gambar 3. 6 bagian root leading edge trailing edge tip yang menghisap udara luar masuk ke dalam...
TRANSCRIPT
Bab III Model Numerik Bilah Kipas ........................................................................... 23
3.1 Deskripsi Umum............................................................................................. 23 3.2 Konfigurasi Bilah Kipas ................................................................................. 24
3.2.1 Dimensi Komponen................................................................................ 24 3.2.2 Konfigurasi Pemasangan Bilah Kipas .................................................... 24 3.2.3 Material Bilah Turbin ............................................................................. 25
3.3 Permodelan Kasus Pembebanan Bilah Kipas................................................. 26 3.3.1 Model Bilah Kipas.................................................................................. 26 3.3.2 Pembentukan Jejaring Elemen Hingga................................................... 30 3.3.3 Analisis Pembebanan Bilah Kipas.......................................................... 31 3.3.4 Kondisi Batas.......................................................................................... 34
3.4 Permodelan Cacat pada Bilah Kipas .............................................................. 34 Gambar 3. 1 Skema Mesin Turbofan TAY650-15 ......................................................... 23 Gambar 3. 2 Gambar 3 Pandangan Bilah Kipas Mesin Turbofan TAY650-15 ............. 24 Gambar 3. 3 Cakram Penumpu Bilah Kipas dan Konfigurasi Pemasangan Bilah Kipas25 Gambar 3. 4 Konfigurasi Model Bilah Kipas yang akan Dianalisis .............................. 26 Gambar 3. 5 Tahapan pembuatan model bilah kipas...................................................... 26 Gambar 3. 6 Bagian root, bagian tengah (leading edge dan trailing edge), dan bagian tip........................................................................................................................................ 27 Gambar 3. 7 Pembuatan kurva sebagai rangka bilah kipas ............................................ 28 Gambar 3. 8 Permukaan bilah kipas............................................................................... 28 Gambar 3. 9 Model Solid bilah kipas ............................................................................. 29 Gambar 3. 10 Perbandingan Model baru dengan Model Asli ........................................ 29 Tabel 3. 1 Perbandingan Model Baru dengan Model Asli ............................................. 30 Gambar 3. 11 Pembentukan Jejaring Elemen Hingga Pada Bilah Kipas dengan Menggunakan Perangkat Lunak CATIA dan FEMAP................................................... 30 Tabel 3. 2 Distribusi Gaya Sentrifugal pada Bilah Kipas .............................................. 31 Gambar 3. 12 Pembagian Zona Bilah Kipas Menurut Manual Perawatan Mesin TAY650-15..................................................................................................................... 35 Gambar 3. 13 Model Cacat Setengah lingkaran dan setengah Ellips............................. 35 Gambar 3. 14 Model Scalloping dengan ukuran AA=6mm........................................... 36
Bab III Model Numerik Bilah Kipas 22
Bab III Model Numerik Bilah Kipas
3.1 Deskripsi Umum
Bilah kipas yang akan dianalisis pada tugas akhir ini adalah bilah kipas mesin turbofan
TAY650-15 buatan Roll Royce. Mesin ini merupakan jenis mesin twin spool turbofan
yang memiliki dua poros penggerak. Komponen-komponen utama mesin ini dapat
dilihat pada gambar 3.1 di bawah ini:
Gambar 3. 1 Skema Mesin Turbofan TAY650-15
Seperti yang telah dijelaskan pada bab II, bilah kipas berfungsi sebagai low pressure
compressor yang menghisap udara luar masuk ke dalam mesin. Bilah kipas ini dipasang
pada cakram kipas yang terhubung pada poros dalam mesin. Poros dalam ini diputar
oleh low pressure turbin.
Beban yang diterima oleh bilah kipas adalah beban sentrifugal dan beban aerodinamika.
Beban sentrifugal akibat putaran mesin merupakan beban paling dominan yang dialami
oleh bilah kipas ini. Pada saat mesin beroperasi, kecepatan aliran udara di sepanjang
bilah kipas meningkat sebanding dengan jari-jari putaran. Untuk menghindari terjadinya
shock wave pada bilah kipas akibat peningkatan kecepatan, maka bilah kipas dirancang
Bab III Model Numerik Bilah Kipas 23
dengan menggunakan bentuk twist. Dengan bentuk twist ini maka sudut serang
penampang bilah akan kecil di sepanjang bilah.
3.2 Konfigurasi Bilah Kipas
3.2.1 Dimensi Komponen
Bilah kipas mesin Turbofan TAY 650-15 memiliki panjang 400mm dari pangkal
penumpu hingga ujung tip bilah, serta memiliki lebar 180mm dari leading edge hingga
trailing edge. Tinggi bagian bilah kipas yang terkena aliran udara dari root ke tip adalah
sekitar 380mm. Bagian ini memiliki luas permukaan sekitar 0.132m2. Berikut ini adalah
gambar tiga pandangan dari bilah kipas yang akan dianalisis:
Gambar 3. 2 Gambar 3 Pandangan Bilah Kipas Mesin Turbofan TAY650-15
3.2.2 Konfigurasi Pemasangan Bilah Kipas
Konfigurasi pemasangan bilah kipas dilakukan dengan menggunakan data geometri
cakram tempat pemasangan bilah kipas. Data geometri cakram tersebut kemudian
dimodelkan dengan menggunakan perangkat lunak. Setelah model cakram terbentuk,
dilakukan pemasangan bilah kipas pada cakram dengan cara melakukan proses
balancing supaya titik pusat massa bilah berimpit dengan poros putaran. Dari
Bab III Model Numerik Bilah Kipas 24
pemasangan ini, dapat ditentukan posisi bilah terhadap poros putarannya. Model cakram
dan pemasangan bilah kipas pada cakram dapat dilihat pada gambar 3.3.
Gambar 3. 3 Cakram Penumpu Bilah Kipas dan Konfigurasi Pemasangan Bilah Kipas
3.2.3 Material Bilah Turbin
Material yang digunakan pada bilah turbin ini adalah Ti6Al4V. Material ini merupakan
kelompok paduan alpha-beta Titanium yang menggunakan Aluminum dan Vanadium
sebagai bahan paduan. Material ini merupakan material yang biasa digunakan sebagai
bahan dasar bilah kipas dan kompresor pada mesin pesawat karena memiliki
karakteristik sebagai berikut:
a. memiliki kekuatan yang tinggi
b. dapat diproduksi pada berbagai ukuran
c. dapat dibuat dalam bentuk yang sederhana maupun kompleks
d. ketersediaan di pasaran yang baik.
Berikut ini adalah beberapa properti mekanik dari material Ti6Al4V:
- Modulus Elastisitas (E) : 160 GPa
- Kerapatan (ρ) : 4144 kg/m3
- Poisson Ratio (ν) : 0.31
- Yield Strength (σy) : 825 MPa
- Ultimate Strength (σult) : 930 MPa
Bab III Model Numerik Bilah Kipas 25
3.3 Permodelan Kasus Pembebanan Bilah Kipas
3.3.1 Model Bilah Kipas
Pada analisis bilah kipas ini model bilah kipas tidak dibuat secara penuh. Oleh karena
bagian bilah kipas yang akan dianalisis hanyalah bagian yang terkena oleh aliran udara,
maka bilah kipas yang dianalisis hanya dimodelkan dari bagian root hingga tip seperti
tampak pada gambar 3.4 di bawah ini:
Gambar 3. 4 Konfigurasi Model Bilah Kipas yang akan Dianalisis
Data awal permodelan dalam tugas ini diperoleh dari rekonstruksi objek 3 D (bilah
kipas) dengan menggunakan scan 3 D. Hasil rekonstruksi tersebut berupa point clouds
yaitu titik-titik koordinat permukaan objek. Dari data point clouds tersebut dapat dibuat
permukaan luar objek dan kemudian dibuat model solidnya. Proses permodelan awal
dari objek hingga menjadi model solid telah dilakukan di PT Nusantara Turbin &
Propulsi (NTP) Bandung. Gambar3.5 adalah tahapan pembuatan model bilah kipas.
3 D Scan
Point Clouds Outer Surface Solid Model Real Object
Gambar 3. 5 Tahapan pembuatan model bilah kipas
Permasalahan utama dalam model ini adalah definisi geometri yang cukup kompleks.
Kompleksitas geometri tersebut meliputi titik garis dan permukaan. Bagian-bagian
Bab III Model Numerik Bilah Kipas 26
model yang kompleks antara lain pangkal bilah (root), ujung bilah (tip), leading edge
dan trailing edge bilah seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.6.
Gambar 3. 6 Bagian root, bagian tengah (leading edge dan trailing edge), dan bagian tip
Hal ini sangat berpengaruh pada proses pe akin
mit definisi geometri dari suatu model maka akan semakin sulit untuk mengatur
gunakan CATIA V5 untuk mendapatkan model baru
terima adalah dalam format *.stp. Format ini dapat dibuka
ch Part Design CATIA V5 sehingga menghasilkan satu model solid
2.
h hingga bagian tengah yang geometrinya
r.
-
eliputi bagian dasar yang terekspose dengan udara hingga bagian
geometrinya mulai teratur
-
h yang geometrinya teratur.
3. kurva sebagai acuan untuk membuat permukaan
-
lam workbench
e design yaitu spline
mbentukan jejaring elemen hingga. Sem
ru
jejaring elemen hingga yang baik.
Untuk memperoleh model yang mudah untuk diatur jejaringnya maka bilah kipas akan
direkonstruksi ulang dengan meng
dengan definisi geometri yang lebih sederhana.
a. Metode Pengerjaan
1. Import model
Model solid yang di
dalam workben
utuh yang independen.
Membagi model menjadi 3 bagian, yaitu
- bagian tip
bagian tip meliputi bagian ujung bila
mulai teratu
bagian root
bagian root m
tengah yang
bagian tengah
bagian tengah adalah bagian tengah bila
Membuat beberapa
bagian tip dan root
Kurva dibuat dengan menggunakan salah satu fitur di CATIA da
wireframe & surfac . Kurva dibuat berdasarkan titik
acuan yang merupakan titik-titik ujung (vertex) yang telah terdefinisi pada solid
Bab III Model Numerik Bilah Kipas 27
bagian tip dan root serta beberapa titik yang dibuat sendiri pada permukaan
solid. Jumlah kurva yang dibuat harus dapat merekonstruksi bentuk dari bagian
tip dan root ini.
bagian tengah
Kurva-kurva pada bagian tengah dibuat dengan menggunakan salah satu fitur di
CATIA yaitu ske
-
tch . Sketch ini merupakan fitur untuk membuat kurva atau
bidang datar (plane). Sebelum membuat sketch, perlu dibuat
Pem
Gambar 3. 7 Pembuatan kurva sebagai rangka bilah kipas
4. Membuat permukaan dari kurva yang telah dibuat.
ukaan dibuat dengan menggunakan multisection surface dan fill. Permukaan
ada bagian root dan tip dibuat dengan menggunakan fitur fill berdasarkan kurva-
tersebut digabungkan menjadi
Gambar 3. 8 Permukaan bilah kipas
titik pada suatu
beberapa plane yang menjadi acuan pembuatan sketch. Plane yang dibuat
merupakan bidang datar yang sejajar dengan bidang-xy. Jumlah kurva tidak
perlu terlalu banyak karena semakin rapat jarak antar kurva, permukaan yang
akan dibangun akan menjadi keriput.
buatan kurva dapat dilihat pada gambar 3.7 di bawah ini
Perm
p
kurva yang telah dibangun. Kemudian permukaan
satu permukaan yang tertutup dengan menggunakan fitur join. Sedangkan bagian
tengah dibuat dengan menggunakan multisection surface dari kurva-kurva
penampang lintang yang telah dibangun. Permukaan yang telah dibuat dapat dilihat
pada gambar 3.8
Bab III Model Numerik Bilah Kipas 28
5. Membuat model solid dari permukaan
Solid dibuat dengan menggunakan fitur . Syarat yang harus dipenuhi
dari model ini adalah merupakan surface yang
kipas hasil rekonstruksi dapat dilihat pada
close surface
surface yang digunakan harus
tertutup sempurna. Model solid bilah
gambar 3.9.
Gambar 3. 9 Model Solid bilah kipas
b. Perbandingan Model Baru dengan Model Asli
Dari rekonstruksi dihasilkan suatu model baru bilah kipas. Batas toleransi kesalahan
ang diperbolehkan adalah . Batas toleransi ini
yang dibentuk antara perpotongan
perti geometri antara model baru dengan model asli.
Gambar 3. 10 Model baru dengan Model Asli
y sekitar 500 mikron atau 0.5 mm
merupakan jarak maksimum antara dua buah kurva
kedua bilah kipas dengan suatu bidang yang sama. Dalam rekonstruksi model bilah
yang sebelumnya telah dilakukan, bagian tengah bilah memiliki selisih jarak kurang dari
100 mikron sedangkan bagian root dan tip memiliki selisih jarak kurang dari 400
mikron.
Dari dua model tersebut, dapat dibandingkan beberapa property geometri antara lain
volume, luas, dan titik massa model. Gambar 3.10 dan tabel 3.1 adalah perbandingan
antara pro
Bab III Model Numerik Bilah Kipas 29
Tabel 3. 1 Perbandingan Model Baru dengan Model Asli Model Asli Model Baru Δ
Area (m2) 0 (0%) 0.141 0.141
Volume (m3) 3.66E-04 3.65E-04 -1.00E-06 (0.2%)
CG x (mm 69 ) -4.241 -4.172 0.0
CG y 0.054 (mm) 11.784 11.838
CG z (mm) - -1 193.023 92.539 0.484
Dari tabel 3.1 di atas dapat ahwa m hasil rupakan
model yan proper etri yang sama deng del asli. Oleh
karena itu model ini dapat dipergunakan untuk analisis dengan m akan metode
as yang akan dianalisis memiliki geometri yang sangat rumit. Oleh
arena itu akan sangat sukar untuk membentuk jejaring dengan menggunakan elemen
ier. Metode yang digunakan dalam
Jenis elem yang memiliki
10 nodal dan elem
untuk dapat m elemen hingga yang memiliki bentuk sedekat
dilihat b odel baru rekonstruksi me
g memiliki ti geom hampir an mo
enggun
elemen hingga.
3.3.2 Pembentukan Jejaring Elemen Hingga
Model bilah kip
k
yang sederhana seperti elemen hexahedral lin
pembentukan jejaring elemen hingga pada kasus ini antara lain:
a. membangun jejaring elemen permukaan (2D) model bilah kipas
b. membangun jejaring elemen solid (3D) berdasarkan jejaring permukaan luar
yang telah dibuat.
en solid yang digunakan adalah elemen Tetragonal Parabolik
en hexahedral. Penggunaan elemen tetragonal parabolik ini bertujuan
endapatkan jejaring
mungkin dengan model aslinya sedangkan elemen hexahedral dipilih sebagai
pembanding hasil perhitungan.
Gambar 3. 11 Pembentukan Jejaring Elemen Hingga Pada Bilah Kipas dengan Menggunakan
Perangkat Lunak CATIA dan FEMAP
Bab III Model Numerik Bilah Kipas 30
3.3.3 Analisis Pembebanan Bilah Kipas
Beban yang diterima oleh bilah kipas merupakan kombinasi dari beban sentrifugal dan
beban aerodinamika. Beban sentrifugal memberikan gaya tarik pada arah radial
sedangkan beban aerodinamika memberikan gaya dorong ke arah lateral.
a. Beban Sentrifugal
Pada ini beban sentrifugal merupakan gaya yang disebabkan oleh massa benda tersebut
yang diputar dengan jarak r dari pusat massanya. Secara umum besar gaya sentrifugal
dirumuskan dalam persamaan 3.1 di bawah ini.
diasumsikan sebagai titik massa. Namun
Fs=mω2r (3.1)
Persamaan di atas digunakan apabila benda
pada kasus pembebanan ini, bilah kipas tidak dapat diasumsikan sebagai titik massa.
Besarnya gaya sentrifugal yang dialami oleh bilah kipas didapatkan dari persamaan 3.2
berikut ini:
2
2 20.5
sr
t
s rF arρω=
∫ (3.2)
t
F ardrρω=
imana ρ adalah kerapatan material bila ω adalah kecepatan angular putaran
ipas, a adalah luas penampang bilah pada setiap radius. Suffik r dan t adalah root dan
.2 di bawah ini:
Tabel 3. 2 Distribusi Gaya Sentrifugal pa a Bilah Kipas
D h kipas,
k
tip dari bilah kipas.
Perhitungan gaya sentrifugal pada kasus ini dilakukan dengan membagi-bagi bilah
menjadi 19 bagian. Besarnya gaya sentrifugal yang diterima setiap bagian dapat dilihat
pada tabel 3
dn rr(m) rt(m) A (m2) fs (N)
1 0.23 0.25 0.002 30731.43
2 0.25 0.27 0.001 16646.19
3 0.27 0.29 0.001 17926.67
4 0.29 0.31 0.001 19207.14
5 0.31 0.33 0.001 20487.62
6 0.33 0.35 0.000957 20832.07
7 0.35 0.37 0.000914 21066.39
Bab III Model Numerik Bilah Kipas 31
8 0.37 0.39 0.000898 21847.49
9 0.39 0.41 0.000868 22229.07
10 0.41 0.43 0.000848 22802.72
11 0.43 0.45 0.000847 23860.39
12 0.45 0.47 0.000861 25357.27
13 0.0008 26 4 0.47 0.49 7 736.3
14 0.49 0.51 0 .000887 28394.56
15 0.51 0.53 0 .000896 29829.97
16 0.53 0.55 0 .000901 31150.14
17 0.55 0.57 0 .000892 31981.17
18 0.57 0.59 0 .000859 31897.94
19 0.59 0.61 0.000293 11255.39
Fs total 454240
Penerapan gaya sentrifugal di atas dalam analisis m nggunakan metode elemen hingga
dapat dilakukan d an car a p alah n gaya dalam arah
sumbu z pada se b bi ang oton Cara kedua dapat
dilakukan dengan mberikan body load ece ular terhadap suatu
poros tertentu yan ngs iap an k bod pas.
b. Beban Aerodinamika
Pada kasus pemb na be aero dia sama dengan gaya
dorong akibat ali ud ing sin Ga ini didistribusikan
secara merata di seluru muk ela h ki ngkan gaya hambat
akibat putaran kipa tidak diperhitungkan.
ffisiensi kipas (ηf) : 90%
: 90%
Rasio polytropic compression ( (n-1)/n ) : 0.3175
e
eng dua a. Car ertama ad pemberia
tiap agian lah y telah dip g-potong.
me berupa k patan ang
g la ung d likasik e seluruh y bilah ki
eba n ini, ban dinamika sumsikan
ran ara d in me turbofan. ya dorong
h per aan b kang bila pas. Seda
s
Beberapa data yang diperlukan untuk menghitung gaya dorong aliran udara dingin
adalah:
Aliran massa udara ( m& ) : 420 lbs/sec ( 190.5088 kg/sec)
Fan Pressure Ratio ( po f /pa ) : 1.7
By Pass Ratio (mc/mh) : 2.9
E
Effisiensi nozzle (ηj)
Spesific heat pada tekanan konstan (cp) : 1005
Rasio spesific heat (γ) : 1.4
Bab III Model Numerik Bilah Kipas 32
Mesin dianggap beroperasi pada sea level dengan kondisi tempatur udara adalah 288K
dan tekanan udara 1 bar (100000 Pa)
Gaya dorong akibat aliran udara dingin pada mesin turbofan dirumuskan dengan
persamaan berikut
F cold coldm C& =cold
1cold coldF m C
B= ⎜ ⎟+⎝ ⎠
&B⎛ ⎞ (3.3)
h aliran massa udara dingin,
n. Dalam menentukan harga
d atau unchoked. Choked adalah
k meningkatkan gaya dorong.
an daan unchoked. Harga Ccold pada
Dimana Fcold adalah gaya dorong udara dingin, m& cold adala
dan Ccold adalah kecepatan udara dingin keluar dari mesi
Ccold perlu diketahui kondisi mesin apakah choke
kondisi dimana penambahan aliran massa udara m& tida
Pada kasus ini, kondisi mesin diasumsik dalam kea
kondisi unchoked dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut ini.
[2 ( )]coC ld p of onc T T= − (3.4)
n udara yang keluar dari nozzle. Besarnya (Tof - Ton) ditentukan
engan menggunakan persamaan berikut ini:
Dimana (Tof - Ton) adalah selisih temperatur udara antara aliran udara yang keluar dari
kipas dengan alira
d( 1)
1( ) 1/of apof on j ofT T T
p
γγ
η
−⎡ ⎤⎛ ⎞⎢ ⎥− = − ⎜ ⎟⎢ ⎥⎜ ⎟⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦
Nilai T
(3.5)
of ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut ini
1n
ofof if
a
pT T
p
−
⎛ ⎞= ⎜ ⎟
⎝ ⎠ (3.6)
Dimana T
n
eratur
Ta). Dengan memasukkan data FPR, rasio ic compression
temperatur udara luar ke dalam persamaan 3.6 maka Tof adalah 340.84 K.
Dengan memasukkan harga (Tof – Ton) dan data spesific heat pada tekanan konstan ke
alam persamaan 3.4 didapatkan harga kecepatan udara dingin ng keluar dar n
turbofan. Harga kecepatan aliran udara dingin yang keluar mesin turbofan adalah
if adalah temperatur udara masuk ke dalam kipas atau sama dengan temp
udara luar ( polytrop dan
Dari harga temperatur udara keluar kipas ini dapat ditentukan (Tof - Ton) dengan
menggunakan persamaan 3.5 sehingga diperoleh nilai selisih temperatur sebesar
45.55K.
d ya i mesi
302.58 m/s
Bab III Model Numerik Bilah Kipas 33
Dengan memasukkan harga kecepatan udara dingin ke dalam persamaan 3.3 dapat
itentukan besarnya gaya dorong aliran udara dingin. Harga gaya dorong aliran udara
n tahanan ini sebenarnya tidak tepat karena tahanan ini menyebabkan
kipas ini, tegangan daerah root tidak digunakan dalam perhitungan dalam
acat pada Bilah Kipas
a bagian yang membahas
nicking oping. Dalam manual perawatan bilah kipas TAY650-15 daerah
bilah kipas dibagi menjadi 3 bagian sebagai berikut:
dari tumpuan
d
dingin adalah 42864N.
Harga gaya dorong ini berlaku untuk keseluruh konfigurasi kipas. Sedangkan harga
gaya dorong yang dialami setiap bilah kipas adalah 1948 N.
3.3.4 Kondisi Batas
Kondisi batas yang diberikan pada pemodelan bilah kipas ini adalah tumpuan pin.
Pemberia
penampang root tidak dapat mengalami deformasi pada bidang-xy.
Ketidakmampuan penampang root untuk berdeformasi pada arah sumbu-x dan sumbu-y
mempengaruhi nilai tegangan pada daerah root bilah kipas. Namun dalam analisis
model bilah
menentukan faktor konsentrasi tegangan.
3.4 Permodelan C
Dalam permodelan cacat, perlu diperhatikan beberapa hal yang telah ditentukan dalam
manual perawatan bilah kipas TAY650-15 khususnya pad
kasus serta scal
a. Zona AF : yaitu daerah yang berjarak 0mm s.d 101 mm dari tumpuan.
b. Zona AE : yaitu daerah yang berjarak 101 mm s.d 141mm dari tumpuan
c. Zona AD : yaitu daerah yang berjarak lebih dari 141 mm
Pembagian zona tersebut dapat dilihat pada gambar 3.12 berikut ini
Bab III Model Numerik Bilah Kipas 34
Gambar 3. 12 Pembagian Zona Bilah Kipas Menurut Manual Perawatan Mesin TAY650-15
Setiap zona memiliki batasan toleransi maksimal kedalaman cacat dan scaloping yang
ip na d erbolehkan. Dalam tugas akhir ini, cacat yang dianalisis hanyalah cacat pada zo
AD dan AE. Cacat dimodelkan sebagai lubang setengah lingkaran dan setengah ellips.
Model setengah lingkaran divariasikan jari-jari lingkarannya untuk mengetahui
pengaruh perubahan diameter terhadap faktor konsentrasi tegangan.
0.5abr
Gambar 3. 13 Model Cacat Setengah lingkaran dan setengah Ellips
Bab III Model Numerik Bilah Kipas 35
Sedangkan scalloping dimodelkan dengan setengah ellips seperti dijelaskan pada
gambar 3.14 berikut ini.
Gambar 3. 14 Model Scalloping dengan ukuran AA=6mm
8AAAA
Bab III Model Numerik Bilah Kipas 36