TUGAS AKHIR KARAKTRISTIK PERPINDAHAN PANAS DA PENURUNAN TEKANAN PIN FIN OBONG INOVATIF PADA TRAILING EDGE BLADE TURBIN GAS.

(1)

TUGAS AKHIR

KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN

PENURUNAN TEKANAN PIN FIN OBLONG INOVATIF PADA

TRAILING EDGE BLADE TURBIN GAS

Tugas Akhir Ini Disusun Untuk Memenuhi Syarat Mendapatkan Gelar Sarjana S-1 Pada Jurusan Teknik Mesin

Universitas Muhammadiyah Surakarta

Disusun oleh :

PUNTO BASKORO

NIM : D200 110 054

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

(2)

ii

PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI

Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan

judul : “KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN PIN FIN OBLONG INOVATIF PADA TRAILING EDGE BLADE TURBIN GAS” yang dibuat untuk memenuhi sebagian syarat memperoleh derajat sarjana S1 pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas

Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta, sejauh yang saya ketahui

bukan merupakan tiruan atau duplikasi dari skripsi yang sudah

dipublikasikan dan/atau pernah dipakai untuk mendapatkan gelar

kesarjanaan dilingkungan Universitas Muhammadiyah Surakarta atau

instansi manapun, kecuali bagian yang sumber informasinya saya

cantumkan sebagaimana mestinya.

Surakarta, 7 Januari 2016

Yang menyatakan,

(3)

(4)

(5)

(6)

vi

MOTTO

“Everything will probably never be OK. But we have to try for it”

Vladimir Putin

“Kunci hidup itu jujur dan jangan ambil apa yang bukan hakmu”

(7)

vii

PERSEMBAHAN

Puji syukur Alhamdulillah, hamba panjatkan atas rahmat, karunia

dan keridhaan Allah SWT yang menggenggam dan memiliki seluruh jiwa

ini. Berkat ilmu yang Ia berikan kepada penulis dan campur tangan-Nyalah

karya sederhana ini dapat terselesaikan dengan baik. Dengan rasa syukur

karya ini penulis persembahkan untuk :

 Ibu Sumarni dan bapak Suparmin tercinta yang telah

membesarkan anak-anakmu dengan kasih sayang, terima kasih

atas segala yang telah kalian berikan.



Adikku tersayang Danang Kuncoro yang selalu memberikan tekanan untuk segera menyelesaikan studi, semoga kamu bisa

lebih baik dari kakaknya ini.

 Keluaga bude sukat dan pakde manto, terimakasih atas

penerimaan seperti anak sendiri selama penulis melaksanakan

studi disini.

 Sahabat dan teman perjuangan Adnan, Ekno, Doni dan Endri

terima kasih atas kerja samanya selama penelitian.

 Teman-teman Teknik Mesin angkatan 2011, terutama teman-teman gumpang Toriq, Maret, Andy, Dwi, Agus, Kori, Abdul, Arya, serta

teman-teman lain yang tidak bisa disebut kan satu persatu terima

kasih atas bantuan dan dukungannya selama menempuh masa

perkuliahan.yang selalu memberikan pelajaran berharga yang tidak

bisa dinilai dengan materi, sehingga penulis bisa sampai pada titik

(8)

viii

 Terimakasih pula kepada teman-teman kontrakan gumpang Toriq, Maret, Aziz, Alif, Muslih dan Domo yang telah mengajarkan arti

kebersamaan dalam hidup.

 Laboratorium teknik mesin, Keluarga mahasiswa teknik mesin, tim

mobil, tim kincir GTL dan tim-tim kegiatan ilmiah yang telah menjadi

tempat dalam kampus untuk menempa diri, meraih pengalaman

(9)

ix

KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN PIN FIN OBLONG INOVATIF PADA TRAILING EDGE

BLADE TURBIN GAS

Punto Baskoro, Marwan Effendy, Wijianto Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta

Jl. A.Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasura. Email : baskoropunto7@gmail.com

ABSTRAKSI

Penelitian ini mengevaluasi kinerja pendingin pin fin blade turbin gas. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menyelidiki secara komputasi koefisien perpindahan panas (HTC) dan faktor gesekan (f) di sepanjang bagian pending.

Dengan menggunakan model turbulensi k-epsilon, investigasi numerik dilakukan pada dua langkah: pertama, untuk memvalidasi hasil simulasi dari pendinginan circular pin fin dengan susunan staggered terhadap penelitian eksperimental. Tujuh jenis mesh terstruktur dari yang

kasar (Δy+ _{= 48,84) sampai dengan yang halus (Δy}+_{= 1,21) dievaluasi}

selama langkah ini; kedua, untuk memahami kinerja pin fin oblong pada berbagai orientasi sudut pendinginan. Simulasi dilakukan dengan menjaga inisial yang sama dan kondisi batas sebagai percobaan, dan berbagai jumlah Reynolds dari 9.000 ke 36.000.

Hasilnya menunjukkan bahwa validasi dapat dianggap diterima dengan mengembangkan mesh hingga 1,6 juta elemen dengan resolusi

baik (Δy + = 1.21). Faktor ekspansi merupakan faktor penting utama untuk mengontrol kualitas resolusi jaringan dekat daerah dinding. CFD memprediksi HTC dan penurunan tekanan dalam hasil validasi yang baik dengan data eksperimen yang tersedia, meskipun ditemukan prediksi data yang lebih setelah pin fin baris kedua di simulasi HTC. Investigasi tiga oblong pin-sirip yang berbeda pendingin (GN1, GN2 dan GN4) menunjukkan bahwa HTC pin fin GN2 terbesar dibandingkan dengan konfigurasi lainnya. HTC pin-sirip permukaan meningkat cukup sepanjang bagian pendinginan karena peningkatan aliran turbulensi yang disebabkan oleh saluran kontraksi dan peningkatan jumlah Reynolds. Sebaliknya, faktor gesekan berkurang secara bertahap di sepanjang bagian pendingin. HTC pin fin GN2 adalah sekitar dua kali HTC dari model dasar (G2.5).

(10)

x

A CFD PREDICTION OF “HEAT TRANSFER COEFFICIENT

AND PRESSURE LOSS” OF OBLONG PIN-FINS COOLING OF GAS

TURBINE BLADE

Punto Baskoro, Marwan Effendy, Wijianto

Departement of Mechanical Engineering, Universitas Muhammadiyah Surakarta

Jl. A.Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasura. Email : baskoropunto7@gmail.com

ABSTRACT

This research evaluates a pin-fins cooling performance of gas turbine blade. The aim is to investigate computationally the heat transfer coefficient (HTC) and friction factor (f) along the cooling passage.

By using k-epsilon turbulence model, numerical investigations were performed at two steps: first, to validate simulation results from an existing

circular pin-fin cooling with staggered arraysagainst experimental

measurement. Seven types structured mesh from coarse (Δy+ = 48.84) to

fine (Δy+ _{= 1.21) were evaluated during this step}_;_second_,_{to understand}

the oblong pin-fins cooling performance on various angle

orientation. Simulations were performed by keeping the same initials and boundary conditions as the experiment, and varying Reynolds number from 9,000 to 36,000.

The result demonstrates that validation can be considered acceptable by developing mesh up to 1.6 million elements with fine

resolution (Δy+ _{= 1.21). The expansion factor is a key important factor in}

order to control grid quality resolution near wall regions. CFD predicted HTC and pressure loss are in good agreement with available experimental data, even though it is found over-prediction data after the second pin-fin row in the HTC simulation. Investigation of three different oblong pin-fins cooling (GN1, GN2 and GN4) shows that the HTC of pin-fin GN2 is the greatest level compared to other configurations. The HTC of pin-fins surface increases moderately along the cooling passage due to the increase of flow turbulence that caused by contraction channel and increasing Reynolds number. In contrast, the friction factor decreases gradually along the cooling passage. The HTC of pin-fins GN2 is about twice the HTC of the baseline model (G2.5).

(11)

xi

KATA PENGANTAR

Segala puji syukur ke hadirat Allah SWT atas segala rahmat dan karunia- Nya yang telah terlimpahkan kepada penulis, sehingga Tugas

Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik.

Adapun Tugas Akhir ini disusun untuk memenuhi persyaratan

Sidang Sarjana S-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Surakarta.

Dalam penyusunan Tugas Akhir ini, penulis banyak mendapat

bantuan dari berbagai pihak, pada kesempatan ini, penulis dengan penuh

keikhlasan hati ingin menyampaikan terima kasih kepada :

1. Bapak Dr. H. Sri Sunarjono MT. Ph.D selaku Dekan Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Surakarta.

2. Bapak Tri Widodo BR. ST. MSc., Ph.D selaku Ketua Jurusan Teknik

Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.

3. Bapak Nur Aklis , ST., M.Eng selaku Sekretaris Jurusan Teknik Mesin

sekaligus Pembimbing Akademik yang begitu sangat membantu

selama perkuliahan.

4. Bapak Marwan Effendy , ST., MT., Ph.D. selaku Dosen Pembimbing

utama yang telah membimbing, mengarahkan, memberi petunjuk

dalam penyusunan Tugas Akhir ini

5. Bapak Wijianto , ST., M.Eng.Sc , selaku Dosen Pembimbing

pendamping yang telah meluangkan waktunya untuk memberikan

(12)

xii

6. Jajaran staf dan dosen Teknik Mesin universitas muhammadiyah

Surakarta

Akhir kata, penulis mohon maaf, jika sekiranya terdapat kesalahan

dan kekurangan dalam penulisan Tugas Akhir ini, yang disebabkan

adanya keterbatasan-keterbatasan antara lain waktu, dana, literatur yang

ada, dan pengetahuan yang penulis miliki. Harapan penulis semoga

laporan ini bermanfaat untuk pembaca.

Tugas Akhir ini semoga dapat bermanfaat khususnya bagi penulis

dan pihak lain yang membutuhkan, Amin ya Robbaallamin.

Surakarta, Januari 2016

(13)

xiii

DAFTAR ISI

Halaman Judul ... i

Pernyataan Keaslian Skripsi ... ii

Halaman Persetujuan ... iii

Halaman Pengesahan ... iv

Lebar Soal Tugas Akhir ... v

BAB II KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI 2.1. Tinjauan Pustaka ... 8

2.2. Dasar Teori ... 12

2.2.1 Metode Pendinginan Blade Turbin ... 12

2.2.1.1 Internal Cooling ... 12

2.2.1.2 External Cooling ... 13

2.2.2 Pin Fin ... 14

2.2.2.1 Macam-macam Pin Fins ... 16

2.2.3 Lapis Batas ... 19

2.2.4 Koefisien Perpindahan Panas ... 20

2.2.4.1 Perpindahan Panas Konduksi ... 21

2.2.4.2 Perpindahan Panas Konveksi ... 21

2.2.4.3 Perpindahan Panas Radiasi ... 22

2.2.5 Angka Reynolds ... 23

(14)

xiv

2.2.7 Computational Fluid Dynamic (CFD) ... 25

2.2.7.1 Pre-processing ... 27

3.4.2 Pengembangan Model ... 35

3.4 Kondisi Batas dan Aliran ... 37

BAB IV VALIDASI, HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Validasi ... 38

4.1.1 Faktor gesek ... 39

4.1.2 Koefisien Perpindahan Panas ... 41

4.2 Hasil ... 44

4.3 Pembahasan ... 47

4.3.1 Analisis Pengaruh Bentuk dan Orientasi Pin Fin pada Trailing Edge terhadap Koefisien Perpindahan Panas ... 47

4.3.2 Analisis Tekanan Fluida terhadap Bentuk dan Orientasi Pin Fin pada Trailing Edge ... 49

4.3.3 Penggaruh Bentuk Pin Fin terhadap Keepatan Fluida yang Mengalir ... 50

4.3.4 Hubungan Temperatur Fluida yang Beredar disekitar Pin Fin terhadap Bentuk Pin Fin ... 52

4.3.5 Prediksi Kerugian atas Penurunan Tekanan Fluida Pendingin pada Trailing Edge terhadap Bentuk dan Orientasi Pin Fin ... 53

4.3.6 Visualisasi Aliran Fluida ... 55

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan ... 57

5.2. Saran ... 58

(15)

xv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1. Blade turbin. ... 2

Gambar 1.2. Pin fin lingkaran. ... 3

Gambar 2.1. Data eksperimen Tarchi, dkk (2008) koefisien perpindahan panas dan penurunan tekanan ... 11

Gambar 2.2. Metode Convection cooling ... 12

Gambar 2.10. Lapisan batas plat datar ... 20

Gambar 2.11. Perpindahan panas konduksi ... 21

Gambar 2.12. Perpindahan panas konveksi ... 21

Gambar 2.13. Perpindahan panas radiasi ... 22

Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian ... 28

Gambar 3.2. Sket G2.5 eksperimen tarchi & validasi ... 30

Gambar 3.3. Sket model/geometri pengembangan ... 31

Gambar 3.4. Mesh tipe A1, A2 dan A3 ... 33

Gambar 3.5. Mesh tipe B1, B2, B3 dan B4 ... 34

Gambar 3.6. Mesh GN1, GN2 dan GN4 ... 35

Gambar 3.7. Daerah kondisi batas ... 36

Gambar 4.1. Validasi faktor gesek dan angka Reynolds pada mesh refinement ... 40

Gambar 4.2. Validasi Koefisien Perpindahan Panas ... 43

Gambar 4.3. Perbandingan hasil simulasi faktor gesek dan angka Reynolds pada model pengembangan ... 45

Gambar 4.4. Perbandingan hasil simulasi koefisien perpindahan panas dengan pin fin model pengembangan ... 46

Gambar 4.5. Perbandingan koefisien perpindahan panas dengan bentuk pin fin ... 48

Gambar 4.6. Perbandingan tekanan terhadap bentuk pin fin ... 49

(16)

xvi

Gambar 4.8. Perbandingan besar temperatur fluida disekitar

pin fin terhadap bentuk pin fin ... 52 Gambar 4.9. Perbandingan faktor gesek dengan angka

(17)

xvii

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1. Properti mesh tipe A. ... 33

Tabel 3.2. Properti mesh tipe B ... 34

Table 3.3. Properti mesh tipe pengembangan ... 35

Table 3.4. Definisi kondisi batas ... 37

(18)

xviii

μ = Viskositas Dinamik Kg/ms

Red = Angka Reynolds

ReL0 = Angka Reynolds saluran masuk

f = Faktor gesek

V = Kecepatan m/s

D = Diameter mm

Dh = Diameter hidrolik m2

DL0 = Diaameter hidrolik saluran masuk mm2

Sx = Jarak antar titik pusat fin tegak lurus aliran

Sy = Jarak antar titik pusat fin sepanjang aliran

ΔP = Perbedaan tekanan Pa