Upload
yudha-simbolon
View
235
Download
6
Embed Size (px)
DESCRIPTION
material kompressor
Citation preview
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1. LATAR BELAKANG
Rasio daya terhadap berat yang tinggi telah membuat turbin gas banyak
digunakan untuk keperluan transportasi, hingga mendukung kegiatan militer.
Kemampuan turbin gas untuk menghasilkan daya yang besar dengan energi
masuk yang kecil juga telah mendorong turbin gas tidak hanya digunakan sebagai
system yang berdiri sendiri namun juga untuk digunakan untuk fungsi yang lebih
spesifik, yaitu sebagai pembangkit daya [1].
Berangkat dari fungsinya yang lebih spesifik ini, berbagai pengembangan
dan inovasi telah banyak dilakukan pada turbin gas untuk meningkatkan unjuk
kerjanya, baik untuk sistem turbin gas konvensional maupun kecil, yang lebih
dikenal dengan microgas turbine (MGT). Satu dekade ini, Micro Gas Turbine
telah berkembang sebagai salah satu sistem pembangkit daya maupun termal yang
prospektif, baik secara teknis, dimensi, biaya, maupun environmental [2,3,4].
Aplikasi turbin gas konvensional yang luas dan dalam rentang waktu yang
panjang menyebabkan turbin gas konvensional lebih banyak dibahas
dibandingkan dengan MGT. Namun, karakteristik kerja yang serupa dengan
turbin gas konvensional serta rentang operasinya yang besar menjadikan Micro
Gas Turbine menjadi menarik untuk dianalisa. Sistem turbin gas saat ini terus
mengalami perkembangan dan inovasi, yang terfokus pada dua hal [5], yaitu (1)
meningkatkan efisinesi komponen; terutama pada kompresor dan turbin, (2)
1
memperbaiki hasil dari siklus termodinamika dengan meningkatkan temperatur
masuk turbin (temperatur keluar ruang bakar). Namun, peningkatan temperatur
masuk turbin terkendala dengan kekuatan material ruang bakar maupun turbin.
Akbari juga mengungkapkan bahwa meskipun komponen turbomachinary telah
memiliki nilai efisiensi yang sangat tinggi, yaitu 90%, namun nilai ini masih dapat
ditingkatkan. Terlebih efisiensi thermal yang dicapai sebesar 40%.
Efisiensi siklus turbin gas antara lain dapat ditingkatkan dengan
meningkatkan rasio tekanan[6, 7]dan meningkatkan temperatur serta kecepatan
turbin, seperti yang ditulis Mowill dalam patentya [8]. Langkah yang dilakukan
Verstraete et al dan Mowil et al ini mensyaratkan kekuatan material yang tahan
terhadap temperatur maupun oksidasi, disamping unjuk kerja profil sudu terhadap
aliran.
Lebih jauh, unjuk kerja dari kompresor dan turbin akan turun seiring
dengan waktu penggunaan . Kecepatan yang tinggi akan meningkatkan tegangan
dan temperatur yang tinggi akan meningkatkan terjadinya oksidasi [Mowill].
Kekuatan material juga akan menurun pada temperatur yang meningkat.
[9,10,11,12]. Sebagai dampaknya, penurunan kekuatan material ini akan
berpengaruh pada geometri dari kompresor dan turbin pada pola aliran masing-
masing.Dari sisi profil sudu,
Untuk itu, pemilihan material yang tepat merupakan suatu keharusan,
karena properti material berhubungan langsung dengan unjuk kerja ruang bakar,
kompresor, maupun pada turbin [13], selain profil sudu dan tebal sudu
memberikan dampak positif pada penurunan tegangan tanpa pengaruh yang
2
signifikan pada pola aliran [verstraete]. Analisa dengan metode elemen hingga
(FEA) akan diperlukan untuk memverifikasi bahwa tegangan ijin maksimal tidak
terjadi pada saat operasi kerja sistem [6].
Maka, setelah dihasilkan model geometri dari kompresor dan turbin yang
telah memenuhi persyaratan perancangan profil yang diperlukan untuk pola alir
udara, perlu dilakukan analisa kekuatan material. Analisa kekuatan material
dilakukan dengan menggunakan metode elemen hingga (FEA) untuk
memverifikasi tegangan maksimum tidak terjadi pada saat operasi.
1.2. TUJUAN PENELITIAN
Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui dan menganalisa karakteristik
kekuatan struktur dan material dari kompresor dan turbin pada IHI Turbo RHB32.
Berdasarkan hasil analisa tersebut dapat dilakukan pengembangan lebih lanjut.
Diharapkan nilai efisiensi kerja pengembanagn yang dilakukan dapat meningkat.
1.3. BATASAN MASALAH
Pada penelitian ini, masalah akan dibatasi pada:
Analisa karakteristik strukturdilakukan pada kompresor dan turbin
Kompresor dan turbin yang digunakan merupakan komponen dari
turbocharger IHI Turbo RHB32.
Analisa dilakukan dengan menggunakan metode elemen hingga dengan
menggunakan fitur simulation yang terdapat pada Soildworks 2011.
Data input simulasi diperoleh dari hasil pengujian pada manual book GT85-2.
3
BAB 2
TEORI PENUNJANG
2.1. DEFINISI TURBIN GAS
Turbin gas merupakan mesin penggerak mula yang menggunakan udara
sebagai fluida kerja. Udara ini lalu akan melewati kompresor sehingga tekanannya
meningkat. Selanjutnya, udara bertekanan ini digunakan sebagai udara
pembakaran, sehingga temperatur udara akan meningkat setelah terjadi
pembakaran, dimana gas hasil pembakaran akan menggerakkan turbin, dan akan
berulang secara kontinu. Pada sistem turbin gas, kompresor dan turbin berada
dalam satu poros. Gas hasil ekspansi turbin akan daya yang lebih besar, dapat
digunakan untuk menggerakan poros lain ataupun digunakan untuk keperluan
lain, seperti pembangkit daya, penggerak, dan lain-lain.
Turbin Gas terdiri dari tiga komponen utama, yaitu: kompresor
(compressor), ruang bakar (combustion chamber), dan turbin (turbine). Skema
sederhana pada sistem turbin gas ditunjukkan pada gambar:
Gambar 2.2 Skematik Turbin Gas [14]
4
2.2. SIKLUS KERJA TURBIN GAS
Turbin gas beroperasi dengan menggunakan siklus termodinamika
Brayton. Siklus ideal Brayton memenuhi Hukum I Termodinamika, dimana
diasumsikan tidak terjadi perubahan pada energi kinetik dan potensial, yang
memenuhi persamaan:[13]
Kerja Kompresor
W c=ma ( h2−h1 ) …………………………….……………………………..(1)
Kerja Turbin
W t=( ma+mf ) (h3−h4 ) ………………………...…………………………(2)
Kerja Total
W cyc=W t−W c …………………………………..……………………….(3)
Kalor Masuk Sistem
Q2,3=mf × LHV fuel=(ma+mf ) ( h3 )−mah2 …….…………………….(4)
Efisiensi Siklus
η f=W cyc
Q2,3
……………………….……………………….……….…………(5)
5
Gambar 2.3 Siklus Brayton Ideal [13]
Efisiensi isentropika dari kompresor:
ηc=h2 s−h1
h2−h1
………………………………………………………...…………(6)
Efisiensi isentropika dari turbiin:
ηt=h3−h4
h3−h4 s
…………………………………………..……………………….(7)
6
2.3. MICRO GAS TURBINE
Microgas turbine (MGT) didefinisikan sebagai sistem turbin gas dengan
daya kurang dari 200kW [15,16] dengan bahan bakar diesel atau gas alam [13].
Untuk udara pembakaran, turbin gas mikro menggunakan kompresor jenis
sentrifugal dan turbin radial untuk mengekspansi gas hasil pembakaran. Kriteria
utama dalam merancang turbin gas mikro adalah biaya perancangan, efisiensi, dan
emisi, serta dimensinya yang harus kompak. Micro Gas turbine biasanya
dirancang dengan temperatur masuk turbin (TIT: Turbine Inlet Temperature)
sebesar 800-900oC dengan rasio tekanan 3-5, dan dengan efisiensi termal 40%
[9,17].
Pada micro gas turbine yang menggunakan kompresor radial satu tingkat,
dimensi kompresor berukuran lebih kecil dari kompresor yang digunakan pada
turbin gas konvensional. Maka untuk mendapatkan rasio tekanan yang diperlukan,
kompresor dan turbin harus dapat bekerja pada kecepatan tinggi (lebih dari 500
m/s). Pada kecepatan ini, ada beberapa parameter yang perlu diperhatikan, antara
lain; gaya sentrifugal yang terjadi akan proporsional dengan massa jenis material
dan luasan dari ujung sudu serta temperatur yang dihasilkan [6]. Parameter-
parameter ini sangat berhubungan dengan kekuatan struktur dan material dari
kompresor maupun turbin, terlebih temperatur gas yang harus diekspansi oleh
turbin yang sangat tinggi. Karena ukurannya yang kompak, MGT biasanya
menggunakan kompresor dan turbin dari sebuah turbocharger kendaraan
bermotor, dalam penelitian ini IHI Turbo RHB32.
7
Gambar 2.4 Model microgas turbine [6].
Perkembangan mikro turbin gas dimulai sekitar tahun 1970-an ketika
Amerika Serikat mulai mengembangkan kendaraan yang hemat energi bersama
dengan General Motor, Garret Airsearch, dan Ford Motor Company. Pada
penelitian tersebut, hasil yang didapat ternyata kurang memuaskan.
Pengembangan selanjutnya dilakukan oleh Capstone pada tahun 1990-an dengan
merancang mikro turbin yang menggunakan komponen dari turbocharger, yaitu
kompresor dan turbin [18]. Saat ini, turbin gas mikro telah banyak diaplikasi pada
banyak bidang, diantaranya rumah makan.
Gambar 2.5 Aplikasi Turbin Gas Mikro [18].
8
Aplikasi Turbin Gas Mikro [15]
Aplikasi Kebutuhan Daya Listrik
Toko Kebutuhan Pokok 40-50kW
Restoran / SPBU 50-70kW
Swalayan 150-300kW
Hypermarket 300-2.000kW
Rumah Sakit 100-6.000kW
Gedung Perkantoran 400-3.000kW
Pabrik 500kW
2.4. KOMPONEN PADA TURBIN GAS
Sistem turbin gas terdiri atas 3 komponen utama, yaitu: kompresor, ruang
bakar, dan turbin. Udara yang masuk ke ruang bakar terlebih dahulu akan di
kompresi oleh kompresor. Udara ini sebelumnya di suplai oleh blower. Udara
setelah proses kompresi selanjutnya akan masuk ke ruang bakar dan dicampur
oleh bahan bakar, dan keberadaan pemantik akan membuat terjadinya
pembakaran. Gas hasil pembakaran ini lalu keluar melalui turbin. Padas siklus
kerja selanjutnya, terjadinya pembakaran yang menyebabkan turbin beputar akan
menyebabkan kompresor ikut berputar.
2.5.1 Kompresor
Kompresor yang biasa digunakan pada turbin gas terdiri dari dua jenis,
yaitu kompresor aksial dan kompresor sentrifugal.
a. Kompresor aksial
9
Kompresor aksial beroperasi dengan menekan fluida kerja dengan
memberikan percepatan fluida kerja lalu mendifusikannya untuk
menghasilkan kenaikan tekanan. Percepatan dihasilkan dari baris sudu yang
berputar (impeller=rotor), dan didifusikan oleh baris bilah diam (stator).
Proses difusi akan menurunkan kecepatan dan mengarahkan fluida menuju
sudu berikutnya setelah melewati rotor tanpa terjadinya turbulensi sehingga
energi yang dihasilkan dari kecepatan dapat dikonversi menjadi energi
tekanan. Hal ini ditunjukkan melalui peningkatan tekanan [19]. Kompresor
aksial dapat terdiri dari satu atau lebih tingkat kerja, semakin banyak tingkat,
maka peningkatan tekanan juga akan semakin besar [13].
Rasio tekanan yang kecil pada kompresor aksial (1.1:1 s.d. 1.4:1)
menghasilkan efisiensi yang tinggi serta proses perancangan yang lebih
sederhana. Secara umum, banyak tingkat yang biasa digunakan berkisar antara
6-10 hingga 19 tingkat dengan kapasitas tekanan total telah meningkat dengan
pesat, dari rasio 5:1 hingga 12:1, dan terus berkembang hingga menjadi lebih
dari 40:1 [13,15].
Gambar 2.6 Kompresor mesin jet BMW-003A dengan rotor dan stator [20].
b. Kompresor Sentrifugal
10
Micro Gas Turbine (MGT) menggunakan kompresor jenis ini. Kompresor
aksial merupakan jenis kompresor dimana fluida kerja bertekanan akan masuk
dan mengenai sudu secara aksial, yang selanjutnya akan membuat sudu
berputar dan keluar dengan arah radial. Hal ini berbeda dengan kompresor
aksial dimana fluida bertekanan akan mengenai sudu dan keluar dalam arah
aksial. Walaupun juga digunakan untuk meningkatkan nilai tekanan, namun
antara kompresor aksial dan sentrifugal terdapat perbedaan dasar dalam
aplikasinya.
Secara umum, kompresor sentrifugal digunakan ketika dibutuhkan rasio
tekanan yang tinggi dan laju alir yang rendah, kebalikan dari kompresor aksial
yang menghasilkan rasio tekanan rendah dan laju alir yang besar. Maka
karakteristik kerja kompresor sentrifugal juga berbeda dibandingkan dengan
kompresor aksial.
Dengan digunakannya kompresor sentrifugal, rasio tekanan yang diperoleh
dapat lebih besar daripada kompresor aksial untuk satu tingkat [19]. Apabila
kompresor aksial hanya menghasilkan rasio tekanan sebesar 1.1:1 untuk satu
tingkat, maka kompresor sentrifugal dapat menghasilkan 4:1., bahkan hingga
12:1. Putaran rotor untuk mendapatkan nilai yang optimum ada pada rentang
60 <Ns> 1500. Selain rasio tekanan yang lebih besar, kompresor jenis ini juga
memiliki beberapa kelebihan lain, antara lain: kinerja yang halus, toleransi
yang besar pada fluktuasi proses, serta kehandalan yang tinggi. Hal ini
menjadikan biaya untuk memproduksi kompresor jenis ini lebih mahal
dibandingkan kompresor aksial [13].
11
Gambar 2.10 Kompresor Sentrifugal [21].
Kompresor sentrifugal terdiri dari satu atau lebih tahap kerja, yang
masing-masing terdiri dari sudu impeller yang berputar dan diffuser yang
diam. Pada kompresor sentrifugal, impeller terdiri dari sudu-sudu dengan arah
kerja radial yang terhubung pada hub. Berputarnya sudu kompresor
disebabkan oleh fluida bertekanan yang melewati impeller.
Kelebihan kompresor sentrifugal:
Lebih stabil pada laju alir udara yang bervariasi dibandingkan kompresor
aksial
Perubahan efisiensi yang kecil
Rasio tekanan lebih besar
Kekurangan kompresor sentrifugal
Untuk laju udara yang stabil, efisiensi kompresor sentrifugal lebih kecil
bila dibandingkan dengan kompresor aksial.
Laju alir kecil
Sudu impeller merupakan salah satu komponen vital pada kompresor
sentrifugal karena sangat berpengaruh pada tekanan fluida serta arah aliran
fluida menuju diffuser untuk selanjutnya menuju ruang bakar. Bentuk sudu
12
yang berbeda akan menghasilkan karakteristik tekanan dan arah aliran yang
berbeda pula.
c. Unjuk Kerja Kompresor Sentrifugal
Kompresor sentrifugal bekerja dengan memenuhi persmaan atur
konservasi momentum, dimana perubahan momentum pada fluida merupakan
jumlah gaya-gaya yang bekerja pada partikel.
Persamaan momentum
Gaya-gaya yang bekerja pada partikel terdiri dari dua jenis gaya, yaitu: gaya
permukaan dan gaya body [22].
Gaya Permukaan
o Gaya tekan
o Gaya akibat viskositas
o Gaya akibat gravitasi
Gaya Body
o Gaya sentrifugal
o Gaya coriolis
o Gaya elektromagnetik
Dengan aplikasi prinsip konservasi momentum, nilai perubahan momentum
angular yang timbul akibat perubahan tangensial sama besarnya dengan jumlah
13
Perubahan momentum pada partikel fluida = Jumlah gaya-gaya yang bekerja pada partikel
gaya-gaya yang bekerja pada rotor. Jumlah dari gaya-gaya ini merupakan torsi
yang terjadi pada rotor. [13].
Pada turbin gas, kompresor bekerja dengan kecepatan tinggi hingga 500 m/s untuk
memperoleh rasio tekanan yang diperlukan [8,23]. Pada kecepatan ini, selain pola
aliran dan distribusi temperatur yang tepat, temperatur dan tegangan yang terjadi
juga harus disesuaikan dengan jenis material yang digunakan. Untuk dapat
mengetahui dan memperkirakan karakteristik struktur turbin pada rentang
operasinya, maka digunakan metode elemen hingga dengan melakukan simulasi
pada fitur Simulation pada perangkat lunak SolidWorks 2011. Melalui simulasi
ini, dihasilkan antara lain: thermal stress, von Mises Stress, regangan, dan safety
factor.
ThermalStress Pada Kompresor [8]
d. Material Kompresor
14
Pentingnya peran kompresor serta karakteristik operasinya tidak hanya
menuntut profil dengan rugi aliran yang kecil maupun distribusi temperatur yang
baik namun juga menuntut pemilihan material yang tepat. Operasi kompresor
memberikan tegangan sentrifugal yang tinggi pada sudu (high centrifugal stress),
karena pada kompresor radial satu tingkat yang digunakan pada MGT kecepatan
yang harus dicapai pada bagian tepi dari sudu hingga 500 m/s. Selain karena
tegangan yang tinggi, kecepatan yang tinggi ini juga akan berpengaruh pada
temparatur kompresor. Verstarete et al dalam jurnalnya menulis bahwa tegangan
geser ijjin merupakan fungsi dari temperatur material. Material kompresor
sentrifugal yang digunakan pada turbin gas merupakan material khusus yang
antara lain harus memiliki karakteristik:
Kekuatan pada temperatur tinggi
Massa jenis yang rendah
Pada kompresor sentrifugal, terdapat beberapa jenis material yang biasa
digunakan, antara lain;
High-Strength Titanium Alloy grade 5 (Ti-6Al-4 v) [8,15,23] dengan properti:
i. Modulus elastisitas, E=113.8×109 Pa
ii. Rasio Poison = 0.342
iii. Massa jenis, ρ=4.42×103 kg /m3
iv. Tegangan ijin maksimum, τ=400 MPa
Aluminium RR 58 [15].
Stainless Steel: A286, Greek Ascology, FV 535, FV 520, 17-4 Ph, 403 [15].
Precipitation Hardening Super Alloy: Inco 718, Nimonic 901 [15].
15
2.5.2 Ruang Bakar
Ruang bakar merupakan tempat terjadinya pembakaran dimana udara
hasil kompresi bercampur dengan bahan bakar. Ruang pembakaran dari turbin
gas merupakan rekayasa perangkat yang kompleks dicirikan oleh berlangsungnya
serangkaian proses physicochemical, antara lain: berlangsung dinamika gas
nonstasioner, pembakaran turbulen dari berbagai jenis bahan bakar, panas dan
pertukaran massa, dan pembentukan oksida NOx, CO, dll [24].
Pada bagian ini terjadi proses pembakaran antara bahan bakar dengan
fluida kerja yang berupa udara bertekanan tinggi dan bersuhu tinggi. Hasil
pembakaran ini berupa energi panas yang diubah menjadi energi kinetik dengan
mengarahkan udara panas tersebut ke transition pieces yang juga berfungsi
sebagai nozzle. Fungsi dari keseluruhan sistem adalah untuk mensuplai energi
panas ke siklus turbin. Sistem pembakaran ini terdiri dari komponen-komponen
berikut yang jumlahnya bervariasi tergantung besar frame dan penggunaan turbin
gas. Komponen-komponen itu adalah :
1. Combustion Chamber, berfungsi sebagai tempat terjadinya pencampuran
antara udara yang telah dikompresi dengan bahan bakar yang masuk.
2. Combustion Liners, terdapat didalam combustion chamber yang berfungsi
sebagai tempat berlangsungnya pembakaran.
3. Fuel Nozzle, berfungsi sebagai tempat masuknya bahan bakar ke dalam
combustion liner.
16
4. Ignitors (Spark Plug), berfungsi untuk memercikkan bunga api ke dalam
combustion chamber sehingga campuran bahan bakar dan udara dapat
terbakar.
5. Transition Fieces, berfungsi untuk mengarahkan dan membentuk aliran gas
panas agar sesuai dengan ukuran nozzle dan sudu-sudu turbin gas.
6. Cross Fire Tubes, berfungsi untuk meratakan nyala api pada semua
combustion chamber.
7. Flame Detector, merupakan alat yang dipasang untuk mendeteksi proses
pembakaran terjadi.
Gambar 2.13 Ruang bakar [16]
∆ Pcc=P2−P3
P2
x100 % ……………………………….………………..(6)
dimana : P2 = tekanan masuk ruang bakar (bar)
P3 = tekanan keluar ruang bakar (bar)
17
Energi pembakaran yang dihasilkan, adalah :
Epemb=mf . ηcc . LHV ………………………………………………….(7)
dimana : mf = laju massa bahan bakar (kg/s)
ηcc = efesiensi ruang bakar (%)
LHV = nilai kalor bawah bahan bakar (J/kg.K)
Energi pembakaran dapat juga dilihat dari :
Epemb=(ma+mf ) . c pg . (T3−T2) ………………………………...(8)
dimana : mf = laju massa bahan bakar (kg/s)
ma = laju massa udara (kg/s)
c pg = kalor spesifik pada tekanan konstan (J/kg.K)
T 2 = temperatur masuk ruang bakar (K)
T 3 = temperatur keluar ruang bakar (K)
Rasio antara massa udara dengan massa bahan bakar (A/F)
A /F=ma
mf
………………………………………………………..……….(9)
2.5.3 Turbin
18
Turbin merupakan komponen yang tidak terpisahkan pada turbin gas.
Pembakaran yang terjadi pada ruang bakar akan diekspansi dengan menggunakan
turbin. Setelah keluaran turbin ini, sistem turbin gas dapat digunakan untuk
berbagai kepentingan, seperti pesawat terbang, sumber daya untuk turbin daya
pada pembangkit listrik, sampai dengan pemnafaatan gas hasil ekspansi yang
masih bertemperatur tinggi untuk keperluan lainnya. Seperti halnya kompresor,
terdapat dua jenis turbin, yaitu turbin aksial dan turbin radial.
a. Turbin Aksial
Turbin aksial merupakan jenis turbin yang banyak pada fluida mampu-
mampat. Turbin jenis ini juga merupakan jenis turbin yang paling banyak
digunakan pada sistem turbin gas berdaya besar karena lebih efisien daripada
turbin radial pada rentang operasi yang bervariasi. Turbin aksial dirancang
dengan faktor kerja yang tinggi, yang ditunjukkan dengan rasio tingkat kerja
kuadrat terhadap kecepatan sudu, yang berpengaruh pada tingkat kebisingan
kerja, dimana fluida masuk dan keluar turbin dengan arah radial [13].
Turbin aksial terdiri dari dua bagian utama, yaitu: nosel dan sudu. Turbin
aksial terdiri dari dua jenis, yaitu: tubin impuls dan turbin reaksi. Turbin
impuls merupakan jenis yang paling sederhana, terdiri atas barisan nosel dan
barisan sudu.
Turbin impuls memiliki derajat reaksi nol. Derajat reaksi berarti seluruh
penurunan entalpi yang terjadi menuju nosel, dan kecepatan alir fluida setelah
19
keluar dari nosel menjadi sangat tinggi, atau dengan kata lain pada turbin
impuls tidak terjadi perubahan entalpi.
b. Turbin Radial
Turbin radial pertama kali digunakan pada tahun 1930-an dengan aplikasi
pada mesin jet pesawat, yang dikombinasikan dengan kompresor sentrifugal.
Kombinasi antara kompresor radial dan turbin radial dilakukan karena
keduanya memiliki karakteristik aliran yang sama sehingga dapat dihasilkan
efisiensi yang lebih tinggi. Saat ini, kombinasi antara kompresor dan turbin
radial diaplikasikan pada turbocharger, yang banyak digunakan di motor
torak.
Gambar 2.14 Holset Turbocharger GT35: GTX3582R [25]
Keuntungan terbesar dari turbin radial dibandingkan dengan turbin aksial
adalah kerja yang dihasilkan oleh turbin radial dalam satu tingkat sama dengan
2 tingkat atau lebih pada turbin aksial. Keunggulan ini dikarenakan antara lain
kecepatan alir yang terjadi pada ujung sudu lebih besar daripada turbin aksial
[13]. Keuntungan ini menyebabkan biaya yang lebih rendah, meskipun nilai
20
efisiensi yang dapat dicapai lebih rendah dibandingkan dengan turbn aksial.
Sementara parameter yang perlu diperhatikan antara lain: fluktuasi tekanan,
turbulensi pada lapisan batas, ketidakteraturan aliran pada rotor, dan
kebisingan.
c. Unjuk Kerja Turbin radial
Kerja yang dihasilkan oleh turbin radial ditentukan oleh beberapa
parameter [13], antara lain: pengaturan putaran, rasio tekanan, dan temperatur
masuk turbin yang tinggi. Ketidaksesuaian pada karakteristik-karakteristik ini
menyebabkan unjuk kerja turbin tidak berada pada design point.
Ketidaksesuaian karakteristik turbin juga disebabkan karena waktu pemakaian
yang menyebabkabkan unjuk kerja turbin menjadi turun. Untuk mengetahui
karakteristik dari laju turbin, diperlukan suatu proses komputasi pada sudu.
Berdasarkan unjuk kerjanya pada turbin gas, beban yang diterima oleh turbin
jauh lebih berat dibandingkan kompresor, selain harus berputar dengan
kecepatan hingga 500 m/s, turbin juga harus mengekspansi gas hasil
pembakaran dengan temperatru yang sangat tinggi hingga 1200 K [23]. Unjuk
kerja yang demikian membuat turbin tidak hanya harus memenuhi profil sudu
yang baik untuk aliran dan distribusi temperatur namun juga harus memenuhi
persayaratan kekuatan material. Untuk dapat mengetahui dan memperkirakan
karakteristik struktur turbin pada rentang operasinya, maka digunakan metode
elemen hingga dengan melakukan simulasi pada fitur Simulation pada
perangkat lunak SolidWorks 2011. Melalui simulasi ini, dihasilkan antara lain:
thermal stress, von Mises Stress, regangan, dan safety factor.
21
2.4. Material Turbin Radial
Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, bahwa turbin radial pada turbin
gas bekerja dengan Turbine Inlet Temperature 800-900oC dan putaran hingga
500 m/s. Kedua parameter ini akan memerlukan unjuk kerja material yang
memenuhi dalam keadaan operasi ini. Hal ini menyebabkan pemilihan
material yang tepat merupakan syarat yang mutlak, apalagi unjuk kerjanya
akan turun sesuai waktu penggunaannya, yang berbanding lurus dengan
tegangan geser yang terjadi. Tegangan geser ijin dari material merupakan
fungsi dari temperatur material [8]. Jenis material yang biasa digunakan pada
turbin antara lain:
SiC dan Si3N4 [23]. Material jenis ini merupakan material keramik
komposit yang banyak digunakan sebagai material turbin karena kekuatan
yang tinggi, massa jenis yang rendah, stabilitas thermal yang rendah, dan
ketahanan oksidasi yang tinggi. Namun, material ini kurang dapat
difabriksi dengan presisi tinggi dan kehalusan permukaan yang optimal
Si3N4-TiN [23]. Paduan TiN sebanyak 30-40% ditambahkan pada Si3N4
sehingga properti dari Si3N4 dapat diperbaiki, antara lain: ketahanan
terhadap retak, flexural strength, wear resistance, electrical resistivity
yang lebih rendah, dan lebih mudah dimanufaktur.
Inconel 738 [12,15].
Nimonic 80A, 90, 105, 108, 115 [15].
22
Inconel 792 [15].
2.5. Metode Elemen Hingga (Finite Element Method)
Metode Elemen Hingga adalah teknik untuk menyelesaikan persamaan
diferensial parsial dengan melakukan diskritisasi persamaa pada dimensi masing-
masing. Diskritisasi dilakukan pada luasan kecil dengan bentuk yang sederhana
Langkah ini akan menghasilkan persamaan matriks untuk masing-masing elemen.
[26]. Bentuknya yang sederhana ini merupakan keunggulan metode elemn hingga
dibanding teknik lainnya.
Karenanya, FE berkembang sebagai teknik yang banyak digunakan untuk
memecahkan masalah-masalah dalam bidang teknik ataupun matematis.
Meskipun nilai error juga masih dimiliki metode ini. FEM juga dapat
diaplikasikan pada fungsi spesifik, seperti untuk perhitungan stress dan
temperatur, yang sering disebut sebagai FEA (Finite Element Analysis). Melalui
metode ini, dapat dilakukan analisa terhadap stress yang disebabkan temperatur
dan pengaruhnya terhadap kekuatan struktur [27].
23
BAB 3
METODOLOGI PENELITIAN
3.1. OBJEK PENELITAN
Pada penelitian ini, objek yang digunakan adalah komponen kompresor
dan turbin dari turbocharger IHI Turbo RHB 32. Turbocharger ini biasa
digunakan pada kendaraan bermotor. Namun dimensi maupun unjuk kerja dari
kompresor dan turbin juga sesuai untuk digunakan pada turbin gas mikro. Bagian
kompresor terdiri dari 8 sudu dan bagian kompresor terdiri dari 10 sudu.
Kompresor dan turbin dihubungkan dalam satu sudu.
24
3.2. DIAGRAM ALIR PENELITIAN
25
Mulai
Pemilihan material
Model danSimulasiterhadapkompresor
Material KompresorTekananudaramasukkompresorTemperaturudaramasukkompresorMaterial TurbinTekanan gas masukturbinTemperatur gas masukturbin
Kekuatanstruktur
Selesai
Ya
Tidak
Thermal stressDisplacementStrainFOSFOSFOS
Model danSimulasiterhadapturbin
Thermal stressDisplacementStrainFOSFOSFOS
3.3. MODEL GEOMETRI
26
Untuk mengetahui karakeristik struktur dari kompresor dan turbin IHI
Turbo RHB 32, maka komponen-komponen tersebut terlebih dahulu dibuat model
geometrinya yang dihasilkan dengan menggunakan SolidWorks 2011. Untuk
mempermudah analisa, maka model dari kompresor dan turbin dibuat terpisah.
Model Geometri Kompresor
Model Geometri Turbin
3.4. PEMILIHAN MATERIAL
27
Temperatur kerja yang tinggi serta tekanan yang dialami membuat
pemilihan material menjadi faktor yang sangat penting dalam perancangan
kompresor dan turbin pada turbin gas. Kedua parameter kerja ini akan
menimbulkan tegangan (stress) pada kompresor maupun turbin.
3.5.1 Material Kompresor
Temperatur kerja pada kompresor tidak terlalu besar (<100oC), namun
bukan berarti pemilihan material tidak penting untuk komponen ini. Kompresor
mengalami tegangan yang cukup besar karena putaran yang tinggi (hingga
100.000 rpm) dan kecepatan yang tinggi (hingga 500 m/s). Putaran yang
sedemikian tinggi ini tentunya juga akan berpengaruh terhadap temperatur yang
dialami kompresor. Dari berbagai jenis material yang biasa digunakan untuk
kompresor, penelitian ini akan menggunakan material paduan logam Titanium Ti-
6Al-4V annealed [8,23]. Titanium Ti-6Al-4V merupakan logam paduan titanium
grade 5 dengan perlakukan panas aniling. Adapun komposisi material paduan dan
properti pada Ti-6Al-4V sebagai berikut: [28]
Komponen Persen Berat
Al 6
Fe Max. 0,25
O Max. 0,2
Ti 90
V 4
Properti Nilai
28
Massa Jenis 4,43 g/cc
UTS 950 MPa
YTS 880 MPa
Modulus Elastisitas 113,8 GPa
Rasio Poisson 0,342
Modulus Geser 44 GPa
Specific Heat 0,5263 J/g.oC
Konduktivitas Termal 6,7 W/m.K
Koefisien Ekspansi Termal 9.10-6/oC
3.5.2 Material Turbin
Material untuk turbin yang digunakan dalam simulasi adalah Nickel
Properti Nilai
Massa Jenis 8500 kg/m3
Ultimate Tenslie Strength 317000000 N/m2
Yield Tensile Strength 59000000 N/m2
Modulus Elastisitas 2,1.1011 N/m2
Rasio Poisson 0,31
Modulus Geser 7,9.1010 N/m2
Specific Heat 460 J/g.K
Konduktivitas Termal 43 W/m.K
Koefisien Ekspansi Termal 1,7.10-5/K
3.5. MODEL ELEMEN HINGGA
29
Pemodelan elemen hingga dilakukan agar model dari kompresor maupun
turbin dapat dianalisa dengan menggunakan metode elemen hingga pada fitur
simulation pada SolidWorks 2011. Data input simulasi diperoleh dari manual
bookTwo Shaft Gas Turbine GT85-2;
Parameter Nilai
Putaran Kompresor 90.000 rpm
Temperatur Masuk Kompresor 32oC
Tekanan Udara Masuk Kompresor 1,18 bar
Temperatur Masuk Turbin 721oC
Tekanan Gas Pembakaran 1,08 bar
3.5.1 Kompresor
Simulasi pada kompresor dilakukan dalam tiga tahap, yaitu: analisa termal
secara tunak (steady state), analisa termal secara transient, dan analisa thermal
stress. Ketiga tahap ini dilakukan untuk menghasilkan hasil simulasi thermal
stress secara simultan. Analisa termal transient dilakukan dengan
menggunakan hasil dari analisa termal secara tunak, dan analisa thermal stress
dilakukan dengan menggunakan hasil dari analisa termal transient.Pemilihan
bagian yang terkena beban termal merupakan salah satu faktor penting untuk
mendapatkan hasil yang valid, oleh karena itu harus ditentukan bagian yang
paling berpengaruh terhadap kekuatan kompresor.
Bagian dari kompresor yang berpengaruh terhadap kekuatan struktur
maupun aliran adalah bagian curvature sudu dan tebal sudu pada hub. [8].
30
Meridional Surface
Blade Curvature
32oC
Menurut Verstraete et al, meningkatkan ketebalan sudu akan menurunkan
tegangan von Mises tanpa banyak berpengaruh terhadap unjuk kerja aliran
fluida. Oleh karena itu pada simulasi, bagian yang diasumsikan terkena beban
termal adalah permukaan sudu dan meridional surface.
a. Analisa Termal Tunak
Analisa termal tunak dilakukan dengan mengasumsikan bahwa beban
termal yang terjadi pada kompresor berlangsung secara tunak, tidak berubah
menurut waktu, dengan data input yang diperoleh dari manual book Two Shaft
gas Turbine GT85-2, dimana kompresor diasumsikan bekerja pada putaran
maksimum 90.000 rpm dengan temperatur masuk kompresor sebesar 32oC.
Setelah didefinisikan sebagai steady state, langkah berukutnya adalah
pendefinisian material sebagai Ti-6Al-4V. Material jenis ini tidak terdapat
dalam library SolidWorks. Oleh karena itu harus didefinisikan terlebih dahulu.
31
Hasil simulasi yang dihasilkan adalah distribusi temperatur dan gradien
temperatur yang terjadi pada kompresor dengan terlebih dahulu membangun
mesh.
b. Analisa Termal Transient
Analisa termal tunak dilakukan dengan mengasumsikan bahwa beban
termal yang terjadi pada kompresor berlangsung secara transien, berubah
32
menurut waktu. Analisa termal secara transien perlu untuk dilakukan karena
unjuk kerja komponen pada turbin gas dapat berbeda secara signifikan dari
analisa secara tunak [29]. Data input simulasi diperoleh dari manual book Two
Shaft gas Turbine GT85-2, dimana kompresor diasumsikan bekerja pada
putaran maksimum 90.000 rpm dengan temperatur masuk kompresor sebesar
32oC. Pada pengujian kali ini, total waktu terbeban 100 detik dengan
peningkatan setiap 5 detik.
Setelah didefinisikan sebagai steady state, langkah berukutnya adalah
pendefinisian material sebagai Ti-6Al-4V. Properti material jenis ini diperoleh
dari analisa termal tunak yang telah dilakukan sebelumnya.
Hasil simulasi yang dihasilkan adalah distribusi temperatur dan gradien
temperatur yang terjadi pada kompresor dengan terlebih dahulu membangun
mesh.
c. Thermal Stress Analysis
33
Thermal stress analysis dilakukan untuk mengkalkulasi tegangan yang
terjadi karena distribusi temperatur. Data input yang digunakan beraasal dari
analisa termal tunak dan transien dan temperatur acuan 298 K, dengan
temperatur masuk turbin 32oC dan tekanan udara masuk kompresor 1,18 bar.
Study name Thermal StressAnalysis type StaticMesh type Solid MeshThermal Effect: OnThermal option From thermal studyInput thermal study: TransientTime Step 10Zero strain temperature 298 KelvinInclude fluid pressure effects from SolidWorks Flow Simulation
Off
Solver type FFEPlusInplane Effect: OffSoft Spring: OffInertial Relief: OffIncompatible bonding options AutomaticLarge displacement OffCompute free body forces OnFriction OffUse Adaptive Method: OffResult folder SolidWorks document (D:\Thesis\SW
2009\Model IHI RHB32)
3.5.2 Turbin
Seperti pada kompresor, simulasi pada turbin dilakukan dalam tiga tahap,
yaitu: analisa termal secara tunak (steady state), analisa termal secara transient,
dan analisa thermal stress. Ketiga tahap ini dilakukan untuk menghasilkan hasil
simulasi thermal stress secara simultan. Analisa termal transient dilakukan
34
Meridional Surface
Blade Curvature
32oC
dengan menggunakan hasil dari analisa termal secara tunak, dan analisa thermal
stress dilakukan dengan menggunakan hasil dari analisa termal
transient.Pemilihan bagian yang terkena beban termal merupakan salah satu
faktor penting untuk mendapatkan hasil yang valid, oleh karena itu harus
ditentukan bagian yang paling berpengaruh terhadap kekuatan kompresor.
Bagian dari kompresor yang berpengaruh terhadap kekuatan struktur
maupun aliran adalah bagian curvature sudu dan tebal sudu pada hub [8].
Menurut Verstraete, meningkatkan ketebalan sudu akan menurunkan tegangan
von Mises tanpa banyak berpengaruh terhadap unjuk kerja aliran fluida. Oleh
karena itu pada simulasi, bagian yang diasumsikan terkena beban termal adalah
permukaan sudu dan meridional surface.
a. Analisa Termal Tunak
Analisa termal tunak dilakukan dengan mengasumsikan bahwa beban
termal yang terjadi pada kompresor berlangsung secara tunak, tidak berubah
menurut waktu, dengan data input yang diperoleh dari manual book Two Shaft
gas Turbine GT85-2 [28] dimana temperatur masuk kompresor sebesar721oC.
35
Setelah didefinisikan sebagai steady state, langkah berukutnya adalah
pendefinisian material sebagai Nickel. Hasil simulasi yang dihasilkan adalah
distribusi temperatur dan gradien temperatur yang terjadi pada kompresor
dengan terlebih dahulu membangun mesh.
36
b. Analisa Termal Transien
Analisa termal tunak dilakukan dengan mengasumsikan bahwa beban
termal yang terjadi pada kompresor berlangsung secara transien, berubah
menurut waktu. Analisa termal secara transien perlu untuk dilakukan karena
unjuk kerja komponen pada turbin gas dapat berbeda secara signifikan dari
analisa secara tunak [27]. Data input simulasi diperoleh dari manual book Two
Shaft gas Turbine GT85-2, dimana kompresor diasumsikan bekerja pada
putaran maksimum 90.000 rpm dengan temperatur masuk kompresor sebesar
32oC. Pada pengujian kali ini, total waktu terbeban 100 detik dengan
peningkatan setiap 5 detik.
Setelah didefinisikan sebagai steady state, langkah berukutnya adalah
pendefinisian material sebagai Nickel. Properti material jenis ini diperoleh
dari analisa termal tunak yang telah dilakukan sebelumnya.
37
c. Thermal Stress Analysis
Thermal stress analysis dilakukan untuk mengkalkulasi tegangan yang
terjadi karena distribusi temperatur. Data input yang digunakan beraasal dari
analisa termal tunak dan transien dan temperatur acuan 298 K, dengan
temperatur masuk turbin 271oC dan tekanan udara masuk kompresor 1,08 bar.
Melalui simulasi thermal stress, akan dihasilkan tegangan yang terjadi akibat
distribusi temperatur dan tekanan yang ada.
38
Study name ThermalStressAnalysis type StaticMesh type Solid MeshThermal Effect: OnThermal option From thermal studyInput thermal study: Transient 2Time Step 1Zero strain temperature 298 KelvinInclude fluid pressure effects from SolidWorks Flow Simulation
Off
Solver type FFEPlusInplane Effect: OffSoft Spring: OffInertial Relief: OffIncompatible bonding options AutomaticLarge displacement OffCompute free body forces OnFriction OffUse Adaptive Method: OffResult folder SolidWorks document (D:\Thesis\SW
2009\Model IHI RHB32\Turbine Simulation)
39