ANALISA DATA VIBRASI UNTUK MENGINDENTIFIKASI KONDISI DAN SYMTUM PADA TURBIN GAS SIEMENS V94.2 PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP DENGAN PENDEKATAN
TOTAL PRODUCTIVE MAINTENANCE
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
EVAN THERELIM (150401057)
FAKULTAS TEKNIK DEPARTEMEN TEKNIK MESIN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
2019
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas berkat rahmat serta kasih-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dengan judul “Analisa Data Vibrasi Untuk Mengidentifikasi Kondisi dan Symtum Pada Turbin Gas Siemens V 94.2 Pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dengan Pendekatan Total Productive Maintenance”.
Tujuan penulisan skripsi ini untuk memenuhi sebahagian syarat memperoleh gelar Sarjana Teknik (S.T) bagi mahasiswa program S-1 di program studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan, oleh sebab itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun dari semua pihak demi kesempurnaan skripsi ini.
Terselesaikannya skripsi ini tidak terlepas dari bantuan banyak pihak, sehingga pada kesempatan ini dengan segala kerendahan hati dan penuh rasa hormat penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya bagi semua pihak yang telah memberikan bantuan moril maupun materil baik secara langsung maupun tidak langsung dalam penyusunan skripsi ini dari awal hingga selesai, terutama kepada yang saya hormati:
1. Bapak Prof Dr Runtung Sitepu, SH, M Hum, selaku Rektor Universitas Sumatera Utara.
2. Ibu Ir. Seri Maulina, M.Si., Ph.D. selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
3. Bapak Prof. Dr. Ing. Ir. Johannes Tarigan selaku Wakil Dekan 1.
4. Bapak Dr. Ir. M. Sabri, MT.,IPM selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara serta selaku dosen pembanding saya yang telah membimbing saya dengan baik.
5. Terang U. H. S. Ginting Manik, S.T, M.T. selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
6. Bapak Dr. Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku dosen pembimbing saya yang telah membimbing saya dengan baik.
7. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, Msc. selaku dosen pembanding saya yang membanding saya dengan baik.
8. Bapak /Ibu dosen dan staff di lingkungan Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, khususnya Program Studi Teknik Mesin yang telah banyak membantu penulis untuk.
9. Teman-teman angkatan 2015 yang sudah membantu.
Teristimewa kepada Orang Tua penulis Petrus dan Noraijun yang selalu mendoakan, memberikan motivasi dan pengorbanannya baik dari segi moril, materi kepada penulis sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.
Terima kasih juga kepada semua pihak yang telah membantu dalam penyelesaian skripsi ini yang tidak dapat disebutkan satu per satu.
Akhir kata penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu dan penulis berharap semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi semua dan menjadi bahan masukan dalam dunia pendidikan terutama dalam bidang teknik.
Medan, September 2019
Penulis,
Evan Therelim NIM. 150401057
ABSTRAK
Seiring perkembangan zaman , jumlah penduduk semakin bertambah yang berarti semakin bertambah pula kebutuhan akan energy listrik. Salah satu solusi untuk permasalahan tersebut yaitu dengan membangun PLN (Perusahaan Listrik Negara) sebagai penyedia energi listrik skala besar. Dalam perusahaan penyedia energi berskala negara ini, pemeliharaan sangat dibutuhkan untuk menjamin kualitas produksi dari perusahan tersebut. Pemeliharaan (maintenance) berperan penting dalam kegiatan produksi dari suatu perusahaan yang menyangkut kelancaran atau kemacetan produksi, volume produksi, serta agar output yang diproduksi diterima konsumen dengan baik. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui masalah yang ditimbulkan oleh salah satu turbin uap yang ada pada PT PLN (Persero). Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah dengan menganalisa dan memproyeksikan data vibrasi dengan metode Fast Fourier Transform.Berdasarkan analisa data yang dilakukan, diperoleh kesimpulan bahwa dalam time domain dapat dilihat bahwa vibrasi tertinggi pada titik ukur 1 terletak pada arah aksial sedangkan vibrasi tertinggi pada titik ukur 2 terdapat pada arah horizontal. Pada frequency domain, dapat dilihat adanya fenomena gejala unbalance serta misalignment pada poros turbin titik 1 dan 2. Dari hasil perhitungan didapat juga bahwa hasil dari compliance (-2,8452 x 10-8), mobility (1,573420474 x 10-5) dan inertance (0,000053228).
Kata kunci : symptom, Fast Fourier Transform, vibrasi
ABSTRACT
Along with the times, the population is increasing which means there is also an increasing need for electrical energy. One solution to this problem is to build PLN (Perusahaan Listrik Negara) as a large-scale provider of electrical energy. In this state-wide energy supply company, maintenance is needed to guarantee the production quality of the company. Maintenance plays an important role in the production activities of a company that concerns the smoothness or congestion of production, production volume, and so that the output produced is well received by consumers. Based on the data analysis, it can be concluded that in the time domain it can be seen that the highest vibration at measuring point 1 is located in the axial direction while the highest vibration at measuring point 2 is in the horizontal direction. In the frequency domain, it can be seen the phenomenon of unbalance symptoms and misalignment on the turbine shaft point 1 and 2. From the calculation results also obtained that the results of compliance (-2,8452 x 10-8), mobility (1,573420474 x 10-5) and inertance (0,000053228).
Keywords: symptoms, Fast Fourier Transform, vibration
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ... vi
ABSTRAK ... viii
DAFTAR ISI ... x
DAFTAR TABEL ... xii
DAFTAR GAMBAR ... xiii
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Tujuan Penelitian ... 2
1.3 Batasan Masalah ... 2
1.4 Manfaat Penelitian ... 2
1.5 Sistematika Penulisan ... 2
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 4
2.1 Turbin Gas ... 4
2.2 Konstruksi Turbin Gas ... 5
2.3 Komponen – Komponen Utama Pada Turbin Gas ... 13
2.3.1 Kompresoraksial ... 13
2.3.2 Ruang Bakar ... 13
2.3.3 Turbin Aksial ... 13
2.4 Komponen Pendukung Turbin Gas ... 14
2.4.1 Variabel Inlet Guide Vane (VIGV) ... 14
2.4.2 Blade Valve ... 14
2.4.3 Difuser ... 16
2.4.4 Nozel ... 16
2.5 Prinsip Kerja Sistem Turbin Gas ... 18
2.6 Teori Time Domain dan Frekuensi Domain ... 23
2.7 Teori Compliance, Mobility dan Intertance ... 27
2.8 Teori Vibrasi Turbin Gas ... 30
2.9 Fast Fourier Transform (FFT) ... 33
2.10 Indentifikasi Masalah Dengan Spektrum FFT ... 36
2.10.1 Misalignment ... 36
2.10.2 Unbalance ... 39
2.10.3 Mechanical looseness ... 42
2.10.4 Bent Shaft ... 43
2.10.5 Bearing Defect ... 44
2.10.6 Blade dan Baling Baling ... 45
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 46
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian ... 46
3.2 Alat dan Bahan ... 46
3.2.1 Alat ... 46
3.2.2 Bahan ... 46
3.3 Prosedur Penelitian ... 46
3.3.1 Data Time Domain ... 46
3.3.2 Data Frekuensi Domain... 47
3.4 Diagram Alir Penelitian ... 55
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 57
4.1 Data Vibrasi Mainshaft Turbin ... 57
4.2 Time Domain ... 59
4.3 Frekuensi Domain ... 60
4.3.1 Analisa Data Frekuensi Arah Horizontal ... 60
4.3.2 Analisa Data Frekuensi Arah Vertikal ... 63
4.3.3 Analisa Data Frekuensi Arah Aksial ... 66
4.4 Evaluasi Nilai Komputasi Fast Fourier Transform pada Microsoft Excel secara Manual... 68
4.5 Perhitungan Compliance, Mobility dan Intertance ... 69
4.5.1 Hasil Compliance ... 69
4.5.2 Hasil Mobility ... 71
4.5.3 Hasil Intertance ... 72
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 73
5.1 Kesimpulan ... 73
5.2 Saran ... 73
DAFTAR PUSTAKA ... 74
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Regresi Simpangan dengan variasi t = 1 sampai t = 10 ... 54
Tabel 4.1 Data Vibrasi Poros Titik Ukur Turbin ... 58
Tabel 4.2 Pengolahan Data FFT Titik 1 dan 2 Horizontal ... 60
Tabel 4.3 Pengolahan Data FFT Titik 1 dan 2 Vertikal ... 63
Tabel 4.4 Pengolahan Data FFT Titik 1 dan 2 Aksial ... 66
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Konstruksi Turbin Uap ... 5
Gambar 2.2 Filter Inlet ... 5
Gambar 2.3 Kompressor ... 6
Gambar 2.4 Combustor ... 7
Gambar 2.5 Turbin Gas Axial VS Sentrifugal ... 8
Gambar 2.6 Skema Turbin Gas Tipe Impuls ... 9
Gambar 2.7 Skema Turbin Gas Tipe Reaksi ... 10
Gambar 2.8 Journal Bearing Pada Turbin Gas ... 11
Gambar 2.9 Macam-macam Desain Labyrinth Seal Pada Turbin Gas ... 12
Gambar 2.10 Bleed Valve ... 15
Gambar 2.11 Turbin gas untuk industri (pembangkit listrik) ... 19
Gambar 2.12 Mesin pembakaran dalam (turbin gas dan motor bakar) ... 19
Gambar 2.13 Perbandingan turbin gas dan mesin diesel ... 20
Gambar 2.14 Osiloskop ... 24
Gambar 2.15 Time Domain dan Frequency Domain ... 25
Gambar 2.16 Compliance. ... 27
Gambar 2.17 Dinamik stiffness ... 28
Gambar 2.18 Grafik Percepatan terhadap Gaya pada system peredam massa . 29 Gambar 2.19 Grafik Kecepatan terhadap Gaya pada Sistem Pegas Peredam Massa ... 30
Gambar 2.20 Spektrum FFT ... 35
Gambar 2.21 Angular Missalignment ... 36
Gambar 2.22 Parallel Misalignment ... 37
Gambar 2.23 Spektrum Misalignment ... 38
Gambar 2.24 Static Unbalance ... 39
Gambar 2.25 Couple Unbalance ... 40
Gambar 2.26 Spektrum Unbalance ... 41
Gambar 2.27 Spektrum Mechanical Looseness ... 43
Gambar 2.28 Cincin luar bearing yang mengelupas ... 44
Gambar 3.1 Langkah 1 Pengolahan Data Frequency Domain... 47
Gambar 3.2 Langkah 2 Pengolahan Data Frequency Domain... 48
Gambar 3.3 Langkah 3 Pengolahan Data Frequency Domain... 48
Gambar 3.4 Langkah 4 Pengolahan Data Frequency Domain... 48
Gambar 3.5 Langkah 5 Pengolahan Data Frequency Domain... 49
Gambar 3.6 Langkah 6 Pengolahan Data Frequency Domain... 50
Gambar 3.7 Langkah 7 Pengolahan Data Frequency Domain... 51
Gambar 3.8 Langkah 8 Pengolahan Data Frequency Domain... 52
Gambar 3.9 Diagram Alir Penelitian ... 47
Gambar 4.1 Titik Ukur Vibrasi Turbin ... 57
Gambar 4.2 Time Domain Titik 1 ... 59
Gambar 4.3 Time Domain Titik 2 ... 59
Gambar 4.4 Frequency Domain Horizontal Titik 1 dan 2 ... 61
Gambar 4.5 Frequency Domain Horizontal Titik 1 dan 2 Bagian Pertama ... 61
Gambar 4.6 Frequency Domain Horizontal Titik 1 dan 2 Bagian Kedua ... 62
Gambar 4.7 Frequency Domain Horizontal Titik 1 dan 2 Bagian Ketiga ... 62
Gambar 4.8 Frequency Domain Vertikal Titik 1 dan 2 ... 64
Gambar 4.9 Frequency Domain Vertikal Titik 1 dan 2 Bagian Pertama ... 64
Gambar 4.10 Frequency Domain Vertikal Titik 1 dan 2 Bagian Kedua... 65
Gambar 4.11 Frequency Domain Vertikal Titik 1 dan 2 Bagian Ketiga ... 65
Gambar 4.12 Frequency Domain Aksial Titik 1 dan 2 ... 67
Gambar 4.13 Frequency Domain Aksial Titik 1 dan 2 Bagian Pertama... 67
Gambar 4.14 Frequency Domain Aksial Titik 1 dan 2 Bagian Kedua ... 68
Gambar 4.15 Grafik Fungsi Compliance ... 70
Gambar 4.16 Grafik Fungsi Mobility Ketiga ... 71
Gambar 4.17 Grafik Fungsi Inertance... 72
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Semakin bertambahnya jumlah penduduk berarti semakin bertambah pula kebutuhan akan energi listrik. Salah satu solusi untuk memecahkannya yaitu dengan membangun pembangkit listrik tenaga uap sebagai penyedia energi listrik.
Penelitian ini dilakukan untuk menganalisa hasil dari data maintenance pada turbin gas, kompresor dan ruang bakar.
Pemeliharaan berperan penting dalam kegiatan produksi dari suatu perusahaan yang menyangkut kelancaran atau kemacetan produksi, volume produksi, serta agar produk dapat diproduksi dan diterima konsumen tepat pada waktunya (tidak terlambat) dan menjaga agar tidak terdapat sumber daya kerja yang menganggur karena kerusakan downtime pada mesin sewaktu proses produksi sehingga dapat meminimalkan biaya kehilangan produksi atau bila mungkin biaya tersebut dapat dihilangkan.
Dengan demikian, pemeliharaan memiliki fungsi yang sama pentingnya dengan fungsi-fungsi lain dari suatu perusahaan. Karena pentingnya aktivitas pemeliharaan maka diperlukan perencanaan yang matang untuk menjalankannya, sehingga terhentinya proses produksi akibat rusak dapat dikurangi seminimum mungkin.
Pemeliharaan yang baik akan mengakibatkan kinerja perusahaan meningkat, kebutuhan konsumen dapat terpengaruhi tepat waktu, serta nilai investasi yang dialokasikan untuk peralatan dan mesin dapat diminimalkan. Selain itu pemeliharaan yang baik juga dapat meningkatkan kualitas produk yang dihasilkan dan mengurangi waste yang berarti mengurangi ongkos produksi.
Maintenance pada turbine gas selalu tergantung dari faktor-faktor operasional dengan kondisi yang berbeda disetiap wilayah, karena operasional turbin gas sangat tergantung dari kondisi daerah operasional. Semua pabrik
pembuat turbin gas telah menetapkan suatu ketetapan yang aman dalam pengoperasian sehingga turbin selalu dalam batas kondisi aman dan tepat waktu untuk melakukan maintenance.
Dalam penelitian ini akan dibahas mengenai hollow shaft yang terdapat pada turbin gas.
1.2 Tujuan Penelitian
1. Menganalisa data vibrasi menggunakan Fast Fourier Transform untuk mendapatkan time domain dan frekuensi domain.
2. Mengidentifikasi symptom yang terjadi pada poros utama turbin gas.
3. Mengetahui compliance, mobility serta innertans dari poros utama bagian turbin gas.
1.3 Batasan Masalah
Agar pembahsan penelitian ini terarah, maka batasan masalah dari penelitian ini adalah :
1. Meninterpretasikan data vibrasi ke dalam bentuk time domain dan frekuensi domain dengan menggunakan software Microsoft Excel
2. Melihat adanya gejala awal masalah pada main shaft titik turbin gas dengan arah pengukuran horizontal, vertikal, dan aksial
3. Nilai dari innertance dari main shaft titik turbin gas 1.4 Manfaat Penelitian
Adapun manfaat dari penelitian ini adalah :
1. Dari sisi akademis, untuk memberikan sumbangan data yang diperlukan untuk penelitian selanjutnya
2. Untuk mengetahui apakah adanya masalah pada main shaft dan apa gejala atau masalah yang ada
3. Dapat mengetahui innertance dari main shaft 1.5 Sistematika Penulisan
Agar penyusunan skripsi ini sistematis dan terstruktur, maka skripsi ini terbagi menjadi beberapa bagian. Bagian pertama yaitu pendahuluan yang berisikan
dasar dan alasan pentingnya permasalahan ini untuk dikaji agar dapat menjawab permasalahan yang ada, tujuan yang akan diperoleh, batasan masalah yang ada, manfaat dari penelitian dan juga sistematika penulisan skripsi ini. Kemudian dilanjutkan ke bagian kedua yaitu tinjauan pustaka yang berisikan teori-teori dan referensi dari penulis seebelumnya yang digunakan untuk menyelesaikan skripsi ini. Bagian ketiga yaitu metodologi penelitian yang berisikan urutan dan metode, serta alat dan bahan yang digunakan guna menyelesaikan penelitian ini agar sistematis. Lalu dilanjutkan ke bagian keempat yaitu hasil dan pembahasan dimana berisikan hasil dari analisa data beserta pembahasan lebih lanjut mengenai data yang telah dianalisa. Kemudian bagian kelima berisikan kesimpulan dari penelitian ini dan juga saran yang mendukung untuk penelitian selanjutnya. Bagian terakhir yaitu daftar pustaka.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Turbin Gas
Turbin gas itu adalah sebuah mesin berputar yang mengambil energi dari arus gas pembakaran. Dia memiliki kompresor naik ke-atas dipasangkan dengan turbin turun ke-bawah, dan sebuah bilik pembakaran di-tengahnya.
Energi ditambahkan di arus gas di pembakar, di mana udara dicampur dengan bahan bakar dan dinyalakan. Pembakaran meningkatkan suhu, kecepatan dan volume dari aliran gas. Kemudian diarahkan melalui sebuah penyebar nozzle melalui baling-baling turbin, memutar turbin dan mentenagai kompresor.
Energi diambil dari bentuk tenaga shaft, udara terkompresi dan dorongan, dalam segala kombinasi, dan digunakan untuk mentenagai pesawat terbang, kereta, kapal, generator, dan bahkan tank. [1]
2.2 Konstruksi Turbin Gas
Sistem turbin gas yang dipergunakan pada sebuah pembangkit listrik sebenarnya memiliki tiga komponen yang paling utama. Komponen tersebut adalah kompresor, ruang bakar atau combustion chamber, dan turbin. Namun tentu saja terdapat berbagai komponen pendukung yang juga cukup penting keberadaannya.
Berikut akan kita bahas secara lebih mendalam komponen-komponen sistem turbin gas tersebut :
Gambar 2.1 Konstruksi Turbin Uap [2]
1. Filter Inlet
Fluida kerja turbin gas adalah udara atmosfer. Debit aliran udara yang dibutuhkan oleh mesin ini sangat besar. Sehingga udara yang masuk ke dalam sistem turbin gas harus sangat bersih. Partikel-partikel pengotor seperti debu dan pasir tidak boleh ikut terbawa masuk, karena tentu saja partikel-partikel tersebut dapat mengikis sudu-sudu kompresor dan turbin.
Gambar 2.2 Filter Inlet [2]
Setiap sistem turbin gas selalu dilengkapi dengan filter inlet udara. Filter ini berfungsi untuk mencegah partikel-partikel pengotor masuk ke dalam sistem turbin gas. Hal tersebut dikarenakan adanya berbagai macam resiko yang mungkin terjadi jika partikel-partikel tersebut masuk ke dalam sistem turbin gas. Berikut adalah resiko-resiko tersebut:
a. Kerusakan parah akibat masuknya benda-benda asing seperti batu, kerikil, kayu, dan lain sebagainya.
b. Pasir dan debu dapat mengerosi atau mengikis komponen-komponen turbin gas secara perlahan.
c. Partikel-partikel halus juga dapat membentuk kerak di area sudu-sudu jika berkombinasi dengan air, uap minyak, dan garam-garaman.
d. Jika partikel pengotor mencapai temperatur leburnya pada sisi keluaran combustion chamber, sangat mungkin ia akan bereaksi fusi dengan permukaan sudu turbin sehingga dapat mengubah struktur kimia dan sifat-sifat fisiknya.
e. Kerusakan terakhir yang mungkin terjadi adalah korosi pada sudu-sudu kompresor dan turbin akibat masuknya zat-zat asing seperti garam-garaman, asam-asaman, uap, atau juga gas-gas aktif seperti klorin, oksida, dan sulfit.
Penentuan jenis filter turbin gas sangat bergantung pada kondisi lingkungan sekitar. Turbin gas yang dibangun di area gurun pasir tentu menggunakan tipe filter yang berbeda dengan jika dibangun di area sekitar hutan. Pemilihan filter yang tepat sangat berpengaruh terhadap performa dan usia kerja turbin gas, dan juga dapat mengurangi kebutuhan perawatan rutin turbin gas tersebut. [2]
2. Kompresor
Berdasarkan Siklus Brayton, kompresor pada sistem turbin gas berfungsi untuk memampatkan udara sehingga ekspansi udara pada saat keluar dari combustion chamber, terjadi secara maksimal. Udara atmosfer masuk ke sisi inlet kompresor setelah melewati filter udara. Pada sisi outlet kompresor, udara telah berada pada rasio tekanan tertentu dan siap untuk masuk ke ruang bakar.
Gambar 2.3 Kompressor [2]
Kompresor sentrifugal dan axial menjadi dua tipe kompresor yang diaplikasikan pada sistem turbin gas. Kompresor sentrifugal lebih banyak digunakan pada sistem turbin gas yang berukuran kecil seperti mesin turbojet, karena kemampuannya yang hanya mampu menghasilkan rasio kompresi hingga 3,5:1. Sedangkan kompresor axial lebih banyak digunakan pada turbin gas berukuran besar. Hal tersebut dikarenakan satu stage sudu kompresor aksial memiliki rasio kompresi 1,1:1 hingga 1,4:1. Dan jika menggunakan sistem multistage sudu, rasio kompresi dapat mencapai hingga 40:1. [2]
Satu stage kompresor aksial tersusun atas dua bagian sudu yakni rotor dan stator. Sudu rotor berbentuk aerofoil (semacam sayap pesawat) berfungsi untuk mengakselerasi udara sehingga kecepatannya meningkat. Sedangkan sudu stator berbentuk difuser, yang berfungsi untuk mengkonversi kecepatan udara tersebut menjadi tekanan. Sehingga prinsip kerja kompresor aksial pada turbin gas ini adalah dengan mengakselerasi kecepatan udara, diikuti dengan pengkonversian kecepatan udara tersebut menjadi tekanan oleh difuser. Pada sisi akhir stator terdapat difuser yang berfungsi untuk meningkatkan tekanan udara serta mengontrol kecepatannya sebelum masuk ke area combustion chamber.
3. Combustion Chamber
Udara bertekanan dari kompresor akan masuk menuju ruang bakar yang biasa disebut combustion chamber atau combustor. Di dalam combustor, oksigen dalam udara akan bereaksi dengan bahan bakar sehingga menghasilkan panas.
Panas tersebut diserap oleh komponen udara sisa seperti nitrogen sehingga udara hasil pembakaran mengalami semacam pemuaian secara cepat.
Gambar 2.4 Combustor [2]
4. Turbin Gas
Ada dua tipe turbin gas yang selama sejarah pengembangannya digunakan untuk kebutuhan pembangkit tenaga listrik. Keduanya adalah turbin gas tipe aksial dan sentrifugal. Namun pada prakteknya, turbin gas tipe aksial lebih lazim digunakan karena lebih efisien ketimbang tipe sentrifugal.
Gambar 2.5 Turbin Gas Axial VS Sentrifugal [2]
Selain ada dua tipe di atas, turbin gas juga dapat berupa turbin impuls maupun turbin reaksi. Turbin impuls adalah turbin yang putaran porosnya diakibatkan oleh tumbukan fluida bertekanan ke sudu-sudu rotor. Sedangkan turbin reaksi adalah turbin yang putaran rotornya diakibatkan oleh dorongan fluida kerja
yang menyemprot keluar dari sudu-sudu rotor. Penerapan turbin impuls atau reaksi pada turbin gas, ditunjukan dengan bilangan rasio reaksi.
Ciri-ciri turbin gas tipe impuls adalah posisi nozzle yang terletak pada sisi stator. Sedangkan sudu rotor murni berfungsi menerima tumbukan dari udara panas, dan hanya membelokan arah udara sekitar 90°. Nozzle pada sisi stator berfungsi untuk merubah energi panas pada udara, menjadi kecepatan kinetik. Kecepatan kinetik udara tersebut akan menabrak sudu rotor, dan sudu rotor ini akan merubah kecepatan kinetik udara menjadi kecepatan mekanis. Tampak pada diagram di atas, bahwa peningkatan kecepatan kinetik terjadi pada setiap tingkatan nozzle stator.
Dan penurunan tekanan statik udara hanya terjadi pada setiap tingkatan sudu rotor.
Turbin impuls jika ditunjukan dengan bilangan rasio reaksi, maka turbin impuls adalah turbin reaksi yang memiliki angka rasio reaksi nol (R = 0).
Gambar 2.6 Skema Turbin Gas Tipe Impuls [2]
Turbin reaksi murni memiliki angka rasio reaksi satu (R = 1). Nozzle pada turbin reaksi murni terletak hanya pada sisi rotor. Sehingga perubahan energi panas menjadi energi kinetik, hanya terjadi pada setiap sudu rotor. Sudu stator hanya berfungsi untuk membelokan arah aliran udara panas kembali ke rotor stage selanjutnya. Energi kinetik yang dibangkitkan oleh sudu rotor ini, langsung dikonversikan menjadi energi mekanik putaran rotor oleh sudu rotor tersebut.
Turbin reaksi murni tipe ini sangat tidak praktis, karena kecepatan putaran rotor harus sangat cepat untuk mendapatkan efisiensi yang tinggi.
Turbin gas dengan rasio kompresi 0,5 memiliki efisiensi yang paling baik.
Tidak salah jika turbin jenis ini adalah yang paling banyak diaplikasikan di berbagai kebutuhan termasuk untuk pembangkit tenaga listrik. Pada turbin reaksi ini, sudu rotor dan stator didesain sebagai nozzle. Sehingga perubahan energi panas di dalam udara menjadi energi kinetik, terjadi pada setiap tingkatan sudu. Nampak pada gambar di atas bahwa penurunan tekanan statik juga terjadi pada setiap tingkatan sudu.
Gambar 2.7 Skema Turbin Gas Tipe Reaksi [2]
5. Sistem Bearing dan Lubrikasi
Sama dengan turbin uap, turbin gas menggunakan dua tipe bearing wajib yaitu journal bearing dan thrust bearing. Journal bearing adalah bearing yang berfungsi untuk menahan beban berat dari seluruh komponen turbin gas. Sedangkan thrust bearing bertugas untuk menahan beban aksial yang muncul pada komponen- komponen turbin gas akibat gaya dorong aksial udara panas bertekanan di dalamnya.
Pada sebuah hasil percobaan yang dirilis oleh Fakultas Teknik Mesin Universitas Tokyo, menunjukan bahwa beban aksial dan radial pada saat proses penyalaan awal gas turbin, bernilai sangat fluktuatif. Oleh karena itu, penggunaan thrust dan journal bearing harus didesain dengan tepat. Beberapa parameter yang
mempengaruhi desain bearing antara lain adalah beban total, kecepatan putaran rotor, sistem lubrikasi yang digunakan, susunan shaft, target keawetan, sistem mounting, dan kondisi lingkungan.
Gambar 2.8 Journal Bearing Pada Turbin Gas [2]
6. Sistem Labyrinth Seal
Labyrinth seal pada turbin gas berfungsi untuk mencegah udara bertekanan di dalam sistem gas turbin bocor keluar atmosfer melalui sela-sela antara stator dan rotor. Sistem seal ini menggunakan sebuah komponen berbentuk kelak-kelok untuk memecah tekanan udara tinggi sehingga udara bertekanan tidak sampai bocor keluar sistem. Labyrinth seal sangat efektif digunakan pada turbin gas maupun turbin uap, karena ukuran kedua mesin tersebut yang besar menyebabkan tidak mungkin menggunakan sistem seal konvensional seperti gland packing atau mechanical seal.
Gambar 2.9 Macam-macam Desain Labyrinth Seal Pada Turbin Gas [2]
2.3 Komponen-komponen Utama padaTurbin gas 2.3.1 Kompresor aksial
Yang dimaksud aliran axial adalah bahwa jalan aliran udara arahnya paralel atau memanjang searah dengan shaft dari rotor .Kompresor aksial terdiri dari beberapa tingkat (dapat mencapai 30 tingkat), masing-masing tingkat terdiri dari satu baris sudu gerak pada rotor, dan satu baris sudu tetap pada stator untuk memperoleh efisiensi yang tinggi diperlukan rasio kompresi yang tinggi. Namun, karena dalam satut ingkathanya dapat memberikan kenaikan tekanan yang kecil, maka kenaikan tekanan yang diperoleh dalam satubaris sudu tidak besar. Dengan demikian untuk memperoleh effisiensi yang tinggi diperlukan beberapa tingkat kompresor aksial dalam seri. Komponen utama sebuah kompresor aksial adalah rotor dengan sudu – sudu gerak dan stator dengan sudu – sudu tetap. Penampang suduber bentuk airfoil. Biasanya sudu dipasangkan longgar pada rotor untuk memberi ruang pemuaian saat sudah panas ketika beroperasi. [2]
2.3.2 Ruang bakar
Ruang bakar sangat menentukan mutu gas pembakaran, bukan hanya dari segi energi yang disediakan tetapi juga emisi gas buangnya. Untuk menjamin hal tersebut maka ruang bakar turbin gas harus memenuhi beberapa syarat.
Efisiensi pembakaran yang tinggi, bahan bakar harus terbakar sempurna sehingga semua energi kimia dapat dikonversi menjadi energi panas.
2.3.3 Turbin Aksial
Bagian turbin merubah panas dari pembakaran diruang bakar menjadi tenaga putar mekanis. Sama seperti kompresor, bagian turbin juga terdiri dari beberapa deret sudu-sudu yang berputar dan tidak berputar. Sudu-sudu yang berputar tersebut disebut rotor blade dan sudu-sudu yang tidak berputar pada turbin disebut nozzle. Karena proses aliran gas didalam turbin adalah ekspansi, sudu turbin dapat dibuat dengan sudut belok lebih besar dari pada sudu kompresor. Hal tersebut
memungkinkan konversi energi pertingkat yang lebih besar pula. Maka tidak mengherankan jika satu tingkat turbin dapat menghasilkan daya untuk menggerakkan 12 atau lebih tingkat kompresor dengan effisiensi yang cukup tinggi.
Perlukiranya disebutkan disini bahwa pada unit daya tinggi, turbin dibuat dengan beberapa tingkat karena keterbatasan kemampuan satu tingkat turbin untuk menyerap semua energi gas yang tersedia itu sekaligus secara efisien. [2]
2.4 Komponen Pendukung Turbin gas 2.4.1 Variable Inlet Guide Vane (VIGV)
Terletak pada 1atau 2 tingkat sudu stator pertama kompresor. Berfungsi mengatur aliran massa udara supaya bisa menyesuaikan dengan keadaan pada saat start, akselerasi, dan deselerasi kompresor.
2.4.2 Bleed Valve
Terletak dikompresor dan sebelum diatas rumah ruang pembakardan mempunyai saluran untuk membuang aliran udara kompresor dengan tidak melewati ruang bakar dan bagian turbin. Berfungsi untuk mengurangi tekanan balik atau back pressure pada kompresor dan juga mengurangi beban yang diterima turbin. Sekitar 10-15% dari jumlah aliran udara pada saat itu dibuang.
Gambar 2.10 Bleed Valve [2]
Pada saat pembakaran, temperatur dalam ruang bakar akan meningkat dengan cepat. Kenaikan temperatur ini menyebabkan volume dan kecepatan aliran tersebut bertambah besar, tapi tekanannya tetap. Dari proses pembakaran, gas mengalami proses ekspansi yang kemudian diarahkan oleh nozzle untuk mendorong sudu-sudu rotor turbin sehingga turbin akan berputar. [2]
Turbin pada RRAVON adalah kombinasi dari cara impuls dan reaksi.
Pergerakan pertama dari rotor adalah dengan cara impuls, yaitu gas membentur dan mendorong sudu rotor untuk mulai berputar, tetapi gas yang berekspansi setelah melewati sudu akan bertambah kecepatannya sehingga menghasilkan proses reaction yang menyebabkan perputaran secara terus-menerus. Gas yang berekspansi tersebut kemudian memutar rotor turbin, sehingga energinya berkurang menyebabkan turunnya tekanan dan temperatur gas tersebut setelah berekspansi.
Pada RRAVON, terdapat 3 tingkat sudu pada turbin, dimana terpasang dalam 2 bagian shaft yang berbeda pada RRAVON 2 stage GG dan1 stage power turbin terhubung secara split shaft. Dua tingkat sudu pertama untuk gas producer generator dan satu tingkat terakhir untuk power turbin. Sekitar 2/3 dari jumlah tenaga dihasilkan oleh gas producer rotor. Gas producer generator adalah stage pada turbin yang tenaganya digunakan untuk memutar engine kompresor dan perlengkapannya. Misalnya compressor package, generator, pompa dan lain-lain.
Dan 1/3 jumlah tenaga sisanya pada turbin dihasilkan oleh power turbin rotor yang terletak pada turbin tingkat 3 digunakan untuk menggerakkan peralatan yang diinginkan seperti gas kompresor, dll. Gas sisa ekspansi tersebut dikeluarkan melalui exhaust ke atmosfir.
2.4.3 Difuser
Difuser adalah alat atau saluran yang berfungsi menaikkan tekanan fluida dengan jalan menurunkan kecepatannya. Atau, difuser adalah alat yang mengubah energi kinetik menjadi tekanan. Difuser tidak menghasilkan atau memerlukan kerja mekanik.
Fungsi diffuser disini adalah untuk memperlambat kecepatan udara.
Sehingga udara bercampur dengan bahan bakar dengan sempurna.
2.4.4 Nozzel
Nozzel adalah alat atau saluran yang berfungsi menaikkan kecepatan fluida dengan jalan menurunkan tekanannya. Atau, nozel adalah alat untuk mengekspansikan fluida sehingga kecepatannya bertambah besar. Seperti difuser, nozzel tidak menghasilkan atau memerlukan kerja mekanik ; maka untuk nozzel W=0.
Variabel-variabel Kinerja Turbin Gas
Po : Barometric Pressure, yaitu tekanan udara luar atau tekanan atmosfer diukur sebelum masuk intake.
P1 : GG bellmouth pressure, yaitu tekanan udara pada bellmouth atau tekanan udara yang diukur pada intake kompresor.
ΔPi : Gas generator intake depression, yaitu besarnya penurunan tekanan yang masuk gas generator (turbin stage 1 &2) atau penurunan tekanan setelah keluar ruang bakar.
T1 : Intake temperature, yaitu temperatur udara masuk kompresor.
T2 : Kompressor delivery temperatur, yaitu tempratur udara keluar kompresor, diukur pada kompresor stage ke 17.
T4 : Exhaust gas temperature, yaitu temperature gasyang keluar dari gas generator (turbin stage ke 2) atau temperatur gas sebelum masuk power turbin.
T5 : Exhaust conetemperature, yaitu temperature gas yang keluar dari power turbin (turbin stage ke 3).
CDP : Compressor discharge pressure (P2), yaitu tekanan udara yang keluar dari kompresor atau tekanan udara sebelum masuk ruang bakar (kompresor stage ke 17).
P4 : Exhaust gas generator pressure, yaitu tekanan gas yang keluar dari gas generator (turbin stage ke 2) atau tekanan gas sebelum masuk power turbin.
P5 : Exhaust conepressure, yaitu tekanan gas yang keluar dari power turbin (turbin stage ke 3).
N1 : Compressor speed, yaitu besarnya putaran kompresor.
VIGV : Variable inletguide vane angle,yaitu besarnya sudut bukaan pada kompresor stage ke1,yang berfungsi untuk mengatur besarnya udara yang masuk ke kompresor.
Effisiensi kompresor, yaitu besar keefektifan energi pada kompresor.
Effisiensi Thermal, yaitu besarnya keefektifan energi panas pada suatu ruang bakar turbin gas.
2.5 Prinsip Kerja Sistem Turbin Gas
Udara masuk kedalam kompresor melalui saluran masuk udara. Kompresor berfungsi untuk menghisap dan menaikkan tekanan udara tersebut, sehingga temperatur udara juga meningkat. Kemudian udara bertekanan ini masuk kedalam ruang bakar. Di dalam ruang bakar dilakukan proses pembakaran dengan cara mencampurkan udara bertekanan dan bahan bakar. Proses pembakaran tersebut berlangsung dalam keadaan tekanan konstan sehingga dapat dikatakan ruang bakar hanya untuk menaikkan temperatur. Gas hasil pembakaran tersebut dialirkan ke turbin gas melalui suatu nozel yang berfungsi untuk mengarahkan aliran tersebut ke sudu-sudu turbin. Daya yang dihasilkan oleh turbin gas tersebut digunakan untuk memutar kompresornya sendiri dan memutar beban lainnya seperti generator listrik, dll. Setelah melewati turbin ini gas tersebut akan dibuang keluar melalui saluran buang.
Turbin gas yang dipakai industri dapat dilihat pada gambar 2.11, cara kerjanya sama dengan turbin gas pesawat terbang. Motor starter dinyalakan untuk memutar kompresor, udara segar terhisap masuk dan dimampatkan. Kemudian, udara mampat dengan temperatur dan tekanan yang cukup tinggi (2000C, 6bar) mengalir masuk ruang bakar, bercampur dengan bahan bakar. Campuran udara mampat bahan-bakar kemudian dinyalakan dan terjadi proses pembakaran, temperatur gas pembakaran naik drastis. Gas pembakaran dengan temperatur tinggi (6bar, 7500C) berekspansi pada turbin, sehingga terjadi perubahan energi, dari energi panas menjadi energi putaran poros turbin. Gas pembakaran setelah berekspansi diturbin, lalu keluar sebagai gas bekas. Selanjutnya, turbingas bekerja dengan putaran poros turbin, yaitu sebagai sumber tenaga penggerak kompresor dan generator listrik. [3]
Gambar 2.11 Turbin gas untuk industri (pembangkit listrik) [5]
Persamaan turbin gas dengan motor bakar adalah pada proses pembakarannya yang terjadi di dalam mesin itu sendiri, disamping itu proses kerjanya adalah sama yaitu hisap, kompresi, pembakaran, ekspansi dan buang.
Perbedaannya adalah terlatak pada kontruksinya, motor bakar kebanyakan bekerja gerak bolak balik reciprocating sedangkan turbin gas adalah mesin rotasi, proses kerja motor bakar bertahap intermiten, untuk turbin gas adalah kontinyu dan gas buang pada motor bakar tidak pernah dipakai untuk gaya dorong.
Gambar 2.12 Mesin pembakaran dalam (turbin gas dan motor bakar) [5]
Turbin gas bekerja secara kontinyu tidak betahap, semua proses yaitu hisap kompresi, pembakaran dan buang adalah berlangsung bersamaan. Pada motor bakar yang prosesnya bertahap yaitu yang dinamakan langkah, langkah hisap,kompresi, pembakaran,ekspansidan langkah buang, antara langkah satu dan lainnya saling bergantung dan bekerja bergantian. Pada proses ekspansi turbin gas, terjadi perubahan energi dari energi panas menjadi energi mekanik putaran poros turbin,
sedangkan pada motor bakar pada langkah ekspansi terjadi perubahan dari energi panas menjadi energi mekanik gerak bolak-balik torak. Dengan kondisi tersebut, turbin gas bekerja lebih halus tidak banyak getaran.
Gambar 2.13 Perbandingan turbin gas dan mesin diesel [5]
Turbin gas banyak digunakan untuk mesin propulsi atau jet, mesin automotiv, tenaga pembangkit listrik, atau penggerak peralatan-peralatan industri seperti penggerak kompresor atau pompa. Daya yang dihasil kan turbin gas mulai dari 250000 HP untuk pembangkit listrik sampai 5HP pada turbo charger pada mesin motor.
Keunggulan dari turbin gas adalah mesinnya yang ringan dan ukuran yang kecil bisa menghasilkan daya yang besar. Sebagai contoh pada gambar 20 adalah turbin gas yang biasa dipakai untuk penggerak generator listrik kecil. Generator ini banyak dipakai untuk mengantisipasi beban puncak jaringan, sehingga fungsinya bisa menggantikan kalau terjadi pemadaman listrik. Gedung-gedung perkantoran, rumah sakit, universitas, perusahaan dan lainnya, banyak yang menggunakan generator jenis ini. Dibandingkan dengan penggunaan generator penggerak diesel, dengan penggerak turbin gas ukurannya menjadi lebih kecil, sehingga bisa
menghemat tempat dan mudah dipindahkan. Pesawat terbang memerlukan mesin dengan persyaratan yang spesifik yaitu mesin dengan daya besar untuk daya dorong, tetapi ringan juga dari segi ukuran harus kecil. Dengan alasan tersebut, penggunaan turbin gas pada pesawat terbang menjadi pilihan yang tepat, dan tidak bisa digantikan jenis mesin lain. Pada industri dan pembangkitan listrik turbin gas sangat menguntungkan karena mesin mudah diinstal, operasinya tidak ruwet, dan tidak memerlukan ruangan yang besar.
Proses pembakaran dari turbin gas adalah mirip dengan pembakaran mesin diesel, yaitu proses pembakarannya pada tekanan konstan. Prosesnya adalah sebagai berikut, udara mampat dari kompresor masuk ruang bakar, udara terbagi menjadi dua, yaitu udara primer yang masuk saluran primer, berada satu tempat dengan nosel, dan udara mampat sekunder yang lewat selubung luar ruang bakar.
Udara primer masuk ruang bakar melewati swirler, sehingga alirannya berputar.
Bahan bakar kemudian disemprotkan dari nosel ke zona primer, setelah keduanya bertemu, terjadi pencampuran. Aliran udara primer yang berputar akan membantu proses pencampuran, hal ini menyebabkan campuran lebih homogen, pembakaran lebih sempurna.
Udara sekunder yang masuk melalui lubang-lubang pada selubung luar ruang bakar akan membantu proses pembakaran pada zona sekunder. Jadi, zona sekunder akan menyempurnakan pembakaran dari zona primer. Disamping untuk membantu proses pembakaran pada zona sekunder, udara sekunder juga membantu pendinginan ruang bakar. Ruang bakar harus didinginkan, karena dari proses pembakaran dihasilkan temperatur yang tinggi yang merusak material ruang bakar.
Maka, dengan cara pendinginan udara sekunder, temperatur ruang bakar menjadi terkontrol dan tidak melebihi dari yang diijinkan. [5]
Fungsi udara pada sekunder pada zona itu adalah mendinginkan gas pembakaran yang bertemperatur tinggi menjadi temperatur yang aman apabila mengenai sudu-sudu turbin ketika gas pembakaran berekspansi. Disamping itu, udara sekunder juga akan menambah massa dari gas pembakaran sebelum masuk turbin, dengan massa yang lebih besar energi potensial gas pembakaran juga
bertambah. Apabila Wkinetik adalah energi kinetik gas pembakaran dengan kecepatan V, massa sebelum ditambah udara sekunder adalah m1 maka energi kinetiknya adalah sebagai berikut:
Wkinetik,1= m1.V² ………(1) Dengan penambahan massa dari udara sekunder m2, maka energi kinetik menjadi :
Wkinetik,1= (m1+m2).V²………..(2) Jadi dapat dilihat Wkinetik,2 (dengan udara sekunder) lebih besar dari Wkinetik,1 (tanpa udara sekunder).
Dari uraian diatas, terlihat proses pembakaran pada turbin gas memerlukan udara yang berlebih, biasanya sampai 30% dari kondisi normal untuk proses pembakaran dengan jumlah bahan bakar tertentu. Kondisi ini akan berkebalikan, apabila udara pembakaran terlalu berlimpah (lebih 30%), udara justru akan mendinginkan proses pembakaran dan mati, karena panas banyak terbuang keluar melalui gas bekas yang bercampur udara dingin sekunder. Dengan pemikiran yang sama, apabila udara jumlah udara kurang dari normal, yaitu terjadi over heating, material ruang bakar dan sudu-sudu turbin bekerja melampaui kekuatannya dan ruang bakar bisa pecah, hal ini berarti turbin gas berhenti bekerja atau proses pembakaran terhenti.
Secara umum proses yang terjadi pada suatu sistem turbin gas adalah sebagai berikut:
Pemampatan (compression) udara di hisap dan dimampatkan
Pembakaran (combustion) bahan bakar dicampurkan ke dalam ruang bakar dengan udara kemudian di bakar.
Pemuaian (expansion) gas hasil pembakaran memuai dan mengalir ke luar melalui nozel (nozzle).
Pembuangan gas (exhaust) gas hasil pembakaran dikeluarkan lewat saluran pembuangan.
Pada kenyataannya, tidak ada proses yang selalu ideal, tetap terjadi kerugian kerugian yang dapat menyebabkan turunnya daya yang dihasilkan oleh turbin gas dan berakibat pada menurunnya performa turbin gas itu sendiri. Kerugian-kerugian tersebut dapat terjadi pada ketiga komponen sistem turbin gas. Sebab-sebab terjadinya kerugian antara lain [5]:
Adanya gesekan fluida yang menyebabkan terjadinya kerugian tekanan (pressure losses) di ruang bakar.
Adanya kerja yang berlebih waktu proses kompresi yang menyebabkan terjadinya gesekan antara bantalan turbin dengan angin.
Berubahnya nilai Cp dari fluida kerja akibat terjadinya perubahan temperatur dan perubahan komposisi kimia dari fluida kerja.
Adanya mechanical loss, dsb.
2.6 Teori Time Domain dan Frekuensi Domain
Time domain mengacu pada analisis fungsi matematika, sinyal fisik atau deret data (dalam hal ini vibrasi) , sehubungan dengan waktu. Dalam domain waktu, nilai sinyal atau fungsi diketahui untuk semua bilangan real, untuk kasus waktu kontinu, atau pada berbagai contoh terpisah dalam kasus waktu diskrit . Osiloskop adalah alat yang biasa digunakan untuk memvisualisasikan sinyal dunia nyata dalam domain waktu.
Gambar 2.14 Osiloskop [6]
Dalam elektronik, sistem kontrol, dan statistik, domain frekuensi mengacu pada analisis fungsi atau sinyal matematika sehubungan dengan frekuensi, bukan waktu. Sederhananya, grafik domain-waktu menunjukkan bagaimana suatu sinyal berubah dari waktu ke waktu, sedangkan grafik domain frekuensi menunjukkan seberapa banyak sinyal terletak di dalam setiap pita frekuensi yang diberikan pada rentang frekuensi. Representasi frekuensi-domain juga dapat mencakup informasi tentang pergeseran fase yang harus diterapkan pada masing-masing sinusoida agar dapat menggabungkan kembali komponen frekuensi terhadap domain waktu.
Fungsi atau sinyal yang diberikan dapat dikonversi antara waktu dan domain frekuensi dengan sepasang operator matematika yang disebut transformasi, contohnya adalah transformasi Fourier , yang mengubah fungsi waktu menjadi jumlah atau integral dari gelombang sinus frekuensi yang berbeda, masing-masing mewakili komponen frekuensi. Spektrum komponen frekuensi adalah representasi domain frekuensi dari sinyal. Transformasi Fourier terbalik mengubah fungsi domain-frekuensi kembali ke fungsi waktu. Sedangkan penganalisaan spektrum dapat dibuktikan dengan teori-teori tentang sepktrum yang ada. [6]
Salah satu alasan utama untuk menggunakan representasi domain frekuensi dari suatu masalah adalah untuk menyederhanakan analisis matematika. Untuk sistem matematika yang diatur oleh persamaan diferensial linier, ini merupakan metode yang sangat penting dengan banyak aplikasi dunia nyata, seperti mengubah deskripsi sistem dari domain waktu ke domain frekuensi ,mengubah persamaan diferensial menjadi persamaan aljabar, yang jauh lebih mudah untuk diselesaikan.
Gambar 2.15 Time Domain dan Frequency Domain [7]
Dalam menggunakan Transformasi Laplace, Z-, atau Fourier, sinyal digambarkan oleh fungsi frekuensi yang kompleks : komponen sinyal pada frekuensi tertentu diberikan oleh bilangan kompleks . Modulus bilangan adalah amplitudo komponen itu, dan argumennya adalah fase relatif dari gelombang.
Misalnya, dengan menggunakan transformasi Fourier, gelombang suara , seperti ucapan manusia, dapat dipecah menjadi nada komponen dari frekuensi yang berbeda, masing-masing diwakili oleh gelombang sinus dari amplitudo dan fase yang berbeda. Respons suatu sistem, sebagai fungsi frekuensi, juga dapat digambarkan dengan fungsi yang kompleks. [6]
Meskipun domain frekuensi dibicarakan dalam bentuk tunggal, ada sejumlah transformasi matematis berbeda yang digunakan untuk menganalisis fungsi domain waktu dan disebut sebagai metode "domain frekuensi". Berikut adalah transformasi yang paling umum yang digunakan, dan di sinyal jenis apa mereka digunakan:
a. Seri Fourier - sinyal berulang, sistem berosilasi . b. Transformasi Fourier - sinyal tidak berulang, transien.
c. Transformasi Laplace - sirkuit elektronik dan sistem kontrol . d. Transformasi Z - sinyal waktu diskrit, pemrosesan sinyal digital . e. Transformasi wavelet - analisis gambar, kompresi data .
Secara umum, dapat dikatakan domain dapat ditransformasi dengan transformasi apa pun. Transformasi di atas dapat diartikan sebagai menangkap beberapa bentuk frekuensi, dan karenanya domain transformasi disebut sebagai domain frekuensi.
Gagasan Fourier adalah memodelkan sumber panas ini sebagai superposisi (atau kombinasi linear) gelombang sinus dan kosinus sederhana, dan menuliskan pemecahannya sebagai superposisi solusi eigen terkait. Superposisi kombinasi linear ini disebut sebagai deret Fourier. Sedangkan Transformasi Fourier merupakan transformasi integral yang menyatakan kembali sebuah fungsi dalam fungsi sinusoidal, yaitu sebuah fungsi sinusoidal penjumlahan atau integral dikalikan oleh beberapa koefisien (amplitudo).
Aplikasi dari deret fourier sangat beragam diberbagai bidang yaitu matmatika, fisika, analisis vibrasi, optik, teknik elektro, akustik, pengolahan citra dll.salah satu aplikasi dari deret fourier yaitu untuk mengubah sinyal dari domain waktu ke frekuensi atau sebaliknya. Maksudnya diubah ke domain frekuensi adalah jadi kita bisa melihat suatu sinyal itu memiliki frekuensi berapa hertz.
Sinyal dikonversi dari atau ruang domain waktu ke domain frekuensi biasanya melalui Transformasi Forier. Disini Transformasi Fourier akan mengubah sinyal informasi ke komponen magnitudo serta fase frekuensi masing-masing.
Sering dijumpai transformasi Fourier dikonversi ke spektrum daya, yang besarnya masing-masing komponen frekuensi kuadrat. Hal yang paling sering dijumpai adalah analisis sinyal dalam domain frekuensi adalah analisis sifat sinyal. Spektrum untuk menentukan frekuensi yang hadir dalam sinyal input dan yang hilang. Selain informasi frekuensi, tahap informasi sering dibutuhkan. Ini dapat diperoleh dari transformasi Fourier. [7]
2.7 Teori Compliance, Mobility dan Intertance
Compliance merupakan ukuran berapa banyak struktur bergerak (perpindahan, x) untuk satuan input gaya (f). Seperti yang ditunjukkan pada gambar.
Gambar 2.16 Compliance. [9]
Untuk sistem SDOF dan sistem dengan mode yang teredam ringan, berjarak dengan baik, asimtot yang mendahului dan menggantikan frekuensi alami kembali signifikan. Garis sebelum frekuensi alami dikenal sebagai "garis kekakuan". Ketika ditampilkan dalam istilah compliance, garis kekakuan kira-kira rata dan sama dengan nilai kekakuan terbalik dari sistem. [9]
Kekakuan, atau ketahanan terhadap deformasi dari gaya input, sangat penting dalam dinamika struktural dan topik terkait kebisingan dan getaran. Getaran dapat dianggap sebagai rasio gaya yang bekerja pada struktur dengan kekakuannya.
Gambar 2.17 Dinamik stiffness [9]
Intertance atau yang sering disebut dengan innertance merupakan perbandingan antara percepatan dan gaya.
Grafik umum Intertance dapat dilihat pada table di bawah ini :
Gambar 2.18 Grafik Percepatan terhadap Gaya pada system peredam massa [9]
Mobility adalah salah satu parameter dari fungsi Frequency Response Function (FRF). Grafik umum. Asimptot yang mendahului frekuensi alami meningkat secara linear seiring dengan frekuensi dan berbanding terbalik dengan nilai kekakuan. Kemiringan dari asymptote yang menggantikan frekuensi alami berkurang dengan frekuensi dan berbanding terbalik dengan massa. Mobility dapat dilihat pada gambar di bawah ini. [9]
Gambar 2.19 Grafik Kecepatan terhadap Gaya pada Sistem Pegas Peredam Massa [9]
2.8 Teori Vibrasi Turbin
Definisi Vibrasi & Proteksi System Komponen Vibrasi & Proteksi System Cara Kerja Vibrasi & Proteksi System Pengertian Vibrasi Getaran mesin (Mechanical Vibration) diartikan sebagai gerakan bolak-balik dari komponen mekanik dari suatu mesin sebagai reaksi dari adanya gaya dalam (gaya yang dihasilkan oleh mesin tersebut) maupun gaya luar (gaya yang berasal dari luar atau sekitar mesin). Kasus yang dominan dalam getaran permesinan adalah yang disebabkan oleh gaya eksitasi getaran yang berasal dari mesin tersebut.
Proteksi System pada vibrasi Adalah suatu system yang berfungsi untuk melindungi engine dari kerusakan fatal dikarenakan terindikasi kerusakan pada komponen yang mengakibatkan terjadinya vibrasi yang tinggi. Sensor pada turbin berjenis Accelerometer XE6876 A LP_CRF : Sensor Vibrasi pada low pressure compressore sisi belakang. XE6877 A LP_TRF : Sensor Vibrasi pada low pressure turbin sisi belakang. XE6876 B HP_CRF : Sensor Vibrasi pada high pressure compressore sisi belakang XE6877 B HP_TRF : Sensor Vibrasi pada high pressure turbin sisi belakang. XE6876 CRF : Sensor Vibrasi pada compressore sisi belakang ( ). XE6877 TRF : Sensor Vibrasi pada turbin sisi belakang (melingkar). Sensor pada Gear box berjenis Accelerometer XE6897 Blind End : Sensor vibrasi pada
gearbox yang tidak terhubung dengan generator & turbin XE6898 Ext End : Sensor vibrasi pada gearbox yang terhubung dengan generator & turbin. Sensor pada generator berjenis Proximiter XE6807 DE_X : Sensor vibrasi pada generator sisi kanan belakang (yang terhubung dengan Gearbox). XE6808 DE_Y : Sensor vibrasi pada generator sisi kiri belakang (yang terhubung dengan Gearbox). XE6809 NDE_X : Sensor vibrasi pada generator sisi kanan depan (Exiter). XE6810 NDE_Y : Sensor vibrasi pada generator sisi kiri depan (Exiter). Sensor Accelerometer pada sisi turbin terpasang pada sisi belakang LPC,sisi belakang HPC,sisi belakang HPT dan LPT Berfungsi untuk mengukur jumlah percapatan & kecepatan getaran dalam satu waktu disisi turbin Dimana speed yang terbaca oleh sensor vibrasi jenis Accelerometer di konversikan dari kecepatan getaran menjadi displacmen (jarak gataran) dan kemudian dikonversikan kembali menjadi signal electrik ,signal tersebut diterima oleh alat yang bernama Bently Nevada 3500 dan kemudian diolah untuk ditampilkan pada HMI Screen ( satuannya inchi/ second ) Sensor Wide band Terletak pada sisi luar dari pada turbin,terpasang pada sisi turbin bagian bawah yang berfungsi untuk mengukur getaran dari sisi luar pada turbin Untuk satuan pengukurannya adalah inchi/second Sensor Accelerometer pada Gearbox berjenis Accelerometer terpasang pada sisi depan yang berhubungan dengan generator dan sisi belakang yang berhubungan dengan turbin Berfungsi untuk mengukur jumlah percapatan & kecepatan getaran dalam satu waktu pada gearbox Dimana sensor vibrasi jenis Accelerometer pembacaan satuannya adalah inchi/ second (in/s) Sensor Proximitors pada generator Berfungsi untuk mengukur jumlah gerakan dari pada massa suatu benda, dimana hal ini menunjukkan sejauh mana benda bergerak maju mundur (bolak-balik) pada saat mengalami vibrasi, pada generator biasanya untuk mengukur jarak antara shaft generator dengan housing bearing ), satuannya adalah mills Terdapat 4 sensor vibrasi pada sisi generator,yaitu 2 disisi depan (kanan dan kiri) & 2 disisi belakang (sisi kanan dan kiri) Bently Nevada 3500 Berfungsi untuk memberikan perlindungan terhadap engine dengan cara memonitor secara continue/terus-menerus dengan membandingkan parameter terhadap nilai pengaturan alarm. Memberikan Informasi penting apabila terjadi satu kondisi critical pada mesin dalam hal vibrasi ( alarm). Terdapat komponen didalam Bently Nevada 3500 yang berfungsi menyaring/memfilter signal dari masing-masing
sensor dan mengolah signal tersebut menjadi data yang ditampilkan pada monitor HMI. [10]
Cara Kerja Sistem Vibrasi Sensor vibrasi dari generator, gearbox dan turbin masing-masing mengeluarkan/membangkitkan signal electrik,masing-masing signal diterima oleh suatu alat yaitu Bently Nevada 3500 yang terpasang pada turbin control panel (TCP). Terdapat beberapa komponen pada Bently Nevada 3500 yang akan memfilter/menyaring signal yang telah diterima dan mengolah signal tersebut menjadi data, kemudian data tersebut ditampilkan pada screen HMI sesuai dengan jenis sensornya. Satuan pembacaan pada screen HMI untuk sensor jenis accelerometer adalah inchi/second (in/s),sedangkan untuk sensor jenis proximiter satuannya adalah Mils Bently Nevada 3500 menggunakan supply power 24 VDC, terdapat dua power supply yaitu supply power utama dan supply power cadangan/back up, Apabila supply power utama bermasalah maka supply power cadangan/back up akan menyadiakan power untuk kerja dari Bently Nevada 3500 tanpa menggangu system yang sedang bekerja Prinsip kerja sensor Accelerometer Sensor tipe accelerometer terdapat sebuah penguat didalamnya. Apabila tranduser ini ditempelkan pada bagian mesin yang bergetar, maka getaran mekanis tersebut diteruskan melalui Case insulator ke bahan piezoeletric, sehingga bahan tersebut mengalami tekanan sebanding dengan getarannya Bahan piezoelectric tersebut mempunyai kemampuan untuk menimbulkan muatan listrik sebagai respon terhadap gaya mekanis yang bekerja terhadapnya. Getaran mekanis yang menghasilkan gaya akan mengenai bahan piezoeletric dan bahan tersebut akan menimbulkan muatan listrik yang sebanding dengan besarnya percepatan dari getaran tersebut.
Muatan listrik yang ditimbulkan oleh bahan piezoelectric tersebut sangat kecil. Kemudian muatan listrik tersebut di kirim ke Bentlly Nevada 3500 dan di olah menjadi data untuk ditampilkan pada screen HMI Prinsip Kerja Sensor proximitor Pada mesin berputar, sensor proximiter digunakan untuk mengukur getaran poros tanpa menyentuh poros tersebut. Sinyal dikirimkan pada koil. Suatu permukaan logam (dalam hal ini poros) yang dekat dengan koil akan menyerap energi dari medan magnet tersebut dan akan mengurangi amplitude sinyal. Apabila jarak antara poros dengan ujung koil berubah-ubah, maka amplitude sinyal juga
akan berubah-ubah sebanding dengan jarak antara poros dengan koil tersebut.
sensor proximiter dipasang pada suatu mesin dengan jarak tertentu, jarak antara ujung sensor dengan poros dari mesin disebut gap. Out put Sinyal tersebut kemudian di kirim mennuju Bentyl Nevada 3500 dan kemudian diproses untuk dijadikan data. [10]
2.9 Fast Fourier Transform (FFT)
Fast Fourier Transform (FFT) yang ditemukan tahun 1965 merupakan pengembangan dari Fourier Transform (FT).Penemu FT adalah J. Fourier pada tahun 1822.FT membagi sebuah sinyal menjadi frekuensi yang berbeda-beda dalam fungsi eksponensial yang kompleks. Definisi Fast Fourier Transform (FFT) adalah metode yang sangat efisien untuk menghitung koefisien dari Fourier diskrit ke suatu finite sekuen dari data yang komplek. Karena substansi waktu yang tersimpan lebih dari pada metoda konvensional, fast fourier transform merupakan aplikasi temuan yang penting didalam sejumlah bidang yang berbeda seperti analisis spectrum, speech and optical signal processing, design filter digital.
Algoritma FFT berdasarkan atas prinsip pokok dekomposisi perhitungan discrete fourier transform dari suatu sekuen sepanjang N kedalam transformasi diskrit Fourier secara berturut-turut lebih kecil. Cara prinsip ini diterapkan memimpin ke arah suatu variasi dari algortima yang berbeda, di mana semuanya memperbandingkan peningkatan kecepatan perhitungan. Fast Fourier Transform, adalah suatu algoritma untuk menghitung transformasi fourier diskrit dengan cepat dan efisien. Karena banyak sinyal-sinyal dalam sistem komunikasi yang bersifat kontinyu, sehingga untuk kasus sinyal kontinyu kita gunakan transformasi fourier.
[8]
Transformasi Fourier didefinisikan oleh rumus:
... ... ….(3) Dimana S(f) adalah sinyal dalam domain frekuensi (frequency domain), s(t) adalah sinyal dalam domain waktu (time domain), dan adalah konstanta dari nilai sebuah sinyal, f adalah frekuensi dan t adalah waktu. FFT (Fast Fourier Transform) merupakan salah satu metode untuk transformasi sinyal suara dalam domain waktu menjadi sinyal dalam domain frekuensi, artinya proses perekaman suara disimpan
dalam bentuk digital berupa gelombang spectrum suara yang berbasis frekuensi sehingga lebih mudah dalam menganalisa spectrum frekuensi suara yang telah direkam. [8]
Fourier Analisis adalah proses matematika yang digunakan untuk memecahkan masalah bentuk gelombang kompleks dengan menguraikan gelombang itu menjadi komponen sinusoidanya melalui proses transformasi gelombang fungsi waktu menjadi fungsi frekuensi. Metode yang banyak digunakan untuk proses transformasi ini adalah Fast Fourier Transform (FFT)
Manfaat FFT antara lain untuk mengetahui frekuensi dominan dan harmoniknya dari data runtun waktu. Awalnya analisis ini digunakan terbatas pada pengolahan isyarat suara dan gambar. Belakangan analisis ini juga digunakan pada proses Data Mining (proses ekstraksi data menjadi informasi) seperti analisis pergerakan saham, penjualan, cuaca, proses produksi, vibrasi dan sebagaimya.
Analisis FFT ini terdapat di dalam software-software pengolah data seperti SAS, StatSoft, Minitab dan juga di Ms Excel.
Spektrum getaran FFT merupakan metode yang sangat berguna untuk analisis getaran mesin.Jika ada masalah mesin, spektrum FFT memberikan informasi untuk membantu menentukan sumber dan penyebab masalah dan, dengan tren, berapa lama hingga masalahnya menjadi kritis.
Spektrum FFT memungkinkan untuk menganalisis amplitudo getaran pada berbagai frekuensi komponen pada spektrum FFT. Dengan cara ini, dapat mengidentifikasi dan melacak getaran yang terjadi pada frekuensi tertentu. Karena masalah mesin tertentu menghasilkan getaran pada frekuensi tertentu, maka informasi ini dapat digunakan untuk mendiagnosis penyebab getaran berlebihan yang ada.
Gambar 2.20 Spektrum FFT [11]
Ada beberapa langkah yang harus diikuti sebagai pedoman untuk membantu mencapai pemantauan getaran yang sukses. Berikut ini adalah langkah-langkah secara umum [11]:
a. Kumpulkan informasi yang berguna - Lihat, dengarkan dan rasakan mesin untuk memeriksa resonansi. Identifikasi pengukuran apa yang diperlukan (poin dan 1jenis titik). Lakukan pengujian tambahan jika data lebih lanjut diperlukan.
b. Menganalisis data spektral - Mengevaluasi nilai keseluruhan dan frekuensi spesifik yang sesuai dengan anomali mesin. Bandingkan nilai keseluruhan dalam arah yang berbeda dan pengukuran saat ini dengan data historis.
c. Pemantauan multi-parameter - Gunakan teknik tambahan untuk menyimpulkan jenis kesalahan. (Alat analisis seperti pengukuran fase, arus analisis, selubung akselerasi, analisis oli, dan termografi dapat digunakan.) d. Lakukan Root Cause Analysis (RCA) - Untuk mengidentifikasi penyebab
sebenarnya dari masalah dan mencegahnya terjadi lagi.
Saat melakukan program getaran, informasi pendahuluan tertentu diperlukan untuk melakukan analisis.Identifikasi komponen, kecepatan lari, lingkungan operasi dan jenis pengukuran harus ditentukan pada awalnya untuk menilai sistem overalls.
Sebelum spektrum dapat dianalisis, komponen yang menyebabkan getaran di dalam mesin harus diidentifikasi. Misalnya, Anda seharusnya akrab dengan komponen-komponen kunci ini:
a. Jika mesin terhubung ke kipas atau pompa, penting untuk mengetahui jumlah bilah kipas atau impeler
b. Jika ada bantalan, ketahui nomor identifikasi bantalan atau penandaannya c. Jika mesin berisi, atau digabungkan, ke gearbox, ketahui jumlah gigi dan
kecepatan poros
d. Jika mesin digerakkan dengan sabuk, ketahuilah panjang sabuk.
2.10 Identifikasi Masalah dengan Spektrum FFT
Dari pola grafik Fast Fourier Transform, dapat diidentifikas adanya masalah atau problem yang terjadi pada suatu komponen mesin.Spektrum FFT dapat dianalisa dengan mengetahui pola pada masing-masing symtom yang ada.
2.10.1 Misalignment
Misalignment terjadi ketika poros, sambungan dan bearing tidak disejajarkan dengan benar di sepanjang garis tengahnya. Ada dua jenis misalignment yaitu angular misalignment, parallel misalignment, atau kombinasi keduanya. [11]
a. Angular Misalignment
Angular Misalignment terjadi ketika dua poros dihubungkan pada kopling dengan cara yang menginduksi gaya lentur pada poros
Gambar 2.21 Angular Misalignment [11]
b. Parallel Misalignment
Parallel Misalignment terjadi ketika garis tengah poros tersusun sejajar tetapi tidak teratur atau offset.
Gambar 2.22 Parallel Misalignment [11]
Penyebab umum misalignment adalah:
a. Ekspansi termal: Ekspansi atau pertumbuhan komponen karena pemanasan dan pendinginan suatu komponen.
b. Penyelarasan dingin: Sebagian besar mesin diselaraskan dingin dan panas saat beroperasi. Pertumbuhan termal menyebabkan mereka tumbuh tidak selaras.
c. Penyelarasan komponen selama kopling tidak tercapai dengan benar. Oleh karena itu, misalignment dimasukkan ke dalam sistem selama instalasi d. Penyelarasan yang tidak tepat karena kekuatan yang diberikan dari pipa dan
anggota pendukung.
e. Misalignment karena fondasi yang tidak rata, bergeser pada pondasi atau penyelesaian.
Misalignment biasanya menyebabkan bearing membawa beban yang lebih tinggi dari spesifikasi desainnya, yang dapat menyebabkan kegagalan pada bearing karena fatik dimanamerupakan hasil dari tekanan yang diterapkan langsung di bawah permukaan pembebanan.
Efek misalignment pada kopling adalah dalam bentuk kerusakan pada kopling atau panas berlebihan akibat gesekan. [11]
Diagnosis Teknik analisis yang paling efektif biasanya menggunakan nilai getaran keseluruhan dan pengukuran fase yang membantu membedakannya berbagai jenis misalignment atau ketidakseimbangan. Praktik umum ketika
menganalisis misalignment adalah untuk melihat rasio antara 1x (tidak seimbang) dan 2x (misalignment), dan membandingkan nilai-nilai. Ketika menganalisis spektrum FTT di mana misalignmentis ditunjukkan, amplitudo 1x lebih tinggi dari normal dibagi dengan 2x amplitudo terjadi. Indikasi amplitudo dapat bervariasi dari 30% dari amplitudo 1x hingga 100 hingga 200% dari amplitudo 1x.
Gambar 2.23 Spektrum Misalignment [11]
Spektrum FFT menunjukkan ketidakselarasan yang parah (puncak kedua dalam spektrum pada ~ 8 500 RPM (141 Hz) menunjukkan ketidakselarasan yang parah, karenahampir dua kali lipat dari kecepatan lari; puncak yang ditandai dengan marker adalah kecepatan lari (4 237,5 RPM (71Hz)). [11]
Pada misalignment yang parah, spektrum dapat berisi multipleharmonics dari 2x hingga 10x kecepatan lari. Jika getaran amplitudo dalambidang horizontal ditingkatkan dua kali tiga atau tiga, perubahan posisi tidak sejajar lagi.
Jika ada amplitudo 2x tinggi secara abnormal dibagi dengan amplitudo 1x, dan sistem mengandung kopling atau sabuk, mungkin ada misalignment.
Jika amplitudo radial 2x abnormal tinggi, dan sistem mengandung kopling atau sabuk, mungkin ada misalignment.
Jika 1x amplitudo aksial tinggi tidak normal, dan sistem mengandung kopling atau sabuk, mungkin ada misalignment.
2.10.2 Unbalance
Indikasi umum lain dari kesehatan mesin yang buruk adalah adanya symtom atau gejala unbalance pada sistem. Unbalance dapat menyebabkan adanya gaya atau beban berlebihan yang dapat mempengaruhi mesin.
Unbalance terjadi ketika garis tengah massa poros tidak bertepatan dengan garis tengah geometrisnya. Secara umum, ada tiga jenis unbalance [11] :
a. Static unbalance b. Couple unbalance c. Dynamic unbalance a. Static Unbalance
Dalam static unbalance, hanya satu gaya yang terlibat. Seperti pada rotor yang berputar sampai titik berat terletak pada jam 6. Keadaan static unbalance dapat dilihat ketika dalam keadaan rest atau diam.
Gambar 2.24 Static Unbalance [11]
b. Couple Unbalance
Tidak seperti static unbalance, couple unbalance tidak dapat diukur atau dilihat dalam keadaan rest atau diam. Dalam couple unbalance, terdapat dua gaya atau beban, masing-masing 180 ° terhadap satu sama lain, yang menyebabkan rotor tampak seimbang saat keadaan istirahat. Namun, ketika rotor berputar, gaya atau
