Bab III Model Numerik Bilah Kipas 22

Transkripsi

1 Bab III Model Numerik Bilah Kipas Deskripsi Umum Konfigurasi Bilah Kipas Dimensi Komponen Konfigurasi Pemasangan Bilah Kipas Material Bilah Turbin Permodelan Kasus Pembebanan Bilah Kipas Model Bilah Kipas Pembentukan Jejaring Elemen Hingga Analisis Pembebanan Bilah Kipas Kondisi Batas Permodelan Cacat pada Bilah Kipas Gambar 3. 1 Skema Mesin Turbofan TAY Gambar 3. 2 Gambar 3 Pandangan Bilah Kipas Mesin Turbofan TAY Gambar 3. 3 Cakram Penumpu Bilah Kipas dan Konfigurasi Pemasangan Bilah Kipas25 Gambar 3. 4 Konfigurasi Model Bilah Kipas yang akan Dianalisis Gambar 3. 5 Tahapan pembuatan model bilah kipas Gambar 3. 6 Bagian root, bagian tengah (leading edge dan trailing edge), dan bagian tip Gambar 3. 7 Pembuatan kurva sebagai rangka bilah kipas Gambar 3. 8 Permukaan bilah kipas Gambar 3. 9 Model Solid bilah kipas Gambar Perbandingan Model baru dengan Model Asli Tabel 3. 1 Perbandingan Model Baru dengan Model Asli Gambar Pembentukan Jejaring Elemen Hingga Pada Bilah Kipas dengan Menggunakan Perangkat Lunak CATIA dan FEMAP Tabel 3. 2 Distribusi Gaya Sentrifugal pada Bilah Kipas Gambar Pembagian Zona Bilah Kipas Menurut Manual Perawatan Mesin TAY Gambar Model Cacat Setengah lingkaran dan setengah Ellips Gambar Model Scalloping dengan ukuran AA=6mm Bab III Model Numerik Bilah Kipas 22

2 Bab III Model Numerik Bilah Kipas 3.1 Deskripsi Umum Bilah kipas yang akan dianalisis pada tugas akhir ini adalah bilah kipas mesin turbofan TAY buatan Roll Royce. Mesin ini merupakan jenis mesin twin spool turbofan yang memiliki dua poros penggerak. Komponen-komponen utama mesin ini dapat dilihat pada gambar 3.1 di bawah ini: Gambar 3. 1 Skema Mesin Turbofan TAY Seperti yang telah dijelaskan pada bab II, bilah kipas berfungsi sebagai low pressure compressor yang menghisap udara luar masuk ke dalam mesin. Bilah kipas ini dipasang pada cakram kipas yang terhubung pada poros dalam mesin. Poros dalam ini diputar oleh low pressure turbin. Beban yang diterima oleh bilah kipas adalah beban sentrifugal dan beban aerodinamika. Beban sentrifugal akibat putaran mesin merupakan beban paling dominan yang dialami oleh bilah kipas ini. Pada saat mesin beroperasi, kecepatan aliran udara di sepanjang bilah kipas meningkat sebanding dengan jari-jari putaran. Untuk menghindari terjadinya shock wave pada bilah kipas akibat peningkatan kecepatan, maka bilah kipas dirancang Bab III Model Numerik Bilah Kipas 23

3 dengan menggunakan bentuk twist. Dengan bentuk twist ini maka sudut serang penampang bilah akan kecil di sepanjang bilah. 3.2 Konfigurasi Bilah Kipas Dimensi Komponen Bilah kipas mesin Turbofan TAY memiliki panjang 400mm dari pangkal penumpu hingga ujung tip bilah, serta memiliki lebar 180mm dari leading edge hingga trailing edge. Tinggi bagian bilah kipas yang terkena aliran udara dari root ke tip adalah sekitar 380mm. Bagian ini memiliki luas permukaan sekitar 0.132m 2. Berikut ini adalah gambar tiga pandangan dari bilah kipas yang akan dianalisis: Gambar 3. 2 Gambar 3 Pandangan Bilah Kipas Mesin Turbofan TAY Konfigurasi Pemasangan Bilah Kipas Konfigurasi pemasangan bilah kipas dilakukan dengan menggunakan data geometri cakram tempat pemasangan bilah kipas. Data geometri cakram tersebut kemudian dimodelkan dengan menggunakan perangkat lunak. Setelah model cakram terbentuk, dilakukan pemasangan bilah kipas pada cakram dengan cara melakukan proses balancing supaya titik pusat massa bilah berimpit dengan poros putaran. Dari Bab III Model Numerik Bilah Kipas 24

4 pemasangan ini, dapat ditentukan posisi bilah terhadap poros putarannya. Model cakram dan pemasangan bilah kipas pada cakram dapat dilihat pada gambar 3.3. Gambar 3. 3 Cakram Penumpu Bilah Kipas dan Konfigurasi Pemasangan Bilah Kipas Material Bilah Turbin Material yang digunakan pada bilah turbin ini adalah Ti6Al4V. Material ini merupakan kelompok paduan alpha-beta Titanium yang menggunakan Aluminum dan Vanadium sebagai bahan paduan. Material ini merupakan material yang biasa digunakan sebagai bahan dasar bilah kipas dan kompresor pada mesin pesawat karena memiliki karakteristik sebagai berikut: a. memiliki kekuatan yang tinggi b. dapat diproduksi pada berbagai ukuran c. dapat dibuat dalam bentuk yang sederhana maupun kompleks d. ketersediaan di pasaran yang baik. Berikut ini adalah beberapa properti mekanik dari material Ti6Al4V: - Modulus Elastisitas (E) : 160 GPa - Kerapatan (ρ) : 4144 kg/m 3 - Poisson Ratio (ν) : Yield Strength (σ y ) : 825 MPa - Ultimate Strength (σ ult ) : 930 MPa Bab III Model Numerik Bilah Kipas 25

5 3.3 Permodelan Kasus Pembebanan Bilah Kipas Model Bilah Kipas Pada analisis bilah kipas ini model bilah kipas tidak dibuat secara penuh. Oleh karena bagian bilah kipas yang akan dianalisis hanyalah bagian yang terkena oleh aliran udara, maka bilah kipas yang dianalisis hanya dimodelkan dari bagian root hingga tip seperti tampak pada gambar 3.4 di bawah ini: Gambar 3. 4 Konfigurasi Model Bilah Kipas yang akan Dianalisis Data awal permodelan dalam tugas ini diperoleh dari rekonstruksi objek 3 D (bilah kipas) dengan menggunakan scan 3 D. Hasil rekonstruksi tersebut berupa point clouds yaitu titik-titik koordinat permukaan objek. Dari data point clouds tersebut dapat dibuat permukaan luar objek dan kemudian dibuat model solidnya. Proses permodelan awal dari objek hingga menjadi model solid telah dilakukan di PT Nusantara Turbin & Propulsi (NTP) Bandung. Gambar3.5 adalah tahapan pembuatan model bilah kipas. Real Object 3 D Scan Point Clouds Outer Surface Solid Model Gambar 3. 5 Tahapan pembuatan model bilah kipas Permasalahan utama dalam model ini adalah definisi geometri yang cukup kompleks. Kompleksitas geometri tersebut meliputi titik garis dan permukaan. Bagian-bagian Bab III Model Numerik Bilah Kipas 26

6 model yang kompleks antara lain pangkal bilah (root), ujung bilah (tip), leading edge dan trailing edge bilah seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.6. Gambar 3. 6 Bagian root, bagian tengah (leading edge dan trailing edge), dan bagian tip Hal ini sangat berpengaruh pada proses pembentukan jejaring elemen hingga. Semakin rumit definisi geometri dari suatu model maka akan semakin sulit untuk mengatur jejaring elemen hingga yang baik. Untuk memperoleh model yang mudah untuk diatur jejaringnya maka bilah kipas akan direkonstruksi ulang dengan menggunakan CATIA V5 untuk mendapatkan model baru dengan definisi geometri yang lebih sederhana. a. Metode Pengerjaan 1. Import model Model solid yang diterima adalah dalam format *.stp. Format ini dapat dibuka dalam workbench Part Design CATIA V5 sehingga menghasilkan satu model solid utuh yang independen. 2. Membagi model menjadi 3 bagian, yaitu - bagian tip bagian tip meliputi bagian ujung bilah hingga bagian tengah yang geometrinya mulai teratur. - bagian root bagian root meliputi bagian dasar yang terekspose dengan udara hingga bagian tengah yang geometrinya mulai teratur - bagian tengah bagian tengah adalah bagian tengah bilah yang geometrinya teratur. 3. Membuat beberapa kurva sebagai acuan untuk membuat permukaan - bagian tip dan root Kurva dibuat dengan menggunakan salah satu fitur di CATIA dalam workbench wireframe & surfac e design yaitu spline. Kurva dibuat berdasarkan titik acuan yang merupakan titik-titik ujung (vertex) yang telah terdefinisi pada solid Bab III Model Numerik Bilah Kipas 27

7 - bagian tip dan root serta beberapa titik yang dibuat sendiri pada permukaan solid. Jumlah kurva yang dibuat harus dapat merekonstruksi bentuk dari bagian tip dan root ini. bagian tengah Kurva-kurva pada bagian tengah dibuat dengan menggunakan salah satu fitur di CATIA yaitu sketch. Sketch ini merupakan fitur untuk membuat kurva atau titik pada suatu bidang datar (plane). Sebelum membuat sketch, perlu dibuat beberapa plane yang menjadi acuan pembuatan sketch. Plane yang dibuat merupakan bidang datar yang sejajar dengan bidang-xy. Jumlah kurva tidak perlu terlalu banyak karena semakin rapat jarak antar kurva, permukaan yang akan dibangun akan menjadi keriput. Pembuatan kurva dapat dilihat pada gambar 3.7 di bawah ini Gambar 3. 7 Pembuatan kurva sebagai rangka bilah kipas 4. Membuat permukaan dari kurva yang telah dibuat. Permukaan dibuat dengan menggunakan multisection surface dan fill. Permukaan pada bagian root dan tip dibuat dengan menggunakan fitur fill berdasarkan kurvatersebut digabungkan menjadi kurva yang telah dibangun. Kemudian permukaan satu permukaan yang tertutup dengan menggunakan fitur join. Sedangkan bagian tengah dibuat dengan menggunakan multisection surface dari kurva-kurva penampang lintang yang telah dibangun. Permukaan yang telah dibuat dapat dilihat pada gambar 3.8 Gambar 3. 8 Permukaan bilah kipas Bab III Model Numerik Bilah Kipas 28

8 5. Membuat model solid dari permukaan Solid dibuat dengan menggunakan fitur close surface. Syarat yang harus dipenuhi dari model ini adalah surface yang digunakan harus merupakan surface yang tertutup sempurna. Model solid bilah kipas hasil rekonstruksi dapat dilihat pada gambar 3.9. Gambar 3. 9 Model Solid bilah kipas b. Perbandingan Model Baru dengan Model Asli Dari rekonstruksi dihasilkan suatu model baru bilah kipas. Batas toleransi kesalahan y ang diperbolehkan adalah sekitar 500 mikron atau 0.5 mm. Batas toleransi ini merupakan jarak maksimum antara dua buah kurva yang dibentuk antara perpotongan kedua bilah kipas dengan suatu bidang yang sama. Dalam rekonstruksi model bilah yang sebelumnya telah dilakukan, bagian tengah bilah memiliki selisih jarak kurang dari 100 mikron sedangkan bagian root dan tip memiliki selisih jarak kurang dari 400 mikron. Dari dua model tersebut, dapat dibandingkan beberapa property geometri antara lain volume, luas, dan titik massa model. Gambar 3.10 dan tabel 3.1 adalah perbandingan antara properti geometri antara model baru dengan model asli. Gambar Model baru dengan Model Asli Bab III Model Numerik Bilah Kipas 29

9 Tabel 3. 1 Perbandingan Model Baru dengan Model Asli Model Asli Model Baru Δ Area (m2) (0%) Volume (m3) 3.66E E E-06 (0.2%) CG x (mm) CG y (mm) CG z (mm) Dari tabel 3.1 di atas dapat dilihat bahwa m odel baru hasil rekonstruksi merupakan model yan g memiliki properti geom etri yang hampir sama dengan model asli. Oleh karena itu model ini dapat dipergunakan untuk analisis dengan menggunakan metode elemen hingga Pembentukan Jejaring Elemen Hingga Model bilah kipas yang akan dianalisis memiliki geometri yang sangat rumit. Oleh karena itu akan sangat sukar untuk membentuk jejaring dengan menggunakan elemen yang sederhana seperti elemen hexahedral linier. Metode yang digunakan dalam pembentukan jejaring elemen hingga pada kasus ini antara lain: a. membangun jejaring elemen permukaan (2D) model bilah kipas b. membangun jejaring elemen solid (3D) berdasarkan jejaring permukaan luar yang telah dibuat. Jenis elem en solid yang digunakan adalah elemen Tetragonal Parabolik yang memiliki 10 nodal dan elemen hexahedral. Penggunaan elemen tetragonal parabolik ini bertujuan untuk dapat m endapatkan jejaring elemen hingga yang memiliki bentuk sedekat mungkin dengan model aslinya sedangkan elemen hexahedral dipilih sebagai pembanding hasil perhitungan. Gambar Pembentukan Jejaring Elemen Hingga Pada Bilah Kipas dengan Menggunakan Perangkat Lunak CATIA dan FEMAP Bab III Model Numerik Bilah Kipas 30

10 3.3.3 Analisis Pembebanan Bilah Kipas Beban yang diterima oleh bilah kipas merupakan kombinasi dari beban sentrifugal dan beban aerodinamika. Beban sentrifugal memberikan gaya tarik pada arah radial sedangkan beban aerodinamika memberikan gaya dorong ke arah lateral. a. Beban Sentrifugal Pada ini beban sentrifugal merupakan gaya yang disebabkan oleh massa benda tersebut yang diputar dengan jarak r dari pusat massanya. Secara umum besar gaya sentrifugal dirumuskan dalam persamaan 3.1 di bawah ini. F s =mω 2 r (3.1) Persamaan di atas digunakan apabila benda diasumsikan sebagai titik massa. Namun pada kasus pembebanan ini, bilah kipas tidak dapat diasumsikan sebagai titik massa. Besarnya gaya sentrifugal yang dialami oleh bilah kipas didapatkan dari persamaan 3.2 berikut ini: F F s s = ρω t t = ρω 0.5ar r ardr r (3.2) Dimana ρ adalah kerapatan material bilah kipas, ω adalah kecepatan angular putaran kipas, a adalah luas penampang bilah pada setiap radius. Suffik r dan t adalah root dan tip dari bilah kipas. Perhitungan gaya sentrifugal pada kasus ini dilakukan dengan membagi-bagi bilah menjadi 19 bagian. Besarnya gaya sentrifugal yang diterima setiap bagian dapat dilihat pada tabel 3.2 di bawah ini: Tabel 3. 2 Distribusi Gaya Sentrifugal pada Bilah Kipas n r r (m) r t (m) A (m 2 ) f s (N) Bab III Model Numerik Bilah Kipas 31

11 F s total Penerapan gaya sentrifugal di atas dalam analisis menggunakan metode elemen hingga dapat dilakukan deng an dua cara. Cara pertama ad alah pemberian gaya dalam arah sumbu z pada se tiap b agian bilah y ang telah dipoton g-potong. Cara kedua dapat dilakukan dengan me mberikan body load berupa kecepatan angular terhadap suatu poros tertentu yang langsung diaplikasikan k e seluruh body bilah kipas. b. Beban Aerodinamika Pada kasus pembebana n ini, beban aerodinamika diasumsikan sama dengan gaya dorong akibat aliran udara dingin me sin turbofan. Ga ya dorong ini didistribusikan secara merata di seluruh permukaan belakang bilah kipas. Sedangkan gaya hambat akibat putaran kipas tidak diperhitungkan. Beberapa data yang diperlukan untuk menghitung gaya dorong aliran udara dingin adalah: Aliran massa udara ( m& ) : 420 lbs/sec ( kg/sec) Fan Pressure Ratio ( p o f /p a ) : 1.7 By Pass Ratio (m c /m h ) : 2.9 Effisiensi kipas (η f ) : 90% Effisiensi nozzle (η j ) : 90% Spesific heat pada tekanan konstan (c p ) : 1005 Rasio spesific heat (γ) : 1.4 Rasio polytropic compression ( (n-1)/n ) : Bab III Model Numerik Bilah Kipas 32

12 Mesin dianggap beroperasi pada sea level dengan kondisi tempatur udara adalah 288K dan tekanan udara 1 bar ( Pa) Gaya dorong akibat aliran udara dingin pada mesin turbofan dirumuskan dengan persamaan berikut & Fcold = mcoldccold B Fcold = m& C B + 1 cold (3.3) Dimana F cold adalah gaya dorong udara dingin, m& cold adalah aliran massa udara dingin, dan C cold adalah kecepatan udara dingin keluar dari mesin. Dalam menentukan harga C cold perlu diketahui kondisi mesin apakah choked atau unchoked. Choked adalah kondisi dimana penambahan aliran massa udara m& tidak meningkatkan gaya dorong. Pada kasus ini, kondisi mesin diasumsikan dalam keadaan unchoked. Harga C cold pada kondisi unchoked dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut ini. Cco ld p of on = [2 c ( T T )] (3.4) Dimana (T of - T on ) adalah selisih temperatur udara antara aliran udara yang keluar dari kipas dengan aliran udara yang keluar dari nozzle. Besarnya (T of - T on ) ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut ini: 1 ( Tof Ton) = η jt of 1 pof / p a ( γ 1) γ Nilai Tof ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut ini (3.5) T n 1 pof n of = Tif pa (3.6) Dimana Tif adalah temperatur udara masuk ke dalam kipas atau sama dengan temperatur udara luar ( T a ). Dengan memasukkan data FPR, rasio polytrop ic compression dan temperatur udara luar ke dalam persamaan 3.6 maka T of adalah K. Dari harga temperatur udara keluar kipas ini dapat ditentukan (T of - T on ) dengan menggunakan persamaan 3.5 sehingga diperoleh nilai selisih temperatur sebesar 45.55K. Dengan memasukkan harga (T of T on ) dan data spesific heat pada tekanan konstan ke dalam persamaan 3.4 didapatkan harga kecepatan udara dingin yang keluar dari mesin turbofan. Harga kecepatan aliran udara dingin yang keluar mesin turbofan adalah m/s Bab III Model Numerik Bilah Kipas 33

13 Dengan memasukkan harga kecepatan udara dingin ke dalam persamaan 3.3 dapat ditentukan besarnya gaya dorong aliran udara dingin. Harga gaya dorong aliran udara dingin adalah 42864N. Harga gaya dorong ini berlaku untuk keseluruh konfigurasi kipas. Sedangkan harga gaya dorong yang dialami setiap bilah kipas adalah 1948 N Kondisi Batas Kondisi batas yang diberikan pada pemodelan bilah kipas ini adalah tumpuan pin. Pemberian tahanan ini sebenarnya tidak tepat karena tahanan ini menyebabkan penampang root tidak dapat mengalami deformasi pada bidang-xy. Ketidakmampuan penampang root untuk berdeformasi pada arah sumbu-x dan sumbu-y mempengaruhi nilai tegangan pada daerah root bilah kipas. Namun dalam analisis model bilah kipas ini, tegangan daerah root tidak digunakan dalam perhitungan dalam menentukan faktor konsentrasi tegangan. 3.4 Permodelan Cacat pada Bilah Kipas Dalam permodelan cacat, perlu diperhatikan beberapa hal yang telah ditentukan dalam manual perawatan bilah kipas TAY khususnya pada bagian yang membahas kasus nicking serta scaloping. Dalam manual perawatan bilah kipas TAY daerah bilah kipas dibagi menjadi 3 bagian sebagai berikut: a. Zona AF : yaitu daerah yang berjarak 0mm s.d 101 mm dari tumpuan. b. Zona AE : yaitu daerah yang berjarak 101 mm s.d 141mm dari tumpuan c. Zona AD : yaitu daerah yang berjarak lebih dari 141 mm dari tumpuan Pembagian zona tersebut dapat dilihat pada gambar 3.12 berikut ini Bab III Model Numerik Bilah Kipas 34

14 Gambar Pembagian Zona Bilah Kipas Menurut Manual Perawatan Mesin TAY Setiap zona memiliki batasan toleransi maksimal kedalaman cacat dan scaloping yang diperbolehkan. Dalam tugas akhir ini, cacat yang dianalisis hanyalah cacat pada zona AD dan AE. Cacat dimodelkan sebagai lubang setengah lingkaran dan setengah ellips. Model setengah lingkaran divariasikan jari-jari lingkarannya untuk mengetahui pengaruh perubahan diameter terhadap faktor konsentrasi tegangan. r 0.5a b Gambar Model Cacat Setengah lingkaran dan setengah Ellips Bab III Model Numerik Bilah Kipas 35

15 Sedangkan scalloping dimodelkan dengan setengah ellips seperti dijelaskan pada gambar 3.14 berikut ini. AA 8AA Gambar Model Scalloping dengan ukuran AA=6mm Bab III Model Numerik Bilah Kipas 36