SIMULASI NUMERIK ALIRAN FLUIDA PADA TINGKAT PERTAMA KOMPRESOR DALAM INSTALASI TURBIN GAS DENGAN DAYA 141,9MW MENGGUNAKAN CFD FLUENT 6.3.

Transkripsi

1 1 SIMULASI NUMERIK ALIRAN FLUIDA PADA TINGKAT PERTAMA KOMPRESOR DALAM INSTALASI TURBIN GAS DENGAN DAYA 141,9MW MENGGUNAKAN CFD FLUENT SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik DAVID SATRIA NIM DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2010

2 2 SIMULASI NUMERIK ALIRAN FLUIDA PADA TINGKAT PERTAMA KOMPRESOR DALAM INSTALASI TURBIN GAS DENGAN DAYA 141,9MW MENGGUNAKAN CFD FLUENT DAVID SATRIA NIM Telah Disetujui dari hasil Seminar Skripsi Periode ke- 592 pada tanggal 27 Desember 2010 Penguji I Penguji II Ir. Isril Amir Ir. Syahrul Abda, M.Sc NIP NIP

3 3 KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT yang senantiasa mencurahkan rahmat dan karunia-nya sehingga penulis bisa menyelesaikan penyusunan skripsi ini. Skripsi ini membahas tentang simulasi numerik pada perancangan turbin gas, yang berjudul, Simulasi Numerik Aliran Fluida pada Tingkat Pertama Kompresor dalam Instalasi Turbin Gas dengan Daya 141,9 MW Menggunakan CFD FLUENT Dengan rampungnya penyusunan skripsi ini, pada kesempatan ini Penulis mengucapkan terima-kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Ir. Zamanhuri, MT selaku dosen pembimbing dalam penelitian ini yang telah membimbing dan memotivasi penulis sehingga penelitian ini dapat diselesaikan. 2. Bapak Ir. Isril Amir dan Bapak Ir. Syahrul Abda, M.Sc yang telah banyak memberikan masukan demi kesempurnaan penyusunan skripsi ini. 3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Tulus B Sitorus,ST,MT selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin FT-USU. 4. Bapak Dr,Eng Himsar Ambarita ST, MT yang telah mengarahkan dan mengajarkan penggunaan program CFD FLUENT Ayahnda A. Dt. A Mangun Nan Panjang dan Ibunda Enisna dan seluruh keluarga yang selalu mencurahkan kasih sayangnya dan perhatian serta dukungan baik moril maupun materil. 6. Adinda Suci Intan Fatrisia dengan sokongan dan kemurahan hatinya, membantu penulis dalam penyelesaian akhir penyusunan skripsi ini. 7. Kepada seluruh majelis dosen di Departemen Teknik Mesin tanpa terkecuali yang telah berbagi ilmu dan pengalaman, semoga Allah balasi ketulusan dan semangat berbaginya dengan pahala kebaikan. 8. Buk Ismawaty dan Bapak Syawaluddin Lubis yang banyak membantu dalam administrasi dan perkuliahan serta seluruh staf pegawai Departemen Teknik Mesin FT-USU. 9. Kepada rekan-rekan Teknik Mesin FT-USU, terkhusus rekan-rekan angkatan Teman-teman di KAMMDASU dan IMAPALIKO semuanya, kalian semua yang memberi pelajaran bahwa hidup tak mengenal siaran tunda. Akhir kata penulis mengucapkan permohonan maaf yang sebesar-besarnya atas segala kekurangan penulis ketika melakukan penelitian dan penyusunan skripsi ini. Semoga bermanfaat bagi para pembaca. Medan, Desember 2010 Penulis, David Satria NIM :

4 4 ABSTRAK Perancangan turbin gas dengan daya keluaran generator listrik 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 menentukan tingkat kompresor dan merancang bagian-bagian sudu kompresor tingkat pertama. Dari hasil perhitungan dimensi sudu mulai menggunakan software pemodelan 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 sesuai dengan data perhitungan awal. Hasil geometri yang telah berhasil di gambar di software GAMBIT kemudian di disimulasikan dengan menggunakan software FLUENT pada kondisi steady state. Kemudian melakukan pembatasaan kondisi sesuai dengan kondisi hasil analisis manual kompresor. Dari hasil simulasi didapatkan bentuk laju aliran fluida yang masuk kompresor dan melalui sudu gerak. Dari hasil simulasi dapat dibuat kesimpulan kondisi fluida yang melalui sudu gerak dan keadaan fluida yang melalui sudu pengarah sesuai dengan teori perancangan.

5 5 DAFTAR ISI LEMBAR PENGESAHAN EVALUASI SEMINAR SKRIPSI SPESIFIKASI TUGAS KARTU BIMBINGAN KATA PENGANTAR ABSTRAK DAFTAR ISI DAFTAR TABEL DAFTAR GAMBAR DAFTAR NOTASI vi vii viii x xi xii BAB I BAB II PENDAHULUAN 1.1 Latar belakang Tujuan Penulisan Pembatasan Masalah Metodologi Penulisan 4 TINAJUAN PUSTAKA 2.1 Kompresor dan Fungsinya dalam sistem Turbin Gas Siklus Ideal dan Aktual pada Kompresor Efisiensi Kompresor Konstruksi Kompresor Aksial Sudu Kompresor Segitiga Kecepatan pada Sudu Kompresor Derajat Reaksi Kompresor Aksial Jumlah tingkat Kompresor 15 BAB III CFD FLUENT DAN PENDEKATAN NUMERIK 3.1 Computational Fluid Dinamycs (CFD) Pengertian Umum CFD Penggunaan CFD Manfaat CFD Proses Simulasi CFD Metode Diskritisasi CFD 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 32

6 Penyelesaian Persamaan Linear Dasar Penyelesaian Tekanan (Pressure-Based Solver) Diskritisasi (Metode Interpolasi) 36 BAB IV BAB V BAB VI ANALISA TERMODINAMIKA 4.1 Spesifikasi Teknis Perencanaan Siklus Brayton Analisa Pembakaran Laju Aliran Massa Udara dan Bahan Bakar 51 PERENCANAAN KOMPRESOR 5.1 Parameter Perencanaan Kompresor Jumlah Tingkat Kompresor Sudu Kompresor Annulus Kompresor Gaya-gaya yang Berkerja pada Sudu Kompresor 69 PROSES SIMULASI 6.1 Urgensi Simulasi 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 HASIL DAN ANALISIS SIMULASI 7.1 Simulasi Vektor Kecepatan Aliran Simulasi Kontur Tekanan Perbandingan koefisien lift (Cl) dan koefisien drag (Cd) 83 BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN 8.1 Kesimpulan Saran 85 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xiv xv

7 7 DAFTAR TABEL Tabel 4.1 Komposisi Bahan Bakar 47 Tabel 4.2 Kebutuhan udara pembakaran pada kondisi stokiometri 48 Tabel 4.3 Kebutuhan 400% udara pembakaran pada kondisi stokiometri 50 Tabel 5.1 Perbandingan puncak dan dasar sudu 58 Tabel 5.2 Kondisi udara tiap tingkat kompresor 62 Tabel 5.3 Data-data dan Dimensi Sudu Gerak kompresor pertingkat 69 Tabel 7.1 Komparasi Nilai Cl dan Cd pada profil sudu gerak 94

8 8 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Sistem Turbin Gas dengan Siklus Terbuka 5 Gambar 2.2 Gambar 2.2 Diagram P-V dan diagram h,t-s 6 Gambar 2.3 Gambar 2.3 Diagram h-s pada kompresor 7 Gambar 2.4 Skema konstruksi kompresor aksial 9 Gambar 2.5 Konstruksi dan jenis-jenis pemasangan sudu pada rotor 10 Gambar 2.6 Detail susunan sudu dan penamaan sudut 10 Gambar 2.7 Grafik hubungan s/c 11 Gambar 2.8 Kondisi dalam annulus tingkat pertama kompresor 12 Gambar 2.9 Segitiga kecepatan pada satu tingkat pertama kompresor 13 Gambar 2.10 Segitiga kecepatan derajat reaksi > 50% dan < 50% 14 Gambar 3.1 Struktur Komponen Program FLUENT 23 Gambar 3.2 Diagram Alir Prosedur Simulasi 25 Gambar 3.3 Volume control digunakan utnuk mengilustrasikan diskritisasi persamaan transport skalar 33 Gambar 4.1 Diagram T-s Siklus Brayton 39 Gambar 4.1 Diagram Daya Generator 51 Gambar 5.1 Segitiga kecepatan pada satu tingkat kompresor 56 Gambar 5.2 Segitiga kecepatan tingkat pertama kompresor 60 Gambar 5.3 Sudu gerak tingkat pertama 63 Gambar 5.4 Grafik hubungan s/c 66 Gambar 5.5 Gaya dorong dan gaya angkat pada sudu 70 Gambar 6.1 Kondisi batas profil sudu tingkat pertama 74 Gambar 6.2 Mesh domain sudu tingkat pertama 77 Gambar 7.1 Vektor kecepatan aliran pada sudu tingkat pertama 80 Gambar 7.2 Daerah vektor kecepatan tertinggi pada sudu pengarah (stator) 80 Gambar 7.3 Kontur tekanan statis pada stator dan rotor 81 Gambar 7.4 Garis kontur tekanan statis pada stator dan rotor 82 Gambar 7.5 Grafik Cd pada sudu gerak (pembacaan hasil Cd 10-6 ) 83 Gambar 7.6 Grafik Cl pada sudu gerak (pembacaan hasil Cl 10-6 ) 84

9 9 DAFTAR NOTASI Notasi Arti Satuan A Luas Anulus m 2 AFR Air Fuel Ratio 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 Fuel Air Ratio 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 k Conduktivitas thermal W/m.K LHV Lower Heating Value kj/kg udara m u massa aliran udara kg/s m f massa aliran bahan bakar 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 temperatur fluida dingin K T h temperatur fluida panas K U kecepatan keliling m/s Um Kecepatan tangensial rata-rata m/s V kecepatan relatif gas m/s

10 10 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 koefisien kecepatan aliran η K efisiensi kompresor η T efisiensi turbin η g efisiensi generator ψ Koefisien kecepatan (angka kualitas) sudu α Sudut masuk dan keluar kecepatan gas mutlak β Sudut masuk dan keluar kecepatan relatif gas