resume materi mesin
Post on 09-Mar-2016
16 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
-
TUGAS RESUME
MATA KULIAH MESIN-MESIN FLUIDA
Diususun oleh :
Febrilia Ramadani 2412100032
PROGRAM STUDI S-1 TEKNIK FISIKA
JURUSAN TEKNIK FISIKA
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
SURABAYA
2015
-
RESUME MATERI MESIN-MESIN FLUIDA
1. Analisis dan Rancangan Steam Turbin
1.1 Geometri Blade
Gambar 1. Geometri blade
Kebanyakan Airfoil memiliki bagian bawah yang datar sedangkan bagian
atasnya membentuk chamber (melengkung). Perkembangan berikutnya, airfoil
dengan lower surface berbentuk lengkungan mulai digunakan, yang dikenal dengan
"double-cambered airfoils". Demikian juga airfoil dengan lower surface berbentuk
cekung ( concave ) yang disebut "under-cambered airfoil". Dalam geometri blade
juga harus memperhatikan ascpect ratio dari airfoil tersebut. Aspect ratio
didefinisikan sebagai perbandingan antara kuadrat span (s2) dengan luas area dari
airfoil.
AR =
(1)
Berdasarkan definisi aspect ratio, untuk blade area yang sama, maka high
aspect ratio blade (blade yang panjang dan ramping) mempunyai ujung-ujung
yang terpisah lebih jauh dibanding dengan low aspect ratio blade (blade yang
pendek dan gemuk). Sebagai akibatnya, pengaruh tip vortex (aliran melingkar)
tidak begitu dirasakan (lebih sedikit ) dibanding dengan low aspect ratio blade.
Oleh karena itu pada high aspect ratio blade tidak banyak kehilangan lift dan
penambahan drag ( yang dikarenakan pengaruh tip-nya ). Berat blade juga akan
bertambah seiring dengan bertambahnya AR. Karenanya pada high speed aircraft
digunakan blade dengan low AR dengan tujuan untuk memperkecil berat dari wing
tersebut. Pengaruh perubahan AR adalah adanya perubahan sudut stall (stall).
Akibat berkurangnya eff (efektifitas angle of attack) pada tip.
-
1.2 Blade Nomenclature
Gambar 2. Bentuk Blade
Keterangan :
1 = blade inlet angle
2 = blade oulet angle
= blade chamber angle
= 1 - 2
= setting or stagger angle
s = pitch (or space)
= deflection
= 1 - 2
1 = air inlet angle
2 = air oulet angle
V1 = air inlet velocity
V2 = air outlet velocity
i = incidence angle
= 1 - 1
= deviation angle
= 2 - 2
c = chord
-
1.3 Perbedaan Turbin dan Kompressor
Gambar 3. Turbin dan compressor
Kompressor Turbin
Bekerja untuk menaikkan tekanan Bekerja untuk menurunkan tekanan
Bekerja sebagai diffuser Bekerja sebagai nozzle
Membutuhkan kerja Menghasilkan kerja
Arah putaran berlawanan dengan lift Arah putaran sama dengan lift
Suhu rendah Suhu tinggi
1.4 Perbedaan Turbin Radial dan Axial
Gambar 4. Turbin radial
Gambar 5. Turbin axial
-
Radial Axial
Digunakan untuk mesin mesin kecil Digunakan untuk mesin-mesin besar
Mass flow rate kecil Mass flow rate besar
Effisiensi rendah Effisiensi lebih tinggi
Harga lebih murah Harga lebih mahal
Mudah dibuat Sulit dibuat
2. Turbin
Turbin adalah perangkat yang digunakan untuk mengekstraksi kerja dari fluida
kerjanya. Tipe turbin dapat dibagi dari jenis fluida, tipe bilah, jumlah bilah maupun arah
alirannya. Pembahasan mengenai turbin ini akan dimulai dengan tipe turbin dengan
aliran fluida aksial dan fluida kerjanya adalah uap.
Gambar 6. Rotor turbin uap
Steam meninggalkan rotor pada 3, T3, dengan kecepatanV3 pada sudut 3. C3 dan
3 dapat didapatkan dari velocity diagram.
Gambar 7. Diagram T-s untuk turbin 1 stage
-
Dengan mengasumsikan :
Kondisi di tengah blade menunjukkan rata-rata dari keseluruhan phenomena.
Hal ini valid utk rasio tip radius dengab root radius rendah.
Untuk rasio tinggi, pengaruh 3-D harus ditinjau.
Perubahan komponen axial menghasilkan axial thrust di rotor.
a) Segitiga Kecepatan
Gambar 8. Segitiga kecepatan turbin
Steam memasuki barisan nozzle blades dengan static pressure dan
temperature P1, T1, dan velocity C1, diekspansikan ke P2, T2, dengan kenaikan
velocity C2 pada sudut 2.
Sudut rotor dipilih untuk sesuai dengan 2 dari kecepatan steam V2 relative
dengan blade di inlet.
V2 dan 2 didapatkan dari diagram kecepatan yang diketahui, yaitu C2, 2, dan
U.
C1 axial 1 = 0, dan C1 = C1. Untuk stage yang sama C1 = C3, dan 1 = 3,
dinamakan repeating stage.
Karena perubahan U dengan radius, velocity triangles berubah dari root ke
tip.
b) Perhitungan Segitiga Kecepatan
Anggap Ca = konstan
2 3Ca Ca
Ca
2 2tan tanU Ca Ca
2 2
3 3
tan tan
tan tan
U
Ca
2 2 3tan tan tan tane
-
tan 2 + tan 3 = tan 2 + tan 3 (1)
mengaplikasikan prinsip momentum anguler
dari persamaan 1 maka akan di dapat
persamaan energi untuk 1 stage adalah
W = Cp Tos
dengan Tos adalah suhu isentropic, sehingga
Asumsi : sistem merupakan proses isentropic S1 = S2, fluida yang digunakan
adalah gas ideal dan sistem merupakan proses adiabatic.
Dimana s adalah effisiensi isentropic didasarkan pada stagnation (total)
temperature.
Dimana adalah koeffisien temperature drop, karena
Tos = U Ca (tan 2 + tan 3)/Cp
maka persamaan menjadi
2 3
2 3
(
( )(tan tan )
sW U Cw Cw
U Ca
2 3(tan tan )sW U Ca
2 3(tan tan ) /
1.148, 1.333 dan 41
so p
p
T U Ca C
C
1 3,
3,
1
1
1
1 3
1
1
11
/
s isent
isent
isent
o s o
s o o
o
s o
o
s o
o o
T T
T T
TT
T
TP P
1 3
1 3
o o
s
o o
T T
T T
2
2sp o
C T
U
2 32 (tan tan ) /aC U
-
degree of reaction : 0 1
(a)
Untuk Ca = konstan dan C3 = C1 maka :
Cp(T1 T3) = Cp(To1 T3)
= U Ca(tan 2 + tan 3)
Dan relative rotor terhadap blade kemudian
Subsitusikan ke (a) sehingga menjadi :
= 0.5 2 = 3 dan 3 = 2
= 0 Impulse turbine V3 = V2 dan 3 = 2
= 1 C3 = C2 dan 3 = 2
Koeffisien aliran
2,3 2,3 2 3
1,3 1 31,3
rotor
total
h T T T
T T Th
2 2
2 3 3 2
2 2 2
3 2
2 2 2
3 2
1( )
2
1sec sec
2
1tan tan
2
p
a
a
C T T V V
C
C
2 213 222 3
1 3 2 3
tan tan
tan tan
a
a
CT T
T T U C
13 2(tan tan )
2
C
U
3 2
3 2
2 22 2 2 2
3 2
2 2
2 2 2 2
3 2tan tan
a w a w
w w
a a
V V C C u C C u
C u C u
C C
aC
U
2 1
3 2
2 (tan tan )
(tan tan )2
-
Tambahkan dan
Dari :
Jika , , dan diasumsikan, sudut blade dapat ditentukan.
Untuk aplikasi aircraft:
3 < < s, 0.8 < < 1
Untuk aplikasi industrial:
lebih kecil (stage lebih)
lebih kecil (ukuran mesin besar)
3 < 20 (to min. losses in nozzle)
3. Kompressor
Kompresor merupakan suatu komponen utama dalam sebuah instalasi turbin gas.
Sudu kompresor terdiri dari sudu gerak dan sudu tetap. Penampang sudu adalah
berbentuk aerofoil. Aerofoil merupakan bentuk aerodinamik yang paling efektif untuk
menghasilkan gaya angkat.
Gambar 9.konstruksi dan jenis-jenis pemasangan sudu pada rotor
a) Segitiga Kecepatan pada Sudu Kompressor
Pada analisis dua dimensi, maka proses yang terjadi dalam kompresor adalah
beberapa kondisi. Kondisi inilah yang kemudian mengalami pengulangan dalam
tingkat-tingkat berikutnya dalam sebuah kompresor. Berikut gambaran tentang
kondisi dalam ruang annulus kompresor.
3
1 1tan 2
2 2
2
1 1tan 2
2 2
2 2
3 3
3 3
2 2
(tan tan )
(tan tan )
1tan tan
1tan tan
a
a
U C
U C
-
Gambar 10. Kompresor 1 stage
Kondisi 1 merupakan ruang dimana fluida sebelum melewati sudu gerak tingkat
pertama. Sedangkan kondisi 2 adalah kondisi fluida setelah melewati sudu gerak dan
akan melalui sudu tetap tingkat pertama. Dan kondisi 3 adalah kondisi dimana fluida
setelah melewati tingkat pertama dan akan melewati sudu gerak tingkat kedua dalam
kompresor dan begitulah tahapan atau kondisi ini berlanjut sampai pada tingkat
terakhir. Notasi 1, 2 dan 3 pada tingkat pertama kompresor ini, kemudian bisa
digambarkan pada segitiga kecepatan dengan notasi subscript yang sama seperti pada
gambar berikut :
Gambar 11. Segitiga kecepatan kompresor 1 stage
Segitiga kecepatan untuk satu tingkat kompresor dapat dilihat pada gambar 11
dimana kecepatan absolut dan arah aliran pada sisi keluar, sama dengan pada sisi
masuk. Aliran dari tingkat sebelumnya atau dari sudu pengarah memiliki kecepatan
C1 dan arah 1. Dan w1 merupakan kecepatan relatif dengan sudut 1. Kemudian
-
aliran fluida membentuk sudut 2 pada sisi keluar dengan kecepatan relatif w2.
Dengan menambahkan kecepatan sudu, U, maka akan menhasilkan kecepatan
absolut dari rotor, C2 dengan sudut sebesar 2. Kemudian sudu stator akan
membelokkan aliran sehingga kecepatan keluar adalah C3 dengan sudut 3. Beginilah
diagram kecepatan pada satu tingkat kompresor, dan kemudian proses seperti ini
akan kembali berlanjut pada tingkat selanjutnya sampai pada tingkat terakhir dari
kompresor aksial.
C1 = C2 = C
b) Peningkatan Temperatur Stagnasi
Kenaikan temperatur seluruh tingkat adalah selisih antara temperatur udara keluar
dengan temperatur udara masuk kompresor. Dari diagram T s untuk kompresor
dapat dilihat kenaikan temperatur untuk seluruh tingkat yaitu:
T = T02 T01
Gambar 12. Diagram T-s kompresor 1 stage
Sedangkan kenaikan temperature tiap tingkatnya adalah :
T0s =
Dimana : = Faktor kerja setiap tingkat, besarnya antara 0,80 1,0
U = Kecepatan keliling sudu rata-rata
1 = Sudut kecepatan masuk aksial 2 = Sudut kecepatan keluar aksial
-
c) Perbandingan Tekanan pada 1 Stage
[
]
4. Wind Power
4.1 Angin
Besarnya energy pada angin tergantung pada kecepatan angin dan massa jenis
atau udara yang bergerak tersebut, sehingga daya yang dihasilkan dapat diketahui
dari energy kinetic yang dihasilkan oleh angin tersebut.
Ek =
P =
=
=
=
Dimana :
Ek = Enegi kinetic (Joule)
P = Daya Angin (Watt)
v = kecepatan angina (m/s)
= massa jenis angin
A = luas penampang bidang putar sudu
4.2 Turbin Angin
Turbin angin merupakan salah satu alat yang mekanisme kerjanya
memanfaatkan energi angin untuk dijadikan pembangkit listrik. Turbin angin
memanfaatkan energi kinetik angin dan mengubahnya kedalam bentuk energi gerak
putaran rotor dan poros generator untuk menghasilkan energi listrik. Energi gerak
yang berasal dari angin akan diteruskan menjadi gaya gerak dan torsi pada poros
generator yang kemudian akan dihasilkan energi listrik. Berdasarkan arah sumbu
geraknya, turbin angin terbagi menjadi 2, yaitu: turbin angin sumbu horizontal dan
turbin angin sumbu vertikal. Turbin angin sumbu horizontal memiliki sumbu putar
yang sejajar dengan tanah. Turbin angin sumbu vertikal memiliki sumbu putar yang
arahnya tegak lurus dengan tanah.
-
a) Turbin Angin Sumbu Horizontal
Turbin angin sumbu horizontal mempunyai sumbu putar yang terletak sejajar
dengan permukaan tanah dan sumbu putar rotor yang searah dengan arah
angin.Komponen utama turbin angin sumbu horizontal meliputi : Sudu (blade),
ekor (tail), tiang penyangga (tower), dan alternator.
Gambar 13. Turbin angin sumbu horizontal
b) Turbin Angin Sumbu Vertikal
Turbin angin poros vertikal atau yang lebih dikenal memiliki ciri utama yaitu
keberadaan poros tegak lurus terhadap arah aliran angin atau tegak lurus
terhadap permukaan tanah. Keuntungan dari konsep turbin angin sumbu vertikal
adalah lebih sederhana perancangan dan pembuatannya dibandingkan turbin
angin sumbu horizontal. Keuntungan-keuntungan tersebut diantaranya adalah
memungkinkan penempatan komponen mekanik, komponen elektronik,
transmisi roda gigi, dan generator dekat dengan permukaan tanah. Rotor turbin
angin sumbu vertikal berputar tanpa dipengaruhi arah datangnya angin sehingga
tidak membutuhkan mekanisme pengatur arah (seperti ekor) seperti pada turbin
angin sumbu horizontal.
Gambar 14. Turbin angin sumbu Vertikal
-
4.3 Power Coefficient
Power Coefficient (Cp) adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan secara
mekanik pada sudu akibat gaya angina terhadap daya yang dihasilkan oleh gaya lift
pada aliran udara, seperti yang dapat dituliskan pada persamaan berikut :
[[ (
)
] [
]]
Dimana :
Cp = koeffisien daya
P = Daya mekanik yang dihasilkan rotor
P0 = daya mekanik total yang terkandung dalam angina yang melalui sudu
= massa jenis udara
A = luas penampang bidang putar sudu
V1 = kecepatan aliran udara sebelum melewati rotor
V2 = kecepatan aliran udara setelah melewati rotor
Gambar 15. Kecepatan udara masuk dan keluar turbin
Daya maksimum yang bisa dihasilkan oleh turbin angina adalah sebesar :
Pmax = 0.593 (
)
top related