Diterima 13 Juni 2006; diterima terkoreksi 2 Agustus 2006; disetujui 15 Agustus 2006

Kompresor aksial dapat menghasilkan laju aliran massa udara yang tinggi dengan luas bidang frontal yang kecil, maka kompresor aksial sangat cocok untuk turbin gas pada sistem propulsi pesawat terbang. Berbagai penelitian dan pengembangan terus dilakukan untuk meningkatkan efisiensi kompresor, dimana salah satu penyebab rendahnya efisiensi adalah kerugian energi akibat aliran

sekunder pada

kompresor yang mencapai 50% dari total kerugian energi. Aliran sekunder terbentuk di

sekitar pada dan yang

diakibatkan adanya interaksi antara lapisan

batas sudu dengan

lapisan batas atau lapisan batas dimana fenomena ini disebut sebagai aliran tiga dimensi. Terbentuknya aliran sekunder akan diikuti

dengan penyumbatan aliran ,

perubahan sudut defleksi dan konstraksi aliran ke arah serta timbulnya kerugian (secondary flow) cascade

endwall hub casing

(blade boundary layer)

casing hub

(casing-hub boundary layer)

(blockage effect) mid span

sekunder sebagai efek

terbesar. Oleh karena itu penelitian mengenai fenomena separasi aliran tiga dimensi perlu dilakukan dalam rangka mengurangi s yang terjadi akibat aliran sekunder.

Kaskade kompresor tanpa , wujud fisiknya dalam kompresor aksial terdapat pada hubungan yang antara dengan pangkal sudu rotor untuk sudut stagger lemah.

Pada penelitian dengan harga sudut stagger yang lemah (<45°), hampir semua penelitian menemukan fenomena yang sama

dan dikenal sebagai . Hasil

penelitian Storer [1] dengan = 22.5º, = 45.5º dan Kang [2] dengan = 10º, = 45º serta Hubner [3] dengan = 32.5º, = 48º menunjukaan gejala tiga dimensi berupa aliran sekunder dekat dan yang membuat terhadap aliran primer sehingga aliran berkonsentrasi menjauhi . Fenomena itu terbentuk di bagian pada

(secondary losses)

losse tip-clearance

rigid hub

Corner Stall Theory

vortex casing hub blockage wall hub λ θ λ θ λ θ

Stagger Lemah, Dengan dan Tanpa Tip Clearance

Alief Wikarta, Herman Sasongko

Jurusan Teknik Mesin, FTI - ITS Surabaya Kampus ITS, Keputih, Sukolilo, Surabaya, 60111

Telp.: 031-5963007, Fax.: 031-5922941 E-mail: wikarta@me.its.ac.id

Diterima 13 Juni 2006; diterima terkoreksi 2 Agustus 2006; disetujui 15 Agustus 2006

Abstract

End-wall region in low staggered axial compressor cascade is a region where the secondary flow happened. At a configuration without tip clearance, the secondary flow is formed by interaction of cross passage flow with curl flow. While for the configuration with tip clearance, the secondary flow is formed by the interaction of passage vortex with tip clearance flow. The major effect of the secondary flow is an incidence of secondary vortices. Based on that idea, this research is conducted to visualize the secondary flow using experimental and numerical studies. Experimental studies were performed using oil flow visualization, while the numerical study was performed using commercial software “Fluent 6.0” applied to three dimensional cascade model. Flow visualization results show that the increase in blade loading form the stronger cross passage, curl, and tip clearance flows. Comparing with the lower camber results, the present results also show the increase in strength of cross passage and curl flows. The static pressure distribution at the end-wall and span is obtained from numerical simulation, and can be used as basic analysis for the formulation of the secondary flow.

Secondary flow, compressor cascade, strong camber angle, oil flow picture, static pressure distribution.

Keywords:

sudut dekat karena adanya tubrukan aliran secara frontal antara

dengan dalam arah yang

berlawanan. Akhirnya tubrukan dari kedua a l i r a n y a n g m a s i n g - m a s i n g m e m i l i k i momentum dan arah yang berbeda tersebut akan menghancurkan aliran energi dekat

dan mengakibatkan harga ) dari aliran di

hanya sedikit lebih besar dari satu. Hasil penelitian Sasongko [4] untuk stagger = 30°

menunjukkan fenomena dan

secara jelas seperti pada gambar 1. Kaskade kompresor dengan

, wujud fisiknya dalam kompresor aksial terdapat pada daerah antara ujung sudu stator dengan untuk sudut stagger lemah.

Hasil penelitian [1], [2] dan [3] dengan menunjukkan bahwa terjadi

pembentukan

bersama-sama dalam arah perputaran

satu sama lain yang berlawanan sehingga terjadi efek timbal balik antara keduanya. Intensitas dari efek timbal balik itu tergantung

trailing edge

passage

vortex curl flow

cascade wall Axial

Velocity Ratio (AVR mean radius

passage vortex curl flow tip-clearance (tip) hub tip clearance

tip clearance vortex passage vortex

λ

dari intensitas yang pada

prinsipnya sangat dipengaruhi oleh besarnya yang diberikan. Semakin besar

maka akan

semakin mendominasi aliran dekat sehingga

material yang semula terpusat di sudut belakang sekarang terpusat di

pusat . Pola aliran dan

kronologi terjadinya aliran sekunder berupa pada diilustrasikan dengan baik oleh Kang dan Hirsch [5] pada gambar 2. Kang dan Hirsch memilih NACA 65-(18)10 dengan sudut stagger lemah. Sedangkan tip clearance flow diilustrasikan oleh Inoue [6] pada gambar 3.

Penelitian ini akan difokuskan pada pemodelan secara numerik dan visualisasi

dengan menggunakan untuk

aliran sekunder pada kaskade kompresor aksial berprofil British 9C7/42.5C50 stagger lemah dengan dan tanpa Hasil penelitian ini akan memberikan suatu tambahan informasi mengenai pengaruh penambahan

tip clearance vortex tip clearance

tip clearance tip clearance vortex cascade wall low energy boundary layer

suction side tip clearance vortex vortex tip clearance

blade oil-flow picture endwall tip-clearance. blade loading (a) (b)

Gambar 1. Aliran tiga dimensi untuk = 30 = 18 c/l = 0; (a) Oil flow picture, (b) Sketsa aliran tiga dimensi [4].

dihasilkan dapat dilihat pada gambar 4 dan 5;

2. Models. Merupakan pemodelan jenis penyelesaian yang digunakan yaitu

dan . Model turbulen yang dipakai adalah k- Realizable;

1. Membuat campuran untuk pemolesan pada daerah yang telah ditentukan, yaitu dari

dan dengan perbandingan 1:8:1;

double precision segregated

titanium powder, palm oil tinner ε

3. Materials. Merupakan penetapan jenis material yang akan digunakan, yaitu udara

dengan 1,225 kg/m dan

1,7894x10 kg/m.s;

4. Operating Condition. Merupakan perkiraan kondisi daerah operasi yang biasanya merupakan perkiraan tekanan pada daerah operasi, yakni sebesar 101325 Pascal;

5. B o u n d a r y C o n d i t i o n . M e r u p a k a n penentuan parameter-parameter dan batasan yang mungkin terjadi pada aliran. Kondisi batas menggunakan harga

sekitar Re =3,286.10 ; 6. Solution. Adalah tahap penyelesaian

masalah berupa proses iterasi hingga mencapai harga

yang diinginkan, dalam penelitian ini harganya sebesar 10 ;

7. Postprocessing. Merupakan penampilan hasil serta analisa terhadap hasil yang telah diperoleh. Pengunaan model numerik dapat menghasilkan kontur koefisien tekanan statis dan .

Visualisasi aliran merupakan cara untuk mengetahui secara nyata (kasat mata) fenomena aliran sekunder yang terjadi pada kaskade kompresor. Prosedur pengambilan visualisasi adalah sebagai berikut:

density viscouscity inlet Reynolds Number convergence criterion pathlines 3 5 5 -3 c pada sudu yang memiliki besar dan

pengaruh adanya terhadap pola aliran yang terjadi. Jika selama ini penelitian yang telah ada menunjukkan dengan

penambahan menyebabkan

yang kuat maka pada penelitian ini adanya yang besar akan menjadikan terbentuk semakin kuat lagi. Apalagi dengan adanya akan menyebabkan aliran sekunder yang terjadi sangat hebat karena terdapat gabungan dari

terhadap

Pemodelan secara numerik dapat memperjelas diskripsi aliran yang terjadi sehingga dapat menambah data base mengenai aliran sekunder pada kaskade kompresor aksial.

Perangkat lunak

(CFD) yang digunakan dalam penelitian numerik adalah program Fluent 6.0. Langkah-langkah dalam penggunaan CFD adalah sebagai berikut:

camber clearance

blade loading cross

passage flow camber cross passage flow

clearance tip clearance flow cross passage flow.

Computational Fluid Dynamics

METODE PENELITIAN

1. Grid. Pada langkah ini kita mengimport grid yang telah kita buat dulu pada Gambit. Bentuk yang

software meshing

Gambar 2. Skema aliran di daerah tip-clearance

2. Memasang benda uji pada lorong angin dengan pemasangan secara vertikal; 3. Memoleskan campuran yang telah dibuat

ke daerah yang telah ditentukan;

4. Menghidupkan sesuai dengan kecepatan sebesar 30 m/s (putaran 1340 rpm) sampai terbentuk pola-pola aliran sekunder pada permukaan model; 5. Mematikan dan mengeluarkan model

dari lorong angin;

6. Melakukan pemotretan pada model yang telah dikeringkan.

Perubahan menyebabkan

perubahan pola aliran sekunder di

kaskade kompresor. Hasil pemodelan numerik dan visualisasi eksperimen yang dilakukan Djanali [7] dengan menggunakan profil sudu British 9C7/32,5C50 dapat dipergunakan sebagai pembanding.

Pada gambar 6 dan 7 hasil eksperimen untuk yang tanpa , terlihat bahwa pada pemberian pembebanan yang sama menghasilkan fenomena menarik yaitu

semakin besar maka semakin

kuat pula intensitas di

dan di . Analisa

mengenai hal ini harus kembali pada dasar 2D kontur isobar dan dari sudu tersebut. Sudu yang memiliki

lebih besar (lebih lengkung) akan memiliki perbedaan tekanan maksimum dan m i n i m u m y a n g s e m a k i n b e s a r s e r t a pembentukan 2D yang semakin ke depan. Kedua hal itulah yang menyebabkan aliran sekunder 3D yang terbentuk semakin hebat.

Gambar 8a, 8b, dan 8c menunjukkan fan fan fan camber angle endwall clearance camber angle

cross passage flow blade passage curl flow trailing edge

history history wake

camber angle

wake

PEMBAHASAN

bahwa dengan adanya kenaikan membuat lokasi

mengalami pergeseran yang semakin menuju dan menjauhi sudu itu sendiri. Ini dikarenakan, aliran pada

dipaksa untuk melalui daerah percepatan

sedangkan aliran pada harus

melintasi daerah pembebanan yang semakin membesar sehingga energi yang digunakan. juga akan semakin besar. Akibat semakin besarnya energi yang dihabiskan untuk

melewati dan ini maka

aliran harus terseparasi lebih awal agar mampu melintasi . Selain itu lengkung cabang

berupa yang

mengarah ke sudu di sebelahnya akan memiliki yang semakin kuat dengan

penambahan . Pada daerah

, intensitas yang terjadi juga semakin menguat terlihat dengan semakin

melengkungnya dekat .

Untuk memprediksi pola aliran sekunder di belum cukup dengan hanya melihat

goresan yang terbentuk.

Sebagaimana diketahui bahwa di daerah kondisi aliran dapat dikatakan sama dengan aliran melintasi lorong sudu tanpa adanya atau berupa aliran dua dimensi. Aliran yang jauh dari dinding ini memiliki momentum yang sangat besar sehingga mudah melewati lengkung sudu dengan kejadian aliran dipercepat sampai titik optimum, kemudian mengalami perlambatan sampai terjadi separasi dua dimensi. Semakin mendekati dinding maka aliran akan terpengaruh oleh lapisan batas selain lapisan batas sudu. Aliran yang terkena angle of attack forward saddle point lower side leading edge

upper side lower side

upper side lower side nose

separation line cross passage flow upper side

slope

angle of attack exit

cascade curl flow

curl flow trailing edge endwall

shear stress line midspan

wall

wall

pengaruh lapisan batas akan mengalami hambatan sehingga momentumnya jadi kecil, padahal diketahui bahwa aliran akan bergerak dari daerah kaya energi menuju daerah miskin energi. Dalam hal ini momentum aliran pada yang kecil tidak akan banyak berperan dalam pergerakan aliran. Oleh karena itulah tekanan statis menjadi faktor yang sangat dominan dalam menentukan pergerakan aliran. Analisa kontur koefisien tekanan statis (isobar) yang didapat dari simulasi numerik seperti gambar 9 akan sangat membantu memprediksi aliran sekunder.

Pada , harga

tekanannya masih cenderung konstan karena aliran belum mengalami gangguan. Memasuki , aliran yang semula bergerak dalam satu koloni terbagi menjadi dua kelompok mengarah ke dua daerah yang berbeda, yaitu daerah bertekanan rendah dan daerah bertekanan tinggi. Daerah tekanan rendah terletak pada bagian tengah

sudu yang ditunjukkan oleh warna biru. Daerah tekanan tinggi terletak pada bagian

sudu mulai dari sampai ke

. Di depan dapat

ditemukan adanya melingkar yang memiliki harga tekanan statik yang lebih besar dari tekanan statik di sekitarnya. Hal ini

wall

endwall

inlet cascade wall region

blade cascade wall region

upper side lower side leading edge

trailing edge leading edge contour line

menunjukkan adanya fenomena seolah-olah di daerah ini aliran dihentikan secara mendadak,

kemudian terbentuk .

Fenomena ini pada akan

terdeteksi sebagai

Pada daerah antara dua yaitu

dan sudu di

bawahnya terdapat perbedaan tekanan. Ini memungkinkan adanya aliran yang mengarah

dari sudu atas menuju

sudu bawah. Pada kejadian inilah yang terdeteksi sebagai

. Di daerah sekitar

masih terlihat pola kontur isobar bertekanan rendah sedangkan pada daerah nya terbentuk area bertekanan tinggi. Akibatnya adalah terjadi aliran memutari

dari menuju . Fenomena

ini merupakan kejadian yang bisa menjelaskan terjadinya .

Kontur isobar pada gambar 9 dan 10 dapat digunakan untuk memperkirakan arah aliran fluida berdasarkan kecenderungan fluida mengalir dari daerah bertekanan tinggi ke daerah bertekanan lebih rendah. Atau dengan kata lain, kontur isobar yang ditunjukkan pada daerah untuk tanpa

merupakan suatu sebab terjadinya aliran local stagnation pressure

oil flow picture saddle point.

blade pressure side suction side

pressure side suction

side oil flow picture

cross passage flow upper side trailing edge

lower side trailing edge lower side upper side

curl flow

endwall tip clearance

Gambar 6. Oil flow picture ( = 32,5º = 30º = 4º c/l =0%) [7].θ γ

sekunder bukan merupakan suatu akibat. Penjelasannya sebagai berikut, pada gambar 10 terlihat bahwa kontur isobar pada identik dengan kontur isobar pada meskipun levelnya berbeda. Ini menunjukkan bahwa kontur isobar sepanjang secara kualitatif adalah sama. Padahal karakteristik aliran yang ditunjukkan pada sangat berbeda dibandingkan pada

, misalnya yang

terjadi pada tidak terjadi pada . Pada aliran yang memasuki sudu adalah aliran yang kaya energi sehingga kontur isobar tidak berpengaruh terhadap aliran dan aliran mampu melewati lorong sudu dengan baik. Sedangkan pada endwall, aliran dekat dinding adalah aliran yang miskin energi atau momentum kinetiknya sangat rendah sehingga kontur isobar sangat mempengaruhi aliran tersebut.

Gambar 11 menunjukkan hasil visualisasi aliran dan prinsip topologi yang didapat dari

analisa pada untuk

4 , 8 dan 12 dengan Gambar11a, 11b dan 11c menunjukkan bahwa dengan pembebanan yang lebih besar ( lebih besar), titik separasi akan bergeser ke arah depan dan daerah

menjadi semakin luas. Hal ini disebabkan aliran semakin tangensial sehingga aliran yang memasuki dipercepat, akibatnya

tidak lagi hanya terjadi di daerah tetapi meluas ke arah . midspan

endwall span midspan

endwall cross passage flow endwall

midspan midspan

skin friction line endwall

angle of attack tip

clearance.

angle of attack

jet flow

tip clearance

jet flow tip

clearance leading edge

º º º

Meningkatnya intensitas menyebabkan

dengan menjadi

semakin kuat dan semakin jauh dari

sehingga yang terjadi

juga semakin hebat. Selain itu, kuatnya

intensitas akan

menyebabkan lintasan semakin ke atas atau tangensial. Hal ini disebabkan

akan semakin mendesak ke atas. yang semakin tangensial ini juga menyebabkan posisi titik separasi di dekat bergeser maju semakin mendekati bagian tengah sudu. Analisa kontur koefisien tekanan yang didapat dari simulasi numerik seperti gambar 12 akan sangat membantu memprediksi aliran sekunder dekat

Kontur koefisien tekanan yang diperoleh dari hasil numerik untuk konfigurasi kaskade dengan pada menunjukkan bahwa distribusi tekanan terbagi menjadi dua daerah yaitu daerah bertekanan rendah dan daerah bertekanan tinggi.

Daerah tekanan rendah menguasai hampir di semua daerah hingga daerah di atas , dimana daerah tekanan minimum berada di daerah

. Daerah tekanan tinggi menguasai sudu hingga ke bagian belakang sudu. Tekanan minimum yang berada di daerah sudu yang bersangkutan menyebabkan terjadinya

yang dipercepat menjadi dan

mengalami membentuk

jet flow rolling up passage flow

suction side tip clearance vortex

tip clearance flow vortex jet flow passage flow Jet flow trailing edge endwall cascade compressor. tip clearance cascade wall tip clearance suction side tip clearance lower side suction side

tip clearance flow jet flow

rolling up tip

(a)α= 4º (b)α= 8º (c)α= 12º

clearance vortex

suction side Tip

clearance vortex jet

flow tip

tip trailing edge

tip clearance vortex suction side tip clearance endwall midspan tip trailing edge

tip clearance vortex

tip trailing edge

vortex

vortex

yang arahnya membujur dari ke belakang lorong sudu.

yang dipercepat menjadi pada mengakibatkan tekanan pada

bagian dekat menjadi sangat

rendah. Pada grafik kontur isobar, ini ditandai dengan adanya tonjolan-tonjolan pada daerah kontur di atas

hingga ke belakang.

Pada aliran dengan , kontur isobar pada berbeda dengan pada , seperti gambar 13. Perbedaan itu terletak pada bagian dan tonjolan-tonjolan

di dekat sampai di belakang

lorong sudu, tonjolan-tonjolan ini merupakan

suatu akibat adanya di

bagian dekat yang

intensitasnya kuat. Intensitas yang kuat ini akan menginduksi aliran sekitar ke belakang sudu mengakibatkan palung tekanan rendah yang tampak sebagai tonjolan-tonjolan pada kontur isobar. Jadi kontur isobar akan berubah jika terdapat dengan intensitas yang sangat kuat.

Hasil penelitian yang telah dilakukan menunjukkan bahwa:

KESIMPULAN

1. Semakin lengkung suatu sudu akan mengakibatkan intensitas

dan yang terbentuk semakin kuat;

2. kontur isobar 2D sangat

menentukan pola-pola aliran sekunder yang terjadi pada , baik pada konfigurasi tanpa maupun dengan

cross passage flow curl flow

History

nearwall flow

tip

clearance.

Posisi forward saddle point lower side leading edge

cross passage flow curl flow

forward saddle point leading edge jet flow

tip clearance vortex

“Tip Clearance Flow ini Axial Compressor”

“Experimentelle und Theorische Stromung in Verdichtergitten”

Sementara untuk variasi

yang semakin bertambah menghasilkan kesimpulan sebagai berikut:

3. Perbedaan tekanan antara

dan semakin meningkat;

3. Lintasan semakin ke

depan dan semakin tangensial.

[3] Kang, S. 1993. “Investigation on Three Dimensional within a Axial Compressor with and without Tip Clearance”. PhD Thesis, Vrije Universiteit Brussel Belgium.

angle of attack

pressure side suction side

tip clearance vortex

Tanpa tip clearance

Dengan tip clearance

DAFTAR PUSTAKA

1. semakin

bergeser ke arah dan menjauhi ;

2. Intensitas dan

menjadi semakin kuat;

1. Posisi semakin

bergeser ke depan menjauhi ; 2. Intensitas semakin menguat

sehingga juga semakin hebat; [1] Storer, J.A. 1991. . PhD Disertation, University of Cambridge. [2] Hubner, J. 1991. . Dissertation Universitat der Brundeswerhr, Muenchen.

Gambar 9. Kontur isobar di endwall ( = 42,5º, = 30º, = 4º, c/l = 0%).θ

[4] S a s o n g k o , H . 1 9 9 7 . “ R a n d a n d Spaltstromungen in Stark Gestaffelten Verdichtergitten aus Schwach Gewolbten Profilen”. ZLR-Forschungsbericht 97- 01. [5] K a n g , S a n d H i r s c h , C . 1 9 9 3 .

“ E x p e r i m e n t a l S t u d y o n T h r e e Dimensional Flow Within A Compressor Cascade With Tip-Clearance: Part II Tip L e a k a g e Vo r t e x ” . J o u r n a l o f Turbomachinery, Vol 115.

[6] Inoue, M. Kuroumaru, M and Fukuhara, M. 1986.

. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol 108.

[7] Djanali, Vivien Suphandani. 2003. “Visualisasi Aliran Sekunder (Numerik d a n E k s p e r i m e n ) p a d a K a s k a d e Kompressor Aksial Profil British 9C7/32.5C50 Stagger Lemah Dengan dan Tanpa Tip Clearance”. Tugas Akhir Jurusan Teknik Mesin FTI-ITS Surabaya.

“Behavior of Tip Leakage Flow Behind an Axial Compressor Rotor”

(a)α= 4º (b)α= 8º (c)α= 12º

Gambar 11. Oil flow picture ( = 42,5ºθ γ= 30ºα= 4º, 8º dan 12º c/l =3%).

Gambar 12. Kontur isobar di endwall ( = 42,5º = 30º = 4º c/l = 3%).

θ

γ α Gambar 13. Kontur isobar di span ( = 42,5º= 30º = 4º c/l = 3%). θ