DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2010

Transkripsi

1 SIMULASI NUMERIK ALIRAN FLUIDA DAN BENTUK SUDU TINGKAT PERTAMA TURBIN GAS PENGGERAK GENERATOR DENGAN DAYA 141,9 MW MENGGUNAKAN CFD FLUENT SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik MUHAMMAD SAID NIM DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2010

2

3

4

5

6

7

8

9 KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang senantiasa mencurahkan rahmat dan karunia-nya. Shalawat dan salam kepada Nabi Muhammad SAW sebagai Uswatun Hasanah bagi seluruh manusia. Skripsi ini membahas tentang simulasi numerik pada perancangan turbin gas, yang berjudul, SIMULASI NUMERIK ALIRAN FLUIDA DAN BENTUK SUDU TINGKAT PERTAMA TURBIN GAS PENGGERAK GENERATOR DENGAN DAYA 141,9 MW MENGGUNAKAN CFD FLUENT Dengan terselesainya Skripsi ini, pada kesempatan ini Penulis mengucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Ir. Zamanhuri selaku dosen pembimbing dalam penelitian ini yang telah membimbing dan memotivasi penulis sehingga penelitian ini dapat diselesaikan. 2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Tulus B Sitorus,ST,MT selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin FT-USU. 3. Bapak Ir. Isril Amir Dan Ir.Mulfi Hazwi,Msc selaku dosen pembanding dan penguji, yang telah,memberi banyak masukan dalam kesempurnaan tugas skripsi ini. 4. Keluarga Besar Departemen Teknik Mesin FT-USU terutama kepada Bapak Ir.Mulfi Hazwi,Msc, Bapak Ir.Tugiman K,MT dan Ibu Ir.Farida A Daulay,MT yang banyak membantu penulis dalam perkuliahan dan sahabat berdiskusi dalam segala hal. 5. Bapak Dr,Eng Himsar Ambarita ST, MT yang telah mengarahkan dan mengajarkan pengguna program CFD Fluent Orang Tua yang kusayangi Muhammad Hafizi dan Neni Setiawati yang selalu menjadi motivator dalam mengarungi bahtera hidup, My beloved brother and sister yang telah memberikan semangat. 7. Kak Ismawati, Bang Syawaluddin Lbs, Bang Supriyatin, yang banyak membantu dalam administrasi dan perkuliahan serta seluruh staf pegawai Dept. TM FT- USU. 8. Ucapkan terima-kasih kepada semua mahasiswa Teknik Mesin umumnya, dan khususnya sesama rekan-rekan stambuk Teman-teman IPANI dan IMAPALIKO semuanya, kalian semua yang memberi pelajaran berharga bahwa hidup itu harus diperjuangkan Akhir kata penulis permohonan maaf yang sebesar-besarnya atas segala kekurangan penulis ketika melakukan penelitian dan penulisan skripsi ini. Semoga penelitian ini bermanfaat bagi para pembaca. Medan, 27 November 2010 Penulis, Muhammad Said NIM :

10 ABSTRAK Perancangan turbin gas dengan daya 141,9 MW dan putaran 3000 rpm. Melakukan perancangan awal siklus brayton dan penentuan data awal keadaan termodinamik pada siklus. Melakukan perhitungan segitiga kecepatan sebagai perhitungan mula yang selanjutnya menghitung kerugian-kerugian uap saat masuk turbin yang terdiri dari kerugian internal dan external. Selanjutnya menentukan tingkat turbin dan merancang bagian-bagian utama turbin pertingkat yang terdiri dari jenis sudu pengarah (stator) dan sudu gerak (rotor). Dari hasil perhitungan dimensi sudu pengarah dan sudu gerak mulai menggunakan software gambar AutoCAD untuk membuat gambaran sudu pengarah dan sudu gerak kemudian melakukan simulasi awal dengan menggunakan software Gambit untuk membuat bentuk sudu gerak dan bentuk sederhana dari sudu pengarah dan sudu gerak pada turbin sesuai dengan data perhitungan awal. Hasil geometri yang telah berhasil di gambar di software Gambit kemudian di dimulasikan dengan menggunakan software Fluent pada kondisi steady state. Kemudian melakukan pembatasaan kondisi sesuai dengan kondisi hasil peranacangan turbin gas. Dari hasil simulasi didapatkan bentuk laju aliran fluida yang masuk turbin dan melalui sudu gerak seperti halnya keadaan saat uap memasuki turbin. Dari hasil sumulasi dapat dibuat kesimpulan kondisi fluida yang melalui sudu gerak dan keadaan fluida yang melalui sudu pengarah sesuai dengan teori perancangan.

11 DAFTAR ISI LEMBAR PENGESAHAN EVALUASI SEMINAR SKRIPSI SPESIFIKASI TUGAS KARTU BIMBINGAN KATA PENGANTAR ABSTRAK DAFTAR ISI DAFTAR GAMBAR DAFTAR TABEL DAFTAR NOTASI DAFTAR SINGKATAN i v vi vii viii ix x xv xvi xvii BAB I BAB II BAB III PENDAHULUAN 1.1 Latar belakang Tujuan Penulisan Pembatasan Masalah Metodologi Penulisan 3 TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Klasifikasi Turbin gas Berdasarkan siklus, kerjanya Menurut konstruksinya Komponen komponen Utama Turbin gas Sistem Kerja dan Start Turbin Gas Siklus Kerja Turbin Gas Siklus ideal Siklus aktual 15 CFD FLUENT DAN PENDEKATAN NUMERIK 3.1 Computational Fluid Dinamycs (CFD) Pengertian Umum CFD Penggunaan CFD Manfaat CFD Proses Simulasi CFD Metode Diskritisasi CFD 20

12 3.2 Pengenalan FLUENT Struktur Program FLUENT Perencanaan Analisis CFD dan Langkah Penyelesain Masalah Menggunakan FLUENT Pendekatan Numerik pada CFD FLUENT Ketentuan Matematis Persamaan Kontinuitas, Momentum dan Energi Fisik Aliran Kompressibel Model Turbulensi Persamaan Umum Transport Skalar, Diskritisasi dan Solusi Penyelesaian Persamaan Linear Dasar Penyelesaian Tekanan (Pressure-Based Solver) Diskritisasi (Metode Interpolasi) Pressure Velocity Coupling Grafik Kompatibilitas Model FLUENT 40 BAB IV ANALISA TERMODINAMIKA 4.1 Spesifikasi Teknis Perencanaan Siklus Brayton Ideal Siklus Brayton Aktual Analisa Pembakaran Laju Aliran Massa Udara dan Bahan Bakar 56 BAB V PERENCANAAN TURBIN 5.1 Parameter Perencanaan Turbin Perencanaan Sudu Turbin Kondisi Gas Dan Dimensi Sudu Tiap Tingkat Diagram Kecepatan Dan Sudut Kec. Tiap Tingkat Turbin 72

13 5.5 Jumlah Sudu Tiap Tingkat Turbin Sudut-Sudut Sudu Tiap tingkat Turbin 79 BAB VI PROSES SIMULASI 6.1 Pendahuluan Data Awal Kondisi Batas (Boundary Condition) Kasus yang Disimulasikan Prosedur Simulasi Membuat geometri sudu turbin dengan Auto CAD dan GAMBIT Membuat mesh sebagai domain komputasi di GAMBIT Memasukkan parameter simulasi dan menjalankan solver CFD FLUENT Melihat hasil simulasi dengan CFD FLUENT 89 BAB VII BAB VIII HASIL DAN ANALISIS SIMULASI 7.1 Simulasi Vektor Kecepatan Aliran Simulasi Kontur Tekanan Perbandingan koefisien lift (Cl) dan koefisien drag (Cd) 96 KESIMPULAN DAN SARAN 8.1 Kesimpulan Saran 102 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xviii

14 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Sistem turbin gas dengan siklus terbuka 6 Gambar 2.2 Skema Instalasi turbin gas dengan siklus tertutup 7 Gambar 2.3 Turbin gas berporos ganda 8 Gambar 2.4 Skema turbin gas siklus regeneratif dengan heat exchanger 9 Gambar 2.5 Skema Siklus gabungan turbin uap dan turbin gas 10 Gambar 2.6 Diagram P-V dan diagram T-S ( siklus ideal ) 13 Gambar 3.1 Struktur Komponen Program FLUENT 22 Gambar 3.2 Diagram Alir Prosedur Simulasi 24 Gambar 3.3 Volume control digunakan utnuk mengilustrasikan diskritisasi persamaan transport skalar 33 Gambar 3.4 Volume control satu dimensi 37 Gambar 3.5 Kompatibilitas model pada FLUENT 41 Gambar 4.1 Siklus turbin gas rancangan 42 Gambar 4.2 Diagram T-s ideal Siklus Brayton 43 Gambar 4.3 Diagram T-s aktual Siklus Brayton 47 Gambar 4.4 Diagram daya generator 56 Gambar 5.1 Diagram kecepatan Turbin aksial 63 Gambar 5.2 Diagram kecepatan sudu Turbin Aksial 65 Gambar 5.3 Segitiga kecepatan pada puncak sudu tingkat pertama turbin 76 Gambar 5.4 Perbandingan optimum jarak sudu (pitch) dan korda (Sumber: Gas Turbine Theory, Cohen. H) 77 Gambar 5.5 Grafik hubungan antara sudut masuk gas sudut keluar gas (Sumber: Gas Turbine Theory, Cohen. H) 80 Gambar 5.6 Geometri sudu turbin (Sumber: Gas Turbine Theory, Cohen. H) 81 Gambar 6.1 Profil sudu gerak ( rotor ) tingkat pertama 84 Gambar 6.2 Kondisi batas profil sudu tingkat pertama 85 Gambar 6.3 Mesh domain sudu stator dan rotor tingkat pertama 88 Gambar 7.1 Nomenklatur sudu 92

15 Gambar 7.2 Vektor kecepatan aliran steady pada stator dan rotor 93 Gambar 7.3 Daerah vektor kecepatan tertinggi pada sudu pengarah (stator) 93 Gambar 7.4 Kontur tekanan statis pada stator dan rotor 94 Gambar 7.5 Garis kontur tekanan statis pada stator dan rotor 94 Gambar 7.6 (a) Grafik Cl pada sudu pengarah (b) Grafik Cl pada sudu gerak (pembacaan hasil Cl ) 97 Gambar 7.7 (a) Grafik Cd pada sudu pengarah (b) Grafik Cd pada sudu gerak (pembacaan hasil Cd ) 98 Gambar 7.8 Distribusi Pressure Coefficient hasil simulasi numerik pada stator 99 Gambar 7.9 Distribusi Pressure Coefficient hasil simulasi numerik pada rotor 100 Gambar 7.10 Koefisen Lift untuk turbin da kompressor rotor yang merupakan fungsi relatif aliran masuk dengan parameter sudut terhadap 101

16 DAFTAR TABEL Tabel Halaman Tabel 4.1 Komposisi Bahan Bakar 53 Tabel 4.2 Kebutuhan 100% udara pembakaran pada kondisi stokiometri 54 Tabel 4.3 Kebutuhan 400% udara pembakaran pada kondisi stokiometri 55 Tabel 5.1 Kondisi gas pada tiap tingkat sudu turbin 66 Tabel 5.2 Ukuran-ukuran utama sudu turbin pada setiap tingkat 70 Tabel 5.3 Ukuran-ukuran skunder sudu turbin pada setiap tingkat 72 Tabel 5.4 Sudu dan vektor kecepatan sudu turbin pada setiap tingkat 76 Tabel 5.5 Spesifikasi sudu-sudu tiap tingkat turbin 79 Tabel 5.6 Sudut-sudut sudu gerak turbin 82 Tabel 7.1 Nilai Cl dan Cd pada profil sudu tingkat pertama 96

17 DAFTAR NOTASI Notasi Arti Satuan A Luas Anulus m 2 AFR Perbandingan udara dan bahan bakar kg udara /kg bahanbakar c panjang chord sudu m C a kecepatan aliran aksial fluida m/s C pg panas spesifik gas hasil pembakaran kj/kg.k c p panas jenis udara masuk kompresor kj/kg.k Cx Panjang chord sudu arah aksial m D d Diameter luar cakra m D h Diameter lubang cakra m D R Diameter hidrolis pada sudu diam m F A Diameter hidrolis pada sudu gerak m FAR perbandingan bahan bakar dengan udara kg bahanbakar / kg udara F r Gaya tangensial sudu N h entalphi static kj/kg ht tinggi sudu turbin m h o entalphi stagnasi kj/kg udara

18 k Conduktivitas thermal W/m.K LHV Nilai pembakaran bawah bahan baker kj/kg udara m u massa aliran udara kg/s m f massa aliran bahan baker kg/s m g massa aliran gas hasil pembakaran kg/s m p massa aliran udara pendingin kg/s N putaran rpm P Tekanan Pa P 0 tekanan stagnasi Pa P f Losses tekanan udara pada filter Pa P G Daya Generator MW P K Daya Kompressor MW P T Daya Turbin MW r jari-jari sudu m R a konstanta panjang pitch sudu m s panjang pitch sudu m T c temperature fluida dingin K T h temperature fluida panas K U kecepatan keliling m/s

19 Um Kecepatan tangensial rata-rata m/s V kecepatan relative gas m/s w lebar sudu m W kerja spesifik kj/kg udara W netto kerja bersih kj/kg udara Z jumlah sudu buah Δ P rb kerugian tekanan pada ruang bakar Pa R R Derajat reaksi tingkat φ η K koefisien kecepatan aliran efisiensi kompresor η T efisiensi turbin η g efisiensi generator ψ α β Koefisien kecepatan (angka kualitas) sudu Sudut masuk dan keluar kecepatan gas mutlak Sudut masuk dan keluar kecepatan relatif gas

20 DAFTAR SINGKATAN AFR FAR LHV LNG CFD PDE Bwr LED TER CLL Air Fuel Ratio Fuel Air Ratio Lower Haeting Value Liquefied Natural Gas Computational Fluid Dynamics Partial Differential Equation Back Work Ratio Leading Edge Radius Trailing Edge Radius Camber Line Length