Analisis Numerik Bilah Kipas Mesin Turbofan TAY650-15 Menggunakan Metode Elemen Hingga
Tugas Akhir Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Kelulusan Sarjana
Oleh:
Puji Setyo Nugroho 13603017
Pembimbing: Dr. Ir. Ichsan Setya Putra Dr. Ir. Tatacipta Dirgantara Ir. Rais Zain, M.Eng.
Program Studi Teknik Penerbangan Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Bandung 2007
PROGRAM STUDI TEKNIK PENERBANGAN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG Jl Ganesha 10 Bandung, 40132 Telp.(022) 2504529 Fax (022)2534164
Pengesahan Tugas Akhir Sarjana Nama
:
Puji Setyo Nugroho
NIM
:
13603017
Dosen Pembimbing
: 1.
Dr. Ir. Ichsan Setya Putra
Judul Tugas Akhir
2.
Dr. Ir. Tatacipta Dirgantara
3.
Ir. Rais Zain, M.Eng.
:
Analisis Numerik Bilah Kipas Mesin Turbofan TAY650-15 Menggunakan Metode Elemen Hingga
Jangka Waktu Peyelesaian
:
7 Bulan
Isi Tugas Akhir
: 1.
Melakukan rekonstruksi model 3 dimensi bilah kipas mesin turbofan TAY650-15 dengan menggunakan perangkat lunak CATIA V5 berdasarkan data geometri yang didapatkan dari PT NTP.
2.
Melakukan analisis numerik menggunakan metode elemen hingga 3 dimensi pada beberapa model bilah kipas dengan beberapa variasi penampang dan sudut twist.
3.
Melakukan analisis numerik menggunakan metode elemen hingga 3 dimensi pada model bilah kipas TAY650-15
yang
telah
dibuat
untuk
kasus
pembebanan operasi maksimal 4.
Menentukan harga faktor konsentrasi tegangan yang terjadi pada model bilah kipas yang mengalami cacat nicking
5.
Menentukan harga faktor konsentrasi tegangan pada model bilah kipas setelah mengalami perbaikan dengan metode scalloping
Bandung, 24 September 2007
Pembimbing I
Pembimbing II
Pembimbing III
Dr. Ir. Ichsan Setya Putra
Dr.Ir. Tatacipta Dirgantara
Ir. Rais Zain,M.Eng
Kata Mutiara
Katakanlah: Sesungguhnya shalatku, ibadahku, hidupku, dan matiku hanyalah untuk Allah, Tuhan Semesta Alam QS Al An’aam 162
Kesuksesan besar hanyalah milik orang yang menyandarkan segala urusan kepada Yang Maha Besar Kesuksesan hanya akan menjadi angan-angan apabila cita-cita tidak diiringi dengan kerja keras, doa, dan tawakal kepada-Nya. Sesungguhnya manusia hanya bisa berusaha dan berdoa. Hanya Dia-lah yang menentukan segalanya.
Prakata
Bismillahirahmanirahim. Alhamduililah, segala puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah Subhanahu Wa Ta’ala, Tuhan Semesta Alam, yang telah memberikan rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini. Tugas akhir ini merupakan syarat kelulusan bagi Sarjana Strata Satu di Program Studi Teknik Penerbangan Institut Teknologi Bandung. Tugas akhir ini membahas tentang analisis tegangan yang terjadi pada bilah kipas mesin turbofan TAY650-15 ketika beroperasi pada kecepatan putar maksimumnya. Kemudian permasalahan dikembangkan menjadi analisis tegangan pada bilah kipas yang mengalami cacat berupa notch di bagian leading edge dan trailing edge yang disebut dengan nicking Kasus-kasus cacat pada bilah kipas ini merupakan hal yang sering ditemui di PT Nusantara Turbin dan Propulsi selaku perusahaan perawatan mesin pesawat udara. Keberadaan nicking berpotensi menyebabkan bilah kipas mengalami patah. Sehingga dalam proses perawatan bilah kipas, nicking yang ditemukan pada bilah kipas harus segera diperbaiki. Oleh sebab itu, topik yang dibahas pada tugas akhir ini diharapkan dapat berguna bagi industri perawatan mesin pesawat udara untuk mengetahui secara lebih dalam perihal kasus-kasus yang ditemukan dalam perawatan bilah kipas mesin pesawat udara. Dalam proses pengerjaan tugas akhir ini penulis banyak mendapatkan bantuan, berupa motivasi, pengetahuan, data-data, dsb. Oleh karena itu, dengan segala kerendahan hati penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan tugas akhir, antara lain: •
Dr. Ir. Ichsan Setya Putra, Dr. Ir. Tatacipta Dirgantara, dan Ir. Rais Zain, M.Eng selaku pembimbing
•
Ir. Fadzar Vira dan Ir. Rommy Novitasta selaku pembimbing di PT Nusantara Turbin dan Propulsi, yang telah membantu dalam kelengkapan data-data
•
Keluarga yang telah memberikan bantuan baik moral maupun material.
i
•
Rekan-rekan di Program Studi Teknik Penerbangan Institut Teknologi Bandung
•
Dan untuk semua pihak yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini.
Penulis sadar bahwa apa yang penulis sajikan dalam tugas akhir ini masih sangat jauh dari kesempurnaan. Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran guna menyempurnakan isi dari tugas akhir ini. Semoga tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi semua pihak, terutama yang membacanya.
Bandung, September 2007M/Ramadhan 1428H
Puji Setyo Nugroho
ii
Abstrak
PT Nusantara Turbin dan Propulsi sedang melakukan serangkaian penelitian terhadap kasus-kasus yang berhubungan dengan perawatan mesin pesawat udara. Salah satu hal yang menjadi perhatian dalam penelitian tersebut adalah perawatan bilah kipas mesin turbofan TAY650-15. Kasus yang sering ditemukan pada proses perawatan bilah kipas adalah cacat pada leading edge dan trailing edge yang disebut nicking. Cacat ini berupa hilangnya sebagian kecil permukaan akibat tumbukan bilah kipas dengan partikel padat ketika mesin sedang beroperasi. Nicking berpotensi menyebabkan bilah kipas mengalami patah sehingga harus segera diperbaiki. Pada tugas akhir ini dilakukan pembuatan model bilah kipas mesin turbofan TAY65015 dalam perangkat lunak komputer. Model ini kemudian digunakan untuk melakukan analisis numerik bilah kipas dengan menggunakan metode elemen hingga. Analisis ini dilakukan untuk mengetahui distribusi tegangan yang terjadi ketika bilah kipas beroperasi pada kecepatan putar maksimumnya. Selanjutnya dilakukan analisis numerik dengan kasus yang sama pada model yang mengalami cacat berupa nicking untuk mengetahui bagaimana konsentrasi tegangan yang terjadi pada bilah kipas yang mengalami cacat berupa nicking. Cacat ini dimodelkan sebagai notch setengah lingkaran dan setengah ellips yang divariasikan ukurannya. Kemudian dari setiap variasi model cacat, dihitung faktor konsentrasi tegangan yang terjadi pada cacat tersebut. Setelah mengetahui faktor konsentrasi tegangan yang terjadi pada model cacat, analisis numerik dilakukan kembali pada model bilah kipas yang telah diperbaiki dengan menggunakan metode scalloping. Analisis ini bertujuan untuk mengetahui bagaimana pengaruh scalloping terhadap faktor konsentrasi tegangan di daerah yang sebelumnya mengalami cacat. Dalam permodelan kasus bilah kipas ini, beban yang diperhitungkan dalam analisis numerik adalah gaya sentrifugal dan gaya dorong aerodinamika. Perangkat lunak yang digunakan untuk pembuatan model bilah kipas adalah CATIA V5 sedangkan perangkat lunak yang digunakan untuk analisis numerik adalah MSC NASTRAN dan CATIAEfini Solver.
Kata kunci: Bilah Kipas, Metode Elemen Hingga, faktor konsentrasi tegangan iii
Daftar Isi
Prakata .............................................................................................................................i Abstrak............................................................................................................................iii Daftar Isi .........................................................................................................................iv Daftar Gambar...............................................................................................................vi Daftar Tabel .................................................................................................................viii Daftar Simbol .................................................................................................................ix
Bab I
Pendahuluan ..........................................................................................
1
1.1
Latar Belakang .................................................................................... 1
1.2
Tujuan Penelitian ................................................................................ 4
1.3
Pembatasan Masalah .......................................................................... 4
1.4
Metoda Penelitian .............................................................................. 4
1.5
Sistematika Penulisan ........................................................................ 5
Bab II Kajian Pustaka ................................................................................... 2.1
2.2
2.3
Teori Mesin Turbin Gas ....................................................................
6 6
2.1.1
Prinsip Kerja .......................................................................... 6
2.1.2
Mesin Turbin Gas pada Sistem Propulsi Pesawat Udara ....... 7
2.1.3
Jenis-Jenis Mesin Turbin Gas pada Pesawat Udara ..............
8
Mekanika Elastis Linier ..................................................................... 11 2.2.1
Elastisitas Linier .................................................................... 11
2.2.2
Elastisitas 3-Dimensi ............................................................. 12
Metode Elemen Hingga ..................................................................... 14 2.3.1
Pendahuluan ........................................................................... 14
2.3.2 Analisis Elemen Hingga ........................................................ 15 2.3.3 2.4
Energi Potensial Minimal ...................................................... 16
Faktor Konsentrasi Tegangan ............................................................ 18 2.4.1
Pendahuluan .......................................................................... 18
2.4.2
Konsentrasi Tegangan Akibat Beban Aksial ........................ 18
2.4.3
Konsentrasi Tegangan Akibat Beban Puntir ......................... 20
iv
2.4.4
Konsentrasi Tegangan Akibat Beban Momen Lentur ........... 21
Bab III Model Numerik Bilah Kipas ........................................................
23
3.1
Deskripsi Umum ............................................................................... 23
3.2
Konfigurasi Bilah Kipas .................................................................... 24 3.2.1
Dimensi Komponen................................................................ 24
3.2.2 Konfigurasi Pemasangan Bilah Kipas .................................. 24 3.2.3 3.3
3.4
Permodelan Kasus Pembebanan Bilah Kipas ................................... 26 3.3.1
Model Bilah Kipas ............................................................... 26
3.3.2
Pembentukan Jejaring Elemen Hingga ................................. 30
3.3.3
Analisis Pembebanan Bilah Kipas ........................................ 31
3.3.4
Kondisi Batas ........................................................................ 34
Permodelan Cacat pada Bilah Kipas ................................................. 34
Bab IV Analisis 4.1
4.2
4.3
Material Bilah Turbin ............................................................ 25
.................................................................................................. 37 Uji Konvergensi ................................................................................ 37 4.1.1
Pendahuluan ......................................................................... 37
4.1.2
Uji Konvergensi pada model tanpa cacat .............................. 37
4.1.3
Uji Konvergensi pada model cacat ........................................ 39
Analisis Tegangan Bilah Kipas ........................................................ 41 4.2.1
Perhitungan Analitis.............................................................. 41
4.2.2
Analisis Tegangan pada Model Bilah Kipas......................... 42
4.2.3
Analisis Kekuatan Material ................................................... 45
Analisis Cacat pada Bilah Kipas ........................................................ 46 4.3.1
Penentuan Tegangan Nominal Pada Bilah Kipas .................. 46
4.3.2
Penentuan Faktor Konsentrasi Tegangan ............................. 47
4.3.3
Perbandingan Harga Faktor Konsentrasi Tegangan ............. 51
4.3.4 Pengaruh Scalloping pada Konsentrasi Tegangan ................ 53 Bab V Kesimpulan dan Saran ...................................................................
56
5.1
Kesimpulan ........................................................ ............................. 56
5.2
Saran ........................................................ ........................................ 56
Daftar Pustaka ........................................................ ........................................
58
Lampiran Manual Perawatan Bilah Kipas Mesin TAY650-15 v
Daftar Gambar Gambar 1. 1
Mesin Turbofan TAY650-15 [10] .......................................................
Gambar 1. 2
Kasus Nicking yang terjadi pada bilah kipas serta hasil perbaikannya
2
berupa Dressing (a) dan Scaloping (b) ..............................................
2
Gambar 2. 1
Siklus Brayton Ideal [10] .....................................................................
7
Gambar 2. 2
Mesin Propulsi Pesawat Udara [12] ...................................................... 7
Gambar 2. 3
Skema Mesin Turbojet [10] .................................................................. 8
Gambar 2. 4
Penggunaan Mesin OLYMPUS 593 pada pesawat Vulcan XA903 [10] 9
Gambar 2. 5
Skema Mesin Turbofan [10] ................................................................ 10
Gambar 2. 6
Mesin CFM56 pada pesawat Boeing 737-300[10] .............................. 10
Gambar 2. 7
Skema Mesin Turboprop [10] .............................................................. 11
Gambar 2. 8
Mesin Allison T56 pada Pesawat hercules C130 [10] ......................... 11
Gambar 2.9
Benda kontinum pada koordinat kartesius .......................................... 12
Gambar 2. 10 Permodelan Suatu Benda menggunakan Metode Elemen Hingga ...... 14 Gambar 2. 11 Model Elemen 3 Dimensi ................................................................... 17 Gambar 2. 12 Fenomena Konsentrasi Tegangan pada Pelat Datar yang Diberi Beban Aksial [14] ........................................................................................... 18 Gambar 2. 13 Distribusi Tegangan pada Pelat Berlubang dan Pelat dengan edge notch yang Terkena Beban Aksial [4] ........................................................... 19 Gambar 2. 14 Penentuan K pada kasus pembebanan aksial pada pelat datar dengan lubang di tengah (kiri) dan pelat datar yang memiliki fillet di tepi (kanan) [4] ........................................................................................................ 20 Gambar 2. 15 Distribusi Tegangan Geser pada Kasus Silinder yang memiliki 2 penampang berdiameter tidak sama [4] .............................................. 20 Gambar 2. 16 Penentuan K pada kasus pembebanan puntir pada silinder yang memiliki 2 penampang berdiameter tidak sama [4] ........................................... 21 Gambar 2. 17 Penentuan K pada kasus pembebanan momen lentur pada batang lentur dengan penampang yang berbeda [4] .................................................. 22 Gambar 3. 1
Skema Mesin Turbofan TAY650-15 ................................................... 23
vi
Gambar 3. 2
Gambar 3 Pandangan Bilah Kipas Mesin Turbofan TAY650-15 ....... 24
Gambar 3. 3
Cakram Penumpu Bilah Kipas dan Konfigurasi Pemasangan Bilah Kipas ............................................................................................................
25
Gambar 3. 4
Konfigurasi Model Bilah Kipas yang akan Dianalisis ........................ 26
Gambar 3. 5
Tahapan pembuatan model bilah kipas ................................................. 26
Gambar 3. 6
Bagian root, bagian tengah (leading edge dan trailing edge), dan bagian tip ............................... ........................................................................ 27
Gambar 3. 7
Pembuatan kurva sebagai rangka bilah kipas ....................................... 28
Gambar 3. 8
Permukaan bilah kipas ........................................................................ 28
Gambar 3. 9
Model Solid bilah kipas ........................................................................ 29
Gambar 3. 10 Model baru dengan Model Asli ........................................................... 29 Gambar 3. 11 Pembentukan Jejaring Elemen Hingga Pada Bilah Kipas dengan Menggunakan Perangkat Lunak CATIA dan FEMAP........................ 30 Gambar 3. 12 Pembagian Zona Bilah Kipas Menurut Manual Perawatan Mesin TAY650-15 ......................................................................................... 35 Gambar 3. 13 Model Cacat Setengah lingkaran dan setengah Ellips ......................
35
Gambar 3. 14 Model Scalloping dengan ukuran AA=6mm .....................................
36
Gambar 4. 1
Grafik Hasil Uji Konvergensi pada Bilah tanpa Cacat ......................
39
Gambar 4.2
Grafik Hasil Uji Konvergensi Tegangan Maksimum Daerah Cacat pada Bilah Kipas ......................................................................................... 40
Gambar 4.3
Distribusi Tegangan Normal Hasil Perhitungan Analitis ................... 42
Gambar 4.4
Hasil Analisis Numerik pada Model Tanpa Twist .............................
43
Gambar 4.5
Hasil Analisis Numerik pada Model dengan Twist ...........................
44
Gambar 4.6
Hasil Analisis Bilah Kipas TAY 650-15 akibat Gaya Sentrifugal dan Gaya Dorong menggunakan perangkat lunak MSC NASTRAN dan CATIA-Elfini Solver ........................................................................
45
Gambar 4.7
Grafik Perbandingan Faktor Konsentrasi Tegangan pada Leading Edge52
Gambar 4.8
Grafik Perbandingan Faktor Konsentrasi Tegangan pada Trailing Edge53
Gambar 4.9
Grafik Perbandingan Faktor Konsentrasi Tegangan pada Model Cacat dengan Model Scalloping pada Leading Edge .................................... 54
Gambar 4.10 Grafik Perbandingan Faktor Konsentrasi Tegangan pada Model Cacat dengan Model Scalloping pada Trailing Edge .................................... 55
vii
Daftar Tabel
Tabel 3. 1
Perbandingan Model Baru dengan Model Asli ..................................
30
Tabel 3. 2
Distribusi Gaya Sentrifugal pada Bilah Kipas .................................... 31
Tabel 4. 1
Data Hasil Uji Konvergensi Bilah Tanpa Cacat dengan Menggunakan MSC NASTRAN ................................................................................ 38
Tabel 4. 2
Data Hasil Uji Konvergensi BIlah Kipas Tanpa Cacat Menggunakan CATIA-Elfini Solver ........................................................................
Tabel 4. 3
38
Data Hasil Uji Konvergensi Tegangan Daerah Cacat pada Bilah Kipas Menggunakan CATIA-Elfini Solver ................................................... 40
Tabel 4. 4
Perhitungan Analistis Tegangan Normal pada Bilah Kipas ................ 41
Tabel 4. 5
Data Tegangan Maksimum Hasil Perhitungan Numerik pada Model Tanpa Sudut twist ................................................................................ 43
Tabel 4. 6
Data Tegangan Maksimum Hasil Perhitungan Numerik pada Model dengan Sudut Twist ........................................................................
44
Tabel 4. 7
Data Tegangan Nominal pada Leading Edge zona AE ....................... 46
Tabel 4. 8
Data Tegangan Nominal pada Leading Edge Zona AD ..................... 46
Tabel 4. 9
Data Tegangan Nominal pada Trailing Edge Zona AE ....................... 47
Tabel 4. 10
Data Tegangan Nominal pada Trailling Edge Zona AD .................... 47
Tabel 4. 11
Data Faktor Konsentrasi Tegangan Model Cacat Setengah Lingkaran pada Leading Edge .............................................................................
Tabel 4. 12
47
Data Faktor Konsentrasi Tegangan Model Cacat Setengah Lingkaran pada Trailing Edge .............................................................................. 48
Tabel 4. 13
Data Faktor Konsentrasi Tegangan Model Cacat Setengah Ellips pada Leading Edge ....................................................................................... 49
Tabel 4. 14
Data Faktor Konsentrasi Tegangan Model Cacat Setengah Ellips pada Trailing Edge ....................................................................................... 50
Tabel 4. 15
Data Faktor Konsentrasi Tegangan setelah Bilah Kipas mengalami Scalloping ............................................................................................. 54 viii
Daftar Simbol A
: Luas permukaan penampang bilah kipas
a
: sumbu mayor ellips
AA
: Batas toleransi kedalaman daerah bilah kipas yang boleh hilang
B
: By pass ratio
b
: sumbu minor ellips
C
: Kecepatan aliran udara
dn
: Derajat kebebasan ke-n
d
: diameter penampang silinder
E
: Modulus Elastisitas
{F}
: Matriks kolom gaya dan momen pada nodal elemen
Fs
: Gaya sentrifugal
fs
: Gaya sentrifugal yang dialami tiap potongan bilah
h
: jarak cacat dari dasar tumpuan
I
: inersia
Kt
: Faktor Konsentrasi Tegangan
[k]
: Matriks kekakuan elemen
[K]
: Matriks kekakuan global
M
: momen bending
m&
: aliran massa
p
: tekanan udara
q
: vektor perpindahan nodal elemen
r
: Jarak cacat dari pusat rotasi
r
: Radius cacat setengah lingkaran
t
: tebal pelat
u
: perpindahan pada sumbu x
U
: Energi elastis
v
: perpindahan arah sumbu y
ix
w
: perpindahan arah sumbu z
W
: Energi potensial karena gaya luar
x
: posisi x dalam koordinat kartesius
y
: posisi y dalam koordinat kartesius
z
: posisi z dalam koordinat kartesius
ε
: Regangan
ν
: Poisson Ratio
ρ
: Massa jenis
ω
: Kecepatan putar bilah kipas
σmax
: tegangan maksimum pada tepi cacat
σnom
: tegangan nominal
σx
: tegangan pada arah x
σy
: tegangan pada arah y
σz
: tegangan pada arah z
σy
: yield strength
σult
: ultimate strength
τxy
: Tegangan geser sejajar arah x tegak lurus arah y
Subskrib x
: dalam arah x
y
: dalam arah y
z
: dalam arah z
r
: root
t
: tip
cold
: aliran udara dingin
hot
: aliran udara panas
x
