proses manufaktur sudu turbin gas
TRANSCRIPT
Departemen Teknik Industri Universitas Sumatera Utara
Proses Manufaktur Sudu Turbin Gas dengan Pengecoran Presisi (Investment Casting)
Oleh:Munawir Rosyadi Siregar; Utami Bela Ningsih Harahap
Abstract........Utami Boru Tulang Parbekbek, hehehehe……
1. Pendahuluan
Sudu turbin gas pada mesin pesawat terbang
dan pembangkit tenaga listrik adalah suatu
komponen kompleks yang dimanufaktur
dengan geometri , sturktur dan toleransi
yang sangat presisi. Sudu turbin tekanan
tinggi digunakan pada bagian turbin gas
dengan suhu tertinggi bahkan memerlukan
suatu proses pendinginan (cooling)
terintegrasi. Sudu turbin adalah bagian yang
sangat penting dalam suatu turbin gas,
laksana suatu insang pada ikan.
2. Fungsi Sudu Turbin
Sebagaimana dikatakan di atas, sudu turbin
digunakan pada turbin gas yang digunakan
pada pendorong pesawat terbang dan system
pembangkit tenaga listrik di atas tanah (land
based power generation). Turbin terdiri dari
saluran masuk udara, kompresor, ruang
bakar, bagian turbin dengan tekanan tinggi
dan rendah, dan saluran buangan (exhaust).
Turbin gas beroperasi pada suatu prinsip
yang sederhana yaitu mengkonversikan
energy panas (heat) menjadi energy
mekanik dengan menyedot sejumlah udara
yang sangat besar, memampatkan sampai
tekanan yang tinggi, mencampurkan udara
termampatkan itu dengan bahan bakar
kemudian membakarnya. Yang kesemua
pekerjaan penekanan dan pengekspansian
dilakukan oleh sudu turbin.
3. Perancangan (Design) Sudu
Turbin
Sudu turbin dirancang dengan beberapa
banyak pertimbangan seperti geometri yang
aero-properties yang berhubungan sifat
fluida kerja: temperatur, tekanan, dan
kecepatan. Selain itu juga bergantung pada
pemilihan bahan yang tepat yang
dipengaruhi oleh beban yang bekerja seperti
puntiran (akibat putaran yang sangat tinggi).
Sehingga baik geometri, material dan
dimensi juga harus diperhitungkan dengan
sangat presisi.
Efisiensi termodinamik adalah suatu
parameter yang penting dalam mendesain
sudu-sudu turbin gas yang perancangannya
dengan beberapa parameter dan rumus-
rumus yang kompleks. Para engineering
designer berupaya untuk memaksimalkan
temperatur operasi pada turbin atau lebih
khusus lagi pada bagian turbin yang
bertekanan tinggi meskipun ada batasan-
batasan yang tergantung pada kekuatan
material. Turbin tersusun dari ratusan sudu
yang berputar dengan kecepatan yang sangat
tinggi. Selain itu, sudu turbin juga didesain
memiliki saluran pendingin internal (berupa
lubang-lubang); seperti tampak pada gambar
1 dan 2; yang menambah kepresisian
pembuatannya.
Gambar 1 Sebuah sudu turbin dengan beberapa
saluran pendingin
Tegangan operasi (puntiran dan
lelah/fatigue) dan temperature operasi juga
sangat tinggi yang berakibat mengurangi
umur kerja (life cycle) dari sudu.
Saat ini, para desainer telah berhasil
membuat sudu turbin dengan kinerja optimal
yang dilakukan melalui suatu eksperimen
yang kontinu, proses manufaktur yang tepat
dan penggunaan material yang tepat pula.
4. Bahan untuk Sudu Turbin
Pemilihan bahan untuk suatu komponen
mesin bergantung pada beban apa yang akan
ditanggung oleh bahan tersebut.
Sebagaimana dijelaskan di atas, sudu turbin
mengalami beberapa beban seperti: beban
lelah akibat puntiran jangka panjang, beban
temperatur dan tekanan yang sangat tinggi,
dll.
Sejumlah material logam campuran (alloys)
telah dikembangkan untuk penggunaan
tertentu seperti sudu turbin gas. Saat ini
material yang digunakan adalah palladium
alloys. Alloys tersebut bergantung pada
material logam tambahan seperti
molybdenum dan tungsten. Juga sejumlah
persen tambahan berupa platinum untuk
menambah sifat material yang lebih baik
lagi. Selain itu, pemilihan material juga
diperkirakan terhadap proses manufaktur
dan biaya (cost).
Dari beberapa eksperimen, palladium alloys
biasanya sangat cocok untuk kondisi
temperature di atas 1.075OC.
5. Proses Manufaktur Sudu Turbin
5.1 Pengecoran (Casting)
Secara umum pengecoran adalah proses
pembuatan suatu komponen dengan cara
mencairkan material logam dan
menuangkannya kedalam suatu cetakan
yang sesuai. Cetakan yang biasa digunakan
terbuat dari benda-benda tahan panas seperti
pasir dan keramik.
Proses pengecoran ada beberapa macam.
Namun dalam hal ini, kita akan membahas
proses pengecoran pada sudu turbin yaitu
pengecoran presisi (investment casting).
Dalam proses pengecoran ini pola dibuat
dari lilin yang dilapisi dengan bahan tahan
api untuk membuat cetakan, setelah
sebelumnya lilin tersebut mencair terlebih
dahulu dan dikeluarkan dari rongga cetakan.
Pola lilin dibuat dengan cetakan induk
(master die), dengan cara menuang atau
menginjeksikan lilin cair ke dalam cetakan
induk tersebut.
Gambar 2 Tahapan pengecoran presisi
Tahapan pengecoran presisi : (Gambar 2)
- Pola lilin dibuat
- Beberapa pola ditempelkan pada
saluran turun (sprue) membentuk
pohon bola
- Pohon pola dilapisi dengan lapisan
tipis bahan tahan api;
- Seluruh cetakan terbentuk dengan
menutup pola yang telah dilapisi
tersebut dengan bahan tahan api
sehingga menjadi kaku;
- Cetakan dipegang dalam posisi
terbalik, kemudian dipanaskan
sehingga lilin meleleh dan keluar
dari dalam cetakan;
- Cetakan dipanaskan kembali dalam
suhu tinggi, sehingga semua kotoran
terbuang dari cetakan dan semua
logam cair dapat masuk kedalam
bagianbagian yang rumit; disebut
proses preheating;
- Setelah logam cair dituangkan dan
membeku cetakan dipecahkan, dan
coran dilepaskan dari sprue-nya.
Pengecoran presisi dilakukan pada sudu
turbin dengan alasan sbb:
1. Dapat membuat coran dalam bentuk
yang rumit;
2. Ketelitian dimensi sangat baik
(toleransi ± 0.076 mm);
3. Permukaan hasil coran sangat baik;
4. Lilin dapat didaur ulang;
5. Tidak diperlukan pemesinan lanjut;
5.2 Pengecoran Presisi pada Sudu Turbin
Dengan segala kerumitan geometri dan
fungsi sudu turbin, maka sudu turbin juga
dimanufaktur dengan presisi. Pengecoran
adalah cara yang paling tepat untuk
memanufaktur sudu turbin. Pengecoran sudu
turbin dilakukan sbb:
1. Pengisi (core) berupa keramik
diletakkan sedemikian rupa ke dalam
pola cetakan untuk nantinya menjadi
bagian saluran pendingin pada sudu.
2. Wax (lapisan lilin) dimasukkan
kedalam cetakan untuk
menghasilkan bentuk awal sudu.
Gambar 3 Skema dari suatu bidang potongan pada cetakan menunjukkan keramik pengisi
(cores) di lapisan lilin (wax) dan cetakan cangkang keramik
3. Kemudian posisi core dipresisikan
dengan menancapkan suatu kawat
penahan (pinning wire) pada lapisan
lilin.
4. Selanjutnya bentuk awal tersebut
dilapisi dengan beberapa lapisan
keramik sehingga dengan pasti
membentuk lapisan yang tebal
disekitar bentuk awal (pre-form)
yang didalamnya ada penahan
(pinning wire).
5. Kemudian, hasil rakitan tersebut
dipanaskan untuk melelehkan dan
mengeluarkan lapisan lilin kemudian
dibakar untuk menguatkan keramik.
Hasilnya adalah suatu cetakan
cangkang (shell) dari keramik yang
berisi beberapa pola core untuk
saluran pendingin yang posisinya
disesuaikan oleh beberapa kawat
penahan yang tertancap pada
cangkang.
6. Terakhir, cetakan dipanaskan awal
(preheat) untuk digunakan dalam
pengecoran sudu turbin dengan
menuangkan material logam yang
telah dicairkan.
Hasil dari cetakan tampak seperti gambar 4
dibawah ini. Adapun lubang-lubang
tambahan pada blade dapat dibuat dengan
pengeboran (drilling).
6. Kesimpulan:
Sudu turbin dirancang sesuai kebutuhan
yang sangat kompleks. Bentuk, ukuran dan
fungsi juga sangat rumit sehingga
dibutuhkan proses manufaktur yang rumit
pula. Proses manufaktur yang sesuai adalah
dengan pengecoran presisi (investment
casting) atau sering juga disebut less wax
casting.
Daftar Pustaka
D.C. Power, Palladium Alloy pinning Wires for Gas Turbine Blade Investment Casting, Johnson Matthey Noble Metals, Royston Mikell P. Groover , Fundamentals of Modern Maufacturing
Gambar 4 Sudu turbin gas sebagai hasil pengecoran presisi (investment casting)