PERENCANAAN TURBIN GAS SEBAGAI PENGGERAK GENERATOR LISTRIK DENGAN DAYA TERPASANG 135,2 MW

PERENCANAAN TURBIN GAS SEBAGAI PENGGERAK GENERATOR LISTRIK DENGAN DAYA TERPASANG 135,2 MW

SKRIPSI Skripsi yang di ajukan untuk melengkapi Syarat memperoleh Gelar Sarjana Teknik

FAZAR MUHAMMADDIN 040401016

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2009

Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

PERENCANAAN TURBIN GAS SEBAGAI PENGGERAK GENERATOR LISTRIK DENGAN DAYA TERPASANG 135,2 MW

FAZAR MUHAMMADDIN NIM.040401016

Telah Disetujui dari Hasil Seminar Skripsi Periode ke- 535, pada tanggal 07 Maret 2009

Pembanding I,

Pembanding II,

Ir.Zamanhuri, MT

Ir. Mulfi Hazwi, Msc

NIP.130 353 113

NIP. 130 905 356


KATA PENGANTAR Puji dan syukur kehadirat Allah SWT. karena atas rahmat dan karuniaNya penulis dapat menyelesaikan Tugas Sarjana ini pada waktu yang telah ditentukan. Tugas Sarjana ini merupakan tugas akhir untuk menyelesaikan studi pada jenjang Pendidikan Sarjana. (S I) Teknik Mesin menurut Kurikulum Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Medan. Penu lis ya it u

dalam Tuga s Sar ja na

“PERENCANAAN

TURBIN

GAS

in i

me ng a mb il

PENGGERAK

ju d u l,

GENERATOR

LISTRIK DENGAN DAYA TERPASANG 135,2 MW". Dalam penulisan ini dari

awal sampai akhir penulis telah mencoba semaksimal mungkin guna tersusunnya Tugas Sarjana ini. Namun penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangankekurangan

yang

terutama

disebabkan

faktor

pengetahuan

dan

pengalaman penulis. Untuk itu maka petunjuk dan saran dari semua pihak yang bersifat membangun sangat penulis harapkan demi kesempurnaan Tugas Sarjana ini.

Dengan tersusunnya Tugas Sarjana ini maka penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

Kedua Orang tua dan keluarga tercinta yang telah memberikan dukungan baik moril maupun materiil. Bapak Ir. Abdul Halim Nasution, Msc selaku dosen pembimbing Tugas

Sarjana

yang telah meluangkan waktu untuk membimbing penulis.

3. Bapak Dr. Ing Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. 4. Bapak Tulus Burhanudin Sitorus ST, MT selaku Sekretaris Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. 5. Seluruh Staf Pengajar dan Pegawai di lingkungan Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. 6.

Saya ucapkan terima kasih kepada, PT PLN (PERSERO).Daerah Pembangkitan Bagian Sumatera Utara Sicanang Belawan, dimana merupakan tempat penulis melakukan Riset Tugas sarjana ini


7. Saya ucapkan terima kasih kepada Mahasiswa Teknik Mesin khususnya sesama rekan-rekan setambuk 2004.

Akhir kata dengan segala kerendahan hati penulis memanjatkan do'a kepada Allah SWT, semoga kita semua dilindungi dan diberi berkat dan hidayahnya.

Medan ,

2009

Hormat Penulis

Fazar Muhammaddin NIM. 040401016


ABSENSI PEMBANDING BEBAS MAHASISWA PADA SEMINAR TUGAS SARJANA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FT.USU

PERIODE

: 535

HARI /TANGGAL

: Sabtu/ 07 maret 2009

NAMA

: FAZAR MUHAMMADDIN

NIM

: 040401016

No

Nama

NIM

Tanda Tangan

1.

Nabahansyah R

040401010

2.

Kartiko Yudo

040401072

3.

Taufik Akbar

040401044

4.

Rahmad S

040401031

5.

Eru Purnomo

040401037

Medan, Sekretaris,

Ir. Abd Halim Nasution Msc NIP.130 900 682


DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

AGENDA

: 841 / TS/ 2008

FAKULTAS TEKNIK USU

DITERIMA

:

MEDAN

PARAF

:

TUGAS SARJANA

NAMA

: FAZAR MUHAMMADDIN

NIM

: 040401016

MATA PELAJARAN

: TURBIN GAS

SPESIFIKASI

: Rancanglah suatu unit Turbin gas sebagai penggerak generator listrik dengan datadata : Daya terpasang

: 135,2 MW

Putaran

: 3000 rpm

Data lainnya yang diperlukan diambil dari survey Rancangan meliputi : -Perhitungan Thermodinamika -Pemilihan Jenis Turbin -Perhitungan ukuran-ukuran Utama Turbin -Gambar Teknik Rancangan Turbin DIBERIKAN TANGGAL : 19 /11/2008 SELESAI TANGGAL

: 23/02/2009 Medan , 19 November 2008

KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

Dr. Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri NIP. 132 018 668

DOSEN PEMBIMBING

Ir. Abdul Halim Nasution, Msc NIP. 130 900 682


DAFTAR ISI KATA PENGANTAR

i

SPESIFIKASI TUGAS SARJANA

iii

KARTU BIMBINGAN

iv

DAFTAR ISI

v

DAFTAR GAMBAR

vii

DAFTAR TABEL

ix

DAFTAR NOTASI

x

BAB I. PENDAHULUAN

1

Tinjauan Umum

1

Gambaran Umum Pembangkit Tenaga

2

Latar Balakang Permasalahan

4

Tujuan Penulisan

4

Pembatasan Masalah

5

Metodologi Penulisan

5

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

6

2.1 Klasifikasi Turbin Gas

6

2.2 Komponen- Komponen Utama Turbin Gas

12

2.3 Sistem Kerja dan Start Turbin Gas

13

2.4 Siklus Kerja Turbin Gas

13

A. Siklus Ideal

13

B. Siklus Aktual

16

BAB III. PENETAPAN SPESIFIKASI

17

3.1 Spesifikasi Teknis Perencanaan

17

3.2 Analisa Termodinamika

18

3.2.1 Analisa termodinamika pada Kompressor

19

3.2.2 Proses Pada ruang Bakar

22

3.2.3 Analisa termodinamika pada Turbin

26

3.2.4 Generator Listrik

27

3.2.5 Laju Aliran Massa udara dan Bahan bakar

28

3.2.6 Kesetimbangan Energi pada Ruang Bakar

29

3.2.7 Udara Pembakaran

30

3.2.8 Kerja Netto

30

3.2.9 Back work Ratio

30


3.2.10. Efisiensi Thermal Siklus

31

3.2.11. Panas Masuk

31

3.2.12 Panas Keluar

31

3.2.13 Daya tiap Komponen Instalasi Turbin Gas

31

BAB IV . PERENCANAAN TURBIN

34

4.1 Parameter Perencanaan Turbin

34

4.2 Perhitungan Jumlah Tingkat Turbin

35

4.3 Kondisi Gas dan Dimensi Sudu Tiap Tingkat

37

4.4 Diagram Kecepatan dan Sudut Gas Tiap Tingkat Turbin

49

4.5 Jumlah Sudu tiap tingkat Turbin

57

4.6 Sudut-sudut Sudu Tiap tingkat Turbin

60

4.7 Berat Sudu gerak Tiap Tingkat Turbin

64

BAB V. PERHITUNGAN UKURAN UKURAN UTAMA

67

5.1 Perencanaan Poros Turbin

67

5.1.1 Perhitungan Poros

67

5.1.2 Pemeriksaaan Kekuatan poros

69

5.2 Gaya-gaya Pada Sudu Tiap Tingkat Turbin

70

5.3 Tegangan yang Timbul pada sudu Turbin

72

5.3.1 Tegangan tarik akibat gaya sentrifugal

73

5.3.2 Tegangan lentur akibat tekanan gas

74

5.4 Pemeriksaan Kekuatan Sudu

76

5.5 Perencanaan Cakram Turbin

78

5.6 Perencanaan Pasak

80

5.7 Perencanaan Bantalan

82

5.8 Sistem Pelumasan

86

BAB VI. KESIMPULAN

91

DAFTAR PUSTAKA

93

LAMPIRAN

95


DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Sistem turbin gas dengan siklus terbuka

7

Gambar 2.2 Skema Instalasi turbin gas dengan siklus tertutup

.8

Gambar 2.3 Turbin gas berporos ganda

9

Gambar 2.4 Skema turbin gas siklus regeneratif dengan heat exchanger

10

Gambar 2.5 Skema instalsi siklus gabungan turbin gas — turbin uap

11

Gambar 2.6 Skema instalsi turbin gas sederhana

12

Gambar 2.7 Siklus Brayton sederhana

14

Gambar 2.8 Diagram P-V dan diagram T-S

14

Gambar 3.1 Siklus turbin gas rancangan

18

Gambar 3.2 Diagram T-s (aktual) Siklus Brayton

18

Gambar 3.3 Diagram h-s pada compressor

21

Gambar 3.4 Grafik faktor kelebihan udara

25

Gambar 3.5 Kerugian tekan pada ruang bakar

25

Gambar 3.6 Diagram h-s pada turbin

27

Gambar 4.1. Grafik Efisiensi Turbin - Velocity Ratio

34

Gambar 4.2 Penampang annulus turbin aksial

37

Gambar 4.3 Dimensi sudu tingkat 1

48


49


49

Gambar 4.6 Diagram kecepatan pada sudu turbin.

50

Gambar 4.7 Grafik hubungan antara sudut masuk gas sudut keluar gas

61

Gambar 4.8 Geometri sudu turbin

62

Gambar 4.9 Profil sudu turbin NACA seri C — 7

64

Gambar 5.1 Gaya-gaya pada sudu turbin

70

Gambar 5.2 Tegangan yang terjadi pada sudu turbin

72

Gambar 5.3 Momen lentur pada sudu

72

Gambar 5.4 Grafik hubungan z dan sudut chamber sudu.

75

Gambar 5.5 Bentuk Konstruksi Cakram Turbin

78

Gambar 5.6 Ukuran dan bentuk Pasak

80

Gambar 5.7 Gaya tangensial pada pasak

81

Gambar 5.8 Bantalan luncur

83

Gambar 5.9 Grafik ketebalan lapisan minimum dan Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

perbandingan eksentrisitas

84

Gambar 5.10 Koefisien gesekan

86

Gambar 5.11 Grafik variable aliran

87

Gambar 5.12 Grafik perbandingan aliran

88

Gambar 5.13 Grafik pemilihan jenis Pelumasan

90


DAFTAR TABEL

Tabel 4.1. Kondisi gas pada tiap tingkat sudu turbin

41

Tabel 4.2. Dimensi sudu turbin

47

Tabel 4.3. Diagram kecepatan dan sudut gas tiap tingkat

55

Tabel 4.4. Spesifikasi sudu gerak tiap tingkat turbin

59

Tabel 4.5. Spesifikasi sudu diam tiap tingkat turbin

59

Tabel 4.6. Sudut-sudut sudu gerak turbin pada Dasar Sudu

62

Tabel 4.7. Sudut-sudut sudu gerak turbin pada Tengah Sudu

63

Tabel 4.8. Sudut-sudut sudu gerak turbin pada Puncak Sudu

63

Tabel 4.9. Dimensi dari sudu gerak turbin

64

Tabel 4.10. Berat sudu gerak tiap tingkat turbin.

66

Tabel 5.1 Gaya-gaya pada sudu gerak turbin

71

Tabel 5.2. Tegangan yang timbul pada sudu gerak

76

Tabel 5.3 Tegangan pada sudu gerak

78

Tabel 5.4 Dimensi disk untuk tiap tingkat turbin

79


DAFTAR NOTASI

Notasi

Arti

Satuan

m2

A

Luas Anulus

AFR

Perbandingan udara dan bahan bakar

c

panjang chord sudu

m

C

Kecepatan absolute Gas

m/s

C

Kecepatan aliran fluida masuk Kompressor

m/s

C pg

panas spesifik gas hasil pembakaran

kJ/kg

Cx

Panjang chord sudu arah aksial

m

Dd

Diameter luar cakra

m

Dh

Diameter lubang cakra

m

DR

Diameter hidrolis pada sudu diam

m

FA

Diameter hidrolis pada sudu gerak

m

FAR

perbandingan bahan bakar dengan udara

Fr

Gaya tangensial sudu

N

h

entalphi static

kJ/kg udara

ho

entalphi stagnasi

kJ/kg udara

k

Conduktivitas thermal

W/m.K

LHV

Nilai pembakaran bawah bahan bakar

kJ/kg udara

ma

massa aliran udara

kg/s

mf

massa aliran bahan bakar

kg/s

mg

massa aliran gas hasil pembakaran

kg/s

kg

udara

/kg bahanbakar

udara

kg bahanbakar / kg

.K

udara


mp

massa aliran udra pendingin

kg/s

n

putaran

rpm

P

Tekanan

Pa

P0

tekanan stagnasi

Pa

Pf

Losses tekanan udara pada filter

Pa

PG

Daya Generator

MW

PK

Daya Kompressor

MW

PT

Daya Turbin

MW

s

Laju perpindahan kalor

Watt

r

jari-jari sudu

m

Ra

konstanta panjang pitch sudu

m

Tc

temperature fluida dingin

K

Th

temperature fluida panas

K

U

kecepatan keliling

m/s

V

kecepatan relative gas

m/s

w

lebar sudu

m

W

kerja spesifik

kJ/kg udara

W netto

kerja bersih

kJ/kg udara

Z

jumlah sudu

buah


B A B

I

PENDAHULUAN

1 . 1 Tinjauan Umum Turbin gas adalah suatu penggerak mula yang memanfaatkan gas sebagai fluida kerja. Didalam turbin gas energi kinetik dikonversikan menjadi energi mekanik berupa putaran yang menggerakkan roda turbin sehingga menghasilkan daya. Bagian turbin yang berputar disebut rotor atau roda turbin dan bagian turbin yang diam disebut stator atau rumah turbin. Rotor memutar poros daya yang menggerakkan beban (generator listrik, pompa, kompresor atau yang lainnya). Perkembangan turbin gas hingga bisa dibuat seperti sekarang ini, yakni sampai bisa ekonomis untuk dipakai sebagai mesin penggerak pesawat terbang dan untuk instalasi darat seperti pembangkit tenaga listrik, sudah menghabiskan waktu yang cukup lama sekali. Konstruksi dan cara bekerjanya turbin gas adalah sangat mudah bila hanya didalam kertas ( gambar desain ), tetapi kenyataannya bila diwujudkan adalah sukar, karena ada hubungannya dengan pemakaian bahan bakar turbin yang harus hemat. Keuntungan penggunaan turbin gas pembangkit tenaga listrik dan sebagai penyedia panas industri karena sifatnya yang mudah diinstal, proses kerjanya tidak ruwet, terutama cocok untuk menanggulangi beban puncak serta dimensinya yang kecil. Penggunaan turbin gas pada saat ini sudah mempunyai arti yang sangat luas dan sangat besar, dimana untuk penggerak Pesawat terbang dengan daya yang besar harus memakai turbin gas, tidak bisa disaingi atau digantikan oleh penggerak mula jenis lainnya seperti motor bakar

Pada saat ini perkembangan penggunaan turbin gas sudah sangat maju, dimana Para ilmuan telah menemukan penggunaan turbin gas dan turbin uap sekaligus dalam satu siklus yang disebut dengan siklus gabungan (Combine Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

Cycle ). Tujuannya tidak lain adalah untuk meningkatkan efesiensi dari siklus tunggal (siklus Brayton sederhana) dengan memanfatkan kalor dari sisa gas buang turbin gas untuk kebutuhan ketel uap penghasil uap, guna menggerakkan turbin uap, sehingga lebih menghemat penggunaan bahan bakar pada instalasi ketel uap.

1.2 Gambaran Umum Pembangkit Tenaga Pembangkit tenaga yang paling banyak digunakan secara umum digolongkan atas dua bagian, yaitu : a. Thermal Power Plant b. Hydro Power Plant A. Thermal power plant Energi yang digunakan pada thermal power plant diperoleh dari hasil pembakaran bahan bakar cair, gas ataupun padat. Adapun jenis pembangkit yang tergolong kepada thermal power plant adalah : •

Pembangkit Listrik Tenaga Diesel ( PLTD )

•

Pembangkit Listrik Tenaga Uap ( PLTU )

•

Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG)

•

Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir(PLTN) Para

ahli

atau

ilmu an

d ib id ang

ini

masih

terus-

m e n e r u s mengembangkan kemungkinan pemanfaatan sumber energi lain ( energi terbarukan ) sebagai sumber tenaga,seperti •

Solar power plant

•

Wind power plant

•

Energi biomasa


B. Hydro Power Plant Hydro power plant adalah pembangkit tenaga yang memanfaatkan energi

Potensial

air

untuk

menggerakkan

sudu-sudu

turbin,

sehingga

menyebabkan poros turbin berputar, dimana poros inilah yang akan memutar generator listrik. Dengan kata lain bahwa hydro power plant adalah suatu unit pembangkit tenaga yang memannfaatkan energi potensial air yang diperoleh dari tinggi air jatuh seperti air terjun, bendungan dan sebagainya. Usaha untuk mengkonversikan energi air ( hydro power ) menjadi energi Listrik memerlukan investasi yang sangat mahal dan juga mengingat keterbatasan sumber energi pembangkit yang tersedia, maka hydro power plant cocok untuk daerah yang memiliki sumber energi pembangkit tersebut.Dari sekian banyak pembangkit tersebut diatas. Disini penulis hanya akan membahas pembangakit listrik tenaga gas, yaitu berupa unit turbin gas yang akan digunakan pada pembangkit listrik tersebut.


1. 3. Latar Belakang Permasalahan

Turbin gas merupakan suatu unit pesawat pembangkit tenaga yang pada saat ini banyak dipakai, baik dalam kegiatan industri maupun sebagai penggerak generator listrik atau pesawat terbang.

Adapun kelebihan turbin gas dibandingkan unit pesawat pembangkit tenaga lainnya adalah karena, sifatnya yang mudah dioperasikan, proses kerjanya tidak ruwet, ukurannya yang relatif kecil dan cocok untuk menanggulangi beban puncak.

Turbin gas juga memiliki kelemahan antara lain adalah tingkat efisiensi turbin gas lebih rendah dibandingkan sistem pembangkit tenaga lain seperti Tenaga uap ataupun diesel disamping biaya produksi dan perawatannya cukup tinggi. Dengan alasan diatas maka dapat dipahami bahwa jika akhirnya dipilih turbin gas sebagai pesawat pembangkit tenaga dibandingkan unit pembangkit tenaga lainnya.

1.4. Tujuan Penulisan

Adapun tujuan penulisan tugas sarjana. ( skripsi) ini adalah untuk merancang suatu unit turbin gas penggerak generator listrik dengan daya terpasang 135,2

MW dan putaran 3000

rpm. Perancangan

meliputi analisa termodinamika, perhitungan ukuran-ukuran utama serta gambar teknik turbin gas tersebut. Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

1.5. Pembatasan Masalah

Pada penulisan tugas sarjana ( skripsi) ini, penulis hanya membahas tentang : a. Analisa termodinamika b. Pehitungan rancangan turbin gas c. Ukuran-ukuran utama turbin gas d. Gambar penampang ( gambar teknik ) turbin gas 1.6. Metodologi Penulisan Metode yang digunakan dalam penulisan tugas sarjana ( skripsi ) ini adalah sebagai berikut : a. Survey lapangan, berupa peninjauan langsung kelokasi tempat unit pembangkit itu berada, Yaitu di PLN Sicanang Belawan. b. Studi literatur, berupa studi kepustakaan, kajian dari buku-buku dan tulisan-tulisan yang terkait, serta pencarian di internet. c. Disku si, beru pa t anya jawab dengan dosen pembimbing, dosen pembanding yang nanti akan ditunjuk oleh pihak jurusan Teknik Mesin USU mengenai kekurangan-kekurangan didalam tulisan ( skripsi ) ini.


BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Turbin gas adalah suatu unit turbin dengan menggunakan gas sebagai fluida kerjanya.Sebenarnya turbin gas merupakan komponen dari suatu sistem turbin gas. Sistem turbin gas paling sederhana terdiri dari tiga komponen utama, yaitu kompresor, ruang bakar dan turbin. Turbin gas yang ada saat ini sangat luas dan beragam penggunaannya. Salah satu contoh penerapannya yang sudah sangat terkenal adalah sebagai mesm penghasil daya dorong pada pesawat terbang. Di industri, turbin gas digunakan untuk menggerakan bermacam-macam peralatan mekanik, misalnya pompa dan kompresor atau generator listrik kecil.Turbin gas juga digunakan untuk memutar generator listrik pada instalasi pembangkit listrik tenaga gas guna menanggulangi beban puncak kebutuhan listrik dan kadang-kadang juga beban menengah dan beban dasar.

2.1. Klasifikasi Turbin Gas Turbin gas dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa kriteria, sebagai berikut : A.Berdasarkan siklus, kerjanya 1. Siklus terbuka Dalam siklus ini, gas hasil pembakaran setelah diekspansikan pada turbin, langsung dibuang keudara bebas. Instalasi turbin gas dengan siklus ini memiliki struktur yang sederhana, yaitu terdiri dari kompresor, ruang bakar, dan


turbin sebagai penggerak beban dan kompresor. Struktur dan susunan dari instalasi turbin gas dengan siklus terbuka (open cycle) adalah :

Bahan bakar Gas Buang

Udara Atmosfi r

Gambar 2.1. Sistem turbin gas dengan siklus terbuka Sumber : Arismunandar ( 2002 )

2. Siklus tertutup (closed cycle) Seperti halnya pada turbin uap, turbin gas dapat pula dirancang dengan sistem siklus tertutup yaitu fluida kerjanya tidak berhubungan dengan atmosfer sekitarnya. Dengan demikian dapat dijaga kemurniannya. Hal in i sangat menguntungkan dari segi pencegahan kerusakan yang disebabkan oleh erosi dan korosi. Pemilihan fluida kerjanya dapat disesuaikan dengan persyaratan yang diminta. Salah satu hal yang penting adalah bahwa pada sistem ini dapat digunakan tekanan tinggi ( sampai 40 atm ) seperti pada turbin uap, tetapi fluida kerjanya tidak mengalami perubahan fasa. Skema instalasi turbin gas siklus tertutup dapat dilihat pada gambar 2.2.


Heat Exchanger

P K

T

Heat Exchanger

K = Kompressor P = Poros T = Turbin

Gambar 2.2. Skema Instalasi turbin gas dengan siklus tertutup. Sumber : Thermodynamics ( fourth edition)

Turbin gas dengan sistem ini konstruksinya lebih rumit, karena membutuhkan pesawat pemanas yang mempunyai luas pemanas yang besar dan juga membutuhkan pesawat pendingin udara sebelum masuk kompresor Keuntungannya adalah: o

Lebih menghemat penggunaan bahan Bakar

o

Untuk daya yang sama, turbin ini mempunyai ukuran yang lebih kecil.

o

Bisa bekerja dengan tekanan yang tinggi


B. Menurut konstruksinya: 1. Turbin gas berporos Tunggal (single shaft) Turbin gas ini digunakan untuk pembangkit listrik pada perusahaan listrik maupun industri yang berskala besar ( lihat pada gambar 2.1)

2. Turbin gas berporos ganda ( multi shaft )

Jenis turbin ini digunakan untuk menahan beban dan torsi yang bervariasi. Poros pertama turbin dikopel langsung dengan poros aksial. Turbin dengan tekanan tinggi berfungsi menggerakan kompresor, mensuplai gas panas untuk turbin bertekanan rendah. Turbin tekanan rendah untuk memutar generator listrik. Turbin multi shaft ini juga digunakan untuk sentral listrik dan industri. Turbin ini direncanakan beroperasi pada putaran yang berbeda tanpa menggunakan reduction gear. Bahan bakar

Gas buang Udara Atmosfer

RB

P

Keterangan : K RB P T G

G

= Kompresor = Ruang Bakar = poros = Turbin = Generator


HPT =Hight Pressure Turbine LPT = low Pressure Turbin

Gambar 2.3. Turbin gas berporos ganda Sumber : Arismunandar ( 2002 ) 3. Turbin gas dengan siklus kombinasi Karena banyaknya energi yang hilang bersama dengan terbuangnya gas buang, maka telah dilakukan beberapa upaya untuk memanfaatkannya dengan cara menambah beberapa macam proses baru serta peralatan tambahan sehingga energi yang seharusnya terbuang dapat dimanfaatkan lagi untuk suatu proses tertentu sehingga dengan demikian dapat meningkatkaan efesiensi dari sistem tersebut. Tetapi seiring dengan hal itu, bertambah pula biaya investasi.

Yang diperlukan karena harus membeli peralatan baru. Dilihat dari segi ekonomisnya, turbin gas dengan siklus kombinasi memiliki kebaikan dan keuntungan bila turbin gas ini dijalankan untuk base load (beban dasar atau utama) dan secara kontinue. Ada beberapa macam turbin gas siklus kombinasi, antara lain: a. Turbin gas dengan siklus Regenerasi Pada turbin gas dengan siklus regenerasi dilakukan penambahan peralatan berupa alat penukar kalor ( Heat Exchanger ) yang diletakan antara ruang bakar dan saluran gas buang. Udara bertekanan dari kompresor mengalir dengan suhu rendah ke heat exchanger untuk kemudian diteruskan ke ruang bakar dengan temperatur tinggi. Panas yang diberikan oleh heat exchanger diperoleh dari sisa gas buang yang dilewatkan terlebih dahulu didalam pesawat penukar kalor sebelum dibuang keudara beban. Skema dari instalasi tersebut dapat dilihat pada gambar 2.4.

HE RB Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

G

Keterangan : K = Kompresor RB = Ruang akar P =Poros T = Turbin G = Generator HE = Heat Exchanger

Gambar 2.4. Skema turbin gas siklus regeneratif dengan heat exchanger Sumber : Arismunandar ( 2002 )

b. Siklus gabungan turbin gas dengan turbin uap Skema siklus gabungan ini dapat dilihat pada gambar 2.5. Panas dari gas buang dipergunakan kembali untuk keperluan antara lain : o Produksi uap untuk keperluan industri, misalnya proses pemanasan o Produksi uap untuk pembangkit tenaga listrik dengan menggunakan turbin uap. Proses ini disebut " Combined gas and steam cycle " Gas buang

Air

KU R

RB

K

p

TG

G

G

G1

TU

Air Pendingin

Udara Atmosfer

Ko Air Kondensing


p Keterangan : K = Kompresor RB = Ruang Bakar P = Pompa TG = Turbin Gas G = Generator R =Regenerator

Ka = Katup Ku = Ketel Uap TU = Turbin Uap G1 = Generator Uap Ko = Kondensor

Gambar 2.5. Skema instalsi siklus gabungan turbin gas — turbin uap Sumber : Arismunandar ( 2000 ) C. Menurut arah aliran fluida kerjanya,

turbin gas dibagi atas dua bagian, yaitu : Turbin aksial , dimana arah aliran fluida kerjanya sejajar dengan poros Turbin radial , dimana arah aliran fluida kerianya menyilang poros atau dalam arah tegak lurus dengan poros turbin. 2.2 Komponen – Komponen Utama Turbin Gas Secara skematik, unit turbin gas dapat digambarkan sebagai berikut : Bahan Bakar

RB

K T

Udara/ Fluida Kerja

T

b

Gas keluar

Keterangan : K = Kompresor RB = Ruang Bakar T = Turbin b = Beban

Gambar 2.6. Skema instalsi turbin gas sederhana Komponen-komponen pada gambar 2.6 di atas diterangkan, sebagai berikut : 1. Kompresor Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

berfungsi sebagai alai untuk menghisap udara luar ( udara atmosfir ) dan selanjutnya dikompresikan untuk mendapatkan tekanan yang lebih besar. 2. Ruang bakar Fungsinya adalah untuk tempat pembakaran bahan bakar agar diperoleh fluida kerja berupa gas hasil pembakaran yang akan digunakan untuk menggerakkan turbin. Bahan bakar terbakar akibat bercampur dengan udara kompresi serta dengan bantuan percikan nyala api dari busi. 3. Turbin Turbin berfungsi merubah energi kinetik yang tersimpan pada gas hasil pembakaran menjadi energi berguna.

2.3. Sistem Kerja Dan Start Turbin Gas Penggerak mula yang digunakan pada sistem ini adalah motor diesel. Motor diesel ini dihubungkan dengan accessory gear melalui torque converter dan clute.Mula-mula motor diesel akan memutar kompresor, turbin dan generator sekaligus dalam keadaan idle ( tanpa beban ) sampai tercapai putaran ( 16-22 ) % dari putaran kerja. Pada putaran ini kapasitas kompresor telah cukup untuk proses pembakaran sehingga proses pembakaaran telah dapat didalam ruang bakar. Gas panas hasil pembakaran kemudian diekspansikan kedalam turbin secara kontinue. Jumah bahan bakar terus bertambah, sehingga mengakibatkan entalpi hasil pembakaran semakin tinggi, demikian juga tenaga ( daya ) yang dihasilkan turbin semakin besar. Dengan semakin meningkatnya daya yang dihasilkan turbin, akan membawa kompresor dan turbin itu sendiri semakin cepat berputar. Pada. putaran sekitar ( 65 – 75 ) % dari putaran kerja maka motor diesel telah tertinggal putarannya, sehingga terjadi slip pada kopling. Pada saat inilah kopling melepas hubungan antara motor diesel dan turbin. Kemudian motor diesel berjalan idle dan akhirnya berhenti, sementara turbin berakselerasi sendiri dengan adanya tambahan bahan bakar sampai dengan putaran kerja. Pada saat putaran kerja telah tercapai, governor telah berfungsi untuk mengatur bahan bakar dan program start telah Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

selesai, sehingga turbin siap menerima beban dari generator dan operasi terus berjalan dengan bervariasi beban dari generator. 2.4. Siklus Kerja Turbin Gas

Turbin gas pada umumnya memiliki dua siklus kerja, yaitu : A. Siklus ideal Turbin gas secara termodinamika beker ja dengan siklus brayton. Siklus ini merupakan siklus ideal untuk sistem turbin gas sederhana dengan siklus terbuka.Siklus ini terdiri dari dua proses isobar dan dua proses isentropik.

Siklus ideal adalah suatu siklus yang dibangun berdasarkan asumsi sebagai berikut : (Arismunandar, 2002) •

Proses kompresi dan ekspansi berlangsung secara reversibel adiabatik (isentropis).

•

Perubahan energi kinetik dari fluida kerja diantara sisi masuk dan sisi keluar setiap kompresor diabaikan.

•

Tidak ada kerugian tekanan pada sisi masuk ruang bakar dan keluar gas.

•

Fluida kerja dianggap gas ideal dengan panas jenis konstan.

Gambar dibawah ini menunjukan siklus brayton sederhana . Bahan bakar RB 2

Udara atmosfer 1

K

3

T

4 Gas Buang


Gambar 2.7. Siklus Brayton sederhana Adapun diagram h,T vs S dan P vs V dapat dilihat berikut ini:

Gambar 2.8. Diagram P-V dan diagram T-S ( siklus ideal )

Proses proses yang terjadi dari diagram tersebut diatas adalah sebagai berikut : • Proses 1-2 : Proses kompresi isentropis pada kompresor. • Proses 2-3 : Proses pembakaran pada tekanan konstan ( isobar ) didalam ruang bakar, adanya pemasukan panas • Proses 3-4 : Proses ekspansi isentropik pada turbin. Dengan demikian pada proses steady state untuk masing-masing proses diatas, diperoleh • Proses 1-2 : Kerja kompresor W komp

= C p ( T 2a

— T1

= h 2a – h 1 • Proses 2-3 Q

RB

) (kJ/kg)

(2.1)

Pemasukan panas

= C p ( T 3 - T 2a ) = h 3 –h 2 a

( kJ / kg)

(2.2)

• Proses 3-4 : Kerja turbin Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

W Ta

= C p ( T 3 — T 4a ) = h 3 – h 4a

•

(kJ/kg)

(2.3)

Kerja netto siklus ( W net ) W net

= W Ta - W ka

(2.4)

= C p (T 3 — T 4 a )— C p (T 2 a — T 1 ) = [(h 3 – h 4 a )- ( h 2 a – h 1 )] Efesiensi total instalasi ( ηTotal ) adalah perbandingan antara kerja netto siklus dengan pemasukan energi.

B. Siklus aktual Proses – pro ses yang terjadi diat as berlaku secara teorit is, tetapi kenyataannya (secara aktual ) terjadi penyimpangan – penyimpangan dan proses yang ideal. Penyimpangan-penyimpangan itu adalah :

1.

Fluida kerja bukanlah gas ideal dengan panas spesifik konstan.

2.

Laju aliran massa fluida kerja tidak konstan.

3.

Proses yang berlangsung diset iap komponen t idak adiabat ik dan reversibel, karena ada kerugian energi akibat gesekan, perpindahan panas dan lain-lain.

4.

Proses kompresi didalam kompresor tidak berlangsung secara isentrofik.

5.

Proses ekspansi didalam turbin tidak berlangsung secara isentropik.

6.

Proses pembakaran tidak berlangsung secara adiabatik serta tidak dapat menjamin terjadinya pembakaran sempurna, sehingga untuk mencapai temperatur gas masuk turbin yang ditetapkan diperlukan jumlah bahan bakar yang lebih banyak.

7.

T e r j a d i p e nu r u n a n t e k a n a n p a d a r u a n g b a k a r


Kerugian-kerugian diatas akan mempengaruhi effesiensi dari siklus.

BAB III PENETAPAN SPESIFIKASI 3.1 Spesifikasi Teknis Perencanaan Sebelum memulai perencanaan mengenai hal-hal yang spesifikasi, khususnya perencanaan turbin pada instalasi turbin gas, maka perlu sekiranya untuk menganalisa sistem secara keseluruhan dengan analisa termodinamika guna mendapatkan suatu kondisi awal perencanaan. Spsesifikasi teknis perencanan yang ditetapkan sesuai dengan data referensi dari buku yang disesuaikan data dari hasil survey study di PLTGU Sicanang Belawan Sumatera Utara. Spesifikasi teknis dari sistem instalasi turbin gas sebagai berikut : •

Daya Keluaran Generator

: 135,2 MW

•

Bahan Bakar

: Gas

•

Tipe Turbin

: V 94.2

•

Putaran Turbin

: 3000 rpm


•

Temperatur masuk Kompressor

: 30ºC

•

Temperatur masuk turbin

: 975 ºC

•

Tekanan Barometer

: 1,013 bar

Kondisi awal perancangan dapat dilihat pada gambar 3.1 jenis intalasi turbin gas siklus terbuka, berikut:

Bahan Bakar RB

W net K

T Udara

Gas buang

Gambar 3.1 Siklus turbin gas rancangan Temperatur udara yang dihisap kompressor mempunyai pengaruh yang besar terhadap daya efektif yang dapat dihasilkan pembangkit, sebab laju aliran masa udara yang dihisap kompressor akan berubah sesuai dengan persamaan gas ideal, yaitu : M = Pv/Rt, yaitu apabila temperatur masuk gas rendah maka massa aliran gas akan naik dan sebaliknya.hal ini berarti bila temperatur atmosfer turun maka daya efektif sistem akan naik dan sebaliknya. Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

3.2 Analisa Termodinamika

Gambar 3.2 Diagram T-s (aktual) Siklus Brayton

3.2.1 Analisa termodinamika pada kompressor. Analisa termodinamika pada kompressor dimaksudkan untuk menentukan kondisi masuk dan keluar kompressor. Pengambilan asumsi untuk perhitungan termodinamika kompressor adalah didasarkan pada efisiensi politrofik, yaitu efisiensi isentrofik dari sebuah kompressor dan turbin yang dibuat konstan untuk setiap tingkat berikutnya dalam keseluruhan proses. Dalam proses ini terjadi stagnasi dimana enthalpy, tekanan, temperatur dianalisa pada kondisi stagnasi yaitu kondisi fluida yang mengalir dengan suatu kecepatan, mengalami hambatan sehingga disaat itu kecepatan sama dengan nol isentropis. 1. Kondisi udara masuk Kompressor: Pa= Tekanan Barometer ( 1,013 bar ) Ta = Temperatur lingkungan (30ºC) = 30+ 273 K = 303 K

γ = Konstanta Adiabatik 1,4 (untuk udara) Sehingga : P 1 = P a - P f Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

Dimana , P f = Proses tekanan pada saringan udara masuk kompressor = 0.01 bar ( hasil survey) Maka : P1 = 1,013-0,01 P1 = 1,003 bar Dengan demikian akan diperoleh suhu keluar saringan udara:  1,003  T 1 = 303    1,013 

1, 4 −1 1, 4

……………….. (lit 1 hal 226)

T 1 = 302,14 K Sehingga dari table property udara ( lamp. 1) dengan cara interpolasi diperoleh : h 1 = 302,34 kJ/kg udara

2. Kondisi udara keluar kompressor Untuk mendapatkan nilai efisiensi yang lebih tinggi, maka perbandingan tekanan yang digunakan adalah optimum yaitu :

rp

=

 T max   T min 

k −1 k

……………….. (lit 1 hal 226)

Dimana rp 1 = Perbandingan tekanan optimum Tmax= T 3 = Temperatur masuk Turbin= 1248 K Tmin= T 1 = Temperatur masuk Kompressor = 302,14 K Maka,  1248  rp=    302,14 

1, 4 −1 1, 4

r p = 12 P 2 = r p .P1 Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

P 2 = 12. 1,003 P 2 =12.036 bar T2  P2  =  T1  P1  T 2 =(12 )

k −1 k

1, 4 −1 1, 4

…………………….(Cohen et al, 1989)

. 302,14

T 2 =614,53 K Maka setelah diinterpolasi dari table property udara diperoleh : h 2 = 622,3046 kJ/kg 3. Kerja Kompressor 

Kondisi Ideal Kompressor

Kerja Kompressor ideal adalah : W ki

= h 2 -h 1 =622,3046- 302,34 = 319,946 kJ/kg



Kondisi Aktual Perencanaan

Untuk menentukan keadaan pada titik 2, yaitu keadaan aktualnya maka ditetapkan η k= 0,88 ( antara 0,85-0,90 ) untuk kompressor aksial) Maka kerja aktual kompressor adalah : Wka=

319,9646 0.88

Wka=363,5961 KJ/kg Sehingga akan diperoleh h 2 a : h 2 a = Wka + h 1 h 2 a =363,5961 +302,34 h 2 a = 665,9361 kJ/kg Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

Dari table property udara dengan cara interpolasi diperoleh temperatur aktual perencanaan keluar kompressor (T2a) yaitu sebesar : T2a = 655,73 K = 382,73ºC Dari perhitungan maka dapat digambarkan diagram h-s sebagai berikut.

Gambar 3.3 Diagram h-s pada kompressor

3.2.2 Proses Pada ruang bakar Daya yang dihasilkan turbin tergantung dari entalphi pembakaran. Untuk itu perlu dianalisa reaksi pembakaran yang terjadi pada ruang bakar. Dari analisa ini akan didapat perbandingan bahan bakar dengan udara yang dibutuhkan yang dipergunakan, sehingga diperoleh laju aliran massa yang dialirkan ke turbin. Bahan bakar yanag dipakai adalah gas alam dengan komposisi pada table 3.2 berikut . Tabel 3.2 Komposisi Bahan Bakar NO

Komposisi

% Volume

1

CO2

2,86

2

N2

1,80

3

CH4

88,19

4

C2H6

3,88

5

C3H8

2,1

6

C4H10

0,83


7

C5H12

0,25

8

C6H14

0,05

9

C7H16

0,04 Σ = 100%

LHV

45.700 kj/kg

Sumber PT PLN ( Persero) Sicanang. Dengan reaksi pembakaran komponen bahan bakar adalah : Untuk CH4 0,8819 CH4 + a (O2 + 3,76 N2 ) → b CO2 + c H2O + d N2 Persamaan reaksi diatas disetarakan sebagai berikut : Unsur C

:b

= 0,8819

Unsur H

: 2c

= 4b

C Unsur O

: 2a A

Unsur N2

:d D

= 1,7638 = 2b+c = 1,7638 = 3,76 a = 6,6318

Sehingga persamaan reaksi (stoikiometri) yang terjadi : 0,8819 CH4 + 1,7638 (O2+3,76 N2) → 0,8819 CO2 + 1,7638 H2O+6,631 N2 Maka akan diperoleh massa bahan bakar CH4 : Untuk massa CH4

= 0,8819 x 16 = 14,1104 kgCH4/1mol bahan bakar

Dengan cara yang sama akan diperoleh hasil pada table 3,3 berikut. Tabel 3.3 Kebutuhan udara pembakaran


Mol udara

Massa B. Bakar

yang

( kgCmHn/1

dibutuhkan

mol BB)

0,0286

-

1,2584

N2

0,018

-

0,504

3

CH4

0,8819

1,7638

14,1104

4

C2H6

0,0388

0,1358

1,164

5

C3H8

0,021

0,105

0,924

6

C4H10

0,0083

0,05395

0,4814

7

C5H12

0,0025

0,02

0,18

8

C6H14

0,0005

0,00475

0,043

9

C7H16

0,0004

0,0044

0,04

Σ= 1

Σ = 2,08628

Σ =18,7052

Komposisi

Fraksi Mol B.Bakar

B.bakar

( % Volume)

1

CO2

2

No

Sedangkan massa udara yang dibutuhkan adalah : Massa= Mol x Mr = 2,08628 x ( 32 + 3,76.28) = 286,4045 kg Maka, AFR TH

=

MassaUdara MassaBahanBakar

=

286,4045 18,7025

=15,3137 kg Udara/kg bahan bakar Untuk menghitung perbandingan bahan bakar aktual, dengan menghitung temperatur udara keluar dari kompressor 382,73ºC dan dengan pertimbangan bahan yang dipakai sudu, ditetapkan temperatur gas masuk turbin 975ºC. Maka dapat ditentukan faktor kelebihan udara (excess air) sebesar 3,334 sehingga :


λ

AFRakt − AFRth x 100% AFRth

=

AFRakt − 15,3137 x 100% 15,3137

3,334

=

AFR akt

= (3,334 x 15,3137) + 15,3137

AFR akt

= 66,3741

AFR akt

= 0,015066

Gambar 3.4 Grafik faktor kelebihan udara Sumber : Turbin pompa dan compressor, Fritz Dietzel Kerugian tekanan pada ruang bakar (gambar 3.3) sebesar (2-3)% (lit 1, hal 198) diambil 2% , maka : P3

= P 2 a - ∆ Pb = 12,0- ( 0,02 X 12,0) =11,8 bar


Gambar 3.5 Kerugian tekan pada ruang bakar Sehingga tekanan pada titik 3 : T3

= 975 + 273 = 1248 K

Drai table property udara dengan cara interpolasi maka kan diperoleh : h 3 = 1334,354 kJ/kg 3.2.3 Analisa termodinamika pada Turbin 1. Temperatur dan tekanan udara keluar Turbin Tekanan keluar turbin (ideal) sama dengan tekanan atmosfer, sehingga : P4=Pa= 1,013 bar

T4  P4  =  T3  P3 

k −1 k

 11,8  T4=  1,013 

1, 4 −1 1, 4

x 1248

T 4 = 618,8213 K Dengan cara interpolasi dari table udara diperoleh enthalpy keluar turbin h 4 = 626,82944 kJ/kg 2. Kerja Turbin Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009



Kondisi Kerja Ideal Turbin

W T1

= 1334,354-626,82944 = 707,524558 kJ/kg



Kondisi Kerja Aktual Turbin

Untuk menentukan kerja turbin yang sebenarnya, maka ditentukan efisiensi isentropis turbin yakni dipilih 0,85 ( antara 0,82-0,89 )

η = effisiensi turbin = 0,85 Maka : W

Ta

= 0,85 x 707,524558 kJ/kg = 601,3958 kJ/kg

Sehingga diperoleh entalphi dan temperatur perencanaan : h 4a

= h 3 - W Ta = 1334,354-601,3958 = 732,9582 kJ/kg

Dari table property udara dengan cara interpolasi diperoleh temperatur udara keluar turbin secara aktual sebesar : T 4 a

=705,14 K= 432,14 ºC

Dari perhitungan maka dapat digambarkan diagram h-s nya sebagai berikut.

h ( kJ/kg).

h3 = 1334,354

h4a =732,9582 h4 =626,8294

Gambar 3.6 Diagram h-s pada turbin 3.2.4. Generator Listrik Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

Dalam suatu poses pembebanan listrik arus bolak balik ada suatu unsur yang terlihat dalam proses konversi daya, yaitu : 1. Daya nyata yang diukur dengan Watt, dikatakan daya nyata, karena besaran inilah yang terlibat dalam proses konversi daya. 2. Daya reaktif yang sebenarnya tidak mempengaruhi suatu proses konversi daya, tetapi adalah suatu kebutuhan yang harus dilayani secara ekonomis dapat dikatakan bahwa daya reaktif hanya membebani biaya investasi dan bukan biaya operasi. Suatu beban membutuhkan daya reaktif yang besar karena dua hal, yaitu : a. Karakteristik beban itu sendiri yang tidak biasa dielakkan b. Proses Konversi daya didalam alat itu sendiri. Dari kesimpulan diatas diperoleh bahwa daya yang harus disuplai oleh turbin kepada generator harus dapat memenuhi kebutuhan daya nyata dan daya reaktif. 

Daya keluaran (nyata) generator : P G = 135,2 MW



Daya semu generator : PS =

PG Cosφ

=

135,2 0,8

=169,2 MW 

Daya netto turbin PE =

Dimana

PG η Gη Tr .Cosφ :η

η

G

Tr

= Effisiensi generator ( direncanakan 0,98 ) = Effisiensi transmisi ( direncanakan 1 karena turbin dan generator dikopel langsung )


Cos φ = 0,8-0,9 ( dipilih 0,8) Maka

PE

=

135,2 0,98.1.0,8

= 172,448 MW

Laju Aliran Massa Udara dan Bahan Bakar Laju aliran massa udara dan bahan bakar ini akan dipergunakan untuk menentukan daya dari kompressor dan turbin, serta dalam perancangan sudu turbin. Ma

=

PE  mf  1 + ma Wta − Wka

Dengan : P E

= 172,448 MW

mf = FAR akt= 0,015066 ma Dan AFR akt = 66,3741 Sehingga m a =

ma =

172448 [1 + 0,015066]601,3958 - 363,5961 172448 241,382

m a = 714,419 kg/s Mf

= m a x FAR akt = 714,419. 0,015066 = 10,7634 kg/s

3.2.6 Kesetimbangan Energi Pada Ruang Bakar Ruang bakar tidak menghasilkan dan tidak memerlukan energi mekanis, jadi w= 0, jika proses pembakaran dianggap adiabatik maka ∆ EP ≅ 0 karena Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

relative kecil dibanding dengan besaran lainnya. Maka persamaan untuk ruang bakar dapat dituliskan menurut ( lit.1 hal 74 ) : Σ ( m produk x h produk) = Σ (m reaktan x h reaktan) udara masuk h 2 a = 665,9361

RB

m a =714,419 kg/s

Gas Pembakaran keluar h 3 = 1334,354

B. Bakar masuk m f = 10,7634 kg/s

Maka, ma.h 2 a + mf LHV= (ma+mf) h 3 714,419. 665,9361 +10,7634.45700 = (714,419+ 10,7634) 1334,354 967649,78 967650

= 967650,036 = 967650

Artinya dalam ruang bakar terjadi kesetimbangan energi

3.2.7 Udara Pembakaran Udara pembakaran adalah perbandingan antara AFR akt dengan AFR TH yang digunakan untuk menentukan persentase udara pembakaran

τ

=

AFRakt AFRth

=

66,3741 15,3137

=4,334 3.2.8 Kerja Netto Kerja spesifik netto adalah selisih antar kerja spesifik turbin dengan kerja spesifik kompressor yang digunakan untuk menentukan nilai effisiensi siklus. Wnet = WTa- Wka

(lit.3 hal 478)


= 601,3958- 363,5961 = 237,7997 kJ/kg 3.2.9. Back work Ratio Backwork ratio merupakan nilai persentase kerja spesifik turbin yang digunakan untuk menggerakkan kompressor. r bw

=

Wka WTa

=

363,5961 601,3958

( lit.3 hal 478)

=0,6045 3.2.10. Effisiensi Thermal siklus Effisiensi thermal ini merupakan effisiensi total dari siklus yangterjadi pada analisa termodinamika tersebut.

η

=

Wnet x 100% QRb

=

Wnet h3 − h 2a

=

(lit.3 hal 479 )

237,7997 100% 1334,354 − 665,9361

=35,5 % 3.2.11. Panas Masuk Panas masuk adalah suplai panas dari ruang bakar sebesar : Q in

= QRB

= h 3 - h 2a

(lit 3. hal 479 )

= 1334,354 kJ/kg-665,9361 kJ/kg =668,4179 kJ/kg 3.2.12 Panas Keluar Panas Keluar dari turbin gas sebesar : Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

Q out = h 4 a -h 1

(lit.3 hal 479)

= 732,9582 kJ/kg -302,34 kJ/kg = 430,6182 kJ/kg 3.2.13. Daya Tiap Komponen Instalasi Turbin Gas 1. Daya Kompressor Daya Kompressor dari instalasi turbin gas adalah Pk

:

= (m a ) .W ka = 714,419 kg/s. 363,5961 kJ/kg = 259759,9 kW = 259,759 MW

2.Daya Turbin Gas Daya bruto dari instalasi turbin gas adalah PT

:

= PK + PE = 259,759 MW +172,448 MW = 432,207 MW



Pembuktian Daya Turbin. W turbin = m a + m f . W Ta =(714,419 kg/s +10,7634 kg/s) . 601,3958 kJ/kg = 725,1824 kg/s . 601,3958 kJ/kg = 436121,64 kJ/s = 436121,64 kW = 436,121 MW Hasilnya Mendekati dengan nilai Daya Turbin


Hasil Analisa Termodinamika Setelah

diadakan

analisa

termodinamika,

sebagai

langkah

awal

perencanaan, maka diperoleh hasil- hasil sebagai berikut : Temperatur Lingkungan (T a )

: 303 K

Temperatur keluar kompressor(T 2 )

: 614,53 K

Kerja Kompressor Aktual (W ka )

: 363,5961 kJ/kg udara

Suplai panas dari ruang bakar (Q Rb )


(AFR) akt

: 66,3741 kg

(FAR) akt

: 0,015066 kg bahanbakar / kg

Temperatur gas masuk turbin ( T 3 )

: 1248 K

Temperatur gas buang turbin (T 4 a )

: 705,14 K

Kerja turbin aktual ( W Ta )


Laju Aliran massa udara (m a )

: 714,419 kg/s

Laju aliran massa bahan bakar ( m f )

: 10,7634 kg/s

Daya kompressor (P K )

: 259759,9 kW

Daya Turbin (P T )

: 432,207 MW

Daya nyata generator (P G )

: 135,2 MW

Daya poros efektif turbin gas (P E )

: 172,448 MW

Efisiensi thermal siklus ( η th sikl)

: 35,5 %

udara

/kg bahanbakar udara


BAB IV PERENCANAAN TURBIN

4.1. Parameter Perencanaan Turbin Dalam perencanaan ini dipilih turbin aksial jenis turbin aksial karena mempunyai keuntungan antara lain: efisiensi yang lebih baik, perbandingan tekanan dapat diubah lebih tinggi, konstruksi lebih ringan dan tidak membutuhkan ruangan yang terlalu besar. Turbin aksial yang direncanakan adalah bertingkat banyak, dimana tiap tingkat terdiri dari satu baris sudu diam dan satu baris sudu gerak. Sudu diam berfungsi mempercepat aliran fluida kerja dan sudu gerak berfungsi untuk mengkonversikan energi kinetik menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran poros turbin. Turbin aksial terdiri dari turbin reteau ( turbin dengan tekanan bertingkat), turbin curtis ( turbin dengan kecepatan bertingkat), turbin reaksi ( turbin yang proses ekspansinya terjadi tidak hanya pada laluan sudu diam, tetapi juga pada laluan sudu gerak sehingga penurunan seluruh kandungan kalor pada semua tingkat terdistribusi secara merata) Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

Gambar 4.1. Grafik Efisiensi Turbin - Velocity Ratio ( a ) (Sumber: Energy Conversion System Sorensen) Maka dalam perencanaan ini dipilih turbin aksial, jenis turbin aksial reaksi karena: 

Pada tipe ini, kecepatan tangensial yang mengalir diantara sudu sudu adalah tidak terlalu besar, sehingga kerugian gesekan akibat kecepatan juga tidak terlalu besar.



Effisiensi tingkat pada tipe reaksi lebih baik dari pada yang lainnya, dengan perbandingan kecepatan yang lebih besar.



Pada tipe reaksi, effisiensi maksimum dapat dicapai pada daerah perbandingan (U/V) = 0,8 s/d 0,9

Untuk perencanaan turbin aksial, ada beberapa hal yang perlu diperhatikan dan ditetapkan, sebagai berikut : •

Koeffisien aliran sudu (ψ )

•

Kecepatan tangensial rata-rata (Um) = (350 – 400)m/s

•

Kecepatan aliran gas (Ca)

= 150 m/s

[lit 7, hal 671]

•

Derajat reaksi tingkat (RR)

= 0,5

[lit 1 hal 546]

=3

[lit 7 hal 111]

4.2. Perrhitungan Jumlah Tingkat Turbin 1. Penurunan temperatur tiap tingkat turbin (ATos ) Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

Penurunan temperatur tiap tingkat turbin ini masih merupakan nilai yang diperoleh dari penentuan harga Um. setelah itu akan disubstitusikan kembali untuk mendapatkan nilai yang sebenarnya. 2c pg ∆Tos

ψ =

3=

Um

2

2 x1,148 x∆To s x10 3

(375)2

∆To s = 183,743 K 2. Total penurunan temperatur gas ( ∆ To ) Total penurunan temperatur ini merupakan selisih dari temperatur masuk dan keluar turbin. ATo

= T3 – T4 = 1248 K –705,14 K = 542,6 K

3. Jumlah tingkat turbin yang dibutuhkan (n) Dari perhitungan penurunan temperatur tiap tingkat dan total penurunan temperatur gas di atas, akan diperoleh jumlah tingkat turbin yang dibutuhkan. n =

=

∆To ∆To s

542,6 K 183,743 K

= 2,99 ≈ 3 tingkat Hasil ini disubstitusikan kembali untuk mendapatkan harga ∆ Tos dan Um yang sebenarnya. 3=

542,6 ∆Tos

∆To = 180,95 K Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

Maka, 2c pg ∆Tos

3=

3=

Um

2

2 . 1,148. 180,95 Um

2

2

U m = 372,14 m/s

4.3. Kondisi Gas Dan Dimensi Sudu Tiap Tingkat. Untuk merancang sudu turbin dibutuhkan kondisi gas baik dalam keadaan statis maupun stagnasi pada setiap tingkat. Baik pada saat gas masuk sudu diam. keluar sudu diam dan masuk sudu gerak, serta keluar sudu gerak dan masuk sudu

2 3

d

g

Gambar 4.2 Penampang annulus turbin aksial


Dalam rancangan ini akan dibahas analisis data kondisi gas meliputi perhitungan temperature dan tekanan juga massa jenis aliran untuk setiap tingkat turbin A. TINGKAT SATU 1. Gas masuk sudu diam Dari gambar 4.2 di atas yaitu pada titik 1. o Kondisi pada keadaan stagnasi T 01 =1248 K P 01 = 11,8 bar o Kondisi pada keadaan statik C2 T 1 = T 01 2Cp g

= 1248 -

150 2 2.1,148.10 3

=1238,2003 K

 T  P1 = Po1  1   To1 

γ −1 γ

 1238,2003  = 11,8    1248 

( Cohen et al, 1987) 1, 33−1 1, 33

= 11,43 bar

ρ1 =

=

100.P1 Rg.T1

100..P1 0,287.1238,2

= 3,216 kg/m3 Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

2. Gas keluar sudu diam dan masuk sudu gerak Pada gambar 4.2 yaitu pada titik 2. o Kondisi pada keadaan stagnasi Po2 = Po1

  ∆Tos.R R 1 −    ηst.To1

  

γ −1 γ

( Cohen et al, 1987)

dimana :

η st = Efisiensi statik (direncanakan 0,9) R R = Derajat reaksi (0,5) Sehingga :

Po2 = 11,8

  183,743 .0,5   1 −    0,9.1248 

Po2

= 1,39.11,8

Po2

= 16,402 bar

To2

=To1 - ∆ Tos. R R

1, 33−1 1, 33

= 1248- (183,743.0,5) = 1256,1285 K

o Kondisi pada keadaan statik T2

= To2 -

C2 2Cp g

= 1256,1285-

150 2 2.1,148.10 3

=1246,32 K


   

γ −1 γ

P2

 T2 = Po2   To 2 

P2

 1246,32  = 16,402    1256,1285 

P2

= 16,011 bar

ρ2 =

=

1, 33−1 1, 33

100.P2 R g .T2

100.16,011 0,287.1246,32

= 4,476 kg/m3

3. Gas keluar sudu gerak dan masuk sudu diam Pada gambar 4.2 yaitu pada titik 3. Kondisi pada keadaan stagnasi

  ∆Tos.R R 1 −    ηst.To 2

Po3 = Po2

Po3 = 16,402

  

γ −1 γ

  183,743 .0,5   1 −  0 , 9 . 1248   

Po3

= 1,39.16,402

Po3

= 22,798 bar

To3

=To2 - ∆ Tos.RR

(arismunandar ,2002) 1, 33−1 1, 33

= 1256,1285 - 183,743 .0,5 = 1164,2577 K Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

o Kondisi pada keadaan statik T3

= To3 -

C2 2Cp g

150 2 = 1164,2577 2.1,148.10 3 = 1057,24 K

 T  = Po3  3   To3 

P3

γ −1 γ

 1057,24  =22,798    1164,2577 

1, 33−1 1, 33

= 22,276 bar

ρ3 =

=

100.P3 R g .T3

100.22,276 0,287.1057,24

= 7,341 kg/m3 Untuk tingkat selanjutnya dilakukan dengan cara yang lama dan hasilnya dapat dilihat pada Tabel berikut. Tabel 4.1. Kondisi gas pada tiap tingkat sudu turbin TINGKAT

1

2

3

Po1

(bar)

11.8

5,832

2.526

To1

(K)

1248

1067.046

886,0923

T1

(K)

1238,2003

1057,246

976.2927

P1

(bar)

11,43

5,619

2,415

ρ1

(kg/m3)

3,216

1,8518

0,960


Po2

(bar)

16,402

3,914

1,853

To2

(K )

1256,1285

976,569

795,615

T2

(K)

1246,32

966,799

785,816

P2

(bar)

16,011

3,758

1,666

ρ2

(kg/m3)

4,476

1,354

0,738

P03

(bar)

22,798

2,526

1,07508

T03

(K)

1164,2577

886,0923

705,138

T3

(K)

1057,24

876,2927

695.3387

P3

(bar)

22,276

2.415

1,016127

7,341

0,960

0.509

ρ3

(kg/m3)

Ukuran-ukuran (jari-jari sudu) sesuai gambar 4.2. dapat dihitung untuk setiap jumlah aliran massa gas masing-masing baris. Menurut lit.[2] Hal.294, pendinginan sudu menggunakan 1.5 % - 2 % udara kompresi pada tiap tingkat sudu sehingga tiga tingkat turbin didinginkan dengan ( 4.5 - 6 )% udara kompresi Maka laju aliran massa pendingin (m p ) adalah : mp

= (4.5 - 6 )%.ma =(4.5-6)%x 714,419 kg/s = 35,76 kg/s ≈ 36 kg/s

untuk setiap baris sudu didinginkan oleh : mn =

36 6

= 6 kg/s udara Dimana udara pendingin ini ikut berekspansi pada tingkat berikutnya. Kecepatan keliling rata-rata sudu (Um) adalah : Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

Um= 2 π .rm. n dimana:

(Cohen et al 1987)

Um = Kecepatan keliling rata-rata sudu (m/s) r

= Jari- jari rata-rata sudu (m)

n

= putaran poros turbin

Maka : rm=

=

60.U m 2π .n

60.372,14 2.3,14.3000

=1,184 m 1. Kondisi masuk pada sudu diam (Kondisi -1) Yang dimaksud dengan kondisi disini adalah laju aliran massa gas pada tingkat 1 serta perhitungan dimensi sudu pada tingkat tersebut. A1=

m g1

ρ 1C a

dimana : m g1 = Laju aliran massa gas masuk sudu diam = (m a + m f )-(m p + m n1 ) = (714,419+10,7634) - (36+6 ) =

695,182 kg/s

maka : A1=

695,182 3,216.150

=

1,44 m2

h1 = dimana :

A1 .n U m .60

(Cohen et al 1987)

h 1 = Tinggi blade (m)


A 1 = Luas anulus (m2) ) Maka : h1 =

1,44 .3000 372,14.60

=0,193 m

r r1

h1 2

= rm-

=1,184-

0,913 2

= 0,7275 m

r t1 = r m +

h1 2

=1,184+

0,913 2

= 1,64 m

2. Kondisi keluar sudu diam, masuk sudu gerak (Kondisi — 2) Yang dimaksud dengan kondisi disini adalah laju aliran massa gas pada tingkat 2 serta perhitungan dimensi sudu pada tingkat tersebut. A2=

mg 2

ρ 2Ca

(Cohen et al 1987)

dimana : m g 2 = Laju aliran massa gas masuk sudu gerak maka : m g 2 = m g1 + mn 2

=

695,182 +6


=701,18 kg/s maka A2=

701,18 4,476.150

= 1,044 m2

h2 =

A2 .n U m .60

h2 =

1,044.3000 372,14.60

= 0,14 m

r r2 = r m -

h2 2

= 1,184 -

0,14 2

= 1,114 m

r t2 = r m +

h2 2

= 1,184 +

0,14 2

= 1,254 m

3. Kondisi keluar sudu gerak, masuk sudu diam (Kondisi -3) Yang dimaksud dengan kondisi disini adalah laju aliran massa gas pada tingkat 3 serta perhitungan dimensi sudu pada tingkat tersebut.


A3=

mg 3

(Cohen et al 1987)

ρ 3C a

m g 3 = m g 2 + mn 3 = 701,18 + 6 = 707,18 kg/s Maka : A3 =

707,18 7,341.150

= 0,642 m2

h3=

A3 .n U m .60

h3=

0,642.3000 372,14.60

= 0,086 m r r3 = r m -

h3 2

= 1,184 -

0,086 2

= 1,141 m

r t3 = r m +

h3 2

= 1,184 +

0,086 2

= 1,227 m

4. Tinggi rata-rata sudu diam (hN) Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

Tinggi rata-rata sudu diam adalah nilai rata-rata dari tinggi sudu pada kondisi 1 dan 2. h N =1/2 (h 1 +h 2 )

(Cohen et al 1987)

= ½ (0,193 + 0,14) = 0,1665 m 5. Tinggi rata-rata sudu gerak (hR) Tinggi rata-rata sudu gerak adalah nilai rata-rata dari tinggi sudu pada kondisi 2 dan 3. h R =½ (h 2 +h 3 )

(Cohen et al 1987)

= ½ (0,14 +0,086 ) = 0,113 m 6. Tebal (lebar) sudu gerak (w) Tebal sudu gerak pada tingkat 1 adalah : wR = =

hR 3

(Arismunandar, 2002)

0,113 3

= 0,037 m 7. Lebar celah aksial (c) Lebar celah aksial merupakan celah yang dirancang antara sudu gerak dengan penutup agar sudu dapat berputar bebas. c = 0,25. w R = 0.25 x 0,037 = 0,00925 m Dengan cara yang sama dapat dihitung dimensi sudu untuk tingkat berikutnya dan hasilnya dapat dilihat pada tabel 4.2. berikut. Tabel 4.2. Dimensi sudu turbin Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

TINGKAT

1

2

3

m g1

(kg/s)

695,182

629.3226

639,326

A1

(m2)

1,44

2,2656

4,439

h1

(m)

0,193

0,304

0,596

r r1

(m)

0,7275

1,336

1,482

r t1

(m)

1,64

1,336 6

1,482

mg 2

(kg/s)

701,18

624,326

634,326

A2

(m2)

1,044

1.69

3,123

h2

(m)

0,14

0,227

0.419

r r2

(m)

1,114

1.0705

0.974

1,254

1.2975

1,393

707,18

639.326

639.326

r t2

(m)

m g 3 (kg/s)

A3

(m2)

0,642

2.2656

4.439

h3

(m)

0,086

0,304

0.596

r r3

(m)

1,141

1,032

0.896

r r3

(m)

1,227

1,336

1.482

hN

(m)

0,1665

0.4995

0.3615

hR

(m)

0,113

0.2655

0,5075

W R (m)

0,037

0.0885

0,1691

C

0,00925

0,022

0,042

(m)


Dari perhitungan diatas , dapat digambarakan ukuran turbin yang dirancang, dengan skala 1:30 yaitu




Gambar 4.5 Dimensi sudu tingkat 3 4.4. Diagram Kecepatan Dan Sudut Gas Tiap Tingkat Turbin Untuk dapat menggambarkan kecepatan gas dengan menggunakan diagram segitiga kecepatan perlu untuk menghitung sudut-sudut saat gas melalui sudusudu.

Gambar 4.6 Diagram kecepatan pada sudu turbin. A. TINGKAT SATU Dari gambar 4.4 dimana sudut gas tingkat-1, yaitu pada dasar. tengah dan puncak sudu dapat dihitung : .1. Sudut Gas pada Tengah Sudu Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

Sudut-sudut gas yang terjadi pada tengah sudu antara lain : Sudut masuk relatif gas ( β 2 m )

ψ = 4.φ .tg .β 2 m + 2

(Cohen et al 1987)

Dimana :

φ=

Ca Um

φ=

150 372,14

= 0,403 maka :

ψ = 4.φ .tg .β 2 m + 2 = 4.0,403.tg β 2 m + 2

3

tg β 2 m = 0,620232

β 2 m = 31,8º Sudut keluar relatif gas ( β 3m )

ψ = 4.φ .tg .β 3m − 2 3

(Cohen et al 1987)

= 4.0,403.tg β 3m − 2 tg β 3m = 3,10173

β 3m

= 72,13º

Menurut [lit 2, hal 249], sudut masuk absolut gas pada sudu diam dan sudut keluar gas pada sudu gerak adalah sama dengan sudut

relatif gas

( β 2 m = α 1m = α 3m ) yaitu 31,8 .Sudut keluar relatif gas pada sudu diam sama dengan sudut keluar relatif gas pada sudu gerak ( α 2 m = β 3m )yaitu 72.13° 

Kecepatan absolut gas masuk sudu gerak ( C 2 m )


C2m =

=

Ca cos α 2 m

(Cohen et al 1987)

150 cos 72,13°

= 488,84 m/s 

Kecepatan absolut gas masuk sudu diam

C1m =

Ca cos α 3

C1m =

(Cohen et al 1987)

150 cos 31,8

= 176,492 m/s 

Kecepatan relatif gas masuk sudu gerak (V 2 m )

V2 m =

Ca cos β 2 m =

(Cohen et al 1987)

150 cos 29,5°

= 172,34 m/s 

Kecepatan absolut gas keluar sudu gerak (C 3m ,)

Kecepatan absolut gas keluar sudu gerak sama dengan kecepatan relatif gas masuk sudu gerak maka C 3m , C 1m , = 172.34 m/s



Kecepatan relative gas keluar sudu gerak (V 3m ) V 3m =

=

Ca cos β 3m

150 cos 72,13°

= 488,84 m/s Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

2. Sudut Gas pada Dasar Sudu Sudut-sudut gas yang terjadi pada tengah sudu antara lain : o Sudut keluar absolut gas dari sudu diam ( α 2 r )

r  tgα 2 r =  m  tgα 2 m  rr  2

=

1,184 tg 70,56° 1,114

=3,5827

α 2 r = 74,404º

o Sudut keluar absolut gas dari sudu gerak ( α 3r )

r  tg α 3r =  m tgα 3m  rr 

=

1,184 tg 29,5° 1,141

= 0,711

α 3r = 35,42° o Kecepatan rotasi sudu ( Ur ) r U r = U m  m  rr

  2

 1,184  = 372,14    1,114  = 411,596 m/s Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

o Sudut keluar relative gas pada sudu diam ( β 2 r )

β 2 r = α 3r =35,5º o Sudut keluar relatif gas pada sudu gerak ( β 3r )

β 3r = α 2 r =73,45º o Kecepatan absolut gas masuk sudu gerak (C 2 r )

C2r =

=

Ca cos α 2 r

150 cos 74,404°

= 557,926 m/s o Kecepatan absolut gas keluar sudu gerak (C 3r )

C 3r =

=

Ca cos α 3r

150 cos 35,42°

= 184,065 m/s o Kecepatan whirl gas masuk sudu gerak (C w2 r ) C w2 r = Ca.tg α 2 r =150.tg 74,404º =537,384 m/s

o Kecepatan relatif gas masuk sudu &, gerak(V 2 r ) V 2r =

Ca cos β 2 r


=

150 cos 74,404°

= 557,926 m/s

o Kecepatan whirl gas keluar sudu gerak (C w3r ) C w3r = C a .tg α 3r = 150 x tg35.42º = 106.67 m/s Diagram kecepatan dan sudut gas pada puncak sudu serta perhitungan untuk tingkat selanjutnya dapat dilakukan dengan cara yang sama seperti diatas dan hasilnya dapat dilihat pada tabel 4.3 berikut :

Tabel 4.3. Diagram kecepatan dan sudut gas tiap tingkat TINGKAT I

Dasar Sudu

Tengah Sudu

Puncak Sudu

U

41 1,596

372,14

339,58

α1

35,42

31,8

29,50

α2

74,40

72,13

70,92

α3

35,42

31,8

29,50

β2

35,42

31,8

29,50

β3

74,40

72,13

70,92

C w2

537,38

465,174

433,66

C w3

106,67

C2

93,032 488,76

94,86 458,87


C3

557,926

176,508

172,34

V2

184,065

176,508

172,34

V3

184,065

488,76

458,87

Tengah Sudu

Puncak Sudu

557,926

TINGKAT 2

Dasar Sudu


U

452,37

372,14

316,30

α1

37,0

31,8

27,78

α2

75,14

72,13

69,227

α3

37,0

31,8

27,78

β2

37,0

31,8

β3

75,14

72,13

C w2

565,32

465,174

395,43

C w3

113,03

93,032

79,01

C2

584,89

488,76

422,93

187,92

176,508

169,54

V2

187,82

176,508

169,54

V3

584,89

488,76

422,932

Dasar Sudu

Tengah Sudu

Puncak Sudu

C3

TINGKAT 3

27,78 69,227


U

551,11

372,14

280,91

α1

42,55

31,8

25,08

α2

77,17

72,13

66,187

α3

42,55

31,8

25,08

β2

42,55

31,8

25,08

β3

77,17

72,13

66,87

C w2

658,63

465,174

351,16

C w3

137,69

93,032

70,20

C2

675,49

488,76

381,85

C3

203,61

176,508

165,61

V2

203,61

176,508

165,61

V3

675,49

488,76

381,85

4.5. Jumlah Sudu Tiap Tingkat Turbin. Untuk menentukan jumlah sudu gerak dan sudu diam tiap tingkat turbin, maka

dapat

dilakukan

perhitungan

pada

tengah-tengah

sudu

dengan

mempergunakan tinggi rata-rata sudu. Perbandingan tinggi sudu dengan chord sudu (aspek ratio. h/c) menurut [ lit 2. hal 271] dapat direncanakan antara 3 dan 4. Jumlah sudu gerak, Tingkat-1 dapat ditentukan sebagai berikut : 

Panjang chord sudu (c) c=

hg 3


=

0,2655 3

= 0,0885 m Perbandingan pitch sudu dengan chord sudu (s/c) untuk harga β 2 m 31,8" dan

β 3m = 72,13º didapat harga (s/c) = 0.6327 [ Dari gambar 4.61] maka : 

Panjang pitch sudu (s)

s S = c  c = 0,0885 x 0,6327 = 0,05592 ms 

Jumlah sudu (z) Z = 2π

rm s

= 2.3,14.

1,158 0,05922

= 132,85 buah Menurut [lit 2. hal 271] digunakan komponen bilangan prima untuk sudu gerak dan komponen bilangan genap untuk sudu diam. Maka direncanakan : jumlah sudu gerak tingkat satu adalah 133 buah, sehingga pitch sudu (s) menjadi 0,05593 ; chord sudu (c) adalah 0,0884 dan tinggi sudu gerak (hR)= 0,2652 dengan aspect ratio (h/c) adalah 3 Untuk tingkat selanjutnya baik sudu diam maupun sudu gerak dapat dihitung dengan cara yang sama dan hasilnya dapat dilihat pada tabel 4.4 dan tabel 4.5. berikut.


Tabel 4.4. Spesifikasi sudu gerak tiap tingkat turbin TINGKAT hR c

(m) (m)

s/c

1

2

3

0,2655

0,5075

0,955

0.0885

0,1691

0,3183

0,6327

0,6327

0,6327

s

(m)

0,5592

0,1069

0,2013

z

(buah)

132,66

69,59

36,94

z’

(buah)

133

71

37

s

(m)

0,5593

0,1047

0,2010

c

(m)

0,0884

0,1656

0,3177

hR

(m)

0,2652

0,4968

0,9533

3

3

3

(h/c)

Tabel 4.5. Spesifikasi sudu diam tiap tingkat turbin TINGKAT hR c

(m) (m)

s/c

1

2

3

0.1995

0,3615

0,6825

0,0665

0,1205

0,2275

0,6327

0,6327

0,6327

s

(m)

0,0420

0,0762

0,1439

z

(buah)

176,81

95,57

51,68

z’

(buah)

178

96

52

s

(m)

0,0417

0,0774

0,1430

c

(m)

0,0660

0,1224

0,2261

hR

(m)

0,1981

0,3674

0,6783

3

3

3

(h/c)


4.6. Sudut-Sudut Sudu Tiap tingkat Turbin Profil sudu direncanakan dari tipe NACA seri C-7. Sudut-sudut sudu tingkat satu pada dasar sudu dapat dihitung sebagai berikut. Dari perhitungan sebelumnya diperoleh : 

Sudut relatif masuk gas ( β 2 r )

β 2 r = 35,42 º 

Sudut relatif keluar gas ,

β 3r = 74,40 º Menurut [lit 2 hal 268] untuk sudu tipe reaksi, maka sudut jatuh gas (i)berada pada interval -15º dan 15º dan harga yang disarankan untuk dasar sudu adalah -5 dan untuk tengah sudu 5º serta untuk puncak sudu adalah 10º . 

Sudut masuk sudu

β 2r = β 2r + i = 35,3º + (-5º) = 30,3º 

Sudut keluar sudu ( β 3r ) Sudut keluar sudu dapat diperoleh dengan bantuan gambar 4.5, dimana

untuk setiap harga sudut relatif keluar gas, maka dapat ditentukan besar sudut keluar sudu. Untuk sudut keluar relatif gas, β 3r = 74,40º diperoleh β 3r = 74,347º


Gambar 4.7 Grafik hubungan antara sudut masuk gas sudut keluar gas (Sumber: Gas Turbine Theory, Cohen. H) 

Sudut chamber sudu ( θ r )

θ r = β 2 r + β 3r = 30,42º + 74,347º = 104,767 º 

Sudut relatif rata-rata sudu ( β mr ) tg β mr = 0,5 (tg β 3r -tg β 2 r ) = 0,5 (tg 74,40 –tg 35,42) = 1,4352

β mr = 55,1325º 

Sudut pemasangan sudu ( ζ r )

ζ r = β 2r -

θr 2

= 30,42 -

104,67 2

= -21,395º



Panjang chord sudu arah aksial (c xr ) c xr = c .cos ζ

r


= 0,0884. cos(– 21,395º ) = 0.082308 m

Gambar 4.8 Geometri sudu turbin Dengan cara yang sama. maka harga sudut-sudut sudu untuk tiap tingkat lainnya dapat dihitung dan hasilnya dapat dilihat pada tabel 4.6 dan tabel 4.7 Berta tabel 4.8. berikut. Tabel 4.6. Sudut-sudut sudu gerak turbin pada Dasar Sudu TINGKAT

1

2

3

-5

-5

-5

β 2r

30,42

32,0

β 3r

73,347

75,32

β mr

55,1325

56,44

60,06

θr

104,76

107,32

114,37

-21,39

-21,66

0,0823

0,1539

ir

ζ c xr

r

37,55 76,82

-19,635 0,2992


Tabel 4.7. Sudut-sudut sudu gerak turbin pada Tengah Sudu TINGKAT

1

2

ir

5

5

β 2r

36,5

36,5

36,5

β 3r

72,43

72,43

72,43

β mr

51,13

51,13

51,13

θr

108,93

108,93

108,93

ζ

3

5

r

-17,965

-17,965

-17,965

c xr

0,0840

0,1575

0,3022

Tabel 4.8. Sudut-sudut sudu gerak turbin pada Puncak Sudu TINGKAT

1

2

3

10

10

10

β 2r

39,52

37,78

35,08 8

β 3r

72,90

70.31

68.14

β mr

49,30

46,52

43,12

θr

112.42

108.09

103,22

-16.69

-16.265

-16,53

0,84670

0.1589

0,304569

ir

ζ c xr

r


4.7. Berat Sudu Gerak Tiap Tingkat Turbin Dengan bantuan profil sudu ( NACA seriC – 7 ), maka tebal rata-rata sudu dapat dihitung dengan mempergunakan panjang chord pada tengah sudu. Bahan sudu direncanakan dari Titanium Alloy (ASTM B-265 58T) dengan kerapatan 4650 kg/m;

Gambar 4.9 Profil sudu turbin NACA seri C — 7 Dengan merujuk pada gambar 4.6, diasumsikan ketebalan sudu rata-rata (t m )= Y m dan besar harga Y m dapat dilihat pada tabel 4.9 berikut ini

Tabel 4.9. Dimensi dari sudu gerak turbin Y/C

C (m)

Y (m)

0

0,884

0

1,5

0,884

0,1326

2

0,884

0,l768

2,72

0,884

0,240448

3,18

0,884

0,281112

3,54

0,884

0,312936

4,05

0,884

0,35802


4,43

0,884

0,391612

4,86

0,884

0,429624

5

0,884

0,442

4,86

0,884

0,429624

4,42

0,884

0,390728

3,73 3

0,884

0,329732

2,78

0,884

0,245752

1,65

0,884

0,14586

1,09

0,884

0,096356

0

0,884

0

Berat sudu gerak tingkat satu turbin dapat dihitung sebagai berikut 

Volume sudu (V) V = h R . C. Y m = 0,2652. 0,0884 . 0,259012 =6,072 x 10-3 m3



Berat sudu (WR) WR = V. ρ .z.g = 6,072 .10-3 .4650 . 133 . 9,806 = 36.824,9489 N

Berat sudu gerak turbin untuk tingkat selanjutnya dapat dihitung dengan cara yang sama dan hasilnya dapat dilihat pada tabel 4.10 dibawah ini


Tabel 4.10. Berat sudu gerak tiap tingkat turbin.



Tingkat

1

2

3

Ym

(m)

0,25902

0,485208

0,930861

V

(m3)

6,072 x 10- 3

3,9918 x 10-2

0,281923

WR

(N)

36.824,9489

129.232.89

475.639,8231

Total berat sudu gerak turbin (WR)adalah : (WR) total = Σ(WR ) tingkatke − n =36.824,9489 + 129.232,89 + 475.639,8231 =641. 697,662N =641. 697 kN


BAB V PERHITUNGAN UKURAN-UKURAN UTAMA

5.1 Perencanaan Poros Turbin Pada perencanaan ini poros mempunyai fungsi sebagai penghubung yang memindahkan daya dan putaran turbin. Beban yang akan dialami oleh poros adalah: a. Beban Puntir b. Beban Lentur Menurut [lit 14 hal 8] untuk poros putaran sedang dengan beban yang berat digunakan baja paduan dengan pengerasan kulit. Untuk itu dipilih bahan poros adalah baja khrom nikel molibden JIS G 4103 dengan kode SNCM 25 dengan komposisi sebagai berikut: C = (0,12– 0.18)%

Ni = (4,00– 4,50)%

Si = (0,15 – 0.3 5) % Cr = (0,70 – 1,00)% Mn = (0,30 – 0,60)% Fe = (93,37– 94,73)%

Langkah-langkah perencanaan diameter poros turbin adalah sebagai berikut: 5.1.1 Perhitungan Poros 

Daya yang ditransmisikan (Pd) Pd = Fc . Pt

Dimana:

... (Lit.14 hal.7)

Pt = Daya turbin (432,207 MW) Fc = Faktor koreksi (1,1 – 1.2) = 1,2 (diambil )

maka: Pd

= 1,2 x 432,207 MW = 518,648 MW




Momen torsi yang ditransmisikan (T) T= 9,74. 10 5

Pd n

T= 9,74 . 105

518,648.10 3 3000

……………………. (lit.14 hal .7)

T= 168,38771. 10 6 kg.mm



Tegangan geser yang diizinkan ( τ a )

τ

a

=

σb Sf1 .Sf 2

Dimana : σ b = Kekuatan tarik beban = 110 kg/mm2

Sf

1

= Faktor keamanan untuk batas kelelahan puntir Untuk bahan S-C, Sf 1

S f2

=6

... [Lit.9 Hal.8]

= Faktor keamanan untuk pengaruh konsentrasi tegangan, seperti adanya alur pasak pada poros dan kekasaran permukaan. = 1,3 – 3,0 [diambil 1,5]

Maka:

τ

a

=

110 6.1,5

= 12,22 kg/mm2



Diameter poros dihitung dari persamaan :  5,1  d p =  .K t .C b .T .1 / 3 τ a 

Dimana :

Kt = Faktor koreksi terhadap momen puntir. Besarnya 1,0 — 1,5 jika beban dikenakan kejutan dan tumbukan. Kt = 1,2 (diambil)


Cb

= Faktor koreksi terhadap beban lentur, harganya antara 1,3 — 2,3 diambil 1,5

T

= Momen torsi rencana

 5,1  dp =  .1,2.1,5.168,387.10 6   12,2

Maka:

1/ 3

= 471,977 mm

Dari standar poros yang ada maka dipilih diameter poros yang direncanakan adalah d. = 500 mm. [Lit. 14 Hal.9]

5.1.2 Pemeriksaan kekuatan poros Ukuran poros yang diperoleh harus diuji kekuatannya. Pengujian dilakukan dengan memeriksa tegangan geser (akibat momen puntir yang bekerja pada poros). Apabila tegangan geser ini melampaui tegangan geser izin yang dapat ditahan oleh bahan, maka poros akan mengalami kegagalan. Untuk analisa keamanannya dapat dilakukan perhitungan berikut ini. 

Tegangan geser yang timbul pada poros selama beroperasi ( τ s )

τs = τs =

5,1.T

(d s )3 5,1. 168,38771 .10 6

(500)3

τ s = 6,87 kg /mm2 Dari perhitungan diatas dapat dilihat bahwa tegangan geser yang timbul pada poros selama beropersi ( τ s )= 6,87 kg/mm2 jauh lebih kecil dari tegangan geser izin poros ( τ

a

) = 12,22 kg/mm2 . Dengan demikian dapat disimpulkan

bahwa poros aman untuk digunakan.


5.2 Gaya-Gaya Pada Sudu Tiap Tingkat Turbin

Adapun gaya-gaya yang dialami oleh sudu turbin adalah terdiri dari gaya tangensial dan gaya aksial. Untuk perencanaan ini gaya-gaya tersebut dihitung pada tengah-tengah sudu pada tinggi rata-rata sudu. Gambar 5.1 berikut adalah gaya-gaya yang terjadi pada sudu

Gambar 5.1 Gaya-gaya pada sudu turbin Gaya-gaya yang timbul pada sudu-sudu tingkat 1 sesuai gambar 5.1 diatas dapat dihitung sebagai berikut: 

Gaya tangensial sudu Ft = (P 2 – P 3 ) . C xr hR . Z

……….(Lit.2 Hal. 281)

Dimana: P 2 = Tekanan masuk sudu gerak (N/m2) P3

= Tekanan keluar sudu gerak (N/m2 )


h R = Tinggi rata-rata sudu gerak (m) Z = Jumlah sudu tiap tingkat turbin (buah) Maka: Ft = (16,011-15,87). 105.0,0823. 0,113.133 = 0,174.105 N 

Gaya aksial sudu (Fa) Fa = (P2 – P3) . 2 π . rm hR Fa = (16,011-15,87) .105.2. 3,14. 1,184. 0,113 Fa =0,118.105 N Untuk tingkat selanjutnya dapat dilakukan dengan cara yang sama dan

hasilnya dapat dilihat pada tabel 5.1. berikut : Tabel 5.1 Gaya-gaya pada sudu gerak turbin Tingkat

1

P 2 (105 N/m2) 16,011

2 3,758 1,666

P 3 (105 /m )

15,87

C xr (m)

0,0823

h 2 R (m)

0,113

Z (buah)

133

71

37

r m (m)

1,184

1,184

1,184

Ft (10.5 kN)

0,174

7,2904

6,858

Fa(10.5 kN)

0,118

635

2

2,415

3

0.1539 0,4968

1,016127 0,2992 0,9533

4,607


5.3 Tegangan yang timbul pada sudu turbin

Akibat adanya gaya sentrifugal dan tekanan gas yang terjadi pada sudusudu turbin menimbulkan terjadinya tegangan pada sudu-sudu tersebut. Tegangan -tegangan yang timbul tersebut yaitu: a. Tegangan tarik sentrifugal b. Tegangan lentur

Gambar 5.2 Tegangan yang terjadi pada sudu turbin

Gambar 5.3 Momen lentur pada sudu Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

Tegangan bending gas ( σ gb) akan menjadi tegangan tarik pada ujung trailing dan leading dan tegangan tekan pada belakang sudu, bahkan dengan sudut puntir yang bertaper untuk harga maksimum terjadi pada keduanya (leading dan trailing). Karena M ω merupakan bending yang lebih besar maka sumbu principal tidak berdeviasi dengan lebar dari arch aksial (sudut φ kecil). Maka perkiraan yang berguna diberikan pada persamaan berikut :

(σ gb ) maks =

m(Cω 2 m − Cω 3m ) hr 1 . . z' 2 ZC 3

... (Lit.2 Hal.273)

dimana: z’

= Jumlah sudu

Z

= Fungsi dari sudut chamber sudu dan thickness/chord ratio (t/c)

Z

= I /B (10 t/c)n (diperoleh dari gambar 5.3)

Cω 2 − C w3

= Kecepatan tangensial (dihitung pada diameter rata-rata)

Tegangan tarik dan tegangan lentur yang besarnya konstan dikenal sebagai tegangan statis (tegangan yang timbul akibat gaya sentrifugal) dan tegangan dinamis (tegangan akibat tekanan gas). Sudu-sudu didesain berdasarkan pengaruh total tegangan statis dan dinamis karena sudu ini dibebani oleh keduanya secara serentak. 5.3.1 Tegangan tarik akibat gaya sentrifugal ( σ ct ) Penampang yang paling berbahaya pada sudu dengan penampang yang konstan adalah penampang pada bagian root (dasar) sudu. Karena beban sentrifugal merupakan beban utama yang diterima secara kontinu oleh sudu, terutama pada dasar sudu yang menerima beban paling besar. Harga tegangan tarik sentrifugal maksimum yang muncul pada root dapat clihitung dengan menggunakan persamaan berikut: ( σ ct ) maks =

ρ b .ω 2 ar

t

r

∫ ardr

... (Lit 2. Hal 272)

dimana :


ρb

= Kerapatan bahan sudu

ω

= Kecepatan sudu

a

= Luas penampang sudu

ar

=jari-jari root

Dengan mengasumsikan bahwa luas penampang sudu sama dari tiap (puncak) sampai root (dasar) sudu, dari [lit.2 Hal.272] diperoleh : ( σ ct ) maks = 2 π .N 2 . ρ b .A Sudu rotor biasanya dipertajam dengan membentuk radius pada chord dan tebal dari root sampai ke tiap sedemikian, at/a, antara 1/4 - 1/3. Untuk perhitungan desain awal (sisi yang aman) diasumsikan bahwa penajam sudu (taper) mereduksi tegangan menjadi 2/3 dari harga sudu yang tidak ditaper, sehingga rumus diatas menjadi: ( σ ct ) maks = 4/3 . π . N2 . pb . A dimana: A = ½ (A 2 + A 3 ) = ½ (1,044+ 0,642) = 0,843 m2

Dengan N = 3000 rpm = 50 rps, maka : ( σ ct ) maks = 4/3 .3,14.502. 4650. 0,843 = 41028810 Pa = 41,02881 MPa 5.3.2 Tegangan lentur akibat tekanan gas ( σ gb ) Gaya yang muncul dan perubahan momentum sudut dari gas dalam arah tangensial menghasilkan torka yang berguna. yang juga menghasilkan momen bending gas pada sekitar arch aksial M ω Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

Karena adanya kemungkinan akan terjadi perubahan momentum dalam arah. aksial (Ca3 = Ca2), maka kemungkinan akan terjadi momen bending gas dalam arah tangensial. Tegangan maksimum dapat dihitung dengan metode yang sesuai dengan bagian yang tidak simetris.

Gambar 5.4 Grafik hubungan z dan sudut chamber sudu. (Sumber : Gas Turbine Theory. Cohen H) Menurut [lit 2] profil sudu C7 mempunyai harga t/c sebesar 10%. Dari gambar 5.4 untuk sudut chamber sudu (U,,) = 106.168 diperoleh harga-harga sebagai berikut : n = 1,156 Z

B = 412,5

= 1/412,5 (10 . 0,1) = 1,424.10 -3

sehingga: ( σ gb ) maks =

=

619,326 (537,38 - 106,67 ) 0,113 1 . . −3 133 2 2,242.10 .(0,00925 ) 3

(

)

30142,738 0,000411978

= 73,165892 Mpa Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

Untuk tingkat selanjutnya dilakukan dengan cara yang sama dan hasilnya dapat dilihat pada tabel berikut : Tabel 5.2. Tegangan yang timbul pada sudu gerak Tingkat

1

2

3

m (kg/s)

695,182

629,326

639,326

z (buah )

133

71

37

φ r (º)

104,76

107,32

114,37

Z

2,242.10-3

2,242.10-3

2,242.10-3

c (m)

0,0884

0,1656

0,3177

hr (m)

0,1995

0,4968

0,9533

A (m2)

0,843

3,781

7,117

( σ ct ) maks (Mpa)

41,02881

184,1214

346,572

( σ gb ) maks ( Mpa)

73,165892

85,4997

43,509

5.4 Pemeriksaan kekuatan sudu Tegangan-tegangan utama yang timbul pada sudu gerak tingkat 1 turbin adalah sebagai berikut :

σ 1.2 =

σ x +σ y 2

σ x −σ y ±  2 

2

  + τ xy 2 

Dengan mengabaikan tegangan geser ( τ xy = 0 ) maka :

σ 1.2

73,165892 + 40,02881 = ± 2

 73,165892 − 40,02881    2  

2

Maka :

σ 1 = 73,165 Mpa Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

σ 2 = 40,028 Mpa Sehingga tekanan ekivalen yang terjadi ( σ ek )

σ ek =

(σ 1 − σ 2 ) + σ 1 + σ 2 2

σ ek =

(73,165 − 40,028) + 73,165 2 + 40,028 2 2

2

2

σ ek = 59,11 Mpa Bahan sudu gerak turbin direncanakan dari Titanium alloy ( ASTM B26558T) dengan sifat-sifat menurut [lit.2 Hal 170-176] sebagai berikut : Kekuatan tarik ( σ gb )

:1182,27 Mpa

Kekuatan mulur ( S y )

: 1118,62 Mpa

Kerapatan ( ρ )

: 4650 kg/m3

Komposisi

: V= 16%; Al=2,5%;Ti= 82,5%

Temperatur lebur

: 1610ºC

Syarat perencanaan :

σ ek ≤

Sy Sf

Dimana : Sy = 1118,62 Mpa Sf = factor keamanan (direncanakan =2 ) Maka :

σ ek ≤

1118,62 2

σ ek ≤ 559,31 Mpa


Karena terbukti harga σ ek ≤

Sy , maka konstruksi aman untuk digunakan. Sf

Untuk pemeriksaan kekuatan sudu tingkat selanjutnya dengan cara yang sama dilakukan hasilnya dapat dilihat pada tabel 5.3 berikut ini : Tabel 5.3 Tegangan pada sudu gerak Tingkat

1

2

3

σ 1 (Mpa)

73,165

72,124

184,14

σ 2 (Mpa)

40,028

37,499

32,509

σ 3 (Mpa)

59,11

56,717

76,294

Dari tabel dan data-data perhitungan diatas dapat dilihat bahwa bahan sudu cukup aman untuk digunakan dalam perencanaan ini 5.5 Perencanaan Cakram Turbin Bentuk cakram turbin dan ukuran-ukurannya secara umum direncanakan seperti gambar 5.6 berikut ini . Bahan cakram turbin yang direncanakan dari Titanium Alloy (ASTM B265-58T)

Gambar 5.5 Bentuk Konstruksi Cakram Turbin Dari gambar 5.6 diatas dapat diperoleh : Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

Dd

= diameter disk (cakram ) = tinggi rata-rata jari-jari root pada sudu gerak = ½ (r r 2 + r r 3 ) + D h

D h = Diameter lubang = 500 mm T = tebal rata-rata cakram ( diambil dari tebal sudu gerak arah aksial (W) + tebal celah antara sudu (c) ) Maka

:

D d 1 = ½ (1,0705 +1,032)+0,50 = 1,55125 m D h1 = 500 mm= 0,50 m t= Wr + C = 0,0884+0,0221 = 0,1105 m Berat cakram turbin sesuai dengan gambar 5.6 dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut : W ek = ¼ π (Dd2-Dh2) t . ρ .g

………………..(Lit 13 Hal 312)

Dimana : Dd = diameter terbesar bagian cakram Dh = diameter terkecil bagian cakram

ρ = kerapatan bahan cakram Maka : W ek1 = ¼ π ( 1,551252-0,502) .0,1105.4650.9,806 = 8.536,824 N Dengan cara yang sama, dimensi disk untuk tingkat selanjutnya diperoleh pada table 5.4 berikut ini . Tabel 5.4 Dimensi disk untuk tiap tingkat turbin Tingkat

1

2

3


t (m)

0,1105

0,2111

0,3981

Dd (m)

1,55125

1,43

1,20625

Dh (m)

0,5

0,5

0,5

W ek (N)

8536,824

13574,94

17187,107

Total berat keseluruhan cakram adalah : (W ek ) tot = Wek1 + Wek 2 + Wek 3 = 8536,824 + 13574,94 + 17187,107 = 39298,87 N

5.6 Perencanaan Pasak Untuk memindahkan daya dan putaran dari rotor dipakai pasak benam. Selain itu pasak juga berpungsi untuk mengunci/ mengikat poros dengan rotor turbin. Ukuran diameter pasak disesuaikan dengan diameter poros yang telah direncanakan.

Gambar 5.6 Ukuran dan bentuk Pasak Dari hubungan diameter poros dengan ukuran pasak bujur sangkar, maka diperoleh ukuran pasak sebagai berikut : Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

dp

W=

=

4

500 4

= 125 mm H= W= 125 mm t=

dp 8

=

500 = 62,5 mm 8

Momen torsi yang bekerja pada poros akan menimbulkan gaya tangensial (Ft) pada permukaan sekeliling poros. Gaya tangensial ini menimbulkan tegangan geser dan tegangan permukaan pada pasak. Besar gaya tangensial adalah : Ft =

2.T dp

Dimana : T = momen torsi pada poros= 154,5208.106kgmm Dp= diameter poros = 500 mm Maka : Ft =

2.154,5208.10 6 = 618083,2 kg (satuan kilogram gaya) 500

Gambar 5.7 Gaya tangensial pada pasak


Bahan pasak direncanakan sama dengan bahan poros yaitu baja chrom nikel JIS G 4103 dengan kode SNCM 25 dengan kekuatan tarik σ B = 110 kg/mm2 atau 1078,726 Mpa dan kekuatan mulur S y = 90 kg/mm2 = 882,594 Mpa. 

Kekuatan geser bahan (S sy )

S sy = 0,577 S y S sy = 0,577 (90) = 51,93 kg/mm2 Tegangan geser yang terjadi pada pasak ( τ g )



τg=

Ft Ag

Dimana , Ag = luas bidang geser = W. L Syarat perencanaan : S sy Sf

≤τg

Dimana S f = factor keamanan ( direncanakan =2) Maka : 51,93 618083,2 ≤ 2 125.L

L≤187,217 mm direncanakan sebesar 180 mm Maka panjang pasak yang akan direncanakan sebesar180 mm Gaya tangensial yang terjadi disekeliling poros juga akan menyebabkan terjadinya tegangan permukaan ( σ p ) pada pasak. Besarnya tegangan permukaan dapat dihitung dengan persamaan berikut :

σp=

Ft As

Dimana : As= luas permukaan samping pasak= t. L Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

Maka : σ p =

618083,2 62,5.180

= 54,94 kg/mm2

Karena ( σ p < σ B ) , maka pasak aman untuk digunakan. 5.7. Perencanaan Bantalan Didalam perencanaan ini bantalan yang digunakan adalah jenis bantalan luncur ( gambar 5.8 ) karena mampu untuk menumpu poros putaran tinggi dengan beban besar, konstruksinya yang sederhana serta mudah dalam pemasangan dan pemeliharaannya. Angka karakteristik bantalan atau angka ditetapakan oleh persamaan berikut :

 r  µ .N S=   c P Dimana :

S = angka karakteristik bantalan r = radius jurnal (radius poros) c= ruang bebas arah radial

µ = viskositas pelumas P= beban perluas bantalan N= putaran jurnal


Gambar 5.8 Bantalan luncur (sumber : mechanical Engineering Design , Shigley, J.E ) Pada perencanaan ini dipilih bahan bantalan dari ‘leadede bronze’ dengan perbandingan (r/c) =500-1000(diambil 500 ) harga S= (5002).(15.10-6)

µ .N P

= 15.10-6, maka :

= 3,75

Perbandingan panjang bantalan berdiameter (L/d) direncanakan L/d=1. dari perhitungan diperoleh harga diameter poros d p = 500 mm yang juga merupakan jurnal (d) pada bantalan. 

Ketebalan lapisan minimum (h 0 )

Dari gambar 5.10 untuk harga L/d = 1 dan S = 3,75 maka diperoleh harga variable ketebalan minimum ( h0 / c ) adalah 0,96 dan perbandingan eksentrisitas,

ε = e/c = 0,14 . dari r/c = 500 c =

0,5d p 500

=

0,5.500 500

= 0,5 mm

maka : h0 / c = 0,96 h 0 /c = 0,96 h 0 = 0,96.0,50

= 0,48 mm

e

= 0,07

= 0,14 .0,53


Gambar 5.9 Grafik ketebalan lapisan minimum dan perbandingan eksentrisitas (sumber : mechanical Engineering Design , Shigley, J.E ) Jari-jari Bantalan rb

= r + e + ho

rb = 250 + 0,07 + 0,48 = 250,55 mm Posisi ketebalan lapisan minimum( φ ) dalam derajat diperoleh dari gambar 5.11 yaitu untuk L/d = 1 dan S = 3,75 diperoleh harga φ = 84,48 

Koefisien Gesekan

Grafik gesekan mempunyai variable gesekan (r/c)f yang digambarkan terhadap S untuk berbagai harga perbandingan L/d dari gambar 5.12 untuk harga L/d = 1 dan S = 3,75 diperoleh harga (r/c ) f= 70

Maka :

f=

70 r/c


=

70 500

= 0,14 

Daya putar yang diperlukan untuk melawan gesekan adalah : T= f. W. r

…………..(Lit.12 Hal.540 )

Dimana : W ( beban bantalan ) = P.L.d

…………..(Lit.12 Hal.543 )

Harga P untuk turbin antara ( 0,8-1,5 ) Mpa ( diambil 1,5 Mpa ) maka : W = 1,5 (0,5 . 0,5 ) = 0,375 Mpa.m2 Sehingga : = 0,14 . 0375. 106.0,25

T 

= 13125 Nm

Panas yang timbul pada bantalan

q= f . Wx .

π .d .n

…………..(Lit.14 Hal.278 )

60

q= 0,14 . 0,375 .

π .0,5.3000 60

q = 4,12334 MW


Gambar 5.10 Koefisien gesekan (sumber : mechanical Engineering Design , Shigley, J.E )

5.8 Sistem Pelumasan Dalam perencanaan ini yang akan dibahas dibatasi pada minyak pelumas yang melumasi dua bantalan utama turbin . Minyak pelumas yang digunakan dalam perencanaan ini adalah SAE grade oil ( Lit .7 hal .57 ) dengan sifat-sifat sebagai berikut : Konduktivitas Thermal

: 0,147 J/s.m º C

Jumlah panas spesifik

: 2,25 kJ/kg ºC

Massa jenis

: 0,88 kg/m3

Flash point

: (2104243) º C

Puor point

: -23 º C



Aliran Pelumas ( Q)



Variabel aliran Q/(rcNL) diperoleh dari gambar 5.13 berikut :


Gambar 5.11 Grafik variable aliran (sumber : mechanical Engineering Design , Shigley, J.E ) Dari grafik diatas untuk harga L/d = 1 dan S = 3,75 diperoleh harga Q/ (rc NL) = 3,25 sehingga : Q =3,25 rc NL Q= 3,25 . 0,265 . 0,53 . 10 -4 . 50. 0,53

= 1,2096. 10-3 m3/s

Dari sejumlah aliran oli (Q) yang dipompakan keruangan yang melengkung dengan jurnal yang berputar tersebut sejumlah Qs mengalir keluar dari kedua ujungnya dan karenanya disebut kebocoran samping (side leakage). Kebocoran samping ini dapat dihitung dari perbandingan aliran dimana dari gambar 5.14 untuk harga L/d = 1 dan S = 3,75 diperoleh harga Q s/Q = 0,08


Gambar 5.12 Grafik perbandingan aliran (sumber : mechanical Engineering Design , Shigley, J.E ) Maka : Qs

= 0,08 Q = 0,08 . 1,2096 .10-3 = 9,6768 . 10 -5 m3/s



Kerja yang dilakukan untuk mengatasi Gesekan (Wr)

Wf

= f .P. U/100

Wf =

…………..(Lit.13 Hal.279 )

0,14.1,5.10 6.π .3000 100.60

= 329,27 kW



Daya gesek yang terjadi (Nr)

N f = W f / 102 N f = 329,7/ 102 

…………..(Lit.13 Hal.279 ) = 3,23 kW

Panas ekivalen untuk kerja tersebut ( Q eki )


Q eki = W f /427

…………..(Lit.13 Hal.279 )

Q eki = 329,7 / 427 = 0,772 kW 

Jumlah pelumas untuk menghilangkan panas adalah

Q0=

Qeki ρ .C1 .(t 2 − t1 )

…………..(Lit.13 Hal.279)

Dimana : t 1 = temperature pelumas masuk bantalan ( 35 ºC-45ºC ) diasumsikan 45ºC t 2 = temperature pelumas keluar bantalan = 60 º C

ρ = massa jenis rata-rata pelumas = 2,52 kJ/kg º C Maka : Q0=

0,772 0,88.2,52(60 − 45)

= 0,0232 m3/s 

Temperatur kerja minyak Pelumas

∆t = ( t 2 - t 1 ) = ½ (t 2 - t 1 )

60 – 45 = ½ (t – 45 ) 15 = ½ ( t – 45 ) t = 30 + 45 = 75 ºC Dari table typical journal bearing practice , untuk maksimum pressure ( P) = 1,5 Mpa diperoleh harga viskositas dinamik µ = 0,01133 kg/m.s= 0,01133 Ns/m2, sehingga dari harga viskositas tersebut dan temperature kerja (t) = 758 ºC diperoleh jenis minyak pelumas yang digunakan adalah SAE 30 .


Gambar 5.13 Grafik pemilihan jenis Pelumasan (sumber : mechanical Engineering Design , Shigley, J.E )


BAB VI KESIMPULAN Setelah dilakukan perhitungan dalam perencanaan turbin aksial untuk suatu instalasi turbin gas pembangkit tenaga listrik maka diperoleh suatu kesimpulan dari perencanaan ini adalah sebagai berikut: 1. Pembangkit listrik dengan menggunakan turbin gas mempunyai beberapa keuntungan jika dibandingkan instalasi turbin uap yaitu dalam hal ukurannya yang relatif lebih kecil, massa dan biaya persatuan keluaran daya serta waktu start-up yang jauh lebih singkat. 2. Bahan sudu dipilih dari Titanium Alloy (ASTM B265-58T) dimana bahan ini dapat beroperasi Pada suhu tinggi dengan temperatur titik lebur 1610°C (1883,15 K). 3. Data hasil perhitungan termodinamika siklus diperoleh : Temperatur lingkungan

= 303 K

Temperatur udara masuk kompresor

= 302,14 K

Temperatur udara keluar kompresor

= 614,53 K

Tekanan masuk kompresor

= 1,003 bar

Temperatur gas masuk turbin

= 1248 K

Temperatur gas keluar turbin

= 705, 14 K

Tekanan masuk turbin

= 11,8 bar

Tekanan keluar turbin

= 1,013 bar

Jumlah tingkat turbin

= 3 tingkat

4. Perencanaan Elemen Turbin Jenis turbin

= Turbin aksial


Jari-jari rata-rata roda turbin

= 1,184 m

Berat total sudu gerak turbin (W r total)

= 641, 697 kN

Bahan cakra turbin

= ASTM B265-58T

Berat total cakra turbin (Wk)total

= 39.298,8743 N

Bahan pasak

= JIS G 4103 dengan

kode

SNCM 25 Ukuran pasak (W x 11 x L)

= (125 x 125 x 190) mm

Bahan poros

= JIS G 4103 dengan kode SNCM 25

Diameter poros

= 500 mm

Jenis bantalan

= Bantalan luncur (journal hearing)


DAFTAR PUSTAKA 1. Arismunandar.W, Pengantar Turbin Gas Dan Motor Propulsi, Dirjen Dikti Depdiknas, 2002. 2. Dietzel.F, D. Sriyono, Turbin Pompa Dan Kompresor, Cetakan Ke-empat, Erlangga, Jakarta,1993. 3. Yunus Cengel, Thermodynamics An Engneering Aproach, 7 th Edition, MC – Graw Hill Book Company, New York, 1989. 4. Frank P. Incropera, Fundamental Of Heat And Mass Transfer, 2 nd Edition, Jhon Willey And Sons, Inc.Canacia, 1985. 5. Cohen.H, G.F.C. Roger, H.I.H.Sravanomoto, Gas Turbine Theory, 3

th

Edition,

Jhon Willey And Sons, New York, 1989. 6. El – Wakil.M.M, E. Jasjfi, Instalasi Pembangkit Daya, Cetakan Pertama, Erlangga, Jakarta, 1992. 7. Harman, Richard. T.C, Gas Turbine Engineering Aplication Cycles And Characteristics, 1 st Edition, London 1981. 8. Hall, Holowenko, Laughlin, Machine Design, 1 st Edition, Schaurn, series, MC Graw Hill Book Company, New York, 1961. 9. P.Boyce. Maherwan, Gas Turbine Engineering Hand book, Gulf Listing Co. Houston – Texas, 1987. 10. P.r. Kajuria, S.P. Dubey. Gas Turbines And Propulsive, Dhanpat Rai And Sons, Delhi, 1981. 11. Richard. Sontag, E.Van Willey, Gordon. J, Introduction To Thcrmodynarnics, Classical And Statistical, Jhon Willey And Sons, Inc, USA. 198 1. Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

12. Shigley.J.E, C.R. Mischke, Mechanical Engineering Design, 5 th Edition, Mc – Graw 1-1111 Book Company, New York, 1989. 13. Sorensen, Energy conversion System, 3

th

Edition, Mc– Graw Hil1 Book

Company, New York, 1989. 14. Sularso, Kiyatsu Suga, Perencanaan Dan Pemilihan Elemen Mesin, Cetakan Pertama, Pradnya Paramita, Jakarta, 1978. 15. Takhesi Sato.G, N. Sugiarto Hartanto, Menggambar Mesin Menurut Standar Iso, Cetakan Keempat, Pradnya Paramita , Jakarta, 1989.


LAMPIRAN


Lampiran 1 : Temperatur dan Entalpi untuk udara Tabel 1.a Ideal Gas Properties of Air T (K)

h (kJ/kg)

Pr

U(kJ/kg)

Vr

S°(kJ/kg.K)

200

199,97

0,3363

142,56

1707

1,29559

210 220 230 240 250 260 270 280 285 290 295 300 305 310 315 320 325 330 340 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440

209,97 219,97 230,02 240,02 250,05 260,09 270,11 280,13 285,14 290,16 295,17 300,19 305,22 310,24 315,27 320,29 325,31 330,34 340,42 350,49 360,58 370,67 380,77 390,88 400,98 411,12 421,26 431,43 441,61

0,3987 0,469 0,5477 0,6355 0,7329 0,8405 0,959 10,889 11,584 12,311 13,068 1,386 14,686 15,546 16,442 17,375 18,345 19,352 2,149 2,379 2,626 2,892 3,176 3,481 3,806 4,153 4,522 4,915 5,332

149,69 156,82 164 171,13 178,28 185,45 192,6 199,75 203,33 206,91 210,49 214,07 217,67 221,25 224,85 228,42 232,02 235,61 242,82 250,02 257,24 264,46 271,69 278,93 286,16 293,43 300,69 307,99 315,3

1512 1346 1205 1084 979 887,8 808 738 706,1 676,1 647,9 621,2 596 572,3 549,8 528,6 508,4 489,4 454,1 422,2 393,4 367,2 343,4 321,5 301,6 283,3 266,6 251,1 236,8

1,34444 1,39105 1,43557 1,47824 1,51917 1 ,55848 1,59634 1,63279 1,65055 1,66802 1,68515 1,70203 1,71865 1,73498 1,75106 1,7669 1,78249 1,79783 1,8279 1,85708 1,88543 1,91313 1,94001 1,96633 1,99194 2,01699 2,04142 2,06533 2,0887


450 460 470 480 490 500 510 520 530

451,8 462,02 472,24 482,49 492,74 503,02 513,32 523,63 533,98

5,775 6,245 6,742 7,268 7,824 8,411 9,031 9,684 10,37

322,62 329,97 337,32 344,7 352,08 359,49 366,92 374,36 381,84

223,6 211,4 200,1 189,5 179,7 170,6 162,1 154,1 146,7

2,11161 2,13407 2,15604 2,1776 2,19876 2,21952 2,23993 2,25997 2,27967

Sumber : Kenneth Wark, Thermodynamics, 4 th ed (New York : McGraw-Hili, 1983), pp. 785-86, tables A-5. Originally published in J. H. Keenan and J. Kaye, Gas Tables (New York : John Wiley & Sons, 1948).

Tabel 1.b Ideal Gas Properties of Air T (K)

h (kJ/kg)

Pr

U(kJ/kg)

Vr

S°(kJ/kg.K)

540

544,35

11,1

389,34

139,7

2,29906

550 560 570 580 590 600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 700 710 720 730 740 750 760 780

555,74 565,17 575,59 586,04 596,52 607,02 617,53 628,07 683,63 649,22 659,84 670,47 681,14 691,82 702,52 713,27 724,04 734,82 745,62 756,44 767,29 778,18 800,03

11,86 12,66 13,5 14,38 15,31 16,28 17,3 18,36 19,84 20,64 21,86 23,13 24,46 25,85 27,29 28,8 30,38 32,02 33,72 35,5 37,35 37,27 43,35

396,86 404,42 411,97 419,55 427,15 434,78 442,42 450,09 457,78 465,5 473,25 481,01 488,81 496,62 504,45 512,33 520,23 528,14 536,07 544,02 551,99 560,01 576,12

133,1 127 121,2 115,7 110,6 105,8 101,2 96,92 92,84 88,99 85,34 81,89 78,61 75,5 72,56 69,76 67,07 64,53 62,13 59,82 57,63 55,54 51,64

2,31809 2,33685 2,35531 2,37348 2,3914 2,40902 2,42644 2,44356 2,46048 2,47716 2,49364 2,50985 2,52589 2,54175 2,55731 2,57277 2,5881 2,60319 2,61803 2,6328 2,64737 2,66176 2,69013


800 820 840 860 880 900 920 940 960 980 1000 1020 1040 1060 1080 1100 1120 1140 1160

821,95 843,98 866,08 888,27 910,56 932,93 955,38 977,92 1000,55 1023,25 1046,G4 1068,89 1091,85 1114,86 1137,89 1161,07 1184,28 1207,57 1230,92

47,75 52,59 57,6 63,09 68,98 75,29 82,05 89,28 97 105,2 114 123,4 133,3 143,9 155,2 167,1 179,7 193,1 207,2

592,3 608,59 624,95 641,4 657,95 674,58 691,28 708,08 725,02 741,98 758,94 776,1 793,36 810,62 827,88 845,33 862,79 880,35 897,91

48,08 44,84 41,85 39,12 36,61 34,31 32,18 30,22 28,4 26,73 25,17 23,72 23,29 21,14 19,98 18,896 17,886 16,946 16,064

2,71787 2,74504 2,7717 2,79783 2,82344 2,84856 2,87324 2,89748 2,92128 2,94468 2,9677 2,99034 3,0126 3,03449 3,05608 3,07732 3,09825 3,11883 3,13916


Tabel 1.c Ideal Gas Properties of Air T (K)

h (kJ/kg)

Pr

U(kJ/kg)

Vr

S°(kJ/kg.K)

1180

1254,34

222,2

915,57

15,241

3,15916

1200 1220 1240 1260 1280 1300 1320 1340 1360 1380 1400 1420 1440 1460 1480

1277,79 1301,31 1324,93 1348,55 1372,24 1395,97 1419,76 1443,6 1467,49 1491,44 1515,42 1539,44 1563,51 1587,63 1611,79

238 254,7 272,3 290,8 310,4 330,9 352,5 375,3 399,1 424,2 450,5 478 506,9 537,1 568,8

933,33 951,09 968,95 986,9 1004,76 1022,82 1040,88 1058,94 1077,1 1095,26 1113,52 1131,77 1150,13 1168,49 1186,95

14,47 13,747 13,069 12,435 11,835 11,275 10,747 10,247 9,78 9,337 8,919 8,526 8,153 7,801 7,468

3,17888 3,19834 3,21751 3,23638 3,2551 3,27345 3,2916 3,30959 3,32724 3,34474 3,362 3,37901 3,39586 3,41247 3,42892


1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620 1640 1660 1680 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200 2250

1635,97 1660,23 1684,51 1708,82 1733,17 1757,57 1782 1806,46 1830,96 1855,5 1880,1 1941,6 2003,3 2065,3 2127,4 2189,7 2252,1 2314,6 2377,7 2440,3 2503,2 2566,4

601,9 636,5 672,8 710,5 750 791,2 834,1 878,9 925,6 974,2 1025 1161 1310 1475 1655 1852 2068 2303 2559 2837 3138 3464

1205,41 1223,87 1242,43 1260,99 1279,65 1298,3 1316,96 1335,72 1354,48 1373,24 1392,7 1439,8 1487,2 1534,9 1582,6 1630,6 1678,7 1726,8 1775,3 1823,8 1872,4 1921,3

7,152 6,854 6,569 6,301 6,046 5,804 5,574 5,355 5,147 4,949 4,761 4,328 3,994 3,601 3,295 3,022 2,776 2,555 2,356 2,175 2,012 1,864

3,44516 3,4612 3,47712 3,49276 3,50829 3,52364 3,53879 3,55381 3,56867 3,58335 3,5979 3,6336 3,6684 3,7023 3,7354 3,7677 3,7994 3,8303 3,8605 3,8901 3,9191 3,9474



Lampiran 2 : Berbagai entalpi yang distandarisasikan untuk beberapa gas pada tekanan rendah T (R )

537 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2900 3000 3100 3200 3300 3400

O2 (Btu/lbmole)

0 443.2 1154.2 1876.9 2612.8 3362.4 4125.3 4900.7 5687.8 6485.3 7292 8107.4 8930.5 9760.7 10597 11438.9 12285.8 13137.5 13993.7 14854.1 15718.3 16586.3 17457.8 18332.7 19211 20092.6 20977.4 21865.4 22756.5 23650.8

H2O

CO2

(Btu/lbmole)

(Btu/lbmole)

-103968 -103471.6 -102660.9 -101839.4 -101005.4 -100157.4 -99294.3 -98415.9 -97521.8 -96611.5 -95684.9 -94741.4 -93780.9 -92803.3 -91808.8 -90797.3 -89769.4 -88725.5 -87665.7 -86590.6 -85500.9 -84396.8 -83279.1 -82148.3 -81005.1 -79850 -78683.5 -77506.1 -76318.1 -75120.3

-169183 -168612.3 -167661.2 -166660.3 -165615.6 -164531.1 -163410.6 -162257.9 -161076.3 -159868.5 -158636.5 -157383.5 -156111.8 -154821 -153514.7 -152193.8 -150859.8 -149513.5 -148156.2 -146788.5 -145411.3 -144025.4 -142631.3 -141229.7 -139821 -138405.9 -136984.6 -135557.8 -134125.8 -132688.9

N2(Btu/lbmole)

0 438.4 1135.4 1834.9 2538.6 3248.4 3965.5 4690.5 5424.4 6167.4 6919.4 7680.2 8449.4 9226.8 10012.1 10804.9 11604.5 12410.3 13221.7 14038.4 14860 15686.3 16516.9 17351.6 18190 19032 19877.3 20725.5 21576.5 22430.2


3500 24548.2 23286.4 -73912.8 -131247.3 3600 25448.8 24144.9 -72696.2 -129801.5 3700 26352.4 25005.6 -71470.9 -128351.9 3800 27259 25868.4 -70237.4 -126898.4 3900 28168.5 26733.3 -68996.1 -125441.5 4000 29081 27599.9 -67747.2 -123981.1 4100 29996.5 28468.5 -66490.9 -122517.4 4200 30914.8 29338.6 -65227.9 -121050.5 4300 31836 30210.4 -63958.3 -119580.4 4400 32759.9 31083.6 -62682.4 -118107.4 4500 33686.7 31958.3 -61400.4 -116631.5 4600 34616.3 32834.3 -60112.7 -115152.8 4700 35548.5 33711.6 -58819.4 -113671.4 4800 36483.5 34590 -57520.8 -112187.6 4900 37421 35469.6 -56217.3 -110701.2 5000 38361.2 36350.3 -54908.9 -109212.5 Sumber : J. H.Keenan dan J. Kaye, Gas Tables, John Wiley & Sons, Inc., 1948.


Lampiran 3: Tekanan maksimum bantalan luncur, d1l, dari bantalan radial

Mesin

Bantalan

Perbandingan

Tekanan

Faktor

Viskositas

Harga minimum

lebar/

maks. Yang

tekanan

pada

yang dilzinkan

diameter

diizinkan Pa

kecepatan

38°C

dan ZN/p

standar Ud

(kg/mm)

maks. Yang

Z(CP)

(cP.rpm/kg/mm2)

ditzinkan (pv)a (kg/mm2.m/s)

Otomobil

Bantalan

0,8-1,8

0,6+ -1,2 ∆

20

Motor

utama Pena

0,7-1,4

1x + - 3,5 ∆

40

pesawat terbang Pompa

engkol tarik Bantalan

1,5-2,2

1,5x + 4 ∆

1,0-2,0

0,2x

0,2-0,3

dan

utama Pena

09-2,0

0,4x

0,3-0,4

kompresor torak Mesin uap

engkol tarik Poros

1,5-2,0

0,7x +

1,6-1,8

0,4

1x1,5

100

4 x10^ 4

torak

penggerak Pena

0,7-2,0

1,4

1,5-2

40

0,7x10^ 4

engkol

0,8-2,0

1,8

30

0,7x10^4

2x10 ^4 7-8

1,4x10^4 1x10^4

30-80

4x10^4 2,8x10^4 1,4xI0^4

Pena torak Kendaraan

0,35 Poros

rel

1-1,5

70 x10^ 4

1,8-2,0 100


Turbin

Bantalan

uap

utama

Generator,

Bantalan

motor,

rotor

0. 1 x -0,2 ∆

4

15XI0^4

1,0-2,0 20-16 0, 1 x -0,2

0,2-0,3

0,15x -0,15x

25x10^ 4 25

1,0-2,0 pompa sentrifugal Beban Poros

ringan

2,0-3,0

0,02x

Transmisi

Mapan sendiri

2,5-4,0 2,0-3,0

0'1x 0'1x

0,1-0,2

14x10^4

25-60

Beban berat Mesin

Bantalan

Perkakas Pelubang

utama

Mesin gunting

4x10^ 4

Bantalan

giling baja Roda gigi

utama

0,05-0,1

1,0-4,0

1,0-2,0 1,0-2,0

Mesin

4x10^4

0,05-0,2

40

2,8x 5,5x

100 100 5-8

1,1-1,5

50

0, 15x10^4

1,4x10^4

2 0,5-1

5x1014

2.0-4,0 reduksi

Bantalan

0,05-0,2

30-50

Catatan : x = pelumasan tetes atau cincin; + = pelumasan percik; A = pelumasan pompa Sumber : Sularso, Kiyakatsu Suga, “Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin”, PT. Pradnya Paramita, Jakarta, 1994.


Lampiran 4 : Tabel Ukuran Standard dari Poros Diameter poros

(Satuan mm)


4

10

*22.4

40

100

*224

400

11

24

42

(105)

240

420

4.5

* 11.2

25

45

110

250

440

5

12

28

48

260

450

30

50

*112

280

460

*31.5

55

120

300

480

32

56

*315

500

14

35

60

125

320

530

(15)

*35.5

63

130

340

560

16

38

65

*355

600 630

*12.5

*5.6

6

(17)

70

140

360

18

71

150

380

19

75

160

20

80

170

22

85

180

7

90

190

*7.1

95

200

*6.3

8

220

9

Keterangan : 1. Tanda * menyatakan bahwa bilangan yang bersangkutan dipilih dari

bilangan standar.

2. Bilangan di dalam kurung hanya dipakai untuk bagian dimana akan dipasang bantalarr gelinding.


Sumber : Sularso, Kiyakatsu Suga, “Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin', PT. Pradnya Paramita, Jakarta, 1994.

Lampiran 5 : Standarisasi Baja Fazar Muhammadin : Perencanaan Turbin Gas Sebagai Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 135,2 Mw, 2009. USU Repository © 2009

Tabel 5.a Standar baja Nama

Standar Jepang

Standar Amerika (AISI), Inggris

Baja karbon konstruksi

(JIS) S25C S30C S35C S40C S45C

(BS), dan Jerman (DIN) AISI 1025, BS060A25 AISI 1030, BS060A30 AISI 1035, BS060A35, DIN C35 AISI 1040, BS060A40 AISI 1045, BS060A45, DIN C450, CK

mesin

S50C AISI 1050, BS060A50, DIN St 50.11 S55C AISI 1055, BS060A55 Baja tempa SF 40, 45 ASTM A 105 - 73 50,55 SNC BS 653M31 Baja nikel khrom SNC22 BS En36 SNCM 1 AISI 4337 SNCM 2 BS830M31 SNCM 7 AISI 8645, BS En100D Baja nikel khrom molibden SNCM 8 AISI 4340, BS817M40, 816M40 SNCM 22 AISI 4315 SNCM 23 AISI 4320, BS En325 SNCM 25 BS En39B SCr 3 AISI 5135, BS530A36 SCr 4 AISI 5140, BS530A40 Baja khrom SCr 5 AISI 5145 SCr 21 AISI 5115 SCr 22 AISI 5120 SCM2 AISI 4130, DIN 34CrMo4 SCM3 AISI 4135, BS708A37, DIN 34CrMo4 Baja khrom molibden SCM4 AISI 4140, BS708M40, DIN 42CrMo4 SCM5 AISI 4145, DIN 50CrMo4 Tabel 5.b Baja karbon untuk kostruksi mesin Standart dan Macam

Kekuatan Lambang

PerlakuanPanas

macam S30C Baja Karbon KonstruksiS35C S40C Mesin (JIS G 4501) S45C S50C S55C S35C-D Batang Baja yang difinis S45C-D

Keterangan tarik

Penormalan Penormalan Penormalan Penormalan Penormalan Penormalan

48 52 55 58 62 66 53 60

Ditarik

dingin,digerinda,


dingin

dibubut, atau gabungan S55C-D

72

Tabel 5.c Baja paduan untuk Poros Standart dan

Lambang

Perlakuan Panas

macam Baja Khrom Nikel (JIS G 4102)

Baja Khrom Nikel molibden (JIS G 4103)

Baja Khrom (JIS G 4104)

Baja (JIS G 4105)

SNC 2 SNC 3 SNC 21 SNC 22 SNCM 1 SNCM 2 SNCM 7 SNCM 8 SNCM 22 SNCM 23 SNCM 25 SCr 3 SCr 4

SCr 5 SCr 21 SCr 22 SCM 2 SCM 3 KhromSCM 4 SCM 5 SCM 21 SCM 22 SCM 23

Kekuatan

Pengerasan Kulit Pengerasan Kulit -

tarik 85 95 80 100 85 95 100 105 90 100 120 90 95

Pengerasan Kulit -

100 80 85 85 95 100

Pengerasan Kulit

105 85 95 100

Sumber : Sularso, Kiyakatsu Suga, “Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin', PT. Pradnya Paramita, Jakarta, 1994.


Lampiran 6 : Standar Ukuran Pasak

ukuran standar

ukuran standar t2

h Ukuran

Ukuran

Pasak

i*

ukuran

Pasak

Pasak

Pasak

r1

Referensi

dan

Diameter poros

C

yang

nominal

standar

primatis

Pasak

standar

pasak b

b, b1

Pasak

tirus

t1

xh

dan b2

luncur

2x2 3x3

2 3

2 3

4x4

4

5x5

0,160,25

primatis

luncur

tirus

r2

dapat

dipakai d**

6-20 6-36

1,2 1,8

1 1,4

0,5 0,9

4

8-45

2,5

1,8

1,2

lebih dari 10-12

5

5

10-

3

2,3

1,7

lebih dari 12-17

6x6

6

6

0,25-

14-

3,5

2,5

2,2

0,16-

lebih dari 17-22

(7x7) 8x7

7 8

7 7

0,40

1618-

4 4

3 3,3

2,4 2,4

0,25

lebih dari 20-25 lebih dari 22-30

10x8 12x8 14x9 (15x10) 16x10 18x11 20x12 22x14 (24x16) 25x14 28x16 32x18

10 12 14 15 16 18 20 22 24 25 28 32

8 8 9 10 10 11 12 14 16 14 16 18

222836404550566370708090-

5 5 5,5 5 6 7 7,5 9 8 9 10 11

3,3 3,3 3,8 5 4,3 4,4 4,9 5,4 8 5,4 6,4 7,4

7,2

10,2

0,400,60

16,2

0,600,80

3,5

0,080,16

2,4 2,9 5,5

8,5

5 3,4 3,4 3,9 4,4 8 4,4 5,4 6,4

0,250,40

0,400,60

lebih dari 6-8 lebih dari 8-10

lebih dari 30-38 lebih dari 38-44 lebih dari 44-50 lebih dari 50-55 lebih dari 50-58 lebih dari 58-65 lebih dari 65-75 lebih dari 75-85 lebih dari 80-90 lebih dari 85-95 lebih dari 95-110 lebih dari 110-

* l harus dipilih dari angka-angka berikut sesuai dengan daerah yang bersangkutan dalam tabel. 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25, 28, 32, 36, 40, 45, 50, 56, 63, 70, 80, 90, 100, 110, 125, 140, 160, 180, 200, 220, 250, 280, 320, 360, 400. Sumber : Sularso, Kiyakatsu Suga, “Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin”, PT. Pradnya Paramita, Jakarta, 1994.


Lampiran 7 : Faktor Konversi Satuan. Satuan Panjang 1 mil

Satuan Luas

= 1760 yard

1 mil2

= 640 Acres

= 5280 feet = 1.609 km 1 yard

1 Acre

= 4840 sq yards

= 3 feet = 0.914 meter

1 foot

= 259 Hektar

= 0.4047 Hektar 1 sq yard

= 0.836 m2

= 12 inch = 308.4 mm

1 inch

= 25.4 mm

100ft/min

= 0.508 m/dtk

1 km2

= 100 Hektar = 0.3861 sq mil

1 sq foot

1 Hektar

= 3281 feet = 0.621 mil 1m

1 mikron

= 144 sq inches = 0.0929 m2

= 1000 meter = 1094 yard

= 9 sq feet

= 10000 m2 = 2.471 Acres

1 m2

= 1000000 mm,

= 1000mm

= 1.196 sq yards

= 39.37 inch

=10.76 sq feet

= 0.001 mm = 0.000039 inch

1 m/dtk

= 196.9 ft/min

Satuan Berat I US Long Ton

Satuan Volume = 2240 lbs

1 cu yard

= 0.766 m3

= 1016 kg 1 US Short

= 2000 lbs

1 cu foot

= 907 kg 1 pound (lb)

= 16 ounces

= 27 cu feet

= 1728 inches = 28.32 liter

1 cu inch

= 16.39 mm


= 7000 grains = 0.454 kg 1 ounces (os)

1 grain

= 0.0625 pound

1 Imp gallon = 277.4 cu inches = 4.55 liter 1 US gallon =0.833 Imp gallon

= 28.33 gr

=3.785 liter

= 64.8 m gr

=231 cu inches

= 0.0023 ounce

1 m3 = 1000 liter

1 lb/ft

=1.488 kg/m

= 1.308 cu yards

metrik ton

= 1000 kg

= 3 5.3 1 cu feet

= 0.984 long ton = 2205 lbs 1 kilogram

= 1000 gram = 2.205 pounds

1 gram

1 liter = 1000000 cc =0.22 Imp gallon = 61 cu inches 1 cu ft/min

= 1.669 ml/jam

=1000 m gr =0.03527 ounce


PERENCANAAN TURBIN GAS SEBAGAI PENGGERAK GENERATOR LISTRIK DENGAN DAYA TERPASANG 135,2 MW

Recommend Documents