Pertimbangan Energi Dasar
Pemahaman tentang transfer kerja dalam turbomachine dapat diperoleh dengan mempertimbangkan operasi dasar kipas rumah tangga (pompa) dan kincir angin (turbine). Meskipun aliran sebenarnya dalam perangkat tersebut sangat kompleks (yaitu, tiga dimensi dan tidak stabil), fenomena dasarnya dapat diilustrasikan dengan menggunakan pertimbangan aliran yang disederhanakan dan segitiga kecepatan.
Pertimbangkan sebuah bilah kipas yang digerakkan pada kecepatan sudut konstan, v, oleh sebuah motor seperti yang ditunjukkan pada Gambar 12.3a. Kami menunjukkan kecepatan bilah sebagai U = wr, di mana r adalah jarak radial dari sumbu kipas. Kecepatan fluida absolut (yang terlihat oleh seseorang yang duduk diam di meja tempat kipas berada) dinotasikan sebagai V, dan kecepatan relatif (yang terlihat oleh seseorang yang naik di bilah kipas) dinotasikan sebagai W. Seperti yang ditunjukkan oleh gambar di margin, kecepatan fluida sebenarnya (absolute) adalah jumlah vektor dari kecepatan relatif dan kecepatan bilah.
Sebuah sketsa sederhana dari kecepatan fluida saat "masuk" dan "keluar" dari kipas pada radius r ditunjukkan pada Gambar 12.3b. Permukaan yang diarsir yang berlabel a–b–c–d adalah bagian dari permukaan silinder (termasuk "irisan" melalui bilah) yang ditunjukkan pada Gambar 12.3a. Kami mengasumsikan untuk kesederhanaan bahwa pada tahap ini
Aliran bergerak lancar sepanjang bilah sehingga relatif terhadap bilah yang bergerak, kecepatannya sejajar dengan tepi depan dan belakang (titik 1 dan 2) dari bilah. Untuk saat ini, kita mengasumsikan bahwa fluida masuk dan keluar dari kipas pada jarak yang sama dari sumbu rotasi; dengan demikian, U1 = U2 = wr. Pada turbomachine sebenarnya, aliran yang masuk dan keluar tidak selalu bersinggungan dengan bilah, dan garis aliran fluida dapat melibatkan perubahan dalam radius. Pertimbangan ini penting pada kondisi operasi desain dan di luar desain. Pembaca yang tertarik dapat merujuk ke Referensi 1, 2, dan 3 untuk informasi lebih lanjut tentang aspek-aspek aliran turbomachine ini.
Dengan informasi ini, kita dapat membuat segitiga kecepatan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 12.3b. Perhatikan bahwa pandangan ini dari atas kipas, melihat secara radial ke bawah menuju sumbu rotasi. Gerakan bilah ke atas; gerakan udara yang masuk diasumsikan bergerak sepanjang sumbu rotasi. Konsep penting yang harus dipahami dari sketsa ini adalah bahwa bilah kipas (karena bentuk dan gerakannya) "mendorong" fluida, menyebabkan perubahan arahnya. Vektor kecepatan absolut, V, berubah selama alirannya melintasi bilah dari bagian (1) ke bagian (2). Awalnya fluida tidak memiliki komponen kecepatan absolut dalam arah gerakan bilah, yaitu arah u (atau tangensial). Ketika fluida meninggalkan bilah, komponen tangensial dari kecepatan absolut ini tidak nol. Untuk ini terjadi, bilah harus mendorong fluida dalam arah tangensial. Artinya, bilah memberikan komponen gaya tangensial pada fluida ke arah gerakan bilah. Komponen gaya tangensial ini dan gerakan bilah berada dalam arah yang sama - bilah melakukan kerja pada fluida. Perangkat ini adalah sebuah pompa.
Di sisi lain, pertimbangkan kincir angin yang ditunjukkan pada Gambar 12.4a (lihat juga Video V12.1). Daripada rotor yang digerakkan oleh motor, bilah-bilah bergerak ke arah gaya angkat (dibandingkan dengan kipas pada Gambar 12.3) yang diberikan pada setiap bilah oleh angin yang bertiup melalui rotor. Kami lagi-lagi mencatat bahwa karena bentuk dan gerakan bilah, vektor-vektor kecepatan absolut pada bagian (1) dan (2), V1
dan V2, memiliki arah yang berbeda. Agar hal ini terjadi, bilah-bilah harus mendorong fluida ke atas—ke arah yang berlawanan dengan gerakan bilah. Atau, karena gaya-gaya yang seimbang dan berlawanan (reaksi aksi), fluida harus telah mendorong pada bilah-bilah dalam arah geraknya—fluida melakukan kerja pada bilah-bilah. Penarikan energi dari fluida ini adalah tujuan dari sebuah turbin.
Contoh-contoh ini melibatkan transfer kerja ke atau dari fluida yang mengalir dalam dua turbomachine aliran-aksial. Konsep-konsep serupa berlaku untuk turbomachine lainnya termasuk konfigurasi aliran campuran dan radial.
