Session 18Heat Transfer in Steam Turbine

DSS Head Office, 31 Oktober 2008

PT. Dian Swastatika Sentosa

1. Pendahuluan2. Skema kecepatan, gaya tangensial. 3. Daya yang dihasilkan turbin, panas jatuh.4. Turbin impuls r = 0.5. Turbin reaaksi r = 0.5.6. Roda curtis.7. Turbin radial.

Outline

Steam Turbin bekerja berdasarkan panas jatuh, diharapkan di dalam steam turbin terjadi panas jatuh yang besar.

Panas jatuh tersebut harus diekspansikan dalam beberapa tingkat secara berurutan untuk mendapatkan perpindahan energi yang efektif.

Perbandingan antara kecepatan keliling sudu jalan (u) dan kecepatan uap (c) harus dipenuhi.

Harga kecepatan keliling sudu jalan u diperbolehkan sampai 300 m/s, jika ditinjau dari gaya yang bekerja serta kekuatan material.

Ukuran penampang masing-masing tingkat dibuat berdasarkan aliran uap yang melalui penampang tersebut.

1. Pendahuluan

Aliran uap yang melalui penampang tersebut hanya pada jumlah uap tertentu yang bisa berekspansi, dengan demikian ukuran penampang tersebut dibuat untuk jumlah uap pada saat turbin mengalami pembebanan penuh.

Saat turbin mengalami pembebanan sebagian, maka pembagian panas jatuh di dalam turbin terganggu dan efisiensi turbin akan menurun.

Diharapkan pembagian panas jatuh dilakukan pada setiap stage untuk meningkatkan efisiensi.

Penentuan jumlah tingkat dan bentuk konstruksi sudu jalan dan sudu pengarah masing-masing tingkat mempengaruhi efisiensi turbin.

1. Pendahuluan

c1 = Kecepatan absolut u = Kecepatan keliling sudu jalan w1 = kecepatan relatif

2. Skema Kecepatan, Gaya Tangensial, Skema Kecepatan

c2 = Kecepatan absolut u = Kecepatan keliling sudu jalan w2 = Kecepatan relatif

1= bebas dipilih, diharapkan besarnya sudu ini harus sekecil mungkin

Nilai c2 diharapkan sekecil mungkin dan arahnya tegak lurus dengan u

Fixed Balde Moving Blade

2. Skema Kecepatan, Gaya Tangensial,

Segitiga Kecepatan

Dalil Cosinus :

w12 = c12 + u2 2uc1 cos1c22 = w22 + u2 2uw2 cos2

Gaya tangensial : Gaya yang bekerja pada keliling sudu turbin

Gaya tangensial dipengaruhi : selisih enthalpy dan pembelokkan aliran uap

1 2 1 2u s u u s u uF m w w m c c

2. Skema Kecepatan, Gaya Tangensial,

1 2 1 2

1 2 1 2

u s u u s u u

u s u u s u u

F m w w m w w

F m c c m c c

Gaya Tangensial

Daya pada keliling roda turbin

3. Daya yang Dihasilkan Turbin, Panas Jatuh

1 2

1 2

u u s u u

u s u u

P F u m u w w

P m u c c

Contoh 1Suatu aliran uap dengan ms = 2,5 kg/detik dan kondisinya pada waktu masuk sudu pengarah p1 = 20 bar, T1 = 4000C. uap ini harus berekspansi semaksimal mungkin di dalam sudu pengarah salah satu tingkat turbin uap, secara teoritis bila aliran tanpa gesekan kecepatan uap keluar sudu pengarah c0 = 400 m/detik. Sedangkan kecepatan uap keluar sebenarnya adalah c1= 0,95 c0 =380 m/detik.

Arah pancaran uap membentuk sudut 1 = 170Penampang saluran sudu jalan (ruang diantara sudu-sudu) di bagian masuk sama dengan penampang dibagian keluar. Jadi 2 = 1. tetapi karena adanya kerugian gesekan di sudu jalan maka w2 = 0,9 w1. roda jalan mempunyai kecepatan keliling u = 200 m/detik.

3. Daya yang Dihasilkan Turbin, Panas Jatuh

Dicari : Panas jatuh isentrop teoritis h1 dalam kJ/kg dan

tekanan uap pada akhir ekspansi. Bagan segitiga kecepatan dari tingkat turbin tersebut. Gaya tangensial Fu, daya Pu, dan selisih entalpi yang

bekerja sesungguhnya hu. Efisiensi dari perpindahan energi; kondisi uap

sebenarnya di bagian luar dari sudu jalan.

3. Daya yang Dihasilkan Turbin, Panas Jatuh

3. Daya yang Dihasilkan Turbin, Panas Jatuh

Tujuan : meningkatkan efisiensi dengan memanfaatkan panas jatuh.

Faktor keterbatasan kekuatan material sudu turbin dalam beroperasi dengan kecepatan keliling dan kecepatan putar yang tinggi.

3. Daya yang Dihasilkan Turbin, Panas Jatuh

Konstruksi turbin uap bertingkat

Tingkat dari turbin impulse u/c1 = 0,5

Tingkat dari turbin reaksi u/c1 = 1

4. Turbin Impuls r = 0

1=2

w1=w2 (tanpa gesekan)

4. Turbin Impuls r = 0Pada r = 0 untuk u/c1 = 0,5 bisa dicapai u maksimum

1111

1

11

112

1

21

121211

21

21

14;)(22

)(2;2

)(:

;:

2

)(

:

cu

cu

ccucu

ccucucu

cmwwum

Makaucwwwwc

DengancmP

wwumPPP

Diketahui

uu

us

uusu

uuuu

smaks

uusu

maks

uu

4. Turbin Impuls r = 0

Bagan kecepatan dan sudu-sudu suatu tingkat turbin impuls

4. Turbin Impuls r = 0

Bentuk konstruksi, jalannya tekanan, cara beroperasi

Gaya aksial yang terjadi pada sudu jalan kecil, sehingga hanya diperlukan thrust bearing

pengisian sebagian

4. Turbin Impuls r = 0

1sin LDA

L minimum 15 s.d. 20 mm

Panas jatuh pada tingkat turbin

4. Turbin Impuls r = 0

60D nu

u = Kecepatan keliling sudu (m/s)

D = Diameter rata-rata sudu

n = Putaran RPM (Putaran/menit)

2

2000stch

u/c = 0,5

Reaction Turbine Stage

5. Turbin Reaksi r = 0.5

hst = hLe + hLa

pada jalan La

tingkat Le La

h hrh h h

hLe = Panas jatuh di dalam sudu pengarah

hLa = Panas jatuh di dalam sudu jalan

Bagan segitiga kecepatan untuk r = 0.5

200072,44 201 chc Le

5. Turbin Reaksi r = 0.5

200072,44 212 whw La

1 2 1 2

1 2 1 2

u s u u s u u

u s u u s u u

F m w w m w w

F m c c m c c

1 2

1 2

u u s u u

u s u u

P F u m u w w

P m u c c

Pada r = 0,5 untuk u/c1 = 1 bisa dicapai u maksimum

5. Turbin Reaksi r = 0.5

1111

1

11

12

1

21

121211

21

21

2;)(2

)(2;)(:

;0;:

)(

:

cu

cu

ccucu

ccucu

cmwwum

Makaucwwwwc

DengancmhmP

wwumhmPPP

Diketahui

uu

us

uusu

uuuu

sstsmaks

uususu

maks

uu

Panas jatuh dari tingkat turbin reaksi r = 0.5

5. Turbin Reaksi r = 0.5

Contoh 2

Suatu tingkat dari turbin reaksi r = 0,5 bekerja dengan u = 200 m/detik dan harga u/c1 = 0,74 serta diberikan harga sudut 1 = 2 = 200.

Berapakah besarnya hst, hu, u ?

Dan gambarkan bagan segitiga kecepatannya. Serta ekspansi uap pada tingkat tersebut supaya digambarkan dalam diagram h s.

5. Turbin Reaksi r = 0.5

5. Turbin Reaksi r = 0.5

5. Turbin Reaksi r = 0.5

Mengkompensasi gaya geser aksial pada turbin reaksi

Torak Buta

Konstruksi aliran steam yang berlawanan

Thrust Bearing

Curtis Wheel Stage

6. Roda Curtis

1 2 1 2u s uI uI uII uIIF m w w w w

Roda Curtis 2 rangkaian sudu jalan : u maksimum di u/c1 = 0,25

Roda Curtis 3 rangkaian sudu jalan : u maksimum di u/c1 = 0,125

hst = c02/2000 dalam kJ/kg

c0 dalam m/det

Pu = Fu . u dan u = hu/hst

Konstruksi dan cara kerja roda curtis

6. Roda Curtis

6. Roda Curtis

Pemakaian roda curtis sebagai tingkat pertama

Disebut dengan tingkat kecepatan, karena sebagai tingkat pengatur

Contoh 3

Berapakah selisih entalpi yang bekerja pada sebuah roda curtis dengan 2 rangkaian sudu jalan, apabila letak u/c1 = 0,25 dan kecepatan putarnya u = 220 m/detik?

Bagaimanakah keadaan uapnya yang keluar dari rangkaian sudu jalan ke 2, bila keadaan uap yang masuk ke turbin dengan tekanan 180 bar, T = 5300C, dan u = 70 %?

6. Roda Curtis

6. Roda Curtis

7. Turbin Radial

7. Turbin Radial

Penampang sudu dengan arah putaran yang berlawanan (turbin radial)

Menggunakan Sudu Reaksi