RANCANG BANGUN MODEL JET ENGINE
ESTIMASI KINERJA KOMPRESOR SENTRIFUGAL BERDASARKAN DATA GEOMETRI
DESIGN AND MANUFACTURING OF MODEL JET ENGINE ESTIMATING A PERFORMANCE OF CENTRIFUGAL COMPRESSOR
BASE FROM GEOMETRY DATA
disusun untuk memenuhi salah satu syarat menyelesaikan pendidikan Diploma III Program Studi Teknik Aeronautika
Jurusan Teknik Mesin
oleh:
SAMBAS SAEPULAH NIM. 091221026
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2012
KATA PENGANTAR
Puji serta syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT, karena hanya atas rahmat dan karunia-Nya lah penulis dapat menyelesaikan penyusunan Tugas Akhir ini tepat pada waktunya.
Tugas Akhir ini disusun sebagai syarat dalam menyelesaikan Pendidikan Diploma III di Jurusan Teknik Mesin, Program Studi Teknik Aeronautika, Politeknik Negeri Bandung. Adapun judul Tugas Akhir ini adalah; “RANCANG BANGUN MODEL JET ENGINE – ESTIMASI KINERJA KOMPRESOR SENTRIFUGAL BERDASARKAN DATA GEOMETRI”.
Penulis menyadari sepenuhnya bahwa Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Hal ini dikarenakan keterbatasan yang dimiliki penulis baik dari segi pengetahuan maupun pemahaman materi. Namun, dalam proses penyusunan Tugas Akhir ini penulis banyak mendapatkan pengetahuan dan pengalaman yang sangat berharga. Penulis juga berharap tulisan ini dapat bermanfaat bagi para pembaca.
Akhir kata, penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari para pembaca untuk menyempurnakan penulisan Tugas Akhir ini.
Bandung, 25 Juli 2012
iii
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada pihak-pihak yang telah membantu dan mendukung penulis dalam proses penulisan tugas akhir ini. Orang-orang luar biasa tersebut diantaranya:
1. Kedua orang tua, Mamah dan Bapak tersayang, kakak dan seluruh keluarga yang telah memberikan dukungan moril, materil, dan spiritual.
2. Bapak Radi Suradi Kartanegara, Dipl.Ing., M.Eng, selaku pembimbing yang selalu meluangkan waktu untuk memberikan bimbingan, perhatian, dan dukungannya kepada penulis.
3. Bapak Budi Hartono, ST., MT dan Ibu Dr. Maria F.S, Dipl. Ing, MT, selaku wali dosen yang selalu memberikan motivasi bagi penulis.
4. Bapak Sugianto, ST. M.Eng, selaku koordinator Tugas Akhir yang telah memberikan saran, arahan dan motivasi bagi penulis.
5. Bapak Y.Sinung Nugroho, Bapak Nur Rachmat, Bapak Syarif Hidayat, Bapak Carolus Bintoro, Ibu Maria F.S, Bapak Moh. Luthfi, Bapak Radi Suradi K, Bapak Teguh Wibowo, Bapak Tria Ma’Ariz Arief, Bapak Budi Hartono, Bapak Sugianto, Bapak Singgih Satrio Wibowo, Ibu Lenny Iryani, Bapak Vicky Wuwung, Bapak Sentot Purbadi, selaku staff-staff pengajar yang telah memberikan ilmu, motivasi, dan cerita-cerita berharga tentang kehidupan kepada penulis.
6. Bapak Ir. Ali Mahmudi, M.Eng, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin.
7. Bapak Sep Dase Taryana (Bapak Asep), yang baik hati yang selalu mewarnai hangar dengan senyuman.
8. Ibu Amelia Saraswati, selaku staff administrasi yang selalu membantu dan memfasilitasi kebutuhan penulis yang berhubungan dengan administrasi.
9. Bapak Ade Warman, Bapak Moh. Ilyas, Bapak Suramta selaku teknisi lab komposit dan lab aerodinamika yang selalu memberikan ilmu dan pengalamannya kepada penulis.
10. Bapak Bashar dan Bapak Wanto, selaku teknisi lab fabrikasi dan lab CNC yang telah membantu dalam pembuatan Tugas Akhir dan juga berbagi pengalaman kepada penulis.
11. Rekan-rekan Aero ’07, ’08, ’10, ’11 yang telah menjadi teman-teman penulis selama melaksanakan pendidikan di Politeknik Negeri Bandung.
12. Rekan-rekan seperjuangan Aero ’09 yang telah menjadi saudara selama 3 tahun dalam melaksanakan pendidikan di Politeknik Negeri Bandung, yang selalu kompak dimanapun kita berada.
13. Dini Dyanati Rachmy, yang telah sangat sabar menghadapi sikap dan kemauan penulis dan selalu memberikan dukungan semangat kepada penulis.
Semoga ALLAH SWT membalas semua kebaikannya serta menjadi amal ibadah sebagai bekal untuk kehidupan di akhirat.
v
ABSTRAK
Mesin turbin gas yang ada di laboratorium powerplants Program Studi Teknik Aeronautika POLBAN tidak dapat dioperasikan, sehingga tidak dapat dijadikan sebagai suatu alat test cell. Tetapi mahasiswa sangat perlu belajar suatu test cell dalam mata kuliah Aircraft Propulsion, tidak hanya teorinya saja. Agar ketika terjun di lapangan pekerjaan, khususya jika bekerja di bagian engine shop, mahasiswa sudah terbiasa melakukan test cell, meskipun test cell yang sangat sederhana. Oleh karena itu, sangat dibutuhkan suatu alat atau wahana yang dapat digunakan test cell.
Mesin turbin gas adalah suatu jenis mesin dengan sistem terbuka atau disebut juga external combustion, yang dimana proses kompresi, pembakaran, dan ekspansi terjadi di tempat yang berbeda. Secara umum, komponen mesin turbin gas ini adalah compressor, combustion chamber, dan turbine.
Pada rancang bangun model jet engine ini kompresor yang digunakan berjenis kompresor sentrifugal, ruang bakar menggunakan tipe annular, sedangkan turbin menggunakan jenis turbin radial.
Dari hasil perhitungan yang mengasumsikan lingkungan berada pada kondisi ideal, dan kompresor berputar pada 30.000 rpm maka didapat temperatur keluar kompresor (T2) sebesar 320,02 K, tekanan keluar kompresor (p2) sebesar 146,275 kPa, kecepatan udara masuk kompresor (Vf) sebesar 6,3 m/s, kecepatan keluar kompresor sebesar 23,2 m/s dan rasio kompresi kompresor sebesar 1,44.
Kata Kunci: Model jet engine, gas turbine engine, kompresor sentrifugal, turbin radial, ruang bakar annular.
ABSTRACT
Gas turbine engine in powerplants laboratorium Program Studi Teknik Aeronautika POLBAN cannot be operated, therefore it cannot be operated for test cell tools. But students need to learn test cell in Aircraft Propulsion course, not only teoritical. In order when in the work field, especially for work in engine shop, students already usual to do test cell, although it just very simple test cell. Because of that tools for test cell is very needed.
Gas turbine engine is some engine with open loop system or it can call external combustion, where compression, combustion, and exspansion take in different place. Generally, gas turbine engine component is compressor, combustion chamber, and turbine.
In this design and manufacturing of model jet engine compressor that used is centrifugal flow compressor type, combustion chamber is annular type, and turbine is radial flow turbine type.
In conclusion, from calculation that assume in ideal condition, and compressor turning in 30.000 rpm then obtained compressor exit temperature (T2) is 320,02 K, compressor exit pressure (p2) is 146,275 kPa, compressor inlet velocity (Vf) is 6,3 m/s, compressor outlet velocity is 23,2 m/s and compressor pressure ratio is 1,44.
Key Word: Model jet engine, gas turbine engine, centrifugal compressor, radial turbine, annular combustion chamber.
vii
DAFTAR ISI
LEMBAR PENGESAHAN ... i
KATA PENGANTAR ... ii
UCAPAN TERIMA KASIH... iii
ABSTRAK ... v
ABSTRACT ... vi
DAFTAR ISI ... vii
DAFTAR GAMBAR ... x
DAFTAR TABEL... xiii
DAFTAR LAMPIRAN ... xiv
DAFTAR NOTASI/SIMBOL ... xv
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 2
1.3 Batasan Masalah... 2
1.4 Tujuan Tugas Akhir ... 3
1.5 Sistematika Penulisan... 3
BAB IILANDASAN TEORI ... 4
2.1 Pengertian Mesin Turbin Gas (Gas Turbine Engine) ... 4
2.1.1 Kompresor ... 6
2.1.2 Turbin... 7
2.1.3 Ruang Bakar ... 9
2.2 Teori Dasar Mekanika Fluida... 9
2.2.1 Hukum Bernoulli ... 9
2.2.2 Tekanan ... 10
2.2.3 Hukum St. Venant ... 11
2.2.4 Aliran Melewati Tabung ... 11
2.2.5 Jenis Aliran ... 12
2.2.6 Laju Aliran ... 13
2.3 Teori Dasar Thermodinamika ... 13
2.3.1 Panas Spesifik ( )... 13
2.3.2 Persamaan Gas Sempurna ... 14
2.3.3 Hukum I Thermodinamika... 14
2.3.4 Reversibilitas ... 14
2.3.5 Proses Thermodinamika ... 15
2.3.6 Siklus Turbin Gas ... 18
2.4 Kompresor Sentrifugal ... 19
2.4.1 Kerja Pada Kompresor Sentrifugal ... 23
2.4.2 Segitiga Kecepatan Kompresor Sentrifugal ... 24
2.4.3 Lebar Sudu/Blade ... 26
2.4.4 Sistem Diffuser ... 27
BAB III METODA PENYELESAIAN ... 30
3.1 Metodologi ... 30
3.2 Metoda Pengumpulan Data ... 32
3.3 Perancangan ... 32 3.3.1 Bearing ... 34 3.3.2 Poros/Shaft ... 34 3.3.3 Shaft Tunnel ... 37 3.3.4 Diffuser Wheel ... 38 3.3.5 Diffuser Ring ... 40 3.3.6 Air Intake ... 41 3.3.7 Casing ... 43
3.3.8 Ruang Bakar/combustion chamber ... 43
3.3.9 Nozzle Guide Vanes ... 44
3.4 Perakitan Komponen Keseluruhan ... 44
ix
3.5 Pengujian ... 45
3.6 Pengambilan Data ... 46
BAB IV PROSES, HASIL, DAN PEMBAHASAN ... 47
4.1 Proses dan Hasil Pembuatan ... 47
4.1.1 Kompresor ... 47
4.1.2 Turbin... 48
4.1.3 Bearing ... 48
4.1.4 Pembuatan Poros/shaft ... 49
4.1.5 Pembuatan Shaft Tunnel ... 50
4.1.6 Pembuatan Diffuser Wheel... 51
4.1.7 Pembuatan Diffuser Ring ... 53
4.1.8 Pembuatan Air Intake... 54
4.1.9 Pembuatan Casing ... 55
4.1.10 Pembuatan NGVs dan Ruang Bakar ... 55
4.2 Pembahasan ... 56 4.2.1 Pembahasan Teoritik... 56 4.2.2 Pembahasan Eksperimental ... 60 BAB V PENUTUP ... 63 5.1 Kesimpulan ... 63 5.2 Saran ... 65 DAFTAR PUSTAKA
RIWAYAT HIDUP PENULIS LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2. 1. Penampang dalam Mesin Turbin Gas (turbojet type) ... 4
Gambar 2. 2. Macam-macam turbin gas kompresor a) Kompresor axial, b) Kompresor radial, c) Kompresor diagonal ... 6
Gambar 2. 3. Turbin axial ... 7
Gambar 2. 4. Turbin radial ... 8
Gambar 2. 5. Macam-macam ruang bakar/combustion chamber ... 9
Gambar 2. 6. Prinsip hukum Bernoulli ... 10
Gambar 2. 7. Prinsip tekanan absolut dan tekanan vakum ... 11
Gambar 2. 8. Prinsip aliran melalui tabung... 12
Gambar 2. 9. a) Aliran laminer b) Aliran turbulen ... 12
Gambar 2. 10. Prinsip laju aliran dalam pipa ... 13
Gambar 2. 11. Prinsip panas spesifik ... 14
Gambar 2. 12. Proses reversibel dan irreversibel ... 15
Gambar 2. 13. Proses dalam thermodinamika ... 15
Gambar 2. 14. Siklus termodinamika pada turbin gas ... 18
Gambar 2. 15. Siklus Brayton ... 19
Gambar 2. 16. Kompresor sentrifugal ... 20
Gambar 2. 17. Tingkat kompresor sentrifugal dan diagram-diagram kecepatan pada saat masuk dan keluar impeler ... 21
Gambar 2. 18. Tipe dari kompresor sentrifugal (atas ke bawah) wheel with radially tipped blades; wheel with slightly retro-curved blades; enclosed wheel with greatly retro-curved blades ... 22
Gambar 2. 19. Segitiga kecepatan kompresor sentrifugal... 24
Gambar 2. 20. Diagram Mollier untuk tingkat kompresor sentrifugal ... 27
Gambar 2. 21. Aliran udara melewati diffuser tanpa bilah ... 28
xi
Gambar 2. 22. Macam-macam tipe sistem diffuser (a) Straight diffuser blades, (b)
Forward curved blades, (c) Wedge-shaped blade diffuser ... 29
Gambar 2. 23. Kondisi surge dan stonewall ... 29
Gambar 3. 1. Bentuk rancangan model jet engine ... 33
Gambar 3. 2. Penampang melintang model jet engine ... 33
Gambar 3. 3. Bantalan jenis ball bearing ... 34
Gambar 3. 4. Rancangan poros model jet engine ... 34
Gambar 3. 5. Poros bagian kompresor ... 35
Gambar 3. 6. Poros bagian turbin... 35
Gambar 3. 7. Poros bagian tengah ... 35
Gambar 3. 8. Bagian mengerucut pada poros ... 36
Gambar 3. 9. Rancangan shaft tunnel ... 37
Gambar 3. 10. Bagian mengerucut pada shaft tunnel ... 37
Gambar 3. 11. Rancangan diffuser wheel... 38
Gambar 3. 12. Bilah diffuser yang divergen ... 39
Gambar 3. 13. Bilah diffuser dan stator ... 39
Gambar 3. 14. Rancangan diffuser ring ... 40
Gambar 3. 15. Bagian dalam diffuser ring ... 41
Gambar 3. 16. Rancangan air intake ... 41
Gambar 3. 17. Bentuk konvergen-divergen pada air intake ... 42
Gambar 3. 18. Rancangan casing ... 43
Gambar 3. 19. Rancangan ruang bakar ... 43
Gambar 3. 20. Rancangan nozzle guide vanes ... 44
Gambar 3. 21. Penampang melintang keseluruhan komponen model jet engine... 45
Gambar 3. 22. Gambaran pengujian model jet engine ... 46
Gambar 4. 1. Kompresor model jet engine ... 47
Gambar 4. 2. Turbin model jet engine... 48
Gambar 4. 3. Bearing putaran tinggi ... 48
Gambar 4. 4. Proses pembuatan poros ... 49
Gambar 4. 5. Poros model jet engine ... 50
Gambar 4. 6. Proses pembuatan shaft tunnel ... 50
Gambar 4. 7. Shaft tunnel model jet engine ... 51
Gambar 4. 8. Bentuk awal diffuser wheel setelah dibubut ... 51
Gambar 4. 9. Bahan tambahan dudukan pembuatan diffuser wheel ... 52
Gambar 4. 10. Proses pengerjaan pada mesin CNC... 52
Gambar 4. 11. Diffuser wheel model jet engine ... 53
Gambar 4. 12. Proses pembuatan diffuser ring ... 53
Gambar 4. 13. Diffuser ring model jet engine ... 54
Gambar 4. 14. Air intake model jet engine... 54
Gambar 4. 15. Casing model jet engine ... 55
xiii
DAFTAR TABEL
Tabel 1. 1. Data hasil percobaan ... 61 Tabel 1. 2. Estimasi rpm dan kecepatan masuk berdasarkan data percobaan ... 61
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1 International Standard Atmosphere Lampiran 2 Gambar Teknik
xv
DAFTAR NOTASI/SIMBOL
Simbol Arti Unit
Luas m2 Cp Kalor spesifik kj/kg K d, D, D1 Diameter m T1 Temperatur awal K T2 Temperatur keluar K p1 Tekanan awal N/m2, Pa p2 Tekanan keluar N/m2, Pa Massa jenis kg/m3 Aliran massa udara kg/s
N Putaran rpm
Vb Kecepatan tangensial masuk m/s Vb1 Kecepatan tangensial keluar m/s VAvg Kecepatan rata-rata m/s Vf Kecepatan absolut masuk m/s Vf1 Kecepatan absolut keluar m/s
vs Volume spesifik m3/kg W Kerja kcal/s
P Daya Watt, hp Sudut vane masuk -
Sudut vane keluar -
t Waktu s g Gravitasi kg m/s2
DAFTAR PUSTAKA
1. Schreckling, Kurt. 2003. Gas Turbine Engines For Model Aircraft. Alih bahasa dari bahasa Jerman ke bahasa Inggris oleh Keith Thomas. U.K, Worchestershire: Traplet Publications.
2. Kamps, Thomas. 2005. Model Jet Engines. Alih bahasa dari bahasa Jerman ke bahasa Inggris oleh Keith Thomas. U.K, Worchestershire: Traplet Publications. 3. Bathie, William W. 1984. Fundamentals of Gas Turbines. Iowa State
University of Science and Technology. Canada: John Wiley and Sons Inc. 4. Sayers, A.T. Hydraulics and Compressible Flow Turbomachines. 1992.
Department of Mechanical Engineering University of Cape Town. U.K London: Mc-Graw-Hill Company.
5. Moran Michael J dan Howard N. Saphiro. 2006. Fundamentals of Engineering
Thermodyamic. U.K, Chicester: John Wiley and Sons Inc.
6. Boyce, Meherwan P. 2002. Gas Turbine Engineering Handbook. Oxford, Butterworth-Heinemann: Gulf Professional Publishing.
7. Sulaiman, Mohd Yusoff. 2005. Turbomachinery. University 1st degree lecture. 8. Dixon, S.L. 1998. Fluid Mechanics, and Thermodynamics of Turbomachinery.
Edisi ke-4. Oxford, Butterworth-Heinemann: Reed Educational and Professional Publishing Ltd.
9. Dixon, S.L. 1986. Mekanika Fluida, Termodinamika Mesin Turbo. Edisi ke-3. Alih bahasa dari bahasa Inggris ke bahasa Indonesia oleh Sutanto. Jakarta: Penerbit Universitas Indonesia.
10. Nugroho, Y.Sinung dan Radi Suradi Kartanegara. Propulsi Pesawat Udara 1 dan 2. Modul Bahan Ajar.
11. Inisiator Aceh Power Investment. Turbine Gas.
12. Yunus, Asyari D. Kompresor Udara. Jakarta: Teknik Mesin, Universitas Darma Persada.
13. Sumarno, Meno. 2008. Konversi Turbocharger Menjadi Mesin Turbin Gas – Rancang Bangun Ruang Bakar Dan Sistem Bahan Bakar. Jurusan Teknik Mesin. Program Studi Teknik Aeronautika. Politeknik Negeri Bandung.
14. www.skf.com/productcatalogue.html 15. www.eddyturbo.com ( 08179318493 )
RIWAYAT HIDUP PENULIS
Nama : Sambas Saepulah TTL : Ciamis, 27 April 1991 Jenis Kelamin : Laki-laki
Agama : Islam
Alamat : Jl. Kubang Sari V No.18 RT 02 RW 06 Kel. Sekeloa Kec. Coblong
Bandung 40132 Telepon : 085720091001
E-mail : saefullahsam@yahoo.com
Pendidikan Tahun
SD Negeri Sekeloa II Bandung 1997 – 2003 SMP Negeri 35 Bandung 2003 – 2006 SMA PGII 1 Bandung 2006 – 2009 Politeknik Negeri Bandung 2009 - 2012
Pengalaman Organisasi Tahun
B.K Futsal Club 2008 - Sekarang Ikatan Mahasiswa Teknik Aeronautika 2009 - Sekarang Persatuan Aeromodelimg Bandung (PAB) 2010 - 2011
