03 mfl analisis mesin turbo(1)

M Zahri Kadir Teknik Mesin FT Unsri

1

MESINTURBO

Dosen Pengampu:M. Zahri Kadir

Jurusan Teknik MesinFakultas Teknik UNSRI

M Zahri Kadir Teknik Mesin FT Unsri

2

o Apakah Mesin Fluida itu ? Mesin yang mengtransfer energi mekanik (work) ke fluida atau sebaliknya. Energi fluida ke energi mekanik (poros mesin)

o Mesin fluida secara umum digolongkan dua jenis, Positive displacement (Static) dan Dynamic

o Positive displacement machines, transfer energi dilakukan melalui perubahan volume/perpindahan batas sistem fluida yang berada dalam suatu ruang tertutup.

o Dynamic machines atau Mesinturbo , transfer energi dilakukan melalui sebuah rotor langsung ke atau dari sejumlah aliran massa fluida (fluida tidak berada dalam ruang tertutup).

o Pompa Sentrifugal adalah mesinturbo yang mengtransferkan energi dari sebuah rotor (impeller) ke fluida liquid.

o Termasuk mesinturbo adalah turbin dan kompressor sentrifugal. Turbin mengtransferkan energi dari fluida ke rotor, dan kompressor sentrifugal mengtransferkan energi dari rotor ke fluida.

o Mesinturbo –mesinturbo mempunyai hubungan dasar yang sama yaitu: hukum Newton kedua –gerak dan persamaan energi Euler.

Pendahuluan dan Klasifikasi Mesin Fluida

M Zahri Kadir Teknik Mesin FT Unsri

3

Fluid Machinery

Positive Displacement/Static Turbomachines/Dynamic

Berdasarkan Arah transfer Energi

Dilakukan kerja terhdap fluidaPump, fan, blower,

compressor

Fluida melakukan kerja Hydraulic Turbine,

Wind/Gas/Steam Turbine

Radial-Flow (Centrifugal) Axial-FlowMixed-Flow

Berdasarkan Arah lintasan aliran (saat fluida melalui sudu/rotor )

RotaryGear, Vane, Cam and piston, Screw, Lobe

ReciprocatingDirect acting, Diaphragm, Rotary piston

Klasifikasi Mesin Fluida

M Zahri Kadir Teknik Mesin FT Unsri

4

Contoh Mesin Positive displacement

GEAR PUMP

X

r0o

180o

90o

270o

360o

x

V

RECIPROCATING PUMP

M Zahri Kadir Teknik Mesin FT Unsri

5

Contoh Mesin Dynamic

CENTRIFUGAL PUMP

M Zahri Kadir Teknik Mesin FT Unsri

6

Centrifugal fan (Radial-flow)

Transfer Energi pada Mesinturbo

Tabung alir

sW

Energi Kinetik fluida dikonversikan menjadi Kerja out poros

12

Aliran fluida

Fluida melakukan kerja pada Mesin.(Energi fluida diambil/ diserap)

Aliran fluida

1

2

Aliran fluida Energi tinggi

Aliran fluida Energi rendah

Aliran Fluida Energi rendah

Aliran fluida energi tinggi

Energi ditambahkan ke fluida oleh kerja input poros

sW

Mesin melakukan Kerja pada Fluida (Energi fluida ditambah)

M Zahri Kadir Teknik Mesin FT Unsri

7

Fluida melakukan kerja pada Mesin.Mesin melakukan Kerja pada Fluida[ Winput poros] [ Woutput poros ]

Mesinturbo

M Zahri Kadir Teknik Mesin FT Unsri

8

Klasifikasi mesinturbo berdasarkan arah lintasan aliran fluida

M Zahri Kadir Teknik Mesin FT Unsri

9

Diagram skematikMesinturbo jenis aliran-sentrifugal

Centrifugal pump Centrifugal blower Centrifugal compressor

M Zahri Kadir Teknik Mesin FT Unsri

10

Diagram skematikMesinturbo jenis axial-flow dan mixed-flow

axial-flow compressor stage mixed-flow pump stage

M Zahri Kadir Teknik Mesin FT Unsri

11

Multiple-stage axial-flow compressor rotor for a gas turbine

M Zahri Kadir Teknik Mesin FT Unsri

12

[Machines for Extracting Work (Power) from a Fluid]

Impulse turbine (Pelton wheel)

Reaction turbine(Francis type)

Propeller turbine(Kaplan type)

Diagram skematikJenis Turbin Air (Hydraulic turbine)

M Zahri Kadir Teknik Mesin FT Unsri

13

Steam turbine rotorPelton wheel Wind turbine

Machines for Extracting Work (Power) from a Fluid

M Zahri Kadir Teknik Mesin FT Unsri

14

Hydraulic Power Jumlah aktual energi mekanik (mechanical energy = me), yang fluida terima atau serahkan saat mengalir dari inlet 1 ke exit 2

Hydraulic Power

12

)()(:PowerHydraulic 12

AA

mdmemdmeMEME

2

2

1v Vgzpme

Energi massa fluida:Pv = flow energygz = potential energy.1/2 V2 = kinetic energy

1 2 12 MEME

Recall: Hydraulic Power ( Daya Hidraulik) dan Shaft Power (Daya poros)

mefluida = P/ρ + gz + V2/2 ..(J/kg)

H = Hstatik + Hdinamik

P/ɤ + z = Hstatik

V2/2g = Hdinamik

dimana:

H = P/ρg + z + V2/2g ...(m)H = P/ɤ + z + V2/2g ...(m kolom Fluida)

: g

Energi Fluida dalam satuan Head :

Energi alir massa fluida:

TWporos

1 2

outWporosoutW ,

Kerja output

1 2

inWporosinW ,

Kerja input

fluidaME

M Zahri Kadir Teknik Mesin FT Unsri

15

Analisis Mesinturbo• Prinsip Momentum sudut

Terapkan ke Control Volume:

• abaikan torsi gaya permukaan, rxFs

• abaikan torsi gaya bodi, r x рg.dV

• asumsi aliran stedi, / t =0

Didapat:

Untuk aliran seragam pada seksi 1 & 2 :

Dalam bentuk skalar:

M Zahri Kadir Teknik Mesin FT Unsri

16

Torsi mesin

...Pers Mesinturbo Euler

r1

1V

2V

sT

1

22U

1U

dalam bentuk skalar:

V1 = kecepatan absolut fluida masuk Volume KendaliV2 = kecepata absolut fluida keluar Volume KendaliVt1 = kecepatan tangensial fluida masuk Volume KendaliVt2 = kecepata tangensial fluida keluar Volume Kendali r = vektor posisi, |r|=radius rotorm = laju aliran massa melalui volume kendali

[Torsi yang bekerja pada volume kendali sama dengan perubahan momentum sudut fluida]

M Zahri Kadir Teknik Mesin FT Unsri

17

Daya Mekanik:

Head Teoritis:Daya per unit berat fluida :

dimana: U = rU = kecepatan sudu/ rotor, m/sr = radius rotor = kecepatan sudut rotor, rad/s

r1 1V

2V

sT

1

2

1U

2U

r2

r1

M Zahri Kadir Teknik Mesin FT Unsri

18

• Diagram kecepatanMenggambarkan komponen-komponen kecepatan fluida pada penampang masuk dan keluar rotor.

U = kecepatan sudu/rotorVrb = kecepatan relatif fluida

terhadap sudu b = sudut sudu (arah Vrb )V = kecepatan absolut fluida = Vrb + UVt = kecepatan absolut

tangensial fluidaVn = kecepatan absolut

normal (radial) fluidaα = sudut arah kecepatan

absolut fluida

(rad/s) N 2

(m/s) Nr 2

etik)(putaran/d rev/s

U

N

rU

UVV rb

Komponen kecepatan pada inlet Komponen kecepatanpada outlet

M Zahri Kadir Teknik Mesin FT Unsri

19

Analisis Turbomesin• Contoh: Pompa Sentrifugal Ideal

Mengabaikan Torsi gaya-gaya permukaan (viskos dan tekanan).

Aliran Inlet dan exit, tangensial terhadap sudu. Aliran seragam pada inlet dan exit.

Pada turbomesin aktual tidak mematuhi/sesuai engan semua asumsi ini , sehingga hasil analisis ideal ini mempresentasikan batas atas performansi mesin aktual.

M Zahri Kadir Teknik Mesin FT Unsri

20

CONTOH 1Aplikasi pers turbomesin Euler pada pompa sentrifugal idealSebuah pompa sentrifugal digunakan memompa 150 gpm air. Air masuk impeller secara aksial melalui diameter inlet 1.25 in. Diameter outlet impeller 4 in. Aliran keluar impeller 10 ft/s relatif terhadap sudu dengan arah aksial. Kecepatan impeller 3450 rpm.Tentukan: a). Lebar impeller exit, b2

b). Torsi inputc). Daya.

M Zahri Kadir Teknik Mesin FT Unsri

21

R1= 0,625 in

Diketahui: Aliran seperti pada bambar:

• Vr2 = 510 ft/s• Q = 5150 gpm:

Ditanya: (a) b2.(b) Tporos

(c) Wm.Solusi:

Terapkan persamaan turbomesin Euler untuk volume kendali tetap.Asumsi:

(1) Abaikan torsi ditimbulkan oleh gaya bodi dan gaya permukaan.(2) Aliran stedi(3) Aliran seragam pada penampang inlet dan outlet.(4) Aliran inkompressibel.

Pers Kekekalan massa (kontinyuitas):

M Zahri Kadir Teknik Mesin FT Unsri

22

Untuk aliran inlet aksial kecepatan tangensial Vt1 = 0, dan untuk sudu exit radial Vt2 = R2ω, maka pers menjadi:

Torsi:

Dimana: m =ρQ (pers kontinuitas).

M Zahri Kadir Teknik Mesin FT Unsri

23

Daya mekanik (Power):

M Zahri Kadir Teknik Mesin FT Unsri

24

• Performansi dan Daya HidraulikUntuk Mesin yang melakukan kerja pada fluida (pompa)

Daya Hidraulik:

Efisiensi Pompa:

dimana:

M Zahri Kadir Teknik Mesin FT Unsri

25

• Performansi dan Daya HidraulikUntuk Fluida yang melakukan kerja pada Mesin (turbin)

Daya Hidraulik:

Efisiensi Turbin:

dimana:

M Zahri Kadir Teknik Mesin FT Unsri

26

• Analisis Dimensional dan Specific Speed

Flow Coefficient:

Head Coefficient:

Power Coefficient:

Parameter-parameter mesinturbo (Debit aliran, Head, Daya) dikelompokkan dalam bentuk koeffisien-koeffisien tanpa dimensi, yang dapat digunakan dan memberikan gambaran untuk pemilihan sebuah tipe mesin, merancang model uji, dan hasil-hasil pengskalaan.

Torque Coefficient:

M Zahri Kadir Teknik Mesin FT Unsri

27

Specific Speed:

Specific Speed(Customary Units):

Specific Speed(Customary Units):

M Zahri Kadir Teknik Mesin FT Unsri

28

M Zahri Kadir Teknik Mesin FT Unsri

29

M Zahri Kadir Teknik Mesin FT Unsri

30

CONTOH 2KOMPARASI DEFINISI DARI SPECIFIC SPEED

Pada best efficiency point (BEP) sebuah pompa sentrifugal dengan diameter impeller D = 8 in., menghasilkan H = 21.9 ft pada Q = 300 gpm dengan N = 1170 rpm. Hitunglah specific speed pompa tersebut menggunakan: U.S. customary units, SI units (rad/s, m3/s, m2/s2), European units (rev/s, m3/s, m2/s2). Tentukanlah faktor konversi relasi antara ketiga specific speed.

Diket: Pompa sentrifugal pada best efficiency point (BEP). Asumsi karakteristik pompa adalah H = 21.9 ft, Q = 300 gpm, dan N =1170 rpm.

Tentukan: (a) The specific speed in U.S. customary units.(b) The specific speed in SI units.(c) The specific speed in European units.(d) Faktor konversi relasi specific speed.

Solution:

M Zahri Kadir Teknik Mesin FT Unsri

31

Specific speed in U.S. customary units:

Konversi ke satuan SI (SI unit):

energi per satuan massa

Specific speed in SI units:

M Zahri Kadir Teknik Mesin FT Unsri

32

Konversi satuan kecepatan operasi dari rpm ke hertz:

Specific speed in European units

Hubungan specific speed, dalam bentuk ratio:

This problem demonstrates the use of

“engineering” equations to calculate

specific speed for pumps from each of

three commonly used sets of units and

to compare the results.