BAB II TINJAUAN PUSTAKA.. Pandangan Umum Tentang Turbin Uap Sebagai Pembangkit Tenaga Turbin uap termasuk mesin pembangkit tenaga 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. Turbin uap sudah sering digunakan sebagai penggerak mula pada PLTU, pompa, kompressor dan mesin-mesin lain. Jika dibandingkan dengan penggerak generator listrik yang lain, turbin uap mempunyai kelebihan antara lain adalah penggunaan panas yang lebih baik, pengontrolan putaran yang lebih mudah, dapat menghasilkan daya besar, serta investasi awal yang tidak begitu besar. Ide turbin uap sudah lama diketahui yakni kira-kira sejak tahun 0 S.M. Hero di Alexandria membuat prototipe turbin yang pertama yang bekerja berdasarkan prinsip reaksi (lit., hal.3). Alat ini menjadi instalasi tenaga uap yang primitif, terdiri dari sumber kalor, bejana yang diisi dengan air, penampang berbentuk bola dengan pipa penyembur (nosel). Akibat kalor, air yang ada di dalam bejana dipanaskan dan diuapkan yang menghasilkan uap jenuh, mengalir melalui pipa-pipa vertikal (tegak lurus) dan pipa pipa mendatar yang dimasukkan ke dalam penampang berbentuk bola tadi. Dengan kenaikan tekanan, uap yang ada di dalam penampang berbentuk bola itu dikeluarkan ke atmosfer melalui nosel. Semburan uap yang keluar dari nosel ini akan mengakibatkan terjadinya gaya reaksi pada nosel itu sendiri dan memaksa bola itu berputar pada sumbu mendatarnya.
Gambar.. Mesin uap buatan Hero. (Sumber http://www.luk.staff.ugm.ac.id) Keterangan :. Sumber kalor. Bejana air 3. Penampang berbentuk bola 4. Pipa vertikal 5. Nosel 6. Pipa mendatar Beberapa abad kemudian, pada tahun 69, giovanni Branca memberikan gambaran sebuah mesin yang dibuatnya (lit., hal.3), seperti yang ditunjukkan pada gambar.. Mesin itu terdiri dari ketel uap, yang tutupnya dibuat berbentuk manusia, pipa panjang (nosel), roda mendatar 3 dengan sudusudunya, poros 4 dan roda gigi transmisi 5 untuk menggerakkan kilang penumbuk 6. Uap yang dibangkitkan di dalam ketel sesudah diekspansikan pada nosel memperoleh kecepatan yang tinggi. Semburan uap yang berkecepatan tinggi ini menubruk sudu-sudu roda 3 yang kemudian akan memutar roda ini. Kecepatan putar roda 3 ini dan momen putarnya pada poros 4 tergantung pada kecepatan dan
jumlah aliran uap per satuan waktu. Mesin uap buatan Branca ini, dari prinsip aksinya adalah prototipe turbin impuls. Gambar.. Mesin uap buatan Branca. (Sumber http://www.kuhf.org) Keterangan :. Ketel Uap. Pipa panjang sebagai nosel 3. Roda mendatar dengan sudu-sudu 4. Poros roda mendatar 5. Roda gigi transmisi 6. Penumbuk Kemajuan yang besar pada pengembangan dan konstruksi turbin uap dirasakan pada akhir abad ke-9. Pada tahun 890, ahli teknik berkebangsaan Swedia, Gustaf de-laval membuat sebuah turbin uap cakram tunggal dengan kapasitas 5 dk, dengan poros fleksibel dan cakram yang kekuatannya sama.
Gambar.3. Turbin impuls sederhana. Keterangan :. Poros. Cakram 3. Sudu-sudu 4. Nosel Turbin uap cakram tunggal yang paling sederhana terdiri dari bagianbagian utama yakni : nosel ekspansi, poros dan cakram dengan sudu-sudu yang dipasang pada pinggirannya. Pada turbin-turbin jenis ini, ekspansi uap diperoleh dari tekanan awalnya sampai ke tekanan akhirnya di dalam satu atau satu grup nosel yang diletakkan pada stator turbin dan ditempatkan di depan sudu-sudu cakram yang berputar. Penurunan tekanan uap di dalam nosel diikuti dengan penurunan kandungan kalornya (heat content). Penurunan kandungan kalor yang terjadi di dalam nosel ini selanjutnya akan menyebabkan kenaikan kecepatan uap yang keluar dari nosel. Energi kecepatan semburan uap memberikan gaya impuls pada sudu-sudu dan melakukan kerja mekanis pada poros rotor turbin. Turbin- turbin impuls satu-tingkat yang berukuran kecil dibuat dan masih sedang dikembangkan dengan kepesatan tinggi. Turbin jenis ini yang pertama dibuat oleh Gustaf de-laval, beroperasi pada kepesatan 30.000 rpm, dan turbin tersebut dilengkapi dengan roda gigi reduksi untuk memindahkan momen putar ke mekanisme yang digerakkan, seperti generator listrik, dan lain-lain.
.. Analisa Termodinamika Turbin uap bersama-sama dengan ketel uap, pompa dan kondensor, dipadukan untuk membentuk suatu siklus daya uap atau siklus rankine. Siklus ini menggunakan fluida dalam dua fasa yaitu cairan dan uap. Secara ideal proses termodinamika yang terjadi pada siklus ini adalah penekanan isentropik, penambahan kalor secara isobar, ekspansi isentropik, dan pembuangan panas isobar. 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. 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.4. Diagram Alir Siklus Rankine.
Diagram alir siklus Rankine dapat dilihat sebagai berikut: Gambar.5. Diagram T-S Siklus Rankine. 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 Proses termodinamika dalam siklus ini (Gambar.4 dan.5) dapat diterangkan yaitu: air dipompakan masuk ke boiler hingga mencapai tekanan kerja boiler pada titik, kemudian di dalam boiler air dipanaskan hingga menjadi uap pada tekanan konstan terhadap fluida sehingga mencapai keadaan titik 3. Uap yang telah dihasilkan ini akan memutar steam turbine, di dalam steam turbine terjadi perubahan energi panas yang dibawa uap menjadi energi mekanik berupa putaran turbin uap. Pada tahap ini uap tersebut diekspansikan pada turbin sehingga mencapai titik 4. Setelah uap menggerakkan turbin uap akan masuk ke kondensor untuk didinginkan dan berubah fasa kembali menjadi air (titik ) dan kemudian kembali dimasukkan kedalam boiler.
Dari proses yang terjadi pada siklus turbin uap tersebut maka besar kerja dan kalor dapat ditentukan pada masing-masing proses untuk tiap satuan massa sebagai berikut : Kerja Pompa W P = h h Penambahan Kalor pada Boiler Q in = h 3 h Kerja Turbin W T = h 3 h 4 Kalor yang dibuang pada Kondensor Q out = h 4 h Efisiensi Thermal η th = W Q net in WT W = Q in = ( h ) ( ) 3 h4 h h ( h h ) 3 P Untuk memaksimumkan efisiensi siklus, temperatur yang diberikan harus mencapai setinggi mungkin sedangkan panas yang dibuang harus pada temperatur yang serendah-rendahnya. Tekanan boiler yang tinggi akan menaikkan temperatur penguapan, sehingga menaikkan efisiensi siklus..3. Komponen Instalasi Turbin Uap. Pompa Pompa adalah suatu alat yang digunakan untuk memindahkan suatu cairan dari suatu tempat ke tempat lain dengan cara menaikkan tekanan cairan tersebut. Kenaikan tekanan cairan tersebut digunakan untuk mengatasi hambatan-hambatan pengaliran. Hambatan-hambatan pengaliran itu dapat berupa perbedaan tekanan, perbedaan ketinggian atau hambatan gesek. Zat cair tersebut contohnya adalah air, oli atau minyak pelumas, serta fluida lainnya yang tak mampu mampat. Industriindustri banyak menggunakan pompa sebagai salah satu peralatan bantu yang penting untuk proses produksi. Sebagai contoh pada pembangkit listrik tenaga uap, pompa digunakan untuk menyuplai air umpan ke boiler atau membantu sirkulasi air yang akan diuapkan di boiler.
Gambar.6. Pompa. (Sumber http://www.itrademarket.com) Pompa juga merupakan alat mesin konversi energi, tetapi mesin ini banyak diaplikasikan sebagai alat bantu proses konversi. Sebagai contoh pompa banyak dipakai sebagai alat sirkulasi air pada instalasi pembangkit tenaga uap. Pompa bekerja dengan penggerak dari luar. Jadi mesin ini adalah pengguna energi. Secara umum pompa dapat diklasifikasikan menjadi bagian yaitu pompa kerja positif (positive displacement pump) dan pompa kerja dinamis (non positive displacement pump). Pada pompa kerja positif kenaikan tekanan cairan di dalam pompa disebabkan oleh pengecilan volume ruangan yang ditempati cairan tersebut. Adanya elemen yang bergerak dalam ruangan tersebut menyebabkan volume ruangan akan membesar atau mengecil sesuai dengan gerakan elemen tersebut. Secara umum pompa kerja positif diklasifikasikan menjadi Pompa Reciprocating dan Pompa Rotari Pada pompa kerja dinamis energi penggerak dari luar diberikan kepada poros yang kemudian digunakan untuk menggerakkan baling-baling yang disebut impeler. Impeler memutar cairan yang masuk ke dalam pompa sehingga mengakibatkan energi tekanan dan energi kinetik cairan bertambah. Cairan akan terlempar ke luar akibat gaya sentrifugal yang ditimbulkan gerakan impeler. Yang termasuk jenis pompa ini adalah pompa sentrifugal
. Boiler Boiler sering juga disebut ketel uap, yaitu suatu komponen yang berfungsi sebagai tempat untuk menghasilkan uap, energi kinetiknya digunakan untuk memutar turbin. Uap yang dihasilkan mempunyai suhu dan tekanan tertentu sedemikian rupa hingga dapat beroperasi seefesien mungkin. Gambar.7. Boiler pipa air. (Sumber http://www.lenntech.com) Energi kalor yang dibangkitkan dalam sistem boiler memiliki nilai tekanan, temperatur, dan laju aliran yang menentukan pemanfaatan steam yang akan digunakan. Berdasarkan ketiga hal tersebut sistem boiler mengenal keadaan tekanan-temperatur rendah (low pressure/lp), dan tekanan-temperatur tinggi (high pressure/hp), dengan perbedaan itu pemanfaatan steam yang keluar dari sistem boiler dimanfaatkan dalam suatu proses untuk memanaskan cairan dan menjalankan suatu mesin, atau membangkitkan energi listrik dengan merubah energi kalor menjadi energi mekanik kemudian memutar generator sehingga menghasilkan energi listrik (power boilers). Namun, ada juga yang menggabungkan kedua sistem boiler tersebut, yang memanfaatkan tekanan-
temperatur tinggi untuk membangkitkan energi listrik, kemudian sisa steam dari turbin dengan keadaan tekanan-temperatur rendah dapat dimanfaatkan ke dalam proses industri dengan bantuan heat recovery boiler. Sistem boiler terdiri dari sistem air umpan, sistem steam, dan sistem bahan bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam. Berbagai kran disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan dari sistem air umpan, penanganan air umpan diperlukan sebagai bentuk pemeliharaan untuk mencegah terjadi kerusakan dari sistem steam. Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler. Steam dialirkan melalui sistem pemipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan steam diatur menggunakan kran dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua perlatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan. Peralatan yang diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan pada sistem. Secara umum boiler dibagi kedalam dua jenis yaitu : boiler pipa api (Fire tube boiler) dan boiler pipa air (water tube boiler). Pada boiler pipa api proses pengapian terjadi didalam pipa, kemudian panas yang dihasilkan dihantarkan langsung kedalam boiler yang berisi air. Besar dan konstruksi boiler mempengaruhi kapasitas dan tekanan yang dihasilkan boiler tersebut. Sedangkan pada bioler pipa air proses pengapian terjadi diluar pipa, kemudian panas yang dihasilkan memanaskan pipa yang berisi air dan sebelumnya air tersebut dikondisikan terlebih dahulu melalui economizer, kemudian steam yang dihasilkan terlebih dahulu dikumpulkan di dalam sebuah steam-drum. Sampai tekanan dan temperatur sesuai, melalui tahap secondary superheater dan primary superheater baru steam dilepaskan ke pipa distribusi utama. Didalam pipa air, air yang mengalir harus dikondisikan terhadap mineral atau kandungan lainnya yang larut di dalam air tesebut. Hal ini merupakan faktor utama yang harus diperhatikan terhadap tipe ini.
3. Turbin Turbin merupakan mesin penggerak, di mana energi fluida kerja dipergunakan langsung untuk memutarnya. Dengan adanya energi kinetis uap yang digunakan langsung untuk memutar turbin, maka dapat dikatakan juga disini, bahwa kemajuan teknologi turbin banyak dipengaruhi oleh kondisi uap yang dihasilkan. Tujuan yang ingin dicapai oleh teknologi turbin adalah mengambil manfaat sebesar-besarnya dari energi fluida kerja yang tersedia, mengubahnya menjadi energi mekanis dengan efesiensi maksimum. Gambar.8. Turbin. (Sumber http://www.alkerny.en.ec.com) 4. Kondensor Kondensor merupakan alat penukar kalor yang berfungsi untuk mengkondensasikan uap keluaran turbin. Uap setelah memutar turbin langsung mengalir menuju kondensor untuk dirobah menjadi air (dikondensasikan), hal ini terjadi karena uap bersentuhan langsung dengan pipa-pipa (tubes) yang didalamnya dialiri oleh air pendingin. Oleh karena kondensor merupakan salah satu komponen utama yang sangat penting, maka kemampuan kondensor dalam mengkondensasikan uap keluaran turbin harus benar benar diperhatikan, sehingga perpindahan panas antara fluida pendingin dengan uap keluaran turbin dapat maksimal dan pengkondensasian terjadi dengan baik.
Kondensor terdiri dari tube-tube kecil yang melintang. Pada tube-tube inilah air pendingin dari laut dialirkan. Sedangkan uap mengalir dari atas menuju ke bawah agar mengalami kondensasi atau pengembunan. Sebelum masuk kedalam kondensor, air laut biasanya melewati debris filter yang berfungsi untuk menyaring kotoran-kotoran ataupun lumpur yang terbawa air laut. Agar uap dapat bergerak turun dengan lancar dari sudu terakhir Turbin, maka vakum kondensor harus dijaga, karena dengan ada vakum pada kondensor akan membuat tekanan udara pada kondensor menjadi rendah. Dengan tekanan yang lebih rendah di kondensor, maka uap akan bisa bergerak dengan mudah menuju kondensor. Gambar.9. Kondensor. (Sumber http://www.cvastro.com).4. Klasifikasi Turbin Uap Ada beberapa cara untuk mengklasifikasikan turbin uap, yaitu:. Berdasarkan arah aliran uapnya a) Turbin aksial, yaitu turbin dengan arah aliran uap sejajar dengan sumbu poros. b) Turbin radial, yaitu turbin dengan arah aliran uap tegak lurus terhadap sumbu poros.
. Berdasarkan prinsip aksi uap yang digunakan untuk menggerakkan roda jalan turbin melalui sudu, maka turbin uap dibagi menjadi : a) Turbin aksi (impuls), yaitu turbin yang perputaran sudu-sudu geraknya karena dorongan dari uap yang telah dinaikkan kecepatannya oleh nosel. Turbin Impuls, disebut juga turbin aksi atau turbin tekanan tetap, dimana uap mengalami ekspansi hanya pada nosel atau sudu-sudu tetap saja, sehingga tekanan uap sebelum dan sesudah sudu adalah tetap. Gambar.0. Penampang Turbin Aksi. b) Turbin reaksi, yaitu turbin yang perputaran sudu-sudu geraknya karena gaya sudu -sudu itu sendiri terhadap aliran uap yang melewatinya. Pada turbin ini proses ekspansi dari fluida kerjanya terjadi di dalam baris sudusudu tetap maupun sudu-sudu geraknya, sehingga tekanan uap sesudah keluar dari tiap tingkat sudu lebih rendah dari sebelumnya. Gambar.. Penampang Turbin Reaksi.
Gambar.. Perbedaan skema aliran uap antara Turbin Aksi dan Reaksi. (Sumber http://www.cnccookbook.com) 3. Berdasarkan kondisi uap yang meninggalkannya a) Turbin tekanan lawan (back pressure turbine), yaitu turbin yang tekanan uap bekasnya berada di atas tekanan atmosfir dan digunakan untuk keperluan proses. b) Turbin kondensasi langsung, yaitu turbin yang uap bekasnya dikondensasikan langsung dalam kondensor untuk mendapatkan air kondensor pengisian ketel. c) Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan, yaitu turbin yang sebagian uap bekasnya dicerat (diekstraksi) dan sebagian lagi digunakan untuk keperluan proses. d) Turbin ekstraksi dengan kondensasi, yaitu turbin yang sebagian uap bekasnya di cerat (diekstraksi) sebagian lagi dikondensasikan dalam kondensor untuk mendapatkan air kondensat pengisian ketel. e) Turbin non kondensasi dengan aliran langsung, yaitu turbin yang uap bekasnya langsung dibuang ke udara. f) Turbin non kondensasi dengan ekstraksi, yaitu turbin yang sebagian uap bekasnya dicerat (diekstraksi) dan sebagian lagi dibuang ke udara.
4. Berdasarkan tekanan uapnya a) Turbin tekanan rendah, yaitu turbin dengan tekanan uap masuk hingga ata. b) Turbin tekanan menengah, yaitu turbin dengan tekanan uap masuk hingga 40 ata. c) Turbin tekanan tinggi, yaitu turbin dengan tekanan uap masuk hingga diatas 40 ata. d) Turbin tekanan sangat tinggi, yaitu turbin dengan tekanan uap masuk di atas 70 ata. e) Turbin tekanan super kritis, yaitu turbin dengan tekanan uap masuk di atas 5 ata. 5. 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..5. Bagian-Bagian Turbin Turbin sebagai salah satu komponen dalam instalasi tenaga uap memiliki fungsi yang sangat penting guna menghasilkan daya yang akan ditransmisikan ke generator nantinya. Untuk itu, turbin juga memiliki beberapa komponen atau bagian-bagian yang dibuat sedemikian rupa guna mencapai tujuan yang dimaksudkan. Komponen atau bagian-bagian dari turbin tersebut dapat dilihat pada gambar.3 berikut.
Gambar.3. Bagian-bagian turbin.. Nosel (pipa pancar) Nosel merupakan suatu laluan yang penampangnya bervariasi dimana energi potensial uap dikonversikan menjadi energi kinetik berupa pancaran uap ke sudu gerak turbin dengan jalan mengembangkan (mengekspansi) uap dari tekanan tinggi ke tekanan yang lebih rendah dalam sebuah turbin. Dari penyelidikanpenyelidikan 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.
Nosel sering juga digantikan dengan sudu pengarah karena fungsinya adalah mengarahkan aliran uap yang masuk turbin.. Sudu Tetap Disebut sudu tetap karena keberadaannya yang memang diam (tidak bergerak). Fungsi sudu ini adalah untuk mengarahkan uap yang keluar dari sudu gerak pertama ke sudu gerak kedua. 3. Sudu Gerak Sudu turbin disebut juga sudu jalan atau sudu gerak, dimana sudu tersebut dipasamg melingkar melalui rotor sumbu roda turbin. Apabila uap masuk ke dalam sudu lalu menekan sudu-sudu tersebut hingga berputar. Apabila rotor turbin berputar pada kecepatan tinggi maka akan terjadi gaya sentrifugal yang berusaha melepas sudu-sudu rotor dari kedudukannya. Sudu-sudu merupakan bagian utama dari sebuah turbin, di dalam sudusudu daya kerja uap harus seekonomis mungkin diubah menjadi kerja keluar. Bentuk atau cara pembuatan sudu yang kurang baik dapat menimbulkan kerugian. 4. Rotor Turbin Rotor merupakan alat untuk memindahkan kerja yang dihasilkan oleh uap pada sudu-sudu jalan ke poros mesin atau melalui transmisi reduksi roda gigi. 5. Rumah Turbin Rumah turbin merupakan komponen yang berfungsi untuk membungkus atau menutupi konstruksi turbin uap yang telah selesai dibuat, dengan maksud agar terjaga dari pengaruh luar.
.6. Analisa Kecepatan Aliran Uap Analisa kecepatan aliran uap yang melewati suatu sudu dapat digambarkan sebagai berikut : Gambar.4. Arah kecepatan uap pada sudu-sudu turbin. (Sumber : Lit., hal 88) Gambar.5. Segitiga kecepatan uap untuk turbin impuls dengan dua tingkat kecepatan. (Sumber : Lit., hal 83)
. Kecepatan aktual uap keluar dari nosel (c ) : c = 9,5ϕ H ' (m/det)...lit., hal 80 o dimana : H o = besar jatuh kalor (entalphi drop) (kkal/kg) ϕ = koefisien kecepatan pada dinding nosel (0,9 s/d 0,98). Kecepatan teoritis uap keluar dari nosel (c t ) c c t = (m/det).........lit., hal 4 ϕ 3. Kecepatan tangensial sudu (u) π. d. n u = (m/det).lit., hal 85 60 dimana : d = diameter pada turbin (m) n = putaran poros turbin (rpm) 4. Kecepatan relatif uap masuk sudu gerak pertama (w ) w c + u. c. u. cos = α (m/det).lit., hal 33 5. Kecepatan mutlak radial uap keluar sudu gerak baris pertama (c u ) c u = c (m/det).lit., hal 76 cosα 6. Kecepatan mutlak radial uap keluar sudu gerak baris kedua (c u ) c u = c (m/det)....lit., hal 76 cosα 7. Sudut masuk sudu gerak baris pertama (β ) sin c sinα β = (m/det...lit., hal 34 w 8. Sudut uap keluar dari sudu gerak pertama (β ) β = β (3 5 )...Lit., hal 34
9. Kecepatan mutlak uap keluar dari sudu gerak pertama (w ) w = ψ (m/det) Lit., hal 34.w Dimana : ψ = koefisien kecepatan pada dinding sudu gerak 0. Kecepatan relatif uap masuk ke sudu pengarah (c ) c w + u. w. u. cos = β (m/det).lit., hal 34. Kecepatan mutlak uap keluar dari sudu pengarah ( c ) c ' ψ gb. = c (m/det)...lit., hal 85,. Kecepatan teoritis uap keluar dari sudu pengarah (c t ) c' c' t = (m/det) Lit., hal 85 ψ gb Dimana : ψ gb = koefisien kecepatan pada dinding sudu pengarah 3. Sudut keluar uap dari sudu pengarah (α ) α = α - ( 3 5 ) (m/det)....lit., hal 85 4. Kecepatan relatif uap masuk sudu gerak kedua (w ) w ' c' + u. c'. u.cosα' = (m/det).......lit., hal 85 5. Kecepatan pada pelek (rim) menjadi ( c U ) c u = c α (m/det).lit., hal 85 ' ' cos ' 6. Sudut masuk sudu gerak kedua ( β ) sin c' sinα' β ' = (m/det)... Lit., hal 85 w' 7. Sudut relat uap keluar dari sudu gerak kedua (β ) β = β ' (3 5 ) (m/det) Lit., hal 85 '
8. Kecepatan relatif uap keluar dari sudu gerak kedua (w ) w' = ψ. w (m/det)...lit., hal ' 85 Dimana : ψ = koefisien kecepatan pada dinding sudu gerak 9. Kecepatan mutlak uap keluar dari sudu gerak kedua ( c ) c' w' + u. w'. u.cos β ' = (m/det)........lit., hal 85 0. Sudut keluar sudu gerak kedua ( α ) sin w' sin β ' α ' = (m/det).....lit., hal 85 c'. Kecepatan pada pelek ( rim ) menjadi ( c U ) c' u = (m/det) Lit., hal 85 c' cosα'.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 benarbenar 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 [Menurut lit., hal. 59-7] dapat dibagi menjadi dua kelompok utama, yaitu :. Kerugian dalam, adalah kerugian yang berkaitan dengan kondisi-kondisi uap sewaktu uap tersebut mengalir melalui turbin. Misalnya : kerugian pada katup-katup pengatur, kerugian pada nosel (sudu pengarah), kerugian kecepatan keluar, kerugian akibat gesekan cakram yang merupakan tempat pemasangan sudu-sudu dan kerugian pengadukan, kerugian akibat ruang
bebas antara rotor dan cakram sudu-sudu pengarah, kerugian akibat kebasahan uap, dan kerugian pada pemipaan buang.. Kerugian luar, adalah kerugian yang tidak mempengaruhi kondisi-kondisi uap. Misalnya : kerugian mekanis dan kerugian akibat kebocoran uap dari perapat-perapat gland labirin..7.. Kerugian-kerugian Dalam. Kerugian energi 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 tekanan 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. 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. hal 60 Kerugian energi yang terjadi pada katup pengatur ditentukan dengan : H = H o H o...lit. 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 ditetapkan 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 pencekikan 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 pencekikan dengan katub pengatur terbuka lebar dapat diandaikan sebesar 5 % dari tekanan uap segar Po [ Lit. hal 59 ]. Gambar.6. Proses ekspansi uap di dalam turbin beserta kerugiankerugian akibat Pencekikan.. Kerugian energi pada Nozel (h n ) Kerugian energi dalam nosel adalah dalam bentuk kerugian energi kinetis, dimana besarnya kerugian energi pada nosel disebabkan oleh adanya gesekan uap pada dinding nosel, turbulensi, dan lain-lain. Kerugian energi pada nosel ini dicakup oleh koefisien kecepatan nosel (φ) yang sangat tergantung pada tinggi nosel. Kerugian energi kalor pada nosel dalam bentuk kalor :
h c t c = kj kg...lit. hal 5 000 n / dimana : h n = besarnya kerugian pada nosel c it = kecepatan uap masuk nosel teoritis ϕ = koefisien kecepatan pada dinding nosel (0,93 s/d 0,98) c = kecepatan aktual uap keluar dari nosel Untuk tujuan perancangan, nilai-nilai koefisien kecepatan nosel dapat diambil dari grafik yang ditunjukkan pada gambar dibawah ini : Gambar.7. Grafik untuk menentukan koefisien kecepatan ϕ sebagai fungsi tinggi nosel. (sumber : Lit., hal 6) 3. Kerugian energi pada sudu gerak Kerugian pada sudu gerak dipengaruhi beberapa faktor yaitu : kerugian akibat tolakan pada ujung belakang sudu. Kerugian akibat tumbukan. 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 ' h b w w = (kj/kg)...lit., hal 85 000 Kerugian pada sudu gerak baris kedua " w h b w' ' = (kj/kg)...lit., hal 86 000 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 Untuk keperluan rancangan maka faktor ψ dapat diambil dari grafik berikut dibawah ini: Gambar.8. Grafik untuk menentukan koefisien kecepatan ψ untuk berbagai panjang dan profil sudu. (Sumber : Lit., hal 6) 4. Kerugian energi pada sudu pengarah h gb c c = (kj/kg).lit., hal 64 000 5. Kerugian energi akibat kecepatan keluar Uap meninggalkan sisi keluar dari sudu gerak dengan kecepatan mutlak sebesar c. oleh sebab itu sehingga kerugian energi kinetik atau kehilangan energi
akibat kecepatan uap keluar c tersebut untuk tiap kg uap dapat ditentukan dengar menggunakan rumus seperti dibawah ini. c' h e = (kj/kg)..lit., hal 63 000 6. Kerugian energi 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 dan pemberian kecepatan ini. Kerja yang digunakan untuk melawan gesekan dan percepatanpercepatan partikel uap ini pun akan di konversikan menjadi kalor, jadi akan memperbesar kalor kandungan uap. Kerugian akibat gesekan cakram dan ventilasi dalam satu kalor dapat ditentukan dari persamaan berikut: dimana : 0 Ngca hge. a = 4,87 (kj/kg)...lit., hal 64 o 47. m o m = massa aliran uap melalui tingkat turbin (kg/s) Nge.a = daya gesek dari ventilasi cakram ( kw ) Adapun penentuan daya gesek dari ventilasi cakram ini sering dilakuakn dengan memakai rumus berikut : dimana : ( kw ) 0 4 3 Nge. a = β 0 d n l γ...lit. hal 64 β = koefisien yang sama dengan,06 untuk cakram baris ganda d = diameter cakra yang diukur pada tinggi rata-rata sudu (m) n = putaran poros turbin (rpm) l = tinggi sudu (cm) ρ = Massa jenis uap dimana cakram tersebut berputar (kg/m 3 ) = /ν, ν = volume spesifik uap pada kondisi tersebut (m 3 /kg)
7. Kerugian energi pada 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 = o m kebocoran o m ( i 0 - i ) (kj/kg)...lit., hal 64 Dimana m kebocoran ditentukan berdasarkan tekanan kritis, yaitu : 0,85 P P kr =...Lit., hal 67 z +,5 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 :
o m kebocoran = 00 f s P ) g( P (kg/det)...lit., hal 67 zpυ sebaliknya, bila tekanan kritis lebih tinggi dari P, maka kecepatan uap adalah lebih tinggi dari kecepatan kritisnya dan massa alir kebocoran dihitung : o m kebocoran = 00 f s g P z +,5 v...lit., hal 67.7.. Kerugian-kerugian Luar. Kerugian Mekanis Kerugian mekanis disebabkan oleh energi yang digunakan untuk mengatasi tahanan yang diberikan oleh bantalan luncur, seperti bantalan luncur generator atau mesin yang dihubungkan dengan poros turbin..8. Efisiensi 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., hal 7 L0 i0 iu. Efisiensi relatif dalam (Internal relatife eficiency) Hubungan antara kerja yang bermanfaat yang dilakukan oleh sudu dengan kg uap pada tiap tingkat atau di dalam turbin terhadap kerja teoritis yang tersedia adalah :
L i i Hi η...lit., 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., hal 7 i q i q 0 0 4. Efisiensi relatif efektif Hubungan antara efisiensi mekanis dengan efisiensi internal turbin adalah : η = η.η...lit., 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. m 0. H i N i = (kw)...lit., hal 7 0 Daya efektif atau daya poros yang dihasilkan pada turbin adalah : N ef η m. = N...Lit., hal 7 i Daya efektif turbin dapat juga diperoleh dari hubungan antara daya yang dibangkitkan pada terminal generator N e dan effisiensi generator η g, yaitu : N e η g =...Lit., hal 7 N efektif