PERANCANGAN TURBIN UAP PENGGERAK GENERATOR LISTRIK DENGAN DAYA 80 MW PADA INSTALASI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP

Transkripsi

1 SKRIPSI PERANCANGAN TURBIN UAP PENGGERAK GENERATOR LISTRIK DENGAN DAYA 80 MW PADA INSTALASI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP Skripsi ini Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Oleh : TUMPAL BATARA. NABABAN NIM : DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 009 Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

2 KATA PENGANTAR Segala puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala kasih dan karunia yang telah diberikan-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini yang merupakan tugas akhir dalam menyelesaikan pendidikan untuk mencapai gelar sarjana di Fakultas Teknik, Departemen Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara. Adapun yang menjadi judul dari pada Skripsi ini adalah Perancangan Turbin Uap Penggerak Generator Listrik dengan Daya 80 MW Pada Instalasi Pembangkit listrik Tenaga Uap. Dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini, penulis banyak sekali mendapat dukungan dari berbagai pihak. Maka pada kesempatan ini penulis menyampaikan penghargaan dan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :. Kedua orang tua penulis, Ayahku tercinta S.Nababan dan Mamaku tercinta R.br. Simamora yang telah memberikan doa restu kepada penulis serta telah bersusah payah membiayai penulis selama menjalani pendidikan, hingga penulis dapat menyalesaikan pendidikan dan mendapat gelar sarjana.. Kakak ku tercinta, Eva Mery Nababan dan Adik-adik ku tercinta, Yolanda Permatasari Nababan dan Bastian Wijaya Nababan serta My Lovely, C.Hanna Dumaria yang selalu mendoakan penulis serta selalu mendukung penulis dalam menyelesaikan skripsi ini. 3. Bapak Ir. Mulfi Hazwi. Msc sebagai dosen pembimbing yang telah membimbing penulis serta memberi masukan-masukan yang bermanfaat kepada penulis dari awal hingga akhir penyelesaian Skripsi ini. 4. Bapak DR.ING.IR.Ikhwansyah Isranuri sebagai ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara dan Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus, ST, MT sebagai sekretaris Departemen Teknik mesin Universitas Sumatera Utara. Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

3 5. Seluruh dosen staf pengajar dan pegawai Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara yang telah banyak membimbing dan membantu penulis selama kuliah di Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara. 6. Teman-teman mahasiswa khususnya stambuk 004 yang telah banyak membantu penulis selama perkuliahan dan dalam penyelesaian Skripsi ini. Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih mempunyai beberapa kekurangan, untuk itu penulis sangat mengharapkan adanya saran dari para pembaca untuk memperbaiki dan memperlengkapi tulisan ini ke depan. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat berguna memperkaya pengetahuan dari para pembaca. Terima kasih. Medan, Maret Penulis, Tumpal Batara. Nababan NIM : Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

4 DAFTAR ISI Halaman SPESIFIKASI TUGAS KARTU BIMBINGAN EVALUASI SEMINAR TUGAS SARJANA MAHASISWA ABSENSI PEMBANDING BEBAS MAHASISWA KATA PENGANTAR... i DAFTAR ISI... iii DAFTAR SIMBOL... vi BAB PENDAHULUAN. Latar Belakang Perencanaan.... Tujuan Perencanaan....3 Batasan Masalah....4 Metodologi Perancangan Sistematika Penulisan. 4 BAB TINJAUAN PUSTAKA. Pandangan Umum Tentang Turbin Uap Analisa Termodinamika 6.3 Modifikasi Siklus Rankine pada PLTU Prinsip dasar desain Turbin Uap Klasifikasi Turbin Uap Analisa Kecepatan Aliran Uap Kerugian Energi pada Turbin Uap Kerugian-kerugian Dalam (Internal losses) Kerugian-kerugian Luar Efisiensi dalam Turbin Uap Perhitungan Fraksi Massa pada Tiap Ekstraksi Perhitunga Jumlah Uap yang Mengalir Melalui Turbin dan ekstraksi Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

5 BAB 3 PENENTUAN SPESIFIK TURBIN UAP PLTGU 3. Pemilihan Jenis Turbin Uap Perhitungan Daya Turbin Uap Perhitungan Penurunan Kalor untuk Jenis Turbin Nekatingkat Perhitungan Fraksi Massa dan Laju Aliran Massa pada Tiap Ekstraksi Pengujian Kembali Laju Aliran Massa yang Diperoleh BAB 4 PERHITUNGAN KALOR TURBIN UAP PLTGU 4. Turbin Tingkat Pengaturan Perhitungan Kalor dari Tingkat Pengaturan sampai Ekstraksi I Pengujian Hasil Perhitungan Kalor Keseluruhan... 6 BAB 5 PERHITUNGAN UKURAN UTAMA TURBIN UAP PLTGU 5. Nosel dan Sudu Gerak Tinggi Nosel dan Sudu Gerak Lebar dan Jari-jari Busur Sudu Jarak bagi antara Sudu Jumlah Sudu Nosel dan Sudu Gerak Tingkat Kekuatan Sudu Getaran Sudu Pembahasan Perhitungan Ukuran Cakram Perhitungan Ukuran Poros Perhitungan Berat Cakram Bantalan dan Pelumasan BAB 6 KESIMPULAN Kesimpulan Saran 98 DAFTAR PUSTAKA. viii Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

6 DAFTAR SIMBOL. Simbol dari abjad biasa Simbol Arti Satuan A o Luas penampang sudu paling lemah cm A s Luas plat penguat sudu cm a Ruang bebas bantalan mm b Lebar sudu mm C Kapasitas termal rata-rata minyak pelumas kkal/kg 0 C c ad Kecepatan mutlak uap keluar nosel tanpa m/s memperhitungkan derajat reaksi c Kecepatan mutlak uap keluar nosel m/s c t Kecepatan uap masuk mutlak teoritis m/s c Kecepatan uap pada saluran keluar m/s c kr Kecepatan kritis m/s d Diameter nominal sudu atau rotor mm d p Diameter poros mm E Modulus elastisitas poros kg/cm f Luas penampang sudu gerak cm g Percepatan gravitasi bumi m/s G eks Massa alir uap ekstraksi kg/s G kebocoran Massa kebocoran uap pada perapat labirin kg/s Go Massa alir uap kg/s h b Kerugian energi dalam sudu-sudu gerak kj/kg h e Kerugian energi akibat aliran keluar kj/kg h ge.a Kerugian energi karena gesekan roda dan kj/kg ventilasi h i tk Nilai penurunan kalor pada tiap tingkat turbin kj/kg h kebasahan Kerugian energi karena kelembaban uap keluar kj/kg h n Kerugian energi pada nosel kj/kg Ho Nilai penurunan kalor dengan kj/kg Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

7 memperhitungkan kerugian tekanan Ho Nilai penurunan kalor dengan memperhitungkan kj/kg kerugian tekanan dan pemipaan buang H o,th Nilai penurunan kalor teoritis kj/kg I Momen inersia cm 4 i 0 Kandungan kalor uap saat masuk turbin kj/kg i t Kandungan kalor uap saat keluar turbin kj/kg i t Kandungan kalor uap setelah katup pengatur kj/kg l Tinggi nosel mm l Tinggi sisi masuk sudu gerak mm l Tinggi sisi keluar sudu gerak mm M t Momen puntir kg.mm n Putaran turbin rpm n kr Putaran kritis poros rpm P Daya nominal generator listrik MW P a Gaya yang terjadi akibat perbedaan tekanan uap kg masuk P a Gaya yang bekerja akibat perbedaan momentum kg uap P G Daya yang dibutuhkan generator listrik MVA P N Daya netto turbin MW p o Tekanan awal uap masuk turbin kg/cm p o Tekanan uap sebelum nosel kg/cm p kr Tekanan kritis kg/cm P u Gaya akibat rotasi pada sudu gerak kg R Jari-jari konis sempurna mm r Jari-jari hub mm r s Jari-jari rata-rata plat penguat sudu mm t 0 Temperatur uap awal u Kecepatan keliling sudu turbin m/s ν Volume spesifik uap m 3 /kg W Momen perlawanan poros cm 3 W cr,tot Berat total cakram kg 0 C Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

8 W p Berat total poros kg W y Momen perlawanan terkecil sudu cm 3 z Jumlah sekat labirin Buah z s, Jumlah sudu gerak baris pertama Buah. Simbol dari abjad Yunani (Greek Letters) Simbol Arti Satuan α Sudut masuk kecepatan uap mutlak ke sudu gerak o α Sudut keluar kecepatan uap mutlak o β Sudut masuk kecepatan relatif uap ke sudu gerak o β Sudut keluar kecepatan relatif uap ke sudu gerak o ρ as Massa jenis bahan Alloy Steel kg/m 3 ρ Massa jenis minyak pelumas kg/ltr pl ρ Massa jenis uap kg/m 3 u p v Penurunan tekanan uap saat melewati katup kg/cm pengatur σ Tegangan kg/cm τ a Tegangan izin poros kg/cm ω Kecepatan sudut rad/s η g Efisiensi generator - η m Efisiensi mekanis - λ Koefisien jenis fluida pada rumus stodola - ϕ Faktor kecepatan (angka kualitas) nosel - ψ Koefisien kecepatan (angka kualitas) sudu - Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

9 BAB PENDAHULUAN.. Latar belakang perancangan Ide tentang turbin uap sudah ada sejak turbin Hero, kira-kira tahun 0 S.M, tetapi pada saat itu masih berbentuk mainan atau belum dapat menghasilkan daya poros yang efektif. Giovani Branca juga mengusulkan turbin impuls pada tahun 69, tetepi turbin tersebut tidak pernah dibuat. Turbin yang pertama dibuat pada tahun83 oleh William Avery (amerika Serikat) untuk menggerakkan mesin gergaji. Sejak saat itu teori tentang turbin uap terus berkembang dengan pesat dan hal tersebut juga diikuti oleh perkembangan aplikasi dari turbin tersebut. Turbin uap sebagai salah satu mesin konversi energi merupakan salah satu alternatif yang baik karena dapat mengubah energi potensial uap menjadi energi mekanik pada poros turbin, Sebelum dikonversikan menjadi energi mekanik energi potensial uap terlebih dahulu dikonversikan menjadi energi kinetik dalam nosel (pada turbin impuls) dan sudu-sudu gerak(pada turbin reaksi). Energi mekanis yang dihasilkan dalam bentuk putaran poros turbin dapat secara langsung atau dengan bantuan roda gigi reduksi dihubungkan dengan mekanisme yang digerakkan. Untuk menghasilkan energi listrik, mekanisme yang digerakkan dalam hal ini adalah poros generator. Pada generator energi mekanik yang diteruskan dari poros akan diubah menjadi energi listrik. Turbin uap sudah sering digunakan sebagai penggerak mula pada PLTU, pompa, kompressor dan mesin-mesin lain. Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

10 .. Tujaun perancangan Adapun tujuan dari perancangan ini adalah untuk merancang sebuah Turbin Uap beserta dimensi komponen-komponen utama nya, dimana Turbin Uap tersebut terdiri dari 0 tingkat tekanan dan dalam Turbin tersebut terjadi 4 ekstraksi, dimana uap hasil ekstraksi tersebut digunakan sebagai pemanas air pengisian ketel. Dalam hal ini Turbin Uap yang dirancang berfungsi sebagai penggerak Generator Listrik..3. Batasan masalah Adapun batasan-batasan masalah dari tugas sarjana ini adalah : a. Penentuan Spesifik Turbin Uap Adapun spesifikasi Turbin uap yang direncanakan pada skripsi ini adalah :. Tekanan uap masuk : 80 bar. Temperature uap masuk : 500 C 3. Jumlah ekstraksi : 4 ekstraksi 4. Jumlah tingkat turbin : 0 tingkat 5. Daya keluaran Generator : 80 MW b. Perhitungan Kalor Turbin Uap Dalam hal ini pembahasan meliputi penentuan besarnya penurunan kalor yang terjadi pada tiap tingkat untuk mendapatkan variasi kecepatan uapnya dengan penentuan besarnya kerugian kalor yang terjadi pada nosel atau sudu pengarah dan sudu gerak. Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

11 c. Perhitungan ukuran-ukuran komponen utama turbin uap Dalam hal ini pembahasan meliputi penentuan ukuran sudu pengarah dan sudu gerak dengan analisa kekuatan sudu nya, perhitunagan ukuran cakram dan tegangan yang terjadi, perhitungan ukuran poros dengan putaran kritis nya, dan pemilihan bantalan dengan sistem pelumasan nya. d. Gambar penampang ( gambar teknik ) turbin uap.4. Metodologi penulisan Metodologi yang digunakan dalam penulisan tugas sarjana ini adalah sebagai berikut : a. Survey lapangan, yakni berupa peninjauan langsung ke lokasi tempat unit pembangkit listrik tenaga uap itu berada. b. Penagambilan data survey dari tempat dilaksanakan nya survey. c. Studi literatur, yakni berupa studi kepustakaan, kajian dari buku-buku, dan tulisan-tulisan yang terkait dengan perancangan turbin uap. d. Browsing internet, yaitu untuk mencari bahan-bahan tulisan dan artikel-artikel yang dapat digunakan untuk membantu pengerjaan skripsi ini. e. Diskusi, yakni berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing, dosen pembanding yang nanti akan ditunjuk oleh pihak Departemen Teknik Mesin FT USU mengenai kekurangan-kekurangan didalam bahasan tugas sarjana ini. Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

12 .5. Sistematika penulisan Skripsi ini dibagi menjadi beberapa bab dengan garis besar sebagai berikut : Bab I : Pendahuluan Bab ini berisikan Latar belakang penulisan, tujuan, batasan masalah, metodologi penulisan, dan sistematika penulisan. Bab II : Tinjauan pustaka Bab ini berisikan Pandngan umum tentang Turbin Uap, Analisa termodinamika pada Turbin Uap, Modifikasi siklus rankine pada Turbin uap, Klasifikasi Turbin Uap, dan Kerugian-kerugian energi pada Turbin Uap. Bab III : Penentuan Spesifikasi turbin Uap Bab ini berisikan tentang Penentuan jenis Turbin Uap yang digunakan, Perhitungan daya pada Turbin, Perhitungan penurunan kalor, Penentuan laju aliran massa uap pada setiap ekstraksi. Bab IV : Perhitungan Kalor Turbin Uap Bab ini berisikan perhitungan kalor yang terdapat pada Turbin Uap dan kondisi uap pada tiap tingkat deari Turbin Uap. Bab V : Perhitungan Komponen Utama Turbin Uap Bab ini berisikan perhitungan-perhitungan komponen utama Turbin Uap yang meliputi : Perhitungan ukuran Nozel dan Sudu gerak serta Perhitungan ukuran Cakra Pada Turbin Uap. Bab VI : Kesimpulan Bab ini berisikan spesifikasi Turbin Uap pada PLTU serta dimensi dari komponenkomponen utama Turbin Uap. Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

13 BAB TINJAUN PUSTAKA.. Pandangan umum tentang Turbin Uap Turbin uap termasuk mesin tenaga atau mesin konversi energi dimana hasil konversi energinya dimanfaatkan mesin lain untuk menghasilkan daya. Di dalam turbin terjadi perubahan dari energi potensial uap menjadi energi kinetik yang kemudian diubah lagi menjadi energi mekanik pada poros turbin, selanjutnya energi mekanik diubah menjadi energi listrik pada generator. Energi mekanis yang dihasilkan dalam bentuk putaran poros turbin dapat secara langsung atau dengan bantuan roda gigi reduksi dihubungkan dengan mekanisme yang digerakkan. Turbin uap digunakan sebagai penggerak mula pada PLTU, seperti untuk menggerakkan pompa, kompressor dan mesin-mesin lain. Jika dibandingkan dengan penggerak generator listrik yang lain, turbin uap mempunyai kelebihan antara lain: Penggunaan panas yang lebih baik. Pengontrolan putaran yang lebih mudah. Tidak menghasilkan loncatan bunga api listrik. Uap bekasnya dapat digunakan kembali atau untuk proses. Siklus yang terjadi pada turbin uap adalah siklus Rankine, yaitu berupa siklus tertutup, dimana uap bekas dari turbin dimanfaatkan lagi dengan cara mendinginkannya pada kondensor, kemudian dialirkan lagi ke pompa dan seterusnya sehingga merupakan suatu siklus tertutup. Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

14 .. Analisis Termodinamika Siklus pada turbin uap adalah siklus Rankine, yang terdiri dari dua jenis siklus yaitu : Siklus terbuka, dimana sisa uap dari turbin langsung dipakai untuk keperluan proses. Siklus tertutup, dimana uap bekas dari turbin dimanfaatkan lagi dengan cara mendinginkannya pada kondensor, kemudian dialirkan kembali kepompa dan seterusnya sehingga merupakan suatu siklus tertutup. Uap menurut keadaannya ada tiga jenis [ Lit.9 hal.95 ] yaitu : a. Uap basah, dengan kadar uap 0 < X < b. Uap jenuh (saturated vapor),dengan kadar uap X c. Uap kering (Superheated vapor) Diagram alir siklus Rankine dapat dilihat sebagai berikut: Gambar. Siklus Rankine sederhana Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

15 Gambar. Diagram T-s Siklus Rankine Sederhana Siklus rankine sederhana terdiri dari beberapa proses sebagai berikut : : Proses pemompaan isentropik didalam pompa. 3 : Proses pemasukan kalor atau pemanasan pada tekan konstan dalam ketel uap. 3 4 : Proses ekspansi isentropik didalam turbin. 4 : Proses pengeluaran kalor pada tekanan konstan Untuk mempermudah penganalisaan termodinamika siklus ini, proses-proses diatas dapat di sederhanakan dalam diagram berikut : Maka analisa pada masing-masing proses pada siklus untuk tiap satu satuan massa dapat ditulis sebagai berikut: ) Kerja pompa (W P ) h h ν (P P ) ) Penambahan kalor pada ketel (Q in ) h 3 h 3) Kerja turbin (W T ) h 3 h 4 4) Kalor yang dilepaskan dalam kondensor (Q out ) h 4 h Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

16 5) Efisiensi termal siklus η th W Q net in WT W Q in P η th ( h h ) ( h h ) 3 4 h 3 h.3. Modifikasi Siklus Rankine pada PLTU Modifikasi siklus Rankine bertujuan untuk meningkatkan efisiensi siklus, dalam hal ini dibuat ekstraksi uap yang bertujuan untuk memanaskan air pengisian ketel, sehingga kerja ketel berkurang dan kebutuhan bahan bakar juga berkurang. Dalam perancangan ini dibuat modifikasi siklus rankine dengan empat ekstraksi uap. Adapun modifikasi siklus rankine tersebut dapat dilihat pada gambar berikut [ sumber : lampiran dari data survey pada PLN SICANANG ] : Eks. I TURBIN UAP GENERATOR Eks. II Eks. III Eks. IV DEAERATOR KONDENSOR No. IV No. III No. II No. I HPH HPH LPH LPH CP Gambar.3. Diagram alir siklus Rankine menggunakan HPH dan LPH Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

17 Uap kering hasil pembakaran dari ketel memasuki turbin, setelah melalui beberapa tingkatan sudu turbin, sebagian uap diekstraksikan ke empat pemanas awal yaitu dua buah High Pressure Heater ( HPH ) dan dua buah Low Pressure Heater ( LPH ), sedangkan sisanya masuk ke kondensor dan dikondensasikan di kondensor. Selanjutnya air dari kondensor dipompakan ke deaerator setelah melalui pemanas air pertama dan kedua, dimana air yang berada pada dearator ini akan dipanaskan oleh uap dari turbin, kemudian dari deaerator air dipompakan kembali ke boiler dengan melalui pemanas ketiga dan keempat. Dari ketel, air yang sudah menjadi uap kering dialirkan kembali ke turbin Tujuan uap diekstraksikan ke Pemanas atau Heater adalah untuk membuang gasgas yang tidak terkondensasi sehingga pemanasan pada boiler dapat berlangsung efektif, mencegah korosi pada boiler, dan meningkatkan efisiensi siklus. Untuk mempermudah penganalisaan siklus termodinamika ini, proses-proses tersebut di atas dapat kita sederhanakan dalam bentuk diagram berikut : T S Gambar.4. Diagram T-S siklus Rankine Dengan Empat Tingkat Ekstraksi Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

18 .4 Prinsip Dasar Desain Turbin Uap Turbin uap merupakan suatu penggerak mula yang mengubah energi potensial uap menjadi energi kinetik dan energi kinetik ini selanjutnya diubah menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran poros turbin. Poros turbin, langsung atau dengan bantuan roda gigi reduksi, dihubungkan dengan mekanisme yang digerakkan. Tergantung kepada jenis mekanisme yang digerakkan, turbin uap dapat digunakan pada berbagai bidang industri, untuk pembangkit tenaga listrik, dan untuk transportasi. Dalam perancangan ini, turbin uap digunakan untuk menggerakkan generator listrik pada PLTU seperti tampak pada gambar.3 diatas. Untuk mengubah energi potensial uap menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran poros dilakukan dengan berbagai cara, sehingga turbin uap secara umum terdiri dari tiga jenis utama, yaitu : turbin uap impuls, reaksi, dan gabungan (impuls-reaksi). Selama proses ekspansi uap di dalam turbin juga terjadi beberapa kerugian utama yang dikelompokkan menjadi dua jenis kerugian utama, yaitu kerugian dalam dan kerugian luar. Hal ini akan menyebabkan terjadinya kehilangan energi, penurunan kecepatan dan penurunan tekanan dari uap tersebut yang pada akhirnya akan mengurangi efisiensi siklus dan penurunan daya generator yang akan dihasilkan oleh generator listrik..5 Klasifikasi Turbin Uap Turbin uap dapat diklasifikasikan ke dalam kategori yang berbeda yang tergantung pada jumlah tingkat tekanan, arah aliran uap, proses penurunan kalor, kondisikondisi uap pada sisi masuk turbin dan pemakaiannya di bidang industri. Adapun klasifikasinya [ Menurut Lit.7 hal.0 ], antara lain : Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

19 . Menurut jumlah tingkat tekanan, terdiri dari : a. Turbin satu tingkat dengan satu atau lebih tingkat kecepatan, yaitu turbin yang biasanya berkapasitas kecil dan turbin ini kebanyakan dipakai untuk menggerakkan kompresor sentrifugal. b. Turbin impuls dan reaksi nekatingkat, yaitu turbin yang dibuat dalam jangka kapasitas yang luas mulai dari yang kecil sampai yang besar.. Menurut arah aliran uap, terdiri dari : a. Turbin aksial, yaitu turbin yang uapnya mengalir dalam arah yang sejajar terhadap sumbu turbin. b. Turbin radial, yaitu turbin yang uapnya mengalir dalam arah yang tegak lurus terhadap sumbu turbin. 3. Menurut jumlah silinder, terdiri dari : a. Turbin silinder tunggal b. Turbin silinder ganda c. Turbin tiga silinder d. Turbin empat silinder Turbin nekatingkat yang rotornya dipasang pada satu poros yang sama dan yang dikopel dengan generator tunggal dikenal dengan turbin poros tunggal; turbin dengan poror rotor yang terpisah untuk masing-masing silinder yang dipasang sejajar satu dengan yang lainnya dikenal dengan turbin neka-aksial. Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

20 4. Menurut metode pengaturan, terdiri dari : a. Turbin dengan pengaturan pencekikan (throttling), dalam hal ini uap panas lanjut yang keluar dari ketel masuk melalui satu atau lebih katup pencekik yang dioperasikan serempak. b. Turbin dengan pengaturan nosel yang uap segarnya masuk melalui dua atau lebih pengatur pembuka yang berurutan. c. Turbin dengan pengaturan langkah (by-pass governing), dimana uap panas lanjut yang keluar dari ketel disamping dialirkan ke tingkat pertama juga langsung dialirkan ke satu, dua, atau bahkan tiga tingkat menengah turbin tersebut. 5. Menurut prinsip aksi uap, terdiri dari : a. Turbin impuls, yang energi potensial uapnya diubah menjadi energi kinetik di dalam nosel atau laluan yang dibentuk oleh sudu-sudu diam yang berdekatan, dan didalam sudu-sudu gerak, energi kinetik uap diubah menjadi energi mekanis. b. Turbin reaksi aksial yang ekspansi uapnya diantara laluan sudu, baik sudu pengarah maupun sudu gerak. c. Turbin reaksi radial tanpa sudu pengarah yang diam d. Turbin reaksi radial dengan sudu pengarah yang diam 6. Menurut proses penurunan kalor, terdiri dari : Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

21 a. Turbin kondensasi (condensing turbine) dengan regenerator, yaitu turbin dimana uap pada tekanan yang lebih rendah dari tekanan atmosfer dialirkan ke kondensor, disamping itu uap juga dicerat dari tingkat-tingkat menengahnya untuk memanaskan air pengisian ketel, dimana jumlah penceratan itu biasanya dari -3 hingga sebanyak 8-9. Kalor laten uap buang selama proses kondensasi semuanya hilang pada turbin ini. a. Turbin kondensasi dengan satu atau dua penceratan dari tingkat menengahnya pada tekanan tertentu untuk keperluan-keperluan industri dan pemanasan. b. Turbin tekanan lawan (back pressure turbine), yaitu turbin yang uap buang dipakai untuk keperluan-keperluan pemanasan dan untuk keperluan-keperluan proses dalam industri. c. Turbin tumpang, yaitu suatu jenis turbin tekanan lawan dengan perbedaan bahwa uap buang dari turbin jenis ini lebih lanjut masih dipakai untuk turbinturbin kondensasi tekanan menengah dan rendah. Turbin ini, secara umum beroperasi pada kondisi tekanan dan temperatur uap awal yang tinggi, dan dipakai kebanyakan untuk membesarkan kapasitas pembangkitan pabrik, dengan maksud untuk mendapatkan efisiensi yang lebih baik. d. Turbin tekanan lawan dengan penceratan uap dari tingkat-tingkat menengahnya pada tekanan tertentu, dimana turbin jenis ini dimaksudkan untuk mensuplai uap kepada konsumen pada berbagai kondisi tekanan dan temperatur. e. Turbin tekanan rendah (tekanan buang), yaitu turbin yang uap buang dari mesin-mesin uap, palu uap, mesin tekan, dan lain-lain, dipakai untuk keperluan pembangkitan tenaga listrik. Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

22 f. Turbin tekanan campur dengan dua atau tiga tingkat-tekanan, dengan suplai uap buang ke tingkat-tingkat menengahnya. 7. Menurut kondisi-kondisi uap pada sisi masuk turbin, terdiri dari : a. Turbin tekanan rendah, yaitu turbin yang memakai uap pada tekanan, sampai ata. b. Turbin tekanan menengah, yaitu turbin yang memakai uap pada tekanan sampai 40 ata. c. Turbin tekanan tinggi, yaitu turbin yang memakai uap pada tekanan diatas 40 ata. d. Turbin tekanan yang sangat tinggi, yaitu turbin yang memakai uap pada tekanan 70 ata atau lebih dan temperatur diatas 550 o C atau lebih. e. Turbin tekanan superkritis, yaitu tubin yang memakai uap pada tekanan 5 ata atau lebih. 8. Menurut pemakaiannya di bidang industri, terdiri dari : a. Turbin stasioner dengan kepesatan putar yang konstan dipakai terutama untuk menggerakkan alternator. b. Turbin uap stasioner dengan kepesatan yang bervariasi dipakai untuk menggerakkan blower-turbo, pengedar udara (air circulator), pompa, dan lain-lain. c. Turbin yang tidak stasioner dengan kepesatan yang bervariasi, yaitu turbin yang biasanya dipakai pada kapal-kapal uap, kapal, dan lokomotif kerata api (lokomotif-turbo). Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

23 .6. Analisa Kecepatan Aliran Uap Analisa kecepatan aliran uap yang melewati suatu sudu dapat digambarkan sebagai berikut : Gambar.5. Variasi kecepatan uap pada sudu-sudu gerak turbin impuls. (Sumber : Lit.7, hal 33). Kecepatan aktual keluar dari nosel (C ) adalah : C 9,5ϕ H ' (m/det).lit.7, hal 80 o dimana : H o besar jatuh kalor (entalphi drop) (kkal/kg) ϕ koefisien gesek pada dinding nosel (0,9 s/d 0,98). Kecepatan uap keluar teoritis (C t ) C C t (m/det).lit.7, hal 4 ϕ 3. Kecepatan tangensial sudu (U) U. d. n π (m/det).lit.7, hal dimana : d diameter pada turbin (m) n putaran poros turbin (rpm) Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

24 4. Kecepatan uap memasuki sudu gerak pertama (w ) w C + U UC cos α (m/det).lit.7, hal Kecepatan mutlak radial uap keluar sudu gerak baris pertama (C u ) C u C (m/det).lit.7, hal 76 cosα 6. Kecepatan mutlak radial uap keluar sudu gerak baris kedua (C u ) C u C (m/det).lit.7, hal 76 cosα 7. Sudut relatif masuk sudu gerak baris pertama (β ) sin C sinα β...lit.7, hal 34 w 8. Sudut relatif uap sudu keluar sudu gerak pertama (β ) β β (3 5 )...Lit.7, hal Kecepatan relatif uap keluar sudu gerak pertama (w ) w ψ (m/det).lit.7, hal 34.w 0. Kecepatan mutlak uap keluar sudu gerak pertama (C ) C w + U. U. w. cos β (m/det).lit.7, hal 34. Kecepatan mutlak uap masuk sudu gerak kedua ( C ) C C (m/det).lit.7, hal 85 ' ψ gb., Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

25 .7 Kerugian Energi pada Turbin Uap Kerugian energi pada turbin adalah pertambahan energi kalor yang dibutuhkan untuk melakukan kerja mekanis pada praktek aktual dibandingkan dengan nilai teoritis yang proses ekspansinya terjadi benar-benar sesuai dengan proses adiabatik. Pada suatu tingkat turbin, jumlah penurunan kalor yang benar-benar dikonversi menjadi kerja mekanis pada poros turbin adalah lebih kecil daripada nilai-nilai yang dihitung untuk tingkat turbin yang ideal. Semua kerugian yang timbul pada turbin aktual dapat dibagi menjadi dua kelompok utama, yaitu :.7. Kerugian-kerugian dalam (Internal losses). Kerugian kalor pada katub pengatur Aliran uap melalui katup-katup penutup dan pengatur disertai oleh kerugian energi akibat proses pencekikan (throtling), kerugian ini yang disebut dengan kerugian katup pengatur. Jika tekan uap masuk adalah P o maka akan terjadi penurunan tekanan menjadi tekan awal masuk turbin P o. Penurunan tekan awal ( P) diperkirakan sebesar ( 3 5 ) % dari P o [ Menurut Lit.7 hal. 59 ]. Dimana P P o P o, pada perencanaan ini diambil kerugian pada katup pengatur sebesar 5% dari tekan masuk turbin atau dapat di tuliskan : P 5%P o...lit.7 hal 60 Kerugian energi yang terjadi pada katup pengatur ditentukan dengan : Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

26 H H o H o. Lit.7 hal 59 dimana: H o nilai penurunan kalor total turbin H o nilai penurunan kalor setelah mengalami proses penurunan tekanan akibat pengaturan melalui katup pengatur dan katup penutup yang ditetapkaqn sebesar 3 5% dari P o. jadi tujuan perencanaan kerugian tekanan yaitu sebesar P 5%P o. Adapun gambar.6. menunjukkan proses ekspansi uap melalui mekanisme pengatur beserta kerugian-kerugian yang lainnya yang diakibatkan pencekikan (throttling). Disebabkan oleh proses pencekikkan yang terjadi pada katub pengatur, penurunan kalor yang tersedia pada turbin akan berkurang dari Ho menjadi Ho dengan kata lain ada kehilangan energi yang tersedia sebesar H Ho - Ho.Besarnya kerugian tekanan akibat perncekikan dengan katub pengatur terbuka lebar dapat diandaikan sebesar 5 % dari tekanan uap segar Po [ Lit. 7 hal 59 ]. Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

27 Gambar.6. Proses ekspansi uap dalam turbin beserta kerugian-kerugian akibat Pencekikan.. Kerugian kalor pada nozel (h n ) Kerugian energi dalam nozel adalah dalam bentuk kerugian energi kinetis dimanan besarnya adalah : Kerugian energi pada nosel disebabkan oleh adanya gesekan uap pada dinding nozel, turbulensi, dan lain-lain. Kerugian energi pada nosel ini dicakup oleh koefisien kecepan nozel ( ) yang sangat tergantung pada tinggi nozel. Kerugian energi kalor pada nozel dalam bentuk kalor : h C t C kj kg...lit.7 hal 5 00 n / dimana : h n besarnya kerugian pada nozel C it kecepatan uap masuk nozel teoritis ϕ koefisien kecepatan pada dinding nozel (0,93 s/d 0,98) C kecepatan aktual uap keluar dari nozel Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

28 Untuk tujuan perancangan, nilai-nilai koefisien kecepatan nozel dapat diambil dari grafik yang ditunjukkan pada gambar dibawah ini : Gambar.7. Grafik untuk Menentukan Koefisien ϕ sebagai fungsi tinggi nozel (sumber : Lit.7, hal 6) 3. Kerugian kalor pada sudu gerak Kerugian pada sudu gerak dipengarui beberapa faktor yaitu : kerugian akibat tolakan pada ujung belakang sudu. Kerugian akibat tubrukan. Kerugian akibat kebocoran uap melalui ruang melingkar. Kerugian akibat gesekan. Kerugian akibat pembelokan semburan pada sudu. Semua kerugian diatas disimpulkan sebagai koefisien kecepatan sudu gerak (ϕ). Akibat koefisien ini maka kecepatan relatif uap keluar dari sudu W lebih kecil dari kecepatan relatif uap masuk sudu W. Kerugian kalor pada sudu gerak pertama Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

29 ' h b w w (kj/kg).lit.7, hal Kerugian pada sudu gerak baris kedua ' " w h b w ' (kj/kg).lit.7, hal dimana : w kecepatan relatif uap masuk sudu gerak I w kecepatan relatif uap keluar sudu gerak I w kecepatan relatif uap masuk sudu gerak II w kecepatan relatif uap keluar sudu gerak II dibawah ini: Untuk keperluan rancangan maka faktor ψ dapat diambil dari grafik berikut Gambar.8. koefisien kecepatan untuk sudu gerak turbin impuls untuk berbagai panjang dan profil sudu (Sumber : Lit.7, hal 6) 4. Kerugian kalor akibat kecepatan keluar Uap meninggalkan sisi keluar sudu gerak dengan kecepatan mutlak C, sehingga kerugian energi kinetik akibat kecepatan uap keluar C untuk tiap kg uap dapat ditentukan sama dengan C /00 kj/kg. Jadi sama dengan kehilangan energi sebesar: Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

30 C h c (kj/kg).lit.7, hal Kerugian Kalor Pada Sudu Pengarah h gb C C (kj/kg)..lit.7, hal Kerugian kalor akibat gesekan cakram Kerugian gesekan terjadi diantara cakram turbin yang berputar dengan uap yang menyelubunginya. Cakram yang berputar itu menarik pertikel-pertikel yang ada didekat permukaannya dan memberi gaya searah dengan putaran. Sejumlah kerja mekanis digunakan untuk mengatasi pengaruh gesekan daqn pemberian kecepatan ini. Kerja yang digunakan untuk melawan gesekan dan percepatan-percepatan partikel uap ini pun akan di konversikan menjadi kalor, jadi akan mnemperbesar kalor kandungan uap. Kerugian akibat gesekan cakram dan ventilasi dalam satu kalor dapat ditentukan dari persamaan berikut: hg ca 0 Ng ca (kj/kg)..lit.7, hal 64 47G dimana : G massa aliran uap melalui tingkatan turbin (kg/s) Ng ca daya gesek dari ventilasi cakram ( kw ) Adapun penentu daya gesek dari ventilasi cakram ini sering dilakuakn dengan memakai rumus berikut : Ng ca ( kw ) 0 3 β 0 d 4 n l γ Lit.7 hal 64 dimana : β koefisien yang sama dengan,06 untuk cakram baris ganda Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

31 d diameter cakra yang diukur pada tinggi rata-rata sudu A(m) n putaran poros turbin (rpm) l tinggi sudu (m) ρ Massa jenis uap dimana cakram tersebut berputar (kg/m 3 ) /ν, dimana ν volume spesifik uap pada kondisi tersebut (m 3 /kg) 7. Kerugian Ruang Bebas pada Turbin Impuls Ada perbedaan tekanan di antara kedua sisi cakram nosel yang dipasang pada stator turbin, sebagai akibat ekspansi uap di dalam nosel. Diafragma yang mempunyai sudu sudu gerak adalah dalam keadaan berputar, sementara cakram-cakram adalah dalam keadaan diam sehingga selalu ada ruang bebas yang sempit antara cakram-cakram putar dan diafragma. Tekanan sebelum melewati diafragma adalah p dan tekanan sesudah cakram yang mempunyai sudu-sudu gerak adalah p. Oleh sebab itu, seluruh penurunan tekanan yang terjadi pada perapat labirin dari p hingga ke p didistribusikan diantara ruang-ruang A, B, C, D, E, dan F. Adanya perbedaan tekanan menyebabkan adanya kebocoran melalui celah ini, yang besarnya : h kebocoran G kebocoran ( i0 - i ) (kj/kg)..lit.7, hal 64 G Dimana G kebocoran ditentukan berdasarkan tekanan kritis, yaitu : p kr 0,85 p z +,5...Lit.7, hal 67 Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

32 Gambar.9. Celah kebocoran Uap tingkat tekanan pada turbin impuls (sumber : Lit., hal 6) Bila tekanan kritis lebih rendah dari p, maka kecepatan uap di dalam labirin adalah lebih rendah daripada kecepatan kritis dan massa alir kebocoran ditentukan dengan persamaan : G kebocoran 00 f s p ) g( p (kg/det)..lit.7, hal 67 zp υ sebaliknya, bila tekanan kritis lebih tinggi dari p, maka kecepatan uap adalah lebih tinggi dari kecepatan kritisnya dan massa alir kebocoran dihitung : G kebocoran 00 f s g p z +,5 v..lit.7, hal 6 8. Kerugian Akibat Kebasahan Uap Dalam hal turbin kondensasi, beberapa tingkat yang terakhir biasanya beroperasi pada kondisi kondisi uap basah yang menyebabkan terbentuknya tetesan air. Tetesan air ini oleh pengaruh gaya sentrifugal akan terlempar ke arah keliling. Pada saat bersamaan tetesan air ini menerima gaya percepatan dari partikel-partikel uap searah dengan aliran, Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

33 jadi sebagian energi kinetik uap hilang dalam mempercepat tetesan air ini. Kerugian akibat kebasahan uap dapat ditentukan dengan persamaan : Dimana : h kebasahan ( -x) h Lit.7, hal 69 x fraksi kekeringan rata-rata uap di dalam tingkat turbin yaitu sebelum nosel (sudu pengarah) dan sesudah sudu gerak tingkat tersebut. h i penurunan kalor yang dimanfaatkan pada tingkat turbin dengan memperhitungkan semua kerugian kecuali akibat kebasahan uap 9. Kerugian Pemipaan Buang Kerugian pemipaan buang terjadi karena kecepatan aliran pada pipa buang besar (00-0) m/s yang biasanya terjadi pada turbin kondensasi. Besarnya kerugian tekanan dalam pemipaan buang turbin-turbin kondensasi dapat ditentukan, yaitu : Dimana : cs p pk pk λ 00.Lit.7, hal 70 p tekanan uap sesudah sudu (bar) p k tekanan uap di dalam pemipaan buang (bar) λ koefisien yang nilainya dari 0,07-0, c s kecepatan uap pada pemipaan buang (m/s)..7. Kerugian kerugian Luar Kerugian Mekanis Kerugian mekanis disebabkan oleh energi yang digunakan untuk mengatasi tahanan yang diberikan oleh bantalan luncur dan dorong termasuk bantalan luncur Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

34 generator atau mesin yang dihubungkan dengan poros turbin. Untuk tujuan perancangan, kerugian mekanis, generator dan turbin [Menurut lit., hal. 88] dapat ditentukan dengan mempergunakan grafik efisiensi mekanis turbin..8 Efisiensi dalam Turbin Uap. Efisiensi relatif sudu Hubungan antara kerja satu kilogram uap L u pada keliling cakram yang mempunyai sudu-sudu gerak terhadap kerja teoritis yang dapat dilakukannya adalah : L A. L u u η u...lit.7, hal 7 L0 i0 iu. Efisiensi internal Hubungan antara kerja yang bermanfaat yang dilakukan oleh sudu dengan kg uap pada tingkat atau di dalam turbin terhadap kerja teoritis yang tersedia adalah : L i i H i η...lit.7, hal 7 H i 0 0i L0 i0 i t 0 3. Efisiensi termal Hubungan antara penurunan kalor adiabatik teoritis di dalam turbin dan kalor yang tersedia dari ketel adalah : H 0 i0 i t η t...lit.7, hal 7 i q i q 0 0 Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

35 4. Efisiensi relatif efektif Hubungan antara efisiensi mekanis dengan efisiensi internal turbin adalah : η η.η...lit.7, hal 7 re m 0i Besarnya efisiensi mekanis ditentukan dari gambar diatas sedangkan efisiensi efektif relatif dapat ditentukan berdasarkan grafik [lit., hal. 88] Daya dalam turbin dapat dituliskan sebagai berikut : Daya dalam turbin 47. G 0. H N i i (kw)...lit.7, hal 7 0 Daya efektif yang dihasilkan pada turbin adalah : N ef η m. N...Lit.7, hal 7 i Daya efektif turbin dapat juga diperoleh dari hubungan anatara daya yang dibangkitkan pada terminal generator N e dan effisiensi generator g, yaitu : N e η g...lit.7, hal N efektif.9 Perhitungan Fraksi Massa pada Tiap Ekstraksi Dari gambar. sebelumnya telah diketahui, bahwa untuk siklus PLTU ini dirancang empat buah tingkatan ekstraksi dari turbin uap, sehingga fraksi massa pada tiap ekstraksi dapat ditentukan. Berikut ini ditentukan fraksi massa dari ekstraksi pertama hingga ekstraksi keempat sebagai berikut: Fraksi massa pada ekstraksi pertama ( α ) Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

36 α i i IV III fw fw I I ( ieks is ) η 4...Lit.7, hal 37. Fraksi massa pada ekstraksi kedua ( α ) II Eks II fw I II ( i i ) III II i fw i fw α s fw η3 α...lit.7, hal 37 i i 3 Fraksi massa pada ekstraksi ketiga ( α 3 ) α 3 II I ( α α ) ( i fw i fw ) III ( ieks is ) η III 4. Fraksi massa pada eksraksi keempat ( α 4 )...Lit.7, hal 37 ( ) ( I ) ( III IV α ) α i ikond α 3 i i α 4 IV IV ( fw eks s ) s s i i η η...lit.7, hal 37 Dimana : η, η, η 3 dan η 4 adalah efisiensi pemanas air pengisian boiler yang diakibatkan oleh kehilangan kalor ke medium di sekitarnya..0 Perhitungan Jumlah Uap yang Mengalir Melalui Turbin dan Ekstraksi Jumlah uap yang mengalir melalui turbin uap dapat ditentukan sebagai berikut D [ h 860 P N 0 I V i + i i 3 i 3 4 i II III IV ( α ) h + ( α α ) h + ( α α α ) h + ( α α α α ) h ]. Dimana : (Sumber Lit.7, hal 37) G 0 P N jumlah uap yang mengalir melalui turbin uap (Kg/s) daya netto yang harus disuplai turbin uap ke generator listrik (kw) Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

37 h, h h, h, h penurunan kalor yang dimanfaatkan pada turbin antara titik-titik I i II i III i IV i V i ekstraksi (kj/kg). Kemudian jumlah uap yang dicerat dari setiap titik ekstraksi dapat ditentukan sebagai berikut :. G I eks α G0 jumlah uap yang dicerat dari titik ekstraksi yang pertama. G II eks α G0 jumlah uap yang dicerat dari titik ekstraksi yang kedua 3. G III eks α 3 G0 jumlah uap yang dicerat dari titik ekstraksi yang ketiga 4. G IV eks α 4 G0 jumlah uap yang dicerat dari titik ekstraksi yang keempat menjadi : Sehingga jumlah uap yang mengalir melalui turbin antara berbagai titik ekstraksi,. G 0 jumlah uap yang mengalir melalui ruang pertama sampai ke titik ekstraksi yang pertama. G I G 0 G eks jumlah uap yang mengalir antara titik ekstraksi yang pertama dan kedua G G I II G 0 G eks Geks jumlah uap yang mengalir sesudah titik ekstraksi kedua. I II III 3 G 0 Geks Geks Geks jumlah uap yang mengalir antara titik ekstraksi yang ketiga dan keempat 5. G I II III IV 4 G 0 Geks Geks Geks Geks jumlah uap yang mengalir sesudah titik ekstraksi yang keempat. Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

38 BAB 3 PENENTUAN SPESIFIKASI TURBIN UAP 3.. Pemilihan jenis Turbin Uap Dalam Bab II sebelumnya telah dijelaskan tinjauan termodinamika turbin uap dalam instalasi PLTU, jenis-jenis turbin uap dan pertimbangan kerugian-kerugian yang akan terjadi dalam siklus yang akan mempengaruhi efisiensi dalam turbin uap tersebut. Turbin uap yang akan dirancang akan digunakan sebagai penggerak generator listrik Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

39 dengan daya 80 MW, dengan putaran 3000 rpm. Dengan mempertimbangkan kelebihan dan kekurangan setiap jenis turbin serta pertimbangan pada daya dan putaran yang akan dihasilkan, maka dalam perancangan ini dipilih jenis turbin impuls nekatingkat dengan derajat reaksi. Adapun alasan pemilihan jenis turbin ini adalah karena pada turbin ini hampir semua tekanan uap yang masuk pada sudu sebelumnya dapat dimanfaatkan lagi pada sudu tingkat selanjutnya agar selanjutnya aliran uap dapat dirubah menjadi energi mekanis pada turbin. Turbin impuls nekatingkat dengan derajat reaksi banyak dipakai di bidang industri sebagai penggerak mula untuk generator listrik kapasitas besar. Hal ini disebabkan kemampuannya menghasilkan daya yang lebih besar dibandingkan dengan turbin tingkat tunggal, sesuai untuk kondisi tekanan uap yang tinggi, dorongan aksial serta diameter tingkat akhir yang besar dan yang biasanya terjadi pada turbin impuls murni dapat diatasi dengan derajat reaksi. Distribusi penurunan kalor pada sejumlah tingkat tekanan akan memungkinkan mendapatkan kecepatan uap yang lebih rendah yang cenderung untuk menaikkan efisiensi turbin uap. Dalam perancangan ini, turbin impuls nekatingkat dengan derajat reaksi mempunyai empat tingkatan ekstraksi uap yang akan diumpankan pada air umpan pengisian ketel. Dengan membuat analisa perhitungan penurunan kalor dan fraksi massa serta laju aliran massa untuk tiap ekstraksi, akan dapat ditentukan daya akhir yang akan dihasilkan jenis turbin impuls nekatingkat yang sesuai untuk dipakai untuk instalasi PLTU. 3. Perhitungan Daya Turbin Uap Dalam suatu proses pembebanan listrik bolak-balik ada unsur yang terpakai dalam proses konversi daya, yaitu : Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

40 . Daya keluaran atau daya nyata (V.I cos ϕ) yang diukur dengan MW. Dikatakan daya nyata, karena besaran inilah yang dipakai dalam proses konversi daya.. Daya reaktif (V.I sin ϕ) yang diukur dengan MVAR. Besaran ini adalah suatu daya yang sebenarnya tidak mempengaruhi suatu proses konversi daya, tetapi adalah suatu kebutuhan yang harus dilayani. Dari penjelasan diatas, maka daya yang harus disuplai oleh turbin uap ke generator harus dapat memenuhi kebutuhan daya nyata dan daya reaktif. Diagram pada gambar di bawah ini menggambarkan daya yang bekerja pada generator listrik. Daya Reaktif (MVAR) ϕ Daya Semu (MVA) Daya Nyata (MW) Gambar 3. Diagram daya yang harus disuplai turbin uap ke generator Dari gambar 3. diatas, dapat disimpulkan bahwa daya yang dibutuhkan oleh generator adalah daya semu (MVA) dan daya nominal generator adalah daya nyata (MW), maka : P P G. cos ϕ Dimana : P P G daya nominal generator listrik 80 MW daya yang dibutuhkan generator listrik (MW) Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

41 cos ϕ faktor daya yang besarnya 0,6 0,9. Namun berdasarkan harga yang umum dipakai di lapangan, maka diambil cos ϕ 0,9. Dengan demikian dari persamaan 3- diatas : P G P cosϕ 80 0,90 P 88,889 MW G Sehingga daya netto yang harus disuplai turbin uap ke generator listrik (P N ) adalah : P N PG η η m G Dimana : η m efisiensi transmisi ( karena Turbin disambungkan langsung dengan generator tanpa menggunakan roda gigi reduksi ) [ Lit 7, hal 73 ] η G efisiensi generator yang ditentukan dari gambar 0,98 maka : P N 88,889 0,98 P 90,703 MW N 3.3 Perhitungan Penurunan Kalor untuk Jenis Turbin Nekatingkat Untuk membangkitkan energi listrik pada generator, dibutuhkan sejumlah uap pada kondisi tertentu untuk memutar turbin, kemudian turbin akan memutar poros generator listrik. Dalam perancangan ini, ditentukan kondisi-kondisi uap sebagai berikut :. Tekanan uap masuk turbin (p o ) 80 bar. Temperatur uap masuk turbin (t o ) 500 o C Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

42 3. Tekanan uap keluar turbin (p k ) 0, bar 4. Turbin uap dirancang mempunyai empat tingkatan ekstraksi. Pada bagian.6 sebelumnya telah dibahas beberapa kerugian yang terjadi pada turbin uap, sehingga pada bagian ini akan dapat ditentukan besarnya penurunan kalor yang terjadi pada tiap ekstraksi. Kerugian pada katup pengatur diambil sebesar 5% [Lit 7, hal 59] dari tekanan uap panas lanjut, sehingga tekanan di depan nosel tingkat pertama akan menjadi : ( 0,05) p bar ' 0 Kerugian pada pemipaan buang yang dapat ditentukan dari persamaan pada bab, dimana sesuai dengan kondisi lapangan maka diambil nilai koefisien λ sebesar 0,09 dan c s sebesar 0 m/s, maka : p 0 0, 0, , p 0, + 0,03 0,3 bar Penurunan kalor teoritis yang terjadi pada turbin dengan mengabaikan kerugian pada katup pengatur dan pemipaan buang akan menjadi : H 3399,7 35,68 64,44 kj/kg 0, th Penurunan kalor pada turbin dengan memperhitungkan baik katup pengatur maupun pemipaan buang akan menjadi : ' H 3399,7 47,83 5,87 kj/kg 0 Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

43 Dari gambar.9 dan.7 nilai efisiensi η re sebesar 0,86 dan 0,995 sehingga nilai efisiensi dalam turbin, yaitu :, dan η m diperoleh masing-masing η oi 0,86 0,995 0,8643 Sehingga penurunan kalor yang dimanfaatkan di turbin menjadi : H H η 64,44 0, ,855 kj/kg i 0, th 0i Proses penurunan kalor ini dapat digambarkan dalam diagram Mollier, yaitu : Ao po po' p i I i eks II i eks I h o II h o I p eks II p eks III p eks Hi Ho,th Ho Ho III i eks III h o IV p eks IV i eks IV h o i V h o p p k Ao,th Gambar 3. Proses penurunan kalor pada turbin uap Untuk tekanan 0, bar didapat temperatur air jenuh t s 45,84 o C. Dalam hal ini diambil temperatur air jenuh keluaran kondensor t kond 45 o C. Guna menyederhanakan perhitungan, dibuat bahwa air pengisian ketel dipanaskan dalam derajat yang sama pada semua pemanas air pengisian ketel, sehingga pada masingmasingnya kenaikan temperatur air pengisian ketel ( t ) menjadi [Menurut lit. 7, hal. 36] : Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

44 t t Dimana : HPH t z kond t HPH temperatur uap keluaran HPH 85 o C t kond temperatur air jenuh keluaran kondensor 45 o C z jumlah ekstraksi turbin uap 4 tingkatan Maka : t 35 o C 4 Sehingga dapat ditentukan temperatur air pengisian ketel setelah keluar dari pemanas, yaitu : t LPH o C. t o C LPH 3. t o C HPH 4. t o C. HPH Kemudian temperatur jenuh uap pemanas pada pemanas air pengisian ketel diperoleh dengan persamaan [Menurut lit. 7, hal. 37] : t ' LPHn, HPHn t LHPn, HPHn + δt Dimana : δ t perbedaan temperatur antara temperatur uap pemanas air pengisian ketel dan temperatur air pengisian ketel pada sisi keluar dari pemanas Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

45 air ketel, yang biasanya diambil 5-7 o C. Dalam hal ini, perbedaan temperatur diambil 5 o C. Maka : ' t LPH o C '. t o C LPH ' 3. t o C HPH ' 4. t o C. HPH Dari interpolasi pada tabel saturated water diperoleh tekanan uap jenuh untuk masing-masing temperatur, yaitu : IV. p 0, 5783 bar eks III. p, 9853 bar eks II 3. p 5, 43 bar eks I 4. p, 544 bar. eks Dengan interpolasi pada tabel saturated water juga dapat diperoleh kandungan kalor air jenuh untuk masing-masing tekanan, yaitu : IV. h 354, 39 kj/kg f III. h 503, 659 kj/kg f II 3. h 66, 383 kj/kg f I 4. h 807, 506 kj/kg f Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

46 Dari diagram Mollier (i-s) diperoleh temperatur keluar ekstraksi turbin atau kebasahan untuk masing-masing tekanan ekstraksi uap, yaitu :. t IV 90 C eks III. 30 t eks o C II t eks o C I o C. t eks Dengan menggunakan diagram Mollier (i-s) juga dapat diperoleh kalor total uap keluar ektraksi turbin, yaitu : IV. i 54, 64 kj/kg eks III. i 687, 93 kj/kg eks II 3. i 859, 58 kj/kg eks I 4. i 300, 3 kj/kg. eks Dari interpolasi pada tabel compressed liquid water diperoleh kalor sensibel air pengisian ketel, yaitu : IV. i 788, 99 kj/kg fw III. i 637, 9 kj/kg fw II 3. i 48, 994 kj/kg fw I 4. i 335, 456 kj/kg fw 5. i 88, 866 kj/kg kond Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

47 Seluruh data hasil perhitungan diatas yang dibutuhkan untuk perancangan awal pada turbin dengan empat tingkatan ekstraksi dapat dilihat pada tabel 3. berikut ini : Tabel 3. Data hasil perancangan turbin empat tingkatan ekstraksi No. Parameter Sebelum turbin Eks. I Eks. II Eks. III Eks. IV Kondensor Tekanan uap (bar) Temperatur atau kebasahan uap ( o C ) Kandungan kalor uap (kj/kg) Temperatur jenuh uap pemanas ( o C) Kandungan kalor air jenuh (kj/kg) 80,544 5,43,9853 0,5783 0, ,7 300,3 859,58 687,93 54,64 306,968 96, ,5 807,506 66, , ,39 99,44 Temperatur air - 6 pengisian ketel ( o C) Kalor sensibel air pengisian ketel (kj/kg) Penurunan kalor (kj/kg) - 788,99 637,9 48, ,456 88, ,56 46,54 75,85 59,09 3, Perhitungan Fraksi Massa dan Laju Aliran Massa pada Tiap Ekstraksi Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

48 Dari bagian.8 dan.9 sebelumnya dengan mengambil nilai η, η, η 3, dan η 4 sama dengan 0,98 akan dapat ditentukan fraksi massa dari ekstraksi yang pertama hingga ekstraksi keempat sebagai berikut :. Fraksi massa pada ekstraksi pertama ( α ) α 788,99 637,9 0,98 ( 300,3 807,506) 0, Fraksi massa pada ekstraksi kedua ( α ) α 0,98 637,9 48,994 0, ,58 48,994 ( 807,506 48,994) α 0, Fraksi massa pada ekstraksi ketiga ( α 3 ) α α 3 3 ( 0, ,059977) ( 48, ,456) ( 54,64 503,659) 0,98 0, α 4 4. Fraksi massa pada ekstraksi keempat ( α 4 ) ( 0, ,059977) ( 335,456 88,866) 0,058494( 503, ,39) ( 54,64 354,39) 0,98 α 0, ,98 5. Jumlah total uap panas lanjut yang memasuki turbin (G 0 ) G ,56 4,868 [ 460,6 + ( 0, ) + ( 0,877 8,3) + ( 0, ,769) + ( 0,75764,737) ] G 33, ton/jam atau 9,456 kg/s: Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

49 Sehingga jumlah fraksi massa uap tiap ekstraksi dapat dilihat pada tabel 3. berikut ini Tabel 3. Fraksi massa tiap ekstraksi No. Istilah Eks. I Eks. II Eks. III Eks. IV α 0, , , ,0559 G eks (kg/s) 6,36 5,545 5,408 5,096 Sedangkan jumlah uap yang mengalir melalui turbin antara berbagai titik ekstraksi dapat dilihat pada tabel 3.3 berikut ini : Tabel 3.3 Jumlah uap yang mengalir antara berbagai titik ekstraksi No. Jumlah uap yang mengalir Sampai ke Eks. I Sampai ke Eks. II Sampai ke Eks. III Sampai ke Eks. IV Sampai ke Kondensor G eks (kg/s) 9,456 86,095 80, ,47 70, Pengujian Kembali Laju Aliran Massa yang Diperoleh Dari bagian 3. telah didapat bahwa daya yang harus disuplai turbin uap ke generator listrik (P N ) adalah sebesar 90,703 MW sedangkan dari bagian 3.3 juga telah didapat penurunan kalor yang dimanfaatkan di turbin sebesar H 09, 855 kj/kg. i Sehingga dengan adanya ekstraksi yang pada perancangan ini dibuat ada empat tingkatan ekstraksi, dengan laju aliran uap yang masuk turbin adalah 9,456 kg/s. Maka laju aliran uap yang melewati tiap ekstraksi adalah : Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

50 . G 9, kg/s. G 86, 095 kg/s 3. G 80, 5498 kg/s 4. G 75, 3 47 kg/s 5. G 70, kg/s Apabila hasil diatas diuji ulang, maka daya yang dihasilkan turbin adalah :. Dari masuk turbin hingga ekstraksi pertama N 9,456 I 0 G0 h i N 36386,98 kw 0 393,56. Dari ekstraksi pertama hingga ekstraksi kedua II N G h i 86,095 46,54 N 66,9 kw 3. Dari ektraksi kedua hingga ekstraksi ketiga N 80,5498 III G h i N 4598, kw 75,85 4. Dari ekstraksi ketiga hingga ekstraksi keempat N 75,47 IV 3 G3 h i N 954,9 kw 3 59,09 5. Dari ekstraksi keempat hingga ke kondensor V N 4 G4 h i 70,046 3,53 N ,69 kw Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

51 Sehingga daya total yang dibangkitkan adalah 905,9 kw atau 90,59 MW. Dengan membandingkan hasil ini dengan daya yang akan disuplai turbin uap sebesar 90,703 MW maka didapat adanya persentasi kesalahan perhitungan sebesar 0, %, dimana persentasi kesalahan ini sudah sangat kecil, sehingga laju aliran massa yang diperoleh tersebut sudah tepat. BAB 4 PERHITUNGAN KALOR TURBIN UAP 4. Turbin Tingkat Pengaturan Dalam perancangan ini, akan dibuat tingkat pengaturan (impuls) terdiri dari dua baris sudu (dua tingkat kecepatan) dimana pemakaian tingkat pengaturan ini akan Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

52 memungkinkan untuk memanfaatkan penurunan kalor yang besar pada nosel dan oleh sebab itu membantu dalam mendapatkan temperatur dan tekanan yang lebih rendah pada tingkat-tingkat reaksi. Untuk ini diambil penurunan kalor sebesar 55 kkal/kg atau 30,74 kj/kg [Menurut lit. 7, hal. 8], maka tekanan uap pada tingkat pengaturan ruang sorong uap menjadi sebesar 7 bar dan dengan mengambil nilai (u/c ad ) opt sebesar 0,36, sehingga kecepatan mutlak uap keluar nosel : c ad 9,5 h o 9, ,58 m/s dan kecepatan keliling sudu : u (u/c ad ) x c ad 0,36 x 678,58 m/s 60,45 m/s, diameter rata - rata sudu pada tingkat pertama menjadi : d 60 u π n 60 60,45 π 3000,09 m 09, mm Tingkat tekanan ini dibuat dengan derajat reaksi, dimana derajat reaksi ( ) yang dimanfaatkan pada sudu-sudu gerak dan sudu pengarah [Menurut lit. 7, hal. 4] adalah :. untuk sudu gerak baris pertama 4%. untuk sudu pengarah 5% 3. untuk sudu gerak baris kedua 4% Kecepatan mutlak uap keluar nosel menjadi : c 9,5 ϕ ( ρ ) h 0 Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

53 Dari gambar.4 untuk tinggi nosel 5 mm diperoleh ϕ 0, 95, maka : c 9,5 0, 95 ( 0,04) 55 c 63,68 m/s Kecepatan teoritis uap keluar nosel adalah : c t c ϕ 63,68 0,95 664,87 m/s Dengan mengambil sudut masuk uap sebesar 7 0 [Menurut lit. 7, hal. 8] diperoleh kecepatan pada pelek (rim) : c u c cosα 63,68 cos7 o 604,007 m/s ) : c + u c u cosα o 63, ,45 63,68 60,45 cos7 480, 773 m/s, sudut kecepatan relatif menjadi : sin c 63,68 sinα sin7 ω 480,773 o ;,589 0 Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

54 Gambar 4. Variasi kecepatan uap pada tingkat pengaturan sudu gerak baris I Dengan menetapkan sudut relatif uap keluar ( ) lebih kecil 3 0 dari sudut kecepatan relatif uap masuk ( β ), maka :, ,589 0, sehingga dari gambar.5 diperoleh ψ 0, 86. Kecepatan relatif teoritis uap pada sisi keluar sudu gerak I : ω 480,773 t 9,5 + ρ h0 9,5 + 0, ,403 m/s Kecepatan relatif uap pada sisi keluar sudu gerak I dengan memperhitungkan kerugian : x t 0,86 x 499,403 49,487 m/s dari gambar 4. diperoleh kecepatan mutlak uap keluar sudu gerak I : c ω + u ω u cos β Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

55 o 49, ,45 49,487 60,45 cos9,589 83, 747 m/s, dengan sudut keluar : sin ω c sin β 49,487 83,747 sin9,589 o ; 30,496 0 maka kecepatan pada pelek (rim) adalah : c u c 83,747 x cos 30,496 o 44,464 m/s Sehingga kerugian kalor pada nosel adalah : c 664,87 63,68 h n t c, kj/kg dan kerugian kalor pada sudu gerak I adalah : ω 499,403 49,487 h b ' t ω 3, kj/kg Kecepatan mutlak uap masuk sudu gerak II : c c ' 9,5 gb + ρ gb h Dimana ψ gb diambil sebesar 0,95, maka : ' 83,747 c 9,5 0,95 + 0, , 6 m/s 8378 Kecepatan teoritis uap pada sisi keluar dari sudu pengarah menjadi : c c ' ' t ψ gb 305,6 0,95 3,685 m/s Dengan mengambil sudut mutlak uap masuk sudu gerak II ( α ) sebesar 30 o diperoleh kecepatan pada pelek (rim) : Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009 '

56 ' c u ' ' c cosα 305,6 cos 30 64,66 m/s dan kecepatan relatif uap pada sisi masuk sudu gerak II : o ' c ' ' + u c u cos α ' o 305,6 + 60,45 305,6 60,45 cos 30 85, 5 m/s Sudut kecepatan relatif uap masuk ke sudu gerak II : sin ' ' c sin α ' ' ω 305,6 85,5 sin 30 o ; ' β 55,64 0 Dengan mengambil sudut mutlak uap keluar sudu gerak II ( β ) sebesar 35 o, maka dari gambar.5 diperoleh ψ 0, 9. ' Kecepatan relatif teoritis uap keluar sudu gerak II : ' ω 85,5 't 9,5 + ρ h0 9,5 + 0, , m/s kerugian : Kecepatan relatif uap pada sisi keluar sudu gerak II dengan memperhitungkan ' ' ω ψ ω 0,9 85,088 66,579 m/s t dan kecepatan mutlak uap keluar sudu gerak II : c ' ω + u u β ' ' ω cos ' o 66, ,45 66,579 60,45 cos 35 98, 478 m/s Dengan nilai-nilai kecepatan dan besar sudut yang sudah diketahui, maka dapat digambarkan segitiga kecepatan untuk tingkat pengaturan ini, yaitu : Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

57 c u ω ' c u ' ω ' c u ω ' ω c u mm 8 m/s Gambar 4. Segitiga kecepatan tingkat pengaturan ' Dari gambar 4. diatas didapat sudut keluar uap sudu gerak II ( ) dan kecepatan pada pelek (rim) menjadi : c u c 98,478 x cos 04 o -3,69 m/s α sebesar 04 o Sehingga kerugian kalor pada sudu pengarah adalah : ' ' c 3, ,6 h gb t c 5, 04 kj/kg dan kerugian kalor pada sudu gerak baris II adalah : ' ' ω 85,088 66,579 h b t ω 3, kj/kg serta kerugian akibat kecepatan keluar uap dari sudu gerak baris II : ' c 98,478 h e 4, kj/kg Efisiensi pada keliling cakram dihitung adalah : Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

58 η u u Σ( c u cu ) ad c 60,45 (604, , , ,58 3,69) 0,70886 Untuk memeriksa ketepatan perhitungan kerugian kerugian kalor yang diperoleh diatas hasilnya dibandingkan dengan hasil hasil yang diperoleh untuk nilai u/c yang optimum : η u h (h + h + h + h + h ' 0 n ' b gb ' 0 h '' b e ) 30,74 (, , ,04 + 3,58 + 4,8464) 0,7085, 30,74 0, ,7085 kesalahan perhitungan 00% 0,05079%, karena masih dibawah 0,70886 %, maka perhitungan diatas sudah tepat. Gambar 4.3 Diagram i-s untuk tingkat pengaturan ( Lit. 7 hal. 8 ) Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

59 Dari perhitungan sebelumnya untuk tinggi nosel 5 mm, akan dapat ditentukan derajat pemasukan parsial sebagai berikut : ε Gv 9,456 0,0747 πdlc sinα π,0003 0,05 63,68 sin7 o 0,7778 sehingga dari persamaan -6 dapat ditentukan kerugian daya akibat gesekan cakram dan pengadukan, yaitu : N ge, a u 0 3 λ,07 d 6 ρ u 60,45,07, ,0747 6,77 kw dan kerugian kalor yang terjadi dari persamaan -8 adalah : 0 N ge, a 0 6,77 4,868 hge, a 0,66 kj/kg 47 G 47 9,456 Uap dari perapat labirin ujung depan dibuang ke ruang sorong uap ekstraksi yang kedua dengan tekanan II p eks 5,43 bar, sedangkan tekanan sesudah nosel tingkat pengaturan sebesar p ' 7,5 bar. Tekanan kritis pada perapat-perapat labirin persis sebelum ruangan dari mana uap dibuang adalah : ' 0,85 p 0,85 7,5 p kr, 579 z +,5 84 +,5 bar Dimana z adalah jumlah ruang perapat labirin yang diambil sebanyak 84 buah. Sehingga besarnya kebocoran uap melalui perapat-perapat labirin dihitung dari persamaan -, yaitu : Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

60 G kebocoran 00 f s g ( p z p ' II eks ) ' p v 00 0, ,8 (7,5 5,43 ) 84 7,5 0, ,73 kg/s Dimana dalam hal ini diambil diameter poros (d) sebesar 500 mm, lebar celah antara poros dengan paking labirin ( s ) sebesar 0,6 mm, sehingga luas melingkar untuk aliran uap (f s ) adalah : f s x d x s x 0,5 x 0,6 x 0-3 0,9486 x 0-3 m Kalor total uap sebelum nosel tingkat kedua adalah : i 0 i 0 (h 0 - kerugian ) 3399,7 (30,74 67,7965) 337,5 kj/kg Dimana : kerugian ' '' h n + hb + hgb + hb + he + hge, a, , ,04 + 3,58 + 4, ,66 67,7965 kj/kg Sehingga kondisi uap sebelum nosel tingkat kedua ditentukan oleh tekanan 7 bar dan elative re C. 4. Perhitungan Kalor dari Tingkat Pengaturan sampai Ekstraksi I Penurunan kalor teoritis dari tekanan 7 bar dan elative re C ke tekanan sampai ekstraksi pertama adalah : h I o 369,4 3006, 63,8 kj/kg Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

61 Dengan membuat penurunan kalor yang sama pada setiap tingkat ( penurunan kalor rata-rata ), diperoleh : 63,8 h 0 rata rata 8, 64 kj/kg II Tekanan uap sesudah tiap-tiap tingkat, dari diagram Mollier (i-s) adalah p 8 III IV bar setelah tingkat yang kedua, p bar setelah tingkat yang ketiga, p 6, 8 bar I setelah tingkat keempat dan p, 544 bar setelah tingkat yang ketiga. Pada tingkat eks kedua turbin untuk memperkecil kerugian pemasukan, akan dibuat terjadi 5% reaksi pada setiap baris sudu, untuk tingkat kedua dipilih perbandingan kecepatan u/c ad 0,4, sehingga kecepatan mutlak uap keluar nosel tingkat kedua : c ad 9,5 h0 9,5, ,5 m/s Kecepatan keliling pada sudu adalah : u (u/c ad ) x c ad 0,4 x 49,5 75,79 m/s Diameter rata-rata sudu pada tingkat kedua menjadi : d 60 u π n 60 75,95 π 3000,969 m 9,69 mm Penurunan kalor pada nosel tingkat kedua : h 0 (- ) x h 0 ( 0,05) x 9,096 87,504 kj/kg, dan pada sudu gerak sebesar : h 0 9,096 87,504 4,6055 kj/kg Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

62 I sehingga tekanan uap setelah nosel adalah p 6 bar. Perbandingan tekanan I p / po 6/7 0,969 > vkr, yang berarti kecepatan uap adalah lebih tinggi daripada kecepatan kritis. Kecepatan elati uap adalah : c 9,5 ϕ h0 9,5 0, ,44 m/s Dimana ϕ 0, 96 diambil dari gambar.4, maka kecepatan teoritis uap : 396,44 c t 4,959 m/s 0,96 Sudut masuk uap ( ) diambil sebesar 4,9 o sehingga bila tinggi nosel yang akan diperoleh berada dalam jangka yang diizinkan, sehingga kecepatan pada pelek (rim) adalah : c u c 396,44 x cos 4,9 o 383, m/s dan kecepatan elative uap terhadap sudu gerak : c + u c u cosα o 383, + 73,7 383, 73,7 cos4,9 3, 90 m/s, besar sudut kecepatan elative ini adalah : sin c ω sinα 383, sin4,9 3,90 o 5,957 0 Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

63 sudut keluar elative uap ( ) menjadi sebesar,957 o ( 3 0 ) sehingga dari gambar.5 diperoleh 0,86. Kecepatan elative uap meninggalkan sudu gerak tingkat kedua diperoleh melalui persamaan berikut ini : ω 3,90 9,5 ψ + ρ ho 9,5 0,86 + 0,05, ,67 m/s maka kecepatan elative uap teoritis menjadi : ω 6,67 ω t 5,359 m/s ψ 0,86 Selanjutnya kecepatan uap meninggalkan sudu gerak tingkat yang kedua adalah : c ω + u ω u cos β o 6, ,7 6,67 73,7 cos,957 88, 387 m/s Dengan nilai-nilai kecepatan dan besar sudut yang sudah diketahui, maka dapat digambarkan segitiga kecepatan untuk tingkat kedua ini, yaitu : c u ω ω c u mm 4,6 m/s Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

64 Gambar 4.4 Segitiga kecepatan tingkat kedua Dari gambar 4.4 diatas didapat sudut keluar uap sudu gerak tingkat kedua ( α ) sebesar 73 o dan kecepatan pada pelek (rim) menjadi : c u c 88,387 x cos 73 o 5,785 m/s Sehingga kerugian kalor pada nosel adalah : c 4, ,44 h n t c 6, kj/kg dan kerugian kalor pada sudu gerak tingkat kedua adalah : ω 5,359 6,67 h b t ω 8, kj/kg serta kerugian akibat kecepatan keluar uap dari sudu gerak tingkat kedua adalah : c 88,387 h e 3, 904 kj/kg Efisiensi pada keliling cakram dihitung sebagai berikut : η u u Σ( c c c u u ) ad 73,7 (383, + 43,687 5,785) 0,7935 Untuk memeriksa ketepatan perhitungan kerugian kerugian kalor yang diperoleh diatas hasilnya dibandingkan dengan hasil hasil yang diperoleh untuk nilai u/c ad yang optimum : η u h 0 ( hn + hb + he ) h 0 Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

65 89,77 (6, ,3 + 3,904) 0,797, 89,77 0,797 0,7935 kesalahan perhitungan 00% 0,0446%, karena masih dibawah 0,797 %, maka perhitungan diatas sudah tepat. Untuk tingkat kedua ini ε, maka dari persamaan -6 dapat ditentukan daya yang hilang akibat gesekan dan pengadukan, sebagai berikut : N 3 u 73,7 λ,07 d ρ,07, ge, a u 69,89 kw dan besarnya kerugian kalor, adalah : 3 0,098 0 N gea 0 9,4984 4,868 hge, a 0,7553 kj/kg 47 G 47 9,456 Kalor total uap sesudah sudu-sudu dengan memperhitungkan kerugian adalah : ( 6, ,3 + 3,904 0,7553) ' i 369,40 9, kj/kg 3096,7445 kj/kg Kebocoran uap melalui perapat labirin : G kebocoran 00 f s g ( p z p I p ) v 00 0, ,8 (7 8 ) 8 7 0,09864,909 kg/s maka kerugian kalor akibat kebocoran adalah : Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

66 h Gkebocoran,909 ( i0 i ) 70,36 0,988 G 9,456 kebocoran kj/kg Penjumlahan seluruh kerugian kalor pada tingkat kedua ini menjadi : kerugian 6, ,3 + 3, , ,988 0,463 kj/kg maka penurunan kalor yang bermanfaat pada tingkat kedua ini adalah : h i h 0 - kerugian 9,0 0,463 7,6368 kj/kg dan efisiensi tingkat menjadi : tk h 7,6368 η i oi 0, ,785 % h 9,0 0 sehingga daya yang dibangkitkan oleh tingkat kedua ini adalah : 7, , G0 hi 4,868 N i 66,4 kw 0 0 Untuk tingkat ketiga, diperoleh tekanan uap sebelum nosel sebesar 8 bar dan temperatur uap adalah 3 o C, sehingga kalor total uap sebelum nosel adalah : i III o + h pr e i II o + h pr e h II i III i o + 3, ,40 7,6368 i 3093,86 kj/kg III o Pada tingkat ketiga turbin ini juga, untuk memperkecil kerugian pemasukan akan dibuat terjadi 5% reaksi padi sudu pengarah, untuk tingkat ketiga dipilih perbandingan kecepatan u/c ad 0,4, sehingga kecepatan mutlak uap keluar nosel tingkat ketiga : c ad 9,5 h0 9,5,74 436,34 m/s Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

67 dan kecepatan keliling pada sudu adalah : u (u/c ad ) x c ad 0,4 x 436,34 83,6 m/s Serta diameter rata-rata sudu pada tingkat ketiga menjadi : d 60 u π n 60 83,6 π 3000,678 m 67,8 mm Dari diagram i-s diperoleh bahwa uap sewaktu mengembang dari tingkat ke-9 sampai tingkat ke-0 akan menjadi basah, jadi kerugian akibat kebasahan harus diperhitungkan. Untuk tingkat ke-9, kerugian kalor akibat kebasahan : h x + x ( ) h i ( 0,985) 0,436 0,30654 kj/kg kebasahan Dimana : x : fraksi kekeringan uap sebelum nozel ( sudu pengarah ) 0,99 x : fraksi kekeringan uap sesudah sudu gerak tingkat 0 0,98 h i : penurunan kalor yang dimanfaatkan pada tingkat turbin dengan memperhitungkan semua kerugian pada tingkat 0, h n +h b +h e +h ge, a +h kebocoran 0,436 Seluruh tingkat yang berikutnya didesain sama dengan cara yang sebelumnya dan hasilnya ditampilkan pada tabel 4. berikut ini : Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

68 Tabel 4. Kondisi uap pada setiap tingkat Turbin Uap Nekatingkat No. Parameter Satuan Tingkat ke- Tingkat Pengaturan Tingkat Impuls Ne I II G 0 kg/s P 0 bar t 0 atau x oc i 0 kj/kg i 0 +he pr kj/kg it kj/kg ho kj/kg % ho kj/kg ho kj/kg he pr kj/kg ho +he pr kj/kg c t / c t ' m/s c / c ' m/s ho+hepr kj/kg cad m/s u/cad u/c U m/s D mm ' derajat w /w ' m/s ' derajat Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

69 5 ' derajat w t / w t ' m/s w / w ' m/s c / c ' m/s ' derajat c u/ c u' m/s c u/ c u' m/s % hn/ hgb kj/kg hb'/ hb'' kj/kg he kj/kg % v m3/kg v m3/kg kg/m Nge,a kw hge,a kj/kg hi'' kj/kg fs cm G kebocoran kg/s h kebocoran kj/kg hi' kj/kg h kebasahan kj/kg hi kj/kg ker ugian kj/kg % Daya tingkat, Ni, tk kw Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

70 4.4 Pengujian Hasil Perhitungan Kalor Keseluruhan Dari tabel 4. diatas diperoleh total penurunan kalor yang dimanfaatkan untuk melakukan kerja mekanis i 63,793 kj/kg dan total daya tingkat turbin i 9578,749 kw, dengan efisiensi-dalam relatif turbin : Σhi 63,793 η 0 i 0,845, th H 356,4 o th yang,8 % lebih kecil dari nilai yang dipilih sebelumnya. Perbedaan antara besarnya daya yang dihitung pada terminal generator dengan total daya tingkat turbin adalah 90,703 MW - 90, MW 0,4479 MW. Dengan demikian kesalahannya adalah 0,4 % (< %), jadi desain diatas dianggap sudah tepat untuk turbin yang bekerja dengan parameter yang sudah ditetapkan. Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

71 BAB 5 PERHITUNGAN DIMENSI KOMPONEN UTAMA 5. Nosel dan Sudu Gerak Nosel merupakan suatu laluan yang penampangnya bervariasi dimana energi potensial uap dikonversikan menjadi energi kinetik berupa pancaran uap ke sudu gerak turbin. Dari penyelidikan-penyelidikan secara teoritis dan percobaan, ternyata bahwa uap yang mengalir melalui bagian nosel dengan penampang konvergen sewaktu berekspansi didalamnya hanya mencapai nilai minimum tertentu yang disebut tekanan kritis (p kr ) yang sama dengan 0,577 p o untuk uap jenuh dan 0,546 p o untuk uap panas lanjut. Kecepatan uap pada tekanan ini disebut kecepatan kritis. Bila tekanan sesudah nosel lebih besar dari tekanan kritis p > p kr, maka ekspansi uap yang terjadi hanya sampai tekanan p, dalam hal ini digunakan nosel konvergen, sedangkan untuk mendapatkan tekanan sisi keluar p < p kr dan kecepatan superkritis c > c kr digunakan nosel konvergen divergen. Untuk menentukan jenis nosel yang digunakan dalam perencanan ini, terlebih dahulu ditentukan harga-harga tekanan kritis p kr pada tiap tiap tingkat. 5.. Tinggi Nosel dan Sudu Gerak Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

72 Kondisi uap pada tingkat pertama adalah uap panas lanjut, maka tekanan kritisnya : p kr 0,546 x p 0 0,546 x 76 bar 4,496 bar dimana tekanan sesudah nosel p 43 bar, karena p lebih besar dari p kr, maka digunakan nosel konvergen. Penampang sisi keluar nosel [Menurut lit. 7, hal. ] adalah : Go f υ (m ) c...(lit.7, hal.) Dimana : G 0 massa aliran uap 9,456 kg/s ν volume spesifik uap pada penampang sisi keluar 0,0747 m 3 /kg c kecepatan aktual uap pada penampang sisi keluar 63,68 m/s Maka : 9,456 f 0,0747 0, m 09,34 cm 63,68 Tinggi nosel, disarankan diantara 0 mm - 0 mm, dan derajat pemasukan parsial, ε tidak kurang dari 0,. Untuk turbin-turbin dengan kapasitas besar dan menengah dengan sudu-sudu yang relatif besar, nilai derajat pemasukan parsial dapat mencapai satu. Sehingga dengan membuat tinggi nosel l n sebesar 5 mm akan diperoleh nilai derajat pemasukan parsial 0,7778. Jumlah nosel yang dipakai, direncanakan z n 50 buah, dimana nosel dipasang disekeliling cakram, sehingga besar luas penampang setiap nosel adalah : Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

73 f f 09,34 50 z n cm,868 cm Lebar penampang sisi keluar nosel adalah : ' f,868 a, 458 l,5 cm Tinggi sisi masuk sudu gerak baris yang pertama dibuat sebesar : l ' l n mm Tinggi sisi keluar sudu gerak baris pertama, dari [Menurut lit. 7, hal. 58] adalah : l '' G o π.d. ε. ω.v ' sin β...(lit.7, hal.58) Dimana : ' : volume spesifik uap keluar sudu gerak baris pertama 0,075 m 3 /kg Maka : 9,456 0,075 l '' 0, 933m 9,33 mm o π,09 0, ,487 sin9,589 Tinggi nozel pada tingkat yang kedua [Menurut lit. 7, hal. 56] adalah : l gb '' G o π.d. ε.c.v ' gb sin α '...(Lit.7, hal.56) 9,456 0,083 0, 08 o π,09 0, ,6 sin 30 m l gb '' 0,8 mm Tinggi sisi masuk sudu gerak baris kedua : Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

74 l ' l gb " + l ' 0,8 +,8 mm Tinggi sisi keluar sudu gerak baris kedua, dari [Menurut lit. 7, hal. 58] adalah : l '' π. d. ε G o. v '. ω sin β '...(Lit.7, hal.58) 9,456 0,0835 l '' 0, 5 m o π,09 0, ,579 sin 35 l '' 5, mm Berikut ini merupakan gambar penampang nosel, sudu gerak, dan sudu pengarah untuk tingkat pengaturan : Gambar 5. Ukuran Nosel dan Sudu Gerak 5.. Lebar dan Jari-jari Busur Sudu Dari pengalaman bahwa untuk hasil-hasil yang baik diperoleh bila lebar sudu gerak 40 mm dan lebar sudu pengarah 30 mm. Besarnya jari-jari busur dari profil sudu baris pertama dapat dihitung dengan persamaan : Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

75 R b cosβ + cosβ o o cos, cos9,589,443 mm Jari-jari busur sudu pengarah : R gb b cosα + cosα ' o o cos 30, cos 30 7,364 mm Jari-jari busur sudu gerak baris kedua : R ' b cosβ + cosβ ' o o cos 55, cos 35 8,906 mm 5..3 Jarak -bagi antara Sudu Jarak antara masing-masing sudu pada sudu gerak turbin dapat dihitung dengan persamaan :. Jarak bagi sudu-sudu gerak baris pertama : t R sin β + sin β,443 9, 807 mm o o sin,589 + sin9,589. Jarak bagi sudu-sudu pengarah : t gb sin α R gb + sin α ' 7,364 7, 35 mm o o sin 30,496 + sin Jarak bagi sudu-sudu gerak baris kedua : t sin β ' R + sin β ' 8,906 0, 663 sin 55,64 + sin 35 mm antara sudu : Berikut ini merupakan gambar penampang profil sudu gerak dengan jarak bagi Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

76 Gambar 5. Jarak bagi dari profil sudu gerak 5..4 Jumlah Sudu Jumlah sudu pada tingkat pengaturan dihitung dengan persamaan :. Pada sudu gerak baris pertama : π. d 09, z s, π 07 t 9,807 sudu Dimana : d diameter sudu rata rata tingkat pertama 09, mm t jarak bagi sudu baris pertama 9,807 mm. Pada sudu gerak baris kedua : π. d 09, z s, π 55 t 0,663 sudu 5..5 Nosel dan Sudu Gerak Tingkat Tinggi sisi keluar nosel tingkat kedua, dengan memperhitungkan adanya kebocoran melalui diafragma, ditentukan dengan persamaan : Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

77 l n 3 ( G G ) 0 3 kebocoran υ (9,456,369) 0,098 0 πdc sinα π, ,44 sin4,9 o 5,5mm Dan tinggi sisi keluar sudu : l 3 G υ 0 πdω sin β 3 9,456 0,033 0 π,0544 6,67 sin,957 " o 3,56 cm Untuk tingkat ke-3 sampai tingkat ke-0 dengan cara yang sama seperti diatas diperoleh ukuran utama nosel dan sudu gerak dan hasilnya ditabelkan pada tabel 5. berikut ini : Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

78 Tabel 5. Ukuran nosel dan sudu gerak Tingkat ke- No. parameter Satuan Tingkat Pengaturan Tingkat Impuls N I II Go kg/s G kebocoran kg/s Po bar P kr bar P' bar d mm v/ v' m 3 /kg v/ v' m 3 /kg c/ c' m/s w/ w' m/s f cm α / α ' derajat ln / lgb mm Jumlah nosel, z buah Lebar nosel, a cm l' mm l" mm , ,86 8 β / β ' derajat β / β ' derajat Lebar sudu gerak, b mm Jari-jari busur, R mm Jarak bagi sudu, t mm Jumlah sudu gerak, z buah Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

79 5. Kekuatan Sudu Kekuatan sudu turbin cukup dihitung pada bagian-bagian yang terlemah, dan bila pada bagian ini ternyata sudah aman, maka bagian yang lain akan lebih aman. Besarnya tegangan tarik akibat gaya sentrifugal dengan nilai terbesar yaitu pada sudu gerak tingkat akhir (tingkat ke-0), yang dapat dihitung dengan persamaan dari lit. 7, hal. 88 : π n ρ as As σ l0 r + t s rs (kg/cm )...(Lit.7, hal.88) 900 g A0 Dimana : n putaran roda turbin 3000 rpm ρ as massa jenis bahan Alloy steel 0,8 lb/in 3 0,00785 kg/cm 3 l 0 r r s tinggi rata-rata sudu gerak tingkat ke-0 3,7675 cm jari-jari rata-rata sumbu sudu 39,5878/ 69,794 cm jari-jari rata-rata plat penguat sudu r + 0,5 x l 5 + 0,5 x s ; (s tebal selubung 0,3 cm) 69, ,5 x 3, ,5 x 0,3 35,88 cm t s panjang setiap bilah selubung r s 35,88 π. π 5, 808 z 47 5 cm A o luas penampang sudu paling lemah, pada akar sudu 5,4 cm A s luas plat penguat sudu, cm Maka : Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

80 π ,00785, σ 3, , ,808 35, kg/cm 5,4 738,3 kg/cm 0,88 kpsi Tegangan tarik akibat gaya sentrifugal yang diizinkan untuk bahan Alloy steel AISI 050 As-rolled (Lampiran IV) adalah sebesar 05,0 kpsi, jadi pemilihan bahan di atas sudah aman. Tegangan lentur akibat tekanan uap [Menurut lit. 7, hal. 9-9] dapat ditentukan dari persamaan berikut ini :. Besarnya gaya akibat rotasi pada sudu gerak tingkat ke-0 : P u,0 47. G h ε. u. z o s,0 i (kg)...(lit.7, hal.9) Dimana : h i penurunan kalor yang berguna pada tingkat ke-0 4,0 kkal/kg ε derajat pemasukan parsial,0 z s,5 jumlah sudu tingkat ke-0 47 buah u kecepatan keliling 9,353 m/s Maka : P u, ,6498 4,0,0 9,353 47,465 kg. Gaya yang terjadi akibat perbedaan tekanan uap masuk dan keluar sudu adalah : P a,0 l 0. t 0 (p p ) (kg)...(lit.7, hal.9) Dimana : l 0 tinggi sudu gerak keluar tingkat ke-0 45,67 cm Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

81 t 0 jarak antara sudu pada diameter rata rata,9807 cm p tekanan uap sebelum sudu 0,4447 bar 0,4736 kg/cm p tekanan uap sesudah sudu 0,3 bar 0,335 kg/cm Maka : P a,0 45,67 x,9807 (0,4736 0,335) 4,93045 kg 3. Gaya yang bekerja akibat perbedaan momentum uap yang mengalir : P a,0 G o ( c - c ) u g. ε. z s,0 u (kg)...(lit.7, hal.9) P a,0 70,6498(4,85 95,509) 6,0354 kg 9,8.,0.47 Gambar berikut ini menunjukkan arah resultan gaya yang dikerjakan oleh uap pada sudu gerak : Gambar 5.3 Gaya-gaya lentur pada Sudu sehingga besarnya resultan gaya (P o5 ) akibat tekanan uap dihitung dengan persamaan : P o,0, 0 ( P a,0 Pa,0 ') Pu + + (kg)...(lit.7, hal.9) Po, 0 (,465) + (4, ,0354) 38,57 kg Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

82 Dengan menganggap Po, 0 konstan sepanjang sudu gerak ke-0 maka momen lengkung yang terjadi (Mx, 0 ) adalah : Mx, 0 P 0. l 0 (kg.cm)...(lit.7, hal.9) Dimana : P 0 Po, 0 cosϕ Po, 0 (karena turbin impuls ϕ 0) Sehingga : l 0 3,7675 cm Mx, 0 38,57 3, ,55 kg.cm Tegangan lentur akibat tekanan uap dengan nilai terbesar yang terjadi disepanjang sudu gerak tingkat ke-0 dapat dihitung dengan persamaan : σ b Mx, 0 /W y,0 (kg/cm )...(Lit.7, hal.9) Dimana : Wy, 0 : momen perlawanan terkecil sudu relatif terhadap yy 7,6 cm 3 Maka : σ b 50,55 7,6 σ b 35,07 kg/cm untuk turbin pemasukan penuh : σ b 380 kg/cm, dengan demikian konstruksi sudu yang direncanakan sudah aman. 5.3 Getaran Sudu Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

83 Getaran yang terjadi pada turbin adalah karena ketidakteraturan aliran uap yang keluar nosel dan sudu pengarah. Frekuensi dinamis (f d ) dari getaran yang terjadi [Menurut lit. 7, hal. 98] dapat dihitung dengan persamaan : f d f st + B.n (rps)...(lit.7, hal.98) Dimana : fst B frekuensi statik getaran alami rakitan sudu 60 rps koefisien yang memperhitungkan pengaruh putaran yang dihitung dengan : Drata rata B 0,8 x 0, 85 " l 4, B 0,8 x 0, 85 0,08 75, n putaran turbin 3000 rpm 50 rps Maka : f d ( 60) + 0,08(50) 60,843 rps Nilai dari f d mempunyai batasan : Fd 7n, maka : f d 7 x 50 60,843 rps 350 rps, maka perancangan turbin aman dari getaran. 5.4 Pembahasan Perhitungan Ukuran Cakram Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

84 Jenis cakram yang dipilih adalah jenis cakram konis karena sesuai untuk tingkat dengan diameter besar dalam hal distribusi tegangan yang lebih merata pada kelepak. Tegangan radial akibat sesuaian paksa pada poros, σ r0-00 kg/cm [Menurut lit. 7, hal. 3]. Tegangan radial pada jari-jari r akibat gaya sentrifugal sudu-sudu dan pelek (rim) adalah σ r 0,89 kg/cm r o jari-jari dalam cakram 0,5 d p 0,5 x mm r jari-jari luar cakram d/ 697,939 mm r jari jari hub r / 348,9695 mm y tebal kaki cakram 70 mm (ditetapkan) y tebal cakram bagian atas 0 mm (ditetapkan) y 0 tebal hub.y 40 mm (ditetapkan) Gambar berikut ini akan menunjukkan parameter-parameter yang ada pada cakram konis. y ro r r R y y o Gambar 5.4 Penampang Cakram Konis ( Lit.7, hal.3 ) Jari-jari konis sempurna (R pada gambar 5.4) dihitung dari persamaan : ry - r y R...(Lit.7, hal.3) y - y Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

85 (697,939 70) (348,9695 0) ,568 mm 83,7568 cm Tegangan lentur pada bagian cakram yang tipis pada jari-jari R 83,7568 cm dihitung dengan persamaan : Dimana : σ u ρ as U (kg/cm )...(Lit.7, hal.3) g U kecepatan keliling pada jari-jari R π. R. n π.83, Maka : 698,345 cm/s ρ as massa jenis bahan Alloy steel 0,00785 kg/cm 3 σ u 0,00785.(698,345) 98 σ u 5534,3 kg/cm Tegangan pada bagian dalam cakram pada jari-jari r dihitung dari : Dimana : σ u ρ as U (kg/cm )...(Lit.7, hal.3) g U π. r. n.34, π ,643 cm/s Maka : σ u 0,00785.(0957,643) 98 σ u 960,804 kg/cm Untuk menghitung tegangan-tegangan pada bagian utama cakram konis, dihitung melalui persamaan-persamaan [Menurut lit. 7, hal. 3] : Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

86 a. Tegangan radial pada jari-jari r σ r σ u. p 0 + A.p + B.p (kg/cm )...(Lit.7, hal.3) b. Tegangan radial dan tangensial pada kelepak (collar) jari-jari r σ r σ u. p 0 + A.p + B.p (kg/cm )...(Lit.7, hal.3 ) σ t σ u. q 0 + A.q + B.q (kg/cm )...(LIT.7, HAL.3) Dimana : A dan B adalah konstanta integrasi yang diperoleh dari kondisi batas, sedangkan p dan q adalah koefisien yang tergantung pada perbandingan r/r x. Tegangan-tegangan pada bagian utama hub [Menurut lit. 7, hal. 3-33] adalah : a. Pada jari-jari r hub r σ t σ thub + (-y /y 0 ). v. σ r (kg/cm )...(Lit.7, hal.3) Dimana : v koefisien pemampatan melintang 0,3. b. Pada permukaan melingkar cakram pada jari-jari r 0 σ r0 l o. σ u + l o y. σr + l o σ thub (kg/cm ) y 0...(Lit.7, hal.3) Dimana : koefisien p 0, p, p, q 0, q dan q diperoleh dari kurva kurva yang diberikan pada gambar 5.5 berikut ini : Gambar 5.5 Berbagai Koefisien untuk Cakram Konis Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

87 ( Lit. 7 hal. 3 ) x Koefisien-koefisien untuk persamaan (5-6) diperoleh dari : r R 69, ,7568 0,8333 Maka dari gambar 5.5 diperoleh : p 0 0,07 ; p 6,5 ; p -0,5. Koefisien untuk persamaan (5-7) dan (5-8) : x r R 34, ,7568 0,467 Diperoleh : p 0 0,65 ; p,3 ; p -,85 ; q 0 0,73 ; q,93 ; q 6,35. Koefisien - koefisien o o,, l o dihitung dari r o /r hub 50/348,9695 0,764 dan r hub /r 0 348,9695/50,39588, sehingga : o 3,3/8 [0,7875 (r 0 /r hub ) + 0,5(r hub /r 0 ) ] o 3,3/8 [0,7875 (0,764) + 0,5(,39588) ] 0,839 l o 0,5 [ + (r 0 /r hub ) ] (r hub /r 0 ) l o 0,5 [ + (0,764) ] (,39588),474 o -0,5 [ - (r 0 /r hub ) ] (r hub /r 0 ) o -0,5 [ - (0,764) ] (,39588) -0,474 Dengan mensubstitusikan koefisien koefisien dan nilai numerik y, y o dan y ke persamaan (5-6), (5-7), (5-8), (5-9) dan (5-0) dengan bilangan yang belum diketahui pada sisi kiri diperoleh : 0, ,3. 0,07 + A. 6,5 + B(-0,5) 6,5 A 0,5 B 833,438...) Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

88 σ r 5534,3. 0,65 + A.,3 + B(-,85),3 A,85 B - σ r -93,48...) σ t 5534,3. 0,73 + A.,93 + B(6,35),93 A + 6,35 B - σ t -957,4...3) σ t σ thub + (- 70/40) 0,3. σ r σ thub + 0,5σ r - σ t 0...4) -00 0, ,804 +,474. (70/40). σ r + (-0,474). σ t hub 0,737 σ r 0,474 σ thub -37,77 0,474 σ thub - 0,737 σ r 37,77...5) Persamaan diatas diselesaikan dengan jalan menghilangkan bilangan yang tidak diketahui secara berurutan. Dengan membagi persamaan 5) dengan 0,474 dan mengurangkannya ke persamaan 4) diperoleh :,7044 σ r - σ t -786,07...6) Persamaan (3) dikurangkan dengan persamaan (6) diperoleh :,93 A + 6,35 B -,7044 σ r -7,35...7) Dengan membagi persamaan (7) dengan,7044 dan mengurangkannya dari persamaan () diperoleh :,68 A 6,576 B -8, ) Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

89 A dan B dapat dihitung dari persamaan () dan (8) : 6,5 A 0,5 B 833,438,68 A 6,576 B -8,635 Diperoleh : A 88,793 kg/cm B 74,874 kg/cm Maka tegangan tegangan σ r, σ t, σ thub dan σ rhub menjadi : σ r 5534,3. 0, ,793.,3 + 74,874 (-,85)) 078,98 kg/cm σ t 5534,3. 0, ,793., ,874 (6,35) 65,43 kg/cm σ t hub 65,43 0,5. 078,98 463,395 kg/cm y σ rhub. r y , ,49 kg/cm 40. Hasil-hasil semua perhitungan tegangan radial dan tangensial pada cakram konis diatas ditunjukkan pada tabel 5. berikut ini : Tabel 5. Tegangan-tegangan pada cakram konis dengan A 88,793 kg/cm, B 74,874 kg/cm, σ u 5534,3 kg/cm. Tegangan-tegangan radial Koefisien Jari-jari, r, cm 34, , ,7939 x r/r 0,467 0,65 0,8333 p 0 0,65 0,3 0,07 Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

90 p,3 3,5 6,5 p -,85-0,87-0,5 σ u p 0 93,483 79, ,396 A p 664,39 938, ,545 B p -498,3909-5,404-43,785 σ r, kg/cm 078,98 505,8870 0,83. Tegangan-tegangan tangensial Koefisien Jari-jari, r, cm 34, , ,7939 x r/r 0,467 0,65 0,8333 q 0 0,73 0,55 0, q,93,5 4 q 6,35 3,5,5 σ u q 0 957,4 857, ,763 A q 557,3705 7,985 55,70 B q 0,4499 6, ,850 σ t, kg/cm 65,43 9, ,5333 Tegangan-tegangan pada hub [Menurut lit. 7, hal ] dapat diperoleh dengan persamaan : σ r l o.σ u + l o.σ rhub + l o.σ thub...(5-) σ r l o. 960,804 + l o o. 539,49 + l. 463,395 σ t k.σ u + k.σ rhub + k.σ thub...(5-) σ t k.. 960,804 + k. 539,49 + k. 463,395 Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

91 Dimana : Koefisien - koefisien k, k, dan k dihitung dari persamaan berikut ini : k 3,3/8 [0,7875 0,575 (r/r hub ) - 0,5(r hub /r) ] k -0,5 [ - (r/r hub ) ] (r hub /r) k 0,5 [ + (r/r hub ) ] (r hub /r) Dengan menghitung konstanta pada r tertentu, dapat dicari tegangan-tegangan tangensial dan radial pada titik tersebut, dan hasilnya dapat ditabelkan berikut ini : ' Tabel 5.3. Tegangan-tegangan pada hub dengan σ u 960,804 kg/cm, σ r, hub 539,49 kg/cm, σ t,hub 463,395 kg/cm. Tegangan-tegangan radial Koefisien Jari-jari, r, cm 5,0 9,948 34,89695 r/r hub 0,764 0,858 l o 0,839 0,4 0 o l o l,474,789-0,474-0,789 0 l o σ u 77,96 34,56 0 l o σ rhub 795, , ,49 l o σ thub -68,4-440,65 0 σ r, kg/cm -94,864 39, ,49. Tegangan-tegangan tangensial Koefisien Jari-jari, r, cm 5,0 9,948 34,89695 r/r hub 0,764 0,858 k 0,033 0,033 0 k -0,474-0,567 0 Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

92 k,474,789 kσ u 3,034 9,9 0 k σ rhub -55,87-38,487 0 k σ thub 363, , ,395 σ t, kg/cm 3406, ,59 463,395 Jenis baja yang digunakan untuk konstruksi cakram turbin tergantung pada besarnya tegangan yang dialami dan kondisi operasi dimana tegangan tegangan yang diizinkan untuk masing masing hal ditentukan dengan memperhatikan sifat sifat fisis baja maupun temperatur operasi cakram yang direncanakan. Umumnya tegangantegangan yang diizinkan tidak pernah lebih dari 0,4 kali tegangan tarik pada temperatur yang dimaksudkan. Dari hasil perhitungan tegangan-tegangan pada bagian-bagian yang penting untuk cakram yang direncanakan, jenis baja yang dipakai adalah bahan Alloy steel AISI 050 As-rolled (Lampiran IV) dengan tegangan tarik 05 kpsi 7383,966 kg/cm. Sehingga tegangan yang diizinkan adalah : σ max σ t 0, ,966 65,43 953,586 kg/cm Maka desain cakram ini sudah memenuhi. 5.5 Perhitungan Ukuran Poros Pada perancangan ini poros mempunyai fungsi sebagai penghubung yang memindahkan daya dan putaran turbin serta tempat pemasangan cakram dan sudu, sehingga beban yang akan dialami poros ini adalah :. Beban lentur yang berasal dari berat sudu-sudu dan cakram. Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

93 . Beban puntir yang berasal dari cakram Untuk poros putaran sedang dan beban berat, maka pada perancangan ini digunakan bahan Alloy steels AISI 095 As-rolled (Lampiran IV) dengan tegangan tarik 40 kpsi 98,453 kg/mm. Sehingga tegangan geser yang diizinkan untuk bahan poros ini [Menurut lit. 8, hal. 8] dapat dihitung berdasarkan persamaan : τ a σ b / Sf x Sf...(Lit.8, hal.8) Dimana : Sf faktor keamanan karena berat poros, untuk baja paduan 6 Sf faktor keamanan karena adanya pasak, untuk poros bertingkat dengan konsentrasi tegangan (,3 3,0), diambil, Maka : τ a 98,453kg / mm 6, 7,459 kg/mm Daya nominal (N) yang ditransmisikan pada perancangan ini kw pada putaran (n) 3000 rpm. Maka besarnya momen torsi poros (M t ) [Menurut lit. 5, hal. 7] dapat dihitung dengan persamaan : M t 9, N n...(lit.5, hal.7) M t 9, , M t 95,96 x 0 5 kg.mm Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

94 Diameter poros (d p ) [Menurut lit. 8, hal. 8] dapat dihitung dengan persamaan : d p [5,. K t. c b. M t /τ a ] /3...(Lit.8, hal.8) Dimana : K t faktor pembebanan (,5 3,0), maka untuk beban kejutan dan tumbukan yang besar diambil,5 c b faktor pembebanan lentur (,,3), maka diambil, Maka : d p 5 95,96 0 5,,5, 7,459 / 3 d p 8,0 mm Dari standarisasi poros [Lit.8, hal.9], maka dipilih diameter poros yang dipakai pada perancangan ini (d p ) sebesar 300 mm. Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

95 5.6 Perhitungan berat cakram Putaran kritis adalah putaran permenit yang secara numerik berimpit dengan frekuensi alami getaran getaran poros. Secara teoritis putaran kritis menyebabkan lendutan poros cenderung untuk memperbesar sampai ke tak hingga. Jadi pengoperasian pada putaran kritis haruslah dihindari, untuk menghitung putaran kritis harus menghitung terlebih dahulu pembebanan yang terjadi pada poros. Pembebanan yang dimaksud adalah pembebanan statis yang disebabkan berat cakram dan berat poros itu sendiri. berikut ini : Berat cakram pada tingkat terakhir (ke-0) dapat dihitung melalui persamaan W ck W ck Wck y + y ρ as. π.[( r r0 ). yo + ( r r )( )]...(Lit.9, hal.364 ) 0, π.[(36,8 680,5 kg 30 ).6 + (73, ,8 )( )] + Untuk berat cakram dari tingkat pengaturan sampai tingkat ke-0 dihitung dengan cara yang sama dan hasilnya ditabelkan pada tabel 5.4 berikut ini. Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

96 Tabel 5.4. Ukuran dan berat cakram Tingkat ke- No. Hal Tingkat Pengaturan Tingkat Impuls Nekatin I II d (cm) l" (cm) r (cm) r (cm) ro (cm) y (cm) yo (cm) y (cm) Wcr 9 (kg) Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

97 5.7 Bantalan dan Pelumasan Bantalan merupakan bagian utama dari elemen mesin sehingga dalam pemilihannya harus dipertimbangkan peranannya. Bantalan yang dipakai pada rancangan ini adalah bantalan luncur, karena beban yang dialami cukup besar dan putaran yang tinggi. Gambar 5.8 berikut ini menunjukkan gambar bantalan luncur yang didesain. Gambar 5.8 Bantalan Luncur Pendesainan bantalan ini dilaksanakan menurut metode yang disarankan oleh M.I. Yanovsky untuk bantalan luncur Jenis bantalan yang digunakan adalah bantalan radial (journal bearing). Untuk bantalan radial, dalam hal ini menerima beban dalam arah tegak lurus dengan poros dan gaya radial dari poros ditentukan dengan persamaan : F r R A + F s...(lit.7, hal.77) Dimana : R A 4975,6355 kg F s m (y + e) ω /g Dengan : y lendutan e jarak pusat massa poros dengan sumbu geometri poros dan ditetapkan (y+e) 5x0-4 Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

98 m massa beban massa poros + massa cakram 5687, , ,078 kg w kecepatan sudut putaran poros π x 3000/60 34,59 rpm Maka : F s 0477,078 (5.0-4 ) (34,59) /9,8 F s 5703,588 kg Sehingga besar gaya radial adalah : F r 4975, ,588 F r 57679,4 kg Tabel 5.5. Ruang bebas yang diperlukan untuk bantalan luncur ( Lit.7, hal.77 ) Bantalan tanpa lapisan logam putih Bantalan dengan lapisan logam putih Diameter poros, Ruang bebas Ruang bebas Ruang bebas Ruang bebas No. Mm atas, mm bawah, mm atas, mm bawah, mm Minimal Maksimal Minimal Maksimal Minimal Maksimal Minimal Maksimal 50 0,5 0,5 0,0 0,5 0,0 0, 0,5 0,0 00 0,0 0,30 0,0 0,0 0,0 0,5 0,0 0, ,30 0,40 0,5 0,5 0,0 0,5 0,30 0, ,40 0,55 0,0 0,30 0,0 0,30 0,35 0, ,50 0,65 0,5 0,35 0,5 0,35 0,45 0, ,60 0,75 0,30 0,40 0,30 0,45 0,55 0, ,70 0,85 0,35 0,45 0,35 0,50 0,6 0,70 Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

99 Ruang bebas a dipilih sesuai dengan diameter poros dari Tabel 5.6 diatas. Dengan ekstrapolasi didapat harga a untuk diameter 450 mm yang dipilih untuk bantalan dengan lapisan logam putih. a 0,85 mm Maka : dan nilai d/l [Menurut lit. 7, hal ] diambil,5 l (l/d) x d (/,5) x mm Dimana : l panjang permukaan bantalan 300 mm Gambar 5.9 Kedudukan poros pada bantalan pada berbagai kecepatan Koefisien (kriteria beban) bantalan [Menurut lit. 7, hal. 78] diperoleh dengan persamaan : F r ( a ) φ d v...(lit.7, hal.78) l. u. µ Dimana : F r beban bantalan 57679,4 kg l panjang permukaan bantalan 30 cm u kecepatan keliling permukaan poros π. d. n 707,43 cm/det 60 µ viskositas rata-rata minyak pelumas jenis TZOUT (GOST 3-53) 0,3 x 0-6 kg.det/cm Maka : φ v ( 0,85/ 45) 57679, ,43 0, ,3357 Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009

100 Besar harga koefisien x diperoleh dari gambar 5.0 berikut ini. Dan untuk bantalan luncur θ 80 0 dan harga ε d/l,5 diperoleh x 0,97. 3,3357 0,97 Gambar 5.0 Grafik kriteria beban koefisien φ v (Lit 7 hal. 78 ) Sedangkan koefisien gesek (f) untuk bantalan dapat dihitung dengan menggunakan datadata pada gambar 5. berikut ini. Dan untuk bantalan luncur θ 80 0 dan harga ε,5 dan x 0,97, diperoleh φ s 7,6. 7,6 0,97 Pembangkit Listrik Tenaga Uap, 009. USU Repository 009