BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA. perbedaan ketinggian atau hambatan gesek.klasifikasi pompa secara umum dapat

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

Pompa adalah suatu alat yang digunakan untuk memindahkan suatu cairan dari suatu tempat ke tempat lain dengan cara menaikkan tekanan cairan tersebut. Kenaikan tekanan cairan tersebut digunakan untuk mengatasi hambatan-hambatan pengaliran. Hambatan-hambatan pengaliran itu dapat berupa perbedaan tekanan, perbedaan ketinggian atau hambatan gesek.Klasifikasi pompa secara umum dapat diklasifikasikan menjadi 2 bagian yaitu pompa kerja positif (positive displacement pump) dan pompa kerja dinamis (non positive displacement pump). Salah satu jenis pompa kerja dinamis adalah pompa sentrifugal yang prinsip kerjanya mengubah energi kinetik (kecepatan) cairan menjadi energi potensial (dinamis) melalui suatu impeller yang berputar dalam casing. Pada Instalasi Pengolahan Air (IPA),sebagian besar pompa yang digunakan ialah pompa bertipe sentrifugal. Gaya sentrifugal ialah sebuah gaya yang timbul akibat adanya gerakan sebuah benda atau partikel melalui lintasan lengkung (melingkar). Pompa sentrifugal merupakan pompa kerja dinamis yang paling banyak digunakan karena mempunyai bentuk yang sederhana dan harga yang relatif murah. Keuntungan pompa sentrifugal dibandingkan jenis pompa perpindahan positif adalah gerakan impeler yang kontinyu menyebabkan aliran tunak dan tidak berpulsa ,keandalan operasi tinggi disebabkan gerakan elemen yang sederhana dan tidak adanya katup-katup,kemampuan untuk beroperasi pada putaran tinggi, yang dapat dikopel dengan motor listrik, motor bakar atau turbin uap ukuran kecil sehingga hanya

membutuhkan ruang yang kecil, lebih ringan dan biaya instalasi ringan,harga murah dan biaya perawatan murah.

2.1 Prinsip -Prinsip Dasar Pompa Sentrifugal

Prinsip-prinsip dasar pompa sentrifugal ialah sebagai berikut:

• gaya sentrifugal bekerja pada impeller untuk mendorong fluida ke sisi luar sehingga kecepatan fluida meningkat

• kecepatan fluida yang tinggi diubah oleh casing pompa (volute atau diffuser) menjadi tekanan atau head.

2.2 Klasifikasi Pompa Sentrifugal

Pompa sentrifugal diklasifikasikan berdasarkan beberapa kriteria, antara lain:

1. Kapasitas :

• Kapasitas rendah : < 20 m3 / jam • Kapasitas menengah : 20-60 m3 / jam • Kapasitas tinggi : > 60 m3 / jam 2. Tekanan Discharge :

• Tekanan Rendah : < 5 Kg / cm2 • Tekanan menengah : 5 - 50 Kg / cm2 • Tekanan tinggi : > 50 Kg / cm2 3. Jumlah / Susunan Impeller dan Tingkat :

• Single stage : Terdiri dari satu impeller dan satu casing.

• Multi stage : Terdiri dari beberapa impeller yang tersusun seri dalam satu casing.

• Multi Impeller : Terdiri dari beberapa impeller yang tersusun paralel dalam satu casing.

• Multi Impeller – Multi stage : Kombinasi multi impeller dan multi stage.

4. Posisi Poros : • Poros tegak • Poros mendatar 5. Jumlah Suction : • Single Suction • Double Suction

6. Arah aliran keluar impeller : • Radial flow

• Axial flow • Mixed fllow

2.3 Bagian-Bagian Utama Pompa Sentrifugal

Secara umum bagian-bagian utama pompa sentrifugal dapat dilihat seperti gambar berikut:

Gambar 2.1 Rumah pompa sentrifugal

1. Stuffing Box

Stuffing Box berfungsi untuk mencegah kebocoran pada daerah dimana poros pompa menembus casing.

2. Packing

Digunakan untuk mencegah dan mengurangi bocoran cairan dari casing pompa melalui poros. Biasanya terbuat dari asbes atau teflon.

3. Shaft

Shaft (poros) berfungsi untuk meneruskan momen puntir dari penggerak selama beroperasi dan tempat kedudukan impeller dan bagian-bagian berputar lainnya.

4. Shaft sleeve

Shaft sleeve berfungsi untuk melindungi poros dari erosi, korosi dan keausan pada stuffing box. Pada pompa multi stage dapat sebagai leakage joint, internal bearing dan interstage atau distance sleever.

5. Vane

Sudu dari impeller sebagai tempat berlalunya cairan pada impeller. 6. Casing

Merupakan bagian paling luar dari pompa yang berfungsi sebagai pelindung elemen yang berputar, tempat kedudukan diffusor (guide vane), inlet dan outlet nozzel serta tempat memberikan arah aliran dari impeller dan mengkonversikan energi kecepatan cairan menjadi energi dinamis (single stage).

7. Eye of Impeller

Bagian sisi masuk pada arah isap impeller. 8. Impeller

Impeller berfungsi untuk mengubah energi mekanis dari pompa menjadi energi kecepatan pada cairan yang dipompakan secara kontinyu, sehingga cairan pada sisi isap secara terus menerus akan masuk mengisi kekosongan akibat perpindahan dari cairan yang masuk sebelumnya.

9. Wearing Ring

Wearing ring berfungsi untuk memperkecil kebocoran cairan yang melewati bagian depan impeller maupun bagian belakang impeller, dengan cara memperkecil celah antara casing dengan impeller.

10.Bearing

Bearing (bantalan) berfungsi untuk menumpu dan menahan beban dari poros agar dapat berputar, baik berupa beban radial maupun beban axial. Bearing juga memungkinkan poros untuk dapat berputar dengan lancar dan tetap pada tempatnya, sehingga kerugian gesek menjadi kecil.

2.4 Karakteristik Pompa Sentrifugal

Karakteristik dari pompa sentrifugal merupakan sebuah cara dimana tinggi tekan tekanan diferensial bervariasi dengan keluaran (output) pada kecepatan konstan. Karakteristik dapat juga menyertakan kurva efisiensi dan harga brake horse power-nya. Kurva kapasitas tinggi tekan (Gambar 2.2) ditunjukkan sebagai kapasitas peningkatan total tinggi tekan, dimana tinggi tekan pompa mampu untuk dinaikkan atau dikurangi.Umumnya sebuah pompa sentrifugal akan menaikkan tinggi tekan terbesarnya pada suatu titik, dimana tidak ada aliran yang sering dianggap sebagai shut off head. Jika shut off head kurang dari harga maksimum tinggi tekan, pompa menjadi tidak stabil dan dibawah beberapa kondisi dapat memperbesar daya dan kecepatan fluktuasi yang menyebabkan getaran mekanis yang besar pada sistem pemipaan.

2.5 Head Pompa

Head pompa adalah energi per satuan berat yang harus disediakan untuk mengalirkan sejumlah zat cair yang direncanakan sesuai dengan kondisi instalasi pompa, atau tekanan untuk mengalirkan sejumlah zat cair,yang umumnya dinyatakan dalam satuan panjang.Menurut persamaan Bernoulli yang berbunyi “bila fluida inkompresibel mengalir sepanjang pipa yang penampangnya mempunyai beda ketinggian,perbedaan tekanan tidak hanya tergantung pada perbedaan ketinggian tetapi juga pada perbedaan antara kecepatan dimasing-masing titik tersebut”.Dalam persamaan Bernoulli,ada tiga macam head (energi) fluida dari sistem instalasi aliran, yaitu, energi tekanan, energi kinetik dan energi potensial.Hal ini dapat dinyatakan dengan rumus sebagai berikut :

g

V

Z

P

H

.

2

2

+

+

=

γ

Lit 9,hal:105 Dimana:

H = Head total pompa (m)

γ

P

= Head tekanan (m)

Z = Head statis total (m)

g

V

.

2

2 = Head kecepatan (m)

Karena energi itu kekal, maka bentuk head (tinggi tekan) dapat bervariasi pada penampang yang berbeda. Namun pada kenyataannya selalu ada rugi-rugi energi (losses).

Gambar 2.3 Skema instalasi pompa

Pada kondisi yang berbeda seperti pada gambar di atas maka persamaan Bernoulli adalah sebagai berikut :

L A B A B A A B B L B B B B A A A A

H

Z

Z

g

V

g

V

P

P

H

B

ke

A

Loss

H

Z

g

V

P

H

Z

g

V

P

+

−

+

−

+

−

=

+

+

+

=

+

+

+

)

(

)

.

2

.

2

(

)

(

)

(

.

2

.

2

2 2 2 2

γ

γ

γ

γ

Karena γA = γB maka: L A B A B A B

_Z

_Z

_H

g

V

V

P

P

H

=

−

+

−

)

+

(

−

)

+

.

2

(

)

(

2 2

γ

L ST

H

H

g

V

P

H

=

∆

+

∆

)

+

+

.

2

(

)

(

2

γ

Dimana:

H = Head total pompa (m)

γ

P

∆

= Head pompa karena perbedaan tekanan pada sisi isap dengan sisi

tekan (m) 1 3 4 2 5

A

B

No Keterangan Gambar 1 Reservoir isap 2 Pipa isap 3 Pompa 4 Pipa tekan 5 Reservoir tekan

g

V

.

2

2

∆

= Head yang diakibatkan karena ada perbedaan kecepatan (m)

HST = Head statis (m)

HL = Head loss dari A ke B (m)

2.5.1 Head Tekanan

Head tekanan adalah perbedaan energi tekanan yang bekerja pada permukaan zat cair pada sisi tekan dengan energi tekanan yang bekerja pada permukaan zat cair pada sisi isap.Head tekanan dapat dinyatakan dengan rumus :

γ

γ

γ

d s

P

P

P

₌

₋

Lit 9,hal:126 Dimana:

γ

P

= Head tekanan (m)

γ

d

P

= Energi tekanan pada permukaan zat cair pada sisi tekan (m)

γ

s

P

= Energi tekanan pada permukaan zat cair pada sisi isap (m)

2.5.2 Head Kecepatan

Head kecepatan adalah perbedaan antar energi kecepatan zat cair pada saluran tekan dengan energi kecepatan zat cair pada saluran isap.Head kecepatan dapat dinyatakan dengan rumus :

g

V

g

V

H

_k d s

.

2

.

2

2 2

−

=

Lit 9,hal:126 Dimana: Hk = Head kecepatan

g

V

_d

.

2

2

= Energi kecepatan zat cair pada saluran tekan

g

V

_s

.

2

2

= Energi kecepatan zat cair pada saluran isap

2.5.3 Head Statis Total

Head statis total adalah perbedaan tinggi antara permukaan zat cair pada sisi tekan dengan permukaan zat cair pada sisi isap.Head statis total dapat dinyatakan dengan rumus :

Z

=

Z

_d

−

Z

_s Lit 9,hal:126 Dimana:

Z = Head statis total

Zd = Beda tinggi tekan statis pada sisi tekan Zs = Beda tinggi tekan statis pada sisi isap

Tanda + : Jika permukaan zat cair pada sisi isap lebih rendah dari sumbu pompa.

Tanda - : Jika permukaan zat cair pada sisi isap lebih tinggi dari sumbu pompa.

2.5.4 Kerugian Head (Head Loss)

Kerugian energi per satuan berat fluida dalam mengaliran cairan dalam sistem perpipaan disebut sebagai kerugian head (head loss).Head loss terdiri dari mayor head loss (hf),minor head loss (hm),dan total loss (htot)

2.5.4.1Mayor Head Loss (Mayor Loss)

Merupakan kerugian energi sepanjang saluran pipa yang dinyatakan dengan rumus :

g

V

D

L

f

h

_f

.

2

.

.

2

=

Lit 9,hal:431 Dimana: hf = Mayor loss (m) f = Faktor gesekan L = Panjang pipa (m)

V = Kecepatan fluida dalam pipa (m/det) D = Diameter dalam pipa (mm)

Harga f (faktor gesekan) didapat dari diagram Moody sebagai fungsi dari Angka Reynold (Reynolds Number) dan Kekasaran relatif (Relative Roughness - ε/D ), yang nilainya dapat dilihat pada grafik sebagai fungsi dari nominal diameter pipa dan kekasaran permukaan dalam pipa (e) yang tergantung dari jenis material pipa.Sedangkan besarnya Reynolds Number dapat dihitung dengan rumus :

µ

ρ

.

V

.

D

Re

=

Lit 9,hal:432 Dimana: Re = Reynold Number

ρ

= Massa jenis fluida (kg/m3)

V

= Kecepatan rata-rata aliran (m/det)

D

= Diameter dalam pipa (mm)

µ

= Dynamic viscosity (N.s/m2)

Apabila aliran laminar (Re < 2100),faktor gesekan (f) dapat dicari dengan pendekatan rumus:

Re

64

=

f

Lit 9,hal:433

Apabila aliran turbulen (Re > 4000),faktor gesekan (f) dapat dicari dengan diagram moody.

2.5.4.2Minor Head Loss (Minor Loss)

Merupakan kerugian head pada fitting,elbow dan valve yang terdapat sepanjang sistem perpipaan. Dapat dicari dengan menggunakan Rumus :

g

v

f

h

_m

.

2

.

2

=

Lit 9,hal:437 Dimana: hm = Minor loss (m)

f = Koefisien kerugian dari fitting,elbow dan valve

2.5.4.3Total Loss

Total loss merupakan kerugian total sistem perpipaan, yaitu :

h

tot

=

h

f

+

h

m Lit 9,hal:430

g

V

D

Le

f

h

_tot

.

2

.

.

2

=

Lit 9,hal:430 Dimana:

htot = Total loss (m) hf = Total mayor loss (m) hm = Total minor loss (m)

Le = Panjang ekivalen dari fitting dan valve ditambah panjang pipa (m) f = Faktor gesekan

2.6 Kecepatan Spesifik Pompa

Performansi pompa sentrifugal (kecuali turbin regeneratif) dihubungkan pada suatu parameter yang disebut kecepatan spesifik (specific speed). Seperti yang didefinisikan oleh The Hydraulic Institute hal ini merupakan hubungan antara kapasitas, tinggi tekan, dan kecepatan pada efisiensi optimum yang mengklasifikasikan impeller pompa dengan respek terhadap persamaan geometris. Kecepatan spesifik merupakan sebuah bilangan aljabar yang dinyatakan sebagai:

4 3 2 1

.

H

Q

N

Ns

=

Lit 18,hal:46 Dimana:

NS = Kecepatan spesifik pompa (m/min) N = Putaran pompa (rpm)

Q = Kapasitas pompa (m3/min) H = Head total pompa (m)

2.7 Kavitasi

Kavitasi adalah peristiwa terbentuknya gelembung-gelembung uap di dalam cairan yang terjadi akibat turunnya tekanan cairan sampai di bawah tekanan uap jenuh cairan pada suhu operasi pompa. Gelembung uap yang terbentuk dalam proses ini mempunyai siklus yang sangat singkat. Knapp (Karassik dkk, 1976) menemukan bahwa mulai terbentuknya gelembung sampai gelembung pecah hanya memerlukan waktu sekitar 0,003 detik. Gelembung ini akan terbawa aliran fluida sampai akhirnya berada pada daerah yang mempunyai tekanan lebih besar daripada tekanan uap jenuh cairan. Pada daerah tersebut gelembung tersebut akan pecah dan akan menyebabkan shock pada dinding di dekatnya. Cairan akan masuk secara tiba-tiba ke ruangan yang terbentuk akibat pecahnya gelembung uap tadi sehingga mengakibatkan tumbukan. Peristiwa ini akan menyebabkan terjadinya kerusakan mekanis pada pompa.

Gambar 2.4 Kerusakan pada permukaan sudu impeller akibat kavitasi

Satu gelembung memang hanya akan mengakibatkan bekas kecil pada dinding namun bila hal itu terjadi berulang-ulang maka bisa mengakibatkan terbentuknya lubang-lubang kecil pada dinding. Bahkan semua material bisa rusak oleh kavitasi

masuk ke dalam pompa akan lebih memperparah kerusakan sebab akan menyebabkan erosi pada dinding impeller. Bagian dari pompa sentrifugal yang paling rawan terkena kavitasi adalah sisi impeller dekat sisi isap yang bertekanan rendah juga tutup impeller bagian depan yang berhubungan dengan sisi isap. Hammit (Karassik dkk, 1976) menemukan hubungan yang rumit antara kecepatan aliran dengan kerusakan pada pompa akibat kavitasi. Kerusakan tersebut akan meningkat seiring dengan kenaikan kecepatan aliran.Kavitasi yang terjadi pada pompa sentrifugal sangatlah merugikan. Hal-hal yang diakibatkan oleh kavitasi antara lain: terjadinya suara berisik dan getaran (noise and vibration),terbentuknya lubang-lubang kecil pada dinding pipa isap,performansi pompa akan turun,bisa menyebabkan kerusakan pada impeller.Kavitasi sedapat mungkin harus dihindari agar impeller dan komponen-komponen pompa yang lain bisa lebih awet. Cara-cara yang bisa digunakan untuk menghindari terjadinya kavitasi antara lain : Tekanan sisi isap tidak boleh terlalu rendah (pompa tidak boleh diletakkan jauh di atas permukaan cairan yang dipompa sebab menyebabkan head statisnya besar),Kecepatan aliran pada pipa isap tidak boleh terlalu besar (bagian yang mempunyai kecepatan tinggi maka tekanannya akan rendah. Oleh karena itu besarnya kecepatan aliran harus dibatasi, caranya dengan membatasi diameter pipa isap (tidak boleh terlalu kecil).Menghindari instalasi berupa belokan-belokan tajam (pada belokan yang tajam kecepatan aliran fluida akan meningkat sedangkan tekanan fluida akan turun sehingga menjadi rawan terhadap kavitasi).

2.8 Net Positive Suction Head (NPSH)

Kavitasi akan terjadi bila tekanan statis suatu aliran turun sampai dibawah tekanan uap jenuhnya.Untuk menghindati kavitasi diusahakan agar tidak ada satu bagianpun dari aliran didalam pompa yang mempunyai tekanan statis lebih rendah dari tekan uap jenuh cairan pada temperatur yang bersangkutan.Dalam hal ini perlu diperhatikan dua macam tekanan yang memegang peran penting.Pertama,tekanan yang ditentukan oleh kondisi lingkungan dimana pompa dipasang,dan kedua,tekanan yang ditentukan oleh keadaan aliran didalam pompa.

Berhubungan dengan dua hal diatas maka didefinisikanlah suatu Net Positive Suction Head (NPSH) atau Head Isap Positif Neto yang dipakai sebagai ukuran keamanan pompa terhadap kavitasi.Ada dua macam NPSH,yaitu NPSH yang tersedia pada sistem (instalasi),dan NPSH yang diperlukan oleh pompa. Pompa terhindar dari kavitasi jika NPSH yang tersedia lebih besar daripada NPSH yang dibutuhkan.

2.8.1 Net Positive Suction Head Available (NPSH yang tersedia)

NPSH yang tersedia adalah head yang dimiliki oleh zat cair pada sisi isap pompa dikurangi dengan tekanan uap jenuh zat cair ditempat tersebut.Dalam hal pompa yang mengisap zat cair dari tempat terbuka,maka besarnya NPSH yang tersedia dapat dituliskan sebagai berikut:

sv

h

s

h

ls

Pv

Pa

h

=

−

−

−

γ

γ

Lit 18,hal:44 Dimana: hsv = NPSH yang tersedia (m)

Pv = Tekanan uap jenuh (kg/m2)

γ = Berat zat cair per satuan volume (kg/m3 )

hs = Head isap statis (m), hs adalah positif (bertanda +) jika pompa terletak diatas permukaan zat cair,dan negatif (bertanda -) jika dibawah. hls = Kerugian head didalam pipa isap (m).

Jika zat cair diisap dari tangki tertutup,maka harga Pa menyatakan tekanan mutlak yang bekerja pada permukaan zat cair didalam tangki tertutup tersebut.Khususnya jika tekanan diatas permukaan zat cair sama dengan tekanan uap jenuhnya,maka Pa = Pv.Dalam hal pompa yang mengisap zat cair dari tempat terbuka,maka besarnya NPSH yang tersedia dapat dituliskan sebagai berikut:

h

_sv

=

−

h

_s

−

h

_ls Lit 18,hal:45 Harga hs adalah negatif (-) karena permukaan zat cair didalam tangki lebih tinggi dari pada sisi isap pompa.Pemasangan pompa semacam ini diperlukan untuk mendapatkan harga NPSHA positif.

Gambar 2.5 Posisi pompa terletak diatas permukaan fluida yang diisap

hls hsv hs g v hsv . 2 2 − g v . 2 2 γ Pa γ Pv Referensi EL HGL

Gambar 2.6 Posisi pompa terletak dibawah permukaan fluida yang diisap

2.8.2 Net Positive Suction Head Required (NPSH yang diperlukan)

Tekanan terendah didalam pompa biasanya terdapat disuatu titik dekat setelah sisi masuk sudu impeller.ditempat tersebut,tekanan adalah lebih rendah dari pada tekanan pada lubang isap pompa.Hal ini disebabkan oleh kerugian head dinosel isap,kenaikan kecepatan aliran karena luas penampang yang menyempit,dan kenaikan kecepatan aliran karena tebal sudu setempat.

Agar tidak terjadi pengupan zat cair,maka tekanan pada lubang masuk pompa dikurangi dengan penurunan tekanan didalam pompa harus lebih tinggi dari pada tekanan uap zat cair.Head tekanan yang besar sama dengan penurunan tekanan ini disebut NPSH yang diperlukan/net positive suction head required.Besarnya NPSH yang diperlukan berbeda untuk setiap pompa.Untuk suatu pompa tertentu , NPSH yang diperlukan berubah menurut kapasitas dan putarannya.Agar pompa dapat bekerja tanpa mengalami kavitasi,maka harus

γ Pv hsv hs g v . 2 2 hls g v hsv . 2 2 − Referensi HGL EL

diperlukan.Harga NPSH yang diperlukan harus diperoleh dari pabrikan pompa yang bersangkutan.Namun untuk penaksiran secara kasar,NPSH yang diperlukan dapat dihitung dengan persamaan:

N N sv

H

H

=

σ

Lit 18,hal:45 Dimana:

σ = Koefisien kavitasi Thoma HsvN = NPSH yang diperlukan (m)

HN = Head total pompa pada titik efisiensi maksimum (m).

Kecepatan spesifik sisi isap (S) dapat juga digunakan sebagai pengganti Koefisien kavitasi Thoma dalam menghitung NPSH yang diperlukan.Hubungannya dapat dilihat dalam persamaan:

_svN

(

)

4/3

.

Q

_N2/3

S

n

H

=

Lit 18,hal:45 Dimana: HsvN = NPSH yang diperlukan (m) n = Putaran pompa (rpm) QN = Kapasitas pompa (m3/min)

S = Kecepatan spesifik sisi isap (m/min).

2.9 Sinyal Getaran (Vibrasi)

Indikator yang baik untuk menentukan apakah suatu peralatan yang berputar dalam kondisi baik adalah getaran, semangkin kecil nilai suatu getaran semangkin baik peralatan tersebut, sebaliknya apabila suatu peralatan yang berputar mempunyai getaran yang besar atau tinggi maka kondisi peralatan

tersebut cukup rawan. Oleh karena itu, suatu peralatan yang berputar sebaiknya memiliki suatu nilai getaran standart dan batasan getaran yang diperbolehkan (dibuat oleh pabrik pembuatan peralatan tersebut), sehingga apabila nilai getaran yang terjadi diluar batasan yang diizinkan maka peralatan tersebut harus menjalani tindakan perawatan (perbaikan).

2.9.1 Gerak Harmonik

Gerak osilasi dapat berulang secara teratur. Jika gerak itu berulang dalam selang disebut waktu yang sama, maka geraknya disebut gerak periodik. Waktu pengulangan τ disebut dengan periode osilasi dan kebalikannya, f = 1/ τ disebut frekwensi. Jika gerak dinyatakan dalam fungsi waktu x(t), maka setiap gerak periodik harus memenuhi hubungan (t)=x(1+ τ ). Secara umum, gerak harmonik dinyatakan dengan persamaan:

τ

π

t

Sin

A

x

=

.

2

Lit 20,hal:6

dimana A adalah amplitudo osilasi yang diukur dari posisi setimbang massa, dan τ adalah periode dimana gerak diulang pada t = τ. Gerak harmonik sering dinyatakan sebagai proyeksi suatu titik yang bergerak melingkar dengan kecepatan tetap pada suatu garis lurus, seperti terlihat pada Gambar 2.5.Dengan kecepatan sudut garis OP sebesar ω, perpindahan simpangan x dapat dituliskan sebagai:

x

=

A

.

Sin

ϖ

t

Lit 20,hal:7 Besaran ω biasanya diukur dalam radian per detik dan disebut frekwensi lingkaran. Oleh karena gerak berulang dalam 2π radian, maka didapat hubungan:

f

t

π

π

ϖ

=

2

=

2

Lit 20,hal:7

dengan τ dan f adalah periode dan frekuensi gerak harmonik berturut-turut dan biasanya diukur dalam detik dan siklus per detik.

Kecepatan dan percepatan gerak harmonik dapat diperoleh secara mudah dengan diferensiasi simpangan gerak harmonik. Dengan menggunakan notasi titik untuk turunannya, maka didapat:

)

2

sin(

cos

ϖ

ϖ

ϖ

π

ϖ

=

+

=

A

t

A

t

x



Lit 20,hal:7



x



=

−

ϖ

A

sin

ϖ

t

=

ϖ

2

A

sin(

ϖ

t

+

π

)

Lit 20,hal:7

Gambar 2.7 Gerak Harmonik sebagai proyeksi suatu titik yang bergerak pada lingkaran

2.9.2 Gerak Periodik

Pada getaran biasanya beberapa frekwensi yang berbeda ada secara bersama-sama. Sebagai contoh, getaran dawai biola terdiri dari frekwensi dasar f dan semua harmoniknya 2f, 3f, dan seterusnya. Contoh lain adalah getaran bebas sistem dengan banyak derajat kebebasan, dimana getaran pada tiap frekwensi natural memberi sumbangannya. Getaran semacam ini menghasilkan bentuk gelombang kompleks yang diulang secara periodik seperti Gambar 2.8.

Gambar 2.8 Gerak periodik dengan periode τ

2.9.3 Getaran Bebas (Free Vibration)

Getaran bebas terjadi jika sistem berosilasi karena bekerjanya gaya yang ada dalam sistem itu sendiri (inherent) dan apabila tidak ada gaya luar yang bekerja. Sistem yang bergetar bebas akan bergetar pada satu atau lebih frekwensi naturalnya yang merupakan sifat dinamika yang dibentuk oleh distribusi massa dan kekakuannya.

Gambar 2.9 Sistem pegas-massa dan diagram benda bebas

Hukum Newton kedua adalah dasar pertama untuk meneliti gerak sistem, pada gambar 2.9 perubahan bentuk pegas pada posisi kesetimbangan adalah Δ dan gaya pegas kΔ adalah sama dengan gaya gravitasi w yang bekerja pada massa m.

k

∆

=

w

=

mg

Lit 20,hal:18 Hukum Newton kedua untuk gerak diterapkan pada massa m:

dan karena kΔ=w,diperoleh:

m



x



=

−

kx

Lit 20,hal:18 frekwensi lingkaran

m

k

n

=

2

ϖ

, sehingga:

0

2

₌

+

x

x



ϖ

_n



Lit 20,hal:19 sehingga persamaan umum persamaan diferensial linier orde kedua yang homogen:

0

cos

sin

+

=

=

A

t

B

t

x

ϖ

_n

ϖ

_n Lit 20,hal:19

Perioda natural osilasi dibentuk dari

ϖ

_n

τ

=

2

π

, atau:

k

m

π

τ

=

2

Lit 20,hal:19

dan frekuensi natural adalah:

k

m

f

_n

π

τ

2

1

=

=

Lit 20,hal:19

2.9.4 Getaran Paksa (Forced Vibration)

Getaran yang terjadi karena rangsangan gaya luar disebut getaran paksa seperti pada Gambar 2.10. Eksitasi ini biasanya dihasilkan oleh ke tidak seimbangan pada mesin-mesin yang berputar.

Persamaan diferensial geraknya adalah:

m

x





+

c

x



+

kx

=

F

₀

sin

ϖ

t

Lit 20,hal:51 Solusi khusus persamaan diatas adalah keadaan tunak (steady state) dengan frekwensi ω yang sama dengan frekwensi eksitasi. Solusi khusus dapat diasumsikan berbentuk:

)

sin(

ϖ

−

φ

=

X

t

x

Lit 20,hal:52 dengan A adalah amplitudo osilasi dan ф adalah beda fase simpangan terhadap gaya eksitasi,sehingga diperoleh:

2 2 2

)

(

)

(

k

m

ω

c

ϖ

Fo

A

+

−

=

* Lit 20,hal:52 dan 2 1

tan

ϖ

ϖ

φ

m

k

c

−

=

− ** Lit 20,hal:52

Dengan membagi pembilang dan penyebut persamaan * dan ** dengan k, diperoleh: 2 2 2

)

(

)

1

(

k

c

k

m

k

Fo

A

ϖ

ω

+

−

=

Lit 20,hal:52

)

(

1

tan

₂

k

m

k

c

ϖ

ϖ

φ

−

=

Lit 20,hal:53

Persamaan-persamaan di atas selanjutnya dapat dinyatakan dalam besaran-besaran berikut:

=

=

m

k

ϖ

frekwensi natural osilasi tanpa redaman

=

=

n e

m

C

2

ϖ

redaman kritis

=

=

e

C

C

ς

faktor redaman n e e

k

C

C

C

k

C

ϖ

ϖ

ς

ϖ

ϖ

2

=

=

=

Jadi persamaan amplitude dan fasa yang non-dimensional menjadi:

2 2 2

(

2

)

(

1

1













+













−

=

n n o

F

Xk

ϖ

ϖ

ς

ϖ

ϖ

Lit 20,hal:53 2

1

2

tan













−













=

n n

ϖ

ϖ

ϖ

ϖ

ς

φ

_{Lit 20,hal:53}

2.9.5 Standart Vibrasi Pompa Sentrifugal

Sampai saat ini sangat sulit untuk mendapatkan standart vibrasi untuk pompa sentrifugal,bahkan pabrikan pembuat pompa tidak dapat memberikan standar vibrasi dari pompa buatanya.Demikian juga dengan vibrasi yang timbul akibat kesalahan perencanaan dan pengoperasian,seperti tinggi tekan dan kapasitas pompa jauh lebih besar dari tinggi tekan sistem atau instalasi.Sehingga pengoperasian yang dilakukan dengan mengatur secara paksa tinggi tekan dan kapasitas yang akan menimbulkan vibrasi yang besar.Berdasarkan standart ISO 10816-3 untuk standart vibrasi,memberikan batasan-batasan vibrasi berdasarkan

kecepatan (velocity) yang dikategorikan dalam beberapa zona dan warna seperti ditunjukkan pada gambar 2.11.

Velocity 10-1000Hz>600rpm 2-1000Hz>120rpm 11 7.1 4.5 3.5 2.8 ` 2.3 1.4 0.71 x 10-5m/s

rigid flexible rigid flexible rigid flexible rigid flexible FOUNDATION

pumps > 15 KW radial,axial,mixed flow

medium size machine 15 KW<P<300KW

large machine

300KW<P<50MW MACHINE TYPE

integrated driver external driver motors

160mm<H<315mm

motors 315<H

Group 4 Group 3 Group 2 Group 1 Group

Gambar 2.11 Standart ISO 10816-3 untuk vibrasi

Dari gambar 2.11 dapat dilihat bahwa sesuai dengan standart vibrasi ISO 10816-3 untuk vibrasi dikategorikan kepada 4 zona yaitu:

a. Zona A berwarna hijau,vibrasi dari mesin sangat baik dan dibawah vibrasi yang diijinkan.

b. Zona B berwarna hijau muda,vibrasi dari mesin baik dan dapat dioperasikan karena masih dalam batas yang diizinkan.

c. Zona C berwarna kuning,vibrasi dari mesin dalam batas toleransi dan hanya dioperasikan dalam waktu terbatas.

d. Zona D berwarna merah,vibrasi dari mesin dalam batas berbahaya dan dapat terjadi kerusakan sewaktu-waktu.

2.9.6 Pengolahan Data Vibrasi

2.9.6.1Data Domain Waktu (Time Domain)

Pengolahan data time domain melibatkan data hasil pengukuran objek pemantauan sinyal getaran, tekanan fluida kerja, temperatur fluida kerja maupun aliran fluida kerja. Dalam kasus pengukuran temperatur dengan termometer yang konvensional karena karakteristik alat ukurnya, maka tidak dapat dilakukan pengukuran temperatur secara dinamik. Demikian pula halnya dengan pengukuran aliran fluida kerja, sehingga untuk memungkinkan pengukuran objek pemantauan berupa sinyal dinamik, maka diperlukan sensor yang memiliki karakteristik dinamik tertentu.

Gambar 2.12 Karakteristik sinyal statik dan dinamik

Hasil pengukuran objek pemantauan dalam domain waktu seperti Gambar 2.12 dapat berupa sinyal:

1. Sinyal statik, yaitu sinyal yang karakteristiknya (misal: amplitudo, arah kerjanya) tidak berubah terhadap waktu.

2. Sinyal dinamik, yaitu sinyal yang karakteristiknya berubah terhadap waktu, sehingga tidak konstan.

Sinyal dinamik yang sering ditemui dalam praktek berasal dari sinyal getaran, baik yang diukur menggunakan accelerometer, vibrometer, maupun sensor simpangan getaran.Untuk keperluan pengolahan sinyal getaran dalam time domain, perlu diperhatikan karakteristik sinyal getaran yang dideteksi oleh masing-masing sensor percepatan (acceleration), kecepatan (velocity), dan simpangan getaran (displacement).

2.9.6.2Data Domain Frekwensi (Frequency Domain)

Pengolahan data frekwensi domain umumnya dilakukan dengan tujuan: a. Untuk memeriksa apakah amplitudo suatu frequency domain dalam

batas yang diizinkan oleh standart.

b. Untuk memeriksa apakah amplitudo untuk rentang frekwensi tertentu masih berada dalam batas yang diizinkan oleh standart.

c. Untuk tujuan keperluan diagnosis.

Secara konseptual,pengolahan frequency domain dilakukan dengan mengkonversikan data time domain ke dalam frequency domain.Dalam praktiknya proses konversi ini dilakukan menggunakan proses Transformasi Fourier Cepat seperti terlihat pada Gambar 2.13.

Gambar 2.13 Hubungan time domain dengan frequency domain

Frequency Domain F F T F F T Time Domain

Data domain waktu merupakan respon total sinyal getaran, sehingga karakteristik masing-masing sinyal getarannya tidak terlihat jelas. Dengan bantuan konsep deret Fourier, maka sinyal getaran ini dapat dipilah-pilah menjadi komponen dalam bentuk sinyal sinus yang frekwensinya merupakan frekwensi-frekwensi dasar dan harmoniknya.

2.10 Kerangka Konsep

Sejalan dengan rumusan masalah dan tujuan yang ingin dicapai, maka konsep pemecahan masalah dalam kegiatan penelitian eksperimen ini dijabarkan secara terstruktur dalam diagram konseptual penelitian, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.14.

Gambar 2.14 Kerangka Konsep Penelitian Permasalahan :

Fenomena kavitasi pada pompa sentrifugal dengan menggunakan parameter sinyal getaran dan perubahan temperatur fluida didalam

rumah pompa Metode: Pengujian kavitasi Pada pompa sentrifugal Eksperimen:

Variabel yang diamati dalam penelitian:

- Tinggi tekan total pompa (head)

- Kapasitas pengisian tangki tekan

- Net positive suction head available (NPSHA)

- Putaran poros pompa - Temperatur rumah pompa - Simpangan (displacement) - Kecepatan (velocity) - Percepatan (acceleration) - Frekwensi Maksimum Instrumen: - Thermometer thermocouple - Manometer - Flow meter - Gate valve - Techometer digital

- Vibrometer _{Pompa Sentrifugal} Inslatasi:

KSB Type A32-160

Data :

Diperoleh data terjadinya fenomena kavitasi pada pompa akibat variasi NPSHA ,dengan indikasi kenaikan/penurunan respon getaran

dan temperatur pada rumah pompa.

Analisis Data:

Analisa fenomena kavitasi pada pompa