Dr. Eng. Herman Saputro, M.Pd., MT.

STEAM TURBINE

#2

TURBINES: Machines to extract fluid powerfrom flowing fluids

Steam Turbine Water Turbines Gas TurbinesWind Turbines

Siklus Rankine ideal sederhana terdiri dari :1. Boiler sebagai alat pembangkit uap2. Turbin uap sebagai alat mengubah uap menjadi kerja3. Kondensor sebagai alat pengembun uap4. Pompa boiler sebagai alat memompa air ke boiler

Siklus Rankine Ideal Sederhana

DiagramTemperatur-Entalpi Siklus Rankine

Qin = m(hF - hD)

D-E-A-F F-G

Wout = m(hF - hG)

G-C

Qout = m(hG - hC)

C-D

Win = m(hD - hC)

Thermal efficiencyηtermal = (Wout -Win) / Qin

Turbines Classification

Based on Inlet & Outlet Steam Condition

• Back pressure turbines – The Exhaust steam fromthe turbine flows out of the steam piping at medium or lowpressure. Basically, the exhaust steam can be used effectivelyin any other machines or equipment in the plant.

• Condensing turbines – Full steam quantitiesentering into the turbine are exhausted, and converted tocondensate in a condenser. The exhaust steam pressure islower than the atmospheric pressure.

• Extraction turbines – Medium or low pressure steamrequired by the process plant is extracted from theintermediate stage of a condensing or back pressure turbine.

P out > P a

Impulse & Reaction Turbine

1. Based on Blading Design

a) Impulse turbineThere is no pressure drop across moving blades.Steam energy is transferred to the rotor entirely bythe steam jets striking the moving blades. Sincethere is no pressure drop, negligible thrust isproduced.b. Reaction turbineSteam expands in both the stationary & movingblades. Moving blades also act as nozzles. High axialthrust is produced.c) Combination of Impulse & Reaction turbine

IMPULSE REACTION TURBINE

DIFFERENCES

Impulse & Reaction Turbine

Impulse Reaction-Pressure drops in nozzles and not in moving blade -Pressure drops in fixed blade as

well as in moving blades-Constant blade channel area -Varying blade channel area-Profile type blades -Aerofoil type blades-Restricted round or incomplete admission of steam -All round or complete admission-Diaphragm contains nozzles -Fixed blades similar to moving blades attached to

casing serve as nozzles andguide the steam

-Occupies less space for same power -Occupies more space for same power-Higher efficiency in initial stage - higher efficiency in final stages.-Suitable for small power requirements -Suitable for medium or high power requirements.-Blade manufacturing is not difficult -Blade manufacturing process is difficult.-Velocity of steam is high -Velocity of steam is less.

On the Principle of working

1. Impulse Turbine

2. Reaction Turbine

CROSS-SECTIONAL DRAWING OF BLADED ROTOR

COU

PLIN

G

THRU

STCO

LLAR

H.P.BLADES

L.P

BLAD

ES

HAN

D BA

RRIN

GW

HEE

L

MO

VIN

G W

HEE

LFO

R O

IL T

URB

INE

DISC

ON

NEC

TCO

UPL

ING

INTER STAGE SEALING

Blade Profiles• Impulse

• Reaction

• Twisted Blade

A A(SIMPLIFIED DIAGRAM)

SECTION A-A

A B ( SIMPLIFIED DIAGRAM )SECTION A-B

SECTION A7-A7

AA

SECTION A3-A3

A

SECTION A13-A13

AA

A A

SECTION A16-A16

A1

Y

A1

U

A

A4 A4

A7 A7

A10

A13 A13

A10

A18 A18

• The worldwide capacity of electrical powergeneration by conventional coal-firedpower plants currently amounts to about800,000 MW

• the worldwide capacity of nuclear powergeneration amounts to about 370,000 MW

Tips Cara Membaca Diagram Mollier

Definisi secara terminologi yang berhubungan dengan Diagram Mollier.

Diagram Mollier digunakan untuk menganalisa kinerja proses adiabatic steady-flow, salahsatunya adalah menentukan nilai kerja dan powerTurbin Uap dengan mencari Enthalpydan Entropy dalam sistem tersebut.

Contoh soal 1

Sebuah siklus Rankine sederhana ideal bekerja pada temperatur 400 oC dan tekanan 80 bar.Tekanan kondensor 0,1 bar. Aliran massa uap yang masuk ke turbin 100 kg/s. Hitunglahkerja turbin, kerja pompa, kalor masuk, kalor keluar dan efisiensi siklus. daya yangdihasilkan turbin dan daya netto siklus.

JawabPertama-tama gambarkan skema siklus Rankine sederhana dan lengkapi dengan data-datayang ada di dalam soal

Ditanya : kerja turbin (Wt); Kerja pompa (Wp), kalor masuk (Qin), kalor keluar (Qout),efisiensi termodinamika (ηth), daya turbin (Pt) dan daya netto siklus (Pnett).

Hal yang disiapkan untuk menyelesaikan soal diatas:Tabel uap atau Mollier diagrams

Mollier diagrams are graphical representations of the thermodynamic properties ofmaterials involving "Enthalpy" as one of the coordinates. Mollier diagrams are namedafter Richard Mollier (1863 - 1935), a professor at Dresden University in Germany,who pioneered the graphical display of the relationship of temperature, pressure,enthalpy, entropy and volume of steam (as well as for moist air) that has aided in theteaching of thermodynamics to many generations of engineers. His enthalpy-entropy(H-S) diagram for steam was first published in 1904

Mollier diagrams

Dari tabel sifat-sifat uap panas lanjut di dapat :Entalpi uap masuk ke turbin : h1 = 3139,4 kJ/kgEntropi uap masuk ke turbin : s1 = 6,3658 kJ/kg.KEntropi uap keluar turbin sama dengan entropi uap masuk turbin(proses ideal atau isentropis) sehingga s1 = s2 = 6,3658 kJ/kg.K

Penyelesaian Soal:

Temperatur dan tekanan uap yang masuk kedalam Turbin adalah400 oC dan 80 Bar (8 M.Pa)

Dari tabel sifat-sifat uap panas lanjut di dapat :

Dari tabel uap jenuh, pada tekanan 0,1 bar (10 kPa) didapat :Entalpi fase uap (hg2) = 2583,9 kJ/kgEntalpi fase cair (hf2) = 191,81 kJ/kgEntalpi perubahan fase (hfg2) = 2392,1 kj/kgEntropi fase uap (sg1) = 8,1488 kJ/kg.KEntropi fase cair (sf2) = 0,6492 kJ/kg.KEntropi perubahan fase (sfg2) = 7,4996 kJ/kg.K

Penyelesaian Soal:

Tekanan kondensor 0,1 bar = 0.01 M.PaCatt: pada fase ini ada 2 kondisi yaitu:1. Fase Uap (Vapor)2. Fase cair (Liquid)

Dari tabel sifat-sifat uap panas lanjut di dapat :

Artinya kadar uap yang keluar dari turbin menuju kondensor adalah 76,22 % ataufluida yang keluar dari turbin 76,22 % uap dan 23.78 % cair. Bagian yang cair ini tidakperlu lagi diembunkan, tetapi 76,22 % uap ini yang harus dibuang kalornya supayafasenya berubah menjadi cair. Maka energi total yang terkandung di dalam 76,22% uapdapat dihitung:

Fraksi (kadar) uap (X) dapat dihitung :

Maka kerja turbin dapat dihitung yaitu :

Daya turbin adalah :

Kalor yang dibuang oleh kondensor :

h2 adalah entalpi uap yang masuk ke kondensor = 2015,07 kJ/kgh3 adalah entalpi air yang keluar dari kondensor = 191,81 kJ/kgmaka kalor yang dibuang oleh kondensor adalah :

Daya kondensor yang dibutuhkan untuk membuang kalor tersebut adalah :

Kerja pompa dapat dihitung dengan rumus :

Kerja pompa dapat dihitung dengan rumus :

ν = volume jenis air pada tekanan 0,1 bar = 0,00101 m3/kgp4 = tekanan air keluar pompa = tekanan boiler (proses ideal tidak ada rugi-rugi tekanan)

maka p4 = p1 = 400 bar = 40 Mpa.p3 = tekanan air masuk pompa = tekanan air keluar kondensor, untuk proses ideal tidak

ada rugi-rugi tekanan sehingga p3 = 0,1 bar = 10 kPa

maka kerja pompa :

Bila aliran massa air yang dipompa 100 kg/s maka daya yang diperlukan oleh pompaadalah:

Daya netto siklus :

Kalor yang masuk ke sistem (qin) dapat dihitung :

h1 = entalpi uap panas lanjut keluar dari boiler = 3139,4 kJ/kgh4 = entalpi air keluar pompa yang besarnya

= entalpi air masuk pompa + kerja pompa,maka h4= 191,81 + 40,3899

= 232,1999 kJ/kgmaka kalor yang masuk ke sistem adalah :

Daya yang dihasilkan Boiler : PB = 2900,2 kJ/kg x 100 kg/s = 290.020 kW = 290,02 MW

Efisiensi termodinamika siklus adalah :

Dari hasil perhitungan dapat dilihat hanya 37,37 % dari daya yang diberikan ke dalamboiler yang dapat diubah menjadi energi mekanis, sisanya hilang atau dibuang ke alammelalui kondensor dan ada sebagian kecil yang digunakan untuk mengerakan pompa.

Soal 1a. Sebuah turbin uap, tiap menit dialirkan 50 kg Uap dengan panas jatuh 130

kkal/kg, volume jenis yang masuk 0.85 m3/kg, Luas lubang masuk 0.95dm2. Uap mengembang dan pada saluran keluran volume jenisnya 0.165m3/kg, luas lubang keluar 18 cm2. Koefisien kecepatan 85 Tentukankecepatan masuk dan keluar!

b. Sebuah turbin dengan pipa pemancar konvergen dialiri uap dengan panasjatuh 135 kkal/kg, produk uap 1850 kg/jam, volume jenis 0.175 m3/kg ,koefisien kecepatan 0.95.Tentukan• Kecepatan Uap keluar teoritis dan praktis• Luas lubang keluar• Kerugian panas pada pipa pemancar.

Soal 2Turbin satu tingkat tekanan dan satu tingkat kecepatan dengan ketentuan:Menggunakan pipa pemancar konvergen dengan produk Uap 28000 kg/jam, lubang masuk pipasilindris dengan diameter masuk 0.125 m, volume jenis yang masuk 0.3 m3/kg, diameter lubang keluar0.075 m, volume jenis keluar 1.75 m3/kg.Tekanan Uap masuk 12 kg/cm2. Kecepatan keliling= ½kecepatan mutlak praktis. Koefisien kecepatan pada pipa pemencar dan sudu jalan 0.9. sudut alpha satu= 20 0.Tentukan:1. Kecepatan mutlak masuk dan keluar.2. Panas jatuh yang terjadi3. Lukis diagram segitiga kecepatan.4. Lukis profil sudu5. Dengan bantuan table Uap atau table molier , Lukislah diagram P-C.

THANK YOU