ANALISIS CASING TURBIN KAPLAN MENGGUNAKAN SOFTWARE COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS/CFD FLUENT 6.2.16 Ridwan Arief Subekti, Anjar Susatyo, Jon Kanidi Puslit Tenaga Listrik dan Mekatronik LIPI Komplek LIPI, Jl. Cisitu No.21/154 D Bandung. Tlp. 022-2503055 ; Fax.022-2504773 E-mail: ridw001@lipi.go.id ABSTARK Salah satu cara untuk memperoleh disain casing turbin yang baik adalah dengan melakukan analisa disain menggunakan software. Hal ini untuk mengetahui performa dan effisiensi dari rancangan casing turbin sebelum dibuat. Melalui analisa tersebut, kita dapat menghindari kesalahan disain dan dapat menghemat biaya penelitian. Untuk itu, telah dilakukan analisis perancangan casing turbin Kaplan dengan menggunakan software Computational Fluid Dynamic/CFD Fluent 6.2.16. Tujuan analisis ini adalah untuk mengetahui karakteristik fluida yang mengalir didalam casing turbin tersebut. Metode yang digunakan adalah dengan melakukan pemodelan dengan software GAMBIT 2.2.30 (Geometri and Mesh Building Intelligent Toolkit), sedang analisa dilakukan dengan software Fluent 6.2.16. Beban yang bekerja pada casing turbin adalah beban yg diakibatkan oleh tekanan fluida pada head 10 meter yaitu sebesar 100.000 Pascal sehingga dilakukan perhitungan tekanan statik dan dinamik yang diakibatkan oleh tekanan fluida tersebut. Juga akan dilakukan perhitungan kecepatan fluida, energi kinetik turbulen dan pola aliran fluida di dalam rumah turbin. Perhitungan dilakukan pada rumah turbin, dengan memodelkan disain rumah turbin beserta rumah poros dan hub turbin. Dari hasil analisa fluent didapat pressure total pada sisi inlet (p 1 ) = 102.431 Pascal, pressure total pada sisi outlet (p 2 ) = 100.837,14 Pascal, pressure drop = 1,56 % dan effisiensi (η) = 98,44 % Kata kunci : casing turbin, fluent, komputasi aliran fluida dinamik, penurunan tekanan PENDAHULUAN Sebuah turbin adalah sebuah mesin berputar yang mengambil energi dari aliran fluida. Turbin tersederhana memiliki satu bagian yang bergerak, asembli rotor-blade. Fluida yang bergerak bekerja kepada baling-baling untuk memutar baling-baling dan menyalurkan energi ke rotor. Contoh turbin awal adalah kincir angin dan roda air. Sebuah turbin yang bekerja terbalik disebut kompresor atau pompa turbo. Turbin gas, uap dan air biasanya memiliki casing sekitar baling-baling yang memfokus dan mengontrol fluida. Casing dan baling-baling mungkin memiliki geometri variabel yang dapat membuat operasi efisien untuk beberapa kondisi aliran fluida. Energi diperoleh dalam bentuk tenaga "shaft" berputar. (Dari Wikipedia Indonesia, ensiklopedia bebas berbahasa Indonesia, http://id.wikipedia.org/wiki/turbin). Untuk itu kebutuhan penelitian bahkan sampai dengan tingkat disain, perlu dibutuhkan suatu alat yang mampu menganalisa atau memprediksi dengan cepat dan akurat. Maka, dalam mendisain casing turbin dibutuhkan software Computational Fluid Dynemic (CFD) atau komputasi aliran fluida dinamik. Tujuan analisis ini dilakukan adalah untuk mengetahui karakteristik fluida yang mengalir didalam casing turbin,
dan untuk mengetahui performa serta effisiensi dari rancangan casing turbin sebelum dibuat. Melalui analisa tersebut, kita dapat menghindari kesalahan disain dan dapat menghemat biaya penelitian. DASAR TEORI Computational Fluid Dynamic Aliran fluida, baik cair maupun gas, adalah suatu zat yang sangat kentara dengan kehidupan kita seharihari. Untuk itu kebutuhan penelitian tersebut bahkan sampai dengan tingkat disain, perlu dibutuhkan suatu alat yang mampu menganalisa atau memprediksi dengan cepat dan akurat. Maka, berkembanglah suatu ilmu yang dinamakan Computational Fluid Dynemic (CFD) atau komputasi aliran fluida dinamik. Secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, rekasi kimia, dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika (model matematika). Pada dasarnya, persamaan-persamaan pada fluida dibangun dan dianalisis berdasarkan persamaan-persamaan diferensial parsial (PDE = partial Differential Equation) yang mempresentasikan hukum-hukum konversi massa, momentum, dan energi. Sebuah perangkat lunak CFD akan memberikan simulasi aliran fluida, perpindahan panas, perpindahan massa, benda-benda bergerak, aliran multi fasa, reaksi kimia, interaksi fluida dengan struktur, dan sistem akuisisi hanya dengan pemodelan di komputer. Dengan menggunakan software ini kita dapat membuat virtual prototype dari sebuah sistem atau alat yang akan kita analisis dengan menerapkan kondisi nyata dilapangan. Software CFD akan memberikan data-data, gambar-gambar, atau kurva-kurva yang menunjukan prediksi dari performansi keandalan sistem yang kita disain tersebut. Proses Simulasi CFD Pada umumnya terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan ketika kita melakukan simulasi CFD, yaitu : 1. Processing Processing merupakan langkah awal dalam membangun dan menganalisis sebuah model CFD. Teknisnya adalah membuat model dalam paket CAD (Computer Aided Design), membuat mesh yang cocok/sesuai, kemudian menerapkan kondisi batas dan sifat-sifat fluidanya. 2. Solving Solvers (program inti pencari solusi) CFD menghitung kondisi-kondisi yang diterapkan pada saat preprocessing. 3. Postprocessing Adalah langkah terakhir dalam analisis CFD. Hal yang dilakukan dalam langkah ini adalah mengorganisasi dan mengintrepertasi data hasil simulasi CFD yang bisa berupa gambar,kurva, dan animasi. METODOLOGI Pemodelan Casing Turbin Casing turbin merupakan bagian yang penting untuk memperoleh aliran fluida yang terbaik dan dapat memfokuskan serta mengontrol aliran fluida. Pemodelan casing turbin dilakukan dengan software GAMBIT 2.2.30 (Geometri And Mesh Building Intelligent Toolkit). Desain casing turbin dapat digambarkan seperti pada gambar dibawah ini: Gambar 1. Desain casing turbin
Adapun casing turbin yang akan dianalis memiliki dimensi seperti pada tabel dibawah ini. Tabel 1. Dimensi rumah turbin Kaplan 10 kw Bagian Dimensi Pipa 16, 400 mm Elbow 16, 30 ⁰ Reduser 16 x 12 Hub Diameter 160 mm Rumah poros 4, 100 mm Metode Perhitungan dan Analisis Perhitungan dilakukan terhadap tekanan statik dan dinamik yang diakibatkan oleh tekanan statik 100.000 Pascal. Juga akan dilakukan perhitungan kecepatan fluida, energi kinetik turbulen dan pola aliran fluida di dalam rumah turbin. Analisa dan simulasi dilakukan dengan menggunakan software analisis komputasi fluida dinamik (Computational Fluid Dynamics/CFD) Fluent 6.2.16. Setelah pemodelan disain casing turbin selesai, kita masukan parameter-paremeter yang diperlukan dalam inputan Fluent. Adapun parameter-parameter tersebut dapat dilihat pada tabel dibawah ini. Tabel 2. Inputan Fluent 6.2.16 Item Besaran Solver Model viskositas 3 Dimensi, segregated k-epsilon (2 eqn) Material Density Viscositas Tekanan operasi Water liquid ( 998.2 kg/m 3 0.001003 kg/m-s 101325 Pa ) Gravitasi Kondisi boundari sisi inlet Tekanan inlet total Tekanan statis inlet Intensitas turbulen inlet Diamater Hidrolik inlet Kondisi boundari sisi outlet Laju aliran massa Intensitas turbulen outlet Diamater Hidrolik outlet Faktor discretisasii 9.81 m/s 2 arah sumbu Y negativ Pressure inlet 102431 Pa 100000 Pa 2.90325 % 0.2874 m Mass flow inlet 259.532 kg/s 2.787 % 0.2795 m Orde kedua HASIL SIMULASI DAN PEMBAHASAN Setelah inputan yang dibutuhkan pada program Fluent selesai kita lakukan, maka selajutnya dapat dilakukan proses perhitungan/ iterasi. Dengan menggunakan software Fluent didapat hasil iterasi sebagai berikut : Gambar 2. Kontur tekanan total pada dinding casing turbin
Dari gambar kontur tekanan total, didapat bahwa tekanan total yang terjadi sebesar 8,48x10 4 Pascal sampai dengan 1,03x10 5 Pascal, dimana tekanan terbesar terjadi pada dinding sisi inlet. Hal ini tidak jauh berbeda dengan tekanan pada inputan fluent yaitu tekanan total pada sisi inlet sebesar 102431 Pascal. Tekanan pada bagian dalam casing turbin juga relative homogen, namun demikian ada beberapa daerah dimana tekanannya lebih rendah yaitu pada bagian hub dekat dudukan runner/ sudu gerak turbin. Gambar 3. Kontur vektor kecepatan pada casing turbin Dari gambar diatas didapat bahwa kecepatan fluida yang mengalir dalam casing turbin adalah 1,4x10-2 m/s sampai dengan 6,95x10 0 m/s. Pada sisi inlet casing, kecepatan fluida mengalir adalah sekitar 3.48x10 0 m/s. Terjadi penurunann kecepatan fluida pada bagian elbow casing dimana kecepatan terendah sebesar 1,4x10-2 m/s terjadi di daerah tersebut. Pada sisi outlet casing terjadi peningkatan kecepatan fluida yang mana hal ini disebabkan disain casing turbin yang menyempit pada bagian sisi outlet. Kecepatan fluida pada bagian sisi outlet tersebut adalah 6,95x10 0 m/s. Gambar 4. Kontur energi kinetik turbulence pada dinding casing turbin Dari kontur energi kinetik didapat bahwa energi kinetik turbulen yang terjadi sebesar 1,38x10-3 m 2 /s 2 sampai dengan 2,25x10 0 m 2 /s 2. Energi kinetik turbulen yang terjadi pada dinding casing relative homogen yaitu sebesar 1,38x10-3 m 2 /s 2. Namun ada beberapa bagian dinding pertemuan elbow dengan reduser terjadi energi kinetik yang lebih besar. Energi kinetik turbulen pada bagian dalam casing turbin lebih bervariasi besarnya, hal ini disebabkan adanya desain hub dan rumah poros pada casing turbin tersebut.
Gambar 5. Kontur pola alira pada di dalam casing turbin Dari gambar kontur pola aliran fluida yang terjadi didalam casing turbin dapat diketahui bahwa aliran fluida didalam casing adalah sangat baik (smooth).pada belokan casing turbin, aliran fluida tidak terjadi aliran berbaik atau turbulen. Hal ini tentu sangat baik dalam perancangan rumah turbin yang mana diperlukan pola aliran yang baik untuk mengurangi penurunan tekanan (pressure drop) antara tekanan pada sisi inlet dan tekanan pada sisi outlet. Selanjutnya nilai rata-rata dari hasil perhitungan fluent dibuat dalam tabel di bawah ini : Tabel 3. Hasil perhitungan fluent Referensi Static Pressure (Pa) Dynamic Pressure (Pa) Pressure-total (Pa) Velocity Magnitude (m/s) Turbulence Kinetic Energy (k) (m2/s2) Head-total (m) Inlet 100000.45 2430.5446 102431 2.0986616 0.0061730573 10.441458 Outlet 83511.374 17326.64 100837.14 5.8915072 0.18118066 10.279015 Interior 96369.849 5627.3768 101997.23 3.1422741 0.072601156 10.397271 Dinding Hub 96248.36 4545.24 100823.84 0.0476 0.083363751 10.277659 Analisis Pressure Drop Pada Rumah Turbin Dari hasil iterasi yang dilakukan Pressure total sisi inlet ( ) : Pressure total sisi outlet ( ) : fluent seperti pada tabel diatas, didapat bahwa : 102431 Pa 100837.14 Pa Sehingga didapat penurunan tekanan pada casing turbin adalah : p total = - `= 102431 Pascal - 100837.14 Pascal ` = 1593.87 Pascal Pressure Drop (%) = = = 1.56 % Sehingga effisisien disain casing turbin adalah : η = = = 98.44 %
Analisis Mass Flow Rate Untuk mengecek hasil perhitungan yang telah dilakukan oleh fluent, kita dapat melakukan perhitungan mass flow rate pada sisi inlet dan outlet casing turbin. Perhitungan tersebut dapat dilihat pada gambar dibawah ini. Gambar 6. Hasil perhitungan mass flow rate pada fluent Pengecekan mass flow rate : 100 % 0,0002441 259.53189 100 % 9.4 % Dari perhitungan diatas didapat bahwa persentase selisih mass flow rate dibanding pada sisi inlet adalah sebesar 0.000094 %, hal ini sangat baik karena masih jauh dibawah 1 %. KESIMPULAN 1. Hasil analisis komputasi fluida dinamik (Computational Fluid Dynamics/CFD) Fluent 6.2.16. terhadap bentuk rumah turbin, hub dan rumah poros didapat bahwa pressure drop sebesar 1593.87 Pascal. Pressure total pada sisi inlet adalah 102431 Pascal dan pressure total pada sisi outlet adalah 100837.14 Pascal serta effisisien disain casing turbin adalah 98.44 % 2. Kontur pola aliran di dalam casing turbin sangat baik dimana pola alirannya halus. Energi turbulen kinetik yang terjadi sebesar 1,38x10-3 m 2 /s 2 sampai dengan 2,25x10 0 m 2 /s 2 3. Dari tabel hasil perhitungan mass flow rate pada fluent didapat bahwa selisih mass flow rate pada sisi inlet dan outlet sebesar 0,0002441 kg/s. Bila kita hitung selisih/mass flow inlet x 100% didapat angka 0.000094%, ini membuktikan bahwa hasil analisa yang dilakukan fluent terhadap disain rumah turbin masih memenuhi kriteria karena hasilnya masih dibawah 1%. DAFTAR PUSTAKA Firman Tuakia, 2008, Dasar-Dasar CFD Menggunakan Fluen, Informatika, Bandung Teori Casing Turbin, Diakses tanggal 10 Pebruari 2008 dari http://id.wikipedia.org/wiki/turbin). Victor L. Streeter, E. Benyamin Wylie, 1986, Mekanika Fluida, Edisi Delapan, Jilid 1, Erlangga, Jakarta Victor L. Streeter, E. Benyamin Wylie, 1986, Mekanika Fluida, Edisi Delapan, Jilid 2, Erlangga, Jakarta