PERANCANGAN CETAKAN DAN SIMULASI PEMBUATAN RUNNER TURBIN FRANCIS DENGAN METODA THREE-PIECE CASTING
TUGAS SARJANA Karya ilmiah sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik dari Institut Teknologi Bandung
Oleh:
Aris Muhammad Ridwan 13102076
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK MESIN DAN DIRGANTARA
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008
LEMBAR PENGESAHAN
Tugas Sarjana
PERANCANGAN CETAKAN DAN SIMULASI PENGECORAN PEMBUATAN RUNNER TURBIN FRANCIS DENGAN METODA THREE-PIECE CASTING
Oleh:
Nama
:
Aris Muhammad Ridwan
NIM
:
13102076
Program Studi
:
Teknik Mesin
Bandung, Februari 2008 Telah diperiksa dan disetujui oleh:
Dosen Pembimbing,
Dr. -Ing. Ir. Indra Djodikusumo NIP. 130 808 002
Hai orang-orang yang beriman, jika kamu menolong (agama) Allah, niscaya Dia akan menolongmu dan meneguhkan kedudukanmu.
(Q.S. Muhammad : 7)
‘Tuk Mamah dan Papah Tercinta ‘Tuk Indonesia Yang Lebih Baik
Final Project Title
Major
Perancangan Cetakan Dan Simulasi Aris Muhammad Pembuatan Runner Turbin Francis Ridwan Dengan Metoda Three-Piece Casting Mechanical Engineering 13102076 Faculty of Mechanical Engineering And Aerospace Bandung Institute of Technology Abstract
Production technology of francis turbine runner is still dominated by developed country, so we have to learn about its technology. Runner of francis turbine have complicated shapes, especially their blade profiles. Runner can be manufactured by casting process. Production of runner can be classified into 3 kinds of production processes, they are one-piece casting, two-piece casting dan three-piece casting. The most of runner production is one-piece casting. This final project deals with three-piece casting that separates runner into 3 components, ie: ring, cone and blade. These 3 components are connected by welding process. The welding process needs a good skill because the gaps between blades are so small. That’s why it also needs suitable jig and fixture for the welding proccess.
Tugas Sarjana Judul
Program Studi
Perancangan Cetakan Dan Simulasi Pembuatan Runner Turbin Francis Dengan Metoda Three-Piece Casting Teknik Mesin
Aris Muhammad Ridwan 13102076
Fakultas Teknik Mesin Dan Dirgantara Institut Teknologi Bandung Abstrak Teknologi pembuatan runner turbin francis khususnya runner saat ini masih dikuasai oleh negara-negara maju sehingga perlu penguasaan teknologi tersebut. Runner suatu turbin, khususnya turbin francis, memiliki bentuk yang sangat rumit terutama profil sudu-sudunya. Proses produksi runner turbin francis biasanya dapat dilakukan dengan proses pengecoran. Proses produksi runner turbin francis ini dikelompokkan menjadi 3 proses pembuatan yaitu one-piece casting, two-piece casting dan three-piece casting. Sebagian besar produksi runner menggunakan satu kesatuan atau one-piece casting. Penelitian yang dilakukan dalam tugas akhir ini menggunakan sistem proses pembuatan three-piece casting yaitu dengan cara memisahkan runner turbin menjadi tiga komponen. Tiga komponen itu adalah cone, ring dan blade. Komponen-komponen tersebut dapat disambung menjadi satu kesatuan menggunakan proses pengelasan. Proses pengelasan memerlukan keahlian yang baik karena celah antar blade yang kecil sehingga perlu perancangan jig dan fixture yang sesuai dengan pengelasan.
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan ke Maha Penggegam Alam Semesta Allah SWT atas segala rahmat dan karunia-Nya. Shalawat dan salam semoga terlimpahkan kepada Nabi Muhammad SAW. Dengan ijin Allah SWT serta bantuan dari berbagai pihak penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini sebagai syarat kelulusan pendidikan S-1 jurusan Teknik Mesin, Institut Teknologi Bandung. Tugas akhir yang berupa riset dalam perancangan cetakan dan simulasi pembuatan runner turbin francis dengan metoda three-piece casting semoga dapat bermanfaat bagi civitas akademik ITB dan perkembangan industri pengecoran di Indonesia. Disadari bahwa dalam laporan ini masih banyak kekurangan dan jauh dari sempurna yang disebabkan kemampuan dan waktu penulis. Oleh karena itu, mohon maaf apabila dalam tulisan ini ada beberapa yang salah. Saran dan kritik yang dapat membangun sangat diharapkan agar lebih baik lagi. Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya atas bimbingan dan bantuan yang telah diberikan selama riset ini kepada : 1. Dr. Ing Ir. Indra Djodikusumo selaku dosen pembimbing. 2. Dr. Ir. Yatna Yuwana selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Institut Teknologi Bandung. 3. Dr. Ir. Indrawanto selaku kepala Teknik Mesin ITB 4. Seluruh Dosen dan staff Teknik Mesin Institut Teknologi Bandung. 5. Papah, Mamah, Aa Irpan dan Teteh Lena, Mba Vivi, Aa Chan, Nadhil, Nazmi, Akil, yang telah memberikan bantuan moril dan materi serta motivasi kepada penulis. 6. Partner penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini, Koko, Bowo dan Yoga
7. Seluruh karyawan Great: Akhyar, Lucky, Harris, Pa Sholeh yang telah memberikan informasi dan wawasan kepada penulis. 8. Seluruh karyawan MIDC: Mba Shinta, Bpk Gerliv, Bpk Adi. 9. Teman-teman BG 02 Andri, Hafiz, Anca, Gema, Gugun, Anton, Qball, Wisnu, Fani. 10. Keluarga lantai B14 & B13; Peby, Sukma, Anto, Epul, Rusnang, Gravian. Ipul. 11. Keluarga besar asrama bumi ganesha. 12. Teman-teman tekproders 02,03,01 semuanya 13. Seluruh teman-teman angkatan 2002 Teknik Mesin ITB. Dan semua pihak yang telah membantu kelancaran penyelesaian tugas akhir ini. Semoha Allah SWT memberikan balasan yang setinggi-tingginya. Amin
Bandung, Februari 2008
Penulis
DAFTAR ISI
ABSTRACT ABSTRAK KATA PENGANTAR......................................................................................... i DAFTAR ISI....................................................................................................... iii DAFTAR GAMBAR.......................................................................................... vi DAFTAR TABEL ............................................................................................. viii LAMPIRAN ........................................................................................................ ix
BAB I. PENDAHULUAN.................................................................................. 1 1.1. Latar Belakang ............................................................................................. 1 1.2. Tujuan Penelitian ......................................................................................... 2 1.3. Ruang Lingkup Dan Batasan Masalah......................................................... 3 1.4. Sistematika Penulisan................................................................................... 3
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA........................................................................ 5 2.1 Turbin Air..................................................................................................... 5 2.1.1 Prinsip Turbin Air................................................................................. 5 2.1.2 Jenis-Jenis Turbin................................................................................. 6 2.1.2.1 Turbin Impuls .......................................................................... 7 2.1.2.2 Turbin Reaksi .......................................................................... 9 2.1.3 Turbin Francis...................................................................................... 10 2.2 Proses Pengecoran ....................................................................................... 11 2.2.1 Struktur dan Sifat Baja Cor................................................................. 11 2.2.2 Dasar-Dasar Pengecoran...................................................................... 13 2.2.2.1 Aliran Logam Cair Ke rongga Cetakan.................................... 13 2.2.2.2 Perpindahan Panas Selama Pemadatan dan Pendinginan......... 14 2.2.2.3 Pengaruh Jenis Material Cetakan.............................................. 14 2.2.3 Pola....................................................................................................... 14 2.2.3.1 Bahan Pola............................................................................... 15
2.2.3.2 Pembuatan Pola........................................................................ 15 2.2.4 Jenis Jenis Pengecoran ....................................................................... 16 2.2.5 Pengecoran Pasir (Sand Casting)......................................................... 19 2.2.5.1 Pre Casting.............................................................................. 20 2.2.5.2 Casting..................................................................................... 24 2.2.5.3 Post Casting............................................................................. 25 2.2.6 Cetakan Cara Pola Lilin (Invesment Casting).................................... 26 2.2.7 Perancangan Pengecoran ..................................................................... 29 2.2.7.1 Perancangan Sistem Penambah ................................................30 2.2.7.2 Perancangan Saluran ............... ................................................ 33 2.3 Pemodelan Pro Engineering.......................................................................... 35 2.3.1 Pemodelan Sketsa................................................................................ 36 2.3.2 Pemodelan Part................................................................................... 36 2.3.3 Pemodelan Assembly........................................................................... 38 2.4 Simulasi Adsefan ....................................................................................... 38 2.4.1 Pre Processor.......................................................................................39 2.4.2 Solver................................................................................................... 40 2.4.3 Post Processor..................................................................................... 40 2.4.4 Cacat Pada Coran................................................................................. 40
BAB III. PERANCANGAN CETAKAN RING, CONE DAN BLADE............. 42 3.1 Data Dan Literatur.........................…............................................................ 43 3.2 Sketch 2D dan Modeling 3D Runner............................................................ 45 3.3 Perancangan Cetakan.................................................................................... 48 3.3.1 Perancangan Sistem Penambah…........................................................ 49 3.3.1.1 Lokasi Penambah…................................................................. 50 3.3.1.2 Metoda Sistem Penambah….................................................... 50 3.3.1.3 Perhitungan Dimensi Dan Jumlah Penambah......................... 52 3.3.2 Perancangan Sistem Saluran…............................................................ 55 3.3.2.1 Perhitungan Massa, friksi dan Time Pouring........................... 56 3.3.2.2 Penentuan Tinggi Saluran......................................................... 57 3.3.2.3 Perhitungan Luas Penampang Pencekik.................................. 58
3.3.2.4 Perhitungan Luas Sistem Saluran............................................ 58 3.3.2.5 Perhitungan Dimensi Sistem Saluran...................................... 59
BAB IV. SIMULASI DAN ANALISIS CETAKAN ......................................... 62 4.1 Persiapan Awal........................................................................................... 64 4.2 Penyelesaian................................................................................................... 66 4.3 Tahap Akhir ................................................................................................. 66 4.4 Hasil Simulasi.............................................................................................. 66 4.4.1 Pola Pengisian Cetakan (Mold Filling)............................................
66
4.4.2 Pola Pembekuan (Solidification)........………...................................... 68 4.4.3 Distribusi Temperatur........................................................................... 70 4.4.4 Distribusi Kecepatan.............................................................................72 4.4.5 Prediksi Cacat Penyusutan................................................................... 74 4.5 Analisis.......................................................................................................... 77 4.5.1 Ring....................................................................................................... 78 4.5.2 Cone........……….................................................................................. 82 4.5.3 Blade .................................................................................................. 86 4.6 Solusi............................................................................................................. 89
BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN............................................................. 91 5.1. Kesimpulan................................................................................................... 91 5.2. Saran............................................................................................................. 91
DAFTAR PUSTAKA.......................................................................................... 92
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Nosel Turbin Pelton......................................................................... 8 Gambar 2.2 Sudu turbin Turgo dan nozle .......................................................... 8 Gambar 2.3 Turbin Crossflow...............................................................................9 Gambar 2.4 Flow Turbin Francis ..........................................................................9 Gambar 2.5 Turbin Kaplan...................................................................................10 Gambar 2.6 Komponen Turbin Francis vertikal.................................................. 11 Gambar 2.7 Jenis-Jenis Pengecoran.................................................................... 17 Gambar 2.8 Proses Pengecoran Cetakan Pasir.................................................... 19 Gambar 2.9 Proses Invesment Casting.............................................................. 28 Gambar 2.10 Jenis Penambah Standar................................................................. 31 Gambar 2.11 Gambar Sistem Saluran................................................................. 34 Gambar 2.12 Diagram Alir Simulasi Adstefan.................................................... 39 Gambar 2.13 Cacat-Cacat Pada Produk Coran.................................................... 41 Gambar 3.1 Flowchart Perancangan Cetakan..................................................... 43 Gambar 3.2 Runner turbin francis....................................................................... 46 Gambar 3.3 Sketsa 2D runner turbin Francis..................................................... 47 Gambar 3.4 Solid 3D Runner Turbin Francis..................................................... 47 Gambar 3.5 Sistem Penambah............................................................................ 49 Gambar 3.6 Diagram Alir Metode Penambah.................................................... 50 Gambar 3.7 Diagram Alir Perhitungan Dimensi Penambah............................... 53 Gambar 3.8 Diagram Alir Perhitungan Saluran Cetakan................................... 56 Gambar 3.9 Tabel Friksi.......................................................................................56 Gambar 3.10 Perbandingan ketinggian saluran turun........................................ 57 Gambar 3.11 Aturan Dimensi Luas Penampang..................................................60 Gambar 3.12 Model Coran.................................................................................. 62 Gambar 4.1 Diagram Alir Simulasi Cetakan...................................................... 63 Gambar 4.2 Mold Filling Ring........................................................................... 67 Gambar 4.3 Mold Filling Cone.......................................................................... 68 Gambar 4.4 Mold Filling Blade............................................................................68
Gambar 4.5 Pola Pembekuan Ring ..................................................................... 69 Gambar 4.6 Pola Pembekuan Cone ................................................................... 70 Gambar 4.7 Pola Pembekuan Blade ................................................................... 70 Gambar 4.8 Distribusi Temperatur Ring ............................................................ 71 Gambar 4.9 Distribusi Temperatur Cone..............................................................72 Gambar 4.10 Distribusi Temperatur Blade....................................................... 72 Gambar 4.11 Pola Kecepatan Ring ................................................................... 73 Gambar 4.12 Pola Kecepatan Cone ................................................................... 73 Gambar 4.13 Pola Kecepatan Blade................................................................... 74 Gambar 4.14 Shrikage prediction Ring ............................................................. 75 Gambar 4.15 Shrikage prediction Cone............................................................ 76 Gambar 4.16 Shrikage prediction Blade............................................................ 77 Gambar 4.17 Pola Pengisian Ring Design ke-2.................................................. 79 Gambar 4.18 Pola Pembekuan Ring Design ke-2.............................................. 79 Gambar 4.19 Pola Kecepatan Ring Design ke-2................................................ 80 Gambar 4.20 Distribusi Temperatur Ring Design ke-2..................................... 81 Gambar 4.21 Shrinkage Prediction Ring Design ke-2....................................... 82 Gambar 4.22 Pola Pengisian Cone Design ke-2................................................ 83 Gambar 4.23 Pola Pembekuan Cone Design ke-2.............................................. 83 Gambar 4.24 Pola Kecepatan Cone Design ke-2............................................... 84 Gambar 4.25 Distribusi Temperatur Cone Design ke-2..................................... 84 Gambar 4.26 Shrinkage Prediction Cone Design ke-2...................................... 85 Gambar 4.27 Pola Pengisian Blade Design ke-2............................................... 86 Gambar 4.28 Pola Pembekuan Blade Design ke-2............................................ 87 Gambar 4.29 Pola Kecepatan Blade Design ke-2............................................... 87 Gambar 4.30 Distribusi Temperatur Blade Design ke-2.................................... 88 Gambar 4.31 Shrinkage Prediction Blade Design ke-2..................................... 89
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Jenis Turbin .................................…………...………….....................7 Tabel 2.2 Penyusutan Logam........................……………..………..................... 16 Tabel 2.3 Penentuan Diameter Penambah....………………..……..................... 32 Tabel 3.1 Batas maksimum dan minimum Ca6NM............................................ 44 Tabel 3.2 Sifat-sifat fisik Ca6NM ..........................………............................... 45 Tabel 3.3 Sifat-sifat Mekanik CA6NM.............................................................. 45 Tabel 3.4 Nilai Modulus Pengecoran Runner...................................................... 51 Tabel 3.5 Perhitungan modulus leher riser (Mn) dan modulus riser (Mr).......... 53 Tabel 3.6 Perhitungan Dimensi Sistem Penambah.............................................. 54 Tabel 3.7 Perhitungan jumlah penambah ..........................................................55 Tabel 3.8 Perhitungan friksi dan waktu tuang sistem saluran cetakan................ 56 Tabel 3.9 Penentuan ketinggian saluran turun dan tinggi coran.......................... 57 Tabel 3.10 Perhitungan Luas Pencekik (AC)....................................................... 58 Tabel 3.11 Perhitungan luas saluran penampang................................................ 59 Tabel 3.12 Perhitungan dimensi luas saluran...................................................... 60 Tabel 3.13 Hasil Perancangan Cetakan............................................................... 61 Tabel 4.1 Sifat Baja Cor CA6NM, Pasir Kromit dan Keramik ...........................65
LAMPIRAN
Lampiran 1 Gambar Teknik Model Coran Ring Lampiran 2 Gambar Teknik Model Coran Cone Lampiran 3 Gambar Teknik Redesign Ring Lampiran 4 Gambar Teknik Redesign Cone Lampiran 5 Gambar Teknik Redesign Cetakan Blade Lampiran 6 Gambar Teknik Pouring Cup
