PERANCANGAN TURBIN UAP PENGGERAK GENERATOR DENGAN DAYA OUTPUT 1 MW

(1)

PERANCANGAN

TURBIN UAP PENGGERAK GENERATOR DENGAN DAYA OUTPUT 1 MW

TUGAS AKHIR

Diajukan Kepada

Universitas Muhammadiyah Malang Untuk Memenuhi Syarat Memperoleh Gelar

Sarjana (S-1) Teknik Mesin

DISUSUN OLEH :

ACHMAD RIZKY AMRULLAH 201610120311206

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG

2021

(2)

ii

POSTER

(3)

iii

(4)

iv

(5)

v

(6)

vi

(7)

vii

ABSTRAK

Seiring berkembang nya teknologi di dunia saat ini, energi listrik sangat dibutuhkan untuk menunjang kehidupan sehari-hari baik dalam industri, teknologi maupun rumah tangga. Energi listrik sendiri dihasilkan oleh pembangkit listrik dimana salah satu nya menggunakan tenaga uap (PLTU). Salah satu komponen penting dalam pembangkit listrik adalah Turbin Uap. Turbin uap merupakan alat penggerak yang mengubah energi potensial menjadi energi kinetik dan selanjutnya diubah menjadi energi mekanik. Turbin uap banyak digunakan didalam industri yaitu sebagai penggerak mula pada generator listrik.

Dalam penulisan ini akan dirancang sebuah turbin curtis dua tingkat tekanan. Tujuan perancangan ini adalah untuk mengatasi penurunan kalor yang terlalu besar bila menggunakan turbin impuls satu tingkat. Perancangan yang ideal yaitu dapat memenuhi beberapa kriteria seperti efisien, kontruksi dan peralatan yang sederhana, serta perbaikan dan perawatan yang mudah. Pembahasan kali ini akan berkisar pada analisis termodinamika, perencanaan kontruksi dan dimensi pada setiap komponen.

Kata kunci: Turbin Uap, Pembangkit Listrik, Siklus Rankine, Sudu, Nosel.

(8)

viii

ABSTRACT

Along with the development of technology in the world today, electrical energy is needed to support daily life such in industry, technology and households.

Electrical energy is produced by power plants which one of them uses steam power.

One of the important components in a power plant is a Steam Turbine. The steam turbine is a driving device that converts potential energy into kinetic energy and is subsequently converted into mechanical energy. Steam turbines are widely used in industry, namely as a starter for electric generators.

In this case, a two-level pressure curtis turbine will be designed. The purpose of this design is to overcome the heat reduction that is too large when using a single-stage impulse turbine. The ideal design is that it can meet several criteria such as efficiency, simple construction and equipment, as well as easy repair and maintenance. The discussion this time will revolve around thermodynamic analysis, construction planning and dimensions of each component.

Keywords: Steam Turbine, Power Plant, Rankine Cycle, Blade, Nozzle.

(9)

ix

KATA PENGANTAR

Segala puji dan syukur saya panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah memberi rahmat dan karunia-Nya sehingga saya dapat menyelesaikan naskah Tugas Akhir ini. Dalam mengerjakan ini penulis tidak lupa akan dukungan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis tidak lupa menyampaikan ucapan terima kasih kepada :

1. Allah SWT yang telah memberikan kesehatan, kelancaran, dan kemudahan sehingga saya dapat menyelesaikan tugas akhir ini.

2. Orang tua dan keluarga yang selalu memberikan doa dan semangat sehingga saya mendapat motivasi untuk menyelesaikan tugas akhir ini.

3. Bapak Ir. Herry Suprianto, MT, selaku Ketua Komisi Pembimbing yang telah memberikan ilmu, pengarahan, dan bimbingan dalam penyusunan naskah tugas akhir ini.

4. Bapak Ir. Mulyono, MT, selaku Anggota Komisi Pembimbing yang telah memberikan pengetahuan, pengarahan, dan koreksi dalam penyusunan tesis ini.

5. Bapak Murjito, ST, MT, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin yang telah memberikan kesempatan melakukan penelitian dan penyusunan naskah tugas akhir ini.

6. Rekan-rekan Teknik Mesin 2016 E yang telah banyak membantu dalam mengerjakan penelitian dan penyusunan naskah tugas akhir ini.

Akhirnya semoga Allah SWT memberikan balasan yang baik kepada semua pihak yang membantu dalam penyusunan naskah tugas akhir ini.

Malang, 30 April 2021 Penulis,

Achmad Rizky Amrullah

NIM : 201610120311206

(10)

x

DAFTAR ISI

LEMBAR JUDUL ... i

POSTER ... ii

LEMBAR PENGESAHAN ... iii

LEMBAR ASISTENSI I ... iv

LEMBAR ASISTENSI II ... v

SURAT PERNYATAAN KEASLIAN TULISAN ... vi

ABSTRAK ... vii

ABSTRACT ... viii

KATA PENGANTAR ... ix

DAFTAR ISI ... x

DAFTAR GAMBAR ... xiii

DAFTAR TABEL ... xiv

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Rumusan Masalah ... 2

1.3 Tujuan Perancangan ... 2

1.4 Manfaat Perancangan ... 2

1.5 Batasan Masalah... 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 4

2.1 Pengertian Turbin Uap ... 4

2.2 Prinsip Kerja Turbin Uap ... 4

2.3 Analisa Termodinamika pada Siklus Rankine ... 6

2.4 Komponen Utama Dalam Turbin Uap ... 9

2.4.1 Silinder ... 9

2.4.2 Nozel ... 10

(11)

xi

2.4.3 Sudu Turbin ... 10

2.4.4 Poros ... 11

2.4.5 Bantalan ... 12

2.4.6 Perapat Labirin ... 12

2.5 Kerugian Energi Pada Turbin Uap ... 13

2.5.1 Kerugian Energi Pada Katup Pengatur ... 14

2.5.2 Kerugian Energi Dalam Nozel dan Sudu Pancar Ekspansi ... 16

2.5.3 Kerugian Energi Dalam Sudu Gerak ... 18

2.5.4 Kerugian Aliran Keluar ... 20

2.5.5 Kerugian Energi Karena Kelembapan Uap ... 21

2.5.6 Kerugian Akibat Gesekan Cakram ... 22

BAB III METODE PERANCANGAN ... 24

3.1 Prosedur Perancangan Turbin Uap ... 24

3.2 Evaluasi Perancangan ... 25

3.3 Penetapan Kosep Desain Gambar ... 26

3.4 Diagram Alir Perancangan ... 26

BAB VI PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN ... 27

4.1 Pemilihan Jenis Turbin Uap ... 27

4.2 Perhitungan Reduksi Panas Pada Turbin ... 28

4.2.1 Analisa Termodinamika Untuk Penurunan Kalor ... 28

4.3 Menentukan Laju Aliran Massa ... 29

4.4 Perancangan Turbin Dengan Dua Tingkat Kecepatan ... 31

4.4.1 Perancangan dan Perhitungan Sudu Baris I ... 31

4.4.2 Perancangan dan Perhitungan Sudu Baris II ... 34

4.5 Analisa Kerugian Kalor... 38

4.6 Daya Turbin Uap ... 41

4.7 Analisa Termodinamika Siklus Rankine Ideal ... 44

4.8 Perancangan Nosel dan Sudu Turbin Uap ... 47

4.8.1 Perhitungan Ukuran Nozel ... 49

4.8.2 Perhitungan Ukuran Sudu-Sudu ... 50

4.8.3 Kekuatan Sudu ... 56

(12)

xii

4.8.4 Poros Turbin ... 59

4.9 Rumah Turbin ... 65

4.10 Flens dan Baut ... 67

4.11 Perapat Labirin ... 68

4.12 Bantalan... 70

BAB V KESIMPULAN ... 73

5.1 Kesimpulan ... 73

5.2 Penutup ... 75

DAFTAR PUSTAKA ... 76

LAMPIRAN

(13)

xiii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Siklus Rankine Sederhana ... 6

Gambar 2.2 Diagram T-s Siklus Rankine Sederhana ... 7

Gambar 2.3 Silinder (Casing) Turbin ... 9

Gambar 2.4 Segitiga Kecepatan ... 11

Gambar 2.5 Proses Ekspansi Kerugian-Kerugian Energi ... 15

Gambar 2.6 Menentukan Koefisien Berdasarkan Tinggi Nozel ... 17

Gambar 2.7 Menentukan

Koefisien Ψ

Berdasarkan Tinggi Sudu ... 19

Gambar 4.1 Efisiensi Dalam Relatif Turbin ... 29

Gambar 4.2 Efisiensi Mekanis Turbin ... 30

Gambar 4.3 Efisiensi Generator Turbin ... 30

Gambar 4.4 Diagram i-s Untuk Turbin Curtis Dua Tingkat Kecepatan ... 44

Gambar 4.5 Skema Siklus Rankine Ideal ... 45

Gambar 4.6 Diagram T-s... 45

Gambar 4.7 Daigram P-h ... 45

Gambar 4.8 Diagram P-v dan h-s ... 46

Gambar 4.9 Ukuran Baut ... 69

(14)

xiv

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Hasil Perhitungan Perancangan Tingkatan Kecepatan ... 38

(15)

xv

DAFTAR PUSTAKA

Bejan, Adrian. 2016. Advanced Engineering Thermodynamics. Advanced Engineering Thermodynamics. Fourth Edi. Canada: John Wiley \& Sons.

https://doi.org/10.1002/9781119245964.

Farn, C. L.S., D. K. Whirlow, and S. Chen. 1991. “Analysis and Prediction of Transonic Turbine Blade Losses.” Proceedings of the ASME Turbo Expo 1.

https://doi.org/10.1115/91-GT-183.

Muin, Syamsir A. 1988. “Pesawat-Pesawat Konversi Energi I : Ketel Uap / Syamsir A. Muin.” Rajawali Pers: Jakarta. http://lib.ui.ac.id.

Nag, PK. 1996. Power Plant Engineering. Power Plant Engineering. Second Edi.

New Delhi: Tata McGraw-Hill Education. https://doi.org/10.1007/978-1- 4613-0427-2.

Shlyakhin, P. 1966. Steam Turbines: Theory and Design. Foreign Languages Publishing House.

Wang, S. S., J. R. Mao, G. W. Liu, and Z. P. Feng. 2010. “Performance Deterioration of the Governing Stage Nozzle Caused by Solid Particle Erosion in the Steam Turbine.” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy 224 (2): 279–92.

https://doi.org/10.1243/09576509JPE852.

Watanabe, Eiichiro, Yoshinori Tanaka, Takashi Nakano, HIROHARU Ohyama, K Tanaka, T Miyawaki, M Tsutsumi, and T Shinohara. 2003. “Development of New High Efficiency Steam Turbine.” Mitsubishi Heavy Ind. Tech. Rev. 40 (4): 6.

Y.A., Çengel, and Boles M.A. 2007. Thermodynamics an Engineering Approach 6Th Ed. (Solution).Pdf. Sixth Edit. New York: The McGraw-Hill Companies, Inc., New York.

Zaleta-Aguilar, A., L. Correas-Uson, J. Kubiak-Szyszka, and F. Z. Sierra-Espinosa.

2007. “Concept on Thermoeconomic Evaluation of Steam Turbines.” Applied

Thermal Engineering 27 (2–3): 457–66.

https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2006.06.018.

(16)

xvi