material kompresor

54
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 1

Upload: yudha-simbolon

Post on 22-Jan-2016

222 views

Category:

Documents


6 download

DESCRIPTION

material kompressor

TRANSCRIPT

Page 1: Material Kompresor

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

Page 2: Material Kompresor

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

Page 3: Material Kompresor

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

Page 4: Material Kompresor

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

Page 5: Material Kompresor

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

Page 6: Material Kompresor

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

Page 7: Material Kompresor

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

Page 8: Material Kompresor

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

Page 9: Material Kompresor

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

Page 10: Material Kompresor

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

Page 11: Material Kompresor

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

Page 12: Material Kompresor

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

Page 13: Material Kompresor

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

Page 14: Material Kompresor

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

Page 15: Material Kompresor

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

Page 16: Material Kompresor

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

Page 17: Material Kompresor

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

Page 18: Material Kompresor

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

Page 19: Material Kompresor

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

Page 20: Material Kompresor

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

Page 21: Material Kompresor

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

Page 22: Material Kompresor

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

Page 23: Material Kompresor

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

Page 24: Material Kompresor

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

Page 25: Material Kompresor

3.2. DIAGRAM ALIR PENELITIAN

25

Page 26: Material Kompresor

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

Page 27: Material Kompresor

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

Page 28: Material Kompresor

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

Page 29: Material Kompresor

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

Page 30: Material Kompresor

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

Page 31: Material Kompresor

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

Page 32: Material Kompresor

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

Page 33: Material Kompresor

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

Page 34: Material Kompresor

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

Page 35: Material Kompresor

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

Page 36: Material Kompresor

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

Page 37: Material Kompresor

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

Page 38: Material Kompresor

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

Page 39: Material Kompresor

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