EXPERIMENTAL STUDY ON CAVITATION PHENOMENA IN A CENTRIFUGAL PUMP USING FLOW VISUALIZATION AND VIBRATION ANALYSIS

114

EXPERIMENTAL STUDY ON CAVITATION PHENOMENA IN A CENTRIFUGAL PUMP USING FLOW VISUALIZATION AND VIBRATION ANALYSIS Irham Suyanto dan Sutardi* ABSTRAK Fenomena kavitasi adalah salah satu dari banyak kejadian yang merupakan penyebab kerusakan pada mesin-mesin fluida, seperti pompa dan turbin air. Di dalam sebuah pompa sentrifugal, bagian yang paling kritis terhadap kejadian kavitasi ialah mata impeler. Akibat dari terjadinya kavitasi terhadap unjuk kerja pompa antara lain: pompa bergetar, erosi pada impeler dan casing, turunnya efisiensi pompa, dan timbulnya bising. Tujuan dari studi kali ini ialah untuk mengkaji bagaimana mendeteksi adanya kavitasi di dalam pompa sentrifugal menggunakan metoda vibrasi dan visualisasi aliran. Studi eksperimen ini dilakukan di Laboratorium Mekanika Fluida Jurusan Teknik Mesin ITS. Distribusi tekanan pada dinding casing yang berhadapan dengan sudu-sudu impeler diukur menggunakan pipa U yang diisi dengan air raksa. Putaran pompa divariasikan dengan tiga nilai, yaitu: 1000, 1200, dan 1400 rpm, sementara temperatur air juga divariasikan: 30 0C, 450C dan 600C. Vibrasi pompa diukur dengan menggunakan sebuah akselerometer jenis CSI 40124012 L7. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa deteksi kejadian kavitasi dapat dilakukan menggunakan metode vibrasi, dan selanjutnya tanpa diperlukan lagi visualisasi. Juga, frekuensi kavitasi terdeteksi berkisar pada angka 420 Hz untuk kecepatan putaran impeler pompa 1000 rpm untuk jenis pompa yang diuji. Kata kunci: pompa sentrifugal, impeler, kavitasi, visualisasi, vibrasi. ABSTRACT Cavitation phenomenon cause damage to fluid machineries, such as pumps dan hydraulic turbines. In a centrifugal pump, the most critical location to the cavitation is the pump impeller eye. Cavitation indications include the formation of vapor bubbles, noise and vibration. Cavitation effects on pumps are vibration, erosion on impeller and casing, decreasing pump efficiency, and noise. The purpose of this study is to investigate how to detect the cavitation phenomenon in a centrifugal pump using vibration and visualization methods. The research was performed in the Fluid Mechanics Laboratory, Mechanical Engineering Department, ITS. Pressure distribution on the surface facing to the impeller blades was measured using U-type manometer filled with mercury. Impeller rotation was varied from 1000, 1200, and 1400 rpm, while the water temperature was varied from 300C, 450C and 600C. Pump vibration was measured using an accelerometer CSI 40124012 L7 type. The experimental results show that cavitation phenomenon in a centrifugal pump can be detected using vibration method, and in the future, without flow visualization. Next, the cavitation frequency is approximately of 420 Hz at impeller speed of 1000 rpm for this particular pump. Keywords: centrifugal pump, impeller, cavitations, visualization, vibration.

1. PENDAHULUAN Gelembung-gelembung uap dapat terjadi pada zat cair yang sedang mengalir, baik didalam pompa maupun di dalam pipa. Pada pompa sentrifugal, penurunan tekanan sampai tekanan terendah terjadi pada sisi hisap. Bila penurunan tekanan ini sampai dibawah tekanan uap jenuhnya maka akan menyebabkan terbentuknya gelembung-gelembung uap, lalu berkembang dan bergerak mengikuti aliran zat cair sampai ke daerah tekanan yang lebih tinggi, selanjutnya gelembung uap tersebut akan pecah akibat tekanan sekelilingnya. Proses inilah yang disebut kavitasi. Head loss aliran yang terlalu besar (pada sudu pompa, valve, elbow), kenaikan temperatur fluida, dan kenaikan kecepatan aliran fluida merupakan tiga hal yang sangat berpengaruh terhadap terjadinya kavitasi. Fenomena kavitasi adalah salah satu dari banyak kejadian yang merupakan penyebab kerusakan pada mesin‡

mesin fluida, seperti pompa dan turbin air. Pompa sentrifugal yang dioperasikan dalam kondisi kavitasi akan menimbulkan suara bising yang diakibatkan gelembung-gelembung uap pecah secara kontinyu karena tekanan sekelilingnya. Getaran berintensitas tinggi akan muncul ketika gelembung uap pecah mengenai casing pompa. Fenomena kavitasi yang terjadi dalam sudu pompa sentrifugal akan menyebabkan kerusakan–kerusakan mekanis yaitu dengan terjadinya lubang-lubang yang disebut erosi cavitasi. Kerusakan ini bisa terjadi pada sudu (blade) maupun pada casing. Disamping terjadi kerusakan mekanis, pompa sentrifugal juga akan mengalami penurunan head, kapasitas maupun efisiensinya apabila cavitasi terjadi pada sudu. Berdasarkan sebuah studi numerik, Ridha dan Houcine (2003) mendapatkan terjadinya serangan awal kavitasi pada bagian tertentu dari sudu impeler sebuah

Jurusan Teknik Mesin, FTI ITS, Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya (60111) E-mail: [email protected]

Majalah IPTEK - Vol. 17, No. 4, Nopember 2006

115

pompa sentrifugal. Pompa yang beroperasi pada level kavitasi yang rendah bisa memaksimalkan kapasitas, memperpanjang umur kerja, dan menghemat biaya dan waktu. Rencana yang terjadwal secara baik untuk pengumpulan datadata kavitasi pompa akan mengurangi waktu downtime dan akan berakibat pada penghematan biaya perbaikan impeler yang terlalu mahal ataupun biaya penggantian komponen dan inspeksi (Josefberg 2002). Kecepatan aliran di antara sudu yang terlalu besar (akibat kenaikan debit yang tidak terkendali), akan mengakibatkan blockage aliran dan selanjutnya menurunkan kapasitas pompa. Terjadinya blockage ini berakibat pada penurunan indeks kavitasi dan menyebabkan penurunan unjuk kerja pompa yang ditandai dengan penurunan koefisien head dan koefisien aliran (Friedrichs dan Kosyna 2002). Walaupun telah banyak penelitian yang berkaitan dengan timbulnya dan proses terjadinya kavitasi, tetapi penelitian yang secara khusus membahas kavitasi pada sudu pompa sentrifugal belum banyak dilakukan. Friedrichs dan Kosyna (2002) mendapatkan hubungan indeks kavitasi (σi) dengan koefisien head (ψ) pada pompa sentrifugal. Pada pompa sentrifugal, tingkat/intensitas kavitasi bisa diindikasikan dengan menggunakan indeks kavitasi (Franz dkk. 1996) dan Friedrichs dan Kosyna (2002) dengan persamaan berikut: 2( pi  pv ) , …...(1) i  u1 dimana: i : indeks kavitasi pompa pi : tekanan pada titik i (N/m2) pv : tekanan uap jenuh fluida (N/m2)  : massa jenis fluida (kg/m3) u1 : kecepatan peripherial masuk (m/s). Untuk air murni akan terjadi kavitasi jika angka indek kavitasi (i) mendekati nilai 0.008 (Gultom 2001; Taufik 2003). Studi fenomena kavitasi yang sangat visibel sampai saat ini ialah dengan menggunakan media visual. Dengan metode ini maka fisik dari kavitasi tersebut bisa dilihat dan didokumentasikan menggunakan media perekam

yang sudah lazim, seperti kamera digital atau cam-corder. Studi kavitasi secara visual untuk aliran didalam elbow 900 telah didokumentasikan dengan baik oleh Yuli (2003). Identifikasi timbulnya kavitasi pada pompa sentrifugal sering sulit dilakukan karena material casing pompa terbuat dari bahan yang tidak transparan. Dengan demikian kondisi fisik fluida di dalam pompa tidak diketahui secara visual. Dasar perhitungan secara matematis menggunakan indeks kavitasi sebenarnya dapat dipergunakan untuk memperkirakan keadaan fluida yang sedang mengalir melewati sudu pompa sentrifugal, namun hal ini memerlukan peralatan/instrumen ukur yang sangat akurat. Terbentuknya gelembung-gelembung uap didalam casing pompa dan di antara sudu-sudu pompa dan proses pecahnya gelembunggelembung tersebut menimbulkan getaran yang cukup besar. Tingkat getaran yang terjadi ini bisa diukur dengan menggunakan alat ukur getaran dengan response yang sangat baik. Hasil pengukuran getaran ini yang dikombinasikan dengan kajian secara visual dapat digunakan sebagai cara identifikasi terjadinya kavitasi pada pompa secara lebih baik. Tujuan dari studi kali ini ialah untuk mengkaji bagaimana mendeteksi adanya kavitasi di dalam pompa sentrifugal menggunakan metoda vibrasi. Selain itu, kajian ini juga ditujukan untuk memvisualisasikan fenomena kavitasi didalam impeler pompa sentrifugal. 2. PERANGKAT DAN FASILITAS UNTUK EKSPERIMEN Studi eksperimen ini dilakukan di Laboratorium Mekanika Fluida Jurusan Teknik Mesin ITS, dengan menggunakan perangkat uji kavitasi pompa sentrifugal (Gambar 1). Pompa sentrifugal yang dipakai dan yang akan diteliti merupakan cetakan industri kecil. Sebagian besar produk ini digunakan untuk keperluan rumah tangga sehari-hari dan digunakan untuk memompa cairan dingin, dengan sepesifikasi terlihat pada Gambar 2.

Vol. 17, No. 4, Nopember 2006 - Majalah IPTEK

116

Gambar 1. Perangkat uji kavitasi pompa sentrifugal. Tebal sudu (t) Kelengkungan sudu inlet ( β1 ) Kelengkungan sudu outlet ( β2 ) Jumlah sudu

: 5.7 mm : 40o : 35o : 6 buah

Sebelum melakukan pengujian kavitasi didalam pompa, maka perlu dilakukan pengujian terhadap karakteristik pompa tanpa terjadinya kavitasi. Hal ini dilakukan untuk mendapatkan data pembanding terhadap hasil-hasil pengukuran pada pompa bila kavitasi telah terjadi. Gambar 3 menunjukkan karakteristik head-kapasitas (H-Q) dari pompa uji. 3,5 3,0

Detail dari dimensi pompa uji: Jenis pompa Sentrifugal Diameter sudu inlet (D1) Diameter sudu outlet (D2) Lebar sudu inlet dan outlet (w)

: Pompa

2,5 Head (m)

Gambar 2. Geometri dan notasi pompa.

2,0 1,5 1,0

n = 1000 rpm

0,5

n = 1200 rpm n = 1400 rpm

0,0

: 39.3 mm : 98.3 mm : 17.3 mm


0

10

20

30 40 Kapasitas (l/menit)

50

Gambar 3. Karakteristik pompa uji.

60

117

Ke data logger Sensor getaran sisi atas

Flow out Sensor getaran sisi samping

Studi ini dilakukan dengan modifikasi dari sebuah perangkat uji kavitasi model CPE – 24112B yang dilengkapi dengan power supply AC 380 V 50 Hz 3 Phase. Motor penggerak pompa uji dengan seri C161313A (7A, 1400 rpm). Pompa vakum yang dihubungkan dengan pipa isap dari pompa uji dengan putaran rpm 1420 rpm (daya: 2.2kW pada kapasitas 10 liter/menit). Sebuah pemanas (heater) (1500 watt; 220 Volt) digunakan untuk memanaskan air di dalam tangki isap. Dalam kajian ini pemanasan air juga dibantu dengan pemanas kompor minyak tanah untuk pemanasan awal. Pengukuran tekanan sepanjang sudu kearah radial dengan menggunakan pipa U dengan fluida ukur air raksa. Pengukuran tekanan dengan menggunakan 14 titik lubang arah melintang vertikal jarak masing-masing 2.3 mm. Sebuah kamera digital digunakan untuk merekam secara visual aliran yang terjadi didalam casing pompa. Tekanan didalam tangki hisap dideteksi menggunakan sebuah manometer dengan rentang ukur -76 cmHg – 0cmHg (gage). Kecepatan aliran diukur menggunakan sebuah Doppler flow meter dengan rentang ukur 0.156.1 m/sec ( 5 % ). Pengukuran vibrasi dilakukan menggunakan sebuah accelerometer model CSI 40124012 L7 yang dihubungkan dengan data logger model CSI 2120 A (RBM Consultant). Pengujian kavitasi pompa ini dilakukan dengan variasi putaran pompa, temperatur air, tekanan hisap dan kapasitas aliran. Putaran pompa divariasikan dengan tiga nilai, yaitu: 1000, 1200, dan 1400 rpm, sementara temperatur air juga divariasikan dari 300C, 450C dan 600C. Selain itu, tekanan isap juga divariasikan dengan empat harga: 0, -5, -10, –15, dan -20cmHg (gage). Untuk memperoleh kurva karakteristik pompa tersebut, maka kapasitas aliran divariasikan dengan harga: 0, 25, 50, 75, dan 100 persen dari kapasitas maksimumnya. Gambar 4 menunjukkan diagram skematis metode pengukuran sinyal getaran pada pompa uji. Sinyal getaran diukur pada sisi atas dan sisi samping pompa. Untuk mendapatkan hasil yang akurat, maka sensor getaran diletakkan menempel secara tegak lurus bodi/dinding casing pompa. Data sinyal getaran ini direkam menggunakan data logger (model CSI 2120 A), yang selanjutnya diproses menggunakan sebuah program yang merupakan kelengkapan dari data loger yang sudah tersedia di dalam Personal Computer (PC).

Gambar 4. Penempatan sensor untuk mengukur getaran pompa. 3. HASIL EKSPERIMEN DAN DISKUSI 3.1 Distribusi Tekanan didalam Casing Pompa Distribusi tekanan air didalam casing pompa sangat dipengaruhi oleh beberapa faktor, antara lain: tekanan hisap (suction pressure), debit aliran, putaran impeler pompa, dan temperatur air yang dipompa. Gambar 5 menunjukkan distribusi tekanan dan pola aliran di sudu pompa dengan variasi tekanan hisap dari 0 cmHg sampai tekanan -20 cmHg. Distribusi tekanan didalam casing juga terlihat semakin menurun seiring tekanan hisap yang lebih rendah. Hal ini menunjukkan bahwa efek pengurangan tekanan di daerah sisi hisap mengakibatkan turunnya tekanan pada sudu pompa secara signifikan. Gambar 5 juga menunjukkan bahwa distribusi tekanan arah radial mempunyai dua pola yang berbeda. Pada pola pertama, terlihat bahwa ketika pompa dioperasikan pada tekanan hisap 0 cmHg sampai tekanan hisap -15 cmHg. Pada rentang tekanan ini, pola distribusi tekanan menyerupai grafik parabola, sementara pada titik p1 dan p13 tekanan yang dihasilkan lebih tinggi, kemudian semakin mendekati daerah dekat sisi hisap pompa (titik p5, p6 dan p7) tekanannya semakin menurun. Namun demikian, tekanan pada titik p1 lebih tinggi daripada tekanan pada titik p13, karena lokasi titik p1 lebih dekat ke sisi tekan (discharge). Terlihat pula pada Gambar 5 tersebut bahwa tekanan pada titik p13 lebih tinggi dari tekanan titik p14. Hal ini dimungkinkan karena pressure tap pada titik p14 terpasang sedikit tidak rata dengan dinding casing (lebih menjorok kedalam). Selanjutnya pada rentang tekanan vakum dibawah -15 cmHg, distribusi tekanan tetap menunjukkan pola parabolik, tetapi dengan harga yang lebih rendah. Pola distribusi tekanan yang dihasilkan semakin mendekati kurva kontinyu di sepanjang titik-titik pengujian. Perubahan distribusi tekanan yang signifikan ini terlihat pada tekanan hisap -20 cmHg, dimana pada kondisi ini Vol. 17, No. 4, Nopember 2006 - Majalah IPTEK

118

Gambar 5. Distribusi tekanan sudu arah radial pada putaran 1000 rpm kapasitas 100% dan temperatur 30oC sebagai fungsi dari tekanan hisap (suction). di sekitar mata impeler tekanan mencapai nilai kritisnya. Secara visual, fluida yang melewati sudu pada tekanan vakum dibawah -20 cmHg menunjukkan gejala kavitasi yang hebat dengan terbentuknya gelembung gas melingkupi area yang cukup luas (§ 3.2) dan menghasilkan kapasitas aliran yang semakin rendah. Hal ini disebabkan pompa yang tidak mampu lagi memberi cukup energi kepada fluida untuk dihisap dan dikeluarkan ke discharge line. Kapasitas pompa juga berpengaruh terhadap distribusi tekanan sepanjang sudu (Gambar 6). Apabila kapasitas pompa diturunkan dengan menutup katup (valve)-1, maka terjadilah kenaikan distribusi tekanan di sepanjang sudu. Terlihat pula pada Gambar 6 adanya peningkatan tekanan lebih besar pada titik-titik yang jauh dari pusat. Penurunan kapasitas aliran ini mengakibatkan penurunan kecepatan normal dan kecepatan relatif aliran, yang selanjutnya meningkatkan tekanan fluida didalam casing, terutama tekanan pada titik yang lebih jauh dari mata impeler. Gambar 7 menunjukkan distribusi tekanan fluida di dalam casing sebagai fungsi dari putaran impeler pompa. Cekungan dari distribusi tekanan ini terlihat sangat curam. Hal ini terkait dengan pengaruh putaran yang menyebabkan kenaikan head pompa dan menyebabkan tekanan pada ujung sudu luar (discharge) meningkat dengan drastis, sementara tekanan pada ujung dalam sudu (inlet) turun akibat naiknya kecepatan periperial. Naiknya putaran juga diikuti oleh kenaikan kapasitas sehingga kecepatan relatif aliran yang masuk menuju inlet sudu membesar, dan hal ini menyebabkan pengecilan penampang aliran yang Majalah IPTEK - Vol. 17, No. 4, Nopember 2006

disebabkan jet-flow (Medvitz dkk 2002). Jet-flow akan membesar sebanding dengan kenaikan kapasitas. Pada daerah dekat sisi hisap pompa, aliran fluida mengalami percepatan yang tinggi akibat adanya penyempitan luasan yang mendadak dan adanya jet-flow akibat naiknya kapasitas. Hal ini berakibat timbulnya penumpukan aliran fluida ketika putaran dinaikkan. Konsekuensi dari kondisi ini adalah turunnya tekanan statis di daerah penyempitan aliran tersebut. Bila hal ini dibiarkan berlangsung secara berkelanjutan, maka proses terjadinya kavitasi akan dipercepat karena tekanan di daerah tersebut dapat turun sampai dibawah tekanan uap jenuhnya. Distribusi tekanan akibat perubahan temperatur tidak menunjukkan perbedaan distribusi tekanan kearah radial secara signifikan (Gambar 8). Hal ini dikarenakan perubahan temperatur hanya berpengaruh terhadap perubahan tekanan uap jenuh dan massa jenis fluida. Ditinjau dari energi yang dibangkitkan, perubahan temperatur mengakibatkan penurunan tekanan di masing-masing titik yang disebabkan oleh kenaikan kecepatan yang melewati sudu. Penurunan tekanan tersebut dijelaskan dengan konsep Euler (pers. 2) dengan mengacu pada Gambar 9.

dF wVu ddR Vu dR …...(2)   dA wRd R 2

dp 

2

Persamaan (2) tersebut mengandung makna bahwa perubahan tekanan sebanding dengan massa jenis fluida, sehingga apabila terjadi penurunan massa jenis disebabkan naiknya temperatur maka tekanan akan mengalami

119

Gambar 6. Distribusi tekanan sudu arah radial pada putaran 1000 rpm tekanan hisap 0 cmHg dan temperatur 30oC.

Gambar 7. Distribusi tekanan sudu arah radial tekanan hisap 0 cmHg kapasitas 100% temperatur 30oC.

Gambar 8. Distribusi tekanan sudu arah radial tekanan hisap 0 cmHg kapasitas 100% putaran 1000 rpm. Vol. 17, No. 4, Nopember 2006 - Majalah IPTEK

120

Keterangan gambar: Vu : kecepatan periperial (m/s) ρ : massa jenis fluida (kg/m3) w : lebar sudu (m) R : jari-jari sudu (m) dF : diferensial gaya sentrifugal (N) dR : diferensial jari-jari (m)

d: diferensial sudut

Gambar 9. Mekanisme terjadinya gaya sentrifugal. penurunan. Akan tetapi perubahan temperatur hanya menurunkan massa jenis yang cukup kecil, sehingga dalam studi kali ini tidak didapatkan perubahan tekanan yang signifikan. 3.2 Visualisasi Aliran didalam Casing Pompa Gambar 10 menunjukkan kondisi fluida didalam casing pompa pada tekanan hisap -20 cmHg, 1400 rpm, dan temperatur 30oC. Pada gambar terlihat bahwa pada sisi hisap mulai terbentuk gelembung gas. Gelembung gas tersebut akan semakin banyak pada tekanan yang lebih rendah yang disebabkan oleh turunnya angka kavitasi. Gambar 11 mununjukkan hasil visualisasi kavitasi tekanan hisap -22 cmHg, temperatur 30oC dan putaran 1400 rpm. Pada gambar tersebut terlihat adanya rongga yang berisi gelembung-gelembung gas dengan luasan yang lebih lebar. Pada Gambar 12 terlihat bahwa kavitasi yang terbentuk lebih melebar, ditandai dengan semakin luasnya daerah gelembung gas. Dari Gambar 10-12 dapat disimpulkan bahwa semakin rendah tekanan hisap, maka semakin hebat kavitasi yang terjadi. Kavitasi yang semakin besar intensitanya bersesuaian angka kavitasi yang semakin rendah. Penurunan angka kavitasi akan mengakibatkan penurunan koefisien kapasitas, dan hal ini sesuai dengan hasil pengamatan secara visual (Suyanto 2005).

Gambar 10. Pola aliran fluida didalam casing pompa pada tekanan hisap -20 cmHg, putaran 1400 rpm, dan temperatur 30oC.



121


Gambar 14. Pola Aliran Fluida pada Sudu Tekanan Hisap -22 cmHg temperatur 30oC Putaran 1400 rpm.

Perubahan putaran impeler besar berpengaruh terhadap profil kecepatan yang terjadi di dalam impeler. Adanya perubahan profil kecepatan ini menyebabkan terjadinya perubahan harga intensitas kavitasi. Secara visual perbedaan tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut. Gambar 13 menunjukkan visualisasi kavitasi tekanan hisap -22 cmHg, temperatur 30oC, dan putaran 1000 rpm. Pada gambar tersebut terlihat adanya rongga yang berisi gelembung-gelembung gas dengan luasan tertentu, dan gelembung gas yang terjadi lebih kecil dan relatif stabil. Sementara, Gambar 14 mununjukkan hasil visualisasi kavitasi tekanan hisap -22 cmHg, temperatur 30oC, dan putaran 1400 rpm, dan memperlihatkan adanya rongga yang berisi gelembung-gelembung gas dengan luasan yang lebih lebar, lebih acak dan dinamis.

Dari Gambar 13 dan 14 terlihat adanya perbedaan yang sangat nyata pada intensitas kavitasi untuk dua harga putaran impeler yang berbeda: 1000 rpm 1400 rpm. Pada putaran yang lebih tinggi luas daerah gelembung udara lebih besar disebabkan pada putaran tersebut perubahan tekanan lebih besar, gaya sentrifugal yang terjadi lebih besar dan fluida lebih terdorong ke sisi luar sehingga menyebabkan luasan gelembung lebih besar. Intensitas kavitasi juga lebih dominan pada putaran tinggi yang disebabkan oleh turunnya angka kavitasi akibat naiknya kecepatan freestream (Suyanto 2005). Gelembung-gelembung uap lebih dinamis disebabkan pada putaran yang lebih besar yang menyebabkan kecepatan keliling yang membawa gelembung berputar lebih cepat.

Gambar 13. Pola Aliran Fluida pada Sudu Tekanan Hisap -22 cmHg temperatur 30oC Putaran 1000 rpm.

3.3 Deteksi Kavitasi dengan Sinyal Getaran Gambar 15 menunjukkan perbedaan sinyal getaran casing pompa sebelum dan setelah terjadi kavitasi di dalam casing. Sinyal getaran yang berwarna hijau (atas) adalah sinyal getaran untuk pompa yang mengalami kavitasi, sedangkan sinyal warna biru (bawah) menunjukkan sinyal getaran pompa yang tidak mengalami kavitasi. Terjadinya kenaikan intensitas kavitasi ditandai dengan sinyal getaran yang mempunyai amplitudo besar. Hal ini menunjukkan energi getaran yang besar akibat adanya gelembunggelembung yang menumbuk casing pompa. Gambar 16 menunjukkan sinyal getaran casing pompa dimana sensor getaran dipasang pada sisi atas pompa. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa sinyal getaran yang direkam oleh sensor yang dipasang pada sisi atas casing pompa tidak menunjukkan perbedaan yang berarti dibandingkan dengan sinyal getaran yang Vol. 17, No. 4, Nopember 2006 - Majalah IPTEK

122

direkam oleh sensor yang dipasang pada sisi samping casing. Dari gambar terlihat bahwa amplitudo sinyal getaran untuk pompa yang mengalami kavitasi (warna hijau / sinyal atas pada gambar) lebih besar dibandingkan dengan sinyal getaran pompa yang tidak mengalami kavitasi (warna biru / sinyal bawah pada gambar). Gambar 15 dan 16 memperkuat dugaan bahwa energi getaran pompa yang mengalami kavitasi lebih besar dibandingkan dengan energi getaran pompa tanpa kavitasi. Oleh karenanya, proses kavitasi yang terjadi didalam casing pompa dapat dideteksi menggunakan sinyal getaran yang direkam, tanpa harus menghitung angka kavitasi berdasarkan tekanan dan kecepatan aliran, maupun visualisasi aliran. Sinyal yang ditunjukkan dengan metode vibrasi/getaran memberikan informasi yang selaras dengan hasil yang ditunjukkan dengan visualisasi. Kavitasi yang ditunnjukkan dengan visualisasi ditandai dengan adanya gelembung uap yang terlihat pada sudu, sedangkan kavitasi yang ditunjukkan dengan vibrasi ditandai dengan sinyal getaran yang mempunyai energi getaran yang lebih besar, yang ditunjukkan dengan perbedaan amplitudo getaran dan kenaikkan frekuensi peak sebagai akibat gelembung yang menumbuk dinding pompa. Keselarasan hasil visualisasi dengan sinyal getaran ditunjukkan dengan Gambar 17 dan Gambar 18. Pada saat terjadi kavitasi, pengukuran dengan metoda vibrasi menunjukkan amplitudo maksimum yang terjadi lebih besar, sedangkan pada hasil visualisasi ditunjukkan adanya gelembung-gelembung uap yang banyak (Gambar 17). Pada saat sebelum terjadi kavitasi, sinyal vibrasi menunjukkan amplitudo maksimum yang lebih kecil dan terjadi pada frekuensi yang lebih rendah, sedangkan hasil visualisasi pada saat tidak terjadi kavitasi menunjukkan tidak terbentuknya gelembung uap (Gambar 18). Pada gambar ditunjukkan sinyal getaran sebelum terjadi kavitasi adanya nilai amplitudo maksimum yang lebih kecil (kurang dari 0,02 Gs) dan terjadi juga pada frekuensi yang lebih rendah (sekitar 112 Hz) (Gambar 18). Hal ini berbeda dengan sinyal hasil pengukuran ketika terjadi kavitasi (Gambar 17), dimana amplitudo maksimum yang terjadi lebih besar (diatas 0,06 Gs) dan terjadi pada frekuensi yang lebih besar (sekitar 420 Hz). 4. SIMPULAN Dari hasil eksperimen dan analisa yang dilakukan pada pengujian pompa sentrifugal, maka dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut: Majalah IPTEK - Vol. 17, No. 4, Nopember 2006

1) Pada tekanan tabung hisap 0 cmHg sampai tekanan –15 cmHg, pola distribusi tekanan yang dihasilkan menyerupai grafik parabola, dengan tekanan minimum ~ minus 22,2 cmHg yang terjadi pada titik p6 (sekitar inlet pompa) (putaran 1400 rpm, kapasitas 100% dari kapasitas maksimal dan tekanan hisap 15 cmHg). 2) Perubahan temperatur fluida pada range 300C – 600C tidak berpengaruh signifikan terhadap distribusi tekanan sudu arah radial. 3) Secara visual kavitasi ditandai dengan terbentuknya gelembung uap yang terlihat berwarna putih, dan terbentuknya dimulai dari sisi hisap. Gelembung uap yang terbentuk semakin banyak jika putaran dinaikkan dari 1000 rpm menjadi 1400 rpm, tekanan diturunkan dari -20 cmHg menjadi -25 cmHg. 4) Terjadinya kavitasi didalam pompa uji dapat dideteksi dengan sinyal getaran yang ditunjukkan dengan alat pendeteksi getaran CSI. Sinyal getaran akibat kavitasi pompa uji terdeteksi pada frekuensi sekitar 420 Hz pada putaran 1000 rpm dan frekuensi sekitar 460 pada putaran 1400 rpm. 5) Tanpa pengujian secara visual, selanjutnya kavitasi pompa uji dapat dideteksi dengan menggunakan sinyal getaran. DAFTAR ACUAN Franz, R., Acosta, J., Brenne, C.E. dan Coughey, T.K. (1996), The Rotordinamic Force on a Centrifugal Pump Impeller in the Presence of Cavitation, California Institute of Technologi, Pasadena, CA. pp. 205-211. Friedrichs, J. dan Kosyna, G. (2002), ‘Rotating Cavitation in a Centrifugal Pump Impeller of Low Specific Speed’, Journal of Fluids engineering, Vol. 124, pp. 356-362. Gultom, D. (2001), Study Eksperimen Pengaruh Tekanan dan Temperartur pada Kavitasi, Tugas Akhir, Teknik Mesin, ITS, Surabaya. Josefberg, D, (2002), ‘Using Predictive Maintenance Tools to Catch Pump Cavitation’, Pump and Process, Ludeca Inc. Newsletter, November, pp. 36-37. Medvitz, R.B., Kunz, R.F., Boger, D.A., Lindau, J.W., Yocum, A.M. dan Pauley, L.L. (2002), ‘Performance Analysis of Cavitating Flow in Centrifugal Pumps Using Multiphase CFD’, Juornal of Fluids Engineering, Vol. 124, pp. 377383.

123

Gambar 15. Perbandingan sinyal getaran pada casing pompa sebelum (sinyal bawah) dan setelah (sinyal atas) terjadi kavitasi. Sensor getaran dipasang pada sisi samping casing. Putaran impeler pompa = 1000 rpm. T = 300C.

Gambar 16. Perbandingan sinyal getaran pada casing pompa sebelum (sinyal bawah) dan setelah (sinyal atas) terjadi kavitasi. Sensor getaran dipasang pada sisi atas casing. Putaran impeler pompa = 1000 rpm. T = 300C.


124

(a)

(b) Gambar 17. (a) Sinyal getaran dan waveform dari casing pompa yang mengalami kavitasi. Putaran impeler1000 rpm, tekanan hisap -18 cmHg dan temperatur air 30oC. (b) Gelembung-gelembung uap akibat kavitasi.


125

(a)

(b) Gambar 18. (a) Sinyal getaran dan waveform dari casing pompa yang tidak mengalami kavitasi. Putaran impeler: 1000 rpm; tekanan hisap: -18 cmHg; temperatur air: 30oC. (b) Visualisasi aliran fluida didalam casing pompa yang tidak mengalami kavitasi.

Ridha, Z. dan Houcine, A. (2003), ‘Numerical Approach to the Prediction of Cavitation in Pumps’, Proc. Fifth Int. Symp. Cavitation, November 1-4, Osaka, Japan. Suyanto, I. (2005), Studi Eksperimental Fenomena Kavitasi pada Sudu Pompa Sentrifugal, Tesis S-2, Jurusan Teknik Mesin, ITS. Taufiq, M.S. (2003), Studi Eksperimen Kavitasi Pada Impeler Pompa Sentrifugal, Tugas Akhir Teknik Mesin, ITS, Surabaya.

Yuli, T.S. (2003), Studi Eksperimen Identifikasi Kavitasi Pada Elbow 90o Berdasarkan Spektrum Getaran dan Tingkat Kebisingan, Tugas Akhir Teknik Mesin, ITS, Surabaya. Diterima: 16 Maret 2006 Disetujui untuk diterbitkan: 15 Nopember 2006


EXPERIMENTAL STUDY ON CAVITATION PHENOMENA IN A CENTRIFUGAL PUMP USING FLOW VISUALIZATION AND VIBRATION ANALYSIS

Recommend Documents