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 (

)