Bab III Model Numerik Bilah Kipas 22

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 Material Bilah Turbin ............................................................................. 25 3.3 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 3.4 Permodelan Cacat pada Bilah Kipas .............................................................. 34

Gambar 3. 1 Skema Mesin Turbofan TAY650-15 ......................................................... 23 Gambar 3. 2 Gambar 3 Pandangan Bilah Kipas Mesin Turbofan TAY650-15 ............. 24 Gambar 3. 3 Cakram Penumpu Bilah Kipas dan Konfigurasi Pemasangan Bilah Kipas25 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 Perbandingan Model baru dengan Model Asli ........................................ 29 Tabel 3. 1 Perbandingan Model Baru dengan Model Asli ............................................. 30 Gambar 3. 11 Pembentukan Jejaring Elemen Hingga Pada Bilah Kipas dengan Menggunakan Perangkat Lunak CATIA dan FEMAP................................................... 30 Tabel 3. 2 Distribusi Gaya Sentrifugal pada Bilah Kipas .............................................. 31 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

Bab III Model Numerik Bilah Kipas

22

Bab III Model Numerik Bilah Kipas 3.1

Deskripsi Umum

Bilah kipas yang akan dianalisis pada tugas akhir ini adalah bilah kipas mesin turbofan TAY650-15 buatan Roll Royce. Mesin ini merupakan jenis mesin twin spool turbofan yang memiliki dua poros penggerak. Komponen-komponen utama mesin ini dapat dilihat pada gambar 3.1 di bawah ini:

Gambar 3. 1 Skema Mesin Turbofan TAY650-15

Seperti yang telah dijelaskan pada bab II, bilah kipas berfungsi sebagai low pressure compressor yang menghisap udara luar masuk ke dalam mesin. Bilah kipas ini dipasang pada cakram kipas yang terhubung pada poros dalam mesin. Poros dalam ini diputar oleh low pressure turbin. Beban yang diterima oleh bilah kipas adalah beban sentrifugal dan beban aerodinamika. Beban sentrifugal akibat putaran mesin merupakan beban paling dominan yang dialami oleh bilah kipas ini. Pada saat mesin beroperasi, kecepatan aliran udara di sepanjang bilah kipas meningkat sebanding dengan jari-jari putaran. Untuk menghindari terjadinya shock wave pada bilah kipas akibat peningkatan kecepatan, maka bilah kipas dirancang Bab III Model Numerik Bilah Kipas

23

dengan menggunakan bentuk twist. Dengan bentuk twist ini maka sudut serang penampang bilah akan kecil di sepanjang bilah.

3.2

Konfigurasi Bilah Kipas

3.2.1

Dimensi Komponen

Bilah kipas mesin Turbofan TAY 650-15 memiliki panjang 400mm dari pangkal penumpu hingga ujung tip bilah, serta memiliki lebar 180mm dari leading edge hingga trailing edge. Tinggi bagian bilah kipas yang terkena aliran udara dari root ke tip adalah sekitar 380mm. Bagian ini memiliki luas permukaan sekitar 0.132m2. Berikut ini adalah gambar tiga pandangan dari bilah kipas yang akan dianalisis:

Gambar 3. 2 Gambar 3 Pandangan Bilah Kipas Mesin Turbofan TAY650-15

3.2.2

Konfigurasi Pemasangan Bilah Kipas

Konfigurasi pemasangan bilah kipas dilakukan dengan menggunakan data geometri cakram tempat pemasangan bilah kipas. Data geometri cakram tersebut kemudian dimodelkan dengan menggunakan perangkat lunak. Setelah model cakram terbentuk, dilakukan pemasangan bilah kipas pada cakram dengan cara melakukan proses balancing supaya titik pusat massa bilah berimpit dengan poros putaran. Dari


24

pemasangan ini, dapat ditentukan posisi bilah terhadap poros putarannya. Model cakram dan pemasangan bilah kipas pada cakram dapat dilihat pada gambar 3.3.

Gambar 3. 3 Cakram Penumpu Bilah Kipas dan Konfigurasi Pemasangan Bilah Kipas

3.2.3

Material Bilah Turbin

Material yang digunakan pada bilah turbin ini adalah Ti6Al4V. Material ini merupakan kelompok paduan alpha-beta Titanium yang menggunakan Aluminum dan Vanadium sebagai bahan paduan. Material ini merupakan material yang biasa digunakan sebagai bahan dasar bilah kipas dan kompresor pada mesin pesawat karena memiliki karakteristik sebagai berikut: a.

memiliki kekuatan yang tinggi

b.

dapat diproduksi pada berbagai ukuran

c.

dapat dibuat dalam bentuk yang sederhana maupun kompleks

d.

ketersediaan di pasaran yang baik.

Berikut ini adalah beberapa properti mekanik dari material Ti6Al4V: -

Modulus Elastisitas (E)

: 160 GPa

-

Kerapatan (ρ)

: 4144 kg/m3

-

Poisson Ratio (ν)

: 0.31

-

Yield Strength (σy)

: 825 MPa

-

Ultimate Strength (σult)

: 930 MPa


25

3.3

Permodelan Kasus Pembebanan Bilah Kipas

3.3.1

Model Bilah Kipas

Pada analisis bilah kipas ini model bilah kipas tidak dibuat secara penuh. Oleh karena bagian bilah kipas yang akan dianalisis hanyalah bagian yang terkena oleh aliran udara, maka bilah kipas yang dianalisis hanya dimodelkan dari bagian root hingga tip seperti tampak pada gambar 3.4 di bawah ini:

Gambar 3. 4 Konfigurasi Model Bilah Kipas yang akan Dianalisis

Data awal permodelan dalam tugas ini diperoleh dari rekonstruksi objek 3 D (bilah kipas) dengan menggunakan scan 3 D. Hasil rekonstruksi tersebut berupa point clouds yaitu titik-titik koordinat permukaan objek. Dari data point clouds tersebut dapat dibuat permukaan luar objek dan kemudian dibuat model solidnya. Proses permodelan awal dari objek hingga menjadi model solid telah dilakukan di PT Nusantara Turbin & Propulsi (NTP) Bandung. Gambar3.5 adalah tahapan pembuatan model bilah kipas.

3D Scan Real Object

Point Clouds

Outer Surface

Solid Model

Gambar 3. 5 Tahapan pembuatan model bilah kipas

Permasalahan utama dalam model ini adalah definisi geometri yang cukup kompleks. Kompleksitas geometri tersebut meliputi titik garis dan permukaan. Bagian-bagian Bab III Model Numerik Bilah Kipas

26

model yang kompleks antara lain pangkal bilah (root), ujung bilah (tip), leading edge dan trailing edge bilah seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.6.

Gambar 3. 6 Bagian root, bagian tengah (leading edge dan trailing edge), dan bagian tip

Hal ini sangat berpengaruh pada proses pembentukan jejaring elemen hingga. Semakin rumit definisi geometri dari suatu model maka akan semakin sulit untuk mengatur jejaring elemen hingga yang baik. Untuk memperoleh model yang mudah untuk diatur jejaringnya maka bilah kipas akan direkonstruksi ulang dengan menggunakan CATIA V5 untuk mendapatkan model baru dengan definisi geometri yang lebih sederhana. a. Metode Pengerjaan 1. Import model Model solid yang diterima adalah dalam format *.stp. Format ini dapat dibuka dalam workbench Part Design CATIA V5 sehingga menghasilkan satu model solid utuh yang independen. 2. Membagi model menjadi 3 bagian, yaitu -

bagian tip bagian tip meliputi bagian ujung bilah hingga bagian tengah yang geometrinya mulai teratur.

-

bagian root bagian root meliputi bagian dasar yang terekspose dengan udara hingga bagian tengah yang geometrinya mulai teratur

-

bagian tengah bagian tengah adalah bagian tengah bilah yang geometrinya teratur.

3. Membuat beberapa kurva sebagai acuan untuk membuat permukaan -

bagian tip dan root Kurva dibuat dengan menggunakan salah satu fitur di CATIA dalam workbench wireframe & surface design yaitu spline

. Kurva dibuat berdasarkan titik

acuan yang merupakan titik-titik ujung (vertex) yang telah terdefinisi pada solid


27

bagian tip dan root serta beberapa titik yang dibuat sendiri pada permukaan solid. Jumlah kurva yang dibuat harus dapat merekonstruksi bentuk dari bagian tip dan root ini. -

bagian tengah Kurva-kurva pada bagian tengah dibuat dengan menggunakan salah satu fitur di CATIA yaitu sketch

. Sketch ini merupakan fitur untuk membuat kurva atau

titik pada suatu bidang datar (plane). Sebelum membuat sketch, perlu dibuat beberapa plane yang menjadi acuan pembuatan sketch. Plane yang dibuat merupakan bidang datar yang sejajar dengan bidang-xy. Jumlah kurva tidak perlu terlalu banyak karena semakin rapat jarak antar kurva, permukaan yang akan dibangun akan menjadi keriput. Pembuatan kurva dapat dilihat pada gambar 3.7 di bawah ini

Gambar 3. 7 Pembuatan kurva sebagai rangka bilah kipas

4. Membuat permukaan dari kurva yang telah dibuat. Permukaan dibuat dengan menggunakan multisection surface dan fill. Permukaan pada bagian root dan tip dibuat dengan menggunakan fitur fill berdasarkan kurvakurva yang telah dibangun. Kemudian permukaan tersebut digabungkan menjadi satu permukaan yang tertutup dengan menggunakan fitur join. Sedangkan bagian tengah dibuat dengan menggunakan multisection surface dari kurva-kurva penampang lintang yang telah dibangun. Permukaan yang telah dibuat dapat dilihat pada gambar 3.8

Gambar 3. 8 Permukaan bilah kipas


28

5. Membuat model solid dari permukaan Solid dibuat dengan menggunakan fitur close surface. Syarat yang harus dipenuhi dari model ini adalah surface yang digunakan harus merupakan surface yang tertutup sempurna. Model solid bilah kipas hasil rekonstruksi dapat dilihat pada gambar 3.9.

Gambar 3. 9 Model Solid bilah kipas

b. Perbandingan Model Baru dengan Model Asli Dari rekonstruksi dihasilkan suatu model baru bilah kipas. Batas toleransi kesalahan yang diperbolehkan adalah sekitar 500 mikron atau 0.5 mm. Batas toleransi ini merupakan jarak maksimum antara dua buah kurva yang dibentuk antara perpotongan kedua bilah kipas dengan suatu bidang yang sama. Dalam rekonstruksi model bilah yang sebelumnya telah dilakukan, bagian tengah bilah memiliki selisih jarak kurang dari 100 mikron sedangkan bagian root dan tip memiliki selisih jarak kurang dari 400 mikron. Dari dua model tersebut, dapat dibandingkan beberapa property geometri antara lain volume, luas, dan titik massa model. Gambar 3.10 dan tabel 3.1 adalah perbandingan antara properti geometri antara model baru dengan model asli.

Gambar 3. 10 Model baru dengan Model Asli


29

Tabel 3. 1 Perbandingan Model Baru dengan Model Asli Model Asli Model Baru Δ Area (m2)

0.141

0.141

0 (0%)

Volume (m3)

3.66E-04

3.65E-04

-1.00E-06 (0.2%)

CG x (mm)

-4.241

-4.172

0.069

CG y (mm)

11.784

11.838

0.054

CG z (mm)

-193.023

-192.539

0.484

Dari tabel 3.1 di atas dapat dilihat bahwa model baru hasil rekonstruksi merupakan model yang memiliki properti geometri yang hampir sama dengan model asli. Oleh karena itu model ini dapat dipergunakan untuk analisis dengan menggunakan metode elemen hingga.

3.3.2

Pembentukan Jejaring Elemen Hingga

Model bilah kipas yang akan dianalisis memiliki geometri yang sangat rumit. Oleh karena itu akan sangat sukar untuk membentuk jejaring dengan menggunakan elemen yang sederhana seperti elemen hexahedral linier. Metode yang digunakan dalam pembentukan jejaring elemen hingga pada kasus ini antara lain: a. membangun jejaring elemen permukaan (2D) model bilah kipas b. membangun jejaring elemen solid (3D) berdasarkan jejaring permukaan luar yang telah dibuat. Jenis elemen solid yang digunakan adalah elemen Tetragonal Parabolik yang memiliki 10 nodal dan elemen hexahedral. Penggunaan elemen tetragonal parabolik ini bertujuan untuk dapat mendapatkan jejaring elemen hingga yang memiliki bentuk sedekat mungkin dengan model aslinya sedangkan elemen hexahedral dipilih sebagai pembanding hasil perhitungan.

Gambar 3. 11 Pembentukan Jejaring Elemen Hingga Pada Bilah Kipas dengan Menggunakan Perangkat Lunak CATIA dan FEMAP


30

3.3.3

Analisis Pembebanan Bilah Kipas

Beban yang diterima oleh bilah kipas merupakan kombinasi dari beban sentrifugal dan beban aerodinamika. Beban sentrifugal memberikan gaya tarik pada arah radial sedangkan beban aerodinamika memberikan gaya dorong ke arah lateral. a. Beban Sentrifugal Pada ini beban sentrifugal merupakan gaya yang disebabkan oleh massa benda tersebut yang diputar dengan jarak r dari pusat massanya. Secara umum besar gaya sentrifugal dirumuskan dalam persamaan 3.1 di bawah ini. Fs=mω2r

(3.1)

Persamaan di atas digunakan apabila benda diasumsikan sebagai titik massa. Namun pada kasus pembebanan ini, bilah kipas tidak dapat diasumsikan sebagai titik massa. Besarnya gaya sentrifugal yang dialami oleh bilah kipas didapatkan dari persamaan 3.2 berikut ini: t

Fs = ρω 2 ∫ ardr

(3.2)

r

Fs = ρω 2 0.5ar

2 t r

Dimana ρ adalah kerapatan material bilah kipas, ω adalah kecepatan angular putaran kipas, a adalah luas penampang bilah pada setiap radius. Suffik r dan t adalah root dan tip dari bilah kipas. Perhitungan gaya sentrifugal pada kasus ini dilakukan dengan membagi-bagi bilah menjadi 19 bagian. Besarnya gaya sentrifugal yang diterima setiap bagian dapat dilihat pada tabel 3.2 di bawah ini:

Tabel 3. 2 Distribusi Gaya Sentrifugal pada Bilah Kipas n rr(m) rt(m) A (m2) fs (N) 1

0.23

0.25

0.002

30731.43

2

0.25

0.27

0.001

16646.19

3

0.27

0.29

0.001

17926.67

4

0.29

0.31

0.001

19207.14

5

0.31

0.33

0.001

20487.62

6

0.33

0.35

0.000957

20832.07

7

0.35

0.37

0.000914

21066.39


31

8

0.37

0.39

0.000898

21847.49

9

0.39

0.41

0.000868

22229.07

10

0.41

0.43

0.000848

22802.72

11

0.43

0.45

0.000847

23860.39

12

0.45

0.47

0.000861

25357.27

13

0.47

0.49

0.00087

26736.34

14

0.49

0.51

0.000887

28394.56

15

0.51

0.53

0.000896

29829.97

16

0.53

0.55

0.000901

31150.14

17

0.55

0.57

0.000892

31981.17

18

0.57

0.59

0.000859

31897.94

19

0.59

0.61

0.000293

11255.39

Fs total

454240

Penerapan gaya sentrifugal di atas dalam analisis menggunakan metode elemen hingga dapat dilakukan dengan dua cara. Cara pertama adalah pemberian gaya dalam arah sumbu z pada setiap bagian bilah yang telah dipotong-potong. Cara kedua dapat dilakukan dengan memberikan body load berupa kecepatan angular terhadap suatu poros tertentu yang langsung diaplikasikan ke seluruh body bilah kipas.

b. Beban Aerodinamika Pada kasus pembebanan ini, beban aerodinamika diasumsikan sama dengan gaya dorong akibat aliran udara dingin mesin turbofan. Gaya dorong ini didistribusikan secara merata di seluruh permukaan belakang bilah kipas. Sedangkan gaya hambat akibat putaran kipas tidak diperhitungkan. Beberapa data yang diperlukan untuk menghitung gaya dorong aliran udara dingin adalah: Aliran massa udara ( m& )

: 420 lbs/sec ( 190.5088 kg/sec)

Fan Pressure Ratio ( po f /pa )

: 1.7

By Pass Ratio (mc/mh)

: 2.9

Effisiensi kipas (ηf)

: 90%

Effisiensi nozzle (ηj)

: 90%

Spesific heat pada tekanan konstan (cp)

: 1005

Rasio spesific heat (γ)

: 1.4

Rasio polytropic compression ( (n-1)/n )

: 0.3175


32

Mesin dianggap beroperasi pada sea level dengan kondisi tempatur udara adalah 288K dan tekanan udara 1 bar (100000 Pa) Gaya dorong akibat aliran udara dingin pada mesin turbofan dirumuskan dengan persamaan berikut Fcold = m& cold Ccold

B ⎞ ⎛ Fcold = ⎜ m& ⎟ Ccold ⎝ B +1⎠

(3.3)

Dimana Fcold adalah gaya dorong udara dingin, m& cold adalah aliran massa udara dingin, dan Ccold adalah kecepatan udara dingin keluar dari mesin. Dalam menentukan harga Ccold perlu diketahui kondisi mesin apakah choked atau unchoked. Choked adalah kondisi dimana penambahan aliran massa udara m& tidak meningkatkan gaya dorong. Pada kasus ini, kondisi mesin diasumsikan dalam keadaan unchoked. Harga Ccold pada kondisi unchoked dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut ini. Ccold = [2c p (Tof − Ton )]

(3.4)

Dimana (Tof - Ton) adalah selisih temperatur udara antara aliran udara yang keluar dari kipas dengan aliran udara yang keluar dari nozzle. Besarnya (Tof - Ton) ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut ini: ( γ −1) ⎡ ⎤ γ ⎛ ⎞ 1 ⎢ ⎥ (Tof − Ton ) = η jTof ⎢1 − ⎜ ⎥ ⎜ p / p ⎟⎟ ⎢⎣ ⎝ of a ⎠ ⎥⎦

(3.5)

Nilai Tof ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut ini ⎛p ⎞ Tof = ⎜ of ⎟ ⎝ pa ⎠

n −1 n

Tif

(3.6)

Dimana Tif adalah temperatur udara masuk ke dalam kipas atau sama dengan temperatur udara luar (Ta). Dengan memasukkan data FPR, rasio polytropic compression dan temperatur udara luar ke dalam persamaan 3.6 maka Tof adalah 340.84 K. Dari harga temperatur udara keluar kipas ini dapat ditentukan (Tof - Ton) dengan menggunakan persamaan 3.5 sehingga diperoleh nilai selisih temperatur sebesar 45.55K. Dengan memasukkan harga (Tof – Ton) dan data spesific heat pada tekanan konstan ke dalam persamaan 3.4 didapatkan harga kecepatan udara dingin yang keluar dari mesin turbofan. Harga kecepatan aliran udara dingin yang keluar mesin turbofan adalah 302.58 m/s Bab III Model Numerik Bilah Kipas

33

Dengan memasukkan harga kecepatan udara dingin ke dalam persamaan 3.3 dapat ditentukan besarnya gaya dorong aliran udara dingin. Harga gaya dorong aliran udara dingin adalah 42864N. Harga gaya dorong ini berlaku untuk keseluruh konfigurasi kipas. Sedangkan harga gaya dorong yang dialami setiap bilah kipas adalah 1948 N. 3.3.4

Kondisi Batas

Kondisi batas yang diberikan pada pemodelan bilah kipas ini adalah tumpuan pin. Pemberian tahanan ini sebenarnya tidak tepat karena tahanan ini menyebabkan penampang root tidak dapat mengalami deformasi pada bidang-xy. Ketidakmampuan penampang root untuk berdeformasi pada arah sumbu-x dan sumbu-y mempengaruhi nilai tegangan pada daerah root bilah kipas. Namun dalam analisis model bilah kipas ini, tegangan daerah root tidak digunakan dalam perhitungan dalam menentukan faktor konsentrasi tegangan.

3.4

Permodelan Cacat pada Bilah Kipas

Dalam permodelan cacat, perlu diperhatikan beberapa hal yang telah ditentukan dalam manual perawatan bilah kipas TAY650-15 khususnya pada bagian yang membahas kasus nicking serta scaloping. Dalam manual perawatan bilah kipas TAY650-15 daerah bilah kipas dibagi menjadi 3 bagian sebagai berikut: a.

Zona AF : yaitu daerah yang berjarak 0mm s.d 101 mm dari tumpuan.

b.

Zona AE : yaitu daerah yang berjarak 101 mm s.d 141mm dari tumpuan

c.

Zona AD : yaitu daerah yang berjarak lebih dari 141 mm dari tumpuan

Pembagian zona tersebut dapat dilihat pada gambar 3.12 berikut ini


34

Gambar 3. 12 Pembagian Zona Bilah Kipas Menurut Manual Perawatan Mesin TAY650-15

Setiap zona memiliki batasan toleransi maksimal kedalaman cacat dan scaloping yang diperbolehkan. Dalam tugas akhir ini, cacat yang dianalisis hanyalah cacat pada zona AD dan AE. Cacat dimodelkan sebagai lubang setengah lingkaran dan setengah ellips. Model setengah lingkaran divariasikan jari-jari lingkarannya untuk mengetahui pengaruh perubahan diameter terhadap faktor konsentrasi tegangan.

0.5a r

b

Gambar 3. 13 Model Cacat Setengah lingkaran dan setengah Ellips


35

Sedangkan scalloping dimodelkan dengan setengah ellips seperti dijelaskan pada gambar 3.14 berikut ini.

AA

8AA

Gambar 3. 14 Model Scalloping dengan ukuran AA=6mm


36

Bab III Model Numerik Bilah Kipas 22

Recommend Documents