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 Tugas Akhir Konversi Energi 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 bagianA 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 a 1 Lebar nozzle pada bagian leher a mi n Penampang leher setiap nozzle fmi n Penampang sisi keluar nozzle f ma k s Sudut pada nozzle a1 2. Mendapatkan geometri sudu turbin Tinggi sisi masuk sudu gerak l1 Sudut pada sudu gerak 1, 2 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 turbinAdiabatik. 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 inlet P ,T 1 1 , Perumusan masalah Turbin uap, N e , n Perhitungan manual outlet P ,T 2 , 2 Hasil yang didapat Jumlah tingkat ???? Geometri nozzle ???? Geometri sudu turbin ???? Jumlah sudu ???? Karakteristik aliran pada sudu ???? Siklus Rankine Panas yang dimasukkan pada boiler Q A = h 1 - h Kerja bersih/kg uap W = W net T W P = (h 1 h 2 4 ) v 3 (p 4 p Efisiensi siklus rankine ideal Kerja turbin meningkat sehingga efisiensi siklus rankine meningkat Kerja turbin meningkat jika efisiensi turbin meningkat 3 ) 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 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. rotor blade 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 inlet P ,T 1 , 1 Turbin uap, N e , n outlet P ,T 2 , 2 Perhitungan secara thermodinamika W turbin uap ideal = m(h Kerja turbin uap ideal (isentropik) Kerja turbin uap aktual -h ) W turbin uap aktual = m(h 3 3 4 - h 4 ) 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 Penurunan kecepatan pada sisi keluar nozzle dari penurunan enthalpy data masukan diketahui tingkat yang dibutuhkan adalah satu tingkat m g Menghitung daya keluaran 0.97 0.98 0.99 0.96 0.91 0.92 0.93 0.94 0.95 0.925 0.93 0.935 0.94 0.945 0.95 0.955 0.96 0.965 Efisiensi mekanis turbin y = 0.021ln(x) + 0.818 0 500 1000 1500 Ne (hp) 3 y = 2E-14x - 5E-10x 2 n = 3000 untuk absis dikalikan 10 Log. (n = 3000 untuk absis dikalikan 10) Efisiensi generator menurut elektrosila work + 6E-06x + 0.924 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 N3(KW) efisiensi generator menurut elektrosila work Poly. (efisiensi generator menurut elektrosila work) Setelah meghitung daya keluaran koreksi desain dengan daya keluaran secara thermodinamika Ke halaman selanjutnya Perancangan geometri perapat labirin koreksi desain geometri perapat labirin Jika Memenuhi maka perancangan Perapat Tidak Mengalami Kebocoran Ke halaman selanjutnya Pemilihan jenis nozzle a. (konvergen-divergen) b. (konvergen) dimana Ke halaman selanjutnya Perhitungan Geometri Nozzle Konvergen Luas Penampang Pada Bagian keluar nozzle Lebar Pada Bagian keluar untuk 1 nozzle Ke halaman Pemilihan Nozzle Perhitungan Geometri Nozzle Konvergen-divergen Luas Penampang Pada Bagian Leher(throat) Lebar Pada Bagian Leher(throat) untuk 1 nozzle Luas Penampang Pada Bagian keluar nozzle Panjang nozle Pada Bagian Divergen untuk 1 nozzle Lebar Pada Bagian keluar untuk 1 nozzle Ke halaman Pemilihan Nozzle Pemilihan U/C1 maksimum Pada Pemilihan U/C1 Maksimum Kita Harus Melihat Beberapa Aspek, Yaitu: 1. Sudut a1 (14-20) 2. Sudut 2 (1-3)-----(1-6) 3. Nilai oi maksimum Ke halaman selanjutnya Sudut a1 Ke halaman pemilihan U/C1 Dengan Melakukan variasi sudut a1 dari 14-20,kita dapatkan grafik fungsi efisiensi internal sebelum dikurangi kerugian akibat turbulensi dari grafik diketahui efisiensi maksimum dimiliki oleh sudut 14 menurunkan a1 dari 20-14 menyebabkan nilai cos a1 menjadi meningkat, dengan nilai F, , u/c1 sama dan perubahan 1 dan2 sebanding. Maka harga u meningkat 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.4 0 0.1 0.2 0.3 Sudut 2 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) Dari grafik diketahui nilai pengurangan 2 dari (-3)---(-6) Tidak memiliki pengaruh terlalu besar. Hal ini sesuai dengan rumusan Ke halaman pemilihan U/C1 oi Nilai oi maksimum 0.5 0.6 0.7 0.4 0 0.1 0.2 0.3 oi fungsi U/C1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 U/C1 kerugian turbulensi 14 17 20 Poly. (14) Poly. (17) Poly. (20) Dari grafik dketahui nilai oi maksimum terdapat pada sudut a1 = 14, hal ini sesuai dengan rumusan Ke halaman pemilihan U/C1 dengan a1 meningkat mengakibatkan penurunan nilai cos a1 dan dengan kerugian turbulensi tiap sudut memiliki nilai sama maka nilai oi maksimum terdapat pada sudut 14 dan nilai U/C1 pada 0.4 Perhitungan Kerugian-kerugian Dari segitiga kecepatan pada sudu Kerugian kinetik nozzle SEGITIGA KECEPATAN SISI INLET Kerugian kinetik sudu gerak a1 SEGITIGA KECEPATAN SISI OUTLET c2 a2 2 u 1 1 u 2 c1 Kerugian carry over pada sudu gerak Ke halaman selanjutnya Hitung u dari rumusan Koreksi Perhitungan Jika = 2% perhitungan memenuhi syarat Hitung penurunan kalor indikatif setelah menghitung kerugian turbulensi yang terjadi kerugian turbulensi 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 Koreksi Desain Nozzle Desain Sudu Gerak e> 0,2, sehingga desain dapat diterima Tinggi masuk sudu tinggi sudu pada sisi keluar Maka jumlah sudu selesai Jumlah sudu yang digunakan P = (G/g)(c u c 1u 2u ) 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 no zzl e yang digunakan adalah n o zzl e konvergen dengan geometri penampang sisi keluar n o zzl e fmaks = 4.398 cm a 1 2 , lebar no zzl e pada sisi keluar = 3.665mm, tinggi no zzl e pada bagian sisi keluar l = 12mm, jumlah n o zzl e = 10 nozzl e. u/C1 maksimum pada nilai 0.5 dengan sudut a maksimum = 14, u = 97.05 m/detik, d = 0.62 m, 1 = 27.22,dan 2 = 22.22. 1 Tinggi masuk sudu gerak 14mm, lebar sudu dengan l/b = 1, maka b = 14mm, jumlah sudu z = 60 blade, tinggi sudu pada bagian keluar l gb =13.32mm. Kontur tekanan Pemodelan Geometri dan Komputasi secara Numerik pada Software GAMBIT dan FLUENT 6.2 Sudut a1 = 14 Sudut a1 = 17 Pemodelan Geometri dan Komputasi secara Numerik pada Software GAMBIT dan FLUENT 6.2 Kontur kecepatan Sudut a1 = 14 Sudut a1 = 17 Pemodelan Geometri dan Komputasi secara Numerik pada Software GAMBIT dan FLUENT 6.2 Path line aliran Sudut a1 = 14 Sudut a1 = 17 Dari path line diketahui aliran sudut a1 = 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 no zzl e yang digunakan adalah no zzl e konvergen dengan geometri penampang sisi keluar no zzl e fmaks = 4.398 cm 2 , lebar no zzl e pada sisi keluar a nozzle pada bagian sisi keluar l = 12mm, jumlah nozzle = 10 nozzle. u/C1 maksimum pada nilai 0.5 dengan sudut a 1 1 = 3.665mm, tinggi maksimum = 14, u = 97.05 m/detik, d = 0.62 m, 1 = 27.22,dan 2 = 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 l gb =13.32mm. TERIMA KASIH Terima kasih mohon kritik dan saran