 0.945 0.95 0.955 0.96 0.965

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000

ηg

N3(KW)

Efisiensi generator menurut elektrosila work

efisiensi generator menurut elektrosila work

Poly. (efisiensi generator menurut elektrosila work)

860

3600 H

_{0 0}

G

Ne

^{i g m}

Ke halaman selanjutnya

Setelah

meghitung daya keluaran koreksi desain dengan daya keluaran secara

thermodinamika

koreksi desain geometri perapat labirin

Perancangan geometri perapat labirin

s d f

_s

. .

1 2

5 .

100 1 p

z x f g

G

_{kebocoran s}

atm kr

p p

Ke halaman selanjutnya 5

. 1 85 .

0 ₂

z p_kr xP

Jika Memenuhi maka perancangan Perapat Tidak Mengalami Kebocoran

Pemilihan jenis nozzle

a. (konvergen-divergen)

b. (konvergen)

P

kr

p p

0 1

2

0 )

5 , (91^kr

kr

h c h

Pkr

p p

0 1

xP0

P_{r kr} dimana

0

1

0

2 p

k g k c

_kr

Ke halaman selanjutnya

Perhitungan Geometri Nozzle

Konvergen

Luas Penampang Pada Bagian keluar nozzle

) .

1 (

nozzle tinggi

le jumlahnozz

a f^maks

1

) 1

(

c

Gkebocoran fmaks G

Lebar Pada Bagian keluar untuk 1 nozzle

Ke halaman Pemilihan Nozzle

Perhitungan Geometri Nozzle

Konvergen-divergen

Ke halaman Pemilihan Nozzle

) .

1 (

nozzle tinggi

le jumlahnozz

a f^maks

1

) 1

(

c

Gkebocoran fmaks G

0 0 m in

203

) (

P

Gkebocoran f G

Luas Penampang Pada Bagian Leher(throat)

Luas Penampang Pada Bagian keluar nozzle

Lebar Pada Bagian Leher(throat) untuk 1 nozzle

le jumlahnozz f_{'m in}^' f^{m in} untuk 1 nozzle

le jumlahnozz a f

' min min

Lebar Pada Bagian keluar untuk 1 nozzle

Panjang nozle Pada Bagian Divergen

tan 2 2

m in

1

a

l a

Pada Pemilihan U/C1 Maksimum Kita Harus Melihat Beberapa Aspek, Yaitu:

1. Sudut α1 (14˚-20˚)

2. Sudut β2 (β1-3˚)---(β1-6˚)

3. Nilai ηoi maksimum Pemilihan U/C1 maksimum

Ke halaman selanjutnya

Sudut α1

Dengan Melakukan variasi sudut α1 dari 14˚-20˚, kita dapatkan grafik fungsi efisiensi internal sebelum dikurangi kerugian akibat turbulensi

1 1 1

1 2 2

) )(cos

cos 1 cos

(

2 c

u c

u

u

menurunkan α1 dari 20-14 menyebabkan nilai cos α1 menjadi meningkat, dengan nilai Φ, Ψ, u/c1 sama dan perubahan β1 danβ2 sebanding. Maka harga ηu meningkat

dari grafik

diketahui efisiensi maksimum dimiliki oleh sudut 14˚

Ke halaman pemilihan U/C1

Sudut β2 Dari grafik

diketahui nilai pengurangan β2 dari (-3˚)---(-6˚) Tidak memiliki

pengaruh terlalu besar.

Hal ini sesuai

dengan rumusan

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

-3,00 -4,00 -5,00 -6,00 Poly. (-4,00) Poly. (-5,00) Poly. (-6,00)

1 1 1

1 2 2

) )(cos

cos 1 cos

(

2 c

u c

u

u

Ke halaman pemilihan U/C1

Nilai ηoi maksimum

Dari grafik dketahui nilai ηoi

maksimum

terdapat pada

sudut α1 = 14˚, hal ini sesuai dengan rumusan

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

ηoi

U/C1

ηoi fungsi U/C1

14 17 20 Poly. (14) Poly. (17) Poly. (20)

1 1 1

1 2 2

) )(cos

cos 1 cos

(

2 c

u c

u

u

2 1

. .

.

204

t a ge a

ge

Gc

gN

10 4

3

.

n d l . 10

N

_gea

. .a ge u

oi

dengan α1 meningkat

mengakibatkan penurunan nilai cos α1 dan dengan kerugian turbulensi tiap sudut memiliki nilai sama maka nilai ηoi

maksimum terdapat pada sudut 14˚ dan nilai U/C1 pada 0.4

kerugian turbulensi

Ke halaman pemilihan U/C1

Perhitungan Kerugian-kerugian

SEGITIGA KECEPATAN SISI OUTLET

Dari segitiga kecepatan pada sudu

Kerugian kinetik nozzle

Kerugian kinetik sudu gerak

α1 β1

c¹ ω1

u

u

ω2

c2

α2 β2

8378

2 1 2

1

c

h

_n

c

^t

8378

2 2 2

' 1

h

b

8378

2

c

2

h

_e

Ke halaman selanjutnya

SEGITIGA KECEPATAN SISI INLET

Kerugian carry over pada sudu gerak

efisiensi dalam relatif turbin tanpa menghitung kerugian pada katup pengatur

massa alir uap yang mengalir melewati turbin Koreksi dengan perhitungan sebelumnya

Jika ≤ 2% perhitungan memenuhi syarat

0

01 H

H_i

g m i

e

H G N

3600

' 860

%

' 100

'

G x G G G

a ge e

b

n h h h

h H

Hi ₀^' _.

Hitung penurunan kalor indikatif setelah menghitung kerugian turbulensi yang terjadi G

h_gea N^gea 427 102 _.

.

kerugian turbulensi

oo rumusan x

u

tabel u

rumusan

u 100% 2

) (

) (

)

( Jika ≤ 2% perhitungan

memenuhi syarat

' 0 '

0

H

h h h

H _{n b e}

u

Koreksi Perhitungan

Hitung ηu dari rumusan

Koreksi Desain Nozzle

sin

1

dl

f

_maks

ε > 0,2, sehingga desain dapat diterima

Desain Sudu Gerak

Tinggi masuk sudu tinggi sudu pada sisi keluar

selesai

'

2

1

l

l

/

2 '

2 ' 0

sin d

l

_gb

G

^gb

Jumlah sudu yang digunakan P_u = (G/g)(c_1u – c_2u)

Maka jumlah sudu

u u

uP x

xh xG z x

860 3600

102 ₀

Hasil yang didapat:

• Massa alir uap yang dibutuhkan untuk menghasilkan daya output 150 KW sebesar 8.107 kg/s.

• Jumlah tingkat yang dibutuhkan adalah turbin uap tipe impuls satu tingkat.

•Perapat labirin yang digunakan mempunyai geometri z = 40 sekat, diameter poros d = 100mm, celah melingkar antara poros dan sekat labirin s = 0,3mm.

• Jenis nozzle yang digunakan adalah nozzle konvergen dengan geometri penampang sisi keluar nozzle fmaks = 4.398 cm², lebar nozzle pada sisi keluar a₁= 3.665mm, tinggi nozzle pada bagian sisi keluar l = 12mm, jumlah nozzle = 10 nozzle.

•u/C1 maksimum pada nilai 0.5 dengan sudut α₁ maksimum = 14°, u = 97.05 m/detik, d = 0.62 m, β₁= 27.22˚, dan β₂= 22.22˚.

•Tinggi masuk sudu gerak 14mm, lebar sudu dengan l/b = 1, maka b = 14mm, jumlah sudu z = 60 blade, tinggi sudu pada bagian keluar l_gb’=13.32mm.

Pemodelan Geometri dan Komputasi secara Numerik

pada Software GAMBIT dan FLUENT 6.2

Sudut α1 = 14˚ Sudut α1 = 17˚

Kontur tekanan

Pemodelan Geometri dan Komputasi secara Numerik

pada Software GAMBIT dan FLUENT 6.2

Kontur kecepatan Sudut α1 = 14˚ Sudut α1 = 17˚

Pemodelan Geometri dan Komputasi secara Numerik

pada Software GAMBIT dan FLUENT 6.2

Path line aliran Sudut α1 = 14˚ Sudut α1 = 17˚

Dari path line diketahui aliran sudut α1 = 14˚ memiliki pathline lebih halus dibanding sudut 17˚

Kesimpulan

• Massa alir uap yang dibutuhkan untuk menghasilkan daya output 150 KW sebesar 8.107 kg/s.

• Jumlah tingkat yang dibutuhkan adalah turbin uap tipe impuls satu tingkat.

•Perapat labirin yang digunakan mempunyai geometri z = 40 sekat, diameter poros d = 100mm, celah melingkar antara poros dan sekat labirin s = 0,3mm.

• Jenis nozzle yang digunakan adalah nozzle konvergen dengan geometri penampang sisi keluar nozzle fmaks = 4.398 cm², lebar nozzle pada sisi keluar a₁= 3.665mm, tinggi nozzle pada bagian sisi keluar l = 12mm, jumlah nozzle = 10 nozzle.

•u/C1 maksimum pada nilai 0.5 dengan sudut α₁ maksimum = 14°, u = 97.05 m/detik, d

= 0.62 m, β₁= 27.22˚, dan β₂= 22.22˚.

•Tinggi masuk sudu gerak 14mm, lebar sudu dengan l/b = 1, maka b = 14mm, jumlah sudu z = 60 blade, tinggi sudu pada bagian keluar l_gb’=13.32mm.

TERIMA KASIH

Terima kasih mohon kritik dan saran