TUGAS SKRIPSI SISTEM PEMBANGKIT TENAGA

TUGAS SKRIPSI SISTEM PEMBANGKIT TENAGA ANALISIS VARIASI SUDUT SUDU-SUDU TURBIN IMPULS TERHADAP DAYA MEKANIS TURBIN SEBAGAI PEMBANGKIT TENAGA UAP PADA PKS KAPASITAS 30 TON TBS/JAM OLEH ISKANDAR PERANGIN ANGIN 0 4 0 4 0 1 0 3 0 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2009

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA FAKULTAS TEKNIK DEPARTEMEN TEKNIK MESIN MEDAN TUGAS SKRIPSI SISTEM PEMBANGKIT TENAGA ANALISIS VARIASI SUDUT SUDU-SUDU TURBIN IMPULS TERHADAP DAYA MEKANIS TURBIN PADA PEMBANGKIT TENAGA UAP PKS KAPASITAS 30 TON TBS/JAM Oleh : ISKANDAR PERANGIN ANGIN 040401030 Diketahui/Disyahkan : Disetujui oleh : Departemen Teknik Mesin Dosen Pembimbing Fakultas Teknik USU Ketua, DR. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri Ir. Zamanhuri, MT NIP. 132 018 668 NIP. 130353113

ANALISIS VARIASI SUDUT SUDU-SUDU TURBIN IMPULS TERHADAP DAYA MEKANIS TURBIN SEBAGAI PEMBANGKIT TENAGA UAP PADA PKS KAPASITAS 30 TON TBS/JAM ISKANDAR PERANGIN ANGIN NIM. 040401030 Telah Disetujui dari Hasil Seminar Skripsi Periode ke-546, pada tanggal 8 Agustus 2009 Pembanding I Pembanding II Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc. Tulus Burhanuddin Sitorus, ST, MT. NIP. 132018668 NIP. 132018668

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN AGENDA : 847 / TS / 2008 FAKULTAS TEKNIK USU DITERIMA TGL: M E D A N PARAF : TUGAS SKRIPSI NAMA : ISKANDAR PERANGIN ANGIN N I M : 040401030 MATA PELAJARAN SPESIFIKASI : SISTEM PEMBANGKIT TENAGA : Analisis dan simulasi untuk mendapatkan sudut-sudut turbin pada PKS kapasitas 30 ton/jam Analisis meliputi : - Perhitungan manual dari kondisi yang ada - Pemrograman simulasi untuk memperoleh optimasi - Menggunakan data-data awal dari hasil survey. DIBERIKAN TANGGAL : 02 / 02 / 2009 SELESAI TANGGAL : 22 / 07/ 2009 KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN MEDAN, 02 FEBRUARI 2009 DOSEN PEMBIMBING, DR.ING.IR IKHWANSYAH ISRANURI IR. ZAMANHURI, MT NIP. 132018668 NIP. 130353113

Sub. Program studi Bidang Tugas Judul Tugas Skripsi KARTU BIMBINGAN TUGAS SKRIPSI MAHASISWA No : 847 / TS / 2008 : Mesin Konversi Energi : Sistem Pembangkit Tenaga. : Analisis Variasi Sudut Sudu-Sudu Turbin Impuls Terhadap Daya Mekanis Turbin Sebagai Pembangkit Tenaga Uap Pada PKS Kapasitas 30 Ton TBS/Jam Diberikan Tanggal : 02 Februari 2009 Selesai Tanggal : 22 Juli 2009 Dosen Pembimbing : Ir. Zamanhuri,MT Nama Mahasiswa : Iskandar Perangin Angin NIM : 04 0401 030 NO Tanggal Kegiatan Asistensi Bimbingan Tanda Tangan Dosen 1 02-02-2009 Pemberian tugas dan diskusi ide mengenai gambaran umum tugas skripsi 2 10-02-2009 Studi literatur mesin pengangkat & mekanika kekuatan bahan 3 25-02-2009 Survey data penelitian di PKS PTPN IV 4 03-03-2009 Diskusi hasil Pengambilan Data 5 17-03-2009 Penentuan Spesifikasi Tugas dan Bahan Kajian 3 26-03-2009 Asistensi BAB I 6 30-03-2009 Asistensi BAB II 7 03-04-2009 Perhitungan manual dari data-data yang diperoleh 8 17-04-2009 Analisis prinsip impuls pada turbin 9 15-05-2009 Analisis variasi sudut uap masuk terhadap gaya, daya dan efisiensi turbin 10 30-05-2009 Analisis dan simulasi dengan bantuan program computer Matlab 11 14-06-2009 Asistensi hasil analisis dengan program Matlab 12 18-07-2009 Acc dan siap diseminarkan CATATAN : Diketahui, 1. Kartu ini harus diperlihatkan kepada dosen Ketua Departemen Teknik Mesin pembimbing setiap asistensi. F.T U.S.U 2. Kartu ini harus dijaga bersih dan rapi. 3. Kartu ini harus dikembalikan kejurusan, bila kegiatan asistensi telah selesai, DR. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri NIP. 132 018 668

KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Allah SWT yang atas nikmat dan karunia yang dilimpahkannya sehingga penulis mampu menyelesikan tugas skripsi ini. Tugas skripsi ini merupakan salah satu syarat yang harus dipenuhi mahasiswa guna menyelesaikan pendidikan dan mendapatkan gelar Sarjana Teknik di Fakultas Teknik, Departemen Teknik Mesin. Oleh karena itu penulis sebagai mahasiswa yang akan menyelesaikan pendidikannya turut melaksanakan skripsi ini. Adapun dalam skripsi ini, penulis mengambil topik pembahasan tentang Analisis Variasi Sudut Sudu-sudu Turbin Impuls terhadap Daya Mekanis Turbin pada Pembangkit Tenaga Uap PKS Kapasitas 30 ton TBS/ jam. Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Ir. Zamanhuri, MT sebagai dosen pembimbing yang telah banyak meluangkan waktu untuk memberikan bimbingan dan pengajaran dari awal hingga selesainya skripsi ini. 2. Bapak DR.ING.Ir Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Tulus Burhanuddin ST. MT sebagai ketua jurusan dan sekretaris jurusan Departemen Teknik Mesin USU. 3. Para dosen dan staf pengajar Departemen Teknik Mesin USU yang selama ini telah memberikan dan mengajarkan ilmu-ilmu keteknik-mesinan. 4. Kedua orang tua yang tercinta M. S Perangin Angin dan R. Br Tarigan yang selalu memberikan motivasi dan doa dalam menyelesaikan skripsi ini.

5. Rekan-rekan mahasiswa Teknik Mesin yang senantiasa membantu dan memberikan masukan guna penyelesaian skripsi ini. Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih belum mencaoai kesempurnaan dan masih banyak kesilapan dan kekurangan-kekurangan. Untuk itu penulis mengharapkan masukan dan krietikan yang membangun untuk perbaikan selanjutnya. Kiranya skripsi ini bermanfaat bagi kita semua, khususnya mahasiswa Departemen Teknik Mesin FT USU. Medan, 22 Juli 2009 Penulis, (Iskandar Perangin Angin) 040401030

DAFTAR ISI Kata Pengantar... Daftar Isi... Daftar Simbol... Daftar Gambar... Daftar Tabel..... i iii vi viii xi BAB I. PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Maksud Dan Tujuan... 2 1.3 Batasan Masalah... 3 1.4 Metode Penulisan... 3 1.5 Sistematika Penulisan... 4 BAB II. TINJAUAN PUSTAKA... 9 2.1 Pandangan Umum Tentang Turbin Uap Sebagai Pembangkit Tenaga. 9 2.2 Analisa Termodinamika... 10 2.3 Komponen Instalasi Turbin Uap 12 2.4 Klasifikasi Turbin Uap... 17 2.5 Bagian-bagian Turbin... 21 2.6 Kerugian Energi pada Turbin Uap... 22 2.6.1 Kerugian Energi Kalor pada Katup Pengatur... 23 2.6.2 Kerugian Energi Pada Nosel... 24 2.6.3 Kerugian Energi Kalor pada sudu-sudu Gerak... 25

2.6.4 Kerugian Energi Akibat Kecepatan Keluar... 26 2.6.5 Kerugian Energi karena Gesekan Roda dan Ventilasi... 26 2.6.6 Kerugian akibat Ruang Bebas... 27 2.6.7 Kerugian Akibat Kebasahan Uap... 28 2.6.8 Kerugian akibat Pemipaan Buang... 28 2.6.9 Kerugian Mekanis... 29 2.6.10 Efisiensi dalam Turbin... 30 BAB III. PRINSIP DAN PERHITUNGAN TURBIN IMPULS SERTA ANALISIS ALIRAN UAP MELALUI SUDU... 31 3.1 Dasar Teori Impuls... 31 3.1.1 Prinsip Impuls dan Momentum... 31 3.2 Asas Impuls Pada Turbin... 33 3.3 Prinsip Turbin Impuls... 34 3.4 Perubahan Energi Thermal Menjadi Energi Kinetis... 36 3.5 Transformasi Energi Pada Sudu... 38 3.6 Analisis Kecepatan Aliran Uap... 40 3.7 Gaya Tangensial Turbin... 43 3.8 Daya Mekanis yang dihasilkan Turbin... 44 3.9 Efisiensi Turbin Impuls... 46 BAB IV. ANALISIS VARIASI SUDUT SUDU-SUDU IMPULS TERHADAP ENERGI MEKANIS TURBIN... 41 4.1 Prinsip Aksi Aliran Uap Melalui Sudu... 41 4.2 Analisis Aliran Uap Melalui Penempang Sudu Yang Bervariasi... 42

4.3 Perhitunan Data Survey... 47 4.3.1 Data hasil Survey Studi... 47 4.3.2 Perhitungan Data... 49 4.4 Perhitungan Kerja Turbin Berdasarkan Prinsip Aksi Uap... 52 4.5 Hubungan Variasi α 1 terhadap F u dan P u... 55 4.6 Hubungan u/c dengan besar sudut α 1 dan pengaruhnya terhadap Efisiensi Turbin... 58 4.7 Menentukan Sudut α 1 Optimal... 59 4.8 Analisis Dan Simulasi Dengan Bantuan Softwere Komputer... 61 4.8.1 Menghitung Gaya Tangensial dan Daya Mekanis Turbin dengan softwere MATLAB... 63 4.8.2 Analisis Variasi sudut terhadap F u dan P u... 67 4.8.3 Pengaruh Sudut dan Koefisien Kecepatan Terhadap Effisiensi... 71 4.9 Perbandingan Hasil Perhitungan Manual Dengan Simulasi. 75 BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN... 77 5.1 Kesimpulan... 77 5.2 Saran... 77 DAFTAR PUSTAKA... 78

DAFTAR SIMBOL Simbol Arti Satuan A Luas penampang turbin m b Lebar sudu turbin m 2 c 1 c c 2 it Kecepatan uap mutlak masuk sudu Kecepatan uap mutlak keluar sudu Kecepatan uap teoritis m/s m/s m/s d Diameter turbin m F Gaya impuls N F u Gaya tangensial turbin N g Percepatan gravitasi bumi m/s h Entalphy uap kj/kg 2 M t Momen torsi Nm m Massa uap kg m Laju aliran massa uap kg/s n Jumlah putaran turbin rpm P Momentum kg.m/s P u P P 0 2 Daya/ energi mekanis turbin Tekanan uap masuk turbin Tekanan uap bekas turbin kwatt bar bar t Jarak bagi sudu m u Kecepatan tangensial turbin m/s v Spesific volume m 3 /kg w1 Kecepatan relatif uap masuk sudu turbin m/s

w 2 Kecepatan relatif uap keluar sudu gerak m/s x Kualitas uap -- z Jumlah sudu buah α 1 Sudut masuk uap ke turbin derajat α 2 Sudut keluar sudu derajat β 1 Sudut masuk sudu derajat β 2 Sudut keluar uap derajat ε Pemasukan uap parsial -- η u Effisiensi turbin % ϕ Koefisien gesek pada nosel -- ψ Kerugian pada sudu-sudu -- ω Kecepatan sudut rad/s

DAFTAR GAMBAR GAMBAR Gambar 2.1 Gambar 2.2 Gambar 2.3 Gambar 2.4 Gambar 2.5 Gambar 2.6 Gambar 2.7 Gambar 2.8 Gambar 2.9 Gambar 2.10 Gambar 2.11 Gambar 2.12 Gambar 2.13 Gambar 2.14 NAMA GAMBAR Mesin uap buatan Hero Mesin uap buatan Branca Turbin impuls sederhana Diagram alir Siklus Rankine Diagram T-s Siklus Rankine Pompa Boiler pipa air Turbin Kondensor Penampang Turbin Aksi Penampang Turbin Reaksi Perbedaan skema aliran uap antara Turbin Aksi dan Reaksi Bagian-bagian turbin Grafik untuk Menentukan Koefisien ϕ sebagai Fungsi Tinggi Nosel. Gambar 2.15 Grafik untuk menentukan koefisien ψ berdasarkan tinggi sudu-gerak untuk turbin impuls Gambar 2.16 Gambar 2.17 Gambar 2.18 Gambar 3.1. Efisiensi Mekanis Turbin Uap Efisiensi Generator Efisiensi Efektif Impuls pada sudu Turbin

Gambar 3.2. Gambar 3.3. Gambar 3.4. Gambar 3.5. Gambar 3.6. Gambar 3.7. Gambar 3.8 Gambar 4.1 Gambar 4.2 Gambar 4.3 Gambar 4.4 Gambar 4.6 Gambar 4.7 Impuls pada penampang vertikal dan melengkung Sudu Turbin simetris Aliran uap pada nosel Saluran uap pada nosel Skema aliran uap pada sudu gerak Skema arah kecepatan uap pada sudu gerak Konstruksi turbin uap impuls satu tahap Semburan uap dari nosel Prinsip aksi uap pada berbagai bentuk benda Arah aliran uap melalui sudu turbin Impuls uap pada sudu Grafik pengaruh perubahan sudut terhadap gaya tangensial Grafik pengaruh perubahan sudut terhadap Daya mekanis turbin Gambar 4.8 Gambar 4.9 Gambar 4.10 Gambar 4.11 Gambar 4.12 Gambar 4.13 Gambar 4.14 Gambar 4.15 Gambar 4.16 Grafik variasiη u sebagai fungsi u/c Grafik nilai (u/c 1 ) optimum terhadap effisiensi Layar tampilan Matlab Layar kerja Matlab Aliran uap melalui sudu Instruksi kerja Matlab Hasil instruksi kerja Matlab Grafik hubungan sudut dengan Gaya tangensial turbin Grafik hubungan sudut dengan daya mekanis turbin 1

Gambar 4.17 Grafik hubungan nilai (u/c 1 ) optimum terhadap effisiensi maksimum Gambar 4.18 Gambar 4.19 Gambar 4.20 Gambar 4.21 Grafik effisiensi sebagai fungsi u/c Grafik effisiensi dengan sudut uap masuk sudu Grafik hubungan sudut dengan daya dan efisiensi turbin Grafik perbandingan hasil perhitungan manual dengan simulasi Gambar 5.1 Grafik sudutα 1 terhadap gaya tangensial turbin Gambar 5.2 Gambar 5.3 Gambar 5.4 Gambar 5.5 Grafik sudut α 1 terhadap daya mekanis turbin Grafik effisiensi sebagai fungsi u/c Grafik effisiensi vs u/c optimum Grafik effisiensi dengan sudut uap masuk sudu

DAFTAR TABEL Tabel 4.1 Pengaruh variasi sudut terhadap Gaya dan Daya turbin Table 4.2 Pengaruh (u/c 1 ) terhadap Effisiensi turbin Tabel 4.3 Tabel 4.4 Pengaruh variasi sudut terhadap Gaya tangensial turbin Pengaruh variasi sudut terhadap Daya mekanis turbin Table 4.5 Pengaruh (u/c 1 ) terhadap Effisiensi turbin Tabel 4.6 Tabel 4.6 Pengaruh variasi sudut terhadap Daya dan Effisiensi Turbin Perbandinganhasil perhitungan manual dengan simulasi BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Pembangkit tenaga uap merupakan suatu sistem yang dirancang untuk memanfatkan energi potensial uap sebagai penghasil tenaga untuk membangkitkan suatu generator. Jika suatu pembangkit tenaga (power plant) menggunakan turbin sebagai alat untuk mentransmisikan energi yang dikandung