Tugas Akhir Konversi Energi
SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN PADA BLADE UNTUK DESAIN NOZZLE DAN BLADE TURBIN UAP TIPE IMPULS SATU TINGKAT
ANDRIAN HADI PRAMONO 2105 100 075 Dosen Pembimbing : Dr Eng Prabowo M.Eng
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2009
Belum ada analisa numerik untuk mengetahui karakteristik aliran pada sudu turbin Belum ada desain turbin uap dari dalam negeri Penelitian terdahulu
Turbin uap merupakan bagian penting dari siklus pembangkit ditunjukkan bagian A Kebutuhan energi semakin meningkat salah satu cara meningkatkan efisiensi siklus adalah meningkatkan efisiensi turbin uap
Tujuan Perancangan Tujuan perancangan ini adalah untuk: 1. Mendapatkan geometri nozzle • Panjang nozzle l • Lebar nozzle pada sisi keluar a1 • Lebar nozzle pada bagian leher amin • Penampang leher setiap nozzle f’min • Penampang sisi keluar nozzle fmaks • Sudut pada nozzle α1 2. Mendapatkan geometri sudu turbin • Tinggi sisi masuk sudu gerak l’ • Sudut pada sudu gerak β1,β2 1
3. Melakukan analisa secara numerik menggunakan FLUENT software untuk mengetahui kualitas desain pada sudu turbin
Batasan Masalah Batasan masalah perancangan ini adalah: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
penelitian berdasarkan teori perancangan turbin uap yang telah ada turbin uap yang di desain adalah turbin uap tipe impuls dengan satu tingkat kecepatan. Kondisi operasi diasumsikan steady state, incompressible flow. Tidak ada perpindahan panas keluar turbin Adiabatik. Disimulasikan dengan bantuan FLUENT software dimana boundary condition untuk inlet adalah velocity inlet sedangkan pada posisi outlet adalah outflow. penelitian tidak mengikutsertakan analisa metallurgy. Penelitian tidak mengikutsertakan analisa ekonomi. Penelitian tidak mengikutsertakan analisa kekuatan material
Perumusan masalah Hasil yang didapat
inlet
P1,T1,
Jumlah tingkat ???? Turbin uap, Ne, n
Perhitungan manual
outlet
Geometri nozzle ????
Geometri sudu turbin ????
P2,T2,
Jumlah sudu ????
Karakteristik aliran pada sudu ????
Siklus Rankine Panas yang dimasukkan pada boiler Q A = h1- h4 Kerja bersih/kg uap Wnet- = WT – WP = (h1 –h2) – v3 (p4 – p3)
Efisiensi siklus rankine ideal Kerja turbin meningkat sehingga efisiensi siklus rankine meningkat Kerja turbin meningkat jika efisiensi turbin meningkat
th
Wnet QA
Penelitian Terdahulu Erosion behaviour and mechanisms for steam turbine rotor blade B . S taniSa a,V. IvuSiC b (1995)
B . S taniSa a, V. IvuSiC b (1995) Dalam Penelitian berjudul ”Erosion behaviour and mechanisms for steam turbine rotor blade”
Didapatkan: Kerusakan blade turbin akibat erosi(third region) pada tingkat terakhir turbin uap bertekanan rendah (A) Kerusakan blade setelah turbin beroperasi 56.384 jam (B) Kerusakan blade setelah turbin beroperasi 82.910 jam.
Kerusakan turbin akibat erosi pada second region
Hasil dari penelitian menunjukkan bahwa kerusakan blade akibat erosi tergantung dari fungsi banyaknya waktu operasi turbin
Perancangan turbin uap dengan perhitungan manual Perancangan Turbin Uap terdiri dari beberapa tahap, sebagai berikut: 1.
Penentuan Jenis Turbin Uap yang Dirancang
2.
Penentuan Jumlah Tingkat Yang dibutuhkan
3.
Menghitung Daya Keluaran
4.
Perancangan geometri perapat labirin
5.
Pemilihan jenis nozzle
6.
Pemilihan u/c1 maksimum
7.
Perhitungan Kerugian-kerugian
8.
Koreksi Perancangan Nozzle
9.
Perancangan Sudu Gerak.
Pada penelitian ini dibutuhkan input data sebagai berikut Perhitungan secara thermodinamika
inlet P1,T1, Turbin uap, Ne, n
Kerja turbin uap ideal (isentropik)
outlet P2,T2,
Kerja turbin uap aktual
Wturbin uap ideal = m(h3-h4) Wturbin uap aktual = m(h3- h4’ )
Penentuan Jenis Turbin Uap yang Dirancang Turbin uap, dapat dibedakan menjadi: 1.
Turbin Uap Tipe Impuls: Ekspansi uap hanya terjadi pada nozzle dan energi kinetik diubah menjadi kerja mekanis pada sudu – sudu turbin (tanpa terjadi ekspansi uap)
2.
Turbin Uap Tipe Reaksi: ekpansi uap terjadi tidak hanya pada sudupengarah tetapi juga pada sudu gerak.
Dari perbedaan dua jenis turbin diatas maka dipilih turbin uap tipe impuls yang dirancang.
Penentuan jumlah tingkat Jenis Turbin uap Menurut tekanan
Penurunan enthalpy maksimum (tiap satu tingkat)
Low Pressure (LP)
(43-86) kJ/kg
Intermediate Pressure (IP)
200 kJ/kg
Penurunan Kalor
High Pressure (HP)
100 kJ/kg
Penurunan enthalpy dari data masukan
Ho
i0 i1t
Penurunan kecepatan pada sisi keluar nozzle
c1
91,5
Ho
dari penurunan enthalpy data masukan diketahui tingkat yang dibutuhkan adalah satu tingkat
Menghitung daya keluaran Efisiensi mekanis turbin 0.99
y = 0.021ln(x) + 0.818
0.98
n = 3000 untuk absis dikalikan 10
ηm
0.97
Ne
0i
g
m
G
860
0.96 Log. (n = 3000 untuk absis dikalikan 10)
0.95 0.94 0.93 0.92 0.91 0
500
1000
1500
Ne (hp)
Efisiensi generator menurut elektrosila work
0.965
Setelah meghitung daya keluaran koreksi desain dengan daya keluaran secara thermodinamika
efisiensi generator menurut elektrosila work
0.96 0.955
ηg
3600 H 0
0.95 y = 2E-14x3 - 5E-10x2 + 6E-06x + 0.924
0.945
Poly. (efisiensi generator menurut elektrosila work)
0.94 0.935 0.93 0.925 0
5000
10000
15000
20000
N3(KW)
25000
30000
Ke halaman selanjutnya
Perancangan geometri perapat labirin
fs
.d .s
pkr
0.85 xP2 z 1.5
koreksi desain geometri perapat labirin
Gkebocoran 100 f s
pkr
g p x 2 z 1.5 1
patm Jika Memenuhi maka perancangan Perapat Tidak Mengalami Kebocoran
Ke halaman selanjutnya
Pemilihan jenis nozzle a. (konvergen-divergen)
p1 p0
Pkr
b. (konvergen) p1 p0
dimana
Pr
Pkr
kr
xP0
hkr
h0 (
ckr
2g
ckr 2 ) 91,5
k k 1
p0
0
Ke halaman selanjutnya
Perhitungan Geometri Nozzle Konvergen Luas Penampang Pada Bagian keluar nozzle
fmaks
(G Gkebocoran) c1
1
Lebar Pada Bagian keluar untuk 1 nozzle
a1
f maks jumlahnozz le(tinggi.nozzle)
Ke halaman Pemilihan Nozzle
Perhitungan Geometri Nozzle Konvergen-divergen Luas Penampang Pada Bagian Leher(throat) f m in
untuk 1 nozzle
(G Gkebocoran) 203
P0
f 'm' in
0
f m in jumlahnozz le
Lebar Pada Bagian Leher(throat) untuk 1 nozzle ' f min jumlahnozzle
amin
Luas Penampang Pada Bagian keluar nozzle
fmaks
(G Gkebocoran) c1
1
Lebar Pada Bagian keluar untuk 1 nozzle
a1
f maks jumlahnozz le(tinggi.nozzle)
Panjang nozle Pada Bagian Divergen
l
a1 am in 2 tan
2
Ke halaman Pemilihan Nozzle
Pemilihan U/C1 maksimum Pada Pemilihan U/C1 Maksimum Kita Harus Melihat Beberapa Aspek,Yaitu: 1. Sudut α1 (14˚-20˚) 2. Sudut β2 (β1-3˚)-----(β1-6˚) 3. Nilai ηoi maksimum
Ke halaman selanjutnya
Sudut α1
Ke halaman pemilihan U/C1
Dengan Melakukan variasi sudut α1 dari 14˚-20˚, kita dapatkan grafik fungsi efisiensi internal sebelum dikurangi kerugian akibat turbulensi
dari grafik diketahui efisiensi maksimum dimiliki oleh sudut 14˚
u
2
2
(1
cos cos
2 1
)(cos
1
u u menurunkan α1 dari 20-14 menyebabkan nilai cos α1 menjadi ) meningkat, dengan nilai Φ, Ψ, u/c1 sama dan perubahan β1 c1 c1 danβ2 sebanding. Maka harga ηu meningkat
Sudut β2 0.9 0.8 0.7
-3,00
0.6
-4,00
0.5
-5,00
0.4
-6,00
0.3
Poly. (-4,00) Poly. (-5,00)
0.2
Poly. (-6,00)
0.1 0 0
u
0.1
2
0.2
2
(1
0.3
cos cos
0.4
2 1
0.5
)(cos
0.6
1
0.7
Dari grafik diketahui nilai pengurangan β2 dari (-3˚)---(-6˚) Tidak memiliki pengaruh terlalu besar. Hal ini sesuai dengan rumusan
u u ) c1 c1
Ke halaman pemilihan U/C1
Ke halaman pemilihan U/C1
Nilai ηoi maksimum ηoi fungsi U/C1 0.7 0.6
ηoi
0.5
14
0.4
17
0.3
20
0.2
Poly. (14)
0.1
Poly. (17)
0
Poly. (20) 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
U/C1
u
2
2
cos cos
(1
2
)(cos
1
1
u u ) c1 c1
Dari grafik dketahui nilai ηoi maksimum terdapat pada sudut α1 = 14˚, hal ini sesuai dengan rumusan oi
N ge.a
3
4
n d l .10
kerugian turbulensi
204gN ge.a ge.a.
Gc12t
10
u
ge.a .
dengan α1 meningkat mengakibatkan penurunan nilai cos α1 dan dengan kerugian turbulensi tiap sudut memiliki nilai sama maka nilai ηoi maksimum terdapat pada sudut 14˚ dan nilai U/C1 pada 0.4
Perhitungan Kerugian-kerugian ω1
Dari segitiga kecepatan pada sudu SEGITIGA KECEPATAN SISI INLET
β1 u α1
c1
SEGITIGA KECEPATAN SISI OUTLET α2 u
c2
β2 ω2
Kerugian kinetik nozzle
hn Kerugian kinetik sudu gerak
hb'
2 1
8378
2 2
c12t c12 8378 Kerugian carry over pada sudu gerak
he
c22 8378 Ke halaman selanjutnya
Hitung ηu dari rumusan H 0' hn hb he u H 0'
Koreksi Perhitungan u (rumusan ) u (tabel) x100 % 2 o o u (rumusan )
kerugian turbulensi
hge.a
Jika ≤ 2% perhitungan memenuhi syarat
102 N ge.a 427 G
Hitung penurunan kalor indikatif setelah menghitung kerugian turbulensi yang terjadi
Hi H0' hn hb he hge.a efisiensi dalam relatif turbin tanpa menghitung kerugian pada katup pengatur 01
Hi H0
massa alir uap yang mengalir melewati turbin
G'
860 N e 3600 H i m
g
G
Koreksi dengan perhitungan sebelumnya
G' G x100 % Jika ≤ 2% perhitungan memenuhi syarat ' G
Koreksi Desain Nozzle f maks dl sin
ε > 0,2, sehingga desain dapat diterima 1
Desain Sudu Gerak Tinggi masuk sudu
l1'
l 2
Maka jumlah sudu z
102 x3600 xG0 xhu 860 x uPu
selesai
tinggi sudu pada sisi keluar
l
' gb
G0 d
' 2
Pu = (G/g)(c1u – c2u)
gb
sin
Jumlah sudu yang digunakan
/ 2
Hasil yang didapat:
• Massa alir uap yang dibutuhkan untuk menghasilkan daya output 150 KW sebesar 8.107 kg/s. • Jumlah tingkat yang dibutuhkan adalah turbin uap tipe impuls satu tingkat.
•Perapat labirin yang digunakan mempunyai geometri z = 40 sekat, diameter poros d = 100mm, celah melingkar antara poros dan sekat labirin s = 0,3mm. • Jenis nozzle yang digunakan adalah nozzle konvergen dengan geometri penampang sisi keluar nozzle fmaks = 4.398 cm2, lebar nozzle pada sisi keluar a1 = 3.665mm, tinggi nozzle pada bagian sisi keluar l = 12mm, jumlah nozzle = 10 nozzle. •u/C1 maksimum pada nilai 0.5 dengan sudut α1 maksimum = 14°, u = 97.05 m/detik, d = 0.62 m, β1= 27.22˚, dan β2 = 22.22˚. •Tinggi masuk sudu gerak 14mm, lebar sudu dengan l/b = 1, maka b = 14mm, jumlah sudu z = 60 blade, tinggi sudu pada bagian keluar lgb’=13.32mm.
Pemodelan Geometri dan Komputasi secara Numerik pada Software GAMBIT dan FLUENT 6.2 Kontur tekanan
Sudut α1 = 14˚
Sudut α1 = 17˚
Pemodelan Geometri dan Komputasi secara Numerik pada Software GAMBIT dan FLUENT 6.2 Kontur kecepatan Sudut α1 = 14˚
Sudut α1 = 17˚
Pemodelan Geometri dan Komputasi secara Numerik pada Software GAMBIT dan FLUENT 6.2 Path line aliran
Sudut α1 = 14˚
Sudut α1 = 17˚
Dari path line diketahui aliran sudut α1 = 14˚ memiliki pathline lebih halus dibanding sudut 17˚
Kesimpulan • Massa alir uap yang dibutuhkan untuk menghasilkan daya output 150 KW sebesar 8.107 kg/s.
• Jumlah tingkat yang dibutuhkan adalah turbin uap tipe impuls satu tingkat. •Perapat labirin yang digunakan mempunyai geometri z = 40 sekat, diameter poros d = 100mm, celah melingkar antara poros dan sekat labirin s = 0,3mm.
• Jenis nozzle yang digunakan adalah nozzle konvergen dengan geometri penampang sisi keluar nozzle fmaks = 4.398 cm2, lebar nozzle pada sisi keluar a1 = 3.665mm, tinggi nozzle pada bagian sisi keluar l = 12mm, jumlah nozzle = 10 nozzle. •u/C1 maksimum pada nilai 0.5 dengan sudut α1 maksimum = 14°, u = 97.05 m/detik, d = 0.62 m, β1= 27.22˚, dan β2 = 22.22˚. •Tinggi masuk sudu gerak 14mm, lebar sudu dengan l/b = 1, maka b = 14mm, jumlah sudu z = 60 blade, tinggi sudu pada bagian keluar lgb’=13.32mm.
TERIMA KASIH Terima kasih mohon kritik dan saran
