BAB V
Pengujian dan Analisis Mesin Turbojet ”Olympus”
Pada bab ini akan dibahas mengenai pengujian serta analisis hasil pengujian yang dilakukan. Validasi dilakukan dengan membandingkan hasil pengujian terhadap data dari AMT Netherland serta referensi lain yang berkaitan dengan pengujian ”Olympus”.
5.1 Pengujian
Pengujian dilakukan pada tanggal 29 Januari 2008 di Dinas Penelitian dan Pengembangan TNI Angkatan udara (Dislitbang TNI AU).
Prosedur yang digunakan dalam pengujian ini terdiri dari dua tahap yaitu:
1. Tahap pra-pengujian
Pada tahap ini dilakukan instalasi alat ukur yang telah dibuat sebelumnya. Tempat pengujian dipastikan terlebih dahulu terbebas dari benda-benda kecil yang tidak diinginkan yang dapat masuk ke dalam mesin. Mesin menghadap ke dalam pipa inlet serta exhaust mesin diarahkan keluar ruangan. Untuk menjamin tingkat keselamatan, disiapkan sebuah pemadam api untuk berjaga-jaga jika terjadi ledakan dan kobaran api.
Sebelum mesin dinyalakan semua sensor dipastikan telah terinstalasi dan dapat bekerja dengan baik. Turbojet yang telah siap diuji ditunjukkan pada gambar 5.1.
Gambar 5.1 Turbojet yang telah siap diuji
2. Tahap pengujian
Pengukuran tekanan atmosfer, temperatur atmosfer, dan kelembababan atmosfer dilakukan sebelum penyalaan. Hal ini penting dilakukan untuk menentukan kerapatan udara pada kondisi di tempat pengujian. Tekanan atmosfer, temperatur atmosfer, dan kelembababan atmosfer pada saat pengujian adalah sebagai berikut:
Tekanan atmosfer = 93826.95 Pa Temperatur atmosfer = 299.15 K Kelembaban atmosfer = 73 %
Dalam tahap pengujian, pengambilan data dilakukan setiap kenaikan 10000 RPM dengan rentang waktu untuk masing-masing data selama 15 detik. Untuk memudahkan pengambilan data, data keluaran signal conditioner direkam menggunakan kamera digital sehingga tidak memerlukan pencatatan secara manual.
Setelah semua sensor dan operator siap, turbojet dinyalakan. Penyalaan awal menggunakan motor listrik dengan bahan bakar gas propana. Setelah mencapai kondisi idle pada 35000 RPM, bahan bakar propana diganti menjadi kerosene. Dari kondisi idle, putaran mesin akan dinaikkan secara kontinyu hingga mencapai putaran 105000 RPM.
Prosedur penyalaan awal dapat dilihat pada gambar 5.2.
Gambar 5.2 Prosedur penyalaan awal
Pada pengujian ini, pengambilan data dilakukan dua kali. Kelompok data pertama diambil dari putaran idle ke putaran maksimum lalu dilanjutkan dengan pengambilan kelompok data kedua dari putaran maksimum ke putaran idle. Hal ini dilakukan untuk mendapatkan data yang seragam serta konsisten. Tabel 5.1 menunjukkan data hasil
pengujian yang dilakukan. Selanjutnya data ini akan dikonversi menjadi variabel yang diinginkan.
Tabel 5.1 Parameter hasil pengukuran
RPM EGT (deg C)
Voltase Signal conditioner (Volt)
Voltase pressure transducer
(Volt)
∆masa bahan bakar (gram) ∆t
(detik)
kiri kanan
37000 506 -0.8263 -0.8361 1.4649 31 15 47000 520 -0.8324 -0.8434 2.1439 44 15 57500 442 -0.8401 -0.8579 2.9183 57 15 64500 446 -0.8479 -0.8686 3.3470 61 15 76000 460 -0.8646 -0.8934 4.0035 64 15 85000 483 -0.8854 -0.9253 4.5519 80 15 95000 548 -0.9150 -0.9640 --- 100 15 105500 755 -0.9516 -1.0194 --- 144 15
94500 584 -0.9160 -0.9594 4.9931 90 15 85500 543 -0.8824 -0.9230 4.5763 68 15 75000 503 -0.8621 -0.8877 3.9867 63 15 65000 492 -0.8497 -0.8659 3.4244 59 15 52500 511 -0.8370 -0.8450 2.6010 54 15 45500 594 -0.8316 -0.8370 2.0552 46 15 36000 621 -0.8300 -0.8310 1.3903 33 15
Pada putaran mesin 95000 RPM dan 105500 RPM, voltase masuk pressure transducer melebihi voltase maksimum pressure transducer, sehingga pressure transducer tidak mampu mengindera voltase. Untuk mengatasi hal tersebut, digunakan DPI untuk mengukur tekanan dinamik yang telah diindera tabung pitot.
Melalui parameter-parameter yang telah diukur, nilai parameter yang diinginkan dicari menggunakan kurva kalibrasi yang telah dibuat sebelumnya. Tabel 5.2 menampilkan parameter-parameter yang telah dikalibrasi menjadi parameter gaya dorong, debit udara masuk kompresor, debit bahan bakar, dan EGT turbojet selama pengujian.
Tabel 5.2 Hasil pengujian setelah kalibrasi GAYA DORONG (Kg)
RPM EGT
(deg C) Kiri Kanan Total
Debit udara
masuk (kg/det) Debit bahan bakar (gr/det) 37000 506 0.4033 0.6227 1.0261 0.1314 2.0667 47000 520 0.7967 0.9985 1.7952 0.1708 2.9333 57500 442 1.2907 1.7427 3.0334 0.2234 3.8000 64500 446 1.7848 2.2953 4.0801 0.2589 4.0667 76000 460 2.8552 3.5774 6.4325 0.3230 4.2667 85000 483 4.1908 5.2205 9.4113 0.3852 5.3333 95000 548 6.0846 7.2172 13.3018 0.4539 6.6667 105500 755 8.4266 10.0761 18.5027 0.4945 9.6000
94500 584 6.1486 6.9814 13.1301 0.4406 6.0000 85500 543 3.9987 5.1026 9.1013 0.3882 4.5333 75000 503 2.6996 3.2826 5.9823 0.3212 4.2000 65000 492 1.9037 2.1553 4.0590 0.2659 3.9333 52500 511 1.0895 1.0796 2.1690 0.2002 3.6000 45500 594 0.7418 0.6669 1.4088 0.1656 3.0667 36000 621 0.6412 0.3575 0.9987 0.1269 2.2000
5.2 Analisis Hasil Pengujian
Gambar 5.3,5.4,5.5, dan 5.6 menampilkan hasil pengukuran yang telah dilakukan.
Dari hasil tersebut akan dilakukan analisis kinerja turbojet.
RPM Vs Fuel flow
0 2 4 6 8 10 12
0 20000 40000 60000 80000 100000 120000
RPM
Fuel flow pengujian (gr/det)
RPM naik RPM turun
Gambar 5.3 Grafik Debit bahan bakar Vs putaran mesin.
Kurva RPM Vs Gaya
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0 20000 40000 60000 80000 100000 120000
RPM (Pengujian) Gaya dorong total (Pengujian) (Kg)
RPM Naik RPM turun
Gambar 5.4 Grafik gaya dorong Vs putaran mesin.
RPM Vs EGT
0 100 200 300 400 500 600 700 800
0 20000 40000 60000 80000 100000 120000
RPM
EGT (oC)
RPM naik RPM Turun
Gambar 5.5 Grafik EGT Vs putaran mesin.
Grafik RPM Vs debit udara masuk
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
0 20000 40000 60000 80000 100000 120000
RPM Debit udara (pengujian) (ger/det)
RPM naik RPM turun
Gambar 5.6 Grafik Debit udara Vs putaran mesin.
Dari grafik debit bahan bakar vs putaran mesin (gambar 5.3), dapat dilihat bahwa semakin rendah putaran mesin, bahan bakar yang digunakan semakin sedikit. Pada putaran rendah, udara yang masuk ke kompresor sedikit (gambar 5.6), sehingga massa bahan bakar yang digunakan juga sedikit. Dengan demikian gaya dorong yang dihasilkan akan semakin kecil (gambar 5.4).
Dari grafik EGT Vs RPM (gambar 5.5), terlihat bahwa pada kondisi idle, EGT turbojet tinggi. Dengan naiknya putaran mesin, EGT cenderung stabil kemudian naik drastis pada putaran mesin mulai 90000 RPM. Tinggi nya EGT pada kondisi idle ini disebabkan oleh perbandingan bahan bakar dan udara yang besar. Bahan bakar tidak terbakar sempurna di dalam ruang bakar sehingga terjadi kenaikan temperatur di nozzle.
Pada saat pengujian, terlihat sedikit semburan bahan bakar cair keluar nosel. Hal ini mengindikasikan bahwa tidak semua bahan bakar tercampur sempurna dan terbakar di ruang bakar. Pada putaran rendah, terdapat campuran bahan bakar dan udara yang terbakar di luar ruang bakar, akibatnya api menyembur keluar ruang bakar hingga mencapai turbin. Pada putaran rendah, efiseinsi turbin menjadi rendah karena turbin memiliki kecepatan putar minimum agar mencapai kinerja yang diharapkan. Adanya api yang masuk hingga turbin ini membuat kinerja mesin pada putaran rendah menjadi tidak efisien. Pada grafik EGT Vs RPM ini (gambar 5.5) terjadi masalah hysterisis, yaitu data
pada saat RPM naik tidak sama dengan data pada saat RPM turun. Pada saat pembandingan dengan data dari AMT, kedua data tersebut akan ditampilkan.
Gaya dorong merupakan parameter paling penting dalam pengujian turbojet. Pada grafik gaya dorong Vs RPM (gambar 5.4), terlihat bahwa gaya dorong turbojet meningkat dengan naiknya putaran mesin. Gaya dorong ini sangat dipengaruhi oleh parameter-parameter lain pada saat operasional. Pada pengujian ini, parameter yang diatur adalah debit bahan bakar masuk ke turbojet. Debit ini diatur menggunakan pompa yang tersambung melalui solenoida dan dapat diatur langsung melalui remote control.
5.2.1 Normalisasi parameter hasil pengujian
Dari gambar 5.3, 5.4, 5.5 dan 5.6 dapat dilihat bahwa kecenderungan masing- masing parameter telah sesuai dengan teori yang ada. Untuk validasi, dilakukan perbandingan dengan data-data yang telah diberikan oleh AMT, perhitungan teoritik ataupun referensi lain yang membahas kinerja turbojet ini.
Data - data yang disediakan oleh AMT adalah data-data variabel dalam temperatur dan tekanan udara standar ( 101325 Pa dan 288 K), sehingga perlu dilakukan normalisasi terhadap hasil pengujian. Persamaan-persamaan yang digunakan adalah sebagai berikut [13]:
*101325*
* 288
normalized
ma Tamb
ma = Pamb
(5.1)*101325
norm alized
thru st T hru st
P a m b
=
(5.2)* 288
normalized
RPM rpm
= Tamb
(5. 3)*101325* 288
normalized
* mf mf
Pamb Tamb
=
(5.4) .Hasil perhitungan diberikan pada tabel 5.3. Hasil tersebut selanjutnya dapat dibandingkan dengan data – data dari AMT.
Tabel 5.3 Hasil normalisasi parameter hasil pengujian
RPM Fuel flow (gr/det) Thrust (Kg) EGT (Deg C) Mass flow
36303.92 2.1898 1.1228 506 0.1446 46115.78 3.1082 1.9644 520 0.1880 56418.25 4.0265 3.3193 442 0.2459 63286.55 4.3090 4.4645 446 0.2850 74570.2 4.5209 7.0386 460 0.3555 83400.89 5.6512 10.2981 483 0.4240 93212.76 7.0640 14.5552 548 0.4996 103515.2 10.1721 20.2461 755 0.5443 92722.16 6.3576 14.3672 584 0.4850 83891.48 4.8035 9.9588 543 0.4272 73589.02 4.4503 6.5459 503 0.3535 63777.15 4.1677 4.4415 492 0.2926 51512.31 3.8145 2.3734 511 0.2204
44644 3.2494 1.5415 594 0.1822
35322.73 2.3311 1.0928 621 0.1397
5.3 Validasi hasil pengujian
Validasi dilakukan dengan membandingkan data hasil pengujian dengan referensi dari data AMT dan tesis master John Ebaid dari Cranfield University [13] serta perhitungan termodinamika. Validasi yang dilakukan adalah sebagai berikut:
1. Gaya dorong akan di validasi menggunakan data – data dari AMT serta menggunakan perhitungan termodinamika yang telah dijelaskan pada bab 2. Perhitungan termodinamika ini dilakukan dengan bantuan perangkat lunak MATLAB.
2. Debit bahan bakar dan EGT akan dibandingkan dengan data – data dari AMT.
3. Debit udara masuk dibandingkan dengan pengujian serupa yang dilakukan John Ebaid dari Cranfield university [13]. Namun pada tesis tersebut turbo jet yang digunakan adalah ”Olympus” versi 190 N sehingga yang dibandingkan hanya kecenderungan grafik saja.
5.3.1 Validasi gaya dorong, debit bahan bakar dan EGT
Sebelum validasi dilakukan, data hasil perhitungan terlebih dahulu di interpolasi untuk mendapatkan parameter yang sama. Parameter yang di interpolasi adalah putaran mesin, sehingga parameter ini akan sama dengan data dari AMT. Pada validasi ini juga dilakukan extrapolasi gaya dorong hasil pengujian untuk melihat gaya dorong yang terjadi pada RPM maksimum menurut AMT. Hasil extrapolasi dan interpolasi hasil pengujian ditunjukkan pada tabel 5.6 (halaman 66).
Data yang diberikan oleh AMT masih dalam bentuk grafik, sehingga untuk mendapatkan data berupa angka, dilakukan plot terhadap grafik tersebut. Gambar 5.7, 5.8, dan 5.9 menunjukkan grafik data ”Olympus” yang diberikan oleh AMT.
Gambar 5.7 Debit bahan bakar vs putaran mesin (data AMT)
Gambar 5.8 gaya dorong vs putaran mesin (data AMT)
Gambar 5.9 EGT vs putaran mesin (data AMT)
Dari gambar 5.7, 5.8, dan 5.9 diperoleh data-data yang digunakan untuk memvalidasi hasil pengujian. Data yang telah dikuantifikasi disajikan pada tabel 5.4.
Data inilah yang dibandingkan dengan data pengujian.
Perhitungan teoritik dilakukan dengan bantuan perangkat lunak MATLAB. Pada perhitungan ini, hanya dihitung gaya dorong yang terjadi pada putaran mesin maksimum
yaitu sebesar 108500 RPM. Efisiensi kompresor dan turbin di ruang bakar divariasikan dalam 3 nilai, yaitu 0.7, 0.75 dan 0.8 [13][5]. sedangkan kerugian tekanan di ruang bakar, efisiensi nosel, efisiensi mekanik turbin-kompresor diasumsikan konstan. Hasil lengkapnya ditunjukkan pada tabel 5.5.
Tabel 5.4 Data-data dari AMT
RPM Fuel flow (gr/det) Thrust (Kg) EGT (Deg C) Mass flow
34000 2.0000 1.3000 393.3333 -
40000 2.1111 1.0000 396.6667 -
50000 2.7222 2.0000 417.0000 -
60000 3.3333 3.3333 426.6667 -
70000 3.8333 6.3333 430.0000 -
80000 5.0000 9.3333 426.6667 -
90000 5.8889 14.1667 466.6667 - 100000 8.2778 19.5000 553.3333 -
108000 11 23 700 0.45
Tabel 5.5 Hasil perhitungan secara teoritik
RPM ηc ηt ηn ηm ∆Pb Thrust
108000 0.7 0.7 0.9 0.95 0.1 187.3 108000 0.75 0.75 0.9 0.95 0.1 238.42 108000 0.8 0.8 0.9 0.95 0.1 269.3
Tabel 5.6 Hasil interpolasi data hasil pengujian
RPM Fuel flow (gr/det) Thrust (Kg) EGT (Deg C) Mass flow (kg/det)
34000 2.0875 0.9771 563.7720 0.1341 40000 2.6638 1.3789 559.3628 0.1610 50000 3.5722 2.3327 509.9341 0.2109 60000 4.1164 3.8605 470.9687 0.2683 70000 4.3910 5.8861 476.6530 0.3291 80000 4.9430 8.8562 501.0166 0.3985 90000 6.2400 13.0848 549.0390 0.4710 100000 9.0207 18.3179 691.8389 0.5270 108000 11.5251 22.7234 845.1095 0.5637
Perbandingan hasil pengujian dibuat pada gambar 5.10, 5.11, dan 5.12.
Grafik RPM Vs Debit bahan bakar
0.0000 2.0000 4.0000 6.0000 8.0000 10.0000 12.0000 14.0000
0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 RPM
Debit bahan bakar (gr/det)
Pengujian AMT
Gambar 5.10 Grafik debit bahan bakar Vs putaran mesin (hasil perbandingan)
Grafik RPM Vs Gaya dorong
0 5 10 15 20 25 30
0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 RPM
Gaya dorong (Kg)
Pengujian AMT Teoritik_0,7 Teoritik_0,75 Teoritik_0,8
Gambar 5.11 Grafik gaya dorong Vs putaran mesin (hasil perbandingan)
Kurva RPM Vs EGT
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 RPM
EGT (deg C)
amt pengujian RPM naik pengujian RPM turun
Gambar 5.12 Grafik EGT Vs putaran mesin (hasil perbandingan)
Perbedaan kuantitas antara hasil pengujian dengan data AMT ditunjukkan pada tabel 5.7, 5.8 dan 5.9 .
Tabel 5.7 Perbandingan hasil pengujian debit bahan bakar dan data AMT
Fuel flow (gr/det)
RPM Pengujian AMT Delta Persentase (%)
34000 2.0875 2.0000 0.0875 4.3751 40000 2.6638 2.1111 0.5527 26.1817 50000 3.5722 2.7222 0.8500 31.2254 60000 4.1164 3.3333 0.7831 23.4919 70000 4.3910 3.8333 0.5577 14.5487 80000 4.9430 5.0000 0.0570 1.1400 90000 6.2400 5.8889 0.3511 5.9614 100000 9.0207 8.2778 0.7429 8.9748 108000 11.5251 11.0000 0.5251 4.7741
Tabel 5.8 Perbandingan hasil pengujian EGT dan data AMT
EGT (Deg C)
RPM Pengujian AMT Delta Persentase (%)
34000 563.7720 393.3333 170.4387 43.3319 40000 559.3628 396.6667 162.6961 41.0158 50000 509.9341 417.0000 92.9341 22.2863 60000 470.9687 426.6667 44.3020 10.3833
Tabel 5.8 Perbandingan hasil pengujian EGT dan data AMT (lanjutan)
EGT (Deg C)
RPM Pengujian AMT Delta Persentase (%)
80000 501.0166 426.6667 74.3500 17.4258 90000 549.0390 466.6667 82.3723 17.6512 100000 691.8389 553.3333 138.5056 25.0311 108000 845.1095 700.0000 145.1095 20.7299
Tabel 5.9 Perbandingan hasil pengujian gaya dorong dan data AMT
Thrust (Kg)
RPM Pengujian AMT Delta Persentase (%)
34000 0.9771 1.3000 0.3229 24.8369 40000 1.3789 1.0000 0.3789 37.8876 50000 2.3327 2.0000 0.3327 16.6362 60000 3.8605 3.3333 0.5272 15.8162 70000 5.8861 6.3333 0.4472 7.0617 80000 8.8562 9.3333 0.4771 5.1117 90000 13.0848 14.1667 1.0819 7.6369 100000 18.3179 19.5000 1.1821 6.0623 108000 22.7234 23.0000 0.2766 1.2026
Dari tabel – tabel diatas dapat disimpulkan:
1. Tabel perbandingan gaya dorong terhadap RPM menunjukkan bahwa antara hasil pengujian yang dilakukan dengan data dari AMT tidak banyak terjadi perbedaan.
Perbedaan sebesar 1,18 kg maksimum terjadi pada RPM 100000. Perbedaan dengan perhitungan secara teoritis terlihat bila efisiensi kompresor dan turbin 0.7 dan 0.8 (gambar 5.11). Dari hasil ini dapat disimpulkan bahwa efisiensi kompresor dan turbin turbojet ”Olympus” ini berkisar 0.72 - 0.74
2. Dari tabel debit bahan bakar terhadap RPM (tabel 5.5), perbedaan terbesar terjadi pada 50000 RPM sebesar 0.85 gr/detik. Hal ini kemungkinan disebabkan oleh tidak sempurnanya pembakaran di dalam ruang bakar saat pengujian di putaran mesin rendah. Akibatnya terjadi pembakaran pada turbin dan nosel yang mengurangi efisiensi konversi energi bahan bakar. Hal ini menyebabkan dibutuhkannya bahan bakar lebih banyak untuk putaran mesin yang sama.
3. Dari tabel EGT terhadap RPM, perbedaan terbesar terjadi pada putaran mesin 34000 RPM atau pada kondisi idle. Seperti yang sudah dijelaskan sebelumnya, pada putaran
rendah, pada saat pengujian, terjadi pembakaran tidak sempurna yang menyebabkan EGT tinggi. Hal ini menyebabkan perbedaan besar pada EGT turbojet. Pada grafik EGT vs RPM (gambar 5.12), dapat dilihat bahwa EGT saat RPM naik lebih kecil daripada EGT saat RPM turun, hal ini disebabkan karena pada saat RPM turun, EGT masih dipengaruhi oleh temperatur putaran sebelumnya yang lebih tinggi. Ini disebabkan karena waktu pengambilan data untuk masing – masing putaran mesin sangat singkat.
5.3.2 Validasi debit udara masuk kompresor.
AMT tidak memberikan data lengkap mengenai debit udara masuk kompresor.
Data yang diberikan adalah debit udara masuk kompresor pada RPM maksimum.
Pembandingan dilakukan terhadap tesis master John Ebiad dari Cranfield University [13].
Pada tesis tersebut, “Olympus” yang digunakan adalah versi awal dimana gaya dorong maksimumnya hanya mencapai 19 kg. Maka untuk pembandingan debit udara, hanya dilihat kecenderungan tiap kenaikan putaran mesin. Hasil pengujian yang dilakukan John Ebiad disusun pada tabel 5.10. Perbandingan antara hasil pengujian dan hasil yang didapatkan oleh John Ebiad ditampilkan pada gambar 5.13.
Tabel 5.10 Hasil pengujian debit udara ”olympus” 19 kg [13]
RPM Mass flow
30146.18 0.0941 38547.58 0.1266
52,879 0.2165 70176.36 0.2982
92909.55 0.3492 98839.95 0.3866 103287.7 0.4126 106747.1 0.4350 108229.7 0.4393 108229.7 0.4374 108723.9 0.4478
Grafik RPM Vs debit udara
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
0 20000 40000 60000 80000 100000 120000
RPM
Debit udara (gr/det)
Pengujian Olympus 190 N cranfield AMT
Gambar 5.13 Perbandingan hasil pengujian debit udara kompresor
Dari hasil yang didapat, laju aliran udara masuk kompresor yang terjadi pada putaran rendah memiliki kecenderungan grafik yang sama, namun dengan semakin meningkatnya putaran mesin, perbedaan yang terjadi semakin besar. Hal ini kemungkinan disebabkan oleh ketidaktepatan pemodelan pada simulasi menggunakan perangkat lunak. Hal ini juga mungkin karena pipa yang digunakan saat pengujian memiliki diameter yang tidak seragam dalam arah aksial, sehingga timbul perbedaan pada debit udara yang masuk kompresor antara hasil simulasi dengan hasil pengujian.
Hal lain yang menyebabkan terjadinya perbedaan antara data dari AMT dan hasil pengujian adalah, adanya motor starter, kabel starter dan saluran bahan bakar di dalam pipa inlet. Adanya benda – benda tersebut tidak dimodelkan dalam simulasi sehingga timbul perbedaan antara hasil simulasi dengan hasil pengujian.
