SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN...

31
SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN PADA BLADE UNTUK DESAIN NOZZLE DAN BLADE TURBIN UAP TIPE IMPULS SATU TINGKAT ANDRIAN HADI PRAMONO 2105 100 075 Dosen Pembimbing : Dr Eng Prabowo M.Eng JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2009 Tugas Akhir Konversi Energi

Transcript of SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN...

Page 1: SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN …digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-9917-Presentation.pdf · salah satu cara meningkatkan efisiensi siklus adalah meningkatkan

SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN PADA BLADE UNTUK DESAIN NOZZLE DAN BLADE

TURBIN UAP TIPE IMPULS SATU TINGKAT

ANDRIAN HADI PRAMONO2105 100 075

Dosen Pembimbing : Dr Eng Prabowo M.Eng

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA2009

Tugas Akhir

Konversi Energi

Page 2: SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN …digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-9917-Presentation.pdf · salah satu cara meningkatkan efisiensi siklus adalah meningkatkan

Turbin uap merupakan bagian penting dari siklus pembangkit ditunjukkan bagian A

Kebutuhan energi semakin meningkat

salah satu cara meningkatkan efisiensi siklus adalah meningkatkan efisiensi turbin uap

Belum ada analisanumerik untukmengetahuikarakteristik aliranpada sudu turbin

Belum ada desainturbin uap daridalam negeri

Penelitian terdahulu

Page 3: SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN …digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-9917-Presentation.pdf · salah satu cara meningkatkan efisiensi siklus adalah meningkatkan

Tujuan Perancangan

Tujuan perancangan ini adalah untuk:

1. Mendapatkan geometri nozzle • Panjang nozzle l• Lebar nozzle pada sisi keluar a1

• Lebar nozzle pada bagian leher amin

• Penampang leher setiap nozzle f ’min

• Penampang sisi keluar nozzle fmaks

• Sudut pada nozzle α1

2. Mendapatkan geometri sudu turbin

• Tinggi sisi masuk sudu gerak l’1

• Sudut pada sudu gerak β1,β2

3. Melakukan analisa secara numerik menggunakan FLUENT software untuk mengetahui

kualitas desain pada sudu turbin

Page 4: SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN …digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-9917-Presentation.pdf · salah satu cara meningkatkan efisiensi siklus adalah meningkatkan

Batasan Masalah

Batasan masalah perancangan ini adalah:1. penelitian berdasarkan teori perancangan turbin uap yang

telah ada

2. turbin uap yang di desain adalah turbin uap tipe impuls

dengan satu tingkat kecepatan.

3. Kondisi operasi diasumsikan steady state, incompressible

flow.

4. Tidak ada perpindahan panas keluar turbin Adiabatik.

5. Disimulasikan dengan bantuan FLUENT software dimana

boundary condition untuk inlet adalah velocity inlet

sedangkan pada posisi outlet adalah outflow.

6. penelitian tidak mengikutsertakan analisa metallurgy.

7. Penelitian tidak mengikutsertakan analisa ekonomi.

8. Penelitian tidak mengikutsertakan analisa kekuatan material

Page 5: SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN …digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-9917-Presentation.pdf · salah satu cara meningkatkan efisiensi siklus adalah meningkatkan

Perumusan masalah

Hasil yang didapat

P1,T1,

P2,T2,

Turbin uap, Ne, n

inlet

outlet

Perhitungan manual Geometri nozzle ????

Karakteristik aliran pada sudu ????

Geometri sudu turbin ????

Jumlah sudu ????

Jumlah tingkat ????

Page 6: SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN …digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-9917-Presentation.pdf · salah satu cara meningkatkan efisiensi siklus adalah meningkatkan

Siklus Rankine

Panas yang dimasukkan pada

boiler Q A = h1- h4

Kerja bersih/kg uapWnet­ = WT – WP = (h1 –h2) – v3 (p4 – p3)

Efisiensi siklus rankine ideal

A

netth

Q

WKerja turbin

meningkat sehingga

efisiensi siklus

rankine meningkat

Kerja turbin

meningkat jika

efisiensi turbin

meningkat

Page 7: SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN …digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-9917-Presentation.pdf · salah satu cara meningkatkan efisiensi siklus adalah meningkatkan

Penelitian Terdahulu

Erosion behaviour and mechanisms for steam turbine rotor blade

B . S taniSa a, V. IvuSiC b (1995)

Page 8: SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN …digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-9917-Presentation.pdf · salah satu cara meningkatkan efisiensi siklus adalah meningkatkan

B . S taniSa a, V. IvuSiC b (1995)

Dalam Penelitian berjudul ”Erosion behaviour and mechanisms for steam turbine rotor blade”

Didapatkan:Kerusakan blade turbinakibat erosi(third region) pada tingkat terakhirturbin uap bertekananrendah

(A) Kerusakan blade setelah turbin beroperasi56.384 jam

(B) Kerusakan blade setelah turbin beroperasi82.910 jam.

Page 9: SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN …digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-9917-Presentation.pdf · salah satu cara meningkatkan efisiensi siklus adalah meningkatkan

Kerusakan turbin akibat erosi

pada second region

Hasil dari penelitianmenunjukkan bahwakerusakan blade akibat erositergantung dari fungsibanyaknya waktu operasiturbin

Page 10: SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN …digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-9917-Presentation.pdf · salah satu cara meningkatkan efisiensi siklus adalah meningkatkan

Perancangan turbin uap

dengan perhitungan manualPerancangan Turbin Uap terdiri dari beberapa tahap, sebagai berikut:

1. Penentuan Jenis Turbin Uap yang Dirancang

2. Penentuan Jumlah Tingkat Yang dibutuhkan

3. Menghitung Daya Keluaran

4. Perancangan geometri perapat labirin

5. Pemilihan jenis nozzle

6. Pemilihan u/c1 maksimum

7. Perhitungan Kerugian-kerugian

8. Koreksi Perancangan Nozzle

9. Perancangan Sudu Gerak.

Page 11: SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN …digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-9917-Presentation.pdf · salah satu cara meningkatkan efisiensi siklus adalah meningkatkan

Pada penelitian ini dibutuhkan input data sebagai berikut

P1,T1,

P2,T2,

Turbin uap, Ne, n

inlet

outlet

Perhitungan secara thermodinamika

Kerja turbin uapideal (isentropik)

Kerja turbin uap aktual

Wturbin uap ideal = m(h3-h4)

Wturbin uap aktual = m(h3- h4’ )

Page 12: SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN …digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-9917-Presentation.pdf · salah satu cara meningkatkan efisiensi siklus adalah meningkatkan

Penentuan Jenis Turbin Uap yang

Dirancang

Turbin uap, dapat dibedakan menjadi:

1. Turbin Uap Tipe Impuls: Ekspansi uap

hanya terjadi pada nozzle dan energi

kinetik diubah menjadi kerja mekanis pada

sudu – sudu turbin (tanpa terjadi ekspansi

uap)

2. Turbin Uap Tipe Reaksi: ekpansi uap

terjadi tidak hanya pada sudupengarah

tetapi juga pada sudu gerak.

Dari perbedaan dua jenis turbin diatas maka

dipilih turbin uap tipe impuls yang

dirancang.

Page 13: SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN …digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-9917-Presentation.pdf · salah satu cara meningkatkan efisiensi siklus adalah meningkatkan

Penentuan jumlah tingkat

Jenis Turbin uap Menurut tekanan Penurunan enthalpy maksimum

(tiap satu tingkat)

Low Pressure (LP) (43-86) kJ/kg

Intermediate Pressure (IP) 200 kJ/kg

High Pressure (HP) 100 kJ/kg

Penurunan Kalor

oHc 5,911

to iiH 10

Penurunan enthalpy dari data masukan

dari penurunan

enthalpy data

masukan

diketahui tingkat

yang dibutuhkan

adalah satu

tingkat

Penurunan kecepatan pada sisi keluar nozzle

Page 14: SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN …digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-9917-Presentation.pdf · salah satu cara meningkatkan efisiensi siklus adalah meningkatkan

Menghitung daya keluaran

y = 0.021ln(x) + 0.818

0.91

0.92

0.93

0.94

0.95

0.96

0.97

0.98

0.99

0 500 1000 1500

ηm

Ne (hp)

Efisiensi mekanis turbin

n = 3000 untuk absis

dikalikan 10

Log. (n = 3000 untuk

absis dikalikan 10)

y = 2E-14x3 - 5E-10x2 + 6E-06x + 0.924

0.925

0.93

0.935

0.94

0.945

0.95

0.955

0.96

0.965

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000

ηg

N3(KW)

Efisiensi generator menurut elektrosila

work

efisiensi generator

menurut elektrosila

work

Poly. (efisiensi

generator menurut

elektrosila work)

860

3600 00 GHNe

mgi

Ke halaman

selanjutnya

Setelah

meghitung daya

keluaran koreksi

desain dengan

daya keluaran

secara

thermodinamika

Page 15: SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN …digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-9917-Presentation.pdf · salah satu cara meningkatkan efisiensi siklus adalah meningkatkan

koreksi desain geometri perapat labirin

Perancangan geometri perapat labirin

sdf s ..1

2

5.1100

px

z

gfG skebocoran

atmkr pp

Ke halaman

selanjutnya

5.1

85.0 2

z

xPpkr

Jika Memenuhi maka

perancangan Perapat

Tidak Mengalami

Kebocoran

Page 16: SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN …digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-9917-Presentation.pdf · salah satu cara meningkatkan efisiensi siklus adalah meningkatkan

Pemilihan jenis nozzle

a. (konvergen-divergen)

b. (konvergen)

krPp

p

0

1

2

0 )5,91

( krkr

chh

krPp

p

0

1

0xPP krrdimana

001

2 pk

kgckr

Ke halaman

selanjutnya

Page 17: SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN …digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-9917-Presentation.pdf · salah satu cara meningkatkan efisiensi siklus adalah meningkatkan

Perhitungan Geometri NozzleKonvergen

Luas Penampang Pada Bagian keluar nozzle

).(1

nozzletinggilejumlahnozz

fa maks

1

1)(

c

GkebocoranGfmaks

Lebar Pada Bagian keluar untuk 1 nozzle

Ke halaman

Pemilihan Nozzle

Page 18: SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN …digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-9917-Presentation.pdf · salah satu cara meningkatkan efisiensi siklus adalah meningkatkan

Perhitungan Geometri NozzleKonvergen-divergen

Ke halaman

Pemilihan Nozzle

).(1

nozzletinggilejumlahnozz

fa maks

1

1)(

c

GkebocoranGfmaks

0

0

min

203

)(

P

GkebocoranGf

Luas Penampang Pada Bagian Leher(throat)

Luas Penampang Pada Bagian keluar nozzle

Lebar Pada Bagian Leher(throat) untuk 1 nozzle

lejumlahnozz

ff min'

min'

untuk 1 nozzle

lejumlahnozz

fa

'

minmin

Lebar Pada Bagian keluar untuk 1 nozzle

Panjang nozle Pada Bagian Divergen

2tan2

min1 aal

Page 19: SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN …digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-9917-Presentation.pdf · salah satu cara meningkatkan efisiensi siklus adalah meningkatkan

Pada Pemilihan U/C1 Maksimum Kita

Harus Melihat Beberapa Aspek, Yaitu:

1. Sudut α1 (14˚-20˚)

2. Sudut β2 (β1-3˚)-----(β1-6˚)

3. Nilai ηoi maksimum

Pemilihan U/C1 maksimum

Ke halaman

selanjutnya

Page 20: SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN …digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-9917-Presentation.pdf · salah satu cara meningkatkan efisiensi siklus adalah meningkatkan

Sudut α1Dengan Melakukan variasi sudut α1 dari 14˚-20˚, kita dapatkan grafik fungsi efisiensi internal

sebelum dikurangi kerugian akibat turbulensi

11

1

1

22 ))(coscos

cos1(2

c

u

c

uu

menurunkan α1 dari 20-14 menyebabkan nilai cos α1 menjadi

meningkat, dengan nilai Φ, Ψ, u/c1 sama dan perubahan β1

danβ2 sebanding. Maka harga ηu meningkat

dari grafik

diketahui efisiensi

maksimum dimiliki

oleh sudut 14˚

Ke halaman

pemilihan U/C1

Page 21: SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN …digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-9917-Presentation.pdf · salah satu cara meningkatkan efisiensi siklus adalah meningkatkan

Sudut β2Dari grafik

diketahui nilai pengurangan β2 dari (-3˚)---(-6˚)

Tidak memiliki pengaruh terlalu besar.

Hal ini sesuai dengan rumusan

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

-3,00

-4,00

-5,00

-6,00

Poly. (-4,00)

Poly. (-5,00)

Poly. (-6,00)

11

1

1

22 ))(coscos

cos1(2

c

u

c

uu

Ke halaman

pemilihan U/C1

Page 22: SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN …digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-9917-Presentation.pdf · salah satu cara meningkatkan efisiensi siklus adalah meningkatkan

Nilai ηoi maksimumDari grafik dketahui

nilai ηoi maksimum terdapat pada sudut α1 = 14˚, hal ini sesuai dengan rumusan

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

ηo

i

U/C1

ηoi fungsi U/C1

14

17

20

Poly. (14)

Poly. (17)

Poly. (20)

11

1

1

22 ))(coscos

cos1(2

c

u

c

uu

2

1

.

..

204

t

age

ageGc

gN

1043

. 10.ldnN age

..ageuoi

dengan α1 meningkat mengakibatkan penurunan nilai cos α1 dan dengan kerugian turbulensi tiap sudut memiliki nilai sama maka nilai ηoi maksimum terdapat pada sudut 14˚ dan nilai U/C1 pada 0.4

kerugian turbulensi

Ke halaman

pemilihan U/C1

Page 23: SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN …digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-9917-Presentation.pdf · salah satu cara meningkatkan efisiensi siklus adalah meningkatkan

Perhitungan Kerugian-kerugian

SEGITIGA KECEPATAN SISI OUTLET

Dari segitiga kecepatan pada sudu

Kerugian kinetik nozzle

Kerugian kinetik sudu gerak

α1

β1

c1

ω1

u

u

ω2

c2

α2

β2

8378

2

1

2

1 cch t

n

8378

2

2

2

1'

bh8378

2

2che

Ke halaman

selanjutnya

SEGITIGA KECEPATAN

SISI INLET

Kerugian carry over pada sudu gerak

Page 24: SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN …digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-9917-Presentation.pdf · salah satu cara meningkatkan efisiensi siklus adalah meningkatkan

efisiensi dalam relatif turbin tanpa menghitung kerugian pada katup pengatur

massa alir uap yang mengalir melewati turbin Koreksi dengan perhitungan sebelumnya

Jika ≤ 2% perhitungan memenuhi syarat

0

01H

H i

gmi

e

H

NG

3600

860'

%100'

'

xG

GGG

ageebn hhhhHHi .

'

0

Hitung penurunan kalor indikatif setelah menghitung kerugian turbulensi yang terjadi

G

Nh

age

age427

102 .

.

kerugian turbulensi

oox

rumusanu

tabelurumusanu2%100

)(

)()( Jika ≤ 2% perhitungan

memenuhi syarat

'

0

'

0

H

hhhH ebnu

Koreksi Perhitungan

Hitung ηu dari rumusan

Page 25: SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN …digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-9917-Presentation.pdf · salah satu cara meningkatkan efisiensi siklus adalah meningkatkan

Koreksi Desain Nozzle

1sindl

fmaksε > 0,2, sehingga desain dapat diterima

Desain Sudu Gerak

Tinggi masuk sudu tinggi sudu pada sisi keluar

selesai

2'

1 ll/

2

'

2

0'

sind

Gl

gb

gb

Jumlah sudu yang digunakan

Pu = (G/g)(c1u – c2u)

Maka jumlah sudu

u

u

uPx

xhxGxz

860

3600102 0

Page 26: SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN …digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-9917-Presentation.pdf · salah satu cara meningkatkan efisiensi siklus adalah meningkatkan

Hasil yang didapat:

• Massa alir uap yang dibutuhkan untuk menghasilkan daya output 150 KW

sebesar 8.107 kg/s.

• Jumlah tingkat yang dibutuhkan adalah turbin uap tipe impuls satu tingkat.

•Perapat labirin yang digunakan mempunyai geometri z = 40 sekat, diameter

poros d = 100mm, celah melingkar antara poros dan sekat labirin s = 0,3mm.

• Jenis nozzle yang digunakan adalah nozzle konvergen dengan geometri

penampang sisi keluar nozzle fmaks = 4.398 cm2, lebar nozzle pada sisi keluar

a1 = 3.665mm, tinggi nozzle pada bagian sisi keluar l = 12mm, jumlah nozzle =

10 nozzle.

•u/C1 maksimum pada nilai 0.5 dengan sudut α1 maksimum = 14°, u = 97.05

m/detik, d = 0.62 m, β1= 27.22˚, dan β2 = 22.22˚.

•Tinggi masuk sudu gerak 14mm, lebar sudu dengan l/b = 1, maka b =

14mm, jumlah sudu z = 60 blade, tinggi sudu pada bagian keluar lgb’=13.32mm.

Page 27: SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN …digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-9917-Presentation.pdf · salah satu cara meningkatkan efisiensi siklus adalah meningkatkan

Pemodelan Geometri dan

Komputasi secara Numerik

pada Software GAMBIT dan FLUENT 6.2Sudut α1 = 14˚ Sudut α1 = 17˚Kontur tekanan

Page 28: SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN …digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-9917-Presentation.pdf · salah satu cara meningkatkan efisiensi siklus adalah meningkatkan

Pemodelan Geometri dan

Komputasi secara Numerik

pada Software GAMBIT dan FLUENT 6.2Kontur kecepatan Sudut α1 = 14˚ Sudut α1 = 17˚

Page 29: SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN …digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-9917-Presentation.pdf · salah satu cara meningkatkan efisiensi siklus adalah meningkatkan

Pemodelan Geometri dan

Komputasi secara Numerik

pada Software GAMBIT dan FLUENT 6.2Path line aliran Sudut α1 = 14˚ Sudut α1 = 17˚

Dari path line diketahui aliran sudut α1 = 14˚ memiliki pathline lebih halus dibanding sudut 17˚

Page 30: SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN …digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-9917-Presentation.pdf · salah satu cara meningkatkan efisiensi siklus adalah meningkatkan

Kesimpulan

• Massa alir uap yang dibutuhkan untuk menghasilkan daya output 150 KW sebesar

8.107 kg/s.

• Jumlah tingkat yang dibutuhkan adalah turbin uap tipe impuls satu tingkat.

•Perapat labirin yang digunakan mempunyai geometri z = 40 sekat, diameter poros d =

100mm, celah melingkar antara poros dan sekat labirin s = 0,3mm.

• Jenis nozzle yang digunakan adalah nozzle konvergen dengan geometri penampang

sisi keluar nozzle fmaks = 4.398 cm2, lebar nozzle pada sisi keluar a1 = 3.665mm, tinggi

nozzle pada bagian sisi keluar l = 12mm, jumlah nozzle = 10 nozzle.

•u/C1 maksimum pada nilai 0.5 dengan sudut α1 maksimum = 14°, u = 97.05 m/detik, d

= 0.62 m, β1= 27.22˚, dan β2 = 22.22˚.

•Tinggi masuk sudu gerak 14mm, lebar sudu dengan l/b = 1, maka b = 14mm, jumlah

sudu z = 60 blade, tinggi sudu pada bagian keluar lgb’=13.32mm.

Page 31: SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN …digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-9917-Presentation.pdf · salah satu cara meningkatkan efisiensi siklus adalah meningkatkan

TERIMA KASIHTerima kasih mohon kritik dan saran