DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... HALAMAN PENGESAHAN... HALAMAN PERNYATAAN... NASKAH SOAL TUGAS AKHIR... HALAMAN PERSEMBAHAN... KATA PENGANTAR... DAFTAR ISI... DAFTAR GAMBAR... DAFTAR TABEL... DAFTAR LAMPIRAN... DAFTAR NOTASI DAN SINGKATAN... INTISARI... i ii iii iv v vi viii xi xiii xiv xv xx BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1. Latar Belakang... 1 1.2. Rumusan Masalah... 2 1.3. Asumsi dan Batasan Masalah... 2 1.4. Tujuan Perancangan... 2 1.5. Manfaat Perancangan... 3 BAB II LANDASAN TEORI... 4 2.1. Prinsip Kerja Turbin... 4 2.2. Klasifikasi Turbin Uap... 5 2.2.1. Jenis turbin menurut prinsip kerja... 5 2.2.2. Perbedaan turbin aksi dan turbin reaksi... 6 2.2.3. Jenis turbin menurut penurunan tekanan dalam turbin 7 2.2.4.Jenis turbin menurut tekanan operasi uap... 7 2.3. Analisis Termodinamika... 10 2.4. Ekspansi Uap Di Dalam Nosel... 11 2.5. Konstruksi Nosel dan Sudu Pengarah... 13 viii
2.6. Konstruksi Rotor dan Bantalan... 15 2.7. Rugi-rugi pada Turbin Uap... 16 2.8. Efisiensi Turbin Uap... 20 BAB III PERHITUNGAN TERMODINAMIKA UAP... 22 3.1. Data Perancangan... 22 3.2. Perhitungan Penurunan Kalor... 22 3.3. Perhitungan Massa Aliran Uap... 25 3.4. Perhitungan Kecepatan Uap... 25 3.5. Penentuan u/c 1 Optimum... 26 3.6. Perhitungan untuk Tingkat Pertama dan Terkahir... 31 3.7. Distribusi Penurunan Kalor untuk Tingkat Reaksi... 34 3.8. Perhitungan Kalor pada Tingkat Reaksi... 35 3.8.1. Sudu pengarah tingkat kedua... 35 3.8.2. Sudu pengarah tingkat ketiga... 36 3.8.3. Sudu pengarah tingkat ketujuh... 38 3.8.4. Sudu gerak tingkat kedua... 40 3.8.5. Sudu gerak tingkat ketiga... 45 3.9. Tingkat Kondensasi... 50 BAB IV PERANCANGAN NOSEL... 53 4.1. Pemilihan Jenis Nosel... 53 4.2. Penentuan Dimensi Nosel... 54 BAB V PERANCANGAN SUDU... 58 5.1 Racangan Sudu Aksi... 58 5.1.1. Perhitungan sudu gerak... 58 5.2. Rancangan Sudu Reaksi... 59 5.2.1. Perhitungan sudu pengarah... 59 5.2.2. Perhitungan sudu gerak... 61 5.3. Desain sudu... 64 5.3.1.Tegangan tarik pada bagian terlemah akibat gaya sentrifugal... 66 5.3.2.Tegangan lentur akibat tekanan uap... 70 ix
5.3.3.Bahan Sudu... 72 BAB VI PERANCANGAN POROS, BANTALAN DAN RUMAH TURBIN... 77 6.1. Perancangan Poros... 77 6.1.1.Torsi pada poros... 77 6.1.2.Diameter poros minimum... 78 6.1.3.Konstruksi poros... 79 6.1.4.Momen lengkung yang terjadi pada poros... 82 6.1.5.Dorongan aksial pada rotor... 85 6.1.6.Tegangan geser yang terjadi pada poros... 87 6.1.7.Defleksi puntir yang terjadi pada poros... 88 6.1.8.Defleksi lengkung pada poros... 89 6.1.9.Putaran kritis poros... 91 6.2. Perancangan Bantalan... 91 6.2.1.Perancangan bantalan luncur radial... 92 6.2.2.Perancangan bantalan aksial... 95 6.2. Perancangan Rumah Turbin... 96 6.3.1.Dasar perancangan... 96 6.3.2.Perhitungan Flens dan Baut... 97 BAB VII PENUTUP... 100 DAFTAR PUSTAKA... 102 LAMPIRAN... 104 x
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Turbin Aksi dan Turbin Reaksi... 6 Gambar 2.2. Bagan Non-Condensing Turbin... 7 Gambar 2.3. Bagan Condensing Turbin... 8 Gambar 2.4. Bagan Extraction Condensing Turbin... 8 Gambar 2.5. Bagan Adimission Condensing Turbin... 9 Gambar 2.6. Bagan Extraction Admision Condensing Turbin... 9 Gambar 2.7. Siklus Rankine... 11 Gambar 2.8. Diagram T-s Siklus Rankine... 11 Gambar 2.9. Variasi Kecepatan dan Tekanan Pada Turbin... 12 Gambar 2.10. Penampang Nosel Pada Sisi Yang Miring... 14 Gambar 2.11. Nosel Turbin Uap... 14 Gambar 2.12. Koefisien Kecepatan ψ Untuk Sudu Gerak Turbin Impuls Sebagai Fungsi Tinggi Sudu Gerak... 17 Gambar 2.13. Tingkat Tekanan Turbin Impuls... 18 Gambar 2.14. Efisiensi Mekanik Turbin... 20 Gambar 2.15. Efisiensi Relatif Efektif Turbin... 20 Gambar 2.16. Efisiensi Generator Menurut Data Elektrosila Works... 21 Gambar 2.17. Efisiensi Turbin Impuls Dengan Satu Tingkat Kecepatan Sebagai Fungsi u/c 1... 21 Gambar 3.1. Diagram Mollier Uap... 24 Gambar 3.2. Segitiga Kecepatan Untuk u/c 1 = 0,4... 29 Gambar 3.3. Efisiensi Turbin Impuls Tingkat Tunggal... 30 Gambar 3.4. Penurunan Kalor Teoritis Untuk Tingkat Reaksi... 33 Gambar 3.5. Segitiga Kecepatan Pada Tiap Tingkat Turbin... 52 Gambar 4.1. Desain Nosel... 57 Gambar 5.1. Penampang Sudu Gerak Tingkat 2... 64 Gambar 5.2. Profil Sudu Gerak Untuk Menentukan Momen Perlawanan Terhadap Sumbu x-x.... 65 xi
Gambar 5.3. Akar Sudu Gerak Tingkat 2... 66 Gambar 5.4. Pembagian Sudu Gerak... 66 Gambar 5.5. Desain Sudu Gerak Tingkat 1-4... 74 Gambar 5.6. Desain Sudu Gerak Tingkat 5-8... 75 Gambar 5.7. Desain Sudu Gerak Tingkat 9-10... 76 Gambar 6.1. Poros Bertingkat... 79 Gambar 6.2. Penampang Cakram... 81 Gambar 6.3. Gaya yang Bekerja Pada Poros Bertingkat... 83 Gambar 6.4. Diagram Momen Lengkung Pada Tiap Titik... 85 Gambar 6.5. Posisi Beban dan Penentuan Parameter Untuk Menghitung Defleksi Lengkung.... 89 Gambar 6.6. Kriteria Beban (a) Koefisien ϕv, (b) Koefisien ϕs... 93 Gambar 6.7. Flens Pada Turbin... 97 xii
DAFTAR TABEL Tabel 3.1. Perhitungan u/c 1 Optimum... 26 Tabel 3.2. Kondisi Uap Pada Tiap Tingkat Reaksi Turbin... 34 Tabel 3.3. Sudu Pengarah... 40 Tabel 3.4. Sudu Gerak... 49 Tabel 3.5. Perhitungan Termodinamika Uap Tiap Tingkat Turbin... 50 Tabel 5.1. Dimensi Sudu Pengarah... 61 Tabel 5.2. Dimensi Sudu Gerak... 63 Tabel 5.3. Perhitungan Luas Penampang Sudu Gerak Tingkat 2... 65 Tabel 5.4. Perancangan Sudu... 72 Tabel 6.1. Faktor-Faktor Koreksi Daya yang Akan Ditransmisikan... 77 Tabel 6.2. Berat Poros Tiap Bagian... 80 Tabel 6.3. Berat Sudu Tiap Tingkat Bagian Atas... 81 Tabel 6.4. Momen Lengkung Pada Tiap Titik... 84 Tabel 6.5. Dorongan Aksial Pada Sudu Gerak Turbin... 86 Tabel 6.6. Dorongan Aksial Akibat Perbedaan Momentum Uap... 87 Tabel 6.7. Defleksi Puntir Pada Tiap Titik... 88 Tabel 6.8. Perancangan Bantalan Luncur Radial A dan B... 95 xiii
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1. Diagram Mollier... 104 Lampiran 2. Tabel A-6 Superheated Water... 105 Lampiran 3. Besar Ruang Bebas Pada Bantalan Luncur... 109 Lampiran 4. Nilai Desain Bantalan Radial... 109 Lampiran 5. Karakteristik Baja Khrom Nikel JIS G 4102... 110 Lampiran 6. Karakteristik Baja Nikel Khrom Molibden JIS G 4103. 111 Lampiran 7. Karakteristik Baja Khrom Molibden Tempa JIS G 3221 112 Lampiran 8. Ukuran Baut Standar ISO... 113 Lampiran 9. Perhitungan Lengkap untuk Tiap Tingkat Turbin... 114 xiv
DAFTAR NOTASI DAN SINGKATAN 1. Huruf Latin a = lebar nosel pada sisi keluar (cm) a = lebar nosel pada bagian leher (cm) A = ekivalensi termal kerja (0,009805 kj/kg m) A r b 0 c c 1 c 1t c C d = kerja yang dilakukan untuk melawan gesekan (kg.m/s) = lebar sudu (mm) = kapasitas termal rata-rata minyak (kkal/kg C) = kecepatan aktual uap pada sisi keluar nosel (m/s) = kecepatan teoritis uap pada sisi keluar nosel (m/s) = kecepatan mutlak radial uap pada sudu gerak (m/s) = kecepatan mutlak uap keluar sudu gerak (m/s) = kecepatan radial uap keluar sudu gerak (m/s) = kecepatan uap teoritis tingkat reaksi dikonversikan energi kinetik (m/s) = faktor pembebanan lentur = tegangan tarik sudu akibat gaya radial (kg) = diameter cakram (m) d = diameter rata-rata sudu gerak (m) = diameter poros minimum (mm) d = diameter poros (mm) E = modulus elastisitas baja (kg/mm 2 ) = koefisien gesekan f c = faktor koreksi daya f = luas penampang minimum (m 2 ) f maks = luas penampang maksimum (m 2 ) = luas penampang leher nosel (cm 2 ) f = luasan melingkar aliran uap (m 2 ) F = luas penampang akar sudu (mm 2 ) xv
g = percepatan gravitasi (9,81 m/s) G = modulus geser (kg/mm 2 ) G = massa alir uap melalui tingkat turbin (kg/s) G = bobot sudu (kg) = massa alir uap yang melalui ruang-ruang labirin (kg/s) h = penurunan kalor teoritis (kj/kg) h = penurunan kalor pada sudu pengarah (kkal/kg) h = penurunan kalor pada sudu gerak (kkal/kg) h +h = energi yang dimanfaatkan pada sudu pengarah (kkal/kg) h 02 +h w1 = energi yang dimanfaatkan pada sudu gerak (kkal/kg) h 1 h 2a h h h h h = entalpi tekanan uap masuk turbin (bar) = entalpi tekanan uap keluar turbin (bar) = kerugian akibat kecepatan keluar (kkal/kg) = kerugian pada sudu gerak (kkal/kg) = kerugian pada sudu gerak (kkal/kg) = carry-over loss (kkal/kg) = kerugian pada sudu pengarah (kkal/kg) h, = kerugian akibat gesekan dan ventilasi cakram (kkal/kg) h = penurunan kalor aktual yang dimanfaatkan (kkal/kg) h = kerugian akibat kebasahan uap (kkal/kg) h = kerugian kebocoran melalui ruang bebas radial (kkal/kg) h n h u h w1 i i = kerugian akibat gesekan uap didalam nosel (kkal/kg) = penurunan kalor yang dimanfaatkan (kj/kg) = kandungan kalor uap pada sisi masuk sudu gerak (kkal/kg) = kandungan kalor pada kondisi masuk (kj/kg) = kandungan kalor pada kondisi keluar (kj/kg) I = momen inersia poros (mm 4 ) J = momen inersia polar (mm 4 ) K b K = faktor koreksi beban lentur = faktor koreksi beban kejut xvi
l = panjang nosel pada bagian divergen (cm) l = tinggi sudu pengarah (mm) " = tinggi sudu gerak (m) l = tinggi penampang leher setiap nosel (cm) M = momen lengkung terbesar pada poros (kg.mm) n = putaran turbin (rpm) n cr = putaran kritis (rpm) = daya yang dibangkitkan turbin (kw) N, = daya yang ditimbulkan akibat gesekan dan ventilasi cakram (kw) p 0 p = tekanan awal uap masuk (bar) = tekanan keluar (bar) = tekanan uap sebelum dan sesudah sudu gerak (bar) P = gaya yang terjadi akibat perbedaan tekanan (kg) = gaya yang terjadi akibat perubahan momentum uap (kg) p = tekanan kritis (bar) P = gaya yang searah dengan putaran (kg) = pelumas yang dibutuhkan bantalan (liter/s) Q r r r r SF1 SF2 t T = ekivalensi kalor kerja (kkal/s) = jari-jari hub (mm) = jari-jari luar cakram (m) = jari-jari titik berat terhadap sumbu poros (mm) = safety factor karena berat poros = safety factor karena pasak, poros bertingkat dan konsentrasi tegangan = jarak antar sudu (mm) = jarak antar nosel (cm) = momen puntir/torsi (kg.mm) = kecepatan keliling (m/s) v o = volume spesifik uap sebelum masuk (m 3 /kg) = volume spesifik pada sudu pengarah (m 3 /kg) xvii
= volume spesifik pada sudu gerak (m 3 /kg) v = volume spesifik uap pada sisi keluar nosel (m 3 /kg) = berat cakram (kg) " = perbandingan kecepatan uap pada sudu gerak y z z = defleksi maksimum poros (mm) = jumlah sudu = jumlah nosel yang digunakan 2. Huruf Yunani = sudut nosel ( ) = sudut keluar sudu gerak ( ) = sudut relatif uap masuk sudu gerak ( ) = sudut relatif uap keluar sudu gerak ( ) σ = tegangan tarik pada sudu (kg/mm 2 ) σ = kekuatan tarik bahan (kg/m 2 ) = tegangan lentur akibat tekanan uap (kg/cm 2 ) δ = simpangan maksimum poros (mm/kg) δr = lebar ruang bebas (mm) η 0i = efisiensi internal relatif turbin = efisiensi kecepatan cakram turbin = koefisien kecepatan pada nosel (0,91-0,98) θ = defleksi puntir ( / ) ε = derajat pemasukan parsial Φ s Φ v = koefisien tahanan = koefisien bantalan ρ = massa jenis bahan sudu (kg/m 3 ) = jari-jari kelengkungan sudu (mm) τ s = tegangan geser yang terjadi (kg/mm 2 ) τ s ijin = tegangan geser yang diijinkan (kg/mm ) xviii
μ = viskositas pelumas (kg.s/cm 2 ) ω = kecepatan sudut (rad/s) = kecepatan relatif uap pada sudu gerak (m/s) = kecepatan relatif uap keluar sudu gerak (m/s) = kecepatan relatif teoritis uap (m/s) = koefisien kecepatan = derajat reaksi = massa spesifik uap (kg/m 3 ) γ = berat spesifik minyak pelumas (kg/liter) xix