BAB III

Perancangan Alat Ukur Prestasi Turbo Jet

Seperti telah dijelaskan pada bab 2, mengukur prestasi turbo jet bukanlah hal yang

mudah dilakukan. Untuk mendapatkan hasil pengukuran yang valid diperlukan

perancangan dan pembuatan alat ukur yang memenuhi ketentuan yang telah diuraikan

pada bab 2.

Pada tugas akhir ini, dilakukan perancangan, pembuatan dan kalibrasi alat ukur

debit aliran udara masuk kompresor, gaya dorong turbo jet, dan debit aliran bahan bakar.

Beberapa parameter lainnya seperti exhaust gas temperature (EGT) dan putaran shaft

akan diukur melalui sensor bawaan turbo jet ”Olympus” ini.

Parameter dan alat ukur yang digunakan adalah sebagai berikut:

1. Gaya dorong diukur menggunakan load cell,

2. Laju aliran udara diukur menggunakan tabung yang dilengkapi tabung pitot

3. Laju bahan bakar diukur menggunakan timbangan digital.

4. Putaran mesin dan temperatur keluar nozzle diukur menggunakan ECU (electronic

control unit), sensor yang diberikan oleh AMT Netherland.

Berikut akan dijelaskan sensor dan alat ukur yang digunakan pada pengujian

turbo jet ini.

3.1 Test Bed

Test bed yang digunakan dalam pengukuran ini adalah outdoor sea level thrust

test bed seperti yang telah dijelaskan pada bab 2. Terdapat beberapa perbedaan antara

test bed yang digunakan dengan test bed standar pada bab 2. Test bed yang digunakan

untuk pengukuran kali ini diperlihatkan pada gambar 3.1.

27

Gambar 3. 1 Test bed yang digunakan untuk pengukuran

Pada test bed ini tidak terdapat intake screen yang digunakan untuk memberikan

aliran udara yang seragam. Pada standar test bed, turbo jet digantung pada tiang

penyangga yang telah dilengkapi load cell untuk menghitung gaya dorong turbo jet,

namun pada pengujian ini, turbo jet diletakkan diatas load cell.

3.2 Load Cell

Load cell digunakan sebagai alat uji gaya dorong yang dihasilkan oleh turbo jet.

Load cell adalah sebuah sistem yang terdiri dari load fixture element dan strain gauge.

Load fixture element akan menerima gaya dorong dari turbo jet. Perubahan gaya ini akan

diindera oleh strain gauge dalam bentuk perubahan regangan, kemudian diindera oleh

sinyal conditioner dalam bentuk perubahan tegangan listrik yang mengalir melalui strain

gauge. Perancangan load fixture element didasarkan pada beberapa faktor antara lain:

1. Bentuk dan ukuran load fixture element yang efektif untuk mendapatkan hasil

pengukuran dengan sensitivitas dan akurasi yang optimal

2. Karakteristik mekanik material harus sesuai dengan karakteristik mekanik yang

diperlukan. Tegangan (σ) dan regangan (ε) yang terjadi pada load fixture element saat

menerima beban gaya pada saat pengujian harus tetap berada pada daerah liniear.

28

3. Posisi konsentrasi tegangan (σ) dan regangan (ε) maksimum yang terjadi pada load

fixture element saat menerima beban gaya harus diketahui. Pada tugas akhir ini, posisi

tegangan (σ) dan regangan (ε) maksimum dicari dengan menggunakan perangkat

lunak CATIA for WINDOWS

3.2.1 Perancangan Load fixture element

Terdapat beberapa bentuk load fixture element yang biasa digunakan dalam

pengukuran. Pada tabel 3.1 disajikan perbedaan load fixture element beserta rentang gaya

yang diukurnya [9]: Tabel 3. 1 Perbandingan jenis load fixture element berdasarkan gaya yang diterima

No Rentang kapasitas pengukuran

(untuk setiap load fixture element)

Jenis load fixture element

1 Rendah ( <500 kg) Bending beam

2 Medium ( 500 kg – 20 ton) Single Ended Shear beam

Double Ended Shear beam

Canister

Bending Ring

Medium ( 20 ton – 50 ton) Double Ended Shear beam

Canister

Bending Ring

3 Tinggi (20 – 50 ton) Double Ended Shear beam Canister Bending Ring

4 > 100 ton Canister

Dari tabel diatas, pada tugas akhir ini load fixture element yang sesuai adalah

jenis bending beam.

3.2.1.1 Pemilihan Strain Gauge

Bending beam strain gage adalah sebuah metode tepat untuk mengukur gaya yang

terjadi pada sebuah benda. Pengukuran yang dihasilkan adalah pengukuran berskala. Alat

ini dapat mengukur beban dengan ukuran gram hingga ton menggunakan metode yang

29

sederhana. Pendekatan yang digunakan pada alat ini memiliki kompensasi terhadap

temperatur sehingga voltase hanya merupakan fungsi beban saja dan output yang

dihasilkan akan cukup besar sehingga dapat dibaca dengan menggunakan alat-alat yang

tersedia.

Gambar 3. 2 Bending Beam strain gauge

Alumunium adalah material yang banyak digunakan sebagai bending beam.

Material tersebut tersedia pada berbagai ukuran. Material lain seperti titanium, plastik

dan kuningan juga dapat digunakan, dengan pertimbangan khusus ketika akan

menggunakannya. Material-material tersebut bisa tidak memiliki karakteristik regangan

yang linear atau membutuhkan kompensasi tambahan untuk temperatur.

Umumnya, semakin besar gaya yang diberikan, maka akan semakin tinggi voltase

keluaran. Namun, semua material memiliki batas elastisitas. Jika material tersebut diberi

gaya terlalu besar, material tersebut tidak akan kembali ke bentuk asalnya. Asumsi yang

diambil dalam perancangan bending beam ini adalah setengah dari harga elastisitas

maksimum masih aman dan memberikan lengkungan yang cukup untuk dilakukan

pengukuran. Perhatikan bahwa desain tidak boleh melewati harga tersebut atau gage akan

patah.

30

Gambar 3. 3 Kurva engineering stress-strain

Dari persamaan tegangan, dapat ditentukan sebuah bending bar yang akan sesuai

dengan pengukuran gaya yang dilakukan. Regangan perlu diketahui untuk memilih strain

gage. Strain gage adalah sebuah kabel penahan yang diletakkan di bagian atas dan bawah

dari batang uji (bending bar). Ketika batang melengkung, bagian atas dari kabel penahan

tertarik dan bagian bawahnya tertekan. Besarnya tahanan bervariasi pada kedua bagian

tersebut akibat dari peristiwa fisik ini. Hal inilah yang diukur secara elektrik. Strain gage

yang tersedia secara komersial sesungguhnya adalah sekumpulan dari kabel penahan

yang ditarik atau ditekan. Ini akan memperbesar efek dari regangan.

Dua buah gage digunakan untuk menghilangkan efek panas dan melipatgandakan

efek regangan. Ketika digunakan sebagai bagian atas dan bawah dari lengan Wheatstone

bridge, peningkatan tahanan di satu lengan, dan pengurangan tahanan di lengan yang

lain, akan membuat sirkuit dua kali lipat lebih sensitif dibandingkan dengan sirkuit

dengan satu gage. Kemudian, jika hanya satu gage yang digunakan, harga tahanan akan

bertambah dan berkurang sebanding dengan penambahan dan pengurangan harga

temperatur pada batang logam dan akan terbaca sebagai beban gaya yang ditambahkan

atau dihilangkan dari load cell. Ketika dua gage digunakan pada bagian atas dan bawah

lengan dari sirkuit, efek tersebut akan hilang, karena rasio tahanannya akan tetap sama.

Ketika harga temperatur naik, kedua buah gage akan tertarik, harga tahanan keduanya

akan meningkat, dan ketika harga temperatur turun, harga tahanan keduanya akan

31

menurun. Harga rasio dari dua buah gage akan tetap sama dan tidak akan berpengaruh

pada hasil keluarannya.

Gambar 3. 4 Wheatstone bridge dengan 2 lengan aktif ( 2 buah strain gauge ) [11]

Pada tugas akhir ini, strain gauge yang digunakan adalah Student gages type EA-

13-120LZ-120 produksi Measurement Group, Inc. Strain gauge ini memiliki

karakteristik sebagai berikut:

Tipe strain gauge : EA-13-120LZ-120

Hambatan : 120 ± 0.3%

Gauge Factor : 2.095 ± 0.5%

3.2.1.2 Pemilihan signal conditioner dan signal amplifier

Sinyal keluaran elektrik dari sebuah strain gage sangatlah kecil, dengan skala

milivolts. Ini tidaklah mudah untuk diukur. Kebanyakan strain gage memiliki sebuah

instrumen amplifier yang dipasang pada keluaran dari gage untuk menghasilkan tegangan

listrik yang lebih berguna. Instrumen amplifier tersebut adalah sebuah amplifier yang

kebal terhadap gangguan dan efek eksternal yang tidak diinginkan sementara secara

akurat mereproduksi sinyal masukan. Efek eksternal dan gangguan yang umum pada

aplikasi ini adalah tumpukan temperatur dan penyimpangan arus bolak balik, seperti

gangguan sebesar 60 Hz dari sistem sumber daya.

Pada tugas akhir ini, signal conditioner yang digunakan adalah signal conditioner

buatan Kyowa jenis CDV-700A. Pihak manufactur juga telah menyediakan sekaligus

Bridge Box, yaitu instrumen yang didalamnya telah terinstalasi Wheatstone Bride.

32

Gambar 3. 5 Bridge box

Kyowa CDV-700A merupakan signal conditioner satu saluran serba guna yang

telah dilengkapi DC Bridge excitation. Dengan menggunakan strain gauge, instrumen ini

dapat mengukur beban, tekanan, percepatan, perpindahan dan variabel fisik lainnya. DC

ampilifier yang digunakan mencapai nilai maksimum 10000 kali sehingga

memungkinkan melakukan pengukuran dengan voltase minimum. Kyowa CDV-700A

juga telah dilengkapi dengan koreksi terhadap hambatan kabel antara strain gauge ke

bridge box serta noise, sehingga pengukuran akan lebih akurat.

33

Gambar 3. 6 Kyowa CDV-700A

3.2.1.3 Pemilihan material load fixture element

Material yang digunakan pada pembuatan load fixture element ini adalah

Alumunium 2024 T3 atau dengan nama pasar duralium. Dasar pertimbangan pemilihan

material ini adalah sebagai berikut:

1. Alumunium 2024 T3 memiliki karakteristik mekanik yang diperlukan,

2. Tidak mudah berkarat,

3. Mudah dalam proses permesinan, terutama untuk mencapai kehalusan yang

diperlukan. Kehalusan permukaan ini diperlukan terutama pada permukaan yang akan

dipasangi strain gauge.

Spesifikasi dari alumunium 2024 T3 adalah sebagai berikut:

Batas elastik - tarik : 275,6 MPa

- tekan : 275,6 MPa

- geser : 179,14 MPa

Kekuatan tertinggi - tarik : 310,05 MPa

- tekan : 310,05 MPa

- geser : 206,70 MPa

Modulus elastisitas : 70 GPa

34

Koefisien ekspansi panas : 23,4 x 10-6 /oC

Bentuk load fixture element yang digunakan adalah :

Gambar 3. 7 Bentuk load fixture element yang dirancang

3.2.1.4 Simulasi load fixture element menggunakan perangkat lunak Msc.

NASTRAN 4.5

Sebelum load fixture element ini dibuat, perlu dilakukan simulasi komputer untuk

mengetahui besar tegangan yang terjadi pada load fixture element, serta menentukan

tempat ditempelkannya strain gauge. Strain gauge diletakkan di tempat yang memiliki

tegangan paling besar. Simulasi dilakukan menggunakan perangkat lunak Msc.

NASTRAN 4.5. Pemodelan dilakukan dengan menggunakan 2 buah load fixture element.

Beban massa turbo jet dimodelkan dengan pelat alumunium dengan berat sesuai dengan

massa turbo jet.

35

Gambar 3. 8 Pemodelan pada perangkat lunak Msc. NASTRAN 4.5

Dari hasil simulasi didapatkan hasil tegangan maksimum sebesar 17,44 MPa.

Tegangan ini jauh dibawah tegangan maksimum material dan batas elastik material.

Strain gauge dipasang pada daerah yang memiliki tegangan paling besar, yaitu di derah

pangkal. Defleksi yang terjadi akibat pemberian beban serta besar tegangan yang terjadi

pada load cell ditunjukkan pada gambar 3.9, 3.10, 3.11.

Gambar 3. 9 Hasil simulasi load fixture element

36

Gambar 3. 10 Hasil simulasi load fixture element (tampak samping)

Gambar 3. 11 Hasil simulasi load fixture element (tampak depan)

3.3 Pipa Aliran Masuk Kompresor

Pipa aliran masuk ini digunakan untuk mendapatkan parameter debit aliran masuk

udara ke kompresor. Pipa ini dilengkapi dengan tabung pitot yang merupakan sensor

untuk mengukur tekanan dinamik aliran. Dari parameter tekanan dinamik ini akan

37

didapatkan kecepatan udara dalam pipa yang akan masuk kompresor. Dari kecepatan ini

akan didapatkan debit aliran udara masuk kompresor.

3.3.1 Perancangan Pipa Aliran masuk kompresor

Sebelum pipa aliran ini dibuat, terlebih dahulu dilakukan proses perancangan

untuk menentukan panjang pipa dan titik peletakan tabung pitot sehingga tidak

mengganggu aliran udara masuk ke kompresor.

Simulasi dilakukan menggunakan perangkat lunak Ansys ICEM, sebagai

penghasil grid, dan perangkat lunak Ansys CFX sebagai solver. Tujuan dari simulasi ini

adalah untuk mengetahui posisi paling tepat dimana tabung pitot akan dipasang untuk

memperoleh debit masuk aliran udara. Posisi tabung pitot sedapat mungkin tidak

mengganggu aliran masuk. Dengan simulasi dapat juga dibuat kurva hubungan kecepatan

pada satu titik di dalam tabung terhadap laju aliran massa sehingga hanya diperlukan

pengukuran kecepatan pada satu titik untuk mendapat laju aliran massa.

Simulasi dilakukan dengan membuat dua 2 silinder tabung sebagai domain aliran.

Tabung luar dibuat dengan diameter 3 kali diameter tabung dalam dengan panjang tabung

6 kali panjang tabung dalam. Tabung luar dibuat sebagai simulasi udara luar. Diamater

tabung dalam adalah 107 mm dengan panjang tabung 30 cm (gambar 3.12). Jumlah grid

yang digunakan adalah 570.000 grid dengan model turbulensi Shear – stress model.

Gambar 3. 12 Domain aliran simulasi

38

Simulasi dilakukan dengan mengabaikan pengaruh pitot pada karakteristik aliran.

Simulasi ini dilakukan untuk melihat pola kecepatan serta turbulensi dalam tabung,

sehingga pitot dapat diletakkan pada posisi dimana aliran masih seragam. Pada simulasi

ini, kecepatan masukan maksimum dipilih sedemikian rupa sehingga outflow yang

dihasilkan sama dengan outflow maksimum mesin. Pada laju aliran massa yang lebih

rendah, kecepatan masukan dikurangi.

Gambar 3. 13 Hasil Distribusi kecepatan dalam tabung

Gambar 3.14 Hasil Distribusi vektor kecepatan dalam tabung

39

Dari simulasi pertama, didapat kesimpulan bahwa pitot akan diletakkan pada posisi

10 cm dari inlet tabung kecil. Pada posisi ini, aliran udara masih seragam serta daerah

turbulensi masih belum begitu besar (gambar 3.13).

Simulasi selanjutnya dilakukan dengan memvariasikan kecepatan inlet serta melihat

debit aliran udara dalam tabung yang dihasilkan, dari simulasi tersebut dapat dilihat

hubungan kecepatan terhadap debit aliran udara dalam aliran tersebut (gambar 3.14).

Hasil simulasi kecepatan terhadap debit aliran udara disajikan dalam tabel berikut:

Tabel 3. 2 Tabel hasil simulasi kecepatan terhadap debit aliran udara

Grid 570.000, model turbulensi Shear stress model

No V (m/s) Mdot (kg/s)

1 47.91 0.4376

2 39.0892 0.3569

3 34.1899 0.312

4 29.2906 0.267

5 24.3918 0.2223

6 19.4945 0.1776

7 14.5997 0.1328

8 9.70359 0.08808

9 4.80516 0.0437

Untuk mendapatkan hasil yang lebih akurat, jumlah grid pada simulasi ditambah

serta digunakan model turbulensi yang berbeda. Grid ditambah menjadi sebanyak

780.000 serta digunakan model turbulensi K-ε. Dengan melihat kecenderungan dari hasil

simulasi sebelumnya, dimana grafik antara kecepatan di titik peletakan pitot terhadap

debit aliran udara adalah liniear, serta untuk menghemat waktu simulasi, maka simulasi

berikutnya hanya dicari menggunakan dua kondisi kecepatan.

40

Hasil simulasi kecepatan terhadap debit aliran udara disajikan dalam tabel berikut:

Tabel 3. 3 Tabel hasil simulasi kecepatan terhadap debit aliran udara

Grid 780.000, model turbulensi Shear stress model dan K-ε model

Mdot (kg/s)

No

V (m/s) K - epsilon model Shear stress model

1 48.2956 0.453768 0.457832

2 4.98093 0.0466288 0.0456138

Dari hasil tersebut dapat dibuat grafik hubungan antara kecepatan di titik

peletakan tabung pitot terhadap debit aliran udara masuk kompresor:

Grafik mdot Vs Kecepatan di titik pitot

00.05

0.10.15

0.20.25

0.30.35

0.40.45

0.5

0 20 40 60

Kecepatan di titik peletakan pitot

Mdo

t mas

uk k

ompr

esor

Shear Stress Model,Grid 570.000K-Epsilon Model,Grid 780.000Shear Stress Model,Grid 780.000

Gambar 3. 15 Grafik kecepatan di titik peletakan tabung pitot terhadap debit aliran udara masuk

kompresor

3.3.2 Sistem Akuisisi Data

Sistem akusisi data yang diterapkan pada pengukuran debit aliran udara ini adalah

sistem digital. Dalam sistem digital informasi nilai hasil pengukuran adalah dalam bentuk

digital.

Sistem akuisisi data digital yang dipakai pada pengukuran debit aliran udara

masuk kompresor ini adalah sebagai berikut:

1. Pressure transducer, mengubah parameter fisik menjadi sinyal elektrik

41

Pressure transducer ini pada prinsipnya adalah mengukur perbedaan tekanan

pada kedua membran. Transducer ini memiliki dua lubang tekanan masukan, yaitu

lubang untuk tekanan lebih tinggi dan lubang untuk tekanan lebih rendah. Pada

penggunaannya, lubang untuk tekanan lebih tinggi mendapat masukan tekanan dari

lubang tekanan total dari tabung pitot sedangkan lubang untuk tekanan lebih rendah

mendapat masukan tekanan dari lubang tekanan statik dari tabung pitot. Pada kondisi

tersebut pressure transducer ini akan memberikan keluaran tekanan dinamik, dimana

menurut persamaan Bernoulli:

Pt – Ps = q (3.1)

q = 0,5 ρ * v2 (3.2)

Dari hasil pressure transducer ini, akan didapatkan kecepatan aliran pada titik

penempatan pitot:

2*qvρ

= (3.3)

2. Signal conditioner, adalah rangkaian listrik yang digunakan untuk mengkondisikan

sinyal analog agar terbaca oleh ADC card. Signal conditioner ini telah terintegrasi

dalam ADC Converter yang digunakan.

3. Analog to Digital converter (ADC), mengubah tegangan analog ke tegangan digital

yang ekuivalen. Dari ADC ini akan langsung dibaca melalui perangkat lunak di

komputer. Perangkat lunak ini menampilkan grafik voltase keluaran ADC.

3.4 Electronic Control Unit

AMT Netherland telah melengkapi Turbo jet ”Olympus” ini dengan sensor

bawaan yang telah terpasang. Alat akuisisi data untuk sensor – sensor ini adalah

Electronic Control Unit (ECU). ECU secara otomatis akan menyimpan data operasi

mesin dalam 30 menit terakhir dalam memori chip internal ECU tersebut. Data tersebut

dapat di akses dengan menggunakan telemetry software ataupun engine data terminal,

sehingga dapat di download ke komputer untuk kepentingan referensi berikutnya,

diagnosis kesalahan serta pengembangan. Untuk mendapatkan data tersebut, ECU

42

dihubungkan dengan komputer melalui kabel serial yang telah tersedia. Informasi yang

dicatat pada saat turbo jet sedang beroperasi adalah:

1. RPM dari shaft

2. Exhaust Gas Temperature (EGT)

3. Posisi Throttle

4. Voltase ECU

5. Voltase pompa

6. Jumlah kegagalan saat turbin mati

7. Status ECU (started up, RPM maksimum, pesan error)

8. Alasan mesin berhenti

9. Waktu total Turbo jet beroperasi.

Untuk mengambil data dari ECU ini, dapat dilakukan melalui 2 cara yaitu dengan

telemetry software ataupun dengan engine data terminal.

3.4.1 Telemetry software

Program computer yang secara khusus dikembangkan ini membuat operator dapat

secara visual mengawasi dan memonitor kinerja turbin dan data – data lainnya secara real

– time pada layar komputer saat start up, running, dan shut down. Perangkat lunak ini

membutuhkan minimum 286 PC atau laptop, komputer dengan Layar VGA. Data yang

ditampilkan merupakan keluaran dari serial port ECU kemudian ditampilkan dalam

bentuk grafik termasuk : EGT dan RPM, posisi throttle dan switch channel, kode error,

voltage pompa, serta voltage Ni-Cad. Selain itu, pada telemetry software, keadaan turbo

jet dari ECU bisa didapatkan secara real time. Dari tampilan ”terminal”, status ECU,

input kontrol, voltase pompa bahan bakar, dan kesalahan yang terjadi dapat dilihat saat

turbo jet sedang dioperasikan.

43

Gambar 3. 16 Tampilan telemetry software

Gambar 3. 14 Tampilan ”terminal tab” telemetry software

3.4.2 Engine Data Terminal (EDT)

Engine Data Terminal adalah modul tersendiri berukuran 125 x 70 x 30 mm, serta

memiliki baterai Ni-Cad internal tersendiri. Engine data terminal ini memberikan metode

44

yang mudah dan efektif untuk memonitor semua fungsi dan parameter selama mesin

berjalan, serta memudahkan operator untuk memastikan semuanya berfungsi dengan

baik. EDT ini memiliki display yang sama dengan sistem telemetry pada modus real –

time, dengan layar LCD 4 baris dan 20 karakter, namun tanpa penyimpan data. EDT ini

dapat dihubungkan langsung dengan port electronic contol unit (ECU) melalui kabel

data.

Gambar 3. 18 Engine Data Terminal

45