1.

Pendahuluan: DimensiAnalisis Dasar Termodinamikadan Mekanika Fluida

1.1 PENGANTAR MESIN TURBO

Sebuah mesin turbo adalah perangkat di mana transfer energi terjadi antara fluida yang mengalirdengan putaran elemen karena aksi dinamis, dan hasil dalam perubahan tekanandan momentum dari cairan. Transfer energi mekanik terjadi di dalam atau di luardari mesin turbo, biasanya dalam proses aliran tetap. Mesin Turbo mencakup semuamesin-mesin yang menghasilkan listrik, seperti turbin, serta jenis-jenis yangmenghasilkan ketinggian(head) atau tekanan, seperti pompa sentrifugal dan kompresor.Mesin turbo mengeluarkan energi atau menghasilkan energi untuk meneruskan pergerakanaliran fluida. Tetapi dalam mesin perpindahan positif, adalah berselang.

Mesin turbo seperti dijelaskan di atas mencakup berbagai mesin,seperti turbin gas, turbin uap, pompa sentrifugal, sentrifugal dan aliran aksialkompresor, kincir angin, kincir air, dan turbin hidrolik. Dalam teks ini, kitaharus berurusan dengan mesin aliran mampat dan kompresibel cairan

1.2 JENIS DARI MESIN TURBO

Ada berbagai jenis mesin turbo. Mereka dapat diklasifikasikan sebagai:

1. Mesin turbo di mana (i) pekerjaan dilakukan oleh fluida dan (ii) pekerjaandilakukan pada fluida.

Nama : IRWANDI ZANim : 1004102010069Mata Kuliah : Mesin Fluida

Gambar 1.1 Jenis dan bentuk mesin turbo.

Roda Pelton

Kompressor sentrifugal

Kaplan turbin Kipas aliran radial

Turbin Francis

Pompa aliran aksial

Pompa sentrifugal

Turbin uap

Kompressor aliran aksial

2. Mesin turbo di mana cairan bergerak melalui anggota berputar di arah aksial tanpa gerakan radial dari treamlines. Demikian Mesin ini disebut mesin aliran aksial sedangkan jika aliran dasarnya radial, itu disebut aliran radial atau mesin aliran sentrifugal. Beberapa mesin ditunjukkan pada Gambar. 1.1, dan foto-foto mesin yang sebenarnya ditunjukkan pada Gambar. 1.2-1.6. Dua poin utama akan akan diamati: yang pertama, bahwa unsur utama adalah rotor atau penggerak membawa sudu atau baling-baling; dan yang kedua, bahwa jalan dari cairan pada rotor dapat secara substansial aksial, radial substansial, atau dalam beberapa kasus kombinasi keduanya. Mesin turbo lebih lanjut dapat diklasifikasikan sebagai berikut:

Turbin: Mesin yang menghasilkan tenaga oleh ekspansi dariterus-menerus mengalirnya cairan ke tekanan yang lebih rendah atau ketinggian(head).

Pompa: Mesin yang meningkatkan tekanan atau dari ketinggian(head) mengalircairan.

Fans: Mesin yang memberikan tekanan naik kecil untukterus mengaliri gas, biasanya gas dapat menjadi mampat.

Gambar 1.2 Aliran radial fan rotor. (Courtesy of the Buffalo Forge Corp.)

Gambar 1.3 Rotor kompresor sentrifugal (impellar dua sisi yang besar di sebelah kanan adalah kompresor utama dan impellar satu sisi kecil merupakan tambahan untuk tujuan pendinginan). (Courtesy of Rolls-Royce. Ltd)

Gambar 1.4 Rotor pompa sentrifugal (impeller tipe terbuka). (courtesy dari Ingersoll-Rand Co.)

Gambar 1.5 multi tahapan aliran aksial kompresor rotor. (Courtesy dari Westinghouse Electric Corp)

Gambar 1.6 Rotor pompa aliran aksial. (Courtesy of Corp Worthington)

kompresor: mesin yang memberikan energi kinetik ke gas dengan mengompresi dan kemudian memungkinkan untuk cepat berkembang. Kompresor dapat berupa aliran aksial, sentrifugal, atau kombinasi dari kedua jenis, dalam rangka untuk menghasilkan kompresi udara tinggi. dikompresor dinamis, ini dicapai dengan memberikan energi kinetik ke udara di impeller dan kemudian energi kinetik ini diubah menjadi energi tekanan dalam diffuser.

1.3ANALISIS DIMENSIUntuk mempelajari karakteristik kinerja mesin turbo, sejumlah besarvariabel yang terlibat. Penggunaan analisis dimensional mengurangi variabel kejumlah kelompok dimensi yang mudah dikelola. Biasanya, sifat kepentingan dalammenganggap ke mesin turbo adalah output daya, efisiensi, dan ketinggian(head). kinerja mesin turbo tergantung pada satu atau lebih dari beberapa variabel.Ringkasan sifat-fisik dan dimensi yang diberikan dalam Tabel 1.1 untukreferensi.

Analisis dimensi diterapkan mesin turbo memiliki dua lebih pentingmenggunakan: (1) prediksi kinerja prototipe itu dari tes yang dilakukan pada skala

Tabel 1.1 Sifat fisik dan dimensi

Property Dimensi

Permukaan (Surface) L2

Volume L3

Kepadatan (Density) M/L3

Kecepatan (Velocity) L/TPercepatan (Acceleration) L/T2

Momentum ML/TGaya (Force) ML/T2

Energi Dan Kerja ML2/T2

Daya (Power) ML2/T3

Momen Inersia ML2

Kecepatan Sudut I/TPercepatan Sudut I/T2

Momentum Sudut ML2/TMomen (Torque) ML2/T2

Modul Elastisitas M/LT2

Tegangan Permukaan M/T2

Viskositas (Absolut) M/LTViskositas (Kinematik) L2/T

Model (perumpamaan), dan (2) penentuan jenis yang paling cocok dari mesin, atas dasar efisiensi maksimum, untuk kisaran tertentu dari ketinggian (head), kecepatan dan tingkat aliran. Diasumsikan di sini bahwa siswa telah memperoleh teknik dasar membentuk kelompok nondimensional.

1.4 DIMENSI DAN PERSAMAANVariabel yang terlibat dalam rekayasa dinyatakan dalam jumlah terbatas dari dimensi dasar. Untuk masalah teknik , dimensi dasar:

1. SI Sistem: massa, panjang, suhu dan waktu.2. Bahasa Inggris Sistem: massa, panjang, suhu, waktu dan tenaga.Para dirnensions tekanan dapat ditunjuk sebagai berikut

P= F

L2 (1.1)

Persamaan (1.1) berbunyi sebagai berikut: "Dimensi P sama dengan gaya perpanjang kuadrat "Dalam kasus ini., L2 merupakan karakteristik dimensi daerah. Sisi kiri tangan Eq. (1.1) harus memiliki dimensi yang sama seperti sisi tangan kanan.

1.5 THE BUCKINGHAM II TEOREMA

Pada tahun 1915, Buckingham menunjukkan bahwa jumlah berdimensi independen kelompok variabel (parameter berdimensi) diperlukan untuk menghubungkan diketahui variabel dalam suatu proses yang sama dengan n - m, dimana n adalah jumlah variabel terlibat dan m adalah jumlah parameter berdimensi termasuk dalam variabel. kira, misalnya, gaya drag F dari fluida yang mengalir melewati sebuah bola dikenal sebagai fungsi dari kecepatan (v) massa jenis (ρ) viskositas (μ) dan diameter (D). Kemudian kita memiliki lima variabel (F, v,-p, μ, dan D) dan tiga dasar dimensi ( L, F, dan T ) yang terlibat. Kemudian, ada 5−¿3 = 2 pengelompokan dasar variabel yang dapat digunakan untuk mengkorelasikan hasil eksperimen.

1.6 MESIN HIDRAULIKMempertimbangkan kontrol volume sekitar pompa melalui mana suatu mampat cairan arus ρ densitas pada laju aliran volume Q.

Karena aliran masuk pada satu titik dan daun pada titik lain volume laju aliran Q dapat mandiri disesuaikan. dengan cara katup throttle. Itu debit Q pompa diberikan oleh

Q = f (N , D , g , H , μ , ρ) (1.2)

di mana H adalah ketinggian(head), D adalah diameter impeller, g adalah percepatan gravitasi, ρ adalah densitas fluida, N adalah revolusi, dan μ adalah viscositas cairan.Dalam Persamaan. (1.2), dimensi utama hanya empat. Dengan N, D, dan ρ sebagai variabel berulang, kita dapatkan

II1=¿

M 0 L0T 0=(T−1 )a ( L )b(ML¿¿−3)c (L3T −1)¿

Untuk keseragaman dimensi, menyamakan daya M, L, dan T di kedua sisi persamaan: untuk M, 0 = c atau c = 0, untuk T, 0 =−¿a-1 atau a = −¿1, untuk L, 0 = b −¿3c + 3 atau b = −3.sehingga ,

II1=N−1 D3 ρ0Q= Q

ND3 (1.3)

MiripII2=¿

M 0 L0T 0=(T−1 )d ( L )e (ML¿¿−3)f (LT−2)¿ Sekarang, menyamakan eksponen: untuk M, 0 = f atau f = 0; untuk T, 0 = −d−2 atau d = −2; untuk L,0= e −¿3f + 1 atau e= −1demikian

II2=N−2 D−1 ρ0 g= g

N2 D (1.4)

Mirip

II3=¿

M 0 L0T 0=(T−1 )g ( L )h(ML¿¿−3)i(L)¿

Menyamakan eksponen: untuk M, 0 = i atau i = 0; untuk T, 0 = −¿g atau g = 0; untuk L, 0 = h – 3i + 1 atau h = −¿1.Demikian,

II3=N0 D−1 ρ0 H= HD

(1.5)

DanII4=¿

M 0 L0T 0=(T−1 ) j ( L )k (ML¿¿−3)l(MLT−1 T−1)¿

Menyamakan eksponen: untuk M, 0 ¿ l+1 atau l=−1; untuk T, 0 ¿− j−1 atau j=−1; untuk L, 0 = k−3 l−1 atau k=−2.

Demikian

II4=N−1 D−2 ρ−1 μ= μ

ND2 ρ (1.6)

Hubungan fungsional dapat ditulis dengan

f ( Q

ND3 ,g

N2 D,

HD

,μ

ND2 ρ )=0

Sejak produk dari dua istilah II tak berdimensi, sehingga mengganti istilah II2 dan II3 oleh

g h/ N2 D2

f ( Q

ND3 ,gh

N2 D2 ,μ

ND2 ρ )=0

Atau

Q=ND3f ( gh

N2 D2 ,μ

ND2 ρ )=0 (1.7)

Sebuah istilah tak berdimensi penting yang sangat besar yang dapat diperoleh dengan memanipulasi koefisien debit dan ketinggian (head) adalah kecepatan tertentu, didefinisikan oleh persamaan

N s=√ koefisien alirankoefisien ketinggian

=N √Q / (gH )3 /4 (1.8)

Ketentuan berikut tak berdimensi sedikit yang berguna dalam analisis aliran fluida mesin mampat:

1. Rasio koeffisien aliran dan kecepatan: istilah Q /(ND3) biasa disebut koefisien aliran atau

kapasitas spesifik dan menunjukkan laju aliran volume aliran cairan melalui mesin turbo bekerja Unit diameter, beroperasi pada kecepatan unit. Ini adalah konstan untuk rotor yang sama.

2. head koefisien: gH / N2 D 2 Istilah ini disebut head tertentu. Ini adalah energi kinetik cairan yang menyemburkan bawah head H dibagi dengan energi kinetik dari fluida berjalan pada kecepatan tangensial rotor. Sekarang konstan untuk impeler yang sama.

ψ=H /(U 2/ g)=gH /(π2 N2 D2) (1.9)

3. Daya koefisien atau tenaga tertentu: Jumlah berdimensi p/( ρ N 2 D2)disebut koefisien

daya atau tenaga tertentu. Itu menunjukkan hubungan antara daya, densitas fluida, kecepatan dan diameter roda.

4. kecepatan spesifik: Parameter yang paling penting cairan mampat mesin aliran kecepatan tertentu. Ini adalah istilah tidak dimensi. Udara mesin turbo beroperasi di bawah kondisi yang sama aliran dan head

memiliki kecepatan spesifik yang sama, terlepas dari ukuran fisik yang sebenarnyadari mesin kecepatan tertentu dapat dinyatakan dalam bentuk ini

N s=N √Q /( gH )3 /4=N √P /¿ (1.10)

Parameter spesifik kecepatan mengekspresikan variasi dari semua variabel N, Q dan H atau N, P dan H, yang menyebabkan aliran serupa di mesin turbo yang geometris serupa. Kecepatan spesifik diwakili oleh persamaan. (1.10) adalah Bebas dimensi kuantitas. Hal ini juga dapat dinyatakan dalam bentuk alternatif. ini adalah

N s=N √Q /H 3 /4 (1.11)

dan

N s=N √P /H 5 /4 (1.12)

Persamaan (1.11) digunakan untuk menentukan kecepatan spesifik pompa dan Persamaan. (1.12) digunakan untuk kecepatan tertentu turbin. Kecepatan turbin spesifik dapat didefinisikan sebagai kecepatan turbin geometris serupa, yang mengembangkan 1 hp di bawah head 1 meter air. Hal ini jelas bahwa Ns adalah jumlah dimensi. Dalam unit metrik, itu bervariasi antara 4 (untuk yang sangat tinggi roda pelton head) dan 1000 (untuk baling-baling head rendah pada turbin Kaplan).

1.7 BILANGAN REYNOLDS

bilangan Reynolds ditunjukkan oleh

ℜ=D2 N /v

dimana v adalah viskositas kinematik dari fluida. karena D2N jumlah sebanding dengan DV untuk mesin yang sama yang memiliki rasio kecepatan yang sama. Dalam mengalir melalui mesin turbo, namun parameter berdimensi D2 N /v tidak begitu penting karena resistensi kental sendiri tidak menentukan mesin Iosses. kerugian lain berbagai seperti yang mengejutkan karena pada awal, dampak, turbulensi, dan kebocoran mempengaruhi karakteristik mesin bersama dengan berbagai kerugian gesekan.

Pertimbangkan volume control sekitar turbin hidrolik dimana cairan mampat dari ρ kepadatan arus pada laju aliran volume Q, yang dikendalikan oleh katup. Perbedaan ketinggian di seberang volume kontrol H, dan jika volume control merupakan turbin diameter D, turbin mengembangkan kekuatan poros P pada kecepatan rotasi N. Persamaan fungsional mungkin ditulis sebagai

P=f (ρ , N ,μ , D ,Q ,gH ) (1.13)