Bab I Pendahuluan Di dalam Bab Pendahuluan ini akan diuraikan secara ringkas beberapa gambaran umum yang mengawali laporan skripsi ini antara lain: latar belakang, tinjauan pustaka, pelaksanaan eksperimen, metodologi, tujuan dan hasil yang diharapkan, serta sistematika penulisan. Setiap bagian disusun berurutan dan berkaitan dengan bagian lain, dimana keseluruhan bagian ini dimaksudkan untuk membimbing para pembaca agar dapat mengikuti dan memahami isi laporan ini sampai bab akhir. 1.1 Latar Belakang Dalam beberapa dekade terakhir ini, perancangan mesin turbin gas terutama jenis turbojet mengalami perkembangan yang sangat pesat. Hampir semua negara maju bahkan negara berkembang mulai menyadari bahwa penguasaan dan penerapan teknologi ini akan dapat membawa masyarakatnya menuju modernisasi industri yang nantinya tentu bakal berdampak positif pada pembangunan nasional terutama sektor ekonomi dan militer. Untuk itu melalui badan-badan penelitian teknologi nasional masing-masing negara, penelitian dan pengembangan mesin turbojet lebih diintensifkan baik secara tunggal maupun terpadu. Di Indonesia sendiri penggunaan mesin turbin sudah cukup lama dilakukan untuk kebutuhan sipil yaitu sebagai salah satu pembangkit tenaga listrik yang murah, aman, dan berkualitas. Instalasi pembangkit listrik turbin yang mudah dan ukurannya relatif kecil menyebabkan pembangkit ini dapat dibangun dalam jumlah banyak dan mencapai daerah desa-desa dan pedalaman, sehingga pemanfaatan energi listrik lebih optimal dan dirasakan oleh seluruh lapisan masyarakat. Seperti juga halnya perancangan barang produk lainnya, desain sebuah mesin turbojet haruslah sedemikian rupa sehingga memiliki efisiensi yang 1
optimal. Dengan pertimbangan biaya produksi yang sehemat mungkin namun tanpa mengurangi prestasi kerja mesin tersebut, sehingga baik segi ekonomi maupun segi strategis tetap terpenuhi. Prestasi kerja mesin berkaitan dengan desain dan kekuatan komponen-komponen didalamnya seperti inlet, difuser, kompresor, ruang bakar, turbin, dan nozel. Sedangkan efisiensi mesin sangat bergantung pada kompresor, turbin, dan terutama ruang bakar. Untuk itu pemahaman pada proses kerja ruang akar sangat diperlukan agar diperoleh desain ruang bakar yang sesuai dengan kriteria di atas. Proses pembakaran, hingga saat ini belum dapat dianalisis secara akurat melalui hubungan-hubungan teoretis yang ada. Hal ini disebabkan karena reaksi pembakaran sangat dipengaruhi aspek-aspek makroskopis, seperti dinamika fluida, dan mikroskopis, seperti probabilitas molekular. Kedua aspek tersebut memiliki keterkaitan yang rumit untuk dikaji secara analitik. Oleh karena itu, penelitian di bidang ini masih dilakukan dengan pendekatan-pendekatan eksperimental dan simulasi numerik. Dari pendekatan empirik tersebut, perancangan bentuk ruang bakar dapat lebih disempurnakan untuk memperoleh prestasi pembakaran yang lebih baik. Masih banyak parameter yang perlu dikaji lebih dalam dari ruang bakar, seperti bentuk ruang bakar sehangga kinerja mesin maksimal, bagaimana pola aliran udara yang mengalir di dalam ruang bakar, aspek-aspek apa saja yang mempengaruhi temperatur dan kestabilan pembakaran, berapa komposisi pencampuran antara udara dan bahan bakar agar pembakaran efisien, fenomena-fenomena yang menyertai proses pembakaran, dan lain sebagainya. 1.2 Tinjauan Pustaka Aliran putar merupakan salah satu obyek penelitian yang telah cukup lama dilakukan di dalam bidang aerodinamika terapan. Banyak laporan berbagai penelitian dan eksperimen tentang aliran putar sejak awal tahun 70-an dari ilmuwan-ilmuwan yang ikut terlibat di dalam pelaksanaannya, baik secara eksperimental maupun melalui simulasi numerik. Namun, karakteristik aliran 2
putar masih belum sepenuhnya diamati dan dipahami karena sangat banyak faktor yang mempengaruhi. Studi karakteristik probe lima lubang dan efektivitasnya dalam mengukur data tekanan dalam medan aliran subsonik kompleks dilaksanakan oleh Pandu [6], yang dilanjutkan dengan produksi dan kalibrasi probe lima lubang sederhana. Simulasi komputasional efektivitas sudu pengarah dalam membangkitkan medan aliran putar di dalam tabung pembakaran dilakukan oleh Parwatha [7] menggunakan Fluent dengan pemodelan sudu pengarah 3-dimensi. Kemudian dicari hubungan empirik antara komponen kecepatan aksial dan kecepatan putar melalui pendekatan polinomial. Sedangkan analisis komputasional dengan pemodelan 2-dimensi dilakukan oleh Ahmad [9] pada kompresor aksial satu tingkat, untuk membandingkan antara efisiensi rancangan dengan efisiensi simulasi numerik. Untuk eksperimen karakteristik aliran putar dan tingkat turbulensi di dalam pipa silinder dilaksanakan oleh Pashtrapanska et al. [10] berdasarkan pada eksperimen sebelumnya dari Ibbetson dan Tritton (1975), Wigeland dan Nagib (1978), Hopfinger et al. (1982), Jacquin et al. (1990) serta Veeravalli (1990). Pashtrapanska memakai laser doppler anemometry (LDA) untuk mengukur distribusi kecepatan rata-rata dan tekanan statik di dalam seksi uji. Disini, hasil eksperimen menunjukkan kesesuaian dengan hasil simulasi numerik pada aliran pipa berotasi. Eksperimen serupa juga dilaksanakan oleh Novak dan Sarpkaya [11] yang bekerja pada bilangan Reynolds tinggi. Disini, karakteristik aliran putar dinyatakan dengan bilangan swirl dan bilangan Reynolds, dan vortex breakdown merupakan fase transformasi dari vortex silinder menjadi aliran bentuk tigadimensi. Didapat hasil yaitu pada bilangan Reynolds yang tinggi maka vortex breakdown tidak aksisimetris, dan dengan karakteristik spiral, tiga-dimensi, tingkat turbulensi tinggi, viskositas efektif didominasi oleh tegangan turbulen. Sedangkan untuk bilangan Reynolds rendah, eksperimen Paul Billant et al. [12] mencoba mengamati karakteristik dari berbagai vortex breakdown yang terjadi di dalam jet air berputar, dengan memvariasikan bilangan swirl dan bilangan Reynolds. 3
Eksperimen pengukuran harga rata-rata distribusi kecepatan dan tekanan statik pada aliran putar juga telah banyak dilakukan. Pada kelompok lain, Gerta et al. [14] menggunakan laser-doppler velocimeter (LDV) yang dipakai untuk mengukur kecepatan aliran pada arah tiga-dimensi. Para peneliti mencoba memahami karakteristik evolusi aliran putar didalam pipa pada bilangan Reynolds cukup tinggi serta memvariasikan nilai bilangan swirl. Sementara pada penelitiannya, Escudier dan Keller [15] mencoba memahami pengaruh aliran putar pada kestabilan pembakaran, pembentukan daerah resirkulasi dan daerah vortex breakdown, terutama pada aliran subkritik dan superkritik. Instrumen ukur yang digunakan adalah laser doppler anemometer (LDA). Dalam laporannya, dikenalkan parameter β, yaitu parameter yang menyatakan perbandingan antara komponen kecepatan tangensial dan kecepatan aksial di permukaan tabung silinder anular. Pada aliran subkritik dan superkritik dalam tabung silinder divergen, Sarpkaya [16] berhasil mengamati tiga model vortex breakdown: spiral, double-helix, dan aksisimetris. Sarpkaya menyimpulkan bahwa lokasi vortex breakdown bergantung pada bilangan Reynolds dan bilangan sirkulasi. Sedangkan Lilley [17] dari penelitiannya memperoleh hasil bahwa aliran putar memberikan efek sangat signifikan terhadap medan aliran, semburan jet, swirl decay, serta bentuk, ukuran, dan stabilitas nyala api, dan intensitas pembakaran dipengaruhi oleh bilangan swirl. Penelitian terhadap karakteristik decay aliran juga dilakukan oleh Wolf Jr. et al. [18], obyeknya yaitu aliran putar turbulen di dalam tabung. Harga tekanan total dan tekanan statik diukur dengan memakai probe silinder yang memanjang pada diameter tabung. Dari studi ini diperoleh hasil bahwa kurva karakteristik decay aliran putar mendekati bentuk eksponensial terhadap posisi aksial, semakin menurun seiring dengan meningkatnya bilangan Reynolds, dan tidak bergantung pada sudut putar awal. 1.3 Pelaksanaan Eksperimen Dari studi pustaka yang telah dilakukan, ternyata hampir semua segi yang berkaitan dengan aliran putar telah dianalisis, baik secara komputasional maupun secara eksperimental. Penelitian tersebut biasanya dikaitkan dengan kestabilan 4
pembakaran untuk meningkatkan efisiensi mesin. Namun penggunaan probe lima lubang untuk pengamatan efektivitas sudu pengarah aliran dan kaitannya dengan stabilitas pembakaran belum pernah dilakukan secara eksperimental, Untuk itu, setelah memiliki pemahaman dasar mengenai peranan aliran putar terhadap pola aliran udara di dalam tabung pembakaran serta pengaruhnya pada kestabilan pembakaran, maka diajukan eksperimen tugas akhir dengan topik: Studi Eksperimental Pengaruh Distribusi Sudut Sudu Pengarah pada Karakteristik Aliran Putar yang Dihasilkan dalam Tabung. 1.4 Tujuan Eksperimen Biasanya tujuan dari penelitian aliran putar mempunyai dua tujuan pokok, yaitu (i). memahami karakteristik aliran putar, dan (ii). memperoleh kegunaan praktis dari aliran putar itu. Eksperimen laboratorium ini dilakukan dengan tujuan untuk: 1. Merancang dan melaksanakan eksperimen dengan menggunakan alat probe lima lubang 2. Mengetahui dan mengamati berbagai pola distribusi komponen kecepatan aksial, kecepatan tangensial, kecepatan radial dalam tabung pembakaran pada bilangan Reynolds tertentu 3. Melakukan eksperimen dan pengamatan pada jenis profil free vortex dan rankine vortex 4. Mengetahui efektivitas sudu pengarah aliran yang telah dirancang dalam membangkitkan medan aliran putar 5. Menentukan jenis profil vortex yang lebih baik untuk menjaga kestabilan pembakaran 1.5 Metodologi Penelitian dilakukan dengan memahami terlebih dahulu literatur yang memuat tentang semua yang diperlukan selama proses penelitian ini. Proses pengambilan data dilakukan pada terowongan angin aliran putar terbuka dengan 5
diameter seksi uji 94 mm pada Laboratorium Thermodinamika, Pusat Rekayasa Industri, Institut Teknologi Bandung. Instrumen yang digunakan untuk pengambilan data yaitu probe lima lubang, transduser tekanan, Analog to Digital Converter (ADC), dan seperangkat komputer kerja. Sebagai pembangkit aliran putar didalam terowongan angin, digunakan dua model sistem sudu pengarah yang berbeda distribusi sudut-sudutnya. Pertama adalah sistem sudu dengan sudut sudu konstan dari pangkal ke ujung sebesar 30, dan yang kedua adalah sistem sudu dengan distribusi sudut sudu linier dari pangkal ke ujung sebesar 0-53. Probe dipasang di belakang sistem sudu diposisikan sejajar dengan arah aliran bebas, dengan titik-titik pengambilan data terbagi atas 25 posisi radial pada 8 posisi aksial. Kondisi kecepatan aliran bebas diatur konstan sebesar ±10 m/s. Sebelum pelaksanaan pengambilan data, terlebih dahulu probe lima lubang dikalibrasi untuk mengetahui karakteristik respon perubahan tekanannya terhadap variasi sudut pitch dan sudut yaw, dari kalibrasi ini diplot kurva kalibrasi. Kalibrasi dilakukan di Laboratorium Aeogasdinamika. Begitu juga dengan transduser tekanan, dikalibrasi untuk mengetahui sensitivitas transduser terhadap perubahan tekanan. Kalibrasi transduser menggunakan Betz Micromanometer. Dari kalibrasi ini diperoleh kurva kisaran nilai perubahan tekanan maksimum dan minimum dimana transduser bekerja dengan bagus. Analisis data menggunakan metode komputasi yang memuat data-data hasil pengukuran keseluruhan. Untuk mereduksi data, dilakukan pendefinisian koefisien aliran pada masing masing sudut setting probe. Setelah itu nilai rata rata dihitung untuk reduksi selanjutnya dengan pertimbangan berdasarkan hasil perhitungan ketidakpastian pengukuran. Kemudian data diolah untuk memperoleh distribusi komponen kecepatan aksial, tangensial, dan radial, serta distribusi tekanan statik aliran putar. Dari distribusi kecepatan tangensial dapat dihitung bilangan swirl aerodinamik dan profil aliran putar yang terjadi. Dari distribusi bilangan swirl lalu dibuat kurva swirl decay masing-masing sistem sudu pengarah untuk dihitung fitting coefficient a dan β, kemudian dianalisis dan dibandingkan dengan referensi. 6
1.6 Hasil yang Diharapkan Dari eksperimen medan aliran putar di dalam tabung pembakaran ini, maka beberapa hasil yang diharapkan antara lain: Distribusi kecepatan aksial dan tekanan statik di dalam medan aliran Distribusi bilangan swirl dan hubungannya dengan konfigurasi sudu pengarah Pola axial swirl decay Hasil-hasil yang diperoleh dipergunakan sebagai referensi untuk menentukan konfigurasi sistem sudu terbaik untuk meningkatkan kestabilan pembakaran. 1.7 Sistematika Penulisan Laporan skripsi ini disusun dengan sistematika sebagai berikut: Bab I Pendahuluan Pada bagian ini akan diuraikan secara singkat tentang latar belakang, tinjauan pustaka, ruang lingkup pelaksanaan eksperimen, tujuan eksperimen, metodologi eksperimen, hasil yang diharapkan, dan sistematika penulisan. Bab II Ruang Bakar Dalam bab ini akan dituliskan teori-teori yang berhubungan dengan mesin turbin secara umum dan khususnya ruang bakar, bagaimana proses pembakaran di dalam ruang bakar. Juga tentang pengaruh aliran putar pada kestabilan pembakaran. Bab III Aliran Putar Disini diuraikan secara panjang lebar teori-teori tentang aliran swirl, bilangan swirl, karakteristik weak swirl dan strong swirl, dan axial swirl decay Bab IV Probe Lima Lubang Bagian ini akan menjelaskan tentang probe lima lubang, prinsip kerjanya, metode kalibrasi dan kurva kalibrasi, cara menggunakan probe ini, dan sebagainya 7
Bab V Bab VI Bab VII Metodologi Eksperimen Disini akan dijelaskan tentang proses pelaksanaan eksperimen, persiapan yang dilakukan, alat yang digunakan, kondisi ruangan, teknik pengambilan data, serta teknik pengolahan data. Hasil dan Analisis Pada bab ini akan dibahas mengenai hasil-hasil eksperimen yang dilakukan, serta analisis swirl decay yang bersesuaian dengan tujuan eksperimen. Analisis meliputi aspek-aspek kuantitatif dan kualitatif dari karakteristik aliran putar. Bila memungkinkan akan dipilih konfigurasi sudu pengarah yang bagus untuk kestabilan pembakaran pada ruang bakar. Kesimpulan dan Saran Terakhir pada bab ini akan disampaikan kesimpulan yang didapat dari pelaksanaan eksperimen ini, dan juga dituliskan saran-saran yang dapat dipertimbangkan untuk pelaksanaan eksperimen sejenis dimasa yang akan datang. 8