TURBIN UAPPengertian Turbin Uap Turbin uap adalah suatu mesin sebagai penggerak mula untuk mengubah energi potensial uap menjadi energi kinetik dengan cara mengekspansikan uap dalam saluran yang disebut nosel atau sudu tetap. Kemudian energi kinetik diubah menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros turbin karena tumbukan uap yang mempunyai kecepatan tinggi pada sudusudu turbin.

23-Jan-12

Mesin Termal

1

Energi mekanik inilah yang nantinya dimanfaatkan untuk berbagai kebutuhan, baik dihubungkan langsung pada poros turbin atau dengan menggunakan roda gigi reduksi. Daya dan putaran poros turbin dapat dihubungkan sesuai kebutuhan mekanisme yang dipakai. Pada umumnya turbin uap digunakan sebagai penggerak generator listrik berskala besar selain dipergunakan untuk kebutuhan sampai jutaan watt dan juga berskala kecil untuk pabrik, kapal-kapal, kereta api dan lain-lain.

23-Jan-12

Mesin Termal

2

Klasifikasi Turbin Uap Turbin uap dapat diklassifikasikan dalam beberapa kategori yang berbeda yaitu: 1. Menurut jumlah tingkat tekanan a. Turbin satu tingkat dengan satu atau lebih tingkat kecepatan yang biasanya berskala kecil dan kebanyakan dipakai sebagai penggerak kompresor, blower dan mesin-mesin berukuran kecil. b. Turbin impuls dan reaksi banyak tingkat.23-Jan-12 Mesin Termal 3

2. Menurut arah aliran uap a. Turbin aksial yang uapnya mengalir dalam arah sejajar dengan sumbu turbin. b. Turbin radial yang uapnya mengalir secara tegak lurus terhadap sumbu turbin 3. Menurut jumlah silinder a. Turbin silinder tunggal b. Turbin silinder ganda c. Turbin tiga silinder d. Turbin empat silinder

23-Jan-12

Mesin Termal

4

4. Menurut Metode Pengaturan Turbin dengan pengaturan pencekikan yang uap segarnya masuk melalui satu atau lebih katup yang dioperasikan serempak Turbin dengan pengaturan nosel yang uap segarnya masuk melalui dua atau lebih pengatur pembuka yang berurutan

23-Jan-12

Mesin Termal

5

5. Menurut Prinsip Aksi uap a. Turbin impuls yang energi potensial uapnya diubah menjadi energi kinetik di dalam nosel atau laluan yang dibentuk sudu-sudu diam yang berdekatan dan dalam sudu-sudu gerak energi kinetik uap diubah menjadi energi mekanik. b. Turbin reaksi aksial yang ekspansi uapnya antara laluan sudu baik sudu pengarah maupun sudu-sudu gerak tiaptiap tingkat berlangsung sama c. Turbin rekasi radial tanpa sudu pengarah yang diam d. Turbin reaksi radial dengan sudu pengarah yang diam

23-Jan-12

Mesin Termal

6

6. Menurut proses penurunan kalor a. Turbin kondensasi dengan regenerator b. Turbin kondensasi dengan satu atau dua penceraan c. Turbin tekanan lawan

23-Jan-12

Mesin Termal

7

7. Menurut kondisi-kondisi uap pada masuk sisi turbin a. Turbin tekanan rendah yag memakai uap dengan tekanan 1,2 2 atm b. Turbin tekanan menengah yang memakai uap pada tekanan sampai 40 atm c. Turbin tekanan tinggi yang memakai uap pada tekanan diatas 40 atm d. Turbin tekanan sangat tinggi yang memakai uap pada tekanan diatas 170 atm dan temperatur diatas 550oC

23-Jan-12

Mesin Termal

8

8. Menurut pemakaian dibidang industri a. Turbin stasioner dipakai untuk menggerakkan generator b. Turbin stasioner dipakai untuk menggerakkan blower, pompa dan lain-lain c. Turbin yang tidak stasioner untuk kapal-kapal laut, lokomotif.

23-Jan-12

Mesin Termal

9

Prinsip Kerja TurbinPada roda turbin terdapat sudu dan fluida kerja (uap) mengalir melalui ruang diantara sudu tersebut. Roda turbin dapat berputar karena ada gaya yang bekerja pada sudu. Gaya tersebut timbul karena terjadinya perubahan momentum dari uap yang mengalir di antara sudu. Jadi sudu dibentuk sedemikian rupa sehingga dapat terjadi perubahan momentum pada uap tersebut. Hal ini dapat dijelaskan dengan mempergunakan Gambar 1.

23-Jan-12

Mesin Termal

10

Gambar 123-Jan-12 Mesin Termal 11

TURBIN IMPULSTurbin impuls adalah turbin dimana proses ekspansi dari uap (proses penurunan tekanan) hanya terjadi didalam sudu-sudu tetapnya saja. Jadi dalam hal ini diharapkan tidak terjadi penurunan tekanan di dalam sudu gerak. Komponen-komponen utama turbin impuls terdiri dari: a. Nosel b. Sudu gerak dan roda turbin c. Rumah turbin

23-Jan-12

Mesin Termal

12

NOSELNosel berfungsi untuk menaikkan energi kinetik uap. Jenis-jenis nosel ada 3 yaitu: Nosel kovergen Nosel divergen Nosel Konvergen-divergen Kecepatan teoritis uap keluar dari nosel adalah:

Vt ! 44,7223-Jan-12 Mesin Termal

(h13

Dimana: h = penurunan entalpi spesifik = h1 - h2 h1 = entalpi spesifik masuk nosel (kJ/kg) h2 = entalpi spesifik keluar nosel (kJ/kg) Kecepatan uap aktual keluar nosel:

Va = 44,72.Dimana :

(h

= koefisien kecepatan nosel = 0,91 s/d 0,98

23-Jan-12

Mesin Termal

14

Kerugian energi pada nosel, hnVt 2 Va 2 hn ! kJ / kg 2000

Contoh: Uap dengan tekanan 20 bar, 350oC diekspansikan dalam suatu nosel tanpa kerugian menjadi uap dengan tekanan 3 bar. Hitunglah kecepatan akhir uap.

23-Jan-12

Mesin Termal

15

Penyelesaian: Dari diagram h-s

23-Jan-12

Mesin Termal

16

Dari diagram h s Selisih entalpi, h = 3140 2715 = 425 kJ/kg Maka: V2 = 44,72 h = 44,72 x 425 = 923 m/s (jawab) Jika ada kerugian gesekan pada nosel 5 %, maka kecepatan uap aktual adalah: Va = 0,95 x 923 m/s = 876,85 m/s23-Jan-12 Mesin Termal 17

Kerugian energi nosel besarnya adalah:

pada

923 2 876,25 2 hn ! 2000 = 42,1 kJ/kgLukisan dalam diagram h s dengan adanya kerugian gesekan:

23-Jan-12

Mesin Termal

18

Jenis-jenis Turbin ImpulsJenis-jenis turbin impuls terdiri atas: 1. Turbin impuls sederhana atau turbin tingkat tunggal (Turbin De Laval) 2. Turbin impuls kecepatan bertingkat (Turbin Curtis) 3. Turbin impuls tekanan bertingkat (Turbin Rateau)

23-Jan-12

Mesin Termal

19

Turbin Impuls Bertingkat Tunggal (Turbin De Laval)Keadaan aliran uap di dalam Turbin De Laval tersebut dapat dijelaskan dengan menggunakan grafik tekanan dan kecepatan absolut seperti pada Gambar 2. Seperti terlihat pada gambar tsb, di dalam turbin uap diekspansikan di dalam satu nosel . Kecepatan uap naik karena nosel adalah alat yang berfungsi menaikkan kecepatan uap. Setelah itu uap mengalir ke dalam baris sudu gerak pada tekanan tetap. Kecepatan absolut uap turun karena energi kinetik uap diubah menjadi kerja memutar roda turbin.

23-Jan-12

Mesin Termal

20

Gambar 2

23-Jan-12

Mesin Termal

21

Diagram Kecepatan Untuk memudahkan analisis daya yang dihasilkan sudu diperlukan suatu diagram yang disebut dengan diagram kecepatan seperti pada Gambar 3.

Keterangan gambar: U1 = U2 = U = kecepatan sudu V1 = kecepatan absolut masuk sudu gerak Vr1 = kecepatan relatip uap masuk thp sudu = sudut sudu masuk 1 = sudut nosel (sudut uap masuk) 1 Vf1 = V1 sin 1 = kecepatan aliran masuk Vu1 = V1 cos 1 = kecepatan pusingan masuk V2 = kecepatan absolut keluar sudu gerak Vr2 = kecepatan relatip uap keluar thp sudu = sudut sudu keluar 2 = sudut uap keluar 2 Vf2 = V2 sin 2 = kecepatan aliran keluar Vu2 = V2 cos 2 = kecepatan pusingan keluar23-Jan-12 Mesin Termal 23

Daya yang dihasilkan sudu, P: P = mu (Vu1 + Vu2) U Dimana mu = laju aliran uap (kg/s) Efisiensi sudu :

L!Gaya aksial pada sudu: Fy = mu (Vf1 Vf2) Gaya gerak roda Fx = mu (Vu1 + Vu2)23-Jan-12

2(Vu1 Vu 2 ) U V2

(N)

(N)Mesin Termal 24

Pada turbin De Laval uap masuk roda (runner) melalui nosel dengan kecepatan 500 m/s dan sudut nosel 20o. Kecepatan sudu 200 m/s dan sudut keluar dari sudu gerak 25o. Hitunglah sudut masuk dari sudu gerak, kecepatan uap keluar, kerja per kg uap. Penyelesaian:

23-Jan-12

Mesin Termal

25

Diketahui: = 20o 1 V1 = 500 m/s U = 200 m/s = 25o 2 Dari diagram segitiga kecepatan: = 32o dan 2 = 59o 1 V2 = 175 m/s Vu1 = 470 m/s dan Vu2 = 90 m/s W = (Vu1 + Vu2) U = (470 + 90) 200 = 112000 J/kg = 112 kJ/kg

23-Jan-12

Mesin Termal

26

Catatan: Jika sudu-sudu simetris, maka 1 = 2 Kecepatan sudu U = D N / 60 Dimana :D = diameter roda turbin N = putaran turbin (rpm) Perbandingan U/V = 0,5 (teoritis) U/V = 0,46 (untuk efisiensi maks.) Jika kerugian gesekan pada sudu gerak diperhitungkan maka : Vr2 = Cv . Vr1 Cv = 0.75 s/d 0,8523-Jan-12 Mesin Termal 27

TURBIN IMPULS KECEPATAN BERTINGKAT (TURBIN CURTIS)Kecepatan uap keluar pada turbin bertingkat tunggal masih berkecepatan tinggi, jadi masih mengandung energi. Salah satu cara untuk mengurangi kerugian energi yang terlalu besar adalah dengan mengekspansikan uap secara bertahap di dalam turbin bertingkat ganda. Jadi dengan turbin bertingkat ganda energi uap yang tidak terserap oleh suatu baris sudu gerak masih dapat diserap oleh baris sudu gerak pada tingkat berikutnya. Selain itu perlu dijelaskan bahwa kemampuan sudu menyerap energi uap juga terbatas.

23-Jan-12

Mesin Termal

28

Maka dengan turbin bertingkat ganda diharapkan proses penyerapan energi (proses pengubahan energi fluida kerja menjadi energi mekanik) dapat berlangsung efisien. Gambar 4 melukiskan perubahan tekanan dan kecepatan absolut dari uap di dalam turbin implus kecepatan bertingkat. Dalam hal tersebut uap hanya diekspansikan di dalam nosel (baris sudu tetap yang pertama) dan selanjutnya tekanan tetap.

23-Jan-12

Mesin Termal

29

Namun demikian turbin tsb masih termasuk dalam golongan turbin impuls karena di dalam baris sudu gerak tidak terjadi ekspansi (penurunan tekanan) Meskipun tekanan uap di dalam sudu gerak konstan, kecepatan absolut turun karena sebagian dari energi uap diubah menjadi kerja memutar roda turbin. Kecepatan uap di dalam baris sudu tetap berikutnya tidak naik karena tekanan konstan. Dalam hal tsb terakhir sudu tetap dibentuk sedemikian rupa sehingga tidak terjadi ekspansi.

23-Jan-12

Mesin Termal

30

Diagram kecepatan untuk Turbin Impuls Kecepatan bertingkat.

23-Jan-12

Mesin Termal

32

Keterangan gambar: U1 = U2 = U3 = U4 = U = kecepatan sudu V1 = kecepatan absolut masuk sudu gerak baris I Vr1 = kecepatan relatip uap masuk thp sudu 1 = sudut sudu masuk gerak baris I 1 = sudut nosel (sudut uap masuk) Vf1 = V1 sin 1 = kecepatan aliran masuk s.g I Vu1 = V1 cos 1 = kecepatan pusingan masuk s.g I V2 = kecepatan absolut keluar sudu gerak s.g I Vr2 = kecepatan relatip uap keluar thp sudu s.g I 2 = sudut sudu keluar s.g I 2 = sudut uap keluar s.g I Vf2 = V2 sin 2 = kecepatan aliran keluar s.g I Vu2 = V2 cos 2 = kecepatan pusingan keluar s.g I23-Jan-12 Mesin Termal 33

V3 = kecepatan absolut masuk sudu gerak baris II Vr3 = kecepatan relatip uap masuk thp sudu gerak baris I 3 = sudut sudu masuk sudu gerak baris II 3 = sudut uap masuk sudu gerak baris II Vf3 = V3 sin 3 = kecepatan aliran masuk sudu gerak baris II Vu3 = V3 cos 3 = kecepatan pusingan s.g II V4 = kecepatan absolut keluar sudu gerak baris II Vr4 = kecepatan relatip uap keluar thp sudu gerak baris II 4 = sudut sudu keluar s.g II 4 = sudut uap keluar Vf3 = V3sin 3 = kecepatan aliran masuk s.g II Vu4= V4cos 4 = kecepatan pusingan s.g II

23-Jan-12

Mesin Termal

34

Contoh soal: Turbin Impuls kecepatan bertingkat mempunyai dua baris sudu gerak dengan satu baris sudu tetap. Uap meninggalkan nosel pada kecepatan 900 m/s. Sudut nosel 18o. Kecepatan sudu 150 m/s dan sudut sudu keluar 24o, 26o dan 30o untuk sudu gerak baris pertama, sudu tetap dan sudu gerak baris kedua. Koefisien kecepatan untuk semua baris sudu 0,9. Suplai uap 4500 kg/jam. Hitunglah: Daya yang dihasilkan turbin

23-Jan-12

Mesin Termal

35

Penyelesaian:

23-Jan-12

Mesin Termal

36

Dari diagram kecepatan diperoleh: GH = Vu1+ Vu2 = 1400 m/s IJ = Vu3 + Vu4 = 690 m/s Daya yang dihasilkan turbin: P = m (GH + IJ) U = 1,25 kg/s (1400+690)m/s x 150 m/s = 391875 Watt = 391,875 kW

23-Jan-12

Mesin Termal

37

TURBIN REAKSI

Di dalam turbin reaksi proses ekspansi (penurunan tekanan) terjadi baik di dalam baris sudu tetap maupun sudu gerak. Turbin reaksi juga dinamai turbin Parsons sesuai dengan nama pembuatnya yang pertama, yaitu Sir Charles Parsons. Grafik tekanan dan kecepatan absolut dari uap di dalam turbin reaksi dapat dilihat pada Gambar

23-Jan-12

Mesin Termal

38

Ciri dari sudu gerak reaksi dapat dilihat pada Gambar dibawah ini:

23-Jan-12

Mesin Termal

39

Meskipun demikian, kecepatan absolut uap keluar sudu gerak lebih kecil daripada kecepatan absolut uap masuk sudu gerak, oleh karena sebagian energi kinetik diubah menjadi kerja memutar roda turbin. Tekanan uap keluar sudu lebih rendah daripada tekanan masuk sudu, sehingga hal tersebut akan memperbesar gaya aksial pada bantalan.

23-Jan-12

Mesin Termal

40

Untuk mengetahui berapa besar penurunan entalpi uap didalam baris sudu gerak, di dalam satu tingkat, biasanya dipakai parameter derajat reaksi yang didefinisikan sebagai:

Atau

h h DR ! 1 2 ht1 ht 2 satu , tingkat

h h2 DR ! 1 w satu , tingkat

23-Jan-12

Mesin Termal

41

Atau:

v r 2 2 v r12 DR ! 2 2 2 2 (V1 V2 ) (v r1 v r 2 satu , tingkat

Dimana: h = ht = berturut-turut entalpi dan entalpi total dari uap persatuan berat fluida kerja V dan vr = berturut-turut adalah kecepatan absolut dan kecepatan relatip dari uap W = kerja yang dihasilkan oleh rotor dari tingkat yang bersangkutan persatuan berat fluida kerja 1,2 = berturut-turut menyatakan bagian masuk dan keluar sudu gerak.

23-Jan-12

Mesin Termal

42

Dari rumusan diatas dapat disimpulkan sbb: DR = 0 berarti vr2 = vr1 Dalam hal ini p2 = p1, yaitu tidak terjadi penurunan tekanan didalam sudu gerak, sehingga merupakan sudu impuls (impuls 100%). b. DR = 1 berarti V2 = V1, artinya penurunan tekanan hanya terjadi di dalam sudu gerak (impuls 0%).

23-Jan-12

Mesin Termal

43

Namun demikian dalam praktek tidak dijumpai turbin reaksi 100% maupun turbin impuls 100%. Hal tsb disebabkan karena selalu ada gesekan antara fluida kerja dengan stator dan rotor, sehingga didalam sudu tetap maupun sudu gerak terjadi penurunan tekanan. Turbin impuls biasanya bekerja dengan derajat reaksi 5 = 10%. Untuk turbin reaksi, kebanyakan menggunakan derajat reaksi 50%, dapat diperoleh pengubahan energi fluida kerja menjadi kerja mekanik yang sebaik-baiknya jika V1 = u. Sedangkan untuk turbin impuls hal tersebut tercapai pada V1 = 2 u atau u = V1/2

23-Jan-12

Mesin Termal

44

Soal-soal1. Uap masuk ke turbin impuls Delaval pada 60 bar dan 500 oC dan keluar pada 20 bar. Alirannya adiabatik dan mampu balik. Sudut nosel 20o . Kecepatan sudu sesuai dengan efisiensi sudu maksimum. Sudu gerak simetris. Gambarkan diagram kecepatan dan hitung: a. Kecepatan uap keluar dari nosel b. Sudut masuk sudu. c. Daya kuda yang dihasilkan oleh aliran uap sebesar 1 kg/s d. Efisiensi sudu

23-Jan-12

Mesin Termal

45