BAB V Pengujian dan Analisis Mesin Turbojet Olympus

Transkripsi

1 BAB V Pengujian dan Analisis Mesin Turbojet Olympus Pada bab ini akan dibahas mengenai pengujian serta analisis hasil pengujian yang dilakukan. Validasi dilakukan dengan membandingkan hasil pengujian terhadap data dari AMT Netherland serta referensi lain yang berkaitan dengan pengujian Olympus. 5.1 Pengujian Pengujian dilakukan pada tanggal 29 Januari 2008 di Dinas Penelitian dan Pengembangan TNI Angkatan udara (Dislitbang TNI AU). Prosedur yang digunakan dalam pengujian ini terdiri dari dua tahap yaitu: 1. Tahap pra-pengujian Pada tahap ini dilakukan instalasi alat ukur yang telah dibuat sebelumnya. Tempat pengujian dipastikan terlebih dahulu terbebas dari benda-benda kecil yang tidak diinginkan yang dapat masuk ke dalam mesin. Mesin menghadap ke dalam pipa inlet serta exhaust mesin diarahkan keluar ruangan. Untuk menjamin tingkat keselamatan, disiapkan sebuah pemadam api untuk berjaga-jaga jika terjadi ledakan dan kobaran api. Sebelum mesin dinyalakan semua sensor dipastikan telah terinstalasi dan dapat bekerja dengan baik. Turbojet yang telah siap diuji ditunjukkan pada gambar 5.1. Gambar 5.1 Turbojet yang telah siap diuji 56

2 2. Tahap pengujian Pengukuran tekanan atmosfer, temperatur atmosfer, dan kelembababan atmosfer dilakukan sebelum penyalaan. Hal ini penting dilakukan untuk menentukan kerapatan udara pada kondisi di tempat pengujian. Tekanan atmosfer, temperatur atmosfer, dan kelembababan atmosfer pada saat pengujian adalah sebagai berikut: Tekanan atmosfer = Pa Temperatur atmosfer = K Kelembaban atmosfer = 73 % Dalam tahap pengujian, pengambilan data dilakukan setiap kenaikan dengan rentang waktu untuk masing-masing data selama 15 detik. Untuk memudahkan pengambilan data, data keluaran signal conditioner direkam menggunakan kamera digital sehingga tidak memerlukan pencatatan secara manual. Setelah semua sensor dan operator siap, turbojet dinyalakan. Penyalaan awal menggunakan motor listrik dengan bahan bakar gas propana. Setelah mencapai kondisi idle pada 35000, bahan bakar propana diganti menjadi kerosene. Dari kondisi idle, putaran mesin akan dinaikkan secara kontinyu hingga mencapai putaran Prosedur penyalaan awal dapat dilihat pada gambar 5.2. Gambar 5.2 Prosedur penyalaan awal Pada pengujian ini, pengambilan data dilakukan dua kali. Kelompok data pertama diambil dari putaran idle ke putaran maksimum lalu dilanjutkan dengan pengambilan kelompok data kedua dari putaran maksimum ke putaran idle. Hal ini dilakukan untuk mendapatkan data yang seragam serta konsisten. Tabel 5.1 menunjukkan data hasil 57

3 pengujian yang dilakukan. Selanjutnya data ini akan dikonversi menjadi variabel yang diinginkan. EGT (deg C) Tabel 5.1 Parameter hasil pengukuran Voltase Signal conditioner (Volt) Voltase pressure transducer (Volt) masa bahan bakar (gram) t (detik) kiri kanan Pada putaran mesin dan , voltase masuk pressure transducer melebihi voltase maksimum pressure transducer, sehingga pressure transducer tidak mampu mengindera voltase. Untuk mengatasi hal tersebut, digunakan DPI untuk mengukur tekanan dinamik yang telah diindera tabung pitot. Melalui parameter-parameter yang telah diukur, nilai parameter yang diinginkan dicari menggunakan kurva kalibrasi yang telah dibuat sebelumnya. Tabel 5.2 menampilkan parameter-parameter yang telah dikalibrasi menjadi parameter gaya dorong, debit udara masuk kompresor, debit bahan bakar, dan EGT turbojet selama pengujian. 58

4 Tabel 5.2 Hasil pengujian setelah kalibrasi EGT GAYA DORONG (Kg) Debit udara Debit bahan (deg C) Kiri Kanan Total masuk (kg/det) bakar (gr/det) Analisis Hasil Pengujian Gambar 5.3,5.4,5.5, dan 5.6 menampilkan hasil pengukuran yang telah dilakukan. Dari hasil tersebut akan dilakukan analisis kinerja turbojet. Vs Fuel flow Fuel flow pengujian (gr/det) naik turun Gambar 5.3 Grafik Debit bahan bakar Vs putaran mesin. 59

5 Kurva Vs Gaya Gaya dorong total (Pengujian) (Kg) Naik turun (Pengujian) Gambar 5.4 Grafik gaya dorong Vs putaran mesin. Vs EGT EGT (oc) naik Turun Gambar 5.5 Grafik EGT Vs putaran mesin. 60

6 Grafik Vs debit udara masuk Debit udara (pengujian) (ger/det) naik turun Gambar 5.6 Grafik Debit udara Vs putaran mesin. Dari grafik debit bahan bakar vs putaran mesin (gambar 5.3), dapat dilihat bahwa semakin rendah putaran mesin, bahan bakar yang digunakan semakin sedikit. Pada putaran rendah, udara yang masuk ke kompresor sedikit (gambar 5.6), sehingga massa bahan bakar yang digunakan juga sedikit. Dengan demikian gaya dorong yang dihasilkan akan semakin kecil (gambar 5.4). Dari grafik EGT Vs (gambar 5.5), terlihat bahwa pada kondisi idle, EGT turbojet tinggi. Dengan naiknya putaran mesin, EGT cenderung stabil kemudian naik drastis pada putaran mesin mulai Tinggi nya EGT pada kondisi idle ini disebabkan oleh perbandingan bahan bakar dan udara yang besar. Bahan bakar tidak terbakar sempurna di dalam ruang bakar sehingga terjadi kenaikan temperatur di nozzle. Pada saat pengujian, terlihat sedikit semburan bahan bakar cair keluar nosel. Hal ini mengindikasikan bahwa tidak semua bahan bakar tercampur sempurna dan terbakar di ruang bakar. Pada putaran rendah, terdapat campuran bahan bakar dan udara yang terbakar di luar ruang bakar, akibatnya api menyembur keluar ruang bakar hingga mencapai turbin. Pada putaran rendah, efiseinsi turbin menjadi rendah karena turbin memiliki kecepatan putar minimum agar mencapai kinerja yang diharapkan. Adanya api yang masuk hingga turbin ini membuat kinerja mesin pada putaran rendah menjadi tidak efisien. Pada grafik EGT Vs ini (gambar 5.5) terjadi masalah hysterisis, yaitu data 61

7 pada saat naik tidak sama dengan data pada saat turun. Pada saat pembandingan dengan data dari AMT, kedua data tersebut akan ditampilkan. Gaya dorong merupakan parameter paling penting dalam pengujian turbojet. Pada grafik gaya dorong Vs (gambar 5.4), terlihat bahwa gaya dorong turbojet meningkat dengan naiknya putaran mesin. Gaya dorong ini sangat dipengaruhi oleh parameter-parameter lain pada saat operasional. Pada pengujian ini, parameter yang diatur adalah debit bahan bakar masuk ke turbojet. Debit ini diatur menggunakan pompa yang tersambung melalui solenoida dan dapat diatur langsung melalui remote control Normalisasi parameter hasil pengujian Dari gambar 5.3, 5.4, 5.5 dan 5.6 dapat dilihat bahwa kecenderungan masingmasing parameter telah sesuai dengan teori yang ada. Untuk validasi, dilakukan perbandingan dengan data-data yang telah diberikan oleh AMT, perhitungan teoritik ataupun referensi lain yang membahas kinerja turbojet ini. Data - data yang disediakan oleh AMT adalah data-data variabel dalam temperatur dan tekanan udara standar ( Pa dan 288 K), sehingga perlu dilakukan normalisasi terhadap hasil pengujian. Persamaan-persamaan yang digunakan adalah sebagai berikut [13]: ma normalized Thrust normalized normalized ma*101325* Pamb* 288 Tamb = (5.1) thrust * Pamb = (5.2) rpm* 288 = (5. 3) Tamb. mf normalized mf *101325* 288 = (5.4) Pamb* Tamb 62

8 Hasil perhitungan diberikan pada tabel 5.3. Hasil tersebut selanjutnya dapat dibandingkan dengan data data dari AMT. Tabel 5.3 Hasil normalisasi parameter hasil pengujian Fuel flow (gr/det) Thrust (Kg) EGT (Deg C) Mass flow Validasi hasil pengujian Validasi dilakukan dengan membandingkan data hasil pengujian dengan referensi dari data AMT dan tesis master John Ebaid dari Cranfield University [13] serta perhitungan termodinamika. Validasi yang dilakukan adalah sebagai berikut: 1. Gaya dorong akan di validasi menggunakan data data dari AMT serta menggunakan perhitungan termodinamika yang telah dijelaskan pada bab 2. Perhitungan termodinamika ini dilakukan dengan bantuan perangkat lunak MATLAB. 2. Debit bahan bakar dan EGT akan dibandingkan dengan data data dari AMT. 3. Debit udara masuk dibandingkan dengan pengujian serupa yang dilakukan John Ebaid dari Cranfield university [13]. Namun pada tesis tersebut turbo jet yang digunakan adalah Olympus versi 190 N sehingga yang dibandingkan hanya kecenderungan grafik saja. 63

9 5.3.1 Validasi gaya dorong, debit bahan bakar dan EGT Sebelum validasi dilakukan, data hasil perhitungan terlebih dahulu di interpolasi untuk mendapatkan parameter yang sama. Parameter yang di interpolasi adalah putaran mesin, sehingga parameter ini akan sama dengan data dari AMT. Pada validasi ini juga dilakukan extrapolasi gaya dorong hasil pengujian untuk melihat gaya dorong yang terjadi pada maksimum menurut AMT. Hasil extrapolasi dan interpolasi hasil pengujian ditunjukkan pada tabel 5.6 (halaman 66). Data yang diberikan oleh AMT masih dalam bentuk grafik, sehingga untuk mendapatkan data berupa angka, dilakukan plot terhadap grafik tersebut. Gambar 5.7, 5.8, dan 5.9 menunjukkan grafik data Olympus yang diberikan oleh AMT. Gambar 5.7 Debit bahan bakar vs putaran mesin (data AMT) 64

10 Gambar 5.8 gaya dorong vs putaran mesin (data AMT) Gambar 5.9 EGT vs putaran mesin (data AMT) Dari gambar 5.7, 5.8, dan 5.9 diperoleh data-data yang digunakan untuk memvalidasi hasil pengujian. Data yang telah dikuantifikasi disajikan pada tabel 5.4. Data inilah yang dibandingkan dengan data pengujian. Perhitungan teoritik dilakukan dengan bantuan perangkat lunak MATLAB. Pada perhitungan ini, hanya dihitung gaya dorong yang terjadi pada putaran mesin maksimum 65

11 yaitu sebesar Efisiensi kompresor dan turbin di ruang bakar divariasikan dalam 3 nilai, yaitu 0.7, 0.75 dan 0.8 [13][5]. sedangkan kerugian tekanan di ruang bakar, efisiensi nosel, efisiensi mekanik turbin-kompresor diasumsikan konstan. Hasil lengkapnya ditunjukkan pada tabel 5.5. Tabel 5.4 Data-data dari AMT Fuel flow (gr/det) Thrust (Kg) EGT (Deg C) Mass flow Tabel 5.5 Hasil perhitungan secara teoritik η c η t η n η m P b Thrust Tabel 5.6 Hasil interpolasi data hasil pengujian Fuel flow (gr/det) Thrust (Kg) EGT (Deg C) Mass flow (kg/det)

12 Perbandingan hasil pengujian dibuat pada gambar 5.10, 5.11, dan Grafik Vs Debit bahan bakar Debit bahan bakar (gr/det) Pengujian AMT Gambar 5.10 Grafik debit bahan bakar Vs putaran mesin (hasil perbandingan) Grafik Vs Gaya dorong 30 Gaya dorong (Kg) Pengujian AMT Teoritik_0,7 Teoritik_0,75 Teoritik_0,8 Gambar 5.11 Grafik gaya dorong Vs putaran mesin (hasil perbandingan) 67

13 Kurva Vs EGT EGT (deg C) amt pengujian naik pengujian turun Gambar 5.12 Grafik EGT Vs putaran mesin (hasil perbandingan) pada tabel 5.7, 5.8 dan 5.9. Perbedaan kuantitas antara hasil pengujian dengan data AMT ditunjukkan Tabel 5.7 Perbandingan hasil pengujian debit bahan bakar dan data AMT Fuel flow (gr/det) Pengujian AMT Delta Persentase (%) Tabel 5.8 Perbandingan hasil pengujian EGT dan data AMT EGT (Deg C) Pengujian AMT Delta Persentase (%)

14 Tabel 5.8 Perbandingan hasil pengujian EGT dan data AMT (lanjutan) EGT (Deg C) Pengujian AMT Delta Persentase (%) Tabel 5.9 Perbandingan hasil pengujian gaya dorong dan data AMT Thrust (Kg) Pengujian AMT Delta Persentase (%) Dari tabel tabel diatas dapat disimpulkan: 1. Tabel perbandingan gaya dorong terhadap menunjukkan bahwa antara hasil pengujian yang dilakukan dengan data dari AMT tidak banyak terjadi perbedaan. Perbedaan sebesar 1,18 kg maksimum terjadi pada Perbedaan dengan perhitungan secara teoritis terlihat bila efisiensi kompresor dan turbin 0.7 dan 0.8 (gambar 5.11). Dari hasil ini dapat disimpulkan bahwa efisiensi kompresor dan turbin turbojet Olympus ini berkisar Dari tabel debit bahan bakar terhadap (tabel 5.5), perbedaan terbesar terjadi pada sebesar 0.85 gr/detik. Hal ini kemungkinan disebabkan oleh tidak sempurnanya pembakaran di dalam ruang bakar saat pengujian di putaran mesin rendah. Akibatnya terjadi pembakaran pada turbin dan nosel yang mengurangi efisiensi konversi energi bahan bakar. Hal ini menyebabkan dibutuhkannya bahan bakar lebih banyak untuk putaran mesin yang sama. 3. Dari tabel EGT terhadap, perbedaan terbesar terjadi pada putaran mesin atau pada kondisi idle. Seperti yang sudah dijelaskan sebelumnya, pada putaran 69

15 rendah, pada saat pengujian, terjadi pembakaran tidak sempurna yang menyebabkan EGT tinggi. Hal ini menyebabkan perbedaan besar pada EGT turbojet. Pada grafik EGT vs (gambar 5.12), dapat dilihat bahwa EGT saat naik lebih kecil daripada EGT saat turun, hal ini disebabkan karena pada saat turun, EGT masih dipengaruhi oleh temperatur putaran sebelumnya yang lebih tinggi. Ini disebabkan karena waktu pengambilan data untuk masing masing putaran mesin sangat singkat Validasi debit udara masuk kompresor. AMT tidak memberikan data lengkap mengenai debit udara masuk kompresor. Data yang diberikan adalah debit udara masuk kompresor pada maksimum. Pembandingan dilakukan terhadap tesis master John Ebiad dari Cranfield University [13]. Pada tesis tersebut, Olympus yang digunakan adalah versi awal dimana gaya dorong maksimumnya hanya mencapai 19 kg. Maka untuk pembandingan debit udara, hanya dilihat kecenderungan tiap kenaikan putaran mesin. Hasil pengujian yang dilakukan John Ebiad disusun pada tabel Perbandingan antara hasil pengujian dan hasil yang didapatkan oleh John Ebiad ditampilkan pada gambar Tabel 5.10 Hasil pengujian debit udara olympus 19 kg [13] Mass flow ,

16 Grafik Vs debit udara Debit udara (gr/det) Pengujian Olympus 190 N cranfield AMT Gambar 5.13 Perbandingan hasil pengujian debit udara kompresor Dari hasil yang didapat, laju aliran udara masuk kompresor yang terjadi pada putaran rendah memiliki kecenderungan grafik yang sama, namun dengan semakin meningkatnya putaran mesin, perbedaan yang terjadi semakin besar. Hal ini kemungkinan disebabkan oleh ketidaktepatan pemodelan pada simulasi menggunakan perangkat lunak. Hal ini juga mungkin karena pipa yang digunakan saat pengujian memiliki diameter yang tidak seragam dalam arah aksial, sehingga timbul perbedaan pada debit udara yang masuk kompresor antara hasil simulasi dengan hasil pengujian. Hal lain yang menyebabkan terjadinya perbedaan antara data dari AMT dan hasil pengujian adalah, adanya motor starter, kabel starter dan saluran bahan bakar di dalam pipa inlet. Adanya benda benda tersebut tidak dimodelkan dalam simulasi sehingga timbul perbedaan antara hasil simulasi dengan hasil pengujian. 71