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

Transkripsi

1 Tugas Akhir Konversi Energi SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN PADA BLADE UNTUK DESAIN NOZZLE DAN BLADE TURBIN UAP TIPE IMPULS SATU TINGKAT ANDRIAN HADI PRAMONO Dosen Pembimbing : Dr Eng Prabowo M.Eng JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 009

2 Belum ada analisa numerik untuk mengetahui karakteristik aliran pada sudu turbin Belum ada desain turbin uap dari dalam negeri Penelitian terdahulu 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

3 Tujuan Perancangan Tujuan perancangan ini adalah untuk:. Mendapatkan geometri nozzle Panjang nozzle l Lebar nozzle pada sisi keluar a Lebar nozzle pada bagian leher amin Penampang leher setiap nozzle f min Penampang sisi keluar nozzle fmaks Sudut pada nozzle α. Mendapatkan geometri sudu turbin Tinggi sisi masuk sudu gerak l Sudut pada sudu gerak β,β 3. Melakukan analisa secara numerik menggunakan FLUENT software untuk mengetahui kualitas desain pada sudu turbin

4 Batasan Masalah Batasan masalah perancangan ini adalah:. penelitian berdasarkan teori perancangan turbin uap yang telah ada. 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

5 Perumusan masalah Hasil yang didapat inlet P,T, Jumlah tingkat???? Turbin uap, N e, n Perhitungan manual Geometri nozzle???? outlet P,T, Geometri sudu turbin???? Jumlah sudu???? Karakteristik aliran pada sudu????

6 Siklus Rankine Panas yang dimasukkan pada boiler Q A = h - h 4 Kerja bersih/kg uap W net = W T W P = (h h ) v 3 (p 4 p 3 ) Efisiensi siklus rankine ideal Kerja turbin meningkat sehingga efisiensi siklus rankine meningkat Kerja turbin meningkat jika efisiensi turbin meningkat th W Q net A

7 Penelitian Terdahulu Erosion behaviour and mechanisms for steam turbine rotor blade B. S tanisa a, V. IvuSiC b (995)

8 B. S tanisa a, V. IvuSiC b (995) 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 jam (B) Kerusakan blade setelah turbin beroperasi 8.90 jam.

9 Kerusakan turbin akibat erosi pada second region Hasil dari penelitian menunjukkan bahwa kerusakan blade akibat erosi tergantung dari fungsi banyaknya waktu operasi turbin

10 Perancangan turbin uap dengan perhitungan manual Perancangan Turbin Uap terdiri dari beberapa tahap, sebagai berikut:. Penentuan Jenis Turbin Uap yang Dirancang. Penentuan Jumlah Tingkat Yang dibutuhkan 3. Menghitung Daya Keluaran 4. Perancangan geometri perapat labirin 5. Pemilihan jenis nozzle 6. Pemilihan u/c maksimum 7. Perhitungan Kerugian-kerugian 8. Koreksi Perancangan Nozzle 9. Perancangan Sudu Gerak.

11 Pada penelitian ini dibutuhkan input data sebagai berikut inlet P,T, Turbin uap, N e, n Perhitungan secara thermodinamika Kerja turbin uap ideal (isentropik) outlet P,T, Kerja turbin uap aktual W turbin uap ideal = m(h 3 -h 4 ) W turbin uap aktual = m(h 3 - h 4 )

12 Penentuan Jenis Turbin Uap yang Dirancang Turbin uap, dapat dibedakan menjadi:. 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). 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.

13 Penentuan jumlah tingkat Jenis Turbin uap Menurut tekanan Low Pressure (LP) Intermediate Pressure (IP) Penurunan Kalor High Pressure (HP) Penurunan enthalpy maksimum (tiap satu tingkat) (43-86) kj/kg 00 kj/kg 00 kj/kg Penurunan enthalpy dari data masukan Ho i0 i t Penurunan kecepatan pada sisi keluar nozzle c 9, 5 H o dari penurunan enthalpy data masukan diketahui tingkat yang dibutuhkan adalah satu tingkat

14 ηg ηm Menghitung daya keluaran Efisiensi mekanis turbin y = 0.0ln(x) Ne (hp) n = 3000 untuk absis dikalikan 0 Log. (n = 3000 untuk absis dikalikan 0) Efisiensi generator menurut elektrosila work Ne efisiensi generator menurut elektrosila work 3600 H 0 0i g mg 860 Setelah meghitung daya keluaran koreksi desain dengan daya keluaran secara thermodinamika y = E-4x 3-5E-0x + 6E-06x Poly. (efisiensi generator menurut elektrosila work) N3(KW) Ke halaman selanjutnya

15 Perancangan geometri perapat labirin f s. d. s p kr 0.85xP z.5 G kebocoran 00 f s z g.5 x p koreksi desain geometri perapat labirin p kr p atm Jika Memenuhi maka perancangan Perapat Tidak Mengalami Kebocoran Ke halaman selanjutnya

16 Pemilihan jenis nozzle a. (konvergen-divergen) p p b. (konvergen) 0 p p 0 P kr P kr dimana P r krxp 0 h kr h c 9,5 kr 0 ( ) c kr k g p k 0 0 Ke halaman selanjutnya

17 Perhitungan Geometri Nozzle Konvergen Luas Penampang Pada Bagian keluar nozzle ( G fmaks Gkebocoran) c Lebar Pada Bagian keluar untuk nozzle a fmaks jumlahnozzle( tinggi. nozzle) Ke halaman Pemilihan Nozzle

18 Perhitungan Geometri Nozzle Konvergen-divergen Luas Penampang Pada Bagian Leher(throat) f min ( G Gkebocoran) 03 P 0 0 Lebar Pada Bagian Leher(throat) untuk nozzle a min f ' min jumlahnozzle untuk nozzle ' fmin f'min jumlahnozzle Luas Penampang Pada Bagian keluar nozzle ( G fmaks Gkebocoran) c Panjang nozle Pada Bagian Divergen Lebar Pada Bagian keluar untuk nozzle a fmaks jumlahnozzle( tinggi. nozzle) l a a m in tan Ke halaman Pemilihan Nozzle

19 Pemilihan U/C maksimum Pada Pemilihan U/C Maksimum Kita Harus Melihat Beberapa Aspek, Yaitu:. Sudut α (4-0 ). Sudut β (β-3 )-----(β-6 ) 3. Nilai ηoi maksimum Ke halaman selanjutnya

20 Sudut α Ke halaman pemilihan U/C Dengan Melakukan variasi sudut α dari 4-0, kita dapatkan grafik fungsi efisiensi internal sebelum dikurangi kerugian akibat turbulensi dari grafik diketahui efisiensi maksimum dimiliki oleh sudut 4 u ( cos cos )(cos u ) c u c menurunkan α dari 0-4 menyebabkan nilai cos α menjadi meningkat, dengan nilai Φ, Ψ, u/c sama dan perubahan β danβ sebanding. Maka harga ηu meningkat

21 Sudut β ,00-4,00-5,00-6,00 Poly. (-4,00) Poly. (-5,00) Poly. (-6,00) Dari grafik diketahui nilai pengurangan β dari (-3 )---(-6 ) Tidak memiliki pengaruh terlalu besar. Hal ini sesuai dengan rumusan u ( cos cos )(cos u ) c u c Ke halaman pemilihan U/C

22 ηoi Nilai ηoi maksimum ηoi fungsi U/C Poly. (4) 0. Poly. (7) 0 Poly. (0) U/C u ( cos cos )(cos u u ) c c Ke halaman pemilihan U/C Dari grafik dketahui nilai ηoi maksimum terdapat pada sudut α = 4, hal ini sesuai dengan rumusan 3 4 N ge. a n d l. 0 kerugian turbulensi ge. a. 04gN Gc ge. a t 0 oi u ge.a. dengan α meningkat mengakibatkan penurunan nilai cos α dan dengan kerugian turbulensi tiap sudut memiliki nilai sama maka nilai ηoi maksimum terdapat pada sudut 4 dan nilai U/C pada 0.4

23 Perhitungan Kerugian-kerugian Dari segitiga kecepatan pada sudu SEGITIGA KECEPATAN SISI INLET ω α β u c SEGITIGA KECEPATAN SISI OUTLET c β α u ω Kerugian kinetik nozzle Kerugian kinetik sudu gerak h n c t c 8378 Kerugian carry over pada sudu gerak ' h b 8378 h e c 8378 Ke halaman selanjutnya

24 Hitung ηu dari rumusan ' H0 hn hb he u H ' 0 Koreksi Perhitungan u( rumusan ) u( tabel) x00 % o Jika % perhitungan u( rumusan ) o memenuhi syarat kerugian turbulensi Hitung penurunan kalor indikatif setelah menghitung kerugian turbulensi yang terjadi ' Hi H0 hn hb he hge. a h ge. a 0 N ge. 47 G a efisiensi dalam relatif turbin tanpa menghitung kerugian pada katup pengatur 0 H i H 0 massa alir uap yang mengalir melewati turbin Koreksi dengan perhitungan sebelumnya ' 860 N G 3600 H i e m g G ' G G ' G x00 % Jika % perhitungan memenuhi syarat

25 Koreksi Desain Nozzle f maks dl sin ε > 0,, sehingga desain dapat diterima Desain Sudu Gerak Tinggi masuk sudu ' l l selesai Maka jumlah sudu z 0 x3600 xg0xh 860 x up u u tinggi sudu pada sisi keluar l ' gb d G 0 ' gb sin / Jumlah sudu yang digunakan P u = (G/g)(c u c u )

26 Hasil yang didapat: Massa alir uap yang dibutuhkan untuk menghasilkan daya output 50 KW sebesar 8.07 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 = 00mm, celah melingkar antara poros dan sekat labirin s = 0,3mm. Jenis nozzle yang digunakan adalah nozzle konvergen dengan geometri penampang sisi keluar nozzle fmaks = cm, lebar nozzle pada sisi keluar a = 3.665mm, tinggi nozzle pada bagian sisi keluar l = mm, jumlah nozzle = 0 nozzle. u/c maksimum pada nilai 0.5 dengan sudut α maksimum = 4, u = m/detik, d = 0.6 m, β = 7., dan β =.. Tinggi masuk sudu gerak 4mm, lebar sudu dengan l/b =, maka b = 4mm, jumlah sudu z = 60 blade, tinggi sudu pada bagian keluar l gb =3.3mm.

27 Kontur tekanan Pemodelan Geometri dan Komputasi secara Numerik pada Software GAMBIT dan FLUENT 6. Sudut α = 4 Sudut α = 7

28 Pemodelan Geometri dan Komputasi secara Numerik pada Software GAMBIT dan FLUENT 6. Kontur kecepatan Sudut α = 4 Sudut α = 7

29 Pemodelan Geometri dan Komputasi secara Numerik pada Software GAMBIT dan FLUENT 6. Path line aliran Sudut α = 4 Sudut α = 7 Dari path line diketahui aliran sudut α = 4 memiliki pathline lebih halus dibanding sudut 7

30 Kesimpulan Massa alir uap yang dibutuhkan untuk menghasilkan daya output 50 KW sebesar 8.07 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 = 00mm, celah melingkar antara poros dan sekat labirin s = 0,3mm. Jenis nozzle yang digunakan adalah nozzle konvergen dengan geometri penampang sisi keluar nozzle fmaks = cm, lebar nozzle pada sisi keluar a = 3.665mm, tinggi nozzle pada bagian sisi keluar l = mm, jumlah nozzle = 0 nozzle. u/c maksimum pada nilai 0.5 dengan sudut α = 0.6 m, β = 7., dan β =.. maksimum = 4, u = m/detik, d Tinggi masuk sudu gerak 4mm, lebar sudu dengan l/b =, maka b = 4mm, jumlah sudu z = 60 blade, tinggi sudu pada bagian keluar l gb =3.3mm.

31 TERIMA KASIH Terima kasih mohon kritik dan saran