material kompresor

Download Material Kompresor

Post on 22-Jan-2016

142 views

Category:

Documents

0 download

Embed Size (px)

DESCRIPTION

material kompressor

TRANSCRIPT

BAB 1PENDAHULUAN

1.1. LATAR BELAKANGRasio 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) 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 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 PENELITIANPenelitian 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 MASALAHPada 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.BAB 2TEORI PENUNJANG

2.1. DEFINISI TURBIN GASTurbin 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 2.2Skematik Turbin Gas [14]2.2. SIKLUS KERJA TURBIN GASTurbin 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...(1)Kerja Turbin...(2)Kerja Total...(3)Kalor Masuk Sistem..(4)Efisiensi Siklus...(5)

Gambar 2.3Siklus Brayton Ideal [13]

Efisiensi isentropika dari kompresor:...(6)Efisiensi isentropika dari turbiin:...(7)

2.3. MICRO GAS TURBINEMicrogas 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.

Gambar 2.4Model 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 2.5Aplikasi Turbin Gas Mikro [18].Aplikasi Turbin Gas Mikro [15]AplikasiKebutuhan Daya Listrik

Toko Kebutuhan Pokok40-50kW

Restoran / SPBU50-70kW

Swalayan150-300kW

Hypermarket300-2.000kW

Rumah Sakit100-6.000kW

Gedung Perkantoran400-3.000kW

Pabrik 500kW

2.4. KOMPONEN PADA TURBIN GASSistem 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 KompresorKompresor yang biasa digunakan pada turbin gas terdiri dari dua jenis, yaitu kompresor aksial dan kompresor sentrifugal.a. Kompresor aksialKompresor 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 ber