Upload
lamthien
View
242
Download
11
Embed Size (px)
Citation preview
SIMULASI DUA DIMENSI KARAKTERISTIK ALIRAN PADA BLADE UNTUK DESAIN NOZZLE DAN BLADE
TURBIN UAP TIPE IMPULS SATU TINGKAT
ANDRIAN HADI PRAMONO2105 100 075
Dosen Pembimbing : Dr Eng Prabowo M.Eng
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA2009
Tugas Akhir
Konversi Energi
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
Belum ada analisanumerik untukmengetahuikarakteristik aliranpada sudu turbin
Belum ada desainturbin uap daridalam negeri
Penelitian terdahulu
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’1
• Sudut pada sudu gerak β1,β2
3. Melakukan analisa secara numerik menggunakan FLUENT software untuk mengetahui
kualitas desain pada sudu turbin
Batasan Masalah
Batasan masalah perancangan ini adalah:1. penelitian berdasarkan teori perancangan turbin uap yang
telah ada
2. turbin uap yang di desain adalah turbin uap tipe impuls
dengan satu tingkat kecepatan.
3. Kondisi operasi diasumsikan steady state, incompressible
flow.
4. Tidak ada perpindahan panas keluar turbin Adiabatik.
5. Disimulasikan dengan bantuan FLUENT software dimana
boundary condition untuk inlet adalah velocity inlet
sedangkan pada posisi outlet adalah outflow.
6. penelitian tidak mengikutsertakan analisa metallurgy.
7. Penelitian tidak mengikutsertakan analisa ekonomi.
8. Penelitian tidak mengikutsertakan analisa kekuatan material
Perumusan masalah
Hasil yang didapat
P1,T1,
P2,T2,
Turbin uap, Ne, n
inlet
outlet
Perhitungan manual Geometri nozzle ????
Karakteristik aliran pada sudu ????
Geometri sudu turbin ????
Jumlah sudu ????
Jumlah tingkat ????
Siklus Rankine
Panas yang dimasukkan pada
boiler Q A = h1- h4
Kerja bersih/kg uapWnet = WT – WP = (h1 –h2) – v3 (p4 – p3)
Efisiensi siklus rankine ideal
A
netth
Q
WKerja turbin
meningkat sehingga
efisiensi siklus
rankine meningkat
Kerja turbin
meningkat jika
efisiensi turbin
meningkat
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 turbinakibat erosi(third region) pada tingkat terakhirturbin uap bertekananrendah
(A) Kerusakan blade setelah turbin beroperasi56.384 jam
(B) Kerusakan blade setelah turbin beroperasi82.910 jam.
Kerusakan turbin akibat erosi
pada second region
Hasil dari penelitianmenunjukkan bahwakerusakan blade akibat erositergantung dari fungsibanyaknya waktu operasiturbin
Perancangan turbin uap
dengan perhitungan manualPerancangan 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
P1,T1,
P2,T2,
Turbin uap, Ne, n
inlet
outlet
Perhitungan secara thermodinamika
Kerja turbin uapideal (isentropik)
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
High Pressure (HP) 100 kJ/kg
Penurunan Kalor
oHc 5,911
to iiH 10
Penurunan enthalpy dari data masukan
dari penurunan
enthalpy data
masukan
diketahui tingkat
yang dibutuhkan
adalah satu
tingkat
Penurunan kecepatan pada sisi keluar nozzle
Menghitung daya keluaran
y = 0.021ln(x) + 0.818
0.91
0.92
0.93
0.94
0.95
0.96
0.97
0.98
0.99
0 500 1000 1500
ηm
Ne (hp)
Efisiensi mekanis turbin
n = 3000 untuk absis
dikalikan 10
Log. (n = 3000 untuk
absis dikalikan 10)
y = 2E-14x3 - 5E-10x2 + 6E-06x + 0.924
0.925
0.93
0.935
0.94
0.945
0.95
0.955
0.96
0.965
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000
ηg
N3(KW)
Efisiensi generator menurut elektrosila
work
efisiensi generator
menurut elektrosila
work
Poly. (efisiensi
generator menurut
elektrosila work)
860
3600 00 GHNe
mgi
Ke halaman
selanjutnya
Setelah
meghitung daya
keluaran koreksi
desain dengan
daya keluaran
secara
thermodinamika
koreksi desain geometri perapat labirin
Perancangan geometri perapat labirin
sdf s ..1
2
5.1100
px
z
gfG skebocoran
atmkr pp
Ke halaman
selanjutnya
5.1
85.0 2
z
xPpkr
Jika Memenuhi maka
perancangan Perapat
Tidak Mengalami
Kebocoran
Pemilihan jenis nozzle
a. (konvergen-divergen)
b. (konvergen)
krPp
p
0
1
2
0 )5,91
( krkr
chh
krPp
p
0
1
0xPP krrdimana
001
2 pk
kgckr
Ke halaman
selanjutnya
Perhitungan Geometri NozzleKonvergen
Luas Penampang Pada Bagian keluar nozzle
).(1
nozzletinggilejumlahnozz
fa maks
1
1)(
c
GkebocoranGfmaks
Lebar Pada Bagian keluar untuk 1 nozzle
Ke halaman
Pemilihan Nozzle
Perhitungan Geometri NozzleKonvergen-divergen
Ke halaman
Pemilihan Nozzle
).(1
nozzletinggilejumlahnozz
fa maks
1
1)(
c
GkebocoranGfmaks
0
0
min
203
)(
P
GkebocoranGf
Luas Penampang Pada Bagian Leher(throat)
Luas Penampang Pada Bagian keluar nozzle
Lebar Pada Bagian Leher(throat) untuk 1 nozzle
lejumlahnozz
ff min'
min'
untuk 1 nozzle
lejumlahnozz
fa
'
minmin
Lebar Pada Bagian keluar untuk 1 nozzle
Panjang nozle Pada Bagian Divergen
2tan2
min1 aal
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
Pemilihan U/C1 maksimum
Ke halaman
selanjutnya
Sudut α1Dengan Melakukan variasi sudut α1 dari 14˚-20˚, kita dapatkan grafik fungsi efisiensi internal
sebelum dikurangi kerugian akibat turbulensi
11
1
1
22 ))(coscos
cos1(2
c
u
c
uu
menurunkan α1 dari 20-14 menyebabkan nilai cos α1 menjadi
meningkat, dengan nilai Φ, Ψ, u/c1 sama dan perubahan β1
danβ2 sebanding. Maka harga ηu meningkat
dari grafik
diketahui efisiensi
maksimum dimiliki
oleh sudut 14˚
Ke halaman
pemilihan U/C1
Sudut β2Dari grafik
diketahui nilai pengurangan β2 dari (-3˚)---(-6˚)
Tidak memiliki pengaruh terlalu besar.
Hal ini sesuai dengan rumusan
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
-3,00
-4,00
-5,00
-6,00
Poly. (-4,00)
Poly. (-5,00)
Poly. (-6,00)
11
1
1
22 ))(coscos
cos1(2
c
u
c
uu
Ke halaman
pemilihan U/C1
Nilai ηoi maksimumDari grafik dketahui
nilai ηoi maksimum terdapat pada sudut α1 = 14˚, hal ini sesuai dengan rumusan
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
ηo
i
U/C1
ηoi fungsi U/C1
14
17
20
Poly. (14)
Poly. (17)
Poly. (20)
11
1
1
22 ))(coscos
cos1(2
c
u
c
uu
2
1
.
..
204
t
age
ageGc
gN
1043
. 10.ldnN age
..ageuoi
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
kerugian turbulensi
Ke halaman
pemilihan U/C1
Perhitungan Kerugian-kerugian
SEGITIGA KECEPATAN SISI OUTLET
Dari segitiga kecepatan pada sudu
Kerugian kinetik nozzle
Kerugian kinetik sudu gerak
α1
β1
c1
ω1
u
u
ω2
c2
α2
β2
8378
2
1
2
1 cch t
n
8378
2
2
2
1'
bh8378
2
2che
Ke halaman
selanjutnya
SEGITIGA KECEPATAN
SISI INLET
Kerugian carry over pada sudu gerak
efisiensi dalam relatif turbin tanpa menghitung kerugian pada katup pengatur
massa alir uap yang mengalir melewati turbin Koreksi dengan perhitungan sebelumnya
Jika ≤ 2% perhitungan memenuhi syarat
0
01H
H i
gmi
e
H
NG
3600
860'
%100'
'
xG
GGG
ageebn hhhhHHi .
'
0
Hitung penurunan kalor indikatif setelah menghitung kerugian turbulensi yang terjadi
G
Nh
age
age427
102 .
.
kerugian turbulensi
oox
rumusanu
tabelurumusanu2%100
)(
)()( Jika ≤ 2% perhitungan
memenuhi syarat
'
0
'
0
H
hhhH ebnu
Koreksi Perhitungan
Hitung ηu dari rumusan
Koreksi Desain Nozzle
1sindl
fmaksε > 0,2, sehingga desain dapat diterima
Desain Sudu Gerak
Tinggi masuk sudu tinggi sudu pada sisi keluar
selesai
2'
1 ll/
2
'
2
0'
sind
Gl
gb
gb
Jumlah sudu yang digunakan
Pu = (G/g)(c1u – c2u)
Maka jumlah sudu
u
u
uPx
xhxGxz
860
3600102 0
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 6.2Sudut α1 = 14˚ Sudut α1 = 17˚Kontur tekanan
Pemodelan Geometri dan
Komputasi secara Numerik
pada Software GAMBIT dan FLUENT 6.2Kontur kecepatan Sudut α1 = 14˚ Sudut α1 = 17˚
Pemodelan Geometri dan
Komputasi secara Numerik
pada Software GAMBIT dan FLUENT 6.2Path 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 KASIHTerima kasih mohon kritik dan saran