Sturbin tim mengubah energi kinetik/energi tekanan menjadi energi mekanik; ini digunakan untuk produksi listrik dengan menghubungkan turbin dengan generator.
Efisiensi turbin uap praktis bervariasi dengan ukuran turbin, jenis, dan kerugian gesekan. Meskipun nilai maksimumnya mencapai 50% untuk turbin 1200MW, turbin kecil memiliki efisiensi yang lebih rendah. Efisiensi turbin uap dimaksimalkan dengan mengembangkan uap dalam tahap yang berbeda, bukan satu tahap.
Turbin impuls dan reaksi adalah dua jenis turbin uap; efisiensi turbin ini bervariasi. Bagian yang akan datang menjelaskan persamaan efisiensi.
Rumus efisiensi turbin uap
Banyak parameter mengontrol uap turbin efisiensi. Turbin uap dilengkapi dengan nozzle/stator dan rotor. Oleh karena itu, efisiensi masing-masing komponen mempengaruhi efisiensi turbin.
Rumus dasar untuk menghitung efisiensi turbin adalah
Efisiensi = Kerja yang dilakukan pada turbin/energi kinetik masukan uap
Pertama, mari kita definisikan beberapa efisiensi.
Efisiensi pisau
Efisiensi pisau didefinisikan sebagai, Perbandingan usaha yang dilakukan pada sudu dibagi dengan energi kinetik masukan.
Efisiensi nosel
Setiap tahap turbin impuls dilengkapi dengan nosel dan sudu. Oleh karena itu, efisiensi keseluruhan dipengaruhi oleh efisiensi nozzle,
Efisiensi nosel didefinisikan sebagai; rasio energi kinetik keluaran dari nosel dengan perbedaan entalpi masuk dan keluar uap.
Efisiensi panggung
Efisiensi keseluruhan dari kombinasi tahap nozzle dan blade dikenal sebagai efisiensi tahap.
Efisiensi stage diperoleh dengan mengalikan efisiensi blade dengan efisiensi nozzle.
Efisiensi isentropik
Efisiensi isentropik adalah efisiensi termodinamika. Ini juga dikenal sebagai efisiensi hukum ke-2 turbin.
Efisiensi isentropik adalah perbandingan kerja aktual yang dihasilkan turbin dengan kerja maksimum yang mungkin dihasilkan jika proses isentropik ideal telah terjadi.
Efisiensi turbin impuls
Turbin impuls memanfaatkan energi kinetik uap dan mengubahnya menjadi energi mekanik. Energi tekanan uap diubah menjadi energi kinetik dengan bantuan nozzle sebelum memasuki sudu-sudu rotor pada turbin impuls.
Efisiensi akhir dari satu tahap, yaitu satu nosel dan set sudu turbin uap impuls, diberikan sebagai,
[lateks] \begin{align} \mathbf{ Stage\;\; efisiensi = nosel\;\; efisiensi \times blade\;\; efisiensi} \end{align}[/lateks]
[lateks]\begin{align} \mathbf{ \eta = \eta_n \times \eta_b} \end{align}[/latex]
Dimana efisiensi pisau,
[lateks]\begin{align} \mathbf{\eta_b = \frac{2U\Delta V_w}{V_1^2} }\end{align}[/latex]
Dimana, U adalah kecepatan sudu, V1 adalah kecepatan uap masuk dari nozzle dan Vw adalah perbedaan antara komponen pusaran kecepatan masuk dan kecepatan keluar
Dan efisiensi Nosel adalah,
[lateks]\begin{align} \mathbf{ \eta_n = \frac{V_1^2}{2(h_1-h_2)}} \end{align}[/latex]
Dimana, h1 dan H2 adalah entalpi masuk dan keluar uap masing-masing.
Mari kita lakukan analisis rinci efisiensi panggung,
Segitiga kecepatan turbin impuls diberikan di bawah ini.
Pada gambar, uap masuk dari atas dan keluar melalui bagian bawah.
Vr adalah kecepatan relatif uap
V adalah kecepatan mutlak uap
Vw adalah komponen pusaran kecepatan uap dan Vf adalah komponen aliran kecepatan uap.
U adalah kecepatan sudu
adalah sudut baling-baling pemandu dan adalah sudut sudu
Akhiran 1 dan 2 masing-masing mewakili inlet dan exit.
Komponen pusaran membantu memutar sudu dan komponen aliran membantu aliran uap di atas turbin. Oleh karena itu, momentum dibuat dalam arah rotasi sudu karena perbedaan komponen pusaran. Menerapkan hukum momen momentum memberikan
[lateks] \begin{align} Torsi = m(r_1V_{w1}-r_2(-V_{w2})) \end{align} [/latex]
R1=r2=r untuk turbin impuls.
Karenanya,
[lateks] \begin{align} T = mr\Delta V_w \end{align} [/latex]
Sekarang,
[lateks] \begin{align} Power = T \times \omega \end{align} [/latex]
[lateks] \begin{align} P_{out} = mr \Delta V_w \times \frac{U}{r} = mU \Delta V_w \end{align} [/latex]
[lateks] \begin{align} Inlet \; \; daya = Kinetik \; \; energi \; \; \; dari \; steam =\frac{1}{2}mV_1^2 \end{align} [/latex]
Oleh karena itu efisiensi bilah akhir adalah
[lateks] \begin{align} \eta_b =\frac{mU\Delta V_{w}}{\frac{1}{2}mV_1^2} \end{align} [/latex]
[lateks] \begin{align} \eta_b =\frac{2U\Delta V_{w}}{V_1^2} \end{align} [/latex]
Mengganti efisiensi blade dan efisiensi nozzle dalam persamaan efisiensi panggung,
[lateks] \begin{align} \eta_s=\eta_b \eta_n = \frac{U \Delta V_w}{h_1-h_2} \end{align} [/latex]
Sekarang mari kita cari tahu Vw,
[lateks] \begin{align} \Delta V_w = V_{w1}-(-V_{w2} ) \end{align} [/latex]
[lateks] \begin{align} \Delta V_w = V_{w1}+V_{w2} \end{align} [/latex]
Dari segitiga kecepatan,
[lateks] \begin{align} V_{w1}=V_{r1} karena \beta_1+U\end{align}[/latex]
[lateks] \begin{align} V_{w2}=V_{r2} cos \beta_2-U \end{align} [/latex]
Menggantikan ini memberi,
[lateks] \begin{align} \Delta V_{w}=V_{r1} cos \beta_1\left ( 1+\frac{V_{r2} cos \beta_2}{V_{r1} cos \beta_1} \right ) \end{selaras} [/lateks]
[lateks] \begin{align} \Delta V_{w}=V_{r1} cos \beta_1\left ( 1+ck \right ) \end{align} [/latex]
Dimana,
[lateks] \begin{align} k= \frac {V_{r1}}{V_{r2}} \;\;\;\; dan \;\;\;\; c = \frac{cos \beta_2}{cos \beta_1} \end{align} [/latex]
Menerapkan Vw pada persamaan efisiensi sudu,
[lateks] \begin{align} \eta_b=\frac{2UV_{r1} cos \beta_1\left ( 1+ck \right )}{V_1^2} \end{align} [/latex]
Dari segitiga kecepatan,
[lateks] \begin{align} \eta_b=\frac{2U(V_1 cos\alpha_1-U)\left ( 1+ck \right )}{V_1^2} \end{align} [/latex]
[lateks] \begin{align} \eta_b=2\frac{U}{V_1}\left( cos\alpha_1-\frac{U}{V_1}\right) ( 1+ck ) \end{align} [/ getah]
k adalah rasio kecepatan relatif, untuk sudu halus sempurna, k = 1 dan sebaliknya, k kurang dari 1.
Membedakan persamaan efisiensi terhadap U/V1 dan menyamakan dengan nol memberikan kriteria efisiensi turbin maksimum. U/V1 dikenal sebagai rasio kecepatan blade.
Efisiensi Turbin reaksi
Mari kita menganalisis efisiensi turbin reaksi dengan menganalisis yang paling umum digunakan Turbin reaksi Parson.Derajat reaksi turbin parson adalah 50%. Rotor dan stator simetris dan segitiga kecepatan serupa.
Persamaan efisiensi sudu akhir Turbin Parson diberikan di bawah ini,
[lateks] \begin{align} \mathbf{ \eta_b=\frac{2U(2V_1cos \alpha_1-U)}{V_1^2-U^2+2V_1Ucos \alpha_1}} \end{align} [/latex]
Turbin reaksi menggunakan gaya reaksi untuk menghasilkan tenaga. Aliran uap di atas stator, stator itu sendiri bertindak sebagai nozzle konvergen. Aliran ke rotor dikendalikan oleh baling-baling tetap yang dikenal sebagai stator. Pada turbin impuls tekanan tetap konstan saat uap mengalir di atas rotor, namun pada turbin reaksi tekanan turun sementara uap mengalir di atas rotor.
Mari kita turunkan persamaan efisiensi.
Gambar menunjukkan segitiga kecepatan turbin reaksi Parson.
Dalam turbin reaksi, tujuan utamanya adalah untuk mengetahui energi total yang disuplai oleh uap.
Dalam kasus turbin reaksi, energi disuplai dalam bentuk energi tekanan juga, tambahan untuk energi kinetik. Oleh karena itu, persamaan energi masukan mencakup istilah energi kinetik dan energi tekanan. Istilah energi tekanan dapat direpresentasikan dengan perubahan kecepatan relatif total.
Akhirnya, total energi input
Dalam turbin reaksi, tujuan utamanya adalah untuk mengetahui energi total yang disuplai oleh uap.
Dalam kasus turbin reaksi, energi disuplai dalam bentuk energi tekanan juga, tambahan untuk energi kinetik. Oleh karena itu, persamaan energi masukan mencakup istilah energi kinetik dan energi tekanan. Istilah energi tekanan dapat direpresentasikan dengan perubahan kecepatan relatif total.
Akhirnya, total energi input
[lateks] \begin{align} masukan \;\; energi =\frac{V_1^2}{2}+\frac{V_{r2}^2-V_{r1}^2}{2} \end{align} [/latex]
Untuk turbin parson, V1 = Vr2, V2 = Vr1, α1=β2 dan α2=β1
Menerapkan kondisi ini,
[lateks] \begin{align} masukan \;\; energy =\frac{V_1^2}{2}+\frac{V_{1}^2-V_{r1}^2}{2} \end{align} [/latex]
[lateks] \begin{align} masukan \;\; energi = {V_1^2}-\frac{V_{r1}^2}{2} \end{align} [/lateks]
Dari segitiga kecepatan input, menerapkan aturan Cosinus,
[lateks] \begin{align} V_{r1}^2=V_1^2+U^2-2V_1Ucos \alpha_1 \end{align} [/latex]
Oleh karena itu, persamaan energi input menjadi,
[lateks] \begin{align} masukan \;\; energi = {V_1^2}-\frac{V_1^2+U^2-2V_1Ucos \alpha_1}{2} \end{align} [/latex]
[lateks] \begin{align} masukan \;\; energi = \frac{V_1^2-U^2+2V_1Ucos \alpha_1}{2} \end{align} [/latex]
Usaha yang dilakukan mirip dengan turbin impuls,
[lateks] \begin{align} workdone= U \Delta V_w \end{align} [/latex]
[lateks] \begin{align} U \Delta V_w=U(V_{w1}+V_{w2} ) \end{align} [/latex]
[lateks] \begin{align} U \Delta V_w=U(V_{1}cos \alpha_1+V_{2}cos \alpha_2 ) \end{align} [/latex]
[lateks] \begin{align} U \Delta V_w=U(V_{1}cos \alpha_1+V_{r1}cos \beta_1 ) \end{align} [/latex]
Dimana,
[lateks] \begin{align} V_{r1}cos \beta_1 = V_1 cos \alpha_1-U \end{align} [/latex]
Karenanya,
[lateks] \begin{align} U \Delta V_w=U(V_{1}cos \alpha_1+V_1 cos \alpha_1-U) \end{align} [/latex]
Akhirnya, ,
[lateks] \begin{align} U \Delta V_w=U(2V_{1}cos \alpha_1-U) \end{align} [/latex]
Oleh karena itu persamaan efisiensi,
[lateks] \begin{align} \eta_b=\frac{2U(2V_1cos \alpha_1-U)}{V_1^2-U^2+2V_1Ucos \alpha_1} \end{align} [/latex]
Kondisi untuk efisiensi maksimum turbin uap
Itu selalu lebih baik untuk mengoperasikan turbin dalam efisiensi maksimum.
Dengan menganalisis persamaan efisiensi yang dijelaskan di atas, variabel yang dapat kita ubah adalah U/V1 , maka dengan membedakan persamaan sehubungan dengan U/V1 dan menyamakannya dengan nol menghasilkan kondisi untuk efisiensi maksimum.
Kondisi untuk efisiensi maksimum turbin impuls
Persamaan untuk efisiensi maksimum turbin impuls adalah,
[lateks] \begin{align} \mathbf{ \eta_b=\frac{cos^2 \alpha_1}{2}(1+ck)}\end{align}[/latex]
Sekarang, mari kita turunkan persamaan untuk efisiensi maksimum.
Persamaan efisiensi sudu turbin impuls adalah,
[lateks] \begin{align} \eta_b=2\frac{U}{V_1}\left( cos\alpha_1-\frac{U}{V_1}\right) ( 1+ck )\end{align}[/ getah]
Membedakannya sehubungan dengan , Untuk penyederhanaan mari kita ambil = U/V1
Karenanya,
[lateks] \begin{align} \frac{d \eta_b}{d \rho}=2(1+ck)\left[\left(cos \alpha_1-\frac{U}{V_1} \right )-\ frac{U}{V_1} \kanan ]\end{align}[/lateks]
Persamaan ke nol memberikan,
[lateks] \begin{align} 2(1+ck)\left[\left(cos \alpha_1-\frac{U}{V_1} \right )-\frac{U}{V_1} \right ] = 0\ akhir{selaras}[/lateks]
[lateks] \begin{align} \frac{U}{V_1} = \frac{cos \alpha_1}{2}\end{align}[/latex]
Ini adalah kondisi untuk efisiensi maksimum.
Menerapkan kondisi ini ke persamaan efisiensi menghasilkan efisiensi blade maksimum.
[lateks] \begin{align} \eta_b=2\frac{cos \alpha_1}{2}\left( cos\alpha_1-\frac{cos \alpha_1}{2}\right) ( 1+ck )\end{ rata}[/lateks]
[lateks] \begin{align} \eta_b=\frac{cos^2 \alpha_1}{2}( 1+ck )\end{align}[/latex]
Jika sudu-sudunya sama sisi,1=β2, maka c = 1, dan untuk bilah halus k=1.
Akhirnya, efisiensi maksimum turbin impuls dengan sudu halus yang sama adalah,
[lateks] \begin{align} \eta_b={cos^2 \alpha_1}\end{align}[/latex]
Kondisi untuk efisiensi maksimum turbin reaksi
Persamaan untuk efisiensi maksimum turbin reaksi parson adalah,
[lateks] \begin{align} \mathbf{ \eta_{b,max}=\frac{2cos^2 \alpha_1}{1+cos^2 \alpha_1}}\end{align}[/latex]
Sekarang, mari kita turunkan persamaannya.
Persamaan efisiensi turbin reaksi Parson adalah,
[latex] \begin{align} \eta_b=\frac{2U(2V_1cos \alpha_1-U)}{V_1^2-U^2+2V_1Ucos \alpha_1}\end{align}[/latex]
Mari kita ambil =U/V1
Kemudian,
[lateks] \begin{align} \eta_b=\frac{2 \rho(2cos \alpha_1- \rho)}{1-\rho^2+2 \rho cos \alpha_1}\end{align}[/latex]
Membedakan ini sehubungan dengan
[lateks] \begin{align} \frac{d\eta_b}{d \rho}=\frac{(1-\rho^2+2 \rho cos \alpha_1)(2(2cos \alpha_1- \rho)- 2 \rho)-2 \rho(2cos \alpha_1 – \rho)(-2 \rho+2cos \alpha_1)}{(1-\rho^2+2 \rho cos \alpha_1)^2}\end{align }[/getah]
Menyamakan persamaan di atas dengan hasil nol,
[lateks] \begin{align} \rho = cos \alpha_1\end{align}[/latex]
Menerapkan ini pada persamaan efisiensi menghasilkan efisiensi maksimum,
[lateks] \begin{align} \eta_{b,max}=\frac{2cos^2 \alpha_1}{1+cos^2 \alpha_1}\end{align}[/latex]
Kurva efisiensi turbin uap
Kurva antara dan adalah kurva efisiensi.
Kurva efisiensi untuk turbin impuls halus sama sudut untuk =20o ditunjukkan di bawah ini,
Tkurva efisiensi turbin reaksi parson untuk α = 20o ditunjukkan di bawah ini,
Faktor yang mempengaruhi efisiensi turbin uap
Sekarang, kita dapat dengan mudah menghilangkan faktor-faktor yang mempengaruhi turbin uap dengan melihat persamaan efisiensi.
Faktor-faktor yang mempengaruhi turbin uap,
- Sudut bilah (α1)
- Kecepatan uap masuk (V1)
- Kehalusan sudu turbin (k)
- Sudut bilah pada rotor.
- Kecepatan pisau (U)
Efisiensi termal turbin uap
Pembangkit listrik tenaga uap didasarkan pada siklus Rankine. Oleh karena itu, efisiensi pabrik dihitung berdasarkan siklus Rankine
Efisiensi termal pembangkit listrik turbin uap didefinisikan sebagai,
[lateks]\begin{align} \mathbf{\eta= \frac{(Turbin\;\; work-Pump\;\; work)}{(Panas\;\; ditambahkan)}}\end{align}[ /getah]
Gambar tersebut menunjukkan siklus Rankine yang ideal, dari gambar tersebut efisiensi termal dapat dihitung sebagai,
[latex]\begin{align}\eta= \frac{(h_3-h_4)-(h_2-h_1)}{(h_3-h_2)}\end{align}[/latex]
Bagaimana cara menghitung efisiensi turbin uap?
Efisiensi adalah perbandingan antara usaha yang diperoleh dengan usaha yang diberikan.
Efisiensi turbin uap dapat dihitung dengan mengukur besarnya kerja yang dihasilkan turbin terhadap besarnya energi yang disuplai. Energi yang disuplai tergantung pada masukan uap, dan daya keluaran tergantung pada turbin.
Persamaan untuk menghitung efisiensi turbin dijelaskan pada bagian sebelumnya.
Di pembangkit listrik tenaga uap, kami menghitung efisiensi dengan menghitung rasio jumlah listrik yang dihasilkan dengan energi yang setara dengan bahan bakar yang dibakar. Efisiensi pembangkit uap tergantung pada masing-masing komponen, yang meliputi turbin uap, boiler, pompa, generator listrik, dll.
Bagaimana cara meningkatkan efisiensi turbin uap?
Metode untuk meningkatkan efisiensi turbin uap adalah,
- Memperbaiki desain bilah turbin.
- Minimalkan gesekan yang hilang.
- Meningkatkan kecepatan uap, dicapai dengan mengoptimalkan suhu dan tekanan uap.
- Meminimalkan kebocoran uap di turbin
Untuk posting lebih lanjut tentang Teknik Mesin, silakan ikuti kami Halaman mekanis
