analisis variasi sudut sudu-sudu turbin impuls terhadap - USU-IR
advertisement
ANALISIS VARIASI SUDUT SUDU-SUDU TURBIN IMPULS TERHADAP DAYA MEKANIS TURBIN UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP SKRIPSI Skripsi ini Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik OLEH EDI BAGINTA KACARIBU NIM : 100421045 PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013 Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara ABSTRAK Memposisikan sudut nosel turbin secara tepat akan mampu mendayagunakan uap secara efisien untuk menghasilkan daya turbin. Artinya posisi atau arah sudut sudu tersebut akan menentukan besar kecilnya daya yang akan ditransmisikan ke poros turbin. Jadi dengan menentukan arah uap masuk keturbin dan posisi sudu yang menerima semburan uap harus dihitung secara cermat guna mendapatkan daya yang dihasilkan turbin semaksimum mungkin. Dalam penulisan skripsi ini, yang menjadi objek penelitian turbin uap di PT. Growth Sumatra Industry Jl. K. L. Yos Sudarso KM 10 Medan. Dari hasil analisa diperoleh gaya tangensial dan daya mekanis turbin akan semakin besar jika sudut uap masuk (α1) semakin kecil. Hasil dari analisis untuk variasi sudut semburan uap didapat bahwa besar sudut α1 yang paling optimal untuk menghasilkan daya turbin yang maksimal adalah sebesar 16°, dengan daya yang dihasilkan sebesar 1009,10 KW. Ini menunjukkan bahwa daya yang dihasilkan turbin mengalami peningkatan dari 976,39KW menjadi 1009,10 KW (3,35%). Hasil dari analisis untuk variasi sudut sudu masuk (sudut β1) dengan memakai sudut α1 sebesar 16°, didapat bahwa besar sudut β1 yang optimal untuk mengdapatkan daya maksimum didapat sudut β1 sebesar 21°, dengan daya yang dihasilkan sebesar 1013,30 KW. Ini menunjukkan bahwa daya yang dihasilkan turbin mengalami peningkatan dari 1009,10 KW menjadi 1013,30 KW (0,416%). Kata Kunci : Sudut Sudu-sudu Turbin Impuls, Pembangkit Tenaga Uap, Daya Mekanis Universitas Sumatera Utara KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala berkat dan karunia-Nya sehingga saya dapat menyelesaikan Tugas Sarjana ini. Adapun Tugas Sarjana ini merupakan salah satu syarat yang harus dipenuhi oleh setiap mahasiswa untuk menyelesaikan pendidikan dan mendapatkan gelar Sarjana Teknik di Fakultas Teknik, Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara. Adapun Tugas Sarjana yang dipilih adalah dalam bidang Turbin Uap dan Gas, dengan judul : Analisis Variasi Sudut Sudu-sudu Turbin Impuls Terhadap Daya Mekanis Turbin Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Uap Saya mengucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc. sebagai Dosen Pembimbing 2. Bapak Dr,Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin FT USU. 3. Bapak Ir. A. Halim Nasution, M.Sc selaku Dosen Penguji I. 4. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, M.T selaku Dosen Penguji II 5. Rekan-rekan mahasiswa yang telah banyak memberikan masukan dalam penyusunan Tugas Sarjana ini. Kritik dan saran yang membangun untuk kesempurnaan Tugas Sarjana ini sangat saya harapkan. Akhirnya penulis mengucapkan trima kasih semoga Tugas Sarjana ini dapat bermanfaat bagi kita semua. Medan, 19 Oktober 2013 Penulis Edi Baginta Kacaribu NIM. 100421045 Universitas Sumatera Utara DAFTAR ISI ABSTRACT ….................................................................................................. ii KATA PENGANTAR ..................................................................................... iii DAFTAR ISI .................................................................................................... iv DAFTAR SIMBOL .......................................................................................... vii DAFTAR GAMBAR ....................................................................................... ix DAFTAR TABEL …........................................................................................ xi BAB I. PENDAHULUAN .............................................................................. 1 1.1 Latar Belakang ............................................................................... 1 1.2 Maksud dan Tujuan ....................................................................... 2 1.3 Batasan Masalah ............................................................................ 2 1.4 Metode Penulisan ........................................................................... 3 1.5 Sistematika Penulisan .................................................................... 3 BAB II. TINJAUAN PUSTAKA .................................................................... 5 2.1 Pandangan Umum Tentang Turbin Uap Sebagai Pembangkit Tenaga ............................................................................................ 5 2.2 Analisa Termodinamika ................................................................. 5 2.3 Komponen Instalasi Turbin Uap .................................................... 8 2.4 Klasifikasi Turbin Uap ................................................................... 13 2.5 Bagian-bagian Turbin .................................................................... 16 2.6 Dasar Teori Impuls ......................................................................... 18 2.7 Aliran Uap Melalui Bentuk Penampang Sudu yang Bervariasi ..... 21 2.8 Prinsip Turbin Impuls ................................................................... 24 2.9. Perubahan Energi Thermal Menjadi Energi Kinetis .................... 25 2.10. Transformasi Energi Pada Sudu ................................................. 26 2.11. Analisa Kecepatan Aliran Uap ................................................... 28 2.12. Kerugian Energi Pada Turbin Uap ............................................. 31 Universitas Sumatera Utara 2.13. Gaya Tangensial Turbin .............................................................. 38 2.14. Kekuatan Sudu Akibat Semburan Uap ......................................... 39 2.15. Besarnya Momen Torsi Yang Dialami Poros Akibat Semburan Uap .............................................................................................. 41 2.16. Efisiensi Turbin Uap Impuls .................................................... 42 2.17. Daya Mekanis yang dihasilkan Turbin ......................................... 44 2.18. Hubungan Variasi α1 terhadap Fu dan Pu Yang Dihasilkan Turbin .......................................................................................... 44 2.19. Menentukan Besar Sudut α1 Dari Hubungannya Dengan u/c Terhadap Efisiensi Turbin ............................................................ BAB III. PENGUMPULAN DATA .............................................................. 46 49 3.1 Data Hasil Survey ........................................................................ 49 3.2 Perhitungan Data .......................................................................... 50 3.3. Perhitungan Kecepatan Aliran Uap Pada Sudu-sudu Turbin ...... 52 3.4. Perhitungan Kerugian-kerugian Energi Pada Turbin Uap ........... 57 3.5. Perhitungan Gaya Tangensial Turbin ...................................... 58 3.6. Tegangan Tarik Pada Sudu Turbin Akibat Gaya Sentrifugal Uap .............................................................................................. 3.7. Tegangan Lentur Akibat Tekanan Uap ........................................ 58 59 3.8. Besarnya Momen Torsi Yang Dialami Poros Akibat Semburan Uap ............................................................................................... 61 3.9. Efisiensi Turbin Uap Impuls ........................................................ 62 3.10. Daya Mekanis Yang Dihasilkan Turbin ....................................... 63 BAB IV ANALISIS VARIASI SUDUT SUDU-SUDU IMPULS TERHADAP ENERGI MEKANIS TURBIN ..................................... 65 4.1. Pengaruh Semburan Uap Terhadap Turbin Jika Sudut Masuk Semburan uap (α1) Dibuat Bervariasi .......................................... 65 4.2. Pengaruh Semburan Uap Terhadap Turbin Jika Sudut Masuk Sudu (β1) Dibuat Bervariasi ......................................................... 73 Universitas Sumatera Utara BAB V KESIMPULAN DAN SARAN.......................................................... 80 5.1 Kesimpulan .................................................................................. 80 5.2 Saran ............................................................................................ 80 DAFTAR PUSTAKA ....................................................................................... 81 Universitas Sumatera Utara DAFTAR SIMBOL Simbol Arti Satuan A Luas penampang turbin m2 b Lebar sudu turbin m c1 Kecepatan uap mutlak keluar nosel m/s c2 Kecepatan uap mutlak pada saluaran keluar m/s cit Kecepatan uap masuk mutlak teoritis m/s d Diameter nominal sudu atau rotor turbin m F Gaya impuls N Fu Gaya tangensial turbin N 𝘨 Percepatan gravitasi bumi m/s2 h Entalphy uap kJ/kg Mt Momen torsi m.N m Massa uap Kg m Laju aliran massa uap Kg/s n Jumlah putaran turbin rpm P Momentum Kg.m/s Pu Daya/ energi mekanis turbin kWatt P0 Tekanan uap masuk turbin Bar P2 Tekanan uap bekas turbin Bar t Jarak bagi sudu m u Kecepatan tangensial turbin m/s v Spesific volume m3/Kg w1 Kecepatan relatif uap masuk sudu turbin m/s w1 Kecepatan relatif uap keluar sudu gerak m/s x Kualitas uap -- z Jumlah sudu Buah α1 Sudut masuk uap ke turbin 0 α2 Sudut keluar sudu 0 o Universitas Sumatera Utara β1 Sudut masuk uap 0 β2 Sudut keluar uap 0 ε Pemasukan uap parsial -- ηu Effisiensi turbin % φ Koefisien gesek pada nosel -- ψ Kerugian pada sudu-sudu -- ω Kecepatan sudut rad/s Universitas Sumatera Utara DAFTAR GAMBAR Gambar Nama Gambar Halaman Gambar 2.1. Diagram Alir Siklus Rankine ........................................ 6 Gambar 2.2. Diagram T-s Siklus Rankine ......................................... 7 Gambar 2.3. Pompa ............................................................................ 9 Gambar 2.4. Boiler Pipa Air ............................................................ 10 Gambar 2.5. Turbin ............................................................................ 12 Gambar 2.6. Kondensor ..................................................................... 13 Gambar 2.7. Penampang Turbin Aksi ................................................ 14 Gambar 2.8. Penampang Turbin Reaksi ............................................. 14 Gambar 2.9. Perbedaan Skema Aliran Uap Antara Turbin Aksi dan Reaksi Bagian-bagian Turbin ........................................ 15 Gambar 2.10. Bagian-bagian Turbin .................................................... 17 Gambar 2.11. Asas Impuls Pada Sudu Turbin ..................................... 21 Gambar 2.12. Impuls Pada Penampang Vertikal dan Melengkung ...... 21 Gambar 2.13. Prinsip Aksi Uap Pada Berbagai Bentuk Sudu .............. 22 Gambar 2.14. Sudu Turbin Impuls ....................................................... 24 Gambar 2.15. Aliran Uap Pada Nosel .................................................. 25 Gambar 2.16. Saluran Uap Pada Nosel ................................................ 25 Gambar 2.17. Skema Arah Aliran Uap Pada Sudu Turbin ................... 26 Gambar 2.18. Skema Arah Kecepatan Uap Pada Sudu Turbin ............ 27 Gambar 2.19. Arah Kecepatan Uap Pada Sudu-sudu Turbin .............. 28 Gambar 2.20. Segitiga Kecepatan Uap Untuk Turbin Impuls Dengan Dua Tingkat Kecepatan .................................... 28 Gambar 2.21. Proses Ekspansi Uap Di Dalam Turbin Beserta Kerugian-kerugian Akibat Pencekikan .......................... 33 Gambar 2.22. Grafik Untuk Menentukan Koefisien Kecepatan φ Sebagai Fungsi Tinggi Nosel ......................................... 34 Gambar 2.23. Grafik Untuk Menentukan Koefisien Kecepatan ψ Untuk Berbagai Panjang dan Profil Sudu ...................... 35 Universitas Sumatera Utara Gambar 2.24. Celah Kebocoran Uap Tingkat Tekanan Pada Turbin Impuls ................................................................. 37 Gambar 2.25. Gaya-gaya Lentur Pada Sudu ......................................... 40 Gambar 3.1. Diagram Mollier Untuk Proses Penurunan Kalor Pada Turbin ................................................................... 33 Gambar 3.2. Gaya-gaya Lentur Pada Sudu ........................................ 34 Gambar 4.1. Grafik Pengaruh Perubahan Sudut Nosel (α1) Terhadap Efisiensi Turbin ............................................. Gambar 4.2. Grafik Pengaruh Perubahan Sudut Nosel (α1) Terhadap Gaya Tangensial ............................................ Gambar 4.3. 72 Grafik Pengaruh Perubahan Sudut Nosel (α1) Terhadap Daya Mekanis Turbin .................................... Gambar 4.5. 71 Grafik Pengaruh Perubahan Sudut Nosel (α1) Terhadap Moment Torsi Poros ...................................... Gambar 4.4. 71 72 Grafik Pengaruh Perubahan Sudut Masuk Sudu (β1) Terhadap Efisiensi Turbin Dengan Memakai Sudut α1 = 16° .......................................................................... Gambar 4.6. 77 Grafik Pengaruh Perubahan Sudut Masuk Sudu (β1) Terhadap Gaya Tangensial Turbin Dengan Memakai Sudut α1 = 16° ............................................... Gambar 4.7. 77 Grafik Pengaruh Perubahan Sudut Masuk Sudu (β1) Terhadap Momen Torsi Poros Dengan Memakai Sudut α1 = 16° ............................................................... Gambar 4.8. 78 Grafik Pengaruh Perubahan Sudut Masuk Sudu (β1) Terhadap Daya Turbin Dengan Memakai Sudut α1 = 16° ......................................................................... 78 Universitas Sumatera Utara DAFTAR TABEL Tabel Tabel 4.1. Nama Tabel Halaman Pengaruh Variasi Sudut Nosel (α1) Terhadap Kecepatan Aliran Uap Pada Sudu-sudu Turbin dan Daya yang Dihasilkan .................................................................................... Tabel 4.2. 65 Pengaruh Variasi Sudut Masuk Sudu (β1) Terhadap Kecepatan Aliran Uap Pada Sudu-sudu Turbin dan Daya yang Dihasilkan Dengan Sudut Nosel (α1) = 16° ........................ 74 Universitas Sumatera Utara