ek SIPIL MESIN ARSITEKTUR ELEKTRO

Transkripsi

1 ek SIPIL MESIN ARSITEKTUR ELEKTRO KAJI EKSPERIMENTAL KARAKTERISTIK DISAIN DARI KOMPRESSOR STATOR KASKADE DENGAN BRITISH PROFIL 97/35 5 PADA STAGGER 3 Kenned.Marsan * Abstract The chracteristic design of compressor stator cascade are mostl influence b the three tpe of stall phenomenon Blade stall orner Stall and Wall Stall. This research is aim to see that stall phenomenon influence at the aial compressor using British of Profile 97 / The eperiment was simulated in linear compressor cascade at stagger 3. The result of research indicate that along with the rising of angle of attack the value of air outlet angle and pressure loss coefficient will tend to constant. Increasing the Static Pressure were mostl influencing b the turning angle and pressure loss coefficient this matter show though the corner stall is present at the hub but the blade stall phenomenon is domination the stall condition reach at 8.5 O Keword : Static Pressure Blade stall orner Stall and Wall Stall Abstrak Karakteristik disain dari kompressor kaskade sangat di pengaruhi oleh 3 jenis fenomena stall Blade stall orner Stall dan Wall Stall. Penelitian ini bertujuan untuk melihat pengaruh dari fenomena stall pada kompressor aksial ang mengggunakan British Profil 97/35 5. Penelitian di simulasikan pada sebuah linear compressor cascade dengan variasi blade loading pada stagger 3.Hasil penelitian menunjukkan bahwa Seiring dengan peningkatan angle of attack harga air outlet angle dan pressure loss cofficient akan cenderung konstan Kenaikan tekanan statis p sangat di pengaruhi oleh harga turning angle dan pressure loss coefficient hal ini menunjukkan meskipun telah terjadi corner stall pada hub namun fenomena stall sangat di dominasi oleh fenomena blade stall kondisi stall terjadi pada angle off attack 8.5 O Kata kunci: Tekanan Statis Blade stall orner Stall dan Wall Stall. Pendahuluan. Latar belakang Sebagai salah satu komponen dari sebuah turbin kompressor aksial dalam usaha perbaikan efesiensina sangat bergantung pada peningkatan efesiensi dari desain aerodinamik dimana rancangan dari susunan airfoil blade inilah ang menentukan tingkat kompressibilitas dari kompressor aksial atau biasa disebut dengan kompressor aerodinamik. Meskipun perancangan sebuah kompressor aksial dapat menggunakan hasil perhitungan teoritis dari bidang kompressor aerodinamik namun informasi eksperimental tetap diperlukan sebab dari informasi inilah pemodelan teoritis tersebut dapat semakin disempurnakan. Interaksi antara lapisan batas sudu blade boundar laer dengan lapisan batas casing atau lapisan batas hub casing-hub boundar laer di dalam kompressor aksial di ketahui sebagai sebuah fenomena fisis aliran 3D ang sangat rumit dimana akibat dari interaksi tersebut akan menimbulkan * Staf Pengajar Program Studi D3 Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Tadulako Palu

2 Kaji Eksperimental Karakteristik Desain dari Kompressor Stator Kaskade dengan British Profil 97/3 55 pada Stagger 3 Kenned Marsan vortisitas sekunder secondar vorticit ang pada akhirna akan menimbulkan aliran sekunder. Kehilangan energi pada kaskade adalah berupa kehilangan tekanan dimana total kerugian energi timbul karena tiga hal : kerugian annulus % kerugian sekunder 44% dan kerugian profil 4%. Penelitian mengenai pola aliran sekunder ini telah dilakukan oleh banak peneliti dibidang compressor aerodnamik ang pada sebagian besar terfokus pada kelakuan dan bentuk pola aliaran sekunder ang terjadi dimana hasil dari penelitian tersebut menebutkan bahwa fenomena separasi 3-D di endwall akan mempengaruhi unjuk kerja dari sebuah kompressor aksial. Dengan dasar inilah ang membuat kami tertarik melakukan penelitian ini selain untuk mengetahui secara eksperimental mengenai efek dar separasi tersebut terhadap parameter fisik aliran D di tengah span juga sebagai masukan tambahan bagi karakteristik disain British profil 97//35 5 pada penggunaanna di kompressor aksial.. Rumusan masalah Untuk suatu cascade dengan geometri blade shape stagger chamber dan space-chord ratio tertentu data hasil pengukuran dua dimensi biasana disajikan dalam bentuk grafik deflection ε Δ sebagai fungsi dari incidence i atau sebagai fungsi dari inlet air angle. Aliran ang melewati linear cascade akan menghasilkan outlet angle perubahan outlet angle ini sangat berpengaruh terhadap perubahan kenaikan tekanan statis Δp / ang di hasilkan oleh fluida kerja. Melalui eksperimen ini akan diteliti secara nata dan mendetail mengenai parameterparameter fisik aliran ang ikut berpengaruh terhadap karakteristik disain dari blade cascade British profil 97/35 5 pada stagger 3 dalam penggunaanna pada kompressor aksial. Batasan Masalah : - Pengujian di simulasikan pada suatu linear kompressor cascade dengan menggunakan British profil 97// Pengujian dilakukan pada stagger λ 3 o dan variasi incidence ι dari o hingga O pada space chord ratio s/l ang konstan - Kecepatan aliran masuk ang konstan Bilangan Renold konstan. - ascade dengan tip clearence ang konstan. 3 cm. Tinjauan Pustaka Pada analisis karakteristik dari sebuah profil blade cascade sebagain besar data di peroleh dari pengukuran D-stationar cascade karena pengukuran detail medan aliran pada mesin kompressor ang sebenarna terutama pada rotor ang berputar memang sangat sulit. Namun analisis D pada pengukuran ang sebenarna terpengaruh oleh efek fenomena rumit separasi 3D pada wall casing dan hub efek dari fenomena tersebut ikut mempengaruhi karakteristik dari sebuh profil cascade.. Karakteristik Kaskade Beberapa informasi dapat di ambil dari hasil pengujian cascade-d pada terowongan angin dengan variasi blade shape stagger chamber dan space-chord ratio. Untuk suatu kaskade dengan geometri bentuk sudu sudut stagger sudut chamber dan perbandingan pitch-chord tertentu data hasil pengukuran biasana disajikan dalam bentuk grafik sudut kecepatan aliran udara keluar terhadap sudut aliran udara masuk atau biasa di defenisiskan sebagai deflection ε terhadap incidence i dan total pressure loss terhadap sudut masuk inlet angle atau incidence untuk sebuah bilangan Mach ang tertentu. Dari karakteristik cascade ang diperoleh secara eksperimental orang dapat menaksir stalling point maupun design point dari suatu kompressor ang 67

3 Jurnal SMARTek ol. 4 No. 3 Agustus 6: mempunai blading geometri ang sama dengan cascade ang diuji. Ketepatan penentuan incidence dimana stall terjadi sulit untuk di defenisikan dan stalling point biasana dinatakan sebagai incidence pada keadaan dari dua kali harga total minimum pressure loss atau nilai ratarata total pressure loss pada daerah diluar daerah stall adalah meningkat sebesar 5 persen. Gambar. Penelitian mengenai batas dari daerah stall tergantung pada defleksi dan peningkatan tekanan di sepanjang barisan blade pengujian ang di lakukan pada stationar D cascade merupakan hal ang vital dalam peningkatan efesiensi sebuah kompressor aksial. Design point didefenisikan sebagai titik ang terletak ditengah-tengah dua stalling incidence kiri dan kanan... Separation Stall. Pemisahan aliran separation flow adalah fenomena perubahan aliran terhadap aliran utama main bod ang terbentuk akibat adana inersia pada permukaan saluran ang dilintasi aliran. Bilamana aliran berpisah dari dinding maka akan terbentuk lapisan geser bebas free shear laer antara core flow dengan daerah pemisahan separation region ang menggangu arah aliran utama. Pada sistem aerodinamik ang menggunakan airfoil sebagai komponenna proses separasi ini menebabkan terjadina kondisi stall dimana terjadina penurunan koefisien lift dari airfoil tersebut. Dari data hasil pengujian didalam kompressor aerodinamik kondisi stall di bagi atas : a Blade Stall kondisi ini terjadi akibat adana separasi ang hebat pada suction side pada suatu harga sudut serang tertentu. b orner Stall kondisi ini terjadi akibat terbentukna gejala separasi tiga dimensi 3D berupa vorte sekunder pada wall casing dan hub ang membuat blockage effect terhadap aliran primer. c Wall Stall aliran sekunder ang melintang dari blade ke blade ang memberikan efek blockage ang ang lebih besar dibandingkan oleh vorte sekunder. Dalam kaskade sebuah kompressor kenaikan kecepatan sepanjang sudu-sudu menebabkan perubahan ang berartipada lapisan batas dinding wall boundar laer dan menghasilkan kontraksi efektif blockage dari aliran seperti ang ditunjukkan pada gambar Gambar. ascade characteristics /45/5;S/l ; 5 ; Rn 3 5 A.R. Howell ortese 68

4 Kaji Eksperimental Karakteristik Desain dari Kompressor Stator Kaskade dengan British Profil 97/3 55 pada Stagger 3 Kenned Marsan Luas Aliran Efektif Masuk Luas Aliran Keluar Gambar Kontraksi aliran akibat penebalan lapisan batas. 3. Metode Penelitian 3. Pengambilan data Susunan blade kaskade di tempatkan pada dinding ang dapat berputar pada wind tunnel sebagai simulasi dari casing dan hub kompressor. Pergerakan putaran bervariasi per O sebagai variasi perubahan angle of attack. Untuk mengetahui karakteristik medan aliran ang terjadi maka pengukuran ang dilakukan pada pengujian ini adalah pengukuran aliaran dimensi dengan menggunakan five hole probe dan Inclined manometer. Parameter ang diukur adalah tekanan stagnasi dan tekanan statis ang dilakukan pada : a Sepanjang Pitch t mm di tengah span untuk tiap variasi incidence dan variasi stagger dengan pergerakan Fife hole probe per 6 mm. b Didepan blade daerah inlet kaskade untuk mengetahui distribusi kecepatan masuk. 3. Persamaan Yang Digunakan Persamaan ang digunakan dalam menganalisis data sebagai berikut : Data pengukuran : Po P ; Po P ; Po P3 Po P4 ; Po Ptl ; Po Pst Koefisien sudut aliran : P4 P k.. β ΔP k dimana : ΔP 5 4 P3 P ΔP Pi 5 4. P j / P i j 4 i Pi ariabel sebagai fungsi terhadap koefisien sudut aliran dan : f k β k kp f3 k β k f k β κ kpt f4 k β k...4 dimana : f s/d f4 merupakan persamaan polinomial berderajat m dan n : f k β k k m n i β aij i j j k. 5 dimana koefisien persamaan regresi polinomil aij dari masing-masing fungsi tersebut diperoleh dari hasil kalibrasi 8. Sudut aliran keluaran kaskade : βs k β k dan arctan tan k k β cos β...6 Kerugian tekanan tak berdimensi secondar losses sepanjang pitch dan span [ ξ v f ] ; p tl P ζ v ΔP. k pt k β k

5 Jurnal SMARTek ol. 4 No. 3 Agustus 6: Perbandingan kecepatan aksial AR μ : cos.cos cos. μ X X...8 dimana : N p ζ Δ k k P k p p st P p P p β Δ Δ... ektor kecepatan aliran : cos. cos....sin.cos...3.sin..4 ektor kecepatan aliran sekunder : [ ].sin.cos M sek....5 sin sek 6 Rata-rata dan P ζ μ Δ : tan d d.7 tan d d.8 d d ζ ζ..9 d d μ μ.. Δ Δ d d p p.... Total secondar losses : / / h d d d h d ζ ζ Turning angle Δ : Δ Μ Analisa Hasil Eksperimen Harga turing angle Δ tak lepas dari perubahan harga air outlet angle ang terjadihasil penelitian ang pada gambar 3. menunjukkan bahwa harga Δ meningkat tajam pada o hingga 4 o dan turun pada harga ο. Hal ini terjadi akibat dari variasi perubahan harga dan. Sementara grafik menunjukkan hal ang berbeda tampak pada pada o hingga 4 o grafik menurun kemudian cenderung konstan hingga 7 o hal ini mengindikasikan terjadina separasi wake pada permukaan sudu. Hasil penelitian pada gambar 4 menunjukkan bahwa defleksi aliran terjadi pada daerah ang memiliki wake ang besar. Pada angle of attack o hingga 4 o wake tampak membesar kemudian perlahan akan mengecil seiring dengan bertambahna harga

6 Kaji Eksperimental Karakteristik Desain dari Kompressor Stator Kaskade dengan British Profil 97/3 55 pada Stagger 3 Kenned Marsan. Posisi blade ang masih datar sejajar arah aliran titik pressure minimum masih berada pada daerah suction side sehingga menebabkan terjadina separasi aliran pada pressure side pada trailing edge. Jika harga angle of attack terus di perbesar maka secara perlahan titik stagnasi akan bergeser kearah pressure side dan akan menggeser titik tekanan minimum ke arah leading edge sehingga aliran dengan lintasan lengkung makin dipercepat dan menebabkan terjadina wake pada daerah section side hal ini mulai tampak pada a6 O keatas dari gambar 4 Akibat dari wake ang terjadi demikian kuatna pada suction side menebabkan terjadina blockage effect sehingga akan mendesak stream line aliran ang mengarah keatas pada saat itu harga menguat tajam dan juga akan menurunkan harga turning angleδ. Δ Angle of attack Gambar 3. Grafik Turning angle dan air outlet angle Gambar 4. Distribusi / Sepanjang satu pitch dengan variasi angle of attack 7

7 Jurnal SMARTek ol. 4 No. 3 Agustus 6: Gambar 5. Distribusi ζv sepanjang pitch dengan variasi angle of attack pada λ 3 o. 4.. Koefisien Tekanan p Dari cascade information eperiment data base menunjukkan bahwa dengan pembesaran ang akan meningkatkan harga turning angle Δ analog dengan pengurangan flow coefficient φ ang berarti meningkatkan harga kenaikan tekanan statis p. Pada stalling condition harga Δ turun drastis maka harga p juga akan turun. Harga p cenderung naik secara kontinu gambar 6 mengikuti peningkatan harga hingga pada angle of attack 8 o p menurun secara tajam stalling condition. Jika di perhatikan untuk stagger 3 pola grafik kenaikan harga p cenderung bergerak mengikuti kenaikan harga turning angle dan pressure losses coefficient dimana tampak bahwa sepanjang harga dan losses konstan maka harga p akan meningkat seiring dengan peningkatan harga air inlet angle dimana tampak bahwa semakin harga angle of attack maka harga p juga akan meningkat. 4.3 Aial elocit Ratio μ Pada gambar 7 terlihat bahwa perubahan harga AR berada pada kisaran hingga 3. Grafik tersebut menunjukkan bahwa kenaikan harga p telah sesuai dengan defenisi dari stall condition dimana harga p dapat naik mengikuti kecenderungan membesarna harga turning angle Δ dan tekanan turun pada saat harga turning angle Δ turun secara drastis diikuti oleh kenaikan harga ζv. Gambar 8. dan 9. menunjukkan pola aliran sekunder didaerah tip clearence untuk stagger 3 pada angle of attack 8 o dan o dengan menggunakan British Profil 97/35/5 hasil penelitian oleh: BintoroITS. Grafik pola aliran sekunder tersebut menunjukkan pada tip clearence terbentuk passage vorte mengarah dari pressure side ke section side sudu berikutna namun perkembangan passage vorte tersebut terbilas oleh tip clearence vorte ang terbentuk pada saat ang sama di daerah pressure side sudu ang besebelahan akibatna maka titik pusat vorte akan bergeser ketengah 7

8 Kaji Eksperimental Karakteristik Desain dari Kompressor Stator Kaskade dengan British Profil 97/3 55 pada Stagger 3 Kenned Marsan Gambar 6. Grafik Pressure oefficient p dan pressure loss coefficientvterhadap perubahan angle of attack AR Angle Of Attack Gambar 7. Grafik Aial elocit ratio μ s Angle of attack 73

9 Jurnal SMARTek ol. 4 No. 3 Agustus 6: Pitch [mm] Span [mm] Gambar 8. Pola aliran sekunder [ λ 3 8 o ] 4 Pitch [mm] Span [mm] Gambar 9.. Pola Aliran Sekunder [ λ 3 o ] Mengacu dari penelitian tersebut maka dapat dikatakan bahwa pada stagger 3 separasi 3 dimensi pada daerah wall adalah fenomena corner stalldari hasil penelitian terlihat bahwa untuk stagger klasik 3 o meskipun telah terjadi vorte sekunder namun fenomena stall ang mendominasi adalah kondisi blade stall aitu akibat kuatna separasi ang terjadi di permukaan blade. 5. Kesimpulan Berdasarkkan hasil penelitian pada kompressor stator kaskade dengan british profil 97/35/5 pada stagger 3 O dapat disimpulkan bahwa : a. Seiring dengan peningkatan angle of attack harga air outlet angle dan pressure loss cofficient akan cenderung konstan b. Kenaikan tekanan statis p sangat di pengaruhi oleh harga turning angle dan pressure loss coefficient. 74

10 c. Meskipun telah terjadi corner stall pada hub namun fenomena stall dii dominasi oleh fenomena blade stall. d. Kondisi stall terjadi pada angle off attack 8.5 O 6. Daftar Pustaka Bintoro Pengaruh Blade Loading Terhadap Aliran Sekunder Pada Kompressor Stator Kaskade Dengan Profil British 97/35/5 Simulasi Aliran Dekat Hub Thesis S Pasca Sarjana Teknik Mesin ITS Surabaa.Indonesia. ProhutomoB.999 Kalibrasi Five-holes Probe dan Aplikasina pada Medan Aliran Sekunder Tugas akhir Jurusan Teknik Mesin Fak. Teknologi Industri ITS Surabaa.Indonesia. SasongkoH.997 Rand und Spalstomungen in Stark gestaffelten verdichtergitten aus Schwachegewolbten Profilen ZLR- Forschungbericth. Jurgen Hubner 996 Eperimentalle und Theoretische Untersuchung der Wesentlichen Einflubfaktoren auf die Spalt- und Sekundarstrongmung in erdichtergittern Dissertation Universitat der Brundeswehr Munchen. Kaji Eksperimental Karakteristik Desain dari Kompressor Stator Kaskade dengan British Profil 97/3 55 pada Stagger 3 Kenned Marsan HorlockJ.H. 973 Aial Flow ompressors Robert E.Krieger Publishing ompan HuntingtonNew York. David Gordon W. 989The Design of High-Efficienc Tubomachiner and Gas TurbinesMassachusetts Institute of Technolog USA. Semour Leiblein 959 Loss and Stall Analsis of ompressor ascades Journal of Basic Engineering Transaction of ASME. J.A. Storer & N.A. umpst 99 Tip Leakage Flow in Aial ompressor Journal of Turbomachiner vol.33 Transaction of ASME. S.Kang &. Hirsch 995 Tip learence Flow and Loss In aial ompressor ascades Dept. Fluid Mechanics rije Universitet Brussel Pleinlaa 5 Brussel Belgium. 75