SIMULASI NUMERIK ALIRAN 3D UNTUK KONDISI QUASI STEADY DAN UNSTEADY PADA TURBIN UAP AKSIAL TUGAS AKHIR Disusun sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik dari Institut Teknologi Bandung Oleh: NANANG MAHARDIKA (136 02 008) Pembimbing: Dr. Ing Moch Agoes Moelyadi Dr Romie O Bura PROGRAM STUDI TEKNIK PENERBANGAN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007
LEMBAR PENGESAHAN Telah Diperiksa dan Disetujui oleh : Pembimbing 1 Pembimbing 2 ( Dr.Ing Moch Agoes Moelyadi ) ( Dr Romie O Bura ) NIP 132231593 NIP 132320056
Abstrak ABSTRAK Turbin uap aksial salah satu jenis turbin yang sering dipakai untuk pembangkit daya. Daya dan efisiensi dari turbin yang sudah beroperasi ini dapat ditingkatkan dengan berbagai cara. Salah satunya dengan melakukan perubahan konfigurasi pada bilah turbin. Dibutuhkan studi komputasional dengan metode CFD untuk mensimulasikan aliran udara di dalam turbin serta mengetahui pengaruh perubahan konfigurasi turbin terhadap daya dan efisiensinya. Analisis terhadap pengaruh grid pada domain komputasi serta model turbulensi dilakukan dalam rangka mendapatkan independensi grid, peningkatan akurasi serta efisiensi waktu komputasi. Aliran kondisi steady, quasi steady dan unsteady disimulasikan untuk menggambarkan perilaku aliran dan karakteristik aerodinamikanya. Pengaruh perubahan konfigurasi dilakukan dengan merubah tipe bilah pada rotor impuls menjadi 50% reaksi. i
Abstrak ABSTRACT Axial flow steam turbine is a kind of steam turbine which is usually used in the power plant. The power and efficiency of the operated turbine can be increased in many possible ways. One of them is by modifying the configuration of turbine blades. One needs to employ computational study by mean of Computational Fluid Dynamics (CFD) method to simulate the airflow inside the turbine, also the effect of the grid towards the power and efficiency. Analysis of the grid s effect in computational domain and turbulence model are carried out in order to acquire the grid independence, accuracy increment not to mention the computational time efficiency. Numerical simulation carried out for steady, quasi steady and unsteady condition to describe the airflow behavior and its aerodynamic characteristic. The modification of the blade configuration is done by changing the impulse rotor by 50% reaction. ii
Kata Pengantar KATA PENGANTAR Puji syukur kehadirat Tuhan YME yang telah memberikan anugrah dan berkat kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan tugas sarjana ini. Penulis menyadari terdapat banyak kekurangan dalam pembuatan karya tulis ini. Oleh karena itu kritik dan saran sangat diharapkan untuk perbaikan di masa depan. Penulis ingin mengucapkan terimakasih kepada beberapa pihak yang berjasa dalam penyelesaian tugas akhir ini. Bapak Dr. Ing Moch Agoes Moelyadi dan Bapak Dr. Romie O Bura atas bimbingan selama pengerjaan tugas akhir. Bapak Iim Ibrahim dan Bapak Ruly Husni S.T. atas saran, data dan informasi yang diberikan dari PT Indonesia Power UBP Kamojang. Keluarga dan Ludia Eka Feri atas kasih dan doa yang diberikan Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu. Semoga laporan tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi pembaca. Bandung, September 2007 Penulis ii
Daftar Isi DAFTAR ISI ABSTRAK... i KATA PENGANTAR... ii DAFTAR ISI... iii DAFTAR GAMBAR... v DAFTAR TABEL... viii DAFTAR SIMBOL... ix BAB I : PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang Masalah... 1 1.2 Tujuan... 2 1.3 Ruang Lingkup Kajian... 2 1.4 Metodologi Pengerjaan... 3 1.5 Sistematika Penyajian... 5 BAB II : TEORI DASAR. 6 2.1 Pendahuluan... 6 2.2 Turbin... 6 2.3 Parameter fisik aliran... 14 2.4 Model Matematis... 16 2.5 Model Fisik... 18 BAB III : CFD dan Pendekatan Numerik... 21 3.1 CFD... 21 3.2 Pendekatan Numerik... 26 3.3 Perangkat lunak ANSYS Untuk CFD... 33 BAB IV : PROSEDUR SIMULASI 35 4.1 Pendahuluan... 35 4.2 Data Awal... 35 4.3 Kasus yang disimulasikan... 37 4.4 Prosedur Simulasi... 39 BAB V : HASIL DAN ANALISIS. 48 5.1 Studi Numerik... 48 5.2 Studi Fisik Aliran... 59 5.3 Studi perbandingan bilah impuls dengan 50% reaksi... 77 BAB VI : KESIMPULAN DAN SARAN 80 iii
Daftar Isi 6.1 Kesimpulan... 80 6.2 Saran... 81 DAFTAR PUSTAKA... 82 LAMPIRAN... 83 iv
Daftar Gambar DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Profil bilah stator Gambar 1.2 Profil bilah rotor awal (impuls) Gambar 1.3 Profil bilah rotor pengganti (reaksi) Gambar 2.1 Rotor Turbin Uap Gambar 2.2 Distribusi tekanan, temperatur dan kecepatan di turbin aksial Gambar 2.3 Desain untuk stage impuls dan reaksi Gambar 2.4 Kontur tekanan dan kecepatan di turbin impuls tipe Ratteau Gambar 2.5 Segitiga kecepatan di turbin (I) Gambar 2.6 Diagram kecepatan yang digabungkan Gambar 2.7 Skema turbin tipe reaksi dengan variasi properti Termodinamika dan mekanika fluida Gambar 2.8 Diagram kecepatan turbin 50% reaksi Gambar 2.9 Segitiga kecepatan di turbin (II) Gambar 2.10 Diagram kecepatan untuk derajat reaksi Nol Gambar 2.11 Diagram kecepatan untuk derajat reaksi 50% Gambar 3.12 Gambar 3D bilah turbin Gambar 3.14 Pandangan atas turbin impuls (cascade) Gambar 3.13 Pandangan samping (meridional) Gambar 3.15 Pandangan atas turbin reaksi (cascade) Gambar 4.1 Profil bilah stator Gambar 4.2 Profil bilah rotor awal (impuls) Gambar 4.3 Profil bilah rotor pengganti (50% reaksi) Gambar 4.4 Kondisi batas pada domain komputasi Gambar 4.5 Pandangan 3D bilah stator dan rotor Gambar 4.6 Domain komputasi stator Gambar 4.7 Domain komputasi rotor impuls Gambar 4.8 Domain komputasi rotor reaksi Gambar 4.9 Blok domain komputasi stator Gambar 4.10 Blok domain komputasi rotor impuls dan reaksi Gambar 4.11 Mesh untuk bilah stator dalam 3D v
Daftar Gambar Gambar 3.12 Mesh untuk bilah stator dalam 2D Gambar 3.13 Mesh untuk bilah rotor impuls dalam 3D Gambar 3.14 Mesh untuk bilah rotor impuls dalam 2D Gambar 3.15 Mesh untuk bilah rotor reaksi dalam 3D Gambar 3.16 Mesh untuk bilah rotor reaksi 2D Gambar 5.1 Daerah upstream, mainstream dan downstream stator Gambar 5.2 Edge pada stator dan rotor dengan tambahan jumlah elemen Gambar 5.3 Jumlah elemen tiap edge Model II Gambar 5.4 Jumlah elemen tiap edge Model V Gambar 5.5 Jumlah elemen tiap edge Model VIII Gambar 5.6 Kontur Bilangan Mach dan Tekanan model I, III, V dan VIII Gambar 5.7 Kontur Turbulence Kinetic Energy dari keempat model Gambar 5.8a Kontur kecepatan aliran steady dengan variasi putaran rotor Gambar 5.8b Kontur tekanan aliran steady dengan variasi putaran rotor Gambar 5.8c Kontur temperatur aliran steady dengan variasi putaran rotor Gambar 5.9 Kontur tekanan kecepatan rotasi 0 Rpm dan 3000 Rpm Gambar 5.10 Kontur tekanan kecepatan 0 Rpm dan kecepatan 3000 Rpm Gambar 5.11 Kontur Bilangan Mach kecepatan 0 RPM dan 3000 RPM Gambar 5.12 Kontur Bilangan Mach kecepatan 0 RPM Gambar 5.13 Kontur density kondisi 0 Rpm Gambar 5.14 Kontur bilangan Mach kondisi steady Gambar 5.15 Kontur temperatur 0 Rpm (kiri) dan 3000 Rpm (kanan) Gambar 5.16 Perbesaran daerah tengah bawah airfoil rotor Gambar 5.17 Kontur Bilangan Mach kondisi quasi steady Gambar 5.18 Kontur Tekanan kondisi quasi steady Gambar 5.19 Kontur Temperatur kondisi quasi steady Gambar 5.20 Kontur temperatur Gambar 5.21 Gerak aliran akibat kecepatan relatif aliran terhadap rotor Gambar 5.22 Gerak aliran akibat kecepatan relatif aliran terhadap rotor Gambar 5.23 Berbagai properti rotor tipe 50% reaksi Gambar 5.24 Kontur tekanan bilah impuls dan reaksi Gambar 5.25 Kontur kecepatan bilah impuls dan reaksi vi
Daftar Gambar Grafik 5.1 Sejarah konvergensi Model V Grafik 5.2 Pengaruh perubahan jumlah elemen grid terhadap daya Grafik 5.3 Tambahan waktu komputasi ke model selanjutnya Grafik 5.4 Sejarah konvergensi keempat model Grafik 5.5 Kenaikan daya terhadap RPM kondisi steady Grafik 5.6 Variasi RPM terhadap Daya Grafik 5.7 Perbedaan daya antar kondisi steady dan kondisi transien vii
Daftar Tabel DAFTAR TABEL Tabel 1.1 Data operasional Tabel 4.1 Dimensi, jumlah bilah dan panjang bilah Tabel 4.2 Data operasional yang dipakai Tabel 5.1 Jumlah masing masing grid pada stator dan rotor Tabel 5.2 Daya dan efisiensi yang dihasikan (pengaruh grid) Tabel 5.3 Tabel perhitungan waktu komputasi Tabel 5.4 Waktu komputasi dan jumlah iterasi yang diperlukan Tabel 5.5 Daya dan efisiensi yang dihasikan (pengaruh model turbulensi) Tabel 5.6 Besar daya simulasi steady dan quasi steady Tabel 5.7 Input untuk simulasi unsteady Tabel 5.8 Input sebagai tebakan awal simulasi unsteady Tabel 5.9 Daya dan torsi yang dihasikan (unsteady) Tabel 5.10 Daya dan efisiensi yang dihasikan (steady dan unsteady) Tabel 5.11 Variasi RPM terhadap daya (unsteady) Tabel 5.12 Besar daya kondisi unsteady dan steady dengan variasi kecepatan putar Tabel 5.13 Daya dan efisiensi yang dihasikan (kedua tipe) viii
Daftar Simbol DAFTAR SIMBOL α β h m ρ u v w C C a C w P T U V W Λ sudut keluar aliran (absolut) sudut keluar aliran (relatif) entalpi laju massa massa jenis udara kecepatan arah sumbu-x kecepatan arah sumbu-y kecepatan arah sumbu-z kecepatan absolut kecepatan arah aksial kecepatan arah tangensial tekanan temperatur kecepatan rotasi kecepatan relatif kerja derajat reaksi ix