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