Diktat MKE-2 Turbin Uap

48
t, MKE2 BAB 5 TURBIN UAP 5. TTTRBIN UAP 5.1 PENDAHULUAN Turbin uap terutarrra digunakan di Pusat Pembangkit Listrik Tenaga Uap (pLTU) dan di industri. Di PLTU, turbin uap dipergunakan utttuk rnenggerakkangenerator. Di industri, turbin uap selain untuk menggerakkan generator luniuk pembangkit listrik kawasan industrinya) juga sebagai pemutar kompresor, pompa, dan herbagai proses lainnya. Klasifikasi turbin uap dapat dibagi dalam beberapa kelompok yaitu: a. Berdasarkan jurnlah tingkat: l. Turbin satu tingkat (single stage) 2. Turbin bertingkat (multistage) b. Berdasarkan arah aliran uap: l. Turbin radial 2. 'furbin aksial c. BerCasarkan jumlah silinder: l. Turbin silinder tunggal 2. Turbin silinder ganda 3. Turbin silirrder tiga 4. Turbin silinder empat Silinder merupakan poros dan tromol di manasudu-sudu turbin dipasang. d. Berdasarkaniumiah poros: l. Turbin silinder jamak dengan rotor tunggal clan dikopel dengan generator tunggal,dikenal dengan namaturbin porostunggal. 2- Turbin-turbin dengan poros lebih dari satudan diparaleldisebui sebagai turbin poros jamak (multiaxial ). e. Berdasarkan prinsip kerja uap: l. 'furbin impulse (turbin aksi, turbin tekananrata), tekananuap di sisi masuk turbin samadengansisi keluar. Ekspansiuap terjadi pada nosel (nozzle) atau karangan sudu arah. 2. Turbin reaksi (turbin tekanan tak rata), bila tekananuap di sisi masuk lebih besar daripadadi sisi keluar. Ekspansi uap te{adi baik di karangan sudu arah yang merupakan noselmaupun di sudu.jalan. f. Berdasarkan penurunan panas: l. Turbin berkondensor, "condensing turbine", atau ciikenal juga dengan turbin siklustertutup. 2. Turbin berkondensor dengan satu atau dua tingkat ekstraksi pada tekanan tertentu untuk kebutuhan kalor rain(rvater heater misalnya). i. -l-urbin siklus terbuka, ''back pressure turbine", tanpa dilengkapikondensor. Kondensor dapatmenurunkan tekanan menjadisangat rendah,laaiUitaturbin tidak dilengkapi kondensormaka tekanan di sisi keluar akan lebih tinggi daripada iurbin berkondensor. 4. "Topping tu;bine", .ienis back pressure turbine yang biasanya dipergunakan padi, waktu peningkatan dal'a terpasang suatu instalasi. Biasanya turbin ini akhirnyaakan dilengkapi Cengan kondensor sehingga berfungsi seperti turbin berkonCensor biasa. h;,: {,',,it .Ilt:t.r

description

Turbin Gas

Transcript of Diktat MKE-2 Turbin Uap

Page 1: Diktat MKE-2 Turbin Uap

t ,

MKE2BAB 5 TURBIN UAP

5. TTTRBIN UAP

5.1 PENDAHULUAN

Turbin uap terutarrra digunakan di Pusat Pembangkit Listrik Tenaga Uap (pLTU)dan di industri. Di PLTU, turbin uap dipergunakan utttuk rnenggerakkan generator. Diindustri, turbin uap selain untuk menggerakkan generator luniuk pembangkit listrikkawasan industrinya) juga sebagai pemutar kompresor, pompa, dan herbagai proseslainnya.

Klasifikasi turbin uap dapat dibagi dalam beberapa kelompok yaitu:

a. Berdasarkan jurnlah tingkat:l. Turbin satu tingkat (single stage)2. Turbin bertingkat (multistage)

b. Berdasarkan arah aliran uap:l. Turbin radial2. 'furbin

aksial

c. BerCasarkan jumlah silinder:l. Turbin silinder tunggal2. Turbin silinder ganda3. Turbin silirrder tiga4. Turbin silinder empatSilinder merupakan poros dan tromol di mana sudu-sudu turbin dipasang.

d. Berdasarkaniumiah poros:l. Turbin silinder jamak dengan rotor tunggal clan dikopel dengan generator

tunggal, dikenal dengan nama turbin poros tunggal.2- Turbin-turbin dengan poros lebih dari satu dan diparalel disebui sebagai turbin

poros jamak (multiaxial ).

e. Berdasarkan prinsip kerja uap:l.

'furbin impulse (turbin aksi, turbin tekanan rata), tekanan uap di sisi masuk

turbin sama dengan sisi keluar. Ekspansi uap terjadi pada nosel (nozzle) ataukarangan sudu arah.

2. Turbin reaksi (turbin tekanan tak rata), bila tekanan uap di sisi masuk lebihbesar daripada di sisi keluar. Ekspansi uap te{adi baik di karangan sudu arahyang merupakan nosel maupun di sudu.jalan.

f. Berdasarkan penurunan panas:l. Turbin berkondensor, "condensing turbine", atau ciikenal juga dengan turbin

siklus tertutup.2. Turbin berkondensor dengan satu atau dua tingkat ekstraksi pada tekanan

tertentu untuk kebutuhan kalor rain (rvater heater misalnya).i.

-l-urbin siklus terbuka, ''back pressure turbine", tanpa dilengkapi kondensor.

Kondensor dapat menurunkan tekanan menjadi sangat rendah,laai Uita turbintidak dilengkapi kondensor maka tekanan di sisi keluar akan lebih tinggidaripada iurbin berkondensor.

4. "Topping tu;bine", .ienis back pressure turbine yang biasanya dipergunakanpadi, waktu peningkatan dal'a terpasang suatu instalasi. Biasanya turbin iniakhirnya akan dilengkapi Cengan kondensor sehingga berfungsi seperti turbinberkonCensor biasa.

h ; , : { , ' , , i t . I l t : t . r

Page 2: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE 2BAB 5 TURBIN IJAP

5. Back pressure turbine dengan beberapa ekstraksi uap di beberapa tingkatuntuk memasok uap dengan spesifikasi tekanan dan temperatur tertentu.

g. Berdasarkan kondisi uap pada sisi masuk:l. Turbin bertekanan rendah, I - 2bar.2. Turbin bertekanan menengah, sampai 40 bar.3. Turbin bertekanan tinggi, diatas 40 bar.4. Turbin bertekanan sangat tinggi, diatas 170 bar dan bertemperatur diatas 550

oc.

5. Turbin superkritikal, menggunakan uap bertekanan 225,oar.

h. Berdasarkan sifat penggunaannya:1. Turbin stasioner dengan kecepatan konstan, biasanya digunakan untuk

memutar alternator di PLTU.Turbin stasionar cengan kecepatan variable, biasanya untuk memutarkompresor, pontpa dan sebagainya.Turbin nonstasioner dengan kecepatan variable, misalnya yang digunakan dikapal, lokomotif dan sebagainya.

Dari klasifikasi -f- di atas, dua macam instalasi turbin uap yang banyak dijumpai adalah:l. instalasi turbin uap tertutup (condensing turbine).2. instalasi turbin uap terbuka (back pressure turbine).

Instaiasi tertutup menggunakan fluida kerja yang rnengikuti jaringan tertutup. Di sinidiperlukan kondensor untuk mengkondensasikan kembali uap, kemudian pompa danboiler urrtuk menaikkan energi air dari kondensor untuk disirktrlasikan secara tertutupmenuju ke turbin uap kembali. PLTU menggunakan prinsip kerja ini, selain uittukmenjaga kebutuhan air kerja yang ketat syarat kualitasnya juga secara nyata dapatmenaikkan efisiensi total PLTU.lnstalasi terbuka tidak menggunakan kondensor. Uap yang keluar dari turbin masih tinggitemperatur dan tekanannya dan sisa energi ini dipergunakan dalam proses iain di pabrik.Di industri k-edua system instalasi ini dapat kita.jumpai.

Gambar 5.1 berikut menunjukkan contoh skema instalasi terbuka dan tertutup.Gambar 5.lb menunjukkan system kombinasi antara instalasi terbuka dengan tertutup diindustri.

2.

aJ .

Generator

Pompa air

Boiler

| *v --JI

Kondensor _J

Pompa sirkulasi

Gambar 5.1. Contoh skema systcm instalasi turbin uap terbuka (a) dan kombinasi terbukadan tertutup (b).

Penukai panas

(a)

Penukar panas

(b r

t ' k a 2 |< l

'D I ; : i . , ( 1p t / ' . : n t t , l l ) \

Page 3: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE 2BAB 5 TTIRBIN UAP

Jalur uap bekas adalah uap yang telah dipergunakan turbin untuk dipergunakan padaproses produksi dalam industri tertentu, misalnya kilang minyak, pabrik pupuk dansebagainya.Gambar berikut menunjukkan skema instalasi turbin uap tertutup yang dilengkapi denganunit pemanfaat panas (economizer), pemanas ulang (reheater) dan pemanas lanjut(superheater).

l69,7bu 538"c

(Pic05tr)

Gambar 5.2. Contoh skema instalasi turbin uap tertutup dengan economizer, reheater dansuperheater.( pico5ru)

Gambar 5.3 berikut menunjukkan skema aliran turbin uap tertutup sederhana.

WrTurbin r .

j

IIi| ,r.,,

Kondensor*->

Gambar 5.3 Skema aliran siklus Rankine sederhana.

Dari gambar,W'7 adalah kerja keluar poros turbin.Qu, adalah panas yang dikeluarkan melalui kondensor.Q^,r adalah panas yang masuk ke sistem melalui boiler (ketel).Wp adalah kerja yang masuk sistenr melalui porcs pompa.

Gambar 5.4 berikut menunjukkan diagram 7-.r siklus tertutup suatu turbin uap I tingkatsederhana.

1 Kc.ndensorI

\ r J

l A 6

l \ y t ot i l r :

Et !

I tt :IIJ

F

NN

\1k. '2 Turhin (tqt, ' ! !an l)80E-')- )

Page 4: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE 2BAB 5 TI'RBIN UAP

I

I

l '

Gambar 5.4 Diagram P-v dan Z-s turbin uap sederhana,dengan pemanas lanjut.

(Fie2-oztu)menunjukkan diagram tanpa dan

Langkah 1-22_33-44-I

Langkah l-l'' , 1 )

langkah ekspansi isentropik di n-rrbin.langkah pengeluaran panas ke penyedot panas di kondensorlangkah penaikan tekanan isentropik di pompa pemasok air boilerlangkah pemasukan kalor dengan tekanan konstan dalam boilerlangkah pemanasan lanjut (superheated)langkah pengeluaran panas dikondensor

Langkah 2'-3 merupakan satu langkah yaitu pengeluaran panas di kondensor.Proses ideal ditunjukkan dengan siklus tertutup 1-2-3-4-1. Energi yang masuk (benrpaenergi panas melalui boiler dan energi poros melalui poros pompa) dinyatakan denganluas area > a-3-4-j-l-2-b-a pada Gambar 5.4 (b). Sedangkan energi panas yang keluarmelalui kondensor ditunjukkan dengan luas area = a-3-2-b-a.Untuk menaikkan kerja keluar yang dapat dihasilkan, pada gambar (b) siklus yangberjalan dimodifikasi dengan penambahan pemana,s lanjut (superheater), yangditunjukkan pada langkah 1-1 '. Siklus menjadi l-l'-2'-3-4-j-1.

5.2 SIKLUS RANKINE YANG IREVERSIBEL

Pertukaran kalor pada penukar panas terjadi karena ada perbedaan temperaturantara yang dipanaskan dengan yang memanaskan. Aliran kalor terjadi dari sisi yangbertemperatur tinggi ke sisi yang bertemperatur rendah. Dalam hal di boiler. sisibertemperatur tinggi (sumber panas-heat source) adalah api, gas panas atau fluida panaslainnya (di reaktor nuklir). Sedangkan sisi bertemperatur lebih rendah (penyedot panas-heat sink) adalah fluida kerja (air atau uap) dalam boiler.Siklus yang ireversibel teriadi akibat kalor hanya bisa mengalir dari sisi benemperaturtinggi kc sisi bertemperatur rcndah, hal yang sebaliknya adalah tidak mungkin.Gambar 5.5 berikut menunjukkan proses pertukaran panas antara sumber denganpenyedot. Akibat aliran kalor ini, sumber akan turun temperaturnya, sedangkan penyedotakan naik. Hal ini digambarkan dengan garis a-b untuk proses pendinginan sumber panasdan garis 47-1 untuk proses pemanasan penyedot panas. Kondisi ireversibilitas akanmembatasi kemungkinan terjadinya penyilangan dua garis tersebut.

Page 5: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE2BAB 5 TI'RBIN UAP

Gambar 5.5 Diagram Z-s mengakomodir konsep "Pinch"untuk boiler a* toudlXp#t)

Pada gambar diatas, arah garis-garis penumnan temperatur dan kenaikantemperatur adalah saling berlawanan. Kondisi ini kita sebut sebagai proses berlawananarah (counterflow). Sebaiiknya, bila arah penurunan dan kenaikan ternperatur adalahsama, prosesnya kita sebut sebagai proses searqh. Titik-titik diantara du,a garis yangterpendek disebut sebagai "titik pinch".Dalam prakteknya proses yang berlawanan arah lebih banyak digunakan daripada prosessearah karena beda temperatur keseluruhannya antara sumber dan penyedot panas tidaksebesar proses paralel. Gambar berikut menunjukkan konsep ini.

I

b s

^ / - - ' ^ [ - '

Gambar 5.6 Beda temperatur antaraproses searah (a) dan berlawanarr uruntlfr.oot"'

Jenis fluida juga menentukan beda temperatur antara sumber dan penyedot panas.Pertukaran panas antara gas dengan gas, meskipun dengan perantara pipa yang sama,akan lebih rendah kapasitasnya dibandingkandengan antara gas dengan cair. Hal inidituniukkan dengan gambar berikut. Gambar (a) adalah antara gas dengan cair, sedangkangambar (b) adalah antara gas dengan gas.

(b )( a )

\ | ktt I ' l t t rhirt Lit tJ, ' l lgp 11311,;

Page 6: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE 2BAB 5 I'T'R3IN UAP

' lII

Gambar 5.7 Becia(Fis2-0stu)

antara fluida sumber dan penyedot panas.

Gambar 5.8 Perbandingan antara(a) dan gas atau

(Fi92-06tu)

pemanas lanjut menggunakan air sebagai fluida primermetal cair sebagai fluida primer (b).

'Iubin

I wbin lekmantekanm tinggi rendah

l i

:: Beban

Itetiranasranlut

Bo i le r

Pengekonomis

Gambar 5.9 Skema turbin uap bertekanun ,inggi 0"" *rd"n dengan pemanas ulang.

Bila di pasal depan telah diterangkan perlunya penambahan instalasi pemanaslanjut (superheater) maka pada gambar diatas ditunjukkan instalasi pemanas ulang(reheater). Pemanas ulang sebenarnya sama fungsinya dengan pemanas lanjut. tetapidilakukan pada tekanan uap yang lebih rendah. Uap di by-pass pada sisi keluar turbinlekanan tinggi untuk dialirkan kembali ke boiler. Di boiler uap dipanaskan kembali untuk

; i , ,- ' ) ' l , rrhit : L'a1, l len {), \0a) -o

Page 7: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE 2BAB 5 T'TTRBIN UAP

rneningkatkan kembali entalpinya. Uap yang telah dipanaskan ulang ini di kembalikan keturbin tekanan rendah untuk kembali diekspansikan.Gambar berikut mcnunjukkan diagram Z-s siklus ideal dengan pemanas uiang ini.

s

Gambar 5.i0 Diagram T-s turbin uap tekanan tinggi dan rendah dengan pemanas ulang.

Pada gambar ditunjukkan pula garis pinch antara sumber panas (di boiler) denganpenyedot panas (di boiler dan pemanas ulang). Lihat titik mula proses sumber panasdimulai dari atas titik 3 penyedot panas..

Gambar 5.1 I Turbin uap dengan 2 ekstraksi 3 tingkat tidak ideal.

Gambar diatas menunjukkan skema aliran dan diagram I-s turbin uap siklusRankine tak ideal dengan dua buah pernanas air pasok tipe terbuka. Uap panas hasilekstraksi dari turbin dicampur dengan air pemasok boiler yang lebih dingintemperaturnya. Keseimbangan tekanan dan temperatur antara uap hasil ekstraksi denganair pemasok harus diatur dengan baik.Beberapa konfigurasi turbin uap tanpa ekstrasi trap (gambar a) dan dengan ekstrasi uap diantara turbin tekanan tinggi dan rendah dituniukkan dalam gambar-gambar berikut.

::,\lke2 I'urbin L;ap, t[en t)10,': i_7

ta,

Page 8: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE 2BAB 5 TTIRBIN UAP

Gambar 5.12 Beberapa konfigurasi(Fig5-24tu)

turbin reaksi antara lain dengan ekstraksi uap.

5.3 KEBUTUHAN ENERGI INTERNAL DAN EFISIENSI

Poros ,l:l]:::1r-

,l

+ Panas keluar

ke pompaI

Generator !i^9.rll KerjaKolor neto

\ . . .

Kalor -+masuk

ke kebutuhan ke peralatandalam lain tambahan

t l

Gambar 5.13 Aliran energi pada suatu PLTU.

Sebagian energi yang dihasilkan turbin tidak dapat dipergunakan untuk melayanikebutuhan luar. Sebagian energi ini diperlukan untuk mentenagai peralatan internal yangdibutuhkan antara lain:

l. Pompa pemasok boiler (termasuk dalam siklus).2. Peralatan tambahan. antara lain:

a. Pulverizer (penghalus batubara).b. Pengolah air (water treatment).c. Motor dan peralatan kontrol.d. Conveyor batubara, pompa minyak

batubara, rninyak atau gas.e. Pengolah limbah padat dan cair.f . Pompa-pompapendingin.g. Mesin pendingin kondensor.h. Air conditioning bangunan kantor.

atau kompresor gas untuk PLTU

' , l k t l [ t r r r , i t : I L i i t H r l t t . \ ( t \ ' 5 -ri

Page 9: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE2BAB 5 TURBIN UAP

i. Lampu peneranganj. dan peralatan lainnya.

Untuk menentukan unjuk kerja sistem, dikenal beberapa istilah, antara lain:

l. Efisiensi termal (thermal eficiency), adalah rasio kerja neto terhadap jumlahkalor yang diperlukan oleh pembangkit tenaga.Efisiensi termal pembangkit akan lebih kecil daripada efisiensi yang dihitungdalam siklus karena perhitungan untuk yang terakhir ini tidak memasukkanenergi yang diperlukan untuk peralatan-peralatan bantu dan energi akibatire versibiltas dalam prosesnya.

2. Efisiensi kotor (gross fficiency), berbeda dengan efisiensi terrrral, efisiensikotor dihitung berdasarkan rasio keqa kotor dari turbin dan generator.

3. Efisiensi bersih (net fficiency), dihitung berdasarkan kerja neto dari plant,yaitu energi kotor dikurangi dengan energi yang diperlukarr plant.

Pernilik pembangkit listrik pada umumnya menginginkan ukuran efisiensi yangdapat menunjukkan unjuk kerjanya dari sudut pandang ekonomi sebagai akibat biaya-biaya yang harus dikeluarkan untuk membangun dan menjalankan instalasi sepertiinvestasi, bahanbakar, operasi dan perawatannya. Untuk itu diperkenalkan ukuran lainyaitu heat rate (HR), yang menyatakan jumlah kalor yang dimasukkan (biasanya dalamBtu) untuk memproduksi satu satuan energi, biasanya dalam kwh. Satuannya adalahBtu/kwh. HR adalah kebalikan secare proporsional dari efisiensi. Jadi makin kecil IlRakan makin baik. Ada beberapa definisi F1R menurut variabel pembandingnya, yaitu:

knlor masuk siklus IBTU] [kkal]1. llR neto siklus

2. HR kotor siklirs

3. /1R neto stasiun

4. HR kotoi stasiun

kerjancto sikius fkwh] [kffh]

knlor masuk siklus Wrul Wkatlkeria output turbin [kl4/h] fkwh]

knlor masuk ke boiler

ker.ia output stusiun fkwh]

lailor masuk kc boiler

[Bru] WkatlIkwh]

[Bru] Ikkntlkerja kotor turbin dan generator [kWhJ fkwh]

Karena I kwh : 3412 Btu, maka:

HR _ 3412

4 reorerik

( 5 . 1 )

(s.2)

: -9\ lka) 7'urhirt t , t t ;pi f lg11 11'y115

Page 10: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE 2BABS II]RBINUAP

5.4 KOMPONEN TURBIN UAP

Komponen utama tu$in uap terdiri dari:a. Rumah trrbin (casing), umumnya brdiri dari belahan tu up atas dan rumah bagian

bawahb. Poros dan piringan zudu jalan (rotor)c. Piringan sudu arah dan noseld. Bantalan aksial dan radiale. Penyekat (umumnya dari jenis labirint)f. Perahtan kontroluap (steam chest)

Sudu Arah dan Sudu Gerak

Gambar *.* Tampak belahan turbin uap (Siemensl

eI \

Mlre2 Turbin Uap/ Hen 0808 s-10

Page 11: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MI<E2BAB 5 TTIRBIN UAP

Gambar 5.14 Gambar potongan turbin uap (Shin Niopon Machinery).l. Kopling, 2. Bantalan luncur, 3. Poros turbin, 4. Tutup (casing) atas, 5. Pirirrgan dan sudu jalan,

6. Piringan dan sudu arah,7. Rumah (casing) turbin bawah, 8. I-abirint, 9. Bantaian radial danaksial, 10. Peuumpu (pedestal) bantalan depan, 11. Penumpu (pedestal) bantalan belakang,

12. Sistem kontrolhidrolik, 13. Katup pengontrol.

i r l t ;e) ' l

urbit i i ,ui ' l lett 0\(), \ i i i

Page 12: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE 2BAB5II]RBINUAP

Gambar 5.15 Rotor impuls 2 tingkat (Shin Nippon Machinery).

i. Aliran Uap di NoselPersamaan konservasi energr bentuk umum akan dipergunakan dalam

mempelajari proses perubahan energi didalam nosel, yaitu:

u^*!-e-*U P, v, '- r 2

* 9 o = u , + 7 + 7 + g z ,

V"' V,'a tau no+ f *gZo=hr+ - - r -+gz , (5 .3 )

Disini n uau*nentalpinuiOa Jngn satuan 1m'�lf 1.Indeks 0 menyatakan kondisi sisi awal nosel dan I menyatakan sisi keluar nosel. Notasikecepatan V pada rumus diatas dapat diganti dengan C sebagai notasi yang dipergunakanpada sistem mesin pada mesin konversi energr. Selanjut beda ketinggian antara sisimasuk dan keluar nosel sangatlah kecil pemnannya dalam menyumbang perubahanbentuk energi, sehingga dapat diabaikan.Energi kinetik spesifft fluida masuk nosel:

[m2ls2]

Energr kinetik spesifik fluida keluar nosel:

1m2t*1

Dengan menggurnkan persamaan konservasi energi, penamb han energi kinetik padanosel diperoleh dari penurunan entalpi fluida dari hoke ht. Jadi:

co'2

C, ,

2

+ +=ho h,+sz,-sz, (5.4)

Mle2 Turbin Uap/ Hen 0E08

1m'�t*1

s-12

Page 13: Diktat MKE-2 Turbin Uap

C, =.,121h, - h,,

MKE 2BA8 5 TT'RBINUAP

Untuk fluida kompresibel ideal pada nosel tanpa timbulnya gelombang kejut, denganmengabaikan kecepatan fluida masuk nosel C6 dan beda ketinggian zs dan z t, maka:

In/s] (5.s)

Bila fiuidanya tidak ideal, maka perlu diintrodusir faktor kerugian (, sehingga kecepatanC dapat dirurnuskan sebagai berikut:

c, = €Jtw -il (5.6)

Disini (ho - hi adalah penurunan entalpi melalui noselm dalam m2ls2 atau kJ/kg.

Untuk aliran isentropik di nosel,

(s.7)r l

q , _ 4 = _ J o r d p

pv' = konstan, di mana n adalah

, lp rdp

(5 .8 )

Tds: dh-vdp

Diintegrasikan !' o, = Ilroo, atau

Selanjutnya dengan menggunakan asumsi hukum

eksponen isentropik, dari Pers (5.5), didapat:

t , 2 I I ILr- = J,i(^r.'- ); n- o dn-fi(o,u,- )''

= r , r p o v o - p t v t )n - L

| , ., '- ' -j

J , p , , n l , - [ a i ' In - ' ' " " 1 \ p , ) lm

A t a u t ' , : l 2 n . p n r o l r - l a l ' l! n - t ' ' r . u L '

t , p o ) l

Laju aliran uap adalah:

mi , = A , ( ' , = A , l 2 n P o l l a l ' _ l a l ' l

v , ! r - l

' ' o L ( r o l \ p , , ) l

atau

(5.e)

(5 .9a)

Laju rnassa n menjadi maksimum bila turunan nersamaan di atas ada dan sama dengannol. yaitu:

i t . !kt:) ' l

t rrhin !-t . t1. l latr i ) , \08

Page 14: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE 2BAB 5 IT'RBIN UAP

l , , . ' * l l

i4ll;l [*J ]:o\ a i -

n \ P o

Ptn + l?(u)'n \ p o )

I

l r| = 0I

n

radi, t =( -2-'l*'p o \ f r + l /

(s.10)

Di manap. adalah tekanan kdtik, dan persamaan di atas berarti rasio tekanan kritikrrya.

Bila dikehendaki pu, < p malia harus dipergunakan nosel jenis konvergen-clivergen yangmemiliki leher nosel

Bila dikehendaki pku) p' makaharus dipergunakan noseljenis konvergen.

Kecepatan uap pada leher nosel, yang merupakan kecepatan kritiknya, dirumuskansebasai berikut:

C' = 44,72Jh j

di mana ho - h" adalah penumnan enialpi uap pada sisi konvergen dari nosel. Penurunanentalpi ini ciapat dibaca pada diagram Mollier.

Bila noselnya hanl'a konvergen, tekanan minirr'um di mana uap dapat berekspansi adalahtekanan kritiknya bila laju uap keluarnya mencapai harga maksimumnya dan kecepatankeluar uap rrrencapai kecepatan suaranya (sonik).

Kecepatan kritik dapat diperoleh dari Pers. (5.8) dengan disubstitusi rasio tekanankritiknya.

L l

f2"= \l;no'o

Sebagai contoh, untuk uap panas lanjut, k:1,3, sedangkan untuk uap kering, k:|,135. Disini, lr adalah eksponen politropik.

Efisiensi nosel dinyatakan sebagai:

h,, - h,

4-h , ,Untuk gas ideal,

- , ( T , . - 7 , , , - T tt l t r , r , : l =

i \ \ ' t t - - l l

c rlT,, *7,,) 7,, -7,,

Bila kecepatan riel uap keluar nosel adalah ('7 dan kecepatan idealnya adalah C.',,.. maka:

- ) - l 4\lke2'[itrhin Lt'"i1 t' f {en Q,';'t t6

Page 15: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MI(E 2BABS'TURBINUAP

h *""! = c:=-c:=c,"'-co'

Bila kecepatan awal dapat diabkan,

h*r" =tcu'

L- Pi'hci,"rc J' dielscr of lhltF bolu

(e) SCitciag

Gambar 5.16 Nosel dan diafragma turbin uap.

Nosel

Gambar 5.17 Diafngma (SNM).

Mlre2 Turbin Uap/ Hen (8(B

Gambar 5.18 Nosel jenis dilas.

5 -15

Page 16: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MI(E 2BABS TTJRBINUAP

Gambar 5.19 Nosel jenis o'reaming".

ii. Aliran Uap di Sudu Gerak

Aliran uap di sudu gerak dapat dikelompokkan sebagai aliran tekanan tetap (pada turbinaksi) dan aliran tekanan tidak tetap (pada turbin reaksi). Penjelasan untuk turbin aksi danreaks i diberikan pada pas al-pa sal selanjutnya.

Ml<e2 Turbin Uap/ Hen (808 5-16

Page 17: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE 2BAB 5 I'TIRBIN UAP

5.5 DERAJAT REAKSI

Derajat reaksi R adalah rasio penurunan energi tekanan di sudu terhadap energispesifik keseluruhan. Atau:

R:Yo' - 'Y

( 5 . 1 l )

dimana: Yoz-s adalah becla energi tekanan spesifik fluida masuk dan keluar sudugerak.

Y adalah energi spesifik fluida semula.

Dalam hal penulisan dengan entalpi, Pers. (5.11) di atas dapat ditulis sebagai:

R _Mrudug"rok

Lhrrcu *oh + Lhrua, guok

Bila R : 0 yang didapat bila A,h.,o,n",ok =0 maka turbin disebut sebagai turbin alai, turbin

impuls atau turbin teknnan rqta.Bila 0 > R > I maka turbin disebut sebagai turbin reaksi atau turbin tekanan lebih.

Bila R : I yang didapat bila A,h.-o,o,oh:0 maka turbin disebut sebagai turbin reaksi

penuh.

Turbin Hero merupakan contoh untuk turbin reaksi penuh (R : l), karerra L,h-,,o,oo:O

(lihat Pasal 5.6).

Lihatlah turbin dengan karakteristik sebagai berikut. Diagram segitiga kecepatan satutingkat turbin uap digambarkan sebagai berikut:

I I : : { I r I I r

Gambar 5.20 Diagram kecepatan suatu tingkat turbin uap.

Kecepatan Ct - W: (.2 - Y4r,

{ t2 : f i1Sudut 0t : lJt

Sudu ini tidak simetrik, seperti ditunjrrkkan pada Gambar 5.22.b. Karena Co1:Cu2, makatidak ada gaya aksial akibat perubahan vektor kecepatan absolut yang bekerja pada poros.Tetapi sebaliknya, akan ada gaya aksial akibat becla tekanan set,etum dan sesudah sudu.

Bila R :50%. maka Ah,,,t,o,ut, = Lh,,,1,,,,,,uk.

\ i ka ] i t r r i , in I uy t , . l cn i ) f i

Page 18: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE 2BAB 5 T'T'RBIN UAP

Gambar 5.22 a dan b menunjukkan skema turbin uap jenis aksi dan reaksi, disertai dengangambar diagram h-s dur segitiga (A) kecepatannya. Perhatikan perbedaannya.

j - t 8\ l kc ) I u rb in i ,L t ! ' Han , i , i

Page 19: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE2BAB 5 TT'RBIN UAP

5.6 TURBIN AKSI DAN REAKSI

5.6.1 Turbin AksiTurbin aksi merupakan lawan kelompok turbin reaksi. Turbin aksi juga

dinamakan turbin impuls atau turbin tekanan rata, adalah turbin yang bekerja pa<iatekanan rata atau sama <ii semwr titik pada suatu sudu gerak. Jadi pertukaran energi disudu hanya dari energi kinetiknya saj4 sedangkan dari energi potensial tetap.

Kecepatan

(Fig5-07tu)

Gambar 5.21 Turbin tekanan rata satu tingkat, dengan ditunjukkanbesaran tekanan dan kecepatan uapnya padaarah aksial.

Gambar 5.21 menunjukkan turbin tekanan rata satu tingkat. Turbin menggunakan nosel(nozzle) yang menurunkan entalpi uap sepenuhnya menjadi energi kinetik.Di nosel. persamaan energi:

rah putaran

P,, V, , ' I I ' , '' o *

^ * ; * R Z , t = ' t * n + 2 + g : l

dimana subskrip 6 menlatakan notasi untuk seksi sebelurn masuk nosel,

1 menyatakan notasi utrtuk seksi keluar nosel.

(s.r2)

(s .13)Atau karen z uo * '"

= hn danPo

dan energi potensial gz pada turbinpcrsamaarl idcal energi meniadi:

, r 2 , r )

h , * ' t ! = h , * ' !2 2

P,l l r * - = h ,

Pt

uap umumnya kecil dan diabaikan, maka di nosel

(5 . r 4)

Jadi pada diagram I-s proses pertukaran energinya dituniukkan hanya dengan satu garis

saja. Di sisi masuk dan keluar turbinnya sendiri entalpin',,a konstan.[{al ini dapat ditunjukkan pada Gambar 5.21.

j - l 9

t l

licr

\ lkt] [ trrhin I)qtt Hen';, \0,3

Page 20: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE 2BAB 5 ITIRBIN UAP

Pada Gambar 5.22a, entalpi turun dari titik 0 ke titik 1. Pada titik 1 (tekanan keluar nosel),tekanan uap akan sama dengan tek^anan uap masuk sudu turbin (titik 2) dzurr tekanankeluar sudu (titik 3). Jadi proses kerja di sudu seolah berir^rpit di titik 1,2 'Jan3.Bila diperhatikan lebih mendetail, persam&m energi yang lengkap antara seksi sebelumnosel sampai seksi sesudah sudu jalan dapat ditulis sebagai berikut:

Di nosel:

cii roda jalan turbin:

Yr

atau Yr

P^ VN, N V,,l t^ + - - - : -+ " = l t , +-- - j -+- :" p o 2 P t 2

P, V,, P, V,,y . + - - - : - + - = 1 , 1 , + " + - + I t .

' P z 2 P t 2

(5.1 s)

(5 .16)

Sedangkan energi spesifik turbin dapat ditulis sebagai (rumus Euler):

= U z C u z - U t C , z

c , ' C r ' , u r ' u , ' ,w r ' w r t= -

2 2 2 2 2 2

Energi kinetik spesifik tenaga uap (I'r*) dinyatakan pada bagian persamaan:

' - C ' ' C j 'r t n -

, -

,

r / U r ' u t ' . w r t w r '' t ' r -

2 2 2 z

sedangkarr gabungan energi potensial, tekanan dan termal spesifik dinyatakan dalam:

(s.r7)

(5. I 8)

(s.1e)

(5.20)

Karena tidak ada penumnan tekanan lagi di dalam sudu jalan. maka Y7n akan sama

dengan nol.Untuk turbin aksial, Uz : Us. Jadi untuk turbin impuls akan didapat selalu Wz : W:.

Segitiga kecepatan turbin impuls ditunjukkan paCa gambar. Karena tekanatrnya konstan,

maka kerapatan massanya juga konstan. Bila luas penampang aliran pada sudu jalan

konstan, maka kecepatan aksial juga akan konstan. Karena tekanannya sama, maka

volume spesifik v2 akan sama dengso v3. Akibatnya kecepatan aksial uap Co2 akan sama

dengan Coj atau C: dalam keadaan ideal.

Dari diagram h-s terlihat, entalpi uap turun di nosel sebagai akibat kenaikan kecepatan

uap. Selanjutnya di sudu jalan, penurunan energi total terjadi karena penurttnan energi

kinetiknya saja. Tekanan yang konstan di sisi masuk dan keluar turbin impuls

menyebabkan tidak adanya kerugian kebocoran uap antara ke dua sisi tersebut. Akibat

lainnya adalah:'furbin

aksi dapat bekerja pada bukaan nosel sebagian, dalam arti, tidal< semua nosel

lbila nosel dipasang penuh di depan roda jalan) diaktifkan.

j - 2 ( i

Page 21: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE 2BAB 5 TT'RBINUAP

J(()^Q - ' o Z t

1 , - l\\

i r . -Qr I

I \oc-'"-3+-5 l

Entropi s -' r

k

(1) Bear ing

i2) Shaft(3) Upper casing(41 Moving blade(5) Disc(6) Nozzle

{7} tower casing(8) Steam chamber(9) Carbon packing(10) Labyr inth packing(11) Thrust bear ing(12) OversPeed t r ip

device(13! Bear ing pedesta l

(14| Bear ing pedesta l

(15) Governor(16 ) O i l PumP(17) BasePlate

{18) Diaphragm

,&oc)_^ .e

il u)i ,;,t 't -Ii . . 'r -1 . . _I

I

E= l o 9 oc . { E . o c

' ' a , l \

l i r tJ 'r t ' , i t l \ o , o "i i ' { : l t " 2, \ - s t \' t \ E l I " .1 l i r ! i '

, , lL 1 Entropts -

, r I J e r 4,',ii ' \J I "l.r' Ir : ' ] ] " , ); ' , & * -

\r [*, ], r " -' | : 4 J = ,

0r] - ' i ] ' f r ] . . ]

,'1o l r " : j

"{i )/<$'t l

s

tra.l ! co' , t a r l

' l i t t " I l ir l Y a r' l i I ? 1, i l E l' ii - '�j r)

, t " l, , i | . . . , . \ t

, , i t f - , - . \t ,tr t'.-- .\' ,,/) , I, i l : - - - - ' '

,"1 l'r- .'lt A l - i r l, ,i Ii:- r,

i i . _ )' , ' ] l \

(a)

Gambar 5.22 Sudu arah, sudu jalan, diagram h-s dan segitiga kecepatanturbin aksi (a) dan turbin reaksi (b).

Gambar 5.23 'Iurbin

impuls 2 rotor 4 tingkat.(Shin Nippon Machinery) .

i l

Page 22: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MI(E 2BAB5II'RBINUAP

Gambar 5.24 Ttnbin uap impuls 2 rotor 4 nngkat tutrp terbuka.(Shin Nippon Machinery).

5.6.1.1 Analisis Turbin

Sama dengan 0rrbindan segitiga kecepatannya.

Impuls Berdasarkan Momentum

air, gambar berikut menunjukkan sudu gerak turbin

"a---wz;I C t : U t I

impuls

l U - _ x

l l^ | t ( - ,

,++,Ut WI

Gambar 5.25 Sudu turbin impuls dan vektor-vektor kecepatan uap.

Gambar 5.25 diatas menunjukkan prinsip kerja sebuah turbin uap impuls. Jet menyemburdari nosel di kiri dengan kecepatan Co dan menumbuk sudu seperti nampak pada gambar.Sudu-sudu dibuat seperti mangkuk. Jumlah sudu dimisalkan ta berhingga.Sefanjuhya sudu dipasang pada rotor dalam konfigurasi aksial" sehingga Ut: Uz.

C t

Kecepatan jet masuk sudu adalahKecepatan jet keluar sudu adalahKecepatan tangensial sudu adalahKecepatan masuk relatif terhadap suduKecepatan keluar relatif terhadap sudu

Cr.Cz.U:Ur : Uz .W1Wz

Mlre2 Turbin Uap/ Hen 0808 s-22

Page 23: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE 2BA3 5 TURBIN UAP

Bagaimana rumus daya turbin tersebut?Pengamat berada di sumbu inersial, di luar sudu.Sudu bergerak dengan kecepatan tangensiai U.Kecepatan relatifjet masuk sudu adalah lVr: Ct - UtKecepatan relatifjet keluar sudu adalah W'z: Ct - Ut : WtKecepatan absolut jet keluar sudu adalah Cz : U '(Ct - Ut)

: 2 U - C I

til -

v,.it

pr-A

: C t _ U

(5.21)

(s.22)

(s.23)

I r = (.1, h),,0 -@1,.fi)0,, = h(C, -u)-(- ,n(c, - u))

) r=2 t i r ( c , -u )

Kerja per satuan waktu P adalah:

P = U L I r = z h U ( C , - U )

Jadi bila laju rnassa uap diketahui dan kecepatan pancarankecepatan putar sudu (L) diketahui, daya rotor dapat dihitung.Untuk mencari efisiensi rotor, dari definisi efisiensi sebagaiterhadap Caya ua.p tersedia, efisiensi turbin adalah:

f , r 2 l

, r=J-=41+-l !Ll | $.26' li * ( ' : Lc \ ( ' , / .1

Dengan menurunkan persamaan efisiensi diatas terhadap U1/C1, efisiensi optimum

didapat bi la:

r_t = trCPorok, : + i'C'

Dengan cara yang sama, bila jet uap masuk dan keluar sudu membentuk sudut a1 dan a2

berturut-turut terhadap arah aksial (sudut a1 dan a2 selalu diperlukan untuk memungkin-

kan.iet uap masuk ke dan keluar dari sudu-sudu), maka akan didapat:

I r - 2th(C, cosar - ( ' , cc 'sa, ) (s.2e)

iadi

(s.24)

(s.2s)

uap dari nosel (C7) dan

rasio daya keluar poros

(s.21)

(5.28)

Dari persamaan momentum:

, =#,,npf(v,.hp't

dapat diperoleh

darr

Oleh karenanya

Page 24: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE 2BAB 5 TI'RBIN UAP

X +

6.4

Gambar 5.26 Sudu turbin impuls dengan sudut reiatif masuk dan keiuar fi dan p2.

P=U>f =2 icU(Cr cosar -Crcosar ) (s.22,)

Efisiensi akan meniadi:

(s.3 r )

Kecepatan sudu optimum:Kecepatan relatif uap masuk sudu adalah; Ct cose - U.Kecepatan uap keluar sudu adalah: U - (Ct coS 617 - (J ) :2L I -CtcoS 47

P =2thu (C.,cosa -Crcosar)=2nU (C, cosa, -U) (s.32)

F ' '

, = ;.,= r[+."," - [?)[?)*,", ]

pl

Jadi

Jadi :

Kecepatan optimrrm akan diperoleh bila:

r t _ C , c o s a ,_ o p t

2

Daya maksimum Crperoleh bila Uorl dipergunakan, sehingga:

P : ! h(( ' , cos o,\ ' = 2 t i ' I IJ ,,r, '

Efi siensi maksimum aCalah:

4,uk, = ( .os o, ) ' (s.3s)

Blla at: 0, maka efisiensi akan sama dengan \00%.

Contoh aplikasi turbin aksi adalah turbin Curtis. Gambar 5.27 berikut menunjukkan rodaCurtis 2 tingkat. Selepas Cari nosel, tekanan uap sama di semua stasiun antara sisi masuksudu tingkat I sampai dengan sisi keluar sudu tingkat IL Kecepatannya yang berkurangseiring dengan berkurangnya energi kinetik r"rap dan bertambahnya energi pada porosputar turbin.

i ' l l , t - ' i prhi 'L Llt l t i lerr t)1t1,1 a \) . - _ l

(5 .33)

(s.34)

Page 25: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE2BAB 5 TTIRBIN UAP

Gambar 5.27 Turbin tekanan rata dua tinekat.

5.6.f .2 Turbin Aksi - Turbin Hero

Bentuk lain dari turbin aksi adalah turbin Hero. Gambar berikut menunjuklianturbin Hero dan gambar-gambar penjelasan untuk menganalisa cara kerja turbin ini.Turbin Hero bekerja berdasarkan momentum yang dihasilkan dari pancaran uap darinosel turbin yang berfungsi pula sebagai rotor turbin. Reaksi dari momentum inidimanfaatkan sebagai proses konversi energinya. Sama dengan pada turbin aksi senrisalturbin Curtis sebelumnya, analisa turbin ini lebih mudah mengguuakan analisamomentum langsung.

1 _i :

\ r

I , l i i i i

j ! { r11

i r t l r i ' . 1

! 1 ,

(b)

Gambar 5.28 Turbin Flero

- kecepatan relatif terhadap nosel: kecepatan keliling nosel: kecepatan putar- luas penampang saluran

a t l

(c)(a )

W2( i t

(t)

A

Page 26: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE2BAB 5 TI'RBINUAP

Gaya yang dihasilkan uap keluar nosel dengan kecepatan absolut Cz adalah.'

F = irCz

a tau F :h (Wz-Ur )

Ke4a per satuan waktu uap adalah:

P: r i tur (wr-ur ) (5 .38)

Uap semula keluar melalui sumbu putar turbin dan bergerak menuju nosel di sisi luarlingkaran putar turbin. Kerja akan dirasakan oleh fluida oleh rotor dalam bentuk:

a. Fluida dipercepat dari kecepatan mendekati nol (pendekatan) pada sumbunosel menjadi sama dengan kecepatan nosel {/2, yaitu energi kinetik:

(5.36)

(s.37)

(5.3e)

(5.40)

(5 .41)

(s.42)

(s.43)

(s.44)

(s.4s)

(s.46)

(s .47)

(s .48)

(5.4e)

(s .50)

,-r:+b. Fluida juga dimampatkan bila bergerak radial keluar dalam putaran. Energi

potensial atau, kerja pemomp&ul, diturunkan sebagai berikut (lihat gambar b):Kesetimbangan gaya arah radial massa dm :

( n + d p - p ) A : r 0 2 d m

Karena dm : p'4 dr rcraka dp = p, co' dr

atau Q = rr ' tr ,p

Kerja pemompaan fluida aliran kompresibel maupun inkompresibel adalah:

Yro =y!

Gaya yang bekerja pada fluida oleh rotor, yang menghasilkan energi kinetik dankompresi, adalah gaya Coriolis. Jadi kerja oleh rotor pada fluida melalui gaya Coriolisadalah sama dengan jumlah penrbahan energi kinetik dan kerja pemompaan sebagaiberikut (lihat Gambar 5.28c):

dF- =2atrdf i t

dF =2o fud r

Momen dari momentum dM = r dF

[)aya k:rrena gaya Coriolis dP, = ot dM

atau

Sctelah integrasi:

[ :ncrgi Coriol is spesif ik:

dP(. :2co2 rhrdr

P, = 'it (l ,'

I',' = (J .'

-l (--

Page 27: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE2BAB 5 TI'RBINUAP

Pada sistem koordinat relatif (bergerak bersama nosel) hanya kerja pompa menambahenergi yang tersedia untuk mempercepat fluida melalui nosel. Perubahan energi kinetikdiperlukan untuk rnemungkinkan fluicia bergerak dengan kecepatan yang sama dengankecspatan nosel. Dengan asumsi ekspansi ideal (isentropik), kecepatan fluida keluar noselpada sistem koordinat non inersial (relatif) dapat dicari karena harganya harus merupakanpenjumlahan energi-energi potensial dalam sistem fluida statik dan dengan kornpresiakibat rotasi. Kerja pompa sebagai bagian dari energi potensial yang tersedia untukmemperccpat fluida menembus nosel sering diabaikan.

Bila dalam keadaarr a : 0, rotor dimisalkan ditahan tetap, didefinisikan kecepatan flrridakeluar dari nosel sarna dengan C"1, maka berdasarkan analisis energi:

C r ' = ( J , 2 + C , , '

Masukkan persamaan diatas pada Persamaan 5.38 maka:

Dari definisi efisiensi turbin 7 i -

didapat:

5.6.2 Turbin Reaksi

- u r )

+,itc,

* . , : 9 n o < r c d < l" ( t ,

17=2Q(rc , ,Vr .eY -er )

(5.5 r )

(5.s2)

(5.53)

(5 54)

Co adalah kecepatan fluida

(s.ss)

(s.s6)

p = f i t U r (- \

P

r I

Definisikan rasio kecepamn C): "-l

L , ,

dan koefisien dorong nosel (thrust coeficient\ rca dimanasebenarnya, sedangkan C2 kecepatan kcluar ideal:

I-ain halnya dengan turbin reaksi. Penurunan entalpi tidak semuanya dilakukan dinosel, tetapi sebagian daripadanya dilakukan di sudu jalan. Jadi:

(5 .57)

Pada Ganrbar 5.22 dapat dilihat perbedaan dasar antara turbin aksi (Gambar 5.22a) danreaksi (Gambar 5.22b). Dari segitiga kecepatannya, karena kecepatan tangensial (J2 samadengan L'; (turbin aksial) maka If r tj'Jak akan sama dengan Wj.Dari diagram h-s teriihat, entalpi uap turun di nosel sebagai akibat kenaikan kecepatanuap. Selanjutnya di sudu 3alan, penurunan energi total uap terjadi karena penurunanenergi kinetik dan entalpi.

Karena tekanan di sisi 2 lcbih besar, maka volume spesifik v? akan lebih kecildaripada u3. .Akibatnya kecepatarr aksial vap C6,2 akan lebih kecil daripada c,.r atau c.rdalam keadaan. Untuk menyamakanilya, maka luas penampang aliran di sisi keluar turbindiperbesar. Itrrlah sebabnya pada turbin reaksi diameter roda ialan di sisi hilir lebih besar.

Y , ^ = u , ' - l J ' " * w " - w " , 0 ., t ' 2 2 2 2

\ ikt ' ) ' l

t trhi ir ! , rq l la,t l , \() , t

Page 28: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE2BAB 5 TT'RBIN UAP

5.6.2.1 Efisiensi Turbin ReaksiSama dengan turbin aksi, dengan menggunakan persamaan Euler, kerja spesifik padarotor turbin reaksi adalah:

Y: Urcos 07 - (J2cos, .Z: IJ tCut - (JzC. . " : C" -C" *y l -y ; *u- u z - 2

- z

- z z 2

Sebelum rotor, energi spesifik ya,rg dimiliki uap adalah:

- W r t2

, , =g-l, .uj -q*w,' -w,'2 2 2 2 2

Persamaan diatas menunjukkan energi yang dimiliki fluida sebelum masuk iotor. Bila kitaakan tinjau energi yang dipindahkan fluida ke rotor, rnaka energi kinetik sisa C//2 yangkeluar rotor harus dimasukkan dalam perhitungarr, yang kemudian akan kita dapatkankembali persamaan Euler.Kita bahas khusus turbin aksial. maka efisiensi turbin reaksi adalah:

U (Ct_C,r)

C_,2 +(J,2 - ui yw] -wl-./

Pada turbin reaksi, ada beberapa kemungkinan bentuk segitiga kecepatan masuk dankeluar sudu. Pada dasarnya, bentuk-bentuk di bawah dapat mewakili berbagai bentukyang lain. Untuk menganalisanya, dua faktor pengubah akan kita pergunakan, yaitu

Faktor p untuk kecepatan aksial, dengau definisi Cnt - g C^2, ,Jan

Faktor y untuk sudut at dan a2 , dengan definisi at : V az

Perubahan kecepatan aksiai C,, dapat terjadi karena kemungkinan perubahan kecepatanaksial akibat makin turunnya tekanan yang mengakibatkan naiknya volume spesifik uapdi sisi keiuar. Dan ini mengakibatkan membesarnya C- di sisi keluar.

Pada kasus khusus, bila turbin reaksi didisain menggunakan konsep C. konstan, maka rpakan sama dengan 1. Sudu turbin ini diameter pada sisi keluarnya lebih besar daripada disisi masu,knya (lihat sudu dengan tanda panah gambar berikut).

Y1,"orri =

f;=

' , l t , c ) ' t ' u rh i r t : , tp , t lan 0 , \06 5- : ,J

Page 29: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE 2BABS ruNSINUAP

Gambar 5.29 Contoh rotor trrbin uap reaksi.

Gambar 5.30 Beberapa bentrk sudu rotor dan stator turbin uap (Storlq Holhnd).

Menggunakan faktor pengubah diatas,

C, sina ,tanlJvCrcosa z =C^ztana, =furunl t=t y

C, sina ,An!:Selanjuhya Cz=

=krCr

i cosa,

Ml<e2 Turbin Uap/ Hen (808

v = k ,C,,

s-29

Page 30: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE2BAB 5 TTTRBIN UAP

sina, tanatVK r =

I

sina, tand'-

K z = J(PCOSd2

Sehingga efisiensi dapat ditulis sebagai:

Y U (C,cosa, -C, cosar)'treakt -

Y, Cr' *ur' -(Jr' *k/r' -wrr'

2

u( ,,cosar - Qrino, ,* ql\ p v )

, [ . , cosa , -9 , in o , tunq)

zu(c,cos a, -c; rit *, t^ ";)

^ u ( l r / ),

a, I cos6{r * srn u,ror,

,, )

Cr2 +(J,21t%1_vi

Dari segitiga kecepatan:

vfrr.t = (J r' * Cr' -2u zc2cos(t 80 - dr) * u r' + c12 + 2u zc 2"os(a, )

- Ur ' + Kr 'Cr ' +2[ l , rcrC,

w r t = ( J r ' * c r t - z u , c r c o s a rSedangkan

Jadi

4r"okr, =

9i tlt lijur' + rcrl\,'� +2!rrc,C,,-_(t,2 -c,' *?l!{,!914,2

Untuk turbin aksial, Ut : Uz.Jadi

Bagiciengan Cl didapat

I r r ,ok r i :reaksl Kr 'Cr t +2U r t<rC, +2UtCtcosal

rc,) +Zrc,!f . *r! , "oron

) -

Page 31: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE 2BAB5II'RBINUAP

tl I Corrplan€(21 Tumtng(3f Beartng

{41 Sh.ft{51 Uppor cslir|g

16l Moving bl.dt

f7 i Disc

t8l Diaphragm(91 LolAer cssrng

t10l Llbvrinth pa€king

{l ll Thrurt b€.ring

{l2l Ova,5p6rd ttip d.vice

l'l 3l Bdrring pedoltal

il4l Bcrdng podrecl

l15l Govcrnottl6l Pow€r prston(l7l Govcrnor valvsllSl Bsraplrtr

---J{r

Gambar 5.31 Gambar potonganturbin uap rcaksi.

Amati perbedaan turbin reaksi denpn turbin aksi (Gambar 5.14). Dapat diliha!pembukaan sudu-sudu terlihat lebih besar.

Gambar *.* Turbin reaksi tekanan rendah (LP) pada plant Mrrlheim (Jennan) (sisnens).

Satu set tu$in sejenis mampu membangkitkan tenaga listrik sebesar 1200 MW. Turbinini juga telah beroperasi di Paiton, Jawa Timur.

Mlce2 Turbin Uap/ Hen (B(B 5-31

Page 32: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE 2BAts 5 IT'RBIN UAP

5.7 TURBIN BERTINGKAT

Kemampuan nosel dan turbin untuk mengambil energi dari tluida kerjanya adalahterbatas. Sedangkan dari analisis sebelumnya sudah terbukti, beda temperatur (yangekivalen dengan energi) yang makin tinggi akan memberikan efisiensi yang makin tinggipula. Unfuk mencapai efisiensi yang tinggi tersebut turbin uap dibuat bertingkat-tingkat.Setiap tingkat bertugas memindahkan sebagian dari energi uap yang tersedia ke porosturbin.

5.7.1 Turbin Impuls Bertingkat

Pada turbin impuls, ada dua cara untuk membangun turbin bertingkat, yaitu:a. Turbin impuls dengan satu nosel dan beberapa sudu jalan dengan beberapa sudu

pembalik arah aiiran.

S u d u . S u d u . S u d Ugerakl aran fBerax

I

_T

KecepatanAbsolut

(Fig5-08tu)

Gambar 5.32 Turbin tekanan rata dua tingkat rotor,dengan besaran tekanan dan kecepatan uapnya.

Gambar 5.32 menunjukkan satu contoh turbin impuls bertingkat 2 dengan sudupembalik. Tekanan uap sekeluar dari nosel adalah konstan di seluruh seksi impuls.Sebaliknya kecepatan absolut uap di kedua tingkat sudu jalan tidak sama. sebagaiakibat terpindahkannya sebagian energi kinetik di tingkat pertama.Gambar 5.33 menuniukkan segitiga kecepatan turbin impuls dua tingkat dengansudu pembalik.

\ lkel Iurh;t; Liqt, Han 030,\ - i _

Page 33: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE 2BAB 5 IT'RBINUAP

jalan I

(Fig5-09tu)

Gambar 5.33 Segitiga kecepatan pada sudu gerak dan sudu diam turbin uap tekanan ratadua tingkat.

I - . . ; . - - . l - . - t ' - --,.-''-.- "-1") ''";

- ' , - ' - ' - : ' ' -

a, ' - , *_ "= ' " . .

Sudu gerak

Sudu tenp

Sudu gerak

Sudu tetap

Sudu gerak

tinskat 1

tinskat 2

tinekat 3

4 - .:':- "'. -

6 : .

(Fi95- I Otu)

Gambar 5.34 Segitiga kecepatan turbin aksi tiga tingkat dengan sudu penrbalik.

Kecepatan yang rendah di sisi keluar sudu terakhir: merupakan tujuan untukmendapatkan efisiensi yang tinggi.

b. Turbin impuls bertingkat dengan beberapa nosel dan beberapa sudu jalan.Dalam analisis disain sering dijumpai kondisi dimana nosel tidakmenurunkan entalpi seperli yang dikehendaki. Untuk mengatasinyaditurunkan melalui beberapa nosel.Gambar 5.35 menunlukkan turbin impuls tiga tingkat yang tekanantingkatnya tiCak sama..

mampuentalpi

disetiap

' - . J J\ ' ikc) ' l 'u: ' i t , :r Lt, tr i i u; 0,\ l) . \

Page 34: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE 2BAB 5 TURBIN UAP

Sudugqak

Sudugerak

Sudugcrak

(Fig5-l2tu)

Gambar 5.35 Turbin tekanan ratatigatingkat tekanan,dengan segitiga kecepatannya.

Prinsip kerja konfigurasi ini dijelaskan dengan gambar berikut. Nosel berfungsi

sebagai pemrrun entalpi dan peningkat energi kinetik uap. Sudu jalan berfungsi

sebagai pemindah energi kinetik uap ke energi mekanik pada poros turbin. Entalpi

yang masih tinggi di sisi keluar sudu jalan tingkat I di ekspansikan kembali oleh

nosel tingkat ke II. Energi kinetik yang dihasilkan dipindahkan menjadi energi

pcros di turbin tingkat ke II.

ITekmm i

Kaepata IA.bmlut I

(Fig5-l ltu)

Gambar 5.36 Turbin tekanan rata dua tingkat tekanan, ditunjukkan pola perubahan

tekanan dan kecepatan absolut uap di setiap tingkat.

Gambar diatas menunjukkan konsep turbin impuls dua tingkat bertekanan tidak

sama. Diagram dibawahnya menunjukkan besaran tekanan dan kecepatan absolut

di setiap tingkatnya.

5.7.2 Turbin Reaksi BertingkatLain halnya dengan turbin aksi, turbin reaksi mengatasi keterbatasan penurunan

energi di setiap tingkatnya dengan menghadirkan nosel yang berupa sudu arah di setiap

tingkatnya.

i?{F

(

F

E

F

Mke2 Turbin Uapi Hen 0808 5-34

Page 35: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE 2BAB 5 I'I'RBINUAP

Tekanan

Penurunan tekanandi sudu gemk Kenaikan kecepatan absolut

di sudu tetap

Penurunan kecepatan absolutdi sudu gerak

(Fig5-l3tu)

Gambar 5.37 Turbin reaksi tiga tingkat tekanan, dengan besaran tekanan dan kecepatanuapnya.

),\ -)j

sudu/ j .// q-efax/ ,./

Kecepatanabsolut

(Fig5-l4tu)

Gambar 5.38 Turbin reaksi dua tingkat tekanan,den gan segitiga kecepatannya.

h,,,

Mke2 l-urbin Uap/ Hen 0B08 j - 3 :

Page 36: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE 2BA8 5 TTTRBINUAP

Gambar 5.39 Diagram h-s turbin reaksi dua tingkat tekanan.

Cobalah anda buat analisis, bagaimana dengan pernyataan berikut:Persamaan energi 0-1 di sudu tetap:

. c.^2 c.24 *

+ = 4 +IL -r- h,go_t,udut"top

Persamaan energi I-2 di sudu gerak:

- C,' , C.'4 *

; : 4 +

-J- t hrgl-2sudu suak

+ et 2rdug"rok

5.8 BEBERAPA BENTUK KHUSUS KONSTRUKSI TURBIN UAP

5.8.1 Turbin Uap Radial

Stator

Gambar 5.40 Contoh konstruksi turbin uap radial.

Gambar di atas menunjukkan gambar turbin uap radial sederhana. Rotor(karangan sudu sebelah kanan) terdiri dari cincin lingkar yang di bagian tengahnyadibentuk menjadi sudu-sudu. Tepat disisi hilir atau hulunya, terdapat sudu arah (stator,bagian kiri). Arah aliran uap pada gambar di atas adalah dari bawah ke atas, arah radial.

Mke2 Turbin uan/ Hen 08A8 5-36

Page 37: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE 2BAB 5 TURBINUNP

'-:

e 2 2

Lzr urz .. /--7r , Lzz /

-N'f, Xr, ',.W,,

/ .h*,,, ,/' - - \ . \ i . /

-llV:-- ---

Gambar 5.41 Turbin uap radial rotor ganda dengan potongan sudu gerak cian sudu arahdan se gitiga kecepatirnnya.

Gambar 5.41 di atas menunjukkan potongan turbin radial reaksi bertingkat rotorganda. Di sisi kanan menunjukkan potongan sudu-sudu gerak rotor I dan rotor IL Turbinini tidak memiliki sudu arah.Gambar bawahnya menunjukkan segitiga kecepatan kedua pasangan rotor tersebut.Dalam gambar, C2l menyatakan kecepatan absolut uap masuk rotor 2 yang sama besarnyadengan uap keluar rotor l. Kecepatan absolut keluar dari rotor dinyatakan rJengan Czz.

- - |

.? ' n"l\,', ?,/'

L 't --.....

/ - I Z

Gambar 5.42 Turbin uap radial dengan sisi outlet arah aksial.

Gambar 5.42 di atas menunjukkan rotor turbin uap radial janis campuran. Uap masukimpeler dalam arah radial, tetapi keluar impeler arah aksial. Gambar kanan atasmenunjukkan tampak depan rotor. Gambar bawah menunjukkan tipikal segitigakecepatan. Perlu diperhatikan, gambar kedua segitiga kecepatan di atas tidaklah dalamsatu bidang. Bidang segitiga kecepatan keluar rotor adalah tegak lurus terhadap arahporos.

) /

5 \J r,.' \ l i l

\ ,

Mkc2 Turbm Uap/ Hen 0808 5- r1

Page 38: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE 2BAB 5 TTTRBINUAP

5.9 BEBERAPA PERALATAN UTAMA TURBIN TTAP

5.9.f Nosel(iihat bab khusus nosel, dalam persiapan)

5.9.2 Katup Kontrol Tingkat Pertama (Steam Chest)

Bocoran uap-

Bocoran uap

Segmen nosel

Rotor turbin tingkat

Gambar 5.43 Sketsa sistem kontrol pemasokan uap pada nosel atau sudu arah O"l"rt#"'t

katup diParalel.

Turbin aksi dapat bekerja pada bukaan nosel sebagian, dalam arti, tidak semua

nosel (bila nosel dipasang penuh di depan roda jalan) diaktifkan. Pada gambar diatas,

tampak katup ke I (tunggal), pasangan katup ke II, ke III dan ke IV. Posisi tiap jarum

katup *"n".,1.,k* jumlah pasokan uap. Terlihat katup ke IV melayani nosel atau sudu

arah yang menempati sebagian lingkaran sudu jalan (tidak nampak). Tentunva ada

sebagian iudu jalan yang tidak menghasilkan daya (pasif) karena tidak tepat didepan

nor"i ini. Sudulalan yang pasif ini justru memakan daya akibat efek angin, yaitu bekerja

sebagai fan yang menimbulkan kerugian angin ("windage")-

5.9.3 Pcnyekat

5.9.3.1 Labirinth

_lI

I I----> . / '-+ ij

l i j i ri i i ' r l

I r - ' l l

\ , 1, . - 1 ,. . L

\ l i r . i i -l i . _ c Ii l i i r li i i r ; i

' . - ' r ' D " ' - . ' ' '

- - )

Gambar 5.44 Labirin untuk menyekat uap atau gas bertekanan terhadap lingkungan luar

:.pd" k"-Pt"t". "-:@

Mke2 Turbin Uan/ Hen 0808 5-3 8

Page 39: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE 2BAB 5 TTIRBIN UAP

Labirin (*labyrinth") merupakan salah satu komponen untuk menyekat uap ataugas bertekanan tinggi terhadap kebocoran ke udara lual pada poros yang berputar. Adabeberapa jenis labirin yang dipergunakan, antara lain berbentuk ring metal, penyekat airdan ring dari bahan karbon. Pada gambar terlihat jenis ring metal yang ditanam dalamtakikan (groove) yang dikunci dengan ring kunci. Ring labirin dipasang baik pada bagianporos maupun rumah turbin. Ring labirin yang bergerak mengakibatkan uap atau gasberubah arah geraknya, t'erputar mengikuti gerak ring dan berputar melingkar diantaradinding-dinding ring. Gerak dan arah kecepatan yang ditimbulkan menimbulkan efekpenyekatan yang baik.Berbagai macam bentuk ring labirin dapat ditemui pada turbin-turbin uap <ian gas, selainjuga yang digunakan pada kompresor. Diantaranya dapat dilihat pada gambar-gambarberikut:

Gambar 5.4* Penyekat labirin yangdilengkapi dengan penyekat cairan.

(Scan34tu)

Gambar 5.45 Ring labirin yang ditanamsejajar poros. (scan34tu)

Mke2 I'urbin Laoi IIen 0808 5-39

Page 40: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE 2BAB 5 T'T'RBIN UAP

5.9.3.2 Penyckat Mekanikal

Gambar 5.47 Ring labirin yang ditempatkanpada ring dudukan khusus.

Gambar 5.46 Penyekat mekanikaldilengkapi dengan penyekat minyali.

rli t

5-40lvlke2 Turbin Uap/ Hen 0B0B

Page 41: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE 2BAB 5 I'T'RBIN UAP

5.10 CATATAN TAMBAHAN DIAGRAM 11_ S BEBERAPA KONFIGURASIKOMPRESOR DAII TURBIN UAP.

Ct -

/ 2C,-Z

---.-

hK__ _

, - , e x

'ilpN

Lh,.u+<

Gambar 5.48 Kompresor aksial

Ahb 1.5.5

Gambar 5.49 Diagram ft - s kompresor

Kompresor:Notasi:

M : sisi masukK : sisi keluarI : sisi masuk impelerN : sisi keluar impelerCga : kecepatan di sisi masukCx : kecepatan di sisi keluarleu-x : beda energi antara sisi masuk dam keluar

: lhu-x+ Cx'/2energi spesifik

h : entalpilhu-x : beda entalpi antzra sisi masuk dan keluar/h'u-r: beda entalpi isentropik antara sisi masuk dan keluarpt : tekanan statik di sisi masuk impelerpu : tekanan statik di sisi masukpy : tekanan statik di sisi keluar impelerpx : tekanan statik di sisi keluar

Psts,K : tekanan stagnasi di sisi keluar

PsryM : tekanan stagnasi di sisi masuk

Subscribt:isentropik

Efisiensi intemal, adalah efisiensi dengan hanya memperhitungkan energi termal, adalah:Efisiensi internal turbin didefinisikan sebasai :

lvlke2 Turbin Uap/ Hen 080J 5_rl I

Jll _ _

t M

Page 42: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE 2BAB 5 II'RBIN UAP

Untuk Turbin:

Energi yang diberikan fluida kerja ke rotorTin =

Energi turbin tanpa rugi - rugi

Untuk Kompresor:

Energi fluida yang dihasilkan tanpa rugi - rugiIint =

Energi yang diberikan rotor ke fluida kerja

Sebagai contoh, pada kompresor gambar di bawah:

= fu -h ,o r r - .M ' ' l t - xtil Lur_*

4int,u-x

u * *PrO,*

IIh

... ci\z'a;:

Ir 6

I

JI q, , 2

C,,2

Lh s,u-x

I

P on,u

.'Pu

Abb r.5.7

Gambar 5.50 Kompresor aksial Gambar 5.51 Diagram h s kompresor

Selanjutnya, bila pada sisi masuk dan keluar kompresor kecepatan fluida tidak dapatdiabaikan, energi kinetik harus diperhitungkan. Maka:

hint,u ,, =Ln'r-*-r - Lrr-*

Pada proses ekspansi, gambar berikut menunjukkan diagranr h s :

s---

Mke2 Turbin Uap/ llen 0808 5-4)

Page 43: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE2BAB 5 'I]I'RBINUAP

1 2 qi

tl h Lhr-^

L hS,M-K

I

PK

Gambar 5.52 Diagram ft-s turbin uap.

Pada gambar di atas, seksi M-l adalah nosel. Dalam gambar, seperti ditunjukkan padagambar, proses ekspansi pada nosel adalah proses entalpi konstan M-l.Efisiensi intemal turbin uap adalah:

T,tt- - M'-*

* - Lh,r,r

""rAbb 1 5.2

Gambar 5.53 Skema turbin dengan sistem injeksi tengah dan injeksi penyekat

I ^I c-:o

2

K

'--\ ll-)':))

Mkd Turbin Uup/ Hen A808 5-4J

Page 44: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE 2BAB 5 TT'RBINUAP

Pw,u

-,-.---pu

11""-'h 1

L€u-*

A€".r* h'1h^,"

N'�1 ' ' '

- N M

) s _ _Abb 1.5.4

Gambar 5.54 Diagram ekspansi turbin pada Gambar 5.53.

I

L€r-ur

A,hr-Nrf

I

PN

Abb 1,5,3

Gambar 5.55 Diasram h - s

s >

pada ekspansi turbin bertingkat.

eMPr

c l2

eMI

hM

t '

P*,

K*

C . , K

2/v'

_ ) - 'l- . [

P'x

II

ln P,

A""r-r,

A1_\

c'M2

, a i

hs,1-N1

C,N

2

Mke2 Turbin Uap/ llen 0ti)' 5-44

Page 45: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE 2BAB 5 TIIRBINUAP

Turbin Uap Dengan Ekstraksi:

p;

+ ah.,i h

?t /

Lh"2 P'

Lhs.ux I

Gambar 5.56 Turbin uap dengan 3 ekstraksi.

i L p*,1- /-t-

a\2

- t ' '

Abb t.6,r

A b b 1 6 2

cl,2

l i

Le,,

I

I

Lez'u L"*-'

Ae,II

Leol i

a 2

' 2

'ci!

2

t . .p^

A4, 'It .

Lh* Po

i f

Gambar 5.57 Diagrarn h-s untuk turbin uap dengan 3 ekstraksi.

Notasi:/ix, : laju massa per satuan waktu pada seksi i (i : l, 2, 3, ....- , n).

fuoz laju massa uap pada jalur ekstraksi ke 1

hos : laju massa uap pada jalur ekstraksi ke 2

fuoq : laju massa uap pada jalur ekstraksi ke 3

Efisiensi dalam energetik :

t i t t r f r 2 t h 3 t h l

fre*s t fracz h"n t

Mke2 T'urbin tlupi Htrt 0808 5-45

Page 46: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE2BAB 5 TTIRBINUAP

\ - a .

Lmi\eiq*:+__

s a .

) -mr, tLer . ',=0

Aei dan /hr,, dinnjukkan pada Gambar *.**di atas.

Bila seluruh massa uap yang masuk ke turbin fi dapat dibagi menurut:titi )^_ _ h,,i

y, = -: oan /r.i = .m m

Maka berlaku:J-)-r ,ne,

q,,"=#-sf

)-7,.,Le,.,i=0

Bila jumlah kerja teoritik internal ttnbin dan kerja teoritik dari uap ekstraksi dituliskansebagai:

n n

Ly,Ln, +\F,Le,.,1,1 , rnflka:,=0 ,=1

?; themodinamik - '=o-

j.themodinamik A €rM_K

l,r,t", +f lt,Le,."^,

Mke2 Turbin UUD/ l!en A8U8 5-46

Page 47: Diktat MKE-2 Turbin Uap

F-sr

I

t. q )

\\oa

s

s\e

.aL.s\\S!'s

N

u0l]-

o;l i(.)aa

l-r

$t<6)

d

a

+d.

tr

a

a

b0

r.,'!

U

ooa,?rrfa

Er l

I

r+t

r h

ui

rr

7

r--)

F

Page 48: Diktat MKE-2 Turbin Uap

MKE 2BAB5II'RBINUAP

Gambar 5.59 Turbin impuls dua tingkat

Gambar 5.60 Turbin uap 7 MW

Mke2 Turbin Uap /Hen 0808

Gambar 5.61 Turbin uap 7 MW

548