BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Dasar-dasar Turbin Uap . Secara prinsip terdapat dua jenis turbine uap : reaction dan impulse turbine (Gambar 2.1). Pada reaction turbine, uap mengembang pada kedua stationary dan moving blades. Moving blades dirancang untuk memanfaatkan energy jet uap dari stationary blades dan bertindak sebagai nozzle nya sendiri. Karena moving blades adalah nozzle yang bergerak, kekuatan reaksi – dihasilkan oleh penurunan tekanan pada nya – pelengkap kekuatan steam jet dari stationary blades. Gabungan kekuatan ini menghasilkan putaran. Untuk dapat beroperasi secara efisien, reaction turbine harus dirancang dengan meminimalkan kebocoran disekitar blades yang berputar. Hal ini dilakukan dengan membuat clearance internal yang relative paling kecil. Reaction turbines juga biasanya membutuhkan balance piston (sama seperti yang digunakan pada kompresor sentrifugal kapasitas besar) karena beban dorong yang besar yang dihasilkan. Karena pertimbangan ini, reaction turbine sangat jarang digunakan pada penggerak mekanik di amerika, meskipun kadang-kadang pada awalnya memiliki
8
efisiensi yang tinggi. Reaction turbine, bagaimanapun, tersebar luas digunakan di Eropa dan Negara lainnya. Impulse turbine memiliki sedikit atau bahkan tidak terdapat penurunan tekanan pada moving blades. Tenaga uap ditransfer pada keseluruhan rotor oleh hentakan jets uap ke moving blades (lihat gambar 2.2).
Impulse Blading
Reaction Blading
Tekanan diasumsikan psia (bar)
Tekanan diasumsikan psia (bar)
1. 100 (6.9) 2. 81 (5.6) 3. 80 (5.5)
1. 100 (6.9) 2. 95 (6.6) 3. 90 (6.2)
1. Jarak lebih lebar dengan jumlah gigi yang banyak. 2. Diameter Kecil Bocoran. 3. Lubang Balance
1. Diameter Seal Terbesar. 2. Stages yang lain. 3. Jarak tersempit dengan jumlah gigi yang sedikit. 4. Diameter Shaft Terbesar
Gambar 2.1. Gambaran Impulse dan Reaction Blade (General Electric company, Fitchburg, Mass)
Vj (jet velocity)
Vb (blade velocity) = 0 F
9
Apabila rotor turbin terkunci, maka steam jet memberikan daya maximum pada blades, akan tetapi tidak ada usaha yang dihasilkan karena blade tidak bergerak.
Vj
Vb = Vj/4 F
Apabila blade bergerak sebanyak ¼ dari jet velocity, daya pada blade akan berkurang, akan tetapi ada usaha yang dihasilkan karena pergerakan terjadi pada blade.
Vj
Vb = Vj/2
F
Usaha maximum dapat dihasilkan ketika blade bergerak pada ½ kecepatan jet. Relative velocity uap yang meninggalkan blade adalah nol.
10
Vb / Vj Gambar 2.2 Prinsip Impulse (The Elliot Company, Jeannette, Pa) Karena secara teori tidak terdapatnya penurunn tekanan yang melalui moving blades (dan dengan demikian tidak ada reaksi), clearances internal besar, dan tidak memerlukan balance piston. Fitur ini membuat impulse turbine kokoh dan tahan lama yang dapat bertahan di kondisi heavy-duty pada aplikasi mechanical drives saat ini. 2.2 Turbine Tipe Condensing Ekstraksi Otomatis. Unit
ini menyediakan
tambahan
fleksibilitas pengoperasian dan
kemampuan mengontrol pembangkit listrik, juga proses tekanan header. Ini juga sangat cocok kogenerasi pihak ketiga karena mampu menangani variasi kebutuhan uap sambil mempertahankan pasokan tenaga listrik pada jaringan. Ini dapat dibuat sesuai ukuran untuk mempertimbangkan pembangkit listrik yang melebihi dari hal yang berhubungan dengan aliran uap ekstraksi.
11
Ekstraksi Otomatis Condensing Tunggal (b)
Ekstraksi Otomatis Condensing Ganda (c)
12
Ekstraksi Otomatis Condensing Ganda (d) Gambar 2.3
Tampak potongan pada tipikal penggerak mekanik turbine uap.
(General Electric company, Fitchburg, Mass) Ekstraksi/ admission otomatis valve gear biasanya digunakan ketika aliran ekstraksi atau admission lebih besar dari 25 persen dari aliran yang melalui turbine. Turbine uap condensing ekstraksi otomatis tunggal terlihat pada gambar 2.3b. Ini adalah casing tunggal, mesin beraliran tunggal dengan dua bearing. Mesin ini dilengkapi dengan cam-lift valve dan 360 0 nozzle box. Ini biasa digunakan pada turbine dengan tekanan inlet melebihi 900 psig (62.0 bar). Turbine ini juga dilengkapi dengan konstruksi double-shell antara inlet nozzle box dengan valve ekstraksi. Disain double-shell membatasi tekanan uap dan temperature yang berhubungan dengan outer casing. Desain ini menyediakan tingkat fleksibel yang tinggi pada turbine casing yang dibutuhkan oleh mesin yang mengharuskan penyesuaian pada beberapa variasi proses. Konfigurasi valve ekstraksi pada gambar 2.3b juga merupakan sebuah desain valve dengan
13
mekanisme bar lift. Ruangan uap dibuat dengan cara fabrikasi yang memiliki pembatas aliran uap pada setiap valve ke beberapa nozzle pada diaphragm ekstraksi. Batasan pengontrolan pada pada valve ini adalah +/- 10 persen dari tekanan normal pada tingkatannya. Keuntungan terbesar pada valve ekstraksi internal adalah kemampuan mengontrol aliran dari pembukaan lebar sampai hanya kecil ke bagian kondensasi yang dibutuhkan untuk menjaga bagian tersebut tetap dingin. Turbine uap condensing dengan otomatis ekstraksi ganda ditunjukkan pada gambar 2.3c. Ini menggunakan casing tunggal, mesin aliran tunggal dengan dua buah bearing. Casing terbuat dari baja cor belahan kebawah ke ekstraksi kedua yang menggunakan sambungan vertical. Bagian atas dan bawah komponen casing diikat bersama dengan sambungan horizontal. Inlet valve adalah valve terkecil dengan mekanisme bar lift. Turbine dengan ekstraksi otomatis ganda yang di tunjukkan pada gambar 2.3d memilki komponen inlet valve yang sama dengan mesin sebelumnya akan tetapi memiliki bagian cam-lift valve dengan sebuah nozzle box cor untuk ekstraksi pertama.Ini adalah tipikal disain yang digunakan untuk batas tekanan ekstraksi menengah dari 650 sampai 250 psig (45 sampai 17 bar). Ekstraksi yang kedua adalah bar lift dengan disain kumparan.
2.3 Rotor untuk Reaction Turbine. Selama dua dekade pertama pada abad ini, produsen yang berpengalaman menggunakan rotor dari besi solid tempa/ solid forged untuk turbine yang kecil. Untuk unit besar mereka lebih memilih rotor rakitan, terdiri dari beberapa
14
piringan yang disusutkan pada poros inti. Untuk unit yang kecil rotor dari besi solid tempa masih standar, akan tetapi untuk mesin yang besar, disain piringan yang disusutkan tidak dipergunakan lagi karena level tegangan yang tinggi. Artikel dari sumber independent setuju dengan level tegangan dan kualitas pada tipe rotor ini.
2.3.1
Rotor Padat/ Solid Rotor padat dapat didefinisikan sebagai baja padat ditempa dari potongan
tunggal (monoblok). Pilihan apakah rotor padat digunakan tergantung pada prosedur start-up. Suhu dan kondisi stres yang timbul karena penerimaan uap panas ke rotor dingin harus tahu persis dan dikendalikan. Hal ini karena tegangan termal karena suhu yang berbeda antara permukaan dan garis tengah rotor menentukan apakah dapat diproduksi sebagai rotor padat. Faktor yang bertanggung jawab atas tingkat tegangan pada rotor pada dasarnya adalah temperature uap, geometri (diameter) dari ujung rotor, khususnya, waktu yang tersedia untuk mencapai kondisi beban penuh. Hubungan yang tepat antara kriteria ini telah ditetapkan berikut pengujian ekstensif oleh produsen tersebut. Jika kondisi operasi tertentu melampaui batas untuk rotor solid, kemudian jenis rotor dengan cara pengelasan menjadi pilihan. Perhitungan finite elemen hingga memungkinkan prosedur start-up ditetapkan, dan memungkinkan prediksi yang akurat harus dibuat tentang temperature dan kondisi stres yang terjadi setiap saat antara start-up dan kondisi stasioner.
15
Gambar 5.6 menunjukkan jaring elemen hingga dari bagian temperature tinggi dari rotor solid untuk 45 MW turbin condensing. Jaring ini memungkinkan bidang isotermal dan tegangan operasi ditetapkan.
2.3.2
Material untuk Solid Rotor Produsen berpengalaman sering menggunakan St 460 TS dan 461 TS baja
untuk rotor padat. Sifat mekanis dari baja tersebut dan perilaku mereka selama periode yang lebih lama berada di bawah penelitian selama bertahun-tahun. Dasar penyelidikan fraktur mekanik telah memberikan informasi mengenai kekuatan retak, retak kecepatan propagasi, serta keseluruhan diajukan perilaku patah getas. Analisis kimia dan sifat mekanik material rotor St 460 TS dan St 461 TS diberikan dalam tabel 2.1. St 460 TS
St 461 TS
Chemical composition in % C
0.17 ÷ 0.25
Mn
0.30 ÷ 0.50
Cr
1.20 ÷ 1.50
Ni
Max. 0.60/ 0.50 ÷ 0.80
Mo
0.70 ÷ 1.20
V
0.25 ÷ 0.35
Mechanical properties, kgf/mm2 Fracture point at 200C
B
70 ÷ 85
Yield point at 200C
s
Min. 60
16
Table 2.1 Kandungan dan komposisi baja untuk solid rotor.(Asea Brown-Boveri, Baden,Switzerland) Hubungan antara tegangan komparatif dan tegangan yang diijinkan (tergantung pada suhu) pada setiap titik tertentu mewakili sejauh mana desain rotor sepenuhnya dianalisis. Rotor harus dikenakan prosedur pengujian yang ketat. Setiap rotor harus pre-machined dan pengujian ultrasonic dalam pabrik baja. Sifat mekanik baja biasanya diperiksa menggunakan potongan uji sebelum material forging dikirim. Potongan uji diambil dari bagian eksternal serta kerucut rotor. Nilai untuk kekuatan tarik, titik luluh/ yield point, dan takik kekuatan repture harus memenuhi semua persyaratan yang ditetapkan. Jika diperlukan, pengujian run-ou hangat dilakukan pada rotor untuk menetapkan perilaku pada saat operasi. Selama tes ini rotor akan menunjukkan kecenderungan untuk membengkok (unbalance) pada suhu tinggi jika strukturnya tidak homogen dan jika tegangan residual tidak beraturan terdapa perlakuan panas. Dari sudut pandang pengguna, kepercayaan terhadap integritas padat rotor turbin uap harus dibuat bergantung pada pengalaman yang menguntungkan pada titik yang direkomendasikan oleh produsen. Metode perhitungan dan pendekatan desain harus diverifikasi untuk akurasi dan validitas yang konstan. Kedua pemasok baja dan produsen turbin harus memantau pengujian ekstensif pada berbagai tahap produksi rotor.
17
2.4 Blade Tekanan Rendah Baris Terakhir Dengan menaikkan beban turbine maka secara teknik dibutuhankan untuk meningkatkan daerah exhaust baris terakhir pada turbine condensing. Satu cara untuk memenuhi kebutuhan adaah dengan mengatur dua atau lebih baris terakhir secara parallel. Pada khususnya pada turbine casing tunggal, yang menyebabkan besarnya jarak rongga bearing dan karenanya, pada rotor yang sensitive. Kedua, berarti lebih jelas, untuk menaikkan rasio puncak ke pusat pada baris terakhir yaitu dengan membuat blade balis terakhir lebih panjang. Blade yang ramping masih dapat sesuai dengan persyaratan keandalan selama tingginya kekakuan blade atau mode frekuensi natural tetinggi telah tercapai. Produsen turbine uap yang berpengalaman memilih rasio terkecil blade-tochord. Disain ini menghasilkan tegangan low-steam bending dan hingga tegangan dynamic blade rendah. Blade terpasang pada rotor dengan roots yang terbuka lebar dan pin tirus. Tipe root seperti ini dapat dibuat dengan toleransi yang kecil, walaupun pada ukuran yang kecil, gigi root mendapat pembebanan yang sama. Kecepatan putaran bervariasi sangat dipertimbangkan antara pusat dan ujung blade oleh karena itu profil blade foil dan sudut stagger sepanjang ketinggian blade harus sesuai pada berbagai arah aliran. Kecepatan/ velositi aliran tinggi pada blade ramping baris terakhir karena kecepatan keliling/ putaran yang tinggi. Uap dibagian blade dipercepat dari aliran subsonic ke supersonic dan hingga aliran transonic diperoleh.
18
Karena kekuatan besar gaya sentrifugal terjadi sepanjang blade baris terakhir, ketebalan profil nya berkurang dari pangkal hingga ujung blade. Kerena blade di disain untuk beroperasi pada kecepatan bervariasi, maka harus mampu berputar dengan aman pada titik resonan. Frekwensi resonan harus, oleh karena itu, menjadi setinggi tingginya, dan blade row harus memiliki damping yang cukup. Ini tidak mungkin pada blade baris terakhir yang berdiri bebas menyediakan integral shrouding karena blade yang tirus. Blade row terakhir saling berhubungan oleh lacing bar yang terpasang longgar. Lubang tertutup dibutuhkan untuk lacing bar ini yang di machining pada lubang yang di cetak menjadi satu guna mengurangi kelemahan dan melindungi dari konsentrasi tegangan berlebihan disekitar lubang (Gambar.2.4) Ketika blade berputar, tegangan sentrifugal menekan lacing bar terhadap dinding luar bagian atas pada lubang. Semua blade oleh karena itu harus dihubungkan pada kesatuan system vibrasi. Hubungan kesatuan ini menaikkan frekuensi resonan dan menjadikan kreasi resonan lebih tidak mungkin; pada sistem sambungan, resonan hanya terjadi ketika frekuensi eksitasi sama terhadap frekuensi natural dan ketika kekuatan eksitasi yang menyertai pada seluruh lingkaran serentak sama ke mode karakteristik.
19
Gambar 2.4 Integrally forged bosses blade tekanan rendah pada turbine reaksi (Siemens Power Corporation, Milwaukee, Wis and Erlangen, Germany) Tegangan bengkok bolak balik terjadi pada blade yang terikat kawat/ lacing wire lebih rendah dari pada tegangan yang dimiliki blade yang berdiri bebas dibawah kondisi kecepatan resonan. Ini dikarenakan tingginya resonan dan keluar dari fase vibrasi blade yang terikat kawat. Apabila aplitudo vibrasi tinggi terjadi, gesekan antara lacing bar dan lubang bagian dalam meredam lebih lanjut vibrasi aplitudo. Karena lacing wire ditopang dengan baik pada kedua sisi, sambungan adalah tipikal toleransi fabrikasi bebas pada lubang, sambungan pada semua blade menjadi terjamin bahkan pada kecepatan rendah. Koefisien redaman dan pengaruh lacing bar pada frekuensi natural di deretan blade sangat sulit di kalkulasi. Mereka, oleh karena itu, ditentukan oleh pengukuran (Grafik 2.1 dan 2.2). Ini sebabnya mengapa alat ukur untuk pengukuran regangan pada tegangan bengkok bolak balik adalah lebih biasanya
20
dibuat pada blade yang sebenarnya dalam kondisi operasi. Grafik 2.3 menunjukkan satu set hasil: tidak terlalu bernilai tinggi melampaui seluruh aliran massa dan batas kecepatan.
Grafik 2.1 Diagram Campbell pada sebuah blade berdiri bebas. Dimana pengukuran titik resonan dilakukan ketika turbine beroperasi. (Siemens Power Corporation, Milwaukee, Wis and Erlangen, Germany)
21
Grafik 2.2 Pengukuran Alternating bending stress pada blade berdiri bebas yang dibebani di titik resonan. Alternating bending stress maksimum pada blade dengan lacing bar hanya 10 persen dari stress blade berdiri bebas. (Siemens Power Corporation, Milwaukee, Wis and Erlangen, Germany)
Grafik 2.3 Diagram Campbell pada blade yang sama teredam oleh lacing wire yang terpasang longgar. (Siemens Power Corporation, Milwaukee, Wis and Erlangen, Germany) Case-stage blade tipis digunakan pada turbine uap mulai dari 15.000 r/min sampai 3.000 r/min. Blade pada umumnya dibuat secara seri dan geometris blade berbentuk sama. Jika kecepatan keliling sama adalah dipilih untuk semua ukuran blade, karakteristik mekanikal dan aerodynamic akan juga sama pada semua ukuran blade. Desain tipikal berupaya mewujudkan sejumlah tujuan :
22
Semua tegangan dihasilkan oleh gaya sentrifugal dan momen steam bending pada blade dan root memiliki magnitude untuk semua ukuran blade. Rasio frekuansi natural pada blade ke frekuensi putaran maximum adalah identik pada semua ukuran blade. Kondisi uap yang sama sebelum dan sesudah lingkaran blade, kecepatan aliran pada setiap titik daerah aliran adalah sama untuk semua ukuran blade. Oleh karena itu, jumlah Mach juga sama. Apabila kondisi uap pada sisi masuk dan keluar pada lingkaran blade dan kecepatan sekeliling pada berbagai ukuran blade terjaga konstan, efesiensi blade tidak tergantung pada ukuran blade. Lebih dari itu, exit loss sebagai fungsi dari volume aliran dan kecepatan sekeliling adalah sama pada semua ukuran blade. Karenanya, pengukuran secara mekanikal dan aerodynamic diperoleh pada ukuran blade khususnya yang dapat dipindahkan kepada semua ukuran lain dari seri blade. Ini juga berlaku untuk pengalaman operasi secara keseluruhan, yaitu pengalaman yang diperoleh dengan blade tertentu pada seri ini dan akan berlaku kepada semua ukuran blade pada seri tersebut.
2.5 Konstruksi Lacing/ Damping Wire Desain reaction blade panjang tanpa shroud dengan kekakuan yang cukup tinggi untuk meningkatkan natural frekuensi menjadi hampir impractical/ tidak praktis. Konstruksi blade menggunakan pedoman desain standar mungkin tidak menghasilkan desain yang dapat diterima dalam situasi seperti ini. Targetnya
23
adalah untuk menjaga stres tingkat rendah pada blade dan untuk meningkatkan natural frekuensi blade untuk tingkat yang lebih tinggi. Namun, berkali-kali ini tidak layak, dan dalam situasi sebuah desain lacing/ damping wire menjadi menarik. Jenis desain ini sangat efektif bila kebutuhannya adalah untuk menyediakan lebih redaman/ damping dalam mode tertentu. Kadang-kadang jenis desain ini telah terbukti mengurangi stres getaran dengan 10 kali lipat. Ada beberapa kerugian untuk jenis konstruksi ini, seperti hambatan pada jalur aliran yang dapat mengurangi kinerja, tingkat kebisingan yang lebih tinggi, dan konsentrasi stress karena lubang pada blade yang harus dihadapi. Daerah ini akan mengalami erosi, fretting wear, fretting fatigue, dan kehilangan berat blade, dan mungkin mengubah beberapa natural frekuensi pada blade. Banyak jenis konstruksi telah digunakan dalam desain blade. Beberapa di antaranya penggunaan single continues wire, beberapa wire pada ketinggian blade yang berbeda, dan wire yang meliputi nomor-nomor tertentu dari blade sebagai paket. Beberapa yang khas ditunjukkan dalam gambar. 2.5 sampai 2.10 Karena banyak faktor persaingan, desain lacing wire merupakan upaya yang rumit. Beberapa guidelines ini berdasarkan pelajaran yang dipelajari oleh banyak peneliti yang diberikan di sini. Lokasi wire pada blade pada pisau sebagian besar tergantung pada bentuk modus yang harus ditargetkan akan teredam. Disadari bahwa mode rendah memiliki amplitudo vibrasi yang besar, dan mode ini adalah target untuk mengurangi amplitude vibrasi pada blade yang panjang.
24
Gambar : 2.5 Single continues lacing wire
Gambar : 2.6 Single lacing wire dengan blades dalam packets
Gambar : 2.7 Multiple lacing wire pada dua lokasi radial
Gambar : 2.8 Packets dengan multiple wires
25
Gambar : 2.9 Staggered packets dengan multiple wires
Gambar : 2.10 Multiple wires dalam susunan parallel (Blade design & analysis for steam turbine, Murari Singh, Phd – George Lucas, PE) Order modes yang lebih tinggi memiliki amplitudo vibrasi rendah pada frekuensi yang lebih tinggi. Lower order modes, seperti tangential, first axial, dan tensional modes pertama, seharusnya adalah vibrasi tertinggi di ujung blade. Menempatkan wire dekat ke ujung akan menjadikan beban sentrifugal tinggi dalam lubang akibat lacing wire. Lokasi yang biasa terletak dari 67 persen sampai 87 persen dari ketinggian blade. Jika kekakuan tidak diperlukan untuk menaikkan frekuensi, jenis wire longgar pada lacing wire dilaporkan dapat mengurangi stres getaran sekitar 10 kali (Arkedyev, 1968; Yampalskaya dan Arkedyev, 1965; Heger et al, 1965). Konstruksi wire longgar tampaknya tidak menjadi pengaruh yang besar pada natural frequency, dan jenis brazing konstruksi dapat mengubah frekuensi. Desain
26
dengan wire longgar mengurangi luas blade di dekat lubang, dan lubang juga memperlihatkan konsentrasi tegangan. Kawat harus design (1) memiliki beban rendah dan (2) untuk mengurangi kehilangan aerodinamis. Kawat ukuran besar digunakan ketika perubahan dalam frekuensi diinginkan, tapi harus berhati-hati dengan tegangan dekat lubang akibat beban sentrifugal. Wire tersebut mengalami centrifugal stress and bending stress selama gerakan vibrasi. Beberapa konstruksi telah diterapkan peningkatan ketebalan blade di dekat lubang untuk mengurangi tegangan dekat lubang, yang memiliki dampak negatif pada kinerja. Pilihan pertama bahan untuk wire adalah blade. Bahan yang kurang padat untuk wire juga telah digunakan. Bahan yang berbeda harus ditangani dengan hati-hati untuk menghindari korosi dalam daerah basah. 2.5.1
Penentuan Pengaruh Jumlah Blade dalam Paket. Ketika blade dikelompokkan dalam paket melalui lacing wire baik koneksi
longgar atau kokoh, pengurangan besar pada tegangan vibrasi dapat dicapai dibandingkan dengan blade tunggal tanpa kawat. Arkedyev (1968) memberikan persamaan berikut untuk memperkirakan sebuah factor pengurangan µ g , dan targetnya adalah untuk mengurangi faktor untuk mencapai nol jika mungkin.
µR = tanpa wire/
dengan wire
Ekspresi terakhir untuk µR adalah:
µR = Abs (Sin( Km/Z) / (m.sin( K/Z)) Dimana :
(7.11)
K = Kecepatan harmonic m = Jumlah blade dalam satu paket
27
Z = Jumlah total blade dalam stage/ baris Faktor pengurangan µg yang tercantum adalah untuk berbagai jenis kecepatan harmonic dalam tabel 2.2 Grafik 2.4. menunjukkan akibat paket blade dengan lacing wire yang dikarenakan pergerakan harmonik pada response blade 2.5.2
Pengecekkan Cepat untuk Kebutuhan konstruksi Lacing Wire. Langkah pertama dalam proses konstruksi harus memeriksa apakah lacing
wire diperlukan. Jika lacing wire diperlukan, maka jumlah blade di paket harus ditentukan untuk desain yang disetujui. Tegangan karena rotasi, tegangan bending yang dikenakan oleh pasukan uap, dan tegangan vibrasi karena kecepatan eksitasi putar harus dievaluasi. Sebuah analisis Goodman-type dapat menunjukkan apabila mekanisme damping (lacing wire) yang diinginkan dan untuk menunjukkan proses, perkiraan prosedur diuraikan berikutnya. Namun, untuk analisis yang lebih akurat harus dilakukan untuk keputusan akhir dengan alat-alat modern, seperti finite element analysis (FEA).
Reduction Factor, m (Blades in a Packet) 36 18 12 9 4 3 2 1
R
K=1 K=2 K=3 K=4 3.90472E-17 3.91964E-17 3.94468E-17 3.9801E-17 0.637428514 3.91964E-17 0.214650184 3.9801E-17 0.828043929 0.415603461 3.94468E-17 0.211007407 0.901460049 0.639863387 0.303561201 3.9801E-17 0.981060262 0.925416578 0.836516304 0.71984631 0.989871835 0.959795081 0.910683603 0.844029629 0.996194698 0.984807753 0.965925826 0.939692621 1 1 1 1
28
Tabel. 2.2. Faktor Pengurangan VS Jumlah Blade dalam Paket untuk Pertama sampai Harmonik keempat pada kecepatan Harmonik. (Blade design & analysis for steam turbine, Murari Singh, Phd – George Lucas, PE)
Grafik 2.4 Faktor pengurangan vs. jumlah blade dalam satu paket. (Blade design & analysis for steam turbine, Murari Singh, Phd – George Lucas, PE) Contoh Tinggi Blade
: 11.00 in
Jumlah blade dalam satu baris
: 36
Kecepatan turbine
: 5000 rpm
Natural Frequency pada blade
n
: 485 Hz
Material ultimate strength
ult
: 110,000 psi
Material Fatigue strength
Fatigue
: 55,000 psi
Perkiraan tegangan pada dasar blade : Tegangan Tensil dikarenakan centrifugal load
T
: 35,000 psi 29
Tegangan Bending dikarenakan steam force
: 2,500
b
psi
Natural frequency pada blade (465 Hz) terletak di antara ketiga (399 Hz) dan keempat (532 Hz) harmonik dari kecepatan putar. Faktor pembesaran untuk eksitasi kecepatan lari dapat dihitung dengan rumus perkiraan dibahas sebelumnya. Faktor pembesaran karena eksitasi kecepatan putar ,
= ß (rpm) /
n
ß = 1.0 kasus terburuk = 1.0 x 5000 / 465 = 10.75 v=
b
= 10.75 x 2500 psi = 26,882 psi
Faktor keamanan/ safety menggunakan persamaan Goodman’s adalah : 1 / FS = static =
static
T+
ult
b
+
v/
fatigue
= (35,000 + 2500) psi = 37,500 psi
1 / FS = 37,500/ 110,000 + 26,882/ 55,000 = 0.341 + 0.489 = 0.830 FS = 1.20 Jika besarnya FS kurang dari batas yang dapat diterima, maka pengaturan damping, seperti lacing wire, mungkin diperlukan. Jika kita mengasumsikan bahwa jenis lacing wire perangkat damping dibutuhkan, kemudian langkah berikutnya untuk memutuskan paket pengaturan apa yang kemumungkinan lebih bermanfaat dengan bantuan gambar. 2.14 atau tabel 2.2. Gambar 2.14 menunjukkan bahwa continues single wire yang paling efektif, tetapi
30
menimbulkan kesulitan pada proses manufaktur. Oleh karena itu, lebih sering pengaturan packet-type digunakan. Seperti disebutkan sebelumnya, natural frekuensi terletak di antara ketiga dan keempat harmonik eksitasi kecepatan putar, dan tampak bahwa 12 blade dalam sebuah paket harus menjadi pilihan yang baik. Faktor pengurangan akan berkisar dari sekitar 0 sampai 0,21. Untuk desain yang mengasumsikan faktor pengurangan dari 0,21, maka besaran yang dapat diterima untuk desain tegangan vibrasi dapat diperkirakan. v = 0.21 x 26,882 psi = 5645 psi FS = 2.25 2.5.3
Ukuran dan Posisi Lacing Wire Gambar 2.11 menunjukkan sebagian dari lacing wire diantara dua blade.
Kekuatan rotasi bertindak dalam arah radial pada wire. Untuk kesederhanaan, diasumsikan bahwa wire terpasang kokoh pada dua ujung ke blade. Pandangan ideal ditunjukkan pada gambar 2.12. Ini karena untuk menunjukkan berbagai komponen tegangan yang mungkin berada dalam wire. Seperti telah disebutkan sebelumnya bahwa penggunaan utama dari lacing wire adalah untuk melakukan redaman secara aktif ke dalam sistem blade. Namun, juga memperkenalkan kekakuan/ kekuatan yang dapat mengubah natural frequency. Aspek ini harus diperhitungkan pada saat mendesain. Hal lain yang penting adalah keandalan dari wire itu sendiri. Desain wire harus cukup kuat untuk menahan tegangan yang timbul oleh keuatan rotasi. Tegangan dalam wire
31
tergantung pada jarak dari sumbu rotor dan ukuran penampang. Untuk penampang melingkar, tegangan akan berfungsi atas diameternya. Persamaan tegangan dikembangkan selanjutnya. Berbagai parameter yang diperlukan untuk pengembangan persamaan tercantum di bawah ini. Jumlah blades
:M
Diameter lacing wire : d Cross-section area
: A= d2/4
Gambar 2.11 Single lacing wire antara dua blades (Blade design & analysis for steam turbine, Murari Singh, Phd – George Lucas, PE)
32
Gambar 2.12 Kondisi Batas Fixed fixed. (Blade design & analysis for steam turbine, Murari Singh, Phd – George Lucas, PE)
Radial location of wire
:D
Unsupported length
: L = D/M
Angle of one blade pitch
: Z = d3/32
Kecepatan Turbine
: N rpm
Gaya Centrifugal
: CF = (AL / g) (2 N/60)2 (D/2)
Maksimum tegangan lentur pada wire dapat diperkirakan sebagai berikut: Jika diasumsikan bahwa ujung wire ditopang secara sederhana , maka maksimum tegangan lentur yang terjadi pada tengah bentang, dan itu dapat dievaluasi oleh :
b
= (CF)L/(8Z)
(7.12)
Untuk kasus fixed-end, tegangan maksimum akan terjadi pada support, dan ekspresi untuk tegangan diberikan oleh:
b
= (CF)L/12Z)
(7.13)
Ada juga yang akan menjadi ketegangan di wire, dan tegangan tensil atau tegangan hoop diberikan oleh:
T
= (CF / 2) / [ sin ( /2) x A ]
(7.14)
D = 45
33
N = 36 = 0.285 lb/in3 = 2 / M = 1.175 rad L = 3.927 in Kecepatan Turbin = 3000 rpm Tabel 2.3 terdapat hasil untuk tegangan bending dan tegangan hoop. Nilainilai dari parameter tercantum di atas. Tegangan dievaluasi dengan menggunakan persamaan (7.12) sampai (7.14). Tegangan bending dan hoop sebagai fungsi dari diameter pin pada grafik 2.5 Pin Diameter 0.1875 0.25 0.1325 0.375 0.4375 0.5 Tabel. 2.3
Area 0.027612 0.049087 0.076699 0.110447 0.15033 0.19635 Tegangan
Z CF 0.000647 177.5997 0.001534 315.7329 0.002996 493.3326 0.005177 710.3989 0.008221 966.9319 0.012272 1262.931 pada Lacing Wire vs
St Sb at Center Sb at End (Hoop) 134.712689 89.8084593 36.89979 101.0345167 67.3563445 36.89979 80.82761339 53.8850756 36.89979 67.35634449 44.9042297 36.89979 57.73400956 38.4893397 36.89979 50.51725837 33.6781722 36.89979 Wire Diameter. (Blade design &
analysis for steam turbine, Murari Singh, Phd – George Lucas, PE)
34
Grafik 2.5 Stress pada Wire VS Diameter Wire. (Blade design & analysis for steam turbine, Murari Singh, Phd – George Lucas, PE) 2.6 Kondisi Uap Deposit pada turbine blade yang dikarenakan kontaminasi uap dapat mengakibatkan gangguan termodinamika dan mekanik. Jika terdapat klorida, akan ada tambahan kemungkinan patahnya blade dalam kondisi tertentu. Tegangan korosi yang diakibatkan efek deposit yang agresif kekuatan lentur bolak balik pada material blade khususnya pada awal daerah uap basah. Rekomendasi ini tentang kualitas uap sesuai dengan pedoman untuk beroperasi terus menerus dikeluarkan oleh VGB (Asosiasi Pengguna Boiler Ukuran Besar di German). Pada dasarnya pedoman harus dipenuhi sejauh dapat di terapkan. Biaya pengolahan air harus sebanding dengan kemungkinan perbaikan dan biaya penghentian, jika turbine mengalami kerusakan yang diakibatkan dari uap yang terkontaminasi. Untuk menghindari salah pengetian, perlu diperhatikan walaupun semua telah sesuai garis paduan tidak benar benar menjamin turbine terbebas dari deposit. Komposisi yang proporsional pada pencampuran uap adalah factor yang sangat penting. Implikasi yang tepat dari itu sejauh ini belum ditentukan,namun. Jika memungkinkan menaikan steam purity/ kemurnian uap melampaui batas nilai yang dianjurkan, hal itu harus dilakukan. Pedoman nilai untuk inlet steam condensate:
35
Testing for
Unit
Condustivity at 250C for CO2-free Water Silica (SiO2) Total-Iron (Fe) Copper (Cu) Sodium an Potassium
µS/cm mg/l mg/l mg/l mg/l
Guide Value Start-Up** Continues* Operation Operation < 0.2 < 0.5 < 0.02 < 0.05 < 0.02 < 0.05 < 0.003 < 0.01 < 0.01 < 0.02
*Nilai diatas sepenuhnya sesuai dengan pedoman VGB, edisi April 1972. Merujuk pada pedoman ini untuk data dan informasi lebih lanjut. **Pedoman
nilai
harus
ditunjukkan
kecenderungan
penurunan.
Ketika
commissioning pada plant yang baru dipasang, nilai dijamin untuk terus beroperasi harus tercapai selama dua hari, sedangkan selama posterior startups nilai ini biasanya didapat setelah dua jam. Tabel 2.4 Standard untuk kandungan steam pada condensate.VGB (Vereinigung der Großkesselbesitzer/ Asosiasi Pengguna boiler ukuran besar di German) Sangat direkomendasikan pemantauan terus menerus pada putaran air/ uap dengan pencatatan secara konstan electric conductivity (di 15 0C) pada titik sample lokal aliran bawah penukar acidic cation kuat, dan penentuan kandungan silica. Alat pemantau harus dipasang pada sisi aliran uap masuk dan keluar. 2.7 Deposit Berikut informasi secara umum hal hal yang berhubungan dengan deposit. 2.7.1
Penyebab Deposit turbine akibat benda asing yeng terbawa bersama aliran uap. Zat
yang terkandung dalam boiler feed-water yang terpisah sebagian dari proses penguapan, larut dalam uap dan terbawa kedalam turbine.
36
2.7.2
Asal Uap tekanan tinggi yang berkembang didalam turbine akan memecahkan zat
pada uap di titik saturation sesuai dengan tingkat kelarutannya. Ini merupakan syarat pertama dari sedimen. Kondisi lebih lanjut muncul dari : -
Kondisi energik pada pembentukan inti
-
Permasalahan pada reaksi kinetik
dimana peran kondisi ini tidak dapat diklarifikasi hingga saat ini. Tidak semua materi terbawa dalam aliran endapan uap pada blade turbine. 2.7.3
Tipe Deposit Deposit dibagi dalam dua katagori utama, yaitu yang larut dalam air dan tidak larut
dalam air. Sedimen larut dalam air terdiri dari berbagai deposit mineral yang tergantung pada jenis air dan jenis pengolahan air. Sebagian besar mineral yang larut dalam air dapat ditemukan dalam tekanan tinggi dan bagian tekanan menengah dalam turbine uap. Sedimen silica tersebar luas dibagian tekanan menengah dan tekanan rendah pada turbine uap. Zat yang larut dalam air ini juga dapat mengendap bersama dengan mineral yang larut dalam air sehingga setelah proses pembersihan, zat yang larut dalam air luntur dan zat yang tidak larut dalam air tetap semula seperti sebuah kerangka. Dalam beberapa kasus sisa deposit yang memiliki kekuatan sangat rendah akan hilang pada recommissioning turbine.
2.7.4
Pencegah Deposit Guna membebaskan turbine dari deposit, steam purity harus sesuai dengan
kondisi tertentu. Steam purity/ kemurnian uap dipengaruhi oleh :
37
-
Kualitas feed water
-
Model boiler
-
Desain boiler
-
Pengoperasian boiler
Dari kondisi ini sangat jelas kebutuhan mengenai steam purity harus berdasarkan pengalaman empiris. Pedoman yang mewakili perkembangan terakhir dai teknologi dikeluarkan oleh VGB (Asosiasi Pengguna Boiler Ukuran Besar di German). Walaupun pengamatan secara ketat sesuai guidelines tidak menjamin terbebasnya dari deposit pada turbine. Dari sisi yang lain terdapat turbine yang beroperasi tanpa masalah dengan steam purity yang kurang. Sesuai dengan pengalaman pada boiler lebih dari 40 bar membutuhkan penerapan demineralisasi secara keselutuhan. 2.7.5
Konsekuensi dari Deposit Deposit dari dan pada control valve, tapi pada khususnya pada guide dan
moving blade. Bagian bebas pada daerah aliran berkurang, permukaan menjadi kasar dan material tipis karena korosi. Konsekuensi berikut dapat dibagi : 2.7.5.1 Efek Ekonomi -
Mengurangi kapasitas uap yang terpakai yaitu pengurangan output.
-
Turunnya efesiensi yaitu pada output sama dengan konsumsi uap yang lebih tinggi.
38
Investigasi membuktikan, walaupun sedimen yang tipis pada hakekatnya berakibat pada efesiensi turbin. Pada sebuah turbin telah ditentukan bahwa kurang lebih 500g deposit lebih atau kurang menyelimuti sekeliling bagian blade menyebabkan penurunan efesiensi sebanyak 1%. Deposit yang sebagian terlepas akan meningkatkan kekasaran permukaan yang berakibat efesiensi akan menurun lebih lanjut. 2.7.5.2 Kelebihan beban dan Mempengaruhi Keadaan Dalam Operasi -
Ganguan karakteristi tekanan pada turbin dan dengan demikian menaikan beban thrust dan kelebihan beban pada thrust bearing.
-
Menaikan tekanan bengkok pada blade
-
Mempengaruhi vibrasi natural pada blade
-
Sedimen tersebar tidak merata pada turbin blade dan karenanya menjadi kasar.
-
Deposit pada valve stems menyebabkan kemacetan.
2.7.5.3 Efek Korosi. Deposit pada blade turbin menyebabkan kerusakan karena korosi, pada khususnya jika chlorides terlibat. Pada awal dan zona uap basah menengah dari seluruh deposit silica yang tersebar. Pertama membentuk tetesan kondensat relatif kecil akan tetapi disisi lain cukup besar hanya untuk melembabkan sedimen mineral pada blade. Efek pembersih muncul hanya dalam tahap yang terletak lebih ke belakang yang tingkat kebasakan uapnya meningkat. Ini berarti dalam kelembaban awal pada blade membentuk klorida yang mengandung garam pelarut konsentrasi apapun yang menyediakan kondisi untuk penyerangan korosi.
39
Pada blade turbin korosi terjadi dalam jenis yang berbeda. Sesuai dengan zat yang menyerang, kondisi material dan jenis tegangan, berikut ini dapat dibagi: -
Pembentukan pitting
-
Corrosion fatigue/ kelelahan korosi
-
Stress Corrosion/ korosi tegangan
Merujuk pada daftar pustaka yang relevan sampai berkelanjutan dan korosi yang terjadi secara signifikan pada blade turbin. Sangat ditekankan modus operasi b2 diterapkan, pengguna memberikan pengaruh besar pada masa umur blade turbin. Hasil yang memadai pada pengolahan boiler feed water biasanya memanjangkan masa umur blade turbin. Biaya yang relevan harus sebanding dengan kemungkinan kerusakan blade. 2.8 Steam Purity Kemurnian steam mengacu pada jumlah padat, cair, atau kontaminasi uap dalam uap. Tinggi kemurnian uap mengandung sedikit kontaminasi. Biasanya, kemurnian steam dilaporkan sebagai isi padatan. Kemurnian steam tidak harus bingung dengan kualitas steam. Kualitas steam adalah ukuran dari jumlah uap air di uap. Hal ini dinyatakan sebagai berat uap kering dalam campuran uap dan tetesan air. Misalnya, steam kualitas 99% mengandung air cair 1%. Carryover adalah setiap
kontaminan padat, cair, atau uap yang
meninggalkan drum boiler steam dengan uap. Dalam boiler yang beroperasi pada tekanan kurang dari 2000 psig, air boiler terikut adalah penyebab paling umum
40
dari kontaminasi uap. Air boiler yang terikut mengandung padatan terlarut dan juga dapat berisi padatan tersuspensi. Ada banyak penyebab terikutnya air boiler pada uap. Beberapa mekanisme yang lebih umum telah diberikan nama-nama tertentu, seperti "carryover semprot," "priming," "berbusa," dan "kebocoran carryover." Sistem kontrol yang tepat diperlukan untuk operasi turbin uap superheated modern. Solids/ padatan dalam steam meninggalkan boiler dapat menjadi deposit di superheater dan turbin, menyebabkan kerusakan mahal. Untuk alasan ini, kontrol ketat kemurnian steam sangat penting.
2.8.1 Pengukuran Steam Purity dengan Metode Specific Conductance Konduktansi spesifik adalah salah satu metode yang paling umum digunakan. Konduktansi spesifik pada sebuah sampel, diukur dalam mikrosiemen (µS) atau micromhos ( mho), sebanding dengan konsentrasi ion-ion dalam sampel. Ketika air boiler terbawa dalam uap, kandungan padatan terlarut dari air boiler mengotori uap, dan konduktivitas uap sampel meningkat. Pengukuran kenaikan ini menyediakan metode cepat dan cukup akurat untuk menentukan kemurnian uap. Salah satu kelemahan menggunakan konduktansi spesifik adalah bahwa beberapa gas umum untuk steam (seperti karbon dioksida dan amonia) ter-ionisasi dalam larutan air. Bahkan pada konsentrasi yang sangat rendah, mereka mengganggu pengukuran padatan terlarut dengan meningkatkan konduktivitas.
41
Gangguan ini bisa cukup berpengaruh dalam sampel uap yang memiliki kemurnian tinggi. Misalnya, dalam sampel yang mengandung kurang dari 1 ppm padatan terlarut, konduktansi spesifik mungkin di kisaran 1,0-2,0 µS. Kehadiran setiap amonia atau karbon dioksida dalam sampel ini secara signifikan meningkatkan pembacaan konduktansi: Ammonia oleh 8.0 – 9.0 µS per ppm ammonia Carbon dioxide oleh 5.0 µS per ppm carbon dioxide Tak satu pun dari gas ini adalah padatan yang dapat larut. Dalam rangka untuk mendapatkan ukuran yang tepat dari padatan terlarut, pengaruh masingmasing gas harus ditentukan, dan pembacaan konduktivitas harus dikoreksi untuk kehadiran mereka. Ketika isi amonia dan karbon dioksida dari sampel diketahui, kurva koreksi akurat konduktivitas dapat diperoleh untuk memungkinkan koreksi yang tepat untuk dilakukan. Peralatan tersedia untuk menghilangkan gas sampel sebelum pengukuran konduktansi. Kolom resin pertukaran hidrogen-bentuk kation yang digunakan untuk mengurangi amonia dan amina untuk tingkat diabaikan. Kation analisa konduktivitas menerapkan teknologi ini untuk mendeteksi asam-memproduksi anion, seperti klorida, sulfat, dan asetat. Mereka juga mengambil keuntungan dari konduktansi tinggi larutan yang mengandung ion hidrogen. Solusi ini memiliki konduktivitas beberapa kali lebih besar daripada larutan dengan konsentrasi yang sama ion dibentuk oleh garam netral (Grafik 2.6).
42
Grafik
2.6.
Kation konduktivitas
meningkatkan
sensitivitas
mendeteksi
kontaminan. (GE Power and Water; Water & Process Technology)
Gambar 2.13. Larson-Lane analyzer memonitor konduktivitas, konduktivitas kation, dan penghilangan kation konduktivitas. (GE Power and Water; Water & Process Technology)
43
Dalam analisa Larson-Lane (Gambar 2.13), sampel uap terkondensasi dilewatkan melalui hidrogen-bentuk pertukaran kation kolom resin. Kolom resin ini menghilangkan amonia, amina, dan natrium hidroksida dari sampel. Sampel kemudian mengalir melalui reboiler, yang menghilangkan karbon dioksida. Konduktivitas diukur setelah proses ini dan juga dapat diukur pada inlet analyzer dan pertukaran ion stopkontak kolom. Ketika konduktivitas diukur pada tiga poin, gambaran yang cukup lengkap komposisi uap disediakan.
2.8.2 Perwakilan Steam Sampling Dalam rangka untuk memastikan analisis yang akurat, sampel harus benarbenar mewakili uap yang dihasilkan. Ketika prosedur pengambilan sampel tidak diikuti dengan benar, evaluasi kemurnian steam adalah sedikit atau tidak ada nilainya. Nozel Sampling direkomendasikan oleh ASTM dan ASME telah digunakan selama bertahun-tahun. Nozel memiliki port spaced sedemikian rupa sehingga mereka sampel daerah penampang yang sama dari garis uap. Petunjuk untuk nozel ini dapat ditemukan di ASTM Standard D 1066, "Standar Metode Sampling uap" dan ASME PTC 19.11. Studi lapangan uap telah menunjukkan bahwa nozel sampling desain selain ini sering gagal untuk memberikan sampel uap yang dapat diandalkan. Aliran isokinetic dibuat bila kecepatan uap memasuki nozzle sampling sama dengan kecepatan uap di header. Kondisi ini membantu untuk memastikan sampel yang representatif untuk hasil tes yang lebih dapat diandalkan. Sampling rate
44
isokinetic bagi banyak nozel yang tidak sesuai dengan spesifikasi ASME atau ASTM tidak dapat ditentukan. Pengambilan sampel yang akurat dari superheated steam menyajikan masalah yang tidak ditemui dalam pengambilan sampel uap saturated. Kelarutan garam sodium dalam uap menurun karena suhu uap menurun. Jika sampel superheated steam secara bertahap didinginkan ketika mengalir melalui saluran sampel, deposit padatan pada permukaan garis sampel. Untuk menghilangkan masalah ini, uap dapat desuperheated pada titik sampling.
2.8.3 Impurities Kotoran yang ada di steam bisa padat, cair, atau gas. Padatan biasanya dilarutkan dalam tetesan air atau hadir sebagai debu. Karena praktek pengolahan air adalah seperti yang kebanyakan kandungan kimia larut air umpan boiler dikonversi ke garam natrium, kebanyakan padatan hadir dalam steam adalah garam sodium, dengan sejumlah kecil kalsium, magnesium, besi, dan terdapat tembaga. Konstituen gas yang biasa ditemukan dalam uap tekanan rendah (kurang dari 2000 psig) adalah amonia, karbon dioksida, nitrogen, amina, dan silika. Dari jumlah tersebut, hanya silika memberikan kontribusi terhadap kesulitan umumnya terkait dengan steam murni, unsur lain yang menjadi perhatian hanya di mana mereka mengganggu pengukuran steam purity. 2.9 Analisa Mechanical Stress
45
Beberapa bagian yang paling tinggi tegangannya pada turbin uap dalam sistem pembangkit tenaga listrik adalah bladed disks - terutama pada bladed baris terakhir tekanan rendah yang menjalani gaya sentrifugal terbesar dan bending yang diproduksi di seluruh turbin. Analisis tegangan pada blade biasanya dilakukan untuk menentukan tingkat tegangan pada blade dan lacing wire karena gaya sentrifugal / stres. Tegangan sentrifugal untuk sebagian besar adalah stabil secara alami, dapat diperkirakan secara akurat, dan kemungkinan besar, tetapi menjadi hal penting sekunder. Hal ini hampir tidak pernah menjadi penyebab prinsip kegagalan blade, tetapi mungkin menjadi penting untuk berbagai start-up dan siklus shut down (siklus rendah kerusakan fatigue). Kegagalan blade karena tegangan sentrifugal mungkin terjadi atas sekitar 75% di atas kecepatan. Munculnya permukaan yang dihasilkan selama fraktur sangat berbeda dari yang karena fatigue. Beberapa perubahan dimensi dekat tepi disk atau dekat ujung blade dapat terjadi. Tegangan sentrifugal, bagaimanapun, faktor berkontribusi dalam kerusakan fatigue karena properti fatigue material dipengaruhi oleh tegangan. Sebuah estimasi tegangan akibat beban sentrifugal dapat dilakukan (stodola, 1965). Untuk bagian blade konstan, gaya sentrifugal dan tegangan dapat diperkirakan sangat akurat. Ansys adalah elemen software mekanik menawarkan solusi produk yang komprehensif untuk linier struktural atau nonlinear dan analisis dinamika. Produk ini menyediakan satu set lengkap unsur-unsur perilaku, model material dan pemecah persamaan untuk berbagai masalah desain mekanik. Komputasi respon
46
dari sebuah sistem struktur melibatkan analisis berbagai fisika: tegangan, deformasi, karakteristik getaran, gaya reaksi dan residual strains. Selain itu, Ansys Mechanical menawarkan kemampuan termal dan ditambah fisika yang melibatkan akustik, piezoelektrik, analisis termal-struktural dan thermoelectric. 2.10
Metallurgy Analysis
2.10.1 Material Analysis Sebuah bahan turbin blade yang ideal memiliki kedua kekuatan tensil/tarik tinggi dan kekuatan fatigue/ kelelahan tinggi. Selain itu bahan blade yang ideal adalah tahan korosi dan tahan erosi, menunjukkan daktilitas tinggi, mudah dibentuk dan di machining, banyak tersedia dari berbagai sumber, dan dapat diperoleh dengan biaya yang wajar. Kecepatan rotasi tinggi pada turbin modern berarti blade harus dipengaruhi gaya sentrifugal yang besar, di samping berpotensi tinggi pada kekuatan lentur berulang yang dikenakan oleh uap. Oleh karena itu, pemikirannya kemampuan menampung tegangan tensile dan fatigue yang tinggi adalah persyaratan penting untuk blade turbin. Sementara kekuatan adalah atribut penting dari blade, tingkat daktilitas tinggi juga properti penting dalam setiap material blade yang baik Hampir semua turbin uap bahan blade umum digunakan adalah bahan tempa. Tekanan diterapkan oleh berbagai proses pembentukan seperti penempaan, menekan dan bergulir untuk mengurangi bagian besar ke bentuk yang lebih kecil. Dalam prosesnya, sifat material yang diubah dan ditingkatkan. Kebanyakan proses pembentukan juga menciptakan variasi terarah pada sifat material sebagai hasil dari proses.
47
Stok bahan blade yang tersedia dalam berbagai bentuk, termasuk hot-rolled dan cold-rolled
bar, bar ditempa, serta "bar" diproduksi dengan mengurangi
(memotong atau menggorok) bentuk besar menjadi ukuran yang lebih kecil. 2.10.1.1
Stainless Steel
Tipe 403 SS dan 410 SS baja tahan karat adalah salah bahan yang paling banyak digunakan untuk bade turbin uap. Paduan ini sangat mirip dalam komposisi kimia. Keduanya paduan stainless steel martensit yang dapat, melalui perlakuan panas yang tepat, menunjukkan tingkat kekuatan yang meliputi berbagai macam, tergantung pada variabel proses seperti quenching dan tempering suhu, antara lain.. Sebagaimana digunakan dalam aplikasi blade, bahan ini biasanya dipanaskan untuk tingkat kekuatan moderat, yang memungkinkan bahan untuk mempertahankan daktilitas relatif tinggi, di kisaran 20 persen atau lebih. Kombinasi ini sangat ideal untuk blade turbin yang memiliki beban sentrifugal dan lentur tinggi. Daktilitas adalah karakteristik yang sangat penting karena memungkinkan, misalnya, kontak permukaan root untuk menghadapi deformasi plastic ringan untuk pembagian beban yang lebih baik, tanpa adanya resiko keretakan atau kegagalan. Properti yang sama diberikan oleh blade turbin adalah kemampuan untuk menyerap kerusakan kecil dari erosi, gesekan antara bagian stasioner dan berputar, dan kerusakan benda asing tanpa terjadinga failure. 2.10.1.2
Titanium
Titanium merupakan bahan yang sangat baik untuk bilah turbin uap tekanan rendah. Kekuatan yang dapat digunakan titanium jatuh dalam kisaran yang sama 48
dengan 403 dan 410 SS, tapi densitasnya hanya 60 persen dari yang umum digunakan baja martensit. Ketika Ti diganti untuk 403 SS, misalnya, tegangan sentrifugal berkurang karena kepadatan/ density yang lebih rendah. Dengan tingkat tegangan berkurang dari beban sentrifugal, blade mampu mempertahankan tegangan bending uap yang lebih tinggi tanpa melebihi material maksimum yang diijinkan tegangan prinsip maximum yang diperbolehkan atau kriteria tegangan gunting/geser. Untuk LP stage, titanium memiliki ketahanan melekat yang besar terhadap erosi tetesan air/ water droplets juga berarti bahwa hal itu dapat diterapkan pada potensi erosi tinggi dari stainless steel tanpa perlindungan erosi tambahan. Dalam banyak aplikasi, menghilangkan perlakuan perlindungan erosi akan menghadapi porsi biaya bahan baku titanium yang lebih tinggi. Ti-6Al-4V ini paling sering digunakan untuk paduan blade, meskipun paduan lainnya dalam keluarga Ti-6Al juga telah digunakan. Ini tersedia dalam berbagai bentuk dan ukuran. Titanium bar kecil sering tersedia oleh pemasok logam, tapi ukuran besar mungkin diperlukan lebih lama lead time.. X20CrMo13 403 SS
Sifat
410 SS
422 SS
Ti-6Al4V
Tegangan
Tensile,
110
120
150
120
Tensile, 100-120
85
105
125
110
23
21
19
15
ultimate, ksi Tegangan yield, ksi Elongation, percent
20
49
Modulus Elastic (10 6 31
29
29
28.9
16.8
170
237
275
319
100
75
62
55
psi) Hardness (Brinell)
235
Relative machinability, percent
Tabel 2.5 Perbandingan material umum steam turbine blades. (Blade design & analysis for steam turbine, Murari Singh, Phd – George Lucas, PE) 2.10.2 Fractography Anaysis Penggunaan elektron fractography telah menjadi tindakan standar dalam melakukan
analisis
kegagalan.
Scanning
Electron
Microscope
(SEM)
menyediakan sarana cepat untuk pemeriksaan langsung dari permukaan fraktur. Penggunaan mikroskop elektron untuk analisis fraktur menambah satu lagi alat untuk membantu penyidik kegagalan dalam analisisnya, dan menambah, bukan menggantikan, teknik analisis kegagalan yang mapan. Keragaman masalah yang terkait dengan analisis permukaan fraktur menghalangi penggunaan aturan tetap atau teknik untuk memeriksa patahan benda. Sebaliknya, penyidik harus memutuskan informasi spesifik apa yang diperlukan dari fraktur dan teknik apa yang tersedia untuk memperoleh informasi ini. Beberapa prosedur dan teknik berlaku terlepas dari jenis mikroskop elektron yang digunakan dalam pemeriksaan dirancang untuk Scanning Electron Microscope (SEM).
50
2.10.2.1
Perawatan dan Penanganan Fraktur
Ketika patahan membutuhkan pemeriksaan laboratorium, kedua pasang permukaan harus dipertahankan baik oleh penerapan lapisan pelindung , dengan menempatkan dalam desikator, atau dimasukkan ke dalam kantong plastik berisi pengering untuk mencegah akumulasi kelembaban yang tidak semestinya sampai pemeriksaan dapat dilakukan. Lapisan yang digunakan harus larut dalam pelarut organik ringan atau lainnya sehingga dapat benar-benar dihapus sebelum pemeriksaan. Menyentuh permukaan fraktur dengan jari, menggosok, atau menempelkan patahan bersama-sama dapat menyebabkan kerusakan serius. Mengambil atau mengangkat fraktur dengan alat yang tajam juga harus dihindari. Perlakuan kasar atau pembentukan produk korosi pada fraktur dapat mengaburkan informasi penting. Pendidikan dalam penanganan yang tepat dari spesimen sebelum setiap pemeriksaan fractographic sangat dianjurkan bagi siapa saja yang terkait di patahan baik di lapangan atau di laboratorium. 2.10.2.2
Membersihkan Fraktur
Penampilan fraktur harus didokumentasikan dengan memotret atau pengambilan catatan sebelum membersihkan dilakukan. Selain itu, harus dipastikan apakah identifikasi produk asing pada fraktur akan membantu dalam analisis kegagalan. Identifikasi produk ini bisa sangat berguna dalam penentuan kondisi lingkungan yang merugikan yang berkontribusi terhadap fraktur. Pembersihan yang tergesah gesah dapat menghapus bukti penting. Masalah membersihkan permukaan fraktur harus dilakukan dengan hati-hati dan akal sehat.
51
Sulit untuk menyajikan prosedur pembersihan rinci yang akan berlaku untuk semua permukaan fraktur, karena keterlibatan logam yang berbeda, dan berbagai tingkat kontaminasi permukaan ditemui. Sebagai aturan umum, paling ringan, prosedur pembersihan paling sedikit merusak harus digunakan. Dalam kebanyakan kasus, stripping berulang plastik replika sudah cukup untuk membersihkan permukaan patahan. Jika larutan pembersih diperlukan, salah satu harus dipilih yang tidak akan menyerang permukaan fraktur, tetapi belum menghapus kontaminasi yang tidak diinginkan. Dalam kasus minyak atau lemak, larutan pembersih organik seperti aseton atau trichloroethylene dapat digunakan. Jika tindakan perendaman tidak cukup, degreasing uap atau prosedur ultrasonik dapat digunakan. Hal ini tidak dianjurkan bahwa sikat logam atau alat mekanis yang keras lainnya dapat digunakan untuk menghilangkan kontaminan, namun, pembersihan ringan dengan sikat serat organik lembut diperbolehkan. Oksidasi, korosi, atau produk reaksi kimia lainnya biasanya lebih sulit untuk menghapus. Dalam hal ini, asam atau airan alkali solusi ringan seperti asam asetat, asam ortofosfat, atau natrium hidroksida, jika diperlukan dapat dipanaskan, dapat digunakan. Produsen peralatan pembersihan ultrasonik komersial menyediakan solusi pembersih khusus yang dapat menghilangkan oksida dari permukaan logam. Perlu diingat bahwa reaksi kimia seperti oksidasi dan korosi mengkonsumsi logam dasar. Oleh karena itu, bagian fraktur yang dasarnya hancur dan menghapus lapisan oksida ini tidak akan mengembalikan patahan ke kondisi semula.
52
Berikut ini adalah larutan pembersih yang digunakan untuk aplikasi khusus : Penghapusan oksida dari paduan/ alloys aluminium: 70 cc orthophosphoric acid (85%) 32 g chromic acid 130 cc water Solusi dapat menghangatkan Penghapusan karat dari baja: Orthophosphoric acid.
Gunakan konsentrasi atau diencerkan dengan air
hingga 50%. Solusi dapat menghangatkan. 100
cc
6N
HC1
dihambat dengan 0,2 g heksametilena-tetramina.
Gunakan pada suhu kamar. Penghapusan sisa deposit garam (NaCl): Rendamkan spesimen dalam gliserin. Setelah membersihkan oleh salah satu solusi di atas, spesimen harus dibilas secara terpisah dalam air dan alkohol dan kemudian dikeringkan. 2.10.2.3
Pemeriksaan Visual.
Fraktur harus dipertimbangkan secara keseluruhan karena pemeriksaan hanya satu area kecil dapat menyebabkan interpretasi yang tidak akurat dari modus fraktur. Hal ini penting, karena itu, untuk memeriksa asal fraktur serta daerah sekitarnya.
53
Langkah awal dalam pemeriksaan fraktur adalah untuk menentukan lokasi asal fraktur, dan selanjutnya, daerah yang tepat untuk pemeriksaan dalam mikroskop elektron. Visual atau dengan menggunakan mikroskop cahaya stereoscopic, biasanya mungkin untuk menentukan asal fraktur dengan fitur seperti tanda chevron, tanda patahan, perubahan tiba tiba, perubahan tekstur, fraktur jejak radial, atau oleh tidak adanya pergeseran bibir sepanjang tepi. untuk mencari asal fraktur dibahas kemudian dalam bagian ini di bawah Teknik Khusus. 2.10.2.4 Persiapan Specimen untuk Scanning Electron Microscope / SEM Melihat fraktur di SEM mensyaratkan bahwa sampel dipotong dan dipasang kemudian pada pemegang sampel yang relatif kecil. Dalam pemasangan sampel, adalah mutlak penting bahwa jalur konduktif (ground) berada antara titik di mana beam electron menghantam sampel dan dudukan. Untuk spesimen logam yang memiliki permukaan bersih dan konduktif elektrik, sampel hanya didasarkan kepada pemegang dengan menggunakan cat konduktif yang tersedia secara komersial seperti televisi tabung koat. Untuk grounding optimal, area di mana cat konduktif kontak dengan sampel dan pemegang harus bersih dan bebas dari lapisan oksida. Hal ini dapat dicapai dengan pengamplasan ringan permukaan kontak sampel, serta pemegang, dan menyeka daerah diampelas dengan pelarut. Jika spesimen dipotong, dbersihkan, potong permukaan berfungsi sebagai area kontak yang baik untuk grounding. Pemegang sampel yang berulang kali digunakan umumnya menumpuk sidik jari atau kotoran dan biasanya teroksidasi ringan. Karena deposi ysng berminyak dan oksida (terutama aluminium oksida) adalah isolator, kebersihan pemegang sampel sangat penting, dan sering diabaikan, dalam memperoleh dasar yang tepat. 54
Permukaan nonconductive pada sampel harus dilapisi dengan bahan konduktif tipis untuk mencegah dari mengumpulkan muatan listrik dari berkas elektron, Gambar 2.14. Dalam prakteknya, ini dicapai dengan mendasarkan sampel kepada pemegangnya dan kemudian pengumpulan vacuum vapor atau menyemprotkan lapisan konduktif tipis seperti emas, emas-paladium, atau karbon pada permukaan nya. Memutar sampel selama deposisi uap memastikan lapisan konduktif seragam dan pra-ventilasi pembentukan bayangan, Gambar 2.15. Untuk sebagian besar aplikasi, 1,5 inci (3,8 cm) panjang 0,008 inci (0,020 cm) diameter kawat emas menguap pada sampel berputar ditempatkan sekitar 2,5 inci (6,4 cm) dari sumber emas (keranjang) akan memberikan lapisan yang memuaskan. Lapisan ini juga dapat diterapkan pada permukaan logam untuk meningkatkan kualitas gambar mereka, Gambar 2.16. Beberapa pelapis semprot konduktif yang tersedia, bagaimanapun, ini lebih rendah daripada uap logam disimpan dan umumnya tidak memuaskan untuk analisis fraktur.
Gambar 2.14. Partikel bermuatan (panah) pada permukaan fraktur.
Gambar 2.15 Daerah gelap (panah) yang dihasilkan dari distribusi yang tidak merata emas uap-disimpan. 55 1600x
1880x
2200x
Gambar 2.16 SEM fraktografi dari patahan ringan teroksidasi menunjukkan efek dari permukaan kurang dilapisi konduktif. (A) seperti yang teroksidasi, (B) emas.(Mc.Donnell Douglas Astronautics Company,Huntington Beach, California) Selain permukaan konduktif buruk, sampel yang bahkan sedikit magnetik akan menghasilkan kualitas gambar yang buruk karena efek defocusing. Oleh karena itu, praktik yang baik untuk demagnetize (degauss) sampel bahan yang dapat magnet karena operasi tersebut inspeksi partikel magnetik sebagai atau pemotongan dapat mengakibatkan sisa magnetisme. Kumparan demagnetizing kecil murah tersedia dipasaran.. 2.10.3 Microstructure Analysis Mikrostruktur didefinisikan sebagai struktur permukaan yang telah dipesiapkan atau material foil tipis seperti ditampakkan oleh mikroskop di atas 25 × pembesaran. Struktur mikro material (yang dapat secara luas diklasifikasikan menjadi logam, polimer, keramik dan komposit) sangat dapat mempengaruhi sifat
56
fisik seperti kekuatan, ketangguhan, keuletan, kekerasan, ketahanan korosi, tinggi / perilaku suhu rendah, ketahanan aus, dan sebagainya , yang pada gilirannya mengatur penerapan bahan-bahan tersebut dalam praktek industri Konsep mikrostrukrur mungkin lebih mudah diakses oleh pengamat biasa melalui fitur struktur makro pada benda-benda biasa. Jika seseorang pernah datang di sepotong baja galvanis, seperti casing dari tiang lampu atau pembatas jalan, salah satu mengamati bahwa permukaan tidak seragam berwarna, tetapi ditutupi dengan tambal sulam saling poligon dari berbagai nuansa abu-abu atau silver. Setiap polygon (yang paling sering terjadi akan menjadi segi enam) adalah kristal tunggal seng berpegang pada permukaan baja di bawahnya. Seng dan timah adalah dua logam biasa yang membentuk kristal besar terlihat dengan mata telanjang. Atom-atom logam di setiap kristal terorganisir dengan baik menjadi salah satu dari tujuh sistem kisi kristal memungkinkan untuk logam (kubik, tetrahedral, heksagonal, monoklin, triklinik, rhombohedral, ortorombik); sistem ini mendikte bahwa atom semua berbaris seperti poin dalam 3-D matriks. Namun, arah penyelarasan matriks berbeda dari kristal ke kristal yang berdekatan, menyebabkan varians dalam reflektifitas dari wajah masing-masing disajikan kristal saling mengunci pada permukaan galvanis. Kristal simetris umumnya tidak berteganngan, tidak ada pengerjaan. Mereka tumbuh ke segala arah sama dan tidak mengalami deformasi tegangan selama atau setelah. Untuk kristal besar, rasio kristal massal untuk batas antar kristal (lebih tepat, batas intergranullar) sangat tinggi. Hal ini menunjukkan daktilitas tinggi tetapi dengan demikian, kekuatan yang lebih rendah (lihat Aula-Petch Penguatan), tetapi sebuah penelitian
57
yang benar akan memperhitungkan kuantitatif kekuatan relatif dari kristal dan ikatan antar-kristal. 2.10.3.1
Optical Microscopy
Ketika sampel datar dipoles mengungkapkan jejak mikro nya, itu adalah normal untuk menangkap gambar menggunakan macrophotography. Pemeriksaan struktur mikro lebih canggih melibatkan instrumen bertenaga tinggi: optical microscopy, electron microscopy, difraksi X-Ray dan sebagainya, beberapa melibatkan persiapan sampel material (memotong, microtomy, polishing, etsa, deposisi uap dll). Metode yang dikenal secara kolektif sebagai metalografi yang diterapkan pada logam dan paduan, dan dapat digunakan dalam bentuk dimodifikasi untuk bahan lain, seperti keramik, gelas, komposit, dan polimer. Dua jenis mikroskop optik umumnya digunakan untuk memeriksa spesimen datar dan etched: mikroskop refleksi dan mikroskop terbalik. Merekam gambar dicapai dengan menggunakan kamera digital bekerja melalui lensa mata. 2.10.3.2
Electron Microscopy
Untuk informasi resolusi tinggi pada mikro metalurgi, metode mikroskopis elektron dapat digunakan. Hal ini dapat memungkinkan untuk pengamatan langsung fitur-skala atom seperti reaksi pengendapan yang sangat halus, dislokasi atau interface butir-batas. Metode tersebut mungkin penting dalam menentukan parameter seperti diffusivities solid state.
58
