Herman Sasongko
Laboratorium Aerodinamika kompresor, Jurusan Teknik Mesin FTI - ITS
Abstrak
Suatu subsonic flow axial compressor (1 stage) dengan sudu yang panjang (skewed long blades) yang diuji pada cascade wind tunnel pada penelitian-penelitian sebelumnya, menunjukkan terjadinya aliran sekunder pada bidang keluaran cascade dengan karakter yang berbeda-beda, tergantung pada stagger dari cascade. Untuk aliran dekat rotor hub dengan cascade stagger kecil (λ = 300), ditemukan aliran sekunder berupa passage vortex; sedang untuk aliran dekat stator casing dengan cascade stagger besar (λ = 500), ditemukan aliran sekunder berupa blade to blade tangential flow. Untuk memberikan informasi yang lebih banyak mengenai penyebab terjadinya aliran sekunder, maka dilakukan visualisasi aliran dengan aliran minyak (oil flow visualization) pada dinding cascade. Visualisasi dilakukan masing-masing pada kondisi desain dan pada kondisi stall. Untuk aliran dekat rotor hub, cross passage flow di dalam lorong sudu dan curl flow di trailing edges yang menyebabkan corner separation adalah faktor utama terbentuknya passage vortex. Untuk aliran dekat stator casing, blade to blade tangentialflow di dalam lorong sudu dan curlflow yang sangat kuat di trailing edges, bertanggung jawab atas terbentuknya aliran sekunder dalam arah tangensial.
Kata kunci: axial compressor cascade, stagger, passage vortex, curl flow, trailing edges, blade to blade tangential flow.
Perbaikan efisiensi turbin gas ditentukan oleh peningkatan efisiensi komponen utamanya, yaitu compressor, combustor, dan turbine, yang erat kaitannya dengan parameter proses seperti tekanan, temperatur, dan laju aliran massa. Di dalam compressor dan turbine, parameter proses tersebut sangat tergantung pada desain aerodinamik dari compressor dan turbine blading-nya. Blading design dari rangkaian sudu tersebut mengandung pengerertian adanya interaksi antara desain aerodinamik dari sudu dengan casing dan hub. Interaksi antara blade boundary layer dengan casing atau hub boundary layer di dalam axial compressor dan axial turbine diketahui sebagai fenomena aliran tiga dimensi yang sangat rumit. Aliran dekat endwall seperti itu secara umum disebut sebagai aliran sekunder.
Ilmuwan dari berbagai negara telah lebih dari 40 tahun meneliti fenomena tersebut, dan sudah banyak hasil-hasil penelitian mengenai hal tersebut yang sudah dipublikasikan, tetapi hakikat dari faktor-faktor fisis aliran yang mempengaruhi terbentuknya aliran sekunder
hingga kini belum jelas diketahui. Suatu sumbangan hasil penelitian mengenai itu tetap diharapkan untuk menambah informasi yang diperlukan oleh perancang di industri turbin gas serta industri axial turbomachinery pada umumnya.
Khusus untuk kondisi di Indonesia, dimana aspek rancang bangun dari turbomachinery seperti axial fan, axial pump, dan Kaplan Turbine (axial hydro turbine) pada industri yang sudah ada belum dikembangkan, maka pemikiran seperti tersebut di atas mungkin terlalu bericbihan. Namun demikian, penelitian-penelitian yang sudah dilakukan diharapkan tetap memberikan informasi yang sangat diperlukan bagi dunia industri.
Aliran tiga dimensi yang melintasi jajaran sudu axial compressor sesungguhnya sangat rumit. Kombinasi antara endwall flow dengan tip-clearance flow dekat hub yang melintasi compressor stator misalnya, diketahui membentuk passage vortex dan tip-clearance vortex yang berinteraksi dengan fenomena fisis yang sangat rumit. Demikian pula kombinasi antara endwall dengan tip-clearance flow dekat 44
casing di dalam compressor rotor. Aliran dekat hub dan dekat casing itulah yang disebut aliran sekunder. Sangat erat terkait dengan sebab terbentuknya aliran sekunder tersebut adalah fenomena separasi aliran tiga dimensi, sedang akibat yang ditimbulkannya berkaitan antara lain dengan secondary losses, blockage effect, dan turning angle variation sepanjang blade span.
Penelitian-penelitian baru mengenai aliran sekunder (secondary flow) pada compressor cascade antara lain sudah dipublikasikan olch Storer [1), Kang [2
]
dan Hubner [3]. Pada penelitian yang sudah dilakukan mereka tanpa tip-clearance, stagger angle, dan camber yang dipilih, berturut-turut λ = 22,50 dan ϕ= 45,50 [1]; λ = 100 dan ϕ = 450 [2]; dan λ = 32,50dan ϕ = 480
[3], yang menunjukkan suatu konfigurasi sudu dengan stagger angle kecil dan camber yang besar. Konfigurasi seperti itu adalah khas untuk sudu dari compressor rotor (dekat hub) yang berbeda sekali bila dibandingkan dengan konfigurasi sudu dari compressor stator (dekat casing) yang menunjukkan stagger angle besar dengan camber kecil.
Penelitian pada compressor cascade yang mensimulasikan aliran compressor stator (dekat casing) sudah dipublikasikan oleh Stark [4] juga oleh Stark dan Bross [5]. Namun demikian, baik pada [4] dan [5] seperti juga pada [1], [2], dan [3], belum memasukkan aspek tip-clearance dalam terbentuknya aliran sekunder. Penelitian pada compressor cascade yang mensimulasikan afiran dalam compressor rotor dekat casing yang sudah mengikutsertakan aspek tip-clearance, dipublikasikan oleh Sasongko [6], tetapi penelitian oleh [6] belum mengikutsertakan aspek inlet boundary layer.
Untuk memberikan gambaran betapa berbedanya karakteristik aliran sekunder yang ditunjukkan oleh [1], [2], dan [3] dibandingkan dengan [4], [5], dan [6], berikut ini diberikan secara singkat hasil-hasil terpenting yang sudah dipresentasikan.
Tanpa tip-clearance, hasil penelitian oleh [1], [2], dan [3] menunjukkan terbentuknya passage vortex yang mempunyai komponen vektor kecepatan dekat cascade wall terarah dari pressure side ke suction side dari dua sudu yang bersebelahan.
Gambar 1. Aliran sekunder dekat rotor hub (design)
Gambar 2. Isoenergy losses dekat rotor hub (desain)
Akibat perputaran aliran vortex yang demikian ini maka low momentum material dari wall boundary layer akan terarah ke sudut antara suction side dengan cascade wall dekat trailing edge. Pada sudut itu boundary layer material tersebut akan berseparasi secara tiga dimensi karena terpaksa harus bertumbukan secara frontal dengan curl flow pada trailing edge yang terarah pada pressure side ke suction side dari sudu yang bersangkutan. Separasi aliran di sudut itu. akan menghancurkan aliran energi dekat cascade wall dan menyebabkan blockage effect sedemikian hingga axial velocity ratio dari aliran di mean radius dari sudu sedikit lebih besar dari 1,0. Teori inilah yang terkenal sebagai Corner Stall Theory. Aliran sekunder berupa passage vortex dengan kontur iso-energy losses yang dilihat pada daerah wake dari penelitian [3], bisa dilihat pada gambar 1 dan 2.
Tanpa tip-clearance, penelitian [4], [5], dan [6] menunjukkan karakteristik aliran sekunder yang sangat berbeda dengan penelitian [11, [2], dan [3], yang dapat disimpulkan sebagai berikut:
a. Pada daerah aliran dekat cascade wall, tidak ditemukan passage vortex. Disini justru ditemukan aliran tangensial dengan intensitas kuat, dengan arah ke suction side sudu berikutnya.
b. Bila pada [1], [2], dan [3], passage vortex mempengaruhi distribusi turning angle sepanjang span dalam bentuk under turningover turning, maka penelitian [4], [5], dan [6] menunjukkan distribusi turning angle hanya -dalarn bentuk under turning dengan slope yang sangat kuat. c. Bila pada [1], [2], dan [3], daerah
separasi tiga dimensi di dalam blade passage hanya melingkupi daerah kecil di sudut belakang suction side, maka penelitian [4], [5], dan [6] menunjukkan daerah separasi tiga dimensi di dalarn blade passage yang menguasai hampir satu pitch diantara dua sudu. Hal ini menyebabkan blockage effect yang besar, ditandai naiknya harga axial velocity ratio pada
mean radius yang cukup besar (sampai mencapai harga 1,6).
d. Dibandingkan dengan penelitian [1], [2], dan [3], maka harga secondary losses pada penelitian [4], [5], dan [6] adalah jauh lebih besar. Aliran sekunder berupa blade to blade tangentially flow dengan kontur iso-energy losses yang dilihat pada daerah wake dari penelitian [5], bisa dilihat pada gambar 3 berikut.
Informasi mengenai detail medan aliran sekunder dekat dinding cascade seperti yang dijelaskan di atas, diberikan melalui pengukuran di daerah keluaran cascade (cascade exit), sedikit di belakang blade trailing edge (∆x/c = 0,02).
Untuk mengetahui lebih jelas evolusi terbentuknya aliran sekunder mulai dari blade leading edge hingga blade trailing edge, maka penelitian seharusnya dilakukan dari posisi ke posisi sepanjang blade passage di daerah dekat dinding cascade (near wall). Penelitian sernacarn ini dapat dilaksanakan melalui pengukuran tekanan statis permukaaan dinding
Gambar 3. Aliran sekunder dekat stator casing (desain)
cascade (wall static pressure scan) atau melalui visualisasi shear stress lines pada dinding cascade dengan metode oil flow picture. Pada publikasi yang diberikan kali ini, disajikan hasil penelitian aliran sekunder dekat dinding mefalui metode oil flow picture.
Metode Visualisasi
Pada prinsipnya struktur pathlines dari aliran dekat dinding (near wall flow) adalah identik dengan struktur shear stress lines yang tercetak pada permukaan dinding. Beranjak dari pernikiran ini, analisa dari shear stress lines seperti yang dilakukan Tobak dan Peake [7], yang strukturnya dapat berupa 3D-separation lines (convergence of the shear stress lines), 3D-attachment lines (divergence of the shear stress line ), maupun bentuk-bentuk singular point seperti saddle point dan spiral point (nodal point) akan dapat menjelaskan fenomena separasi aliran 3D di dekat dinding.
Teknik visualisasi dilakukan dengan langkah-langkah sebagai berikut :
Membuat campuran petroleum, SAE 10-Oil, dan titanium oksida powder dengan perbandingan tertentu, tergantung dari jenis permukaan dinding yang divisualisasikan.
Memoleskan campuran tersebut di atas pada permukaan dinding cascade sepanjang lorong sudu hingga rata, dengan ketebalan lapisan campuran yang tidak berlebihan. Proses ini dilakukan pada saat wind tunnel fan belum dijalankan.
Menjalankan wind tunnel fan hingga menghasilkan kecepatan aliran masuk yang dikehendaki; membiarkan proses pengaliran ini hingga terbentuknya struktur goresan-goresan shear stress lines yang stabil.
Menghentikan wind tunnel fan; melepas cascade wall dari rangkaiannya; mengeringkan permukaan visualisasi dengan cara mengangin-anginkannya, kemudian melakukan pernotretan struktur shear stress lines sebagai hasil visualisasi. Menganalisa topologi shear stress lines,
terutama guna menemukan : 3Dseparation lines; 3D-attachment lines ; saddle points, dan nodal (spiral) points.
Konfigurasi Cascade
Dari berbagai konfigurasi cascade yang diteliti, pada publikasi ini disajikan hasil visualisasi pada 4 macam. konfigurasi cascade. Dua konfigurasi pertama mempresentasikan konfigurasi dekat rotor hub masing-masing pada kondisi desain dan pada kondisi stall. Dua konfigurasi terakhir mewakili konfigurasi dekat stator casing, masing-masing pada kondisi desain dan pada kondisi stall.
Konfigurasi yang dipresentasikan dapat dilihat pada tabel berikut:
Blade profile yang digunakan adalah British Airfoil 9C732,5C50, suatu airfoil yang lazimnya digunakan untuk subsonic compressor. Profil ini mempunyai
Gambar 4. Isoenergy losses dekat stator casing (desain)
kelengkungan lemah (sudut camber 32,50) dengan maximum thickness terletak pada 50% chord. Cascade nomenclature yang meliputi stagger, solidity, dan angle of attack, dapat dilihat pada garnbar berikut :
Oil Flow Pictures
Struktur shear stress lines untuk konfigurasi aliran dekat rotor hub pada kondisi desain (λ = 300, α = 120) dapat dilihat pada gambar berikut:
Gambar pertama adalah foto hasil visualisasi, sedang gambar kedua menunjukkan prinsip topologi yang dibuat berdasarkan gambar pertama, guna membantu analisa. Pada gambar terlihat aliran dekat dinding, jauh di depan leading edge, mendatangi lorong sudu dengan sudut alir (diukur terhadap arah aksial) sebesar β = λ + α = 420
, ini adalah sudut aliran normal yang terjadi di tengah-tengah span (2D-flow).
Sesaat sebelum memasuki lorong sudu, sedikit di depan leading edge, aliran dekat dinding ini terseparasi secara 3 dimensi, ditandai terbentuknya forward saddle point dengan dua cabang separation lines. 3D-separation lines ini diidentifikasi berdasarkan garis-garis shear stress yang konvergen disekitar saddle point. Salah satu garis separasi 3 dimensi ini bergerak menyusuri blade upper side dan bermuara pada suatu nodal (spiral) point di dekat blade trailing edge. Garis separasi 3 dimensi itu menandai bahwa secara lokal disepanjang garis tersebut aliran terpisah dari dinding diarahkan menjauhi dinding, membentuk local separation vortex di sepanjang garis separasi tersebut. Fenomena
Gambar 6. Oil flow picture rotor hub (desain) Gambar 5. Nomenclature cascade
terbentuknya forward saddle point dengan dua cabang 3D-separation lines itu secara populer dikenal sebagai figur horse shoe vortex (vortex tapal kuda).
Secara umum, pada lorong sudu, goresan-goresan shear stress lines menunjukkan terjadinya cross passage flow, yang terarah dari lower side sudu atas ke upper side sudu bawah. Pada daerah dekat trailing edge di atas upper side sudu bawah, cross passage flow itu bertumbukan secara frontal dekat curl flow, yaitu aliran yang memutari trailing edge dari lower side ke upper side sudu bawah. Tumbukan kedua material boundary layer berenergi rendah ini, sekali lagi mengakibatkan aliran dekat dinding terseparasi. Separasi di buritan ini ditandai terbentuknya backward saddle point dengan dua cabang 3D-separation lines. Satu cabang separation line membawa local separation vortex menuju ke spiral point dan bermuara bersama-sama cabang separation line yang datang dari forward saddle point, yang juga membawa local separation vortex.
Kedua macam material separation vortex ini bergabung menjadi satu di spiral point, membentuk suatu vortex yang bergerak menjauhi dinding dengan sumbu tepat di spiral point. Cabang separation line yang lain (backward separation line) bergerak meninggalkan lorong sudu ke hilir, dengan lintasan yang hampir sejajar dengan chord line. Pada daerah keluaran lorong sudu, terlihat bahwa backward separation line dari sudu bawah ini berpasangan secara serasi dengan backward attachment line dari sudu atas.
Pasangan antara separation line dengan attachment line selalu mengindikasikan adanya global vortex, artinya aliran akan meninggalkan dinding pada separation line dan dikembalikan menuju ke dinding pada sisi attachment line. Karena pasangan kedua garis itu menguasai jarak satu pitch selebar lorong sudu, maka global vortex yang terbentuk juga menguasai satu pitch lorong sudu. Vortex ini dikenal sebagai passage vortex.
Dibandingkan dengan vortex yang bergerak menjauhi dinding dari spiral point, maka passage vortex yang bergerak ke hilir akan jelas teramati pada bidang pengukuran di belakang trailing edge; lihat gambar 1 dari penelitian Hubner [3].
Passage vortex yang terlihat dari belakang cascade dan fenomena 3D-separation dekat dinding cascade dapat diilustrasikan untuk pemahaman yang lebih mudah dengan gambar berikut :
Struktur shear stress lines untu,k konfigurasi aliran dekat rotor hub pada kondisi stall (λ = 300
, α = 200
) dapat dilihat pada gambar 11.
Gambar 8. Sketsa passage vortex dekat rotor hub.
Pada prinsipnya, dari pengarnatan sekilas, struktur shear stress lines yang terbentuk pada kondisi ini identik dengan yang terbentuk pada kondisi desain. Disini juga ditemukan forward saddle point dengan dua cabang 3D-separation lines, nodal (spiral) point sebagai muara 2 separation lines, backward saddle point dengan dua cabang 3D-separation lines maupun curl flow yang ditandai oleh backward attachment line. Apabila diperhatikan lebih seksama, tampak bahwa pada kondisi ini, lengkung goresan-goresan cross passage flow di dalam lorong sudu mempunyai slope yang
lebih kuat, walaupun lokasi dari backward saddle point maupun posisi backward separation line hampir tidak berubah.
Slope kelengkungan cross passage flow yang lebih kuat ini menandakan intensitas (kekuatan) passage vortex yang lebih besar. Hal ini sesuai dengan publikasi Hubner [3], yang memperlihatkan terjadinya aliran sekunder berupa passage vortex dengan intensitas yang kuat, juga loss coefficient dengan harga maksimum yang menguasai daerah corner separation lebih luas.
Untuk memperlihatkan posisi 3D-separation lines secara lebih akurat, pada penelitian ini digunakan visualisasi oil flow picture dengan teknik khusus. Pada teknik ini, campuran petroleum-oil dan titanium oksida powder hanya dioleskan secara rata pada arah vertikal dari sudu ke sudu di depan leading edges. Dasar pernikirannya adalah, bila aliran di dekat dinding itu, mengalami separasi tiga dimensi, maka momentum aliran hanya akan sanggup membawa cairan visualisasi hingga pada posisi separation lines. Hasil visualisasi dengan teknik khusus pada gambar berikut ini, sangat jelas memperlihatkan posisi 3D-separation lines.
Gambar 10. Sketsa backward separation dekat rotor hub.
Gambar 11. Oil flow picture rotor hub (stall)
Gambar 12. Special oil flow picture rotor hub (stall)
Oil flow picture yang menggarnbarkan aliran dekat stator casing pada kondisi desain (λ = 500, α = 120) dapat dilihat pada dua gambar berikut; dimana gambar yang kedua menjelaskan prinsip topologi shear stress lines dari gambar pertama.
Dibandingkan dengan aliran dekat rotor hub untuk kondisi desain angle of attack yang sama (α = 120), maka aliran dekat stator casing dengan stagger yang besar (λ = 500) meninggalkan jejak shear stress lines yang sangat berbeda.
Walaupun disini juga dapat ditemukan forward saddle point di depan blade leading edge dengan dua cabang separation lines, tetapi di dalam lorong sudu, jelas tidak ditemukan jejak-jejak cross passage flow yang terarah dari blade lower surface ke upper surface sudu dibawahnya. Pada konfigurasi ini, sebaliknya ditemukan jejak-jejak shear stress lines dengan slope yang hampir vertikal dari aliran terarah dari blade upper surface ke lower surface blade di atasnya. Blade to blade tangential flow dekat casing dari stator dengan arah dan slope yang berbeda dibanding aliran dekat rotor hub ini, secara jelas dapat dilihat dari bidang di belakang pada gambar 3, dari publikasi Stark dan Bross [5].
Di dalam lorong sudu, pada posisi buritan dekat trailing edges, terjadi separasi tiga dimensi yang berbeda dibanding aliran dekat rotor hub. Untuk aliran dekat stator casing, curl low dengan intensitas sangat kuat yang memutari blade trailing edges, yang membawa material fluida yang kaya energi dari daerah yang jauh dari dinding casing, menghantam blade to blade tangential flow, mengakibatkan aliran terseparasi, dengan posisi saddle point tepat berada di tengah-tengah pitch. Bila posisi backward separation lines untuk aliran dekat rotor hub membujur hampir sejajar dengan chord lines, maka posisi backward separation lines disini adalah melintang di dalam lorong sudu hampir sejajar terhadap pitch lines. Posisi 3D-separation lines yang melintang di dalam lorong sudu seperti ini, menggambarkan blockage aliran yang sangat besar, yang mengakibatkan kontraksi aliran yang sangat kuat ke tengah span, ditandai oleh harga axial velocity ratio (AVR) yang sangat besar (AVR = 1,2 - 1,3) bila diukur di tengah span. Posisi tumbukan pada saddle point yang berada di tengah pitch, menandai terakumulasinya loss of
Gambar 13. Oil flow picture stator casing (desain)
energy terbesar pada posisi ini. Pada gambar 4 dari publikasi Stark dan Bross [5] terlihat daerah maximum energy losses juga berada di tengah pitch dekat dinding casing.
Dengan meningkatnya pembebanan compressor (pembesaran angle of attack, α), posisi backward separation lines ini secara bertahap bergerak ke depan mendekati leading edges, selaras dengan menguatnya curl flow yang memutari trailing edges. Fenomena fisis ini mengakibatkan penguatan kontraksi ke tengah span, ditandai dengan makin membesamya axial velocity ratio (AVR) di tengah span. Pada kondisi stall (α = 200
), posisi backward separation lines ini sudah berada di depan leading edges, membentuk continous blade to blade separation line di depan leading edges. Dua gambar berikut ini, menunjukkan oil flow picture pada kondisi stall.
Pengukuran di tengah span menunjukkan jatuhnya harga pressure coefficient dari compressor pada kondisi ini, dengan harga axial velocity ratio (AVR) yang luar biasa besar (AVR = 1,6). Compresor stall dengan kontraksi aliran yang kuat ke tengah span ini disebut Sasongko [6] sebagai fenomena wall stall.
Kesimpulan
Oil flow visualization pada dinding cascade yang mensimulasikan aliran di dekat rotor hub dan stator casing telah memberikan tambahan informasi terbentuknya aliran sekunder di dalam lorong sudu, dekat dinding. Beberapa hal penting yang dapat disimpulkan adalah :
1. Aliran sekunder yang teridentifikasi pada bidang keluaran cascade, yang pada hakekatnya adalah terbentuk sebagai akibat (produk) separasi aliran tiga dimensi di dalam lorong sudu, dekat cascade.
2. Untuk aliran dekat rotor hub, cross passage flow di dalarn lorong sudu dan curl flow yang memutari trailing edges, bertanggung jawab atas terbentuknya aliran sekunder berupa passage vortex. Corner separation adalah separasi tiga dimensi yang menyertai terbentuknya passage vortex.
3. Untuk aliran dekat stator casing, blade to blade tangential flow di dalam lorong sudu dan curl flow yang sangat kuat di trailing edges, bertanggung jawab atas terbentuknya aliran sekunder dalam arah tangensial (blade to blade secondary flow). Continous blade to blade separation line di depan leading edges, menandai terjadinya compressor stall.
Gambar 16. Special oil flow picture stator casing (stall)
Referensi
[1] Storer, J.A. ,1991, Tip Clearance Flow in Axial Compressor, PhD Dissertation, University of Cambridge.
[2] Kang, S. , 1993, Investigation on Three Dimensional Storer within a Compressor Cascade with and without TipClearance, PhD thesis Vrije Unk versitetit Brussel, Belgium.
[3] Hubner, J. , 1991, Experimentelle und Theoretische Unterschung der Westtichen Einfluksfaktoren Auf die Spalt-und Sekunder Stromung in Verdichtergitten, Dissertation Uni-versitat der Brundeswchr, Munchen.
[4] Stark, U. , 1989, Experimentelle Untersuchungen Zum Einflus des Staffelungswinkels Auf die Sekunder Stromungen in ebenen in Verdich-tergitten, ForchAng-Wes-Bd.55 NnS, S135/148.
[5] Stark, U. and Bross, S. ,1996, “Endwall Boundary Layer Separation and Loss Mechanism in Two Compressor of Different Stagger Angle”, agrad CP-571, s.1-1/1-14.
[6] Sasongko, H. , 1997, Rand und Spalistromungen in Stark gestaffelten Verdichtergitter aus Schwach gewolbten Profilen, ZL1k-Forschungsbe-richt 01. [7] M. Tobak and D.J. Peake. , 1982,
Topology of Three Dimensional Separated Flows, Ann. Review Fluid Mechanics, 14th Edition, S.61/85.
