Diterima 13 Juni 2006; diterima terkoreksi 2 Agustus 2006; disetujui 15 Agustus 2006

Transkripsi

1 Pemodelan Numerik dan Visualisasi Aliran Sekunder pada Kaskade Kompresor Aksial dengan Profil Bercamber Kuat, Stagger Lemah, Dengan dan Tanpa Tip Clearance Kompresor aksial dapat menghasilkan laju aliran massa udara yang tinggi dengan luas bidang frontal yang kecil, maka kompresor aksial sangat cocok untuk turbin gas pada sistem propulsi pesawat terbang. Berbagai penelitian dan pengembangan terus dilakukan untuk meningkatkan efisiensi kompresor, dimana salah satu penyebab rendahnya efisiensi adalah kerugian energi akibat aliran sekunder (secondary flow) pada cascade kompresor yang mencapai 50% dari total kerugian energi. Aliran sekunder terbentuk di sekitar endwall pada hub dan casing yang diakibatkan adanya interaksi antara lapisan batas sudu (blade boundary layer) dengan lapisan batas casing atau lapisan batas hub (casing-hub boundary layer) dimana fenomena ini disebut sebagai aliran tiga dimensi. Terbentuknya aliran sekunder akan diikuti dengan penyumbatan aliran (blockage effect), perubahan sudut defleksi dan konstraksi aliran ke arah mid span serta timbulnya kerugian Alief Wikarta, Herman Sasongko Jurusan Teknik Mesin, FTI - ITS Surabaya Kampus ITS, Keputih, Sukolilo, Surabaya, Telp.: , Fax.: wikarta@me.its.ac.id Diterima 13 Juni 2006; diterima terkoreksi 2 Agustus 2006; disetujui 15 Agustus 2006 Abstract End-wall region in low staggered axial compressor cascade is a region where the secondary flow happened. At a configuration without tip clearance, the secondary flow is formed by interaction of cross passage flow with curl flow. While for the configuration with tip clearance, the secondary flow is formed by the interaction of passage vortex with tip clearance flow. The major effect of the secondary flow is an incidence of secondary vortices. Based on that idea, this research is conducted to visualize the secondary flow using experimental and numerical studies. Experimental studies were performed using oil flow visualization, while the numerical study was performed using commercial software Fluent 6.0 applied to three dimensional cascade model. Flow visualization results show that the increase in blade loading form the stronger cross passage, curl, and tip clearance flows. Comparing with the lower camber results, the present results also show the increase in strength of cross passage and curl flows. The static pressure distribution at the end-wall and span is obtained from numerical simulation, and can be used as basic analysis for the formulation of the secondary flow. Keywords: Secondary flow, compressor cascade, strong camber angle, oil flow picture, static pressure distribution. sekunder (secondary losses) sebagai efek terbesar. Oleh karena itu penelitian mengenai fenomena separasi aliran tiga dimensi perlu dilakukan dalam rangka mengurangi losses yang terjadi akibat aliran sekunder. Kaskade kompresor tanpa tip-clearance, wujud fisiknya dalam kompresor aksial terdapat pada hubungan yang rigid antara hub dengan pangkal sudu rotor untuk sudut stagger lemah. Pada penelitian dengan harga sudut stagger yang lemah (<45 ), hampir semua penelitian menemukan fenomena yang sama dan dikenal sebagai Corner Stall Theory. Hasil penelitian Storer [1] dengan λ = 22.5º, θ = 45.5º dan Kang [2] dengan λ = 10º, θ = 45º serta Hubner [3] dengan λ = 32.5º, θ = 48º menunjukaan gejala tiga dimensi berupa vortex aliran sekunder dekat casing dan hub yang membuat blockage terhadap aliran primer sehingga aliran berkonsentrasi menjauhi wall. Fenomena itu terbentuk di bagian hub pada 110

2 Wikarta, Pemodelan Aliran Sekunder pada Kaskade Kompresor Aksial 111 sudut dekat trailing edge karena adanya tubrukan aliran secara frontal antara passage vortex dengan curl flow dalam arah yang berlawanan. Akhirnya tubrukan dari kedua aliran yang masing-masing memiliki momentum dan arah yang berbeda tersebut akan menghancurkan aliran energi dekat cascade wall dan mengakibatkan harga Axial Velocity Ratio (AVR) dari aliran di mean radius hanya sedikit lebih besar dari satu. Hasil penelitian Sasongko [4] untuk stagger λ = 30 menunjukkan fenomena passage vortex dan curl flow secara jelas seperti pada gambar 1. Kaskade kompresor dengan tipclearance, wujud fisiknya dalam kompresor aksial terdapat pada daerah antara ujung (tip) sudu stator dengan hub untuk sudut stagger lemah. Hasil penelitian [1], [2] dan [3] dengan tip clearance menunjukkan bahwa terjadi pembentukan tip clearance vortex bersamasama passage vortex dalam arah perputaran satu sama lain yang berlawanan sehingga terjadi efek timbal balik antara keduanya. Intensitas dari efek timbal balik itu tergantung dari intensitas tip clearance vortex yang pada prinsipnya sangat dipengaruhi oleh besarnya tip clearance yang diberikan. Semakin besar tip clearance maka tip clearance vortex akan semakin mendominasi aliran dekat cascade wall sehingga low energy boundary layer material yang semula terpusat di sudut belakang suction side sekarang terpusat di pusat tip clearance vortex. Pola aliran dan kronologi terjadinya aliran sekunder berupa vortex pada tip clearance diilustrasikan dengan baik oleh Kang dan Hirsch [5] pada gambar 2. Kang dan Hirsch memilih blade NACA 65- (18)10 dengan sudut stagger lemah. Sedangkan tip clearance flow diilustrasikan oleh Inoue [6] pada gambar 3. Penelitian ini akan difokuskan pada pemodelan secara numerik dan visualisasi dengan menggunakan oil-flow picture untuk aliran sekunder pada endwall kaskade kompresor aksial berprofil British 9C7/42.5C50 stagger lemah dengan dan tanpa tip-clearance. Hasil penelitian ini akan memberikan suatu tambahan informasi mengenai pengaruh penambahan blade loading (a) Gambar 1. Aliran tiga dimensi untuk λ = 30, α = 18, c/l = 0; (a) Oil flow picture, (b) Sketsa aliran tiga dimensi [4]. (b)

3 112 Jurnal Teknik Mesin, Volume 6, Nomor 3, September 2006 pada sudu yang memiliki camber besar dan pengaruh adanya clearance terhadap pola aliran yang terjadi. Jika selama ini penelitian yang telah ada menunjukkan dengan penambahan blade loading menyebabkan cross passage flow yang kuat maka pada penelitian ini adanya camber yang besar akan menjadikan cross passage flow terbentuk semakin kuat lagi. Apalagi dengan adanya clearance akan menyebabkan aliran sekunder yang terjadi sangat hebat karena terdapat gabungan dari tip clearance flow terhadap cross passage flow. Pemodelan secara numerik dapat memperjelas diskripsi aliran yang terjadi sehingga dapat menambah data base mengenai aliran sekunder pada kaskade kompresor aksial. METODE PENELITIAN Perangkat lunak Computational Fluid Dynamics (CFD) yang digunakan dalam penelitian numerik adalah program Fluent 6.0. Langkah-langkah dalam penggunaan CFD adalah sebagai berikut: 1. Grid. Pada langkah ini kita mengimport grid yang telah kita buat dulu pada software Gambit. Bentuk meshing yang dihasilkan dapat dilihat pada gambar 4 dan 5; 2. Models. Merupakan pemodelan jenis penyelesaian yang digunakan yaitu double precision dan segregated. Model turbulen yang dipakai adalah k-ε Realizable; 3. Materials. Merupakan penetapan jenis material yang akan digunakan, yaitu udara 3 dengan density 1,225 kg/m dan 5 viscouscity1,7894x10 kg/m.s; 4. Operating Condition. Merupakan perkiraan kondisi daerah operasi yang biasanya merupakan perkiraan tekanan pada daerah operasi, yakni sebesar Pascal; 5. Boundary Condition. Merupakan penentuan parameter-parameter dan batasan yang mungkin terjadi pada aliran. Kondisi batas inlet menggunakan harga 5 Reynolds Number sekitar Re c =3, ; 6. Solution. Adalah tahap penyelesaian masalah berupa proses iterasi hingga mencapai harga convergence criterion yang diinginkan, dalam penelitian ini -3 harganya sebesar 10 ; 7. Postprocessing. Merupakan penampilan hasil serta analisa terhadap hasil yang telah diperoleh. Pengunaan model numerik dapat menghasilkan kontur koefisien tekanan statis dan pathlines. Visualisasi aliran merupakan cara untuk mengetahui secara nyata (kasat mata) fenomena aliran sekunder yang terjadi pada kaskade kompresor. Prosedur pengambilan visualisasi adalah sebagai berikut: 1. Membuat campuran untuk pemolesan pada daerah yang telah ditentukan, yaitu dari titanium powder, palm oil dan tinner dengan perbandingan 1:8:1; Gambar 2. Skema aliran di daerah tip-clearance untuk stagger lemah [5]. Gambar 3. llustrasi struktur tip clearance flow [6].

4 Wikarta, Pemodelan Aliran Sekunder pada Kaskade Kompresor Aksial Memasang benda uji pada lorong angin dengan pemasangan secara vertikal; 3. Memoleskan campuran yang telah dibuat ke daerah yang telah ditentukan; 4. Menghidupkan fan sesuai dengan kecepatan sebesar 30 m/s (putaran fan 1340 rpm) sampai terbentuk pola-pola aliran sekunder pada permukaan model; 5. Mematikan fan dan mengeluarkan model dari lorong angin; 6. Melakukan pemotretan pada model yang telah dikeringkan. PEMBAHASAN Perubahan camber angle menyebabkan perubahan pola aliran sekunder di endwall kaskade kompresor. Hasil pemodelan numerik dan visualisasi eksperimen yang dilakukan Djanali [7] dengan menggunakan profil sudu British 9C7/32,5C50 dapat dipergunakan sebagai pembanding. Pada gambar 6 dan 7 hasil eksperimen untuk yang tanpa clearance, terlihat bahwa pada pemberian pembebanan yang sama menghasilkan fenomena menarik yaitu semakin besar camber angle maka semakin kuat pula intensitas cross passage flow di blade passage dan curl flow di trailing edge. Analisa mengenai hal ini harus kembali pada dasar history 2D kontur isobar dan history wake dari sudu tersebut. Sudu yang memiliki camber angle lebih besar (lebih lengkung) akan memiliki perbedaan tekanan maksimum dan minimum yang semakin besar serta pembentukan 2D wake yang semakin ke depan. Kedua hal itulah yang menyebabkan aliran sekunder 3D yang terbentuk semakin hebat. Gambar 8a, 8b, dan 8c menunjukkan bahwa dengan adanya kenaikan angle of attack membuat lokasi forward saddle point mengalami pergeseran yang semakin menuju lower side dan menjauhi leading edge sudu itu sendiri. Ini dikarenakan, aliran pada upper side dipaksa untuk melalui daerah percepatan sedangkan aliran pada lower side harus melintasi daerah pembebanan yang semakin membesar sehingga energi yang digunakan. juga akan semakin besar. Akibat semakin besarnya energi yang dihabiskan untuk melewati upper side dan lower side ini maka aliran harus terseparasi lebih awal agar mampu melintasi nose. Selain itu lengkung cabang separation line berupa cross passage flow yang mengarah ke upper side sudu di sebelahnya akan memiliki slope yang semakin kuat dengan penambahan angle of attack. Pada daerah exit cascade, intensitas curl flow yang terjadi juga semakin menguat terlihat dengan semakin melengkungnya curl flow dekat trailing edge. Untuk memprediksi pola aliran sekunder di endwall belum cukup dengan hanya melihat goresan shear stress line yang terbentuk. Sebagaimana diketahui bahwa di daerah midspan kondisi aliran dapat dikatakan sama dengan aliran melintasi lorong sudu tanpa adanya wall atau berupa aliran dua dimensi. Aliran yang jauh dari dinding ini memiliki momentum yang sangat besar sehingga mudah melewati lengkung sudu dengan kejadian aliran dipercepat sampai titik optimum, kemudian mengalami perlambatan sampai terjadi separasi dua dimensi. Semakin mendekati dinding maka aliran akan terpengaruh oleh lapisan batas wall selain lapisan batas sudu. Aliran yang terkena Gambar 4. Meshing pemodelan numerik. Gambar 5. Meshing blade daerah span.

5 114 Jurnal Teknik Mesin, Volume 6, Nomor 3, September 2006 pengaruh lapisan batas wall akan mengalami hambatan sehingga momentumnya jadi kecil, padahal diketahui bahwa aliran akan bergerak dari daerah kaya energi menuju daerah miskin energi. Dalam hal ini momentum aliran pada endwall yang kecil tidak akan banyak berperan dalam pergerakan aliran. Oleh karena itulah tekanan statis menjadi faktor yang sangat dominan dalam menentukan pergerakan aliran. Analisa kontur koefisien tekanan statis (isobar) yang didapat dari simulasi numerik seperti gambar 9 akan sangat membantu memprediksi aliran sekunder. Pada inlet cascade wall region, harga tekanannya masih cenderung konstan karena aliran belum mengalami gangguan. Memasuki blade cascade wall region, aliran yang semula bergerak dalam satu koloni terbagi menjadi dua kelompok mengarah ke dua daerah yang berbeda, yaitu daerah bertekanan rendah dan daerah bertekanan tinggi. Daerah tekanan rendah terletak pada bagian tengah upper side sudu yang ditunjukkan oleh warna biru. Daerah tekanan tinggi terletak pada bagian lower side sudu mulai dari leading edge sampai ke trailing edge. Di depan leading edge dapat ditemukan adanya contour line melingkar yang memiliki harga tekanan statik yang lebih besar dari tekanan statik di sekitarnya. Hal ini menunjukkan adanya fenomena seolah-olah di daerah ini aliran dihentikan secara mendadak, kemudian terbentuk local stagnation pressure. Fenomena ini pada oil flow picture akan terdeteksi sebagai saddle point. Pada daerah antara dua blade yaitu pressure side dan suction side sudu di bawahnya terdapat perbedaan tekanan. Ini memungkinkan adanya aliran yang mengarah dari pressure side sudu atas menuju suction side sudu bawah. Pada oil flow picture kejadian inilah yang terdeteksi sebagai cross passage flow. Di daerah sekitar upper side trailing edge masih terlihat pola kontur isobar bertekanan rendah sedangkan pada daerah lower side nya terbentuk area bertekanan tinggi. Akibatnya adalah terjadi aliran memutari trailing edge dari lower side menuju upper side. Fenomena ini merupakan kejadian yang bisa menjelaskan terjadinya curl flow. Kontur isobar pada gambar 9 dan 10 dapat digunakan untuk memperkirakan arah aliran fluida berdasarkan kecenderungan fluida mengalir dari daerah bertekanan tinggi ke daerah bertekanan lebih rendah. Atau dengan kata lain, kontur isobar yang ditunjukkan pada daerah endwall untuk tanpa tip clearance merupakan suatu sebab terjadinya aliran Gambar 6. Oil flow picture ( θ = 32,5º γ = 30º α = 4º c/l =0%) [7]. Gambar 7. Oil flow picture ( θ = 42,5º, γ= 30º, α = 4º, c/l =0%).

6 Wikarta, Pemodelan Aliran Sekunder pada Kaskade Kompresor Aksial 115 sekunder bukan merupakan suatu akibat. Penjelasannya sebagai berikut, pada gambar 10 terlihat bahwa kontur isobar pada midspan identik dengan kontur isobar pada endwall meskipun levelnya berbeda. Ini menunjukkan bahwa kontur isobar sepanjang span secara kualitatif adalah sama. Padahal karakteristik aliran yang ditunjukkan pada midspan sangat berbeda dibandingkan pada endwall, misalnya cross passage flow yang terjadi pada endwall tidak terjadi pada midspan. Pada midspan aliran yang memasuki sudu adalah aliran yang kaya energi sehingga kontur isobar tidak berpengaruh terhadap aliran dan aliran mampu melewati lorong sudu dengan baik. Sedangkan pada endwall, aliran dekat dinding adalah aliran yang miskin energi atau momentum kinetiknya sangat rendah sehingga kontur isobar sangat mempengaruhi aliran tersebut. Gambar 11 menunjukkan hasil visualisasi aliran dan prinsip topologi yang didapat dari analisa skin friction line pada endwall untuk angle of attack º º 4, 8 º dan 12 dengan tip clearance. Gambar11a, 11b dan 11c menunjukkan bahwa dengan pembebanan yang lebih besar ( angle of attack lebih besar), titik separasi akan bergeser ke arah depan dan daerah jet flow menjadi semakin luas. Hal ini disebabkan aliran semakin tangensial sehingga aliran yang memasuki tip clearance dipercepat, akibatnya jet flow tidak lagi hanya terjadi di daerah tip clearance tetapi meluas ke arah leading edge. Meningkatnya intensitas jet flow menyebabkan rolling up dengan passage flow menjadi semakin kuat dan semakin jauh dari suction side sehingga tip clearance vortex yang terjadi juga semakin hebat. Selain itu, kuatnya intensitas tip clearance flow akan menyebabkan lintasan vortex semakin ke atas atau tangensial. Hal ini disebabkan jet flow akan semakin mendesak passage flow ke atas. Jet flow yang semakin tangensial ini juga menyebabkan posisi titik separasi di dekat trailing edge bergeser maju semakin mendekati bagian tengah sudu. Analisa kontur koefisien tekanan yang didapat dari simulasi numerik seperti gambar 12 akan sangat membantu memprediksi aliran sekunder dekat endwall cascade compressor. Kontur koefisien tekanan yang diperoleh dari hasil numerik untuk konfigurasi kaskade dengan tip clearance pada cascade wall menunjukkan bahwa distribusi tekanan terbagi menjadi dua daerah yaitu daerah bertekanan rendah dan daerah bertekanan tinggi. Daerah tekanan rendah menguasai hampir di semua daerah tip clearance hingga daerah di atas suction side, dimana daerah tekanan minimum berada di daerah tip clearance. Daerah tekanan tinggi menguasai lower side sudu hingga ke bagian belakang sudu. Tekanan minimum yang berada di daerah suction side sudu yang bersangkutan menyebabkan terjadinya tip clearance flow yang dipercepat menjadi jet flow dan mengalami rolling up membentuk tip (a) α = 4º (b) α = 8º (c) α = 12º Gambar 8. Oil flow picture ( θ = 42,5º γ = 30º α = 4º, 8º dan 12º c/l =0%).

7 116 Jurnal Teknik Mesin, Volume 6, Nomor 3, September 2006 clearance vortex yang arahnya membujur dari suction side ke belakang lorong sudu. Tip clearance vortex yang dipercepat menjadi jet flow pada tip mengakibatkan tekanan pada bagian tip dekat trailing edge menjadi sangat rendah. Pada grafik kontur isobar, tip clearance vortex ini ditandai dengan adanya tonjolan-tonjolan pada daerah kontur di atas suction side hingga ke belakang. Pada aliran dengan tip clearance, kontur isobar pada endwall berbeda dengan pada midspan, seperti gambar 13. Perbedaan itu terletak pada bagian tip dan tonjolan-tonjolan di dekat trailing edge sampai di belakang lorong sudu, tonjolan-tonjolan ini merupakan suatu akibat adanya tip clearance vortex di bagian tip dekat trailing edge yang intensitasnya kuat. Intensitas vortex yang kuat ini akan menginduksi aliran sekitar ke belakang sudu mengakibatkan palung tekanan rendah yang tampak sebagai tonjolan-tonjolan pada kontur isobar. Jadi kontur isobar akan berubah jika terdapat vortex dengan intensitas yang sangat kuat. KESIMPULAN Hasil penelitian yang telah dilakukan menunjukkan bahwa: 1. Semakin lengkung suatu sudu akan mengakibatkan intensitas cross passage flow dan curl flow yang terbentuk semakin kuat; 2. History kontur isobar 2D sangat menentukan pola-pola aliran sekunder yang terjadi pada nearwall flow, baik pada konfigurasi tanpa maupun dengan tip clearance. Sementara untuk variasi angle of attack yang semakin bertambah menghasilkan kesimpulan sebagai berikut: Tanpa tip clearance 1. Posisi forward saddle point semakin bergeser ke arah lower side dan menjauhi leading edge; 2. Intensitas cross passage flow dan curl flow menjadi semakin kuat; 3. Perbedaan tekanan antara pressure side dan suction side semakin meningkat; Dengan tip clearance 1. Posisi forward saddle point semakin bergeser ke depan menjauhi leading edge; 2. Intensitas jet flow semakin menguat sehingga tip clearance vortex juga semakin hebat; 3. Lintasan tip clearance vortex semakin ke depan dan semakin tangensial. DAFTAR PUSTAKA [1] Storer, J.A Tip Clearance Flow ini Axial Compressor. PhD Disertation, University of Cambridge. [2] Hubner, J Experimentelle und Theorische Stromung in Verdichtergitten. Dissertation Universitat der Brundeswerhr, Muenchen. [3] Kang, S Investigation on Three Dimensional within a Axial Compressor with and without Tip Clearance. PhD Thesis, Vrije Universiteit Brussel Belgium. Gambar 9. Kontur isobar di endwall ( θ = 42,5º, γ= 30º, α = 4º, c/l = 0%). Gambar 10. Kontur isobar di span ( θ = 42,5º, γ= 30º, α = 4º, c/l = 0%).

8 Wikarta, Pemodelan Aliran Sekunder pada Kaskade Kompresor Aksial 117 [4] Sasongko, H Rand and Spaltstromungen in Stark Gestaffelten Verdichtergitten aus Schwach Gewolbten Profilen. ZLR-Forschungsbericht [5] Kang, S and Hirsch, C Experimental Study on Three Dimensional Flow Within A Compressor Cascade With Tip-Clearance: Part II Tip Leakage Vortex. Journal of Turbomachinery, Vol 115. [6] Inoue, M. Kuroumaru, M and Fukuhara, M Behavior of Tip Leakage Flow Behind an Axial Compressor Rotor. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol 108. [7] Djanali, Vivien Suphandani Visualisasi Aliran Sekunder (Numerik dan Eksperimen) pada Kaskade Kompressor Aksial Profil British 9C7/32.5C50 Stagger Lemah Dengan dan Tanpa Tip Clearance. Tugas Akhir Jurusan Teknik Mesin FTI-ITS Surabaya. (a) α = 4º (b) α = 8º (c) α = 12º Gambar 11. Oil flow picture ( θ = 42,5º γ = 30º α = 4º, 8º dan 12º c/l =3%). Gambar 12. Kontur isobar di endwall ( θ = 42,5º γ= 30º α = 4º c/l = 3%). Gambar 13. Kontur isobar di span ( θ = 42,5º γ = 30º α = 4º c/l = 3%).