1
BAB I PENDAHULUAN
1.1.LATAR BELAKANG
Dalam sistem instalasi pemipaan fenomena kavitasi sering tidak diperhatikan, sedangkan kavitasi sendiri adalah salah satu kerugian di dalam sistem instalasi pemipaan. Yang disebut kavitasi adalah timbulnya gelembung-gelembung dalam aliran fluida akibat penurunan tekanan pada fluida sehingga tekanan tersebut di bawah tekanan uap jenuhnya. Gelembung-gelembung uap dapat terjadi pada zat cair yang sedang mengalir, baik di dalam pompa maupun pipa, tempat-tempat yang bertekanan rendah atau yang berkecepatan tinggi didalam aliran sangat rawan terhadap terjadinya kavitasi.
Pompa yang mengalami tekanan pada sisi hisap hingga dibawah tekanan uap jenuhnya akan terbentuk gelembung-gelembung uap, lalu berkembang mengikuti aliran zat cair sampai ketekanan yang lebih tinggi, selanjutnya gelembung tersebut akan pecah karena tekanan sekelilingnya, hal ini yang disebut dengan kavitasi. Gelembung-gelembung uap dapat terjadi pada zat cair yang sedang mengalir, baik di dalam pompa maupun pipa, tempat-tempat yang bertekanan rendah atau yang berkecepatan tinggi di dalam aliran sangat rawan terhadap terjadinya kavitasi.
2
Gambar 1.1: Spektrum getaran pompa kondisi kavitasi ( W. Hubbard, 2004)
Fenomena kavitasi yang terjadi dalam impeler pompa sentrifugal akan menyebabkan kerusakan-kerusakan mekanis yaitu terjadinya lubang-lubang yang disebut erosi kavitasi (terlihat pada gambar 1.2). Kerusakan ini bisa terjadi pada sudu maupun pada casing. Disamping terjadi kerusakan mekanis, pompa sentrifugal juga akan mengalami penurunan head, kapasitas maupun efisiensinya akan turun dan apabila kavitasi yang terjadi pada sudu pompa berlangsung lama bisa mengakibatkan kerusakan permanen.
3
Gejala-gejala yang ditimbulkan ini bisa diukur dengan perangkat pengukur getaran (Effendy, 2006), selajutnya bisa dimanfaatkan sebagai database untuk memetakan macam-macam respon getaran pada komponen mesin. Untuk melihat dan menganalisis fenomena terjadinya kavitasi maka dibuatlah suatu rancang bangun alat uji kavitasi melalui pengukuran secara eksperimental dengan memvariasikan variasi debit, variasi penggunaan impeller 3 sudu (impeller dibuat bopeng-bopeng dengan 5 variasi) dan variasi penggunaan impeller. Dengan demikian mampu memudahkan untuk mengamati terjadinya kavitasi, bagaimana kavitasi terjadi, faktor–faktor apa saja yang menyebabkan terjadinya kavitasi, serta bagaimana cara mencegah terjadinya kavitasi. Dengan demikian fenomena kavitasi dapat dilihat, dianalisis, dan dicegah.
1.2. Waktu dan Tempat
Penelitian ini merupakan riset yang dilakukan secara eksperimental di laboratorium. Mengingat keterbatasan alat pengukur getaran di UMS, maka dalam pengambilan data diperlukan mitra yang memiliki peralatan pengukur response getaran, sedangkan perakitan sistem yang dipergunakan untuk membuat sistem pompa berkavitasi direncanakan di Universitas Muhammadiyah Surakarta. Waktu Penelitian : Dilakukan mulai Maret 2009 hingga Maret 2011 Tempat Penelitian : 1. Lokasi pembuatan model sistem dan analisis data di
laboratorium Teknik Mesin UMS
2. Lokasi pengukuran getaran di di laboratorium Teknik Mesin UGM
1.3. Bahan dan Alat
Bahan-bahan yang diperlukan dalam penelitian ini adalah 1. Pompa sentrifugal, motor penggerak, puli-puli, listrik
4
1.4. Desain Penelitian
Desain pada eksperimen ini adalah awalnya menciptakan instalasi pompa pada kondisi berkavitasi merujuk persamaan 1, serta menambahkan impeler berlubang (bopeng-bopeng) akibat erosi kavitasi. Pompa sentrifugal diletakkan pada dudukan pada posisi paling atas sendiri. Pompa dibaut pada dudukan dan diantara pompa dengan dudukan diberi peredam yang bisa dibuat dari karet, kayu atau sejenisnya. Motor listrik diletakkan dibawah pompa sentrifugal dan pemasangan pada dudukan diberi peredam karet dan dibaut. Pada sisi isap sebelum masuk rumah pompa didekat dinding casing pompa dan juga pada sisi discharge dipasang manometer. Setelah aliran melewati saluran pada pipa tegak dipasang alat ukur rotameter yang digunakan untuk mengukur kapasitas dan kecepatan pompa. Pengukuran perubahan suhu dilakukan pada air antara sebelum dan setelah pengujian.
Untuk mendeteksi apakah pompa tersebut mengalami kavitasi atau tidak maka dilengkapi dengan pipa transparan disisi hisap dan sisi tekan.
Gambaran umum desain eksperimen tentang kavitasi dilakukan sebagai berikut:
1. Membuat instalasi pengujian pompa serta penempatan alat ukur pada sisi isap dan sisi tekan.
2. Mempersiapkan fluida air di tangki hisap sebagai bahan utama pengamatan serta mengatur sistem keluar air agar tidak berpengaruh pada pola aliran yang dihisap.
3. Mengalirkan fluida tersebut melalui pompa uji
4. Memvariasikan tekanan di pipa hisap maupun tekan secara acak masing-masing sebanyak lima kali.
5. Memvariasikan putaran motor penggerak pompa.
6. Mengukur getaran pompa arah vertikal ataupun horisontal, kemudian merekam besarnya getaran.
5
51
DAFTAR PUSTAKA
Anonim, 2004, Evaluasi lubangan kavitasi pada turbin air pompa tando dan pompa turbin, SNI 04-7023, Badan Standarisasi Nasional,
www.enginering.usu.edu/cee/SNI/Cavitation. (5/2/2006/10:07 PM)
Effendy M.,Adi W., Pratomo B.,2004, Pemodelan Sistem Getaran Kendaraan dan Rancang Bangun Digital Signal Analyzer, Fakultas Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta
Goldman Steve, 1999, Vibration Spectrum Analysis, Edisi Kedua, Industrial Press Inc., New York
Harahap Z., 1993, Pompa dan Blower Sentrifugal, Erlangga Jakarta. Ing. A. Nouwen, 1994, Pompa 2, jilid 2, Bhratara, Jakarta
Jensen, J., Dayton, K., 2000, Detecting Cavitation in Centrifugal Pumps, ORBIT, Second quarter 2000, Research & Development, Nevada Corporotion.
Kelecy, Franklyn J, 2003, Numerical Prediction of Cavitation in a Centrifugal Pump, Volume 2, No. 3-Desember 2003, journal of Darmstadt University of Technology as reported by Hofmann et al. in Refs
Kim,B.C 1998, Effect of Cavitation and plate thickness on Small DiamaterRatio, journal of Flow Meas Instrum, Elsevier Science, Great Britain
Kimura, 1995, Hydrodinamic Characteristicof Butterfly valve Prediction Of Pressure loses caracteristic, Elsevier Science, Great Britain
M. olson, Wright, 1993, Dasar-dasar Mekanika Fluia Teknik, edisi kelima, Gramedia pustaka Utama, Jakarta.
Prasetyo, Adi, 2005, Pengaruh variasi sudut sudu keluar impeler terhadap unjuk kerja dan kavitasi pompa,Tugas Akhir Teknik Mesin, UMS
Rahman, Rakhim dkk, 1998, Teori Getaran, UPN”Veteran”, Jakarta
Rahmeyer,dkk, 2006, Calibration And Verivication of cavitation Tersting Facilities using Oriffice, www.enginering.usu.edu/cee/SNI/Cavitation. (7/22/2006/022:04 AM)
Stepanof, Alexey, 1952, Centrifugal and Axial Pump, Teory design and application, edisi ke 3, Hapman & Hall, New York
52
Suyanto, Irham, 2005, Mendeteksi kavitasi pompa sentrifugal dengan vibrasi dan visualisasi, Jurnal Teknik, Jurusan Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surabaya, Surabaya. Taufik, 2003, Studi Eksperimental Kavitasi Pompa Sentrifugal, Tugas Akhir, Teknik Mesin,
Universias Sepuluh November, 2003
LAPORAN PENELITIAN HIBAH BERSAING
Aplikasi Response Getaran Untuk Menganalisis Fenomena
Kavitasi Pada Instalasi Pompa Sentrifugal
Wijianto, ST.M.Eng.Sc
Marwan Effendy, ST. MT.
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
Oktober, 2009
iii
KATA PENGANTAR
Puji-pujian hanyalah milik Allah Azza Wajalla semata, yang telah menganugerahkan kami dengan rahmat serta inayah-Nya, sehingga kami bisa menyelesaikan laporan penelitian ini. Shalawat serta salam semoga tetap tercurah kepada junjungan dan sauri tauladan kita Rasulullah Muhammad SAW.
Laporan yang berjudul “Aplikasi Response Getaran Untuk Menganalisis Fenomena Kavitasi Pada Instalasi Pompa Sentrifugal” terlaksana dengan adanya pendanaan dari program Hibah Bersaing Dirjen Dikti tahun 2008 dan juga tidak lepas dari bantuan dan dorongan berbagai pihak. Oleh sebab itu pada kesempatan ini diterima kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Dr. Harun Joko Prayitno, M.Hum selaku Ketua LPPM-UMS yang telah memberikan dukungan dan motivasi dalam melakukan penelitian.
2. Dirjen Dikti atas dukungan dana untuk penelitian ini.
3. Saudara Firdaus, Wardoyo dan saudara Maskuh atas kerja sama dan kontribusinya dalam membantu pelaksanaan penelitian .
4. Semua pihak yang telah membantu, semoga Allah membalas kebaikanmu. Tak lepas dari sifat manusiawi, disadari bahwa penulisan Laporan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu diharapkan adanya kritik dan saran yang bersifat membangun untuk dapat dijadikan pedoman kelak dikemudian hari.
Besar harapan kami semoga laporan ini dapat berguna bagi pembaca dan bagi yang memerlukannya.
Surakarta, Oktober 2009
Penulis
iv
3.2.2. Frekuensi yang dipengaruhi oleh Impeler ... 16
3.2.3. Frekuensi yang dipengaruhi oleh Belt ... 16
3.2.4. Frekuensi Kerusakan Roling Elemen Bearing ... 16
3.2.5. NPSH (Nett Positif Section Head )... 18
v
3.2.7. NPSH yang diperlukan (NPSHR) ... 20
3.2.8. Putaran Spesifik... 20
3.2.9. Getaran ... 21
3.2.10.Analisis Frekuensi Getaran Pompa ... 22
BAB IV METODOLOGI PENELITIAN ... 24
4.3.3. Pelaksanaan Eksperimen ... 33
4.4. Analisis Hasil ... 35
BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN... 36
5.1. Data Hasil Pengujian ... 36
5.2. Perhitungan Frekuensi Input Getaran Instalasi ... 37
5.2.1. Frekuesi belt ... 37
5.2.2. Frekuesi kerusakan ball bearing ... 37
5.2.3. Frekuensi putaran sudu-sudu pompa ... 38
5.3. Analisis Hasil Spektrum Frekuensi ... 38
5.4. Perhitungan Nilai NPSH Instalasi ... 42
5.5. Fase Kavitasi ... 45
5.5.1. Perbandingan angka kavitasi terhadap kecepatan spesifik ... 45
5.5.2. Perbandingan spektrum pada hasil pengukuran ... 45
5.5.3. Perbandinagn spektrum variasi sudu bopeng ... 45
BAB VI PENUTUP ... 49
vi
vii
viii σ = Koefisien bilangan kavitasi ω. = frekuensi sudut (rad/s) φ = beda fasa.
ix
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1 Spektrum getaran pompa kondisi kavitasi ... 2
Gambar 1.2 Kerusakan sudu pompa akibat erosi kavitasi ... 2
Gambar 3.1. Kavitasi pompa yang diakibatkan karena belokan disisi section pompa ... 9
Gambar 3.2. Penempatan sensor getaran dan alat ukur pada pompa sentrifugal ... 10
Gambar 3.3. Karakteristik NPSHR terhadap debit air ... 10
Gambar 3.4. Spektrum analisis getaran pompa karena kavitasi dengan cara penurunan tekanan isap pompa ... 11
Gambar 3.5. Prediksi umur pompa dalam waktu 6 tahun ... 11
Gambar 3.6. Indikasi kavitasi pada perubahaan saluran debit 101 m3/jam dengan daya 60 kW ... 12
Gambar 3.8. Peningkatan frekuensi dengan tampilan FFT spektrum wave forms... 13
x
yang tertutup ... 18
Gambar 3.16. Fungsi Harmonis... 21
Gambar 3.17. Sistem mekanis pompa sentrifugal ... 22
Gambar 3.18. Spectrum of typical mechanical system ... 22
Gambar 4.1. Instalasi pengukuran getaran ... 27
Gambar 4.2. Alat ukur ... 28
Gambar 4.3. Sketsa instalasi uji pompa sentrifugal... 30
Gambar 4.4. Alat uji eksperimen ... 30
Gambar 4.5. Skema diagram alir ... 25
Gambar 4.6. Gelembung uap disisi section pompa ... 33
Gambar 4.8. Penempatan tranduser pada dinding casing pompa, ... 34
Gambar 5.1. Ball bearing seri SKF 6204 ... 37
Gambar 5.2. Spektrum frekuensi motor listrik ... 39
Gambar 5.3. Spektrum frekuensi motor listrik dan pompa tanpa aliran putaran 2200 rpm ... 39
Gambar 5.4. Spektrum getaran pompa sebelum head statik = 0 ... 40
Gambar 5.5. Spektrum constans cavitation ... 41
Gambar 5.6. Spektrum frekuensi peningkatan amplitudu tertinggi... 42
Gambar 5.7. Sketsa untuk menentukan nilai head isap static ... 43
Gambar 5.8. Grafik hubungan nilai NPSHA terhadap debit aliran pada variasi katup tekan. ... 44
xi
Gambar 5.10. Grafik parameter bilangan kavitasi Thoma ... 45 Gambar 5.11. Spektrum frekuensi pompa pada putaran pompa 2600 rpm
pada sisi vertikal ... 46 Gambar 5.12. Spektrum frekuensi pompa pada putaran pompa 1800 rpm
xii
DAFTAR TABEL
1
Aplikasi Response Getaran Untuk Menganalisis Fenomena Kavitasi Pada Instalasi Pompa Sentrifugal
Wijianto dan Marwan Effendy
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik UMS Jl. A. Yani Tromol Pos 1 Pabelan Surakarta 57102
Email: [email protected]
RINGKASAN
Dalam sistem instalasi pemipaan fenomena kavitasi sering tidak diperhatikan, sedangkan kavitasi sendiri adalah salah satu kerugian di dalam sistem instalasi pemipaan. Yang disebut kavitasi adalah timbulnya gelembung-gelembung dalam aliran fluida akibat penurunan tekanan pada fluida sehingga tekanan tersebut di bawah tekanan uap jenuhnya. Gelembung-gelembung uap dapat terjadi pada zat cair yang sedang mengalir, baik di dalam pompa maupun pipa, tempat-tempat yang bertekanan rendah atau yang berkecepatan tinggi didalam aliran sangat rawan terhadap terjadinya kavitasi.
Fenomena kavitasi yang terjadi dalam impeler pompa sentrifugal akan menyebabkan kerusakan-kerusakan mekanis yaitu terjadinya lubang-lubang yang disebut erosi kavitasi. Kerusakan ini bisa terjadi pada sudu maupun pada casing. Disamping terjadi kerusakan mekanis, pompa sentrifugal juga akan mengalami penurunan head, kapasitas maupun efisiensinya akan turun dan apabila kavitasi yang terjadi pada sudu pompa berlangsung lama bisa mengakibatkan kerusakan permanen.
Untuk mendeteksi apakah sebuah pompa mengalami kavitasi atau tidak maka dilengkapi dengan pipa transparan disisi hisap dan sisi tekan. Dimana gambaran umum desain eksperimen tentang kavitasi dilakukan sebagai berikut:
1. Membuat instalasi pengujian pompa serta penempatan alat ukur pada sisi isap dan sisi tekan.
2
3. Memvariasikan debit air dengan tujuh variasi debit berbeda.
4. Mengukur getaran pompa sisi vertikal ataupun horisontal, kemudian merekam besarnya getaran.
5. Besarnya getaran yang ditimbulkan akibat kavitasi dapat dilihat pada layar monitor Signal Analyser Unit, yang kemudian dapat dianalisa nilai angka kavitasi berada pada frekuensi tertentu.
6. Hasil akhir dari pengukuran getaran dapat diplot, yang akan diperoleh grafik nilai frekuensi antara lain : frekuensi putaran motor, frekuensi pompa tanpa beban aliran, frekuensi pompa antara sebelum dan setelah terjadi kavitasi. Hasil pengukuran respon sinyal (spektrum) getaran pada pompa dibagi menjadi beberapa fase, antara lain fase inception cavitation, constans cavitation, maximum cavitation dan choked cavitation. Agar dapat mendefinisikan kavitasi pompa pada tiap-tiap fase pengukuran maka proses analisis memerlukan acuan. Parameter untuk menentukan acuan adalah hasil pengukuran dari spektrum yang memiliki perbedaan secara umum dengan hasil pengukuran fase yang lain. Hasil perbandingan didapatkan bahwa fase inception cavitation merupakan acuan pembanding terhadap hasil pengukuran yang lain. Perhitungan frekuensi alami pada masing-masing input getaran juga perlu dilakukan untuk mengetahui letak frekuensi imbalance dan dan karakteristik frekuensi aliran.
