RANCANG BANGUN MODEL JET ENGINE ESTIMASI KINERJA KOMPRESOR SENTRIFUGAL BERDASARKAN DATA GEOMETRI

Transkripsi

1 RANCANG BANGUN MODEL JET ENGINE ESTIMASI KINERJA KOMPRESOR SENTRIFUGAL BERDASARKAN DATA GEOMETRI DESIGN AND MANUFACTURING OF MODEL JET ENGINE ESTIMATING A PERFORMANCE OF CENTRIFUGAL COMPRESSOR BASE FROM GEOMETRY DATA disusun untuk memenuhi salah satu syarat menyelesaikan pendidikan Diploma III Program Studi Teknik Aeronautika Jurusan Teknik Mesin oleh: SAMBAS SAEPULAH NIM POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2012

2 ii KATA PENGANTAR Puji serta syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT, karena hanya atas rahmat dan karunia-nya lah penulis dapat menyelesaikan penyusunan Tugas Akhir ini tepat pada waktunya. Tugas Akhir ini disusun sebagai syarat dalam menyelesaikan Pendidikan Diploma III di Jurusan Teknik Mesin, Program Studi Teknik Aeronautika, Politeknik Negeri Bandung. Adapun judul Tugas Akhir ini adalah; RANCANG BANGUN MODEL JET ENGINE ESTIMASI KINERJA KOMPRESOR SENTRIFUGAL BERDASARKAN DATA GEOMETRI. Penulis menyadari sepenuhnya bahwa Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Hal ini dikarenakan keterbatasan yang dimiliki penulis baik dari segi pengetahuan maupun pemahaman materi. Namun, dalam proses penyusunan Tugas Akhir ini penulis banyak mendapatkan pengetahuan dan pengalaman yang sangat berharga. Penulis juga berharap tulisan ini dapat bermanfaat bagi para pembaca. Akhir kata, penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari para pembaca untuk menyempurnakan penulisan Tugas Akhir ini. Bandung, 25 Juli 2012 Penulis

3 iii UCAPAN TERIMA KASIH Penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada pihak-pihak yang telah membantu dan mendukung penulis dalam proses penulisan tugas akhir ini. Orangorang luar biasa tersebut diantaranya: 1. Kedua orang tua, Mamah dan Bapak tersayang, kakak dan seluruh keluarga yang telah memberikan dukungan moril, materil, dan spiritual. 2. Bapak Radi Suradi Kartanegara, Dipl.Ing., M.Eng, selaku pembimbing yang selalu meluangkan waktu untuk memberikan bimbingan, perhatian, dan dukungannya kepada penulis. 3. Bapak Budi Hartono, ST., MT dan Ibu Dr. Maria F.S, Dipl. Ing, MT, selaku wali dosen yang selalu memberikan motivasi bagi penulis. 4. Bapak Sugianto, ST. M.Eng, selaku koordinator Tugas Akhir yang telah memberikan saran, arahan dan motivasi bagi penulis. 5. Bapak Y.Sinung Nugroho, Bapak Nur Rachmat, Bapak Syarif Hidayat, Bapak Carolus Bintoro, Ibu Maria F.S, Bapak Moh. Luthfi, Bapak Radi Suradi K, Bapak Teguh Wibowo, Bapak Tria Ma Ariz Arief, Bapak Budi Hartono, Bapak Sugianto, Bapak Singgih Satrio Wibowo, Ibu Lenny Iryani, Bapak Vicky Wuwung, Bapak Sentot Purbadi, selaku staff-staff pengajar yang telah memberikan ilmu, motivasi, dan cerita-cerita berharga tentang kehidupan kepada penulis. 6. Bapak Ir. Ali Mahmudi, M.Eng, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin. 7. Bapak Sep Dase Taryana (Bapak Asep), yang baik hati yang selalu mewarnai hangar dengan senyuman. 8. Ibu Amelia Saraswati, selaku staff administrasi yang selalu membantu dan memfasilitasi kebutuhan penulis yang berhubungan dengan administrasi.

4 iv 9. Bapak Ade Warman, Bapak Moh. Ilyas, Bapak Suramta selaku teknisi lab komposit dan lab aerodinamika yang selalu memberikan ilmu dan pengalamannya kepada penulis. 10. Bapak Bashar dan Bapak Wanto, selaku teknisi lab fabrikasi dan lab CNC yang telah membantu dalam pembuatan Tugas Akhir dan juga berbagi pengalaman kepada penulis. 11. Rekan-rekan Aero 07, 08, 10, 11 yang telah menjadi teman-teman penulis selama melaksanakan pendidikan di Politeknik Negeri Bandung. 12. Rekan-rekan seperjuangan Aero 09 yang telah menjadi saudara selama 3 tahun dalam melaksanakan pendidikan di Politeknik Negeri Bandung, yang selalu kompak dimanapun kita berada. 13. Dini Dyanati Rachmy, yang telah sangat sabar menghadapi sikap dan kemauan penulis dan selalu memberikan dukungan semangat kepada penulis. Semoga ALLAH SWT membalas semua kebaikannya serta menjadi amal ibadah sebagai bekal untuk kehidupan di akhirat.

5 v ABSTRAK Mesin turbin gas yang ada di laboratorium powerplants Program Studi Teknik Aeronautika POLBAN tidak dapat dioperasikan, sehingga tidak dapat dijadikan sebagai suatu alat test cell. Tetapi mahasiswa sangat perlu belajar suatu test cell dalam mata kuliah Aircraft Propulsion, tidak hanya teorinya saja. Agar ketika terjun di lapangan pekerjaan, khususya jika bekerja di bagian engine shop, mahasiswa sudah terbiasa melakukan test cell, meskipun test cell yang sangat sederhana. Oleh karena itu, sangat dibutuhkan suatu alat atau wahana yang dapat digunakan test cell. Mesin turbin gas adalah suatu jenis mesin dengan sistem terbuka atau disebut juga external combustion, yang dimana proses kompresi, pembakaran, dan ekspansi terjadi di tempat yang berbeda. Secara umum, komponen mesin turbin gas ini adalah compressor, combustion chamber, dan turbine. Pada rancang bangun model jet engine ini kompresor yang digunakan berjenis kompresor sentrifugal, ruang bakar menggunakan tipe annular, sedangkan turbin menggunakan jenis turbin radial. Dari hasil perhitungan yang mengasumsikan lingkungan berada pada kondisi ideal, dan kompresor berputar pada rpm maka didapat temperatur keluar kompresor (T 2 ) sebesar 320,02 K, tekanan keluar kompresor (p 2 ) sebesar 146,275 kpa, kecepatan udara masuk kompresor (V f ) sebesar 6,3 m/s, kecepatan keluar kompresor sebesar 23,2 m/s dan rasio kompresi kompresor sebesar 1,44. Kata Kunci: Model jet engine, gas turbine engine, kompresor sentrifugal, turbin radial, ruang bakar annular.

6 vi ABSTRACT Gas turbine engine in powerplants laboratorium Program Studi Teknik Aeronautika POLBAN cannot be operated, therefore it cannot be operated for test cell tools. But students need to learn test cell in Aircraft Propulsion course, not only teoritical. In order when in the work field, especially for work in engine shop, students already usual to do test cell, although it just very simple test cell. Because of that tools for test cell is very needed. Gas turbine engine is some engine with open loop system or it can call external combustion, where compression, combustion, and exspansion take in different place. Generally, gas turbine engine component is compressor, combustion chamber, and turbine. In this design and manufacturing of model jet engine compressor that used is centrifugal flow compressor type, combustion chamber is annular type, and turbine is radial flow turbine type. In conclusion, from calculation that assume in ideal condition, and compressor turning in rpm then obtained compressor exit temperature (T 2 ) is 320,02 K, compressor exit pressure (p 2 ) is 146,275 kpa, compressor inlet velocity (V f ) is 6,3 m/s, compressor outlet velocity is 23,2 m/s and compressor pressure ratio is 1,44. Key Word: Model jet engine, gas turbine engine, centrifugal compressor, radial turbine, annular combustion chamber.

7 vii DAFTAR ISI LEMBAR PENGESAHAN... i KATA PENGANTAR... ii UCAPAN TERIMA KASIH... iii ABSTRAK... v ABSTRACT... vi DAFTAR ISI... vii DAFTAR GAMBAR... x DAFTAR TABEL... xiii DAFTAR LAMPIRAN... xiv DAFTAR NOTASI/SIMBOL... xv BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Rumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan Tugas Akhir Sistematika Penulisan... 3 BAB II LANDASAN TEORI Pengertian Mesin Turbin Gas (Gas Turbine Engine) Kompresor Turbin Ruang Bakar Teori Dasar Mekanika Fluida Hukum Bernoulli Tekanan Hukum St. Venant Aliran Melewati Tabung... 11

8 viii Jenis Aliran Laju Aliran Teori Dasar Thermodinamika Panas Spesifik ( ) Persamaan Gas Sempurna Hukum I Thermodinamika Reversibilitas Proses Thermodinamika Siklus Turbin Gas Kompresor Sentrifugal Kerja Pada Kompresor Sentrifugal Segitiga Kecepatan Kompresor Sentrifugal Lebar Sudu/Blade Sistem Diffuser BAB III METODA PENYELESAIAN Metodologi Metoda Pengumpulan Data Perancangan Bearing Poros/Shaft Shaft Tunnel Diffuser Wheel Diffuser Ring Air Intake Casing Ruang Bakar/combustion chamber Nozzle Guide Vanes Perakitan Komponen Keseluruhan... 44

9 ix 3.5 Pengujian Pengambilan Data BAB IV PROSES, HASIL, DAN PEMBAHASAN Proses dan Hasil Pembuatan Kompresor Turbin Bearing Pembuatan Poros/shaft Pembuatan Shaft Tunnel Pembuatan Diffuser Wheel Pembuatan Diffuser Ring Pembuatan Air Intake Pembuatan Casing Pembuatan NGVs dan Ruang Bakar Pembahasan Pembahasan Teoritik Pembahasan Eksperimental BAB V PENUTUP Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA RIWAYAT HIDUP PENULIS LAMPIRAN

10 x DAFTAR GAMBAR Gambar Penampang dalam Mesin Turbin Gas (turbojet type)... 4 Gambar Macam-macam turbin gas kompresor a) Kompresor axial, b) Kompresor radial, c) Kompresor diagonal... 6 Gambar Turbin axial... 7 Gambar Turbin radial... 8 Gambar Macam-macam ruang bakar/combustion chamber... 9 Gambar Prinsip hukum Bernoulli Gambar Prinsip tekanan absolut dan tekanan vakum Gambar Prinsip aliran melalui tabung Gambar a) Aliran laminer b) Aliran turbulen Gambar Prinsip laju aliran dalam pipa Gambar Prinsip panas spesifik Gambar Proses reversibel dan irreversibel Gambar Proses dalam thermodinamika Gambar Siklus termodinamika pada turbin gas Gambar Siklus Brayton Gambar Kompresor sentrifugal Gambar Tingkat kompresor sentrifugal dan diagram-diagram kecepatan pada saat masuk dan keluar impeler Gambar Tipe dari kompresor sentrifugal (atas ke bawah) wheel with radially tipped blades; wheel with slightly retro-curved blades; enclosed wheel with greatly retro-curved blades Gambar Segitiga kecepatan kompresor sentrifugal Gambar Diagram Mollier untuk tingkat kompresor sentrifugal Gambar Aliran udara melewati diffuser tanpa bilah... 28

11 xi Gambar Macam-macam tipe sistem diffuser (a) Straight diffuser blades, (b) Forward curved blades, (c) Wedge-shaped blade diffuser Gambar Kondisi surge dan stonewall Gambar Bentuk rancangan model jet engine Gambar Penampang melintang model jet engine Gambar Bantalan jenis ball bearing Gambar Rancangan poros model jet engine Gambar Poros bagian kompresor Gambar Poros bagian turbin Gambar Poros bagian tengah Gambar Bagian mengerucut pada poros Gambar Rancangan shaft tunnel Gambar Bagian mengerucut pada shaft tunnel Gambar Rancangan diffuser wheel Gambar Bilah diffuser yang divergen Gambar Bilah diffuser dan stator Gambar Rancangan diffuser ring Gambar Bagian dalam diffuser ring Gambar Rancangan air intake Gambar Bentuk konvergen-divergen pada air intake Gambar Rancangan casing Gambar Rancangan ruang bakar Gambar Rancangan nozzle guide vanes Gambar Penampang melintang keseluruhan komponen model jet engine Gambar Gambaran pengujian model jet engine Gambar Kompresor model jet engine Gambar Turbin model jet engine... 48

12 xii Gambar Bearing putaran tinggi Gambar Proses pembuatan poros Gambar Poros model jet engine Gambar Proses pembuatan shaft tunnel Gambar Shaft tunnel model jet engine Gambar Bentuk awal diffuser wheel setelah dibubut Gambar Bahan tambahan dudukan pembuatan diffuser wheel Gambar Proses pengerjaan pada mesin CNC Gambar Diffuser wheel model jet engine Gambar Proses pembuatan diffuser ring Gambar Diffuser ring model jet engine Gambar Air intake model jet engine Gambar Casing model jet engine... 55

13 xiii DAFTAR TABEL Tabel Data hasil percobaan Tabel Estimasi rpm dan kecepatan masuk berdasarkan data percobaan... 61

14 xiv DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1 Lampiran 2 International Standard Atmosphere Gambar Teknik

15 xv DAFTAR NOTASI/SIMBOL Simbol Arti Unit Luas m 2 C p Kalor spesifik kj/kg K d, D, D 1 Diameter m T 1 Temperatur awal K T 2 Temperatur keluar K p 1 Tekanan awal N/m 2, Pa p 2 Tekanan keluar N/m 2, Pa Massa jenis kg/m 3 Aliran massa udara kg/s N Putaran rpm V b Kecepatan tangensial masuk m/s V b1 Kecepatan tangensial keluar m/s V Avg Kecepatan rata-rata m/s V f Kecepatan absolut masuk m/s V f1 Kecepatan absolut keluar m/s v s Volume spesifik m 3 /kg W Kerja kcal/s

16 xvi P Daya Watt, hp Sudut vane masuk - Sudut vane keluar - t Waktu s g Gravitasi kg m/s 2

17 DAFTAR PUSTAKA 1. Schreckling, Kurt Gas Turbine Engines For Model Aircraft. Alih bahasa dari bahasa Jerman ke bahasa Inggris oleh Keith Thomas. U.K, Worchestershire: Traplet Publications. 2. Kamps, Thomas Model Jet Engines. Alih bahasa dari bahasa Jerman ke bahasa Inggris oleh Keith Thomas. U.K, Worchestershire: Traplet Publications. 3. Bathie, William W Fundamentals of Gas Turbines. Iowa State University of Science and Technology. Canada: John Wiley and Sons Inc. 4. Sayers, A.T. Hydraulics and Compressible Flow Turbomachines Department of Mechanical Engineering University of Cape Town. U.K London: Mc-Graw-Hill Company. 5. Moran Michael J dan Howard N. Saphiro Fundamentals of Engineering Thermodyamic. U.K, Chicester: John Wiley and Sons Inc. 6. Boyce, Meherwan P Gas Turbine Engineering Handbook. Oxford, Butterworth-Heinemann: Gulf Professional Publishing. 7. Sulaiman, Mohd Yusoff Turbomachinery. University 1st degree lecture. 8. Dixon, S.L Fluid Mechanics, and Thermodynamics of Turbomachinery. Edisi ke-4. Oxford, Butterworth-Heinemann: Reed Educational and Professional Publishing Ltd. 9. Dixon, S.L Mekanika Fluida, Termodinamika Mesin Turbo. Edisi ke-3. Alih bahasa dari bahasa Inggris ke bahasa Indonesia oleh Sutanto. Jakarta: Penerbit Universitas Indonesia. 10. Nugroho, Y.Sinung dan Radi Suradi Kartanegara. Propulsi Pesawat Udara 1 dan 2. Modul Bahan Ajar. 11. Inisiator Aceh Power Investment. Turbine Gas. 12. Yunus, Asyari D. Kompresor Udara. Jakarta: Teknik Mesin, Universitas Darma Persada.

18 13. Sumarno, Meno Konversi Turbocharger Menjadi Mesin Turbin Gas Rancang Bangun Ruang Bakar Dan Sistem Bahan Bakar. Jurusan Teknik Mesin. Program Studi Teknik Aeronautika. Politeknik Negeri Bandung ( )

19 RIWAYAT HIDUP PENULIS Nama : Sambas Saepulah TTL : Ciamis, 27 April 1991 Jenis Kelamin : Laki-laki Agama : Islam Alamat : Jl. Kubang Sari V No.18 RT 02 RW 06 Kel. Sekeloa Kec. Coblong Bandung Telepon : saefullahsam@yahoo.com Pendidikan Tahun SD Negeri Sekeloa II Bandung SMP Negeri 35 Bandung SMA PGII 1 Bandung Politeknik Negeri Bandung Pengalaman Organisasi Tahun B.K Futsal Club Sekarang Ikatan Mahasiswa Teknik Aeronautika Sekarang Persatuan Aeromodelimg Bandung (PAB)