TUGAS ITURBIN GAS(Turbin Radial-inflow)

Oleh :AGUS KURNIAWAN (0715021022)IWAN PRIATAMA (0815021009)ROY RONAL MANIK (0815021015)

JURUSAN TEKNIK MESINFAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS LAMPUNG2013

I. PENDAHULUAN

A. Latar BelakangTurbin Radial-inflow telah digunakan selama bertahun-tahun sebagai kekuatan yang memproduksi unit yang praktis di bidang turbin hidrolik . Awalnya kompresor sentrifugal dengan arus terbalik dan rotasi Opposite , turbin radial - inflow yang pertama digunakan dalam mesin jet penerbangan pada tahun 1930-an . Dianggap sebagai kombinasi alami untuk kompresor sentrifugal yang digunakan dalam mesin yang sama . Rancangan itu lebih mudah untuk mencocokkan dorongan dari dua rotor dan turbin, sehingga akan memiliki efisiensi yang lebih tinggi dibandingkan kompresor untuk rotor yang sama karena sifatnya mempercepat aliran.

Kinerja turbin radial - inflow sekarang sedang diteliti dengan transportasi dan bahan kimia industri : dalam transportasi , turbin ini digunakan dalam turbocharger untuk kedua busi dan mesin diesel , dalam penerbangan , turbin radial - inflow digunakan sebagai expander dalam sistem kontrol lingkungan, dan dalam industri petrokimia, digunakan dalam rancangan expander , ekspander pencairan gas , dan sistem kriogenik lainnya . Turbin radial - inflow juga digunakan dalam berbagai turbin gas kecil untuk helikopter listrik dan sebagai unit pembangkit siaga .

Keuntungan terbesar radial - inflow turbin adalah bahwa karya yang dihasilkan oleh satu tahap yang setara dengan dua atau lebih tahap dalam turbin aksial . Fenomena ini terjadi karena turbin radial - inflow biasanya memiliki kecepatan ujung lebih tinggi dari turbin aksial . Karena output daya adalah fungsi dari kuadrat kecepatan ujung ( PU2 ) untuk tingkat aliran tertentu , pekerjaan lebih besar dari pada satu tahap turbin aliran aksial .

Turbin Radial - inflow memiliki keuntungan lain : biaya jauh lebih rendah dibandingkan dengan turbin aliran aksial tunggal atau multistage . Radial inflow turbin memiliki efisiensi turbin lebih rendah dari turbin aliran aksial , namun , biaya awal yang lebih rendah mungkin merupakan insentif untuk memilih turbin radial - inflow .

Gambar 1. pengaruh bilangan Reynolds pada efisiensi turbin panggung.

Radial-inflow turbin memiliki persamaan bilangan Reynolds menjadi cukup rendah Re = 105 106 bahwa efisiensi turbin aksial-aliran bawah dari turbin radial-inflow, seperti yang ditunjukkan pada gambar 1. Pengaruh kecepatan tertentu dan diameter tertentu pada efisiensi turbin ditunjukkan pada gambar 2. Turbin radial-inflow yang lebih efisiensi di sejumlah bilangan Reynolds antara 105 dan 106 dan kecepatan spesifik dibawah Ns = 10.

B. TujuanAdapun tujuan dari makalah ini, yaitu : Mengetahui tentang Radial-inflow turbin.

C. Batasan MasalahDalam penulisan makalah ini, penulis membatasi permasalahan yang akan dilaporkan dengan rincian sebagai berikut:1. Makalah ini hanya membahas mengenai teori dari Radial-infloe turbin

II. TINJAUAN PUSTAKA

Prinsip-prinsip umum transfer energi dalam turbin radial-inflow adalah sama dengan yang telah digariskan dalam bagian kompresor. Gambar 2 menunjukkan vektor kecepatan pada turbin arus rotor. Persamaan Euler turbin ditetapkan sebelumnya berlaku untuk aliran dalam mesin turbo

..(1)

Gambar 2. vektor kecepatan pada turbin arus rotor

Ini dapat ditulis dalam hal kecepatan absolut dan relatif ...(2)

Untuk output daya positif, kecepatan ujung pisau dan kecepatan kombinasi berputar pada inlet harus lebih besar dari di pintu keluar. Dari pers. 2 aliran radial menuju ke dalam sehingga efek sentrifugal dapat digunakan. Kecepatan keluar dari turbin dianggap tidak terpulihkan, karena faktor pemanfaatan didefinisikan sebagai rasio dari total kepala ke head total ditambah kecepatan keluar mutlak.

........(3)Relatif proporsi transfer energi yang diperoleh oleh perubahan tekanan statis dan dinamis digunakan untuk mengklasifikasikan turbomachinery. Parameter yang digunakan untuk menggambarkan hubungan ini disebut tingkat reaksi. Reaksi, dalam kasus ini, adalah transfer energi melalui perubahan tekanan statis dalam rotor dengan transfer energi di rotor.

.(4)

Efisiensi keseluruhan turbin radial-inflow adalah fungsi dari efisiensi dari berbagai komponen seperti nozzle dan rotor. Sebuah turbin ekspansi entalpi / entropi diagram tipikal ditunjukkan pada Gambar 7. Entalpi total tetap konstan melalui nozzle, karena baik pekerjaan maupun panas dipindahkan ke atau dari cairan. Dalam rotor, perubahan entalpi keseluruhan. Hilir dari total entalpi tetap konstan.

Gambar 3. H-s diagram untuk tahap proses turbin Jumlah tekanan di nozzle dan stopkontak diffuser hanya membentuk kerugian gesekan. Dalam nosel ideal atau diffuser tekanan total drop adalah nol. Efisiensi isentropik didefinisikan sebagai rasio dari pekerjaan yang sebenarnya dengan penurunan entalpi isentropik, yang merupakan perluasan dari total tekanan inlet dengan tekanan total stopkontak.(5)

Efisiensi nozel dapat dihitung seperti yang ditunjukkan dalam hubungan berikut:...............(6)

Efisiensi rotor dapat didefinisikan seperti yang ditunjukkan dalam hubungan berikut:....(7)

Mirip dengan konsep efisiensi kecil tahap dalam kompresor, efisiensi Polytropic pada turbin adalah efisiensi kecil-tahap dalam turbin. Efisiensi isentropik dapat ditulis dalam hal tekanan total sebagai berikut:...(8)

Dimana P/n sama dengan konstan dan merupakan proses Polytropic. Efisiensi Polytropic dapat ditulis

..(9)

Gambar 4. hubungan antara Polytropic dan efisiensi isentropik selama ekspansi.

Efisiensi Polytropic turbin dapat dikaitkan dengan efisiensi isentropik dan diperoleh dengan menggabungkan dua persamaan sebelumnya..(10)Atau

.(11)

Gambar 5. diagram entalpi-entropi untuk turbin multistage

Hubungan antara dua efisiensi yang keras pada gambar 4. Performa turbin pada diagram entalpi / entropi ditunjukkan pada Gambar 5. Performa karakteristik unit penurunan entalpi isentropik tahap tambahan dibandingkan dengan penurunan entalpi isentropik dari satu, seluruh tahap meliputi performa yang didefinisikan sebagai faktor pemanasan. Karena garis tekanan menyimpang dengan meningkatnya entropi, jumlah kecil. Tahap penurunan isentropik agak lebih besar dari penurunan isentropik keseluruhan untuk tekanan yang sama. Oleh karena itu, panas merupakan faktor lebih besar dari kesatuan, dan efisiensi isentropik turbin lebih besar dari efisiensi Polytropic atas turbin.

Faktor pemanasan dapat diberikan

,,,,,,,,,,,,(12)

A. Pertimbangan Rancangan Turbin Untuk merancang turbin radial, masuknya efisiensi tertinggi, kecepatan keluar meninggalkan turbin harus aksial. Jika kecepatan keluar adalah aksial, persamaan Euler turbin tereduksi yaitu:

,,(13)V4 = 0 untuk kecepatan stopkontak aksial

Aliran masuk rotor turbin radial-inflow harus memiliki sudut masuk tertentu sesuai dengan "aliran keluar" dalam impeller sentrifugal dan tidak nol. Dengan konsep ini berkaitan dengan turbin radial-inflow, hubungan berikut dapat diperoleh untuk rasio kecepatan pusaran kecepatan ujung pisau:

,,(14)Rasio ini biasanya dari 0,8. Rasio D3/D4 untuk rotor radial-inflow adalah sekitar 2,2, dan b adalah jumlah pisau. Dengan bantuan dari hubungan sebelumnya, diagram avelocity untuk aliran masuk turbin radial-inflow dapat ditarik seperti ditunjukkan pada gambar 10. Variasi dalam tahap efisiensi dapat ditampilkan sebagai fungsi dari rasio kecepatan ujung. Rasio kecepatan ujung adalah fungsi dari kecepatan pisau dan kecepatan semburan teoritis jika seluruh entalpi penurunan terjadi di nozzle seperti yang diberikan oleh persamaan berikut:,,,..(15)

Dimana,

..............................................................................................(16)

Pada gambar 7. menunjukkan variasi efisiensi dengan rasio kecepatan ujung. Kurva ini juga menunjukkan kecepatan pelarian. Kecepatan pelarian tercapai bila turbin torsi jatuh ke nol pada kecepatan pisau lebih tinggi dari kecepatan desain. Jika terjadi kegagalan atas kecepatan ujung, rotor dapat didefinisikan sebagai gagal-aman desain rotor.

Gambar 6. segitiga kecepatan turbin radial-inflow

Daerah inlet di ujung pisau dapat dihitung dengan menggunakan persamaan kontinuitas

...(17)

dimana b3 adalah ketinggian pisau dan t3 ketebalan pisau.Di pintu keluar turbin, kecepatan keluar mutlak aksial. Karena kecepatan pisau bervariasi di pintu keluar dari hub ke selubung, serangkaian diagram pisau diperoleh seperti yang ditunjukkan pada gambar 8.

B. Kerugian Dalam Turbin Radial-InflowKerugian dalam turbin radial-inflow adalah sama dengan yang di impeller sentrifugal. Kerugian dapat dibagi menjadi dua kategori kerugian internal dan kerugian eksternal. Kerugian internal dapat dibagi menjadi kategori berikut:1. Pisau pemuatan atau hilangnya difusi. Kerugian ini disebabkan oleh jenis loading pada impeller. Peningkatan hilangnya momentum berasal dari peningkatan pesat dalam pertumbuhan batas-lapisan ketika kecepatan dekat dengan dinding berkurang. Kerugian ini bervariasi dari sekitar 7% pada pengaturan tinggi mengalir ke sekitar 12% pada pengaturan aliran rendah.

Gambar 7. contoh karakteristik turbin radial-inflow. (lembaga milik insinyur mekanik.)

2. Rugi gesekan. Kerugian gesekan adalah karena pasukan dinding geser. Kerugian ini bervariasi dari sekitar 1-2% sebagai aliran bervariasi dari aliran rendah ke pengaturan aliran tinggi3. Kerugian sekunder. Kerugian ini disebabkan oleh pergerakan lapisan batas dalam arah yang berbeda dari arus utama. Kerugian ini kecil dalam sebuah mesin yang dirancang dan biasanya kurang dari 1%4. Kehilangan izin. Kerugian ini disebabkan oleh aliran melewati antara selubung stasioner dan baling-baling dan merupakan fungsi dari ketinggian pisau dan pembersihan. Clearance biasanya ditetapkan oleh toleransi dan, untuk ketinggian pisau kecil, kerugian biasanya persentase yang lebih besar. Kerugian ini bervariasi antara 1 dan 2%.5. Kehilangan panas. Hal ini disebabkan hilangnya panas yang hilang ke dinding dari pendinginan.

Gambar 8 . keluar diagram kecepatan untuk turbin radial - inflow .

6. Insiden kerugian . Kerugian ini adalah minimal pada kondisi desain tetapi akan meningkat dengan operasi off - desain. Kerugian ini bervariasi dari sekitar 0,5 % -1.5 % .7. Keluar rugi. Cairan meninggalkan turbin radial - inflow merupakan kerugian sekitar seperempat dari total keluar kepala . Kerugian ini bervariasi dari sekitar 2-5 % .Kerugian eksternal dari gesekan disk , segel , bantalan , dan roda gigi . Hilangnya gesekan disk adalah sekitar 0,5 % . Segel , bantalan , dan perlengkapan kerugian bervariasi dari sekitar 5-9 % .

C. Kinerja dari Turbin Radial - inflowSebuah turbin dirancang untuk kondisi operasi tunggal yang disebut titik desain . Dalam banyak aplikasi turbin diperlukan untuk beroperasi pada kondisi selain titik desain . Turbin kerja output dapat divariasikan dengan mengatur pemutaran kecepatan , rasio tekanan, dan temperatur masuk turbin . Dengan kondisi tersebut berjalan berbeda , turbin beroperasi pada kondisi off - desain.Untuk memprediksi karakteristik turbin , maka perlu untuk menghitung karakteristik aliran seluruh turbin . Untuk melakukan perhitungan ini , aliran harus dianalisis dalam bagian pisau . Analisis ini dilakukan dengan terlebih dahulu memeriksa aliran dalam pesawat meridional , kadang-kadang disebut pesawat hub ke selubung . Solusi tersebut kemudian diperoleh , arus pada bidang pisau ke pisau . Setelah solusi ini diperoleh , arus dalam dua pesawat dapat dikombinasikan untuk memberikan aliran quasi tiga dimensi akhir . Permukaan ini ditunjukkan pada gambar 9 .

Distribusi kecepatan pada bidang meridional bervariasi antara hub dan selubung seperti yang ditunjukkan pada gambar 10. Distribusi kecepatan antara hisap dan permukaan tekanan juga bervariasi . Kecepatan antara hisap dan permukaan tekanan bervariasi karena pisau bekerja pada fluida dan , sebagai hasilnya , harus ada perbedaan tekanan di pisau . Bentuk distribusi kecepatan pada baling-baling di hub dan selubung dan juga antara tekanan dan sisi isap ditunjukkan pada Gambar 11.

Lapisan batas sepanjang permukaan pisau harus baik energi sehingga tidak ada pemisahan aliran terjadi . Gambar 12 menunjukkan skematik aliran dalam impeller radial - inflow . Pekerjaan Off - desain menunjukkan bahwa efisiensi turbin radial - inflow tidak terpengaruh oleh perubahan dalam aliran dan tekanan rasio sejauh turbin aliran aksial .

Dalam turbin radial - inflow masalah erosi dan getaran pisau exducer yang menonjol . Ukuran partikel yang menurun dengan akar kuadrat dari diameter roda turbin . Inlet filtrasi disarankan untuk ekspander di industri petrokimia . Filter biasanya harus

Gambar 9. Dua pesawat aliran utama dalam turbin radial-inflow

Gambar 10. distribusi kecepatan meridional dari hub ke selubung sepanjang blade

Gambar 11. distribusi kecepatan relatif hisap dan sisi tekanan sepanjang blade

Gambar 12 . pembentukan batas-lapisan dalam impeller radial - aliran

menjadi tipe inersia untuk menghilangkan sebagian besar partikel yang lebih besar . Masalah kelelahan exducer serius dalam turbin radial , meskipun bervariasi dengan pisau pemuatan . Exducer harus dirancang sedemikian rupa sehingga memiliki frekuensi alami empat kali di atas frekuensi lewat pisau .Masalah kebisingan pada turbin radial - inflow berasal dari empat sumber :1 . fluktuasi tekanan 2 . Turbulensi di lapisan batas 3 . rotor bangun 4 . suara eksternalNoise yang parah dapat dihasilkan oleh fluktuasi tekanan. Kebisingan ini dibuat oleh bagian dari baling-baling melalui bidang kecepatan bervariasi dihasilkan oleh nozzle . Suara yang dihasilkan oleh aliran turbulen di lapisan batas terjadi pada sebagian besar permukaan internal. Namun, ini sumber kebisingan diabaikan . Kebisingan yang dihasilkan dari arus rotor adalah karena bangun dihasilkan hilir diffuser . Kebisingan yang dihasilkan oleh exducer rotor cukup besar . Kebisingan terdiri dari komponen - frekuensi tinggi dan sebanding dengan delapan kekuatan kecepatan relatif antara bangun dan streaming gratis. Sumber kebisingan luar banyak , tapi gear box adalah sumber utama . Kebisingan sering dihasilkan oleh fluktuasi tekanan yang dihasilkan dari interaksi gigi pada gearbox . Kebisingan lainnya mungkin akibat dari kondisi keluar keseimbangan dan efek getaran pada komponen mekanik dan casing.

III. PEMBAHASAN

Radial-inflow turbin memiliki banyak komponen yang mirip dengan kompresor sentrifugal. Namun, nama dan fungsi berbeda. Ada dua jenis turbin radial-inflow: kantilever turbin radial-inflow dan campuran-aliran radial-inflow turbin. Pisau kantilever memiliki dua dimensi dan menggunakan pembantu inlet nonradial. Tidak ada percepatan

Gambar 13. NS DS diagram untuk tahap turbin. Efisiensi adalah secara total ke-jumlah, yaitu, hal itu berkaitan dengan inlet dan kondisi stagnasi keluar. Diagram nilai cocok untuk mesin bilangan Reynolds Re 106 . (Balje, O.E., A Study of Reynolds Number Effects in Turbomachinery, Jurnal of Engineering for Power, ASME Trans., Vol.86, Series A, p. 227.) mengalir melalui rotor , yang setara dengan suatu dorongan atau reaksi rendah turbin . Kantilever - tipe radial - inflow turbin jarang digunakan karena efisiensi yang rendah dan kesulitan produksi . Jenis turbin ini juga memiliki masalah getaran pada pisau rotor. .Radial - inflow turbin memiliki jenis kantilever seperti yang ditunjukkan pada gambar 14 , atau jenis campuran - aliran seperti yang ditunjukkan pada gambar 15.Campuran aliran turbin radial - inflow adalah desain yang banyak digunakan .Gambar 16 menunjukkan komponen . Gulungan atau kolektor menerima aliran dari pipa tunggal . Gulir biasanya memiliki luas penampang menurun sekitar lingkaran . Dalam beberapa desain gulungan digunakan sebagai nozel vaneless . Baling-baling nozel dihilangkan untuk menghindari erosi pada turbin dimana partikel fluida atau zat padat yang terjebak dalam aliran udara . Kerugian aliran gesek dalam desain vaneless lebih besar dari dalam desain nozzle vaned karena tidak adanya keseragaman aliran dan jarak yang lebih ke aliran udara secara cepat . Konfigurasi nozzle Vaneless digunakan secara ekstensif dalam turbocharger dimana efisiensi tidak penting, karena di sebagian besar mesin jumlah energi dalam gas buang jauh melebihi kebutuhan energi dari kebutuhan energi turbocharger .

Gambar 14. kantilever-tipe radial-inflow turbin

Gambar 15. Tipe aliran campuran radial-inflow turbin

Gambar 16. komponen turbin radial - inflow

Pisau nozel dalam desain turbin vaned biasanya dipasang di sekitar rotor untuk mengarahkan aliran udara ke dalam, dengan komponen pusaran yang diinginkan dalam kecepatan inlet . Aliran percepatanya melalui pisau ini . Dalam turbin - reaksi rendah seluruh percepatan terjadi pada baling-baling nozzle . Rotor atau impeller dari turbin radial - inflow terdiri dari hub , pisau , dan beberapa pembungkus . Hub adalah bagian axisymmetrical solid rotor dan untuk mendefinisikan batas dalam dari bagian aliran dan kadang-kadang disebut disk . Pisau merupakan bagian integral dari hub dan mengerahkan gaya normal pada aliran sungai . Bagian keluar blading ini disebut exducer dan dibangun secara terpisah seperti inducer dalam kompresor sentrifugal . Exducer yang melengkung untuk menghapus beberapa dari angkatan kecepatan tangensial di outlet .Outlet diffuser digunakan untuk mengubah kecepatan mutlak tinggi meninggalkan exducer ke tekanan statis . Jika konversi ini tidak dilakukan , efisiensi unit akan menjadi rendah . Pada konversi aliran ke kepala statis harus dilakukan dengan hati-hati , karena lapisan batas rendah energi tidak bisa mentolerir besar gradien tekanan merugikan.

DAFTAR PUSTAKA

Abidat, M.I., H., Baines, N.C., and Firth, M.R., 1992. Design of a Highly Loaded Mixed Flow Turbine, Proc. Inst. Mechanical Engineers, Journal Power 8 Energy, 206: 95-107Balje, O.E., A Study of Reynolds Number Effects in Turbomachinery, Jurnal of Engineering for Power, ASME Trans, Vol. 74, p, 451 (1952)Rodge, C,, Efficiency and Performance Characteristics of Radial Turbine, SAE Paper 660754, Oktober, 1966.Winterbone, D.E., Nikpour, B,, and Alexander, G.L,, 1990, Measurement of the Performance of a Radial Inflow Turbine in Conditional Steady and Usteady Flow, I MechE, Paper No. 0405/015