Session 18 Heat Transfer in Steam Turbine
PT. Dian Swastatika Sentosa DSS Head Office, 31 Oktober 2008
Outline 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Pendahuluan Skema kecepatan, gaya tangensial. Daya yang dihasilkan turbin, panas jatuh. Turbin impuls r = 0. Turbin reaaksi r = 0.5. Roda curtis. Turbin radial.
1. Pendahuluan •
•
• •
•
Steam Turbin bekerja berdasarkan panas jatuh, diharapkan di dalam steam turbin terjadi panas jatuh yang besar. Panas jatuh tersebut harus diekspansikan dalam beberapa tingkat secara berurutan untuk mendapatkan perpindahan energi yang efektif. Perbandingan antara kecepatan keliling sudu jalan (u) dan kecepatan uap (c) harus dipenuhi. Harga kecepatan keliling sudu jalan u diperbolehkan sampai 300 m/s, jika ditinjau dari gaya yang bekerja serta kekuatan material. Ukuran penampang masing-masing tingkat dibuat berdasarkan aliran uap yang melalui penampang tersebut.
1. Pendahuluan •
•
• •
Aliran uap yang melalui penampang tersebut hanya pada jumlah uap tertentu yang bisa berekspansi, dengan demikian ukuran penampang tersebut dibuat untuk jumlah uap pada saat turbin mengalami pembebanan penuh. Saat turbin mengalami pembebanan sebagian, maka pembagian panas jatuh di dalam turbin terganggu dan efisiensi turbin akan menurun. Diharapkan pembagian panas jatuh dilakukan pada setiap stage untuk meningkatkan efisiensi. Penentuan jumlah tingkat dan bentuk konstruksi sudu jalan dan sudu pengarah masing-masing tingkat mempengaruhi efisiensi turbin.
2. Skema Kecepatan, Gaya Tangensial, Skema Kecepatan 1= bebas dipilih, diharapkan besarnya sudu ini harus sekecil mungkin Nilai c2 diharapkan sekecil mungkin dan arahnya tegak lurus dengan u Fixed Balde – c1 = Kecepatan absolut – u = Kecepatan keliling sudu jalan – w1 = kecepatan relatif
Moving Blade c2 = Kecepatan absolut u = Kecepatan keliling sudu jalan w2 = Kecepatan relatif
2. Skema Kecepatan, Gaya Tangensial, Segitiga Kecepatan
Dalil Cosinus : w12 = c12 + u2 – 2uc1 cos1 c22 = w22 + u2 – 2uw2 cos2
2. Skema Kecepatan, Gaya Tangensial, Gaya Tangensial – Gaya tangensial : Gaya yang bekerja pada keliling sudu turbin – Gaya tangensial dipengaruhi : selisih enthalpy dan pembelokkan aliran uap Fu m s w1u w2u m s c1u c2u
Fu m s w1u w2 u m s w1u w2u Fu m s c1u c2u m s c1u c2u
3. Daya yang Dihasilkan Turbin, Panas Jatuh Daya pada keliling roda turbin
Pu Fu u m s u w1u w2u Pu m s u c1u c2u
3. Daya yang Dihasilkan Turbin, Panas Jatuh Contoh 1 Suatu aliran uap dengan ms = 2,5 kg/detik dan kondisinya pada waktu masuk sudu pengarah p1 = 20 bar, T1 = 4000C. uap ini harus berekspansi semaksimal mungkin di dalam sudu pengarah salah satu tingkat turbin uap, secara teoritis bila aliran tanpa gesekan kecepatan uap keluar sudu pengarah c0 = 400 m/detik. Sedangkan kecepatan uap keluar sebenarnya adalah c1 = 0,95 c0 =380 m/detik. Arah pancaran uap membentuk sudut α1 = 170 Penampang saluran sudu jalan (ruang diantara sudu-sudu) di bagian masuk sama dengan penampang dibagian keluar. Jadi β2 = β1. tetapi karena adanya kerugian gesekan di sudu jalan maka w2 = 0,9 w1. roda jalan mempunyai kecepatan keliling u = 200 m/detik.
3. Daya yang Dihasilkan Turbin, Panas Jatuh Dicari : • Panas jatuh isentrop teoritis h1 dalam kJ/kg dan tekanan uap pada akhir ekspansi. • Bagan segitiga kecepatan dari tingkat turbin tersebut. • Gaya tangensial Fu, daya Pu, dan selisih entalpi yang bekerja sesungguhnya hu. • Efisiensi dari perpindahan energi; kondisi uap sebenarnya di bagian luar dari sudu jalan.
3. Daya yang Dihasilkan Turbin, Panas Jatuh
3. Daya yang Dihasilkan Turbin, Panas Jatuh Konstruksi turbin uap bertingkat – Tujuan : meningkatkan efisiensi dengan memanfaatkan panas jatuh. – Faktor keterbatasan kekuatan material sudu turbin dalam beroperasi dengan kecepatan keliling dan kecepatan putar yang tinggi. Tingkat dari turbin impulse u/c1 = 0,5 Tingkat dari turbin reaksi u/c1 = 1
4. Turbin Impuls r = 0
1=2 w1=w2 (tanpa gesekan)
4. Turbin Impuls r = 0 Pada r = 0 untuk u/c1 = 0,5 bisa dicapai ηu maksimum Diketahui : Pu Pmaks Pu m s u ( w1u w2 u )
u
2 Pmaks m s c1 2
Dengan : c1 w1u w2u ; w1u w2 u c1 u Maka : m u ( w1u w2u ) 2 u (c1 u c1 u ) u s ; u 2 c1 c1 m s c1 2
u
2 u 2 (c1 u ) u u ;u 4 1 c1 c1 c1 c1
4. Turbin Impuls r = 0 Bagan kecepatan dan sudu-sudu suatu tingkat turbin impuls
4. Turbin Impuls r = 0 Bentuk konstruksi, jalannya tekanan, cara beroperasi
Gaya aksial yang terjadi pada sudu jalan kecil, sehingga hanya diperlukan thrust bearing
4. Turbin Impuls r = 0 – pengisian sebagian
L minimum 15 s.d. 20 mm
A D L sin 1
4. Turbin Impuls r = 0 Panas jatuh pada tingkat turbin
D n u 60 2
c hst 2000
u/c = 0,5
u = Kecepatan keliling sudu (m/s) D = Diameter rata-rata sudu n = Putaran RPM (Putaran/menit)
5. Turbin Reaksi r = 0.5 Reaction Turbine Stage
r
hpada jalan htingkat
hLa hLe hLa
hst = hLe + hLa hLe = Panas jatuh di dalam sudu pengarah hLa = Panas jatuh di dalam sudu jalan
5. Turbin Reaksi r = 0.5 Bagan segitiga kecepatan untuk r = 0.5 2
c1 44,72 hLe c0 2000 2
w2 44,72 hLa w1 2000 Fu m s w1u w2 u m s w1u w2u Fu m s c1u c2u m s c1u c2u
Pu Fu u m s u w1u w2u Pu m s u c1u c2u
5. Turbin Reaksi r = 0.5 Pada r = 0,5 untuk u/c1 = 1 bisa dicapai ηu maksimum Diketahui : Pu Pmaks Pu m s hu m s u ( w1u w2u )
u
Pmaks m s hst m s c1
2
Dengan : c1 w1u w2u ; w1u 0; w2u c1 u Maka : m u ( w1u w2u ) 2 u (c1 u ) u s ; u 2 c1 c1 m s c1
u
2 u (c1 u ) u u ;u 2 c1 c1 c1 c1
5. Turbin Reaksi r = 0.5 Panas jatuh dari tingkat turbin reaksi r = 0.5
5. Turbin Reaksi r = 0.5 Contoh 2 Suatu tingkat dari turbin reaksi r = 0,5 bekerja dengan u = 200 m/detik dan harga u/c1 = 0,74 serta diberikan harga sudut α1 = β2 = 200. Berapakah besarnya hst, hu, ηu ? Dan gambarkan bagan segitiga kecepatannya. Serta ekspansi uap pada tingkat tersebut supaya digambarkan dalam diagram h – s.
5. Turbin Reaksi r = 0.5
5. Turbin Reaksi r = 0.5 Mengkompensasi gaya geser aksial pada turbin reaksi
• Torak Buta • Konstruksi aliran steam yang berlawanan • Thrust Bearing
6. Roda Curtis Konstruksi dan cara kerja roda curtis
Curtis Wheel Stage
Fu m s w1uI w2uI w1uII w2 uII hst = c02/2000 dalam kJ/kg c0 dalam m/det Pu = Fu . u dan ηu = hu/hst Roda Curtis 2 rangkaian sudu jalan : ηu maksimum di u/c1 = 0,25 Roda Curtis 3 rangkaian sudu jalan : ηu maksimum di u/c1 = 0,125
6. Roda Curtis
6. Roda Curtis Pemakaian roda curtis sebagai tingkat pertama
Disebut dengan tingkat kecepatan, karena sebagai tingkat pengatur
6. Roda Curtis Contoh 3 Berapakah selisih entalpi yang bekerja pada sebuah roda curtis dengan 2 rangkaian sudu jalan, apabila letak u/c1 = 0,25 dan kecepatan putarnya u = 220 m/detik? Bagaimanakah keadaan uapnya yang keluar dari rangkaian sudu jalan ke 2, bila keadaan uap yang masuk ke turbin dengan tekanan 180 bar, T = 5300C, dan ηu = 70 %?
6. Roda Curtis
7. Turbin Radial
7. Turbin Radial Penampang sudu dengan arah putaran yang berlawanan (turbin radial)
Menggunakan Sudu Reaksi
