TUGAS AKHIR Karakteristik Perpindahan Panas Dan Penurunan Tekanan Aliran Fluida Di Sekitar Pin Fin Cooling Diamond Pada Trailing Edge Sudu Turbin Gas.

TUGAS AKHIR

KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN ALIRAN FLUIDA DI SEKITAR PIN FIN COOLING

DIAMOND PADA TRAILING EDGE SUDU TURBIN GAS

Disusun sebagai Syarat untuk Mencapai Gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Surakarta

Disusun oleh :

ENDRI SUSANTO

NIM : D200.11.0061

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

ii

PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI

Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan

judul : “KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN ALIRAN FLUIDA DI SEKITAR PIN FIN COOLING DIAMOND PADA TRAILING EDGE SUDU TURBIN GAS” yang dibuat untuk memenuhi sebagian syarat memperoleh derajat sarjana S1 pada Jurusan

Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta,

sejauh ini diketahui bukan merupakan tiruan atau duplikasi dari skripsi

yang sudah dipublikasikan dan/atau pernah dipakai untuk mendapatkan

gelar kesarjanaan di lingkungan Universitas Muhammadiyah Surakarta

atau instansi manapun, kecuali bagian yang sumber informasinya saya

cantumkan sebagaimana mestinya.

Surakarta, Februari 2016

Yang menyatakan,

iii

HALAMAN PERSETUJUAN

Tugas Akhir yang berjudul “KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN ALIRAN FLUIDA DI SEKITAR PIN FIN COOLING DIAMOND PADA TRAILING EDGE SUDU TURBIN GAS“,

telah disetujui pembimbing utama untuk diusulkan Topik Tugas Akhir pada

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah

Surakarta.

Dipersiapkan oleh :

Nama : Endri Susanto

NIM : D 200.11.0061

Disetujui pada :

Hari :

Tanggal :

Pembimbing Utama

(Marwan Effendy, ST. MT. Ph.D)

Pembimbing Pendamping

iv

HALAMAN PENGESAHAN

Tugas Akhir yang berjudul “KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN ALIRAN FLUIDA DI SEKITAR PIN FIN COOLING DIAMOND PADA TRAILING EDGE SUDU TURBIN GAS “,

yang dipertahankan dihadapan dewan penguji dan disahkan sebagai syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.

Dipersiapkan oleh :

Nama : Endri Susanto

NIM : D 200.11.0061

Disahkan pada :

Hari :...

Tanggal :...

Tim Penguji :

Ketua : Marwan Effendy, ST. MT. Ph.D ( ) Anggota 1 : Ir. Tri Tjahjono, MT ( ) Anggota 2 : Nurmuntaha A.N, ST. Pg, Dip. ( )

Mengetahui,

Dekan

(Ir. H. Sri Sunarjono, MT. Ph.D)

Ketua Jurusan

vi

MOTO

“Hai orang-orang yang beriman jadikanlah sabar dan sholatmu sebagai

penolongmu, sesungguhnya Allah bersama dengan orang-orang yang

sabar” (Al-Baqarah:153)

“Sesungguhnya bersama kesukaran itu ada keringanan. Karena itu bila

kau sudah selesai (mengerjakan yang lain). Dan berharaplah kepada

Tuhanmu” (Q.S Al Insyirah: 6-8)

“Berangkat dengan penuh keyakinan, berjalan dengan penuh keikhlasan

dan istiqomah dalam menghadapi cobaan”

“Jadi diri sendiri, cari jati diri, dan mendapat hidup yang mandiri

Optimis, karena hidup terus mengalir dan kehidupan terus berputar

Sesekali lihat kebelakang untuk melanjutkan perjalanan yang tiada

vii

HALAMAN PERSEMBAHAN

Dengan penuh harap ridho Allah SWT, teriring perasaan syukur dan

sabar yang mendalam serta penghargaan yang tinggi, setelah melewati

berbagai ujian dalam perjuangan yang tak kenal lelah, Saya

mempersembahkan tugas akhir ini kepada :

 Bapak dan Ibu tersayang bapak Sujiyanto dan ibu Sutinem yang dengan segala kasih sayang, kesabaran, keikhlasan dan

pengorbanannya yang senantiasa membimbing dan mendo’akanku.  Kakakku beserta istrinya, mas Tri Sulistyanto dan mbak Jannah, terima kasih atas doa dan dukungannya walaupun sekarang lagi di

perantauan.

 Kawan seperjuangan, terima kasih kepada Ekno, Adnan, Punto, Dhoni, yang selalu menemani dikala suka-duka dalam

penyelesaian tugas akhir ini.

 Sahabatku (teman-teman angkatan 2011 teknik mesin yang selalu kompak, dan saling menyemangati )

 KMTM dan DPM tempat berjuang dan berpikir keras sampai aku mengenal artinya amanah dan tangung jawab.

viii

KATA PENGANTAR

Segala puji syukur ke hadirat Allah SWT atas segala rahmat dan

karunia-Nya yang telah terlimpahkan kepada penulis, sehingga tugas

akhir ini dapat terselesaikan dengan baik.

Adapun tugas akhir ini disusun untuk memenuhi persyaratan

Sidang Sarjana S-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Surakarta.

Dalam penyusunan Tugas Akhir ini, penulis banyak mendapat

bantuan dari berbagai pihak, pada kesempatan ini, penulis dengan penuh

keiklasan hati ingin menyampaikan terima kasih kepada :

1. Bapak Ir. H. Sri Sunarjono MT. Ph.D selaku Dekan Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Surakarta.

2. Bapak Tri Widodo BR. ST. MSc., Ph.D selaku Ketua Jurusan Teknik

Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.

3. Bapak Marwan Effendy, ST. MT. Ph.D selaku Dosen Pembimbing

Utama yang telah mengarahkan dan memberi petunjuk dalam

penyusunan Tugas Akhir ini.

4. Bapak Ir. Tri Tjahjono, MT selaku Dosen Pembimbing Pendamping

dan Pembimbing Akademik yang telah meluangkan waktunya untuk

ix

5. Bapak Nurmuntaha A.N, ST. Pg, Dip. selaku dosen penguji

pendadaran yang meluangkan waktu di sela kesibukannya.

6. Dosen jurusan Teknik Mesin beserta Staf Tata Usaha Fakultas Teknik

Akhir kata, penulis mohon maaf sebelum dan sesudahnya, jika

sekiranya terdapat kesalahan dan kekurangan dalam penulisan tugas

akhir ini, yang disebabkan adanya keterbatasan-keterbatasan antara lain

waktu, dana, literatur yang ada, dan pengetahuan yang penulis miliki.

Harapan penulis semoga laporan ini bermanfaat untuk pembaca.

Tugas akhir ini semoga dapat bermanfaat khususnya bagi penulis

dan pihak lain yang membutuhkan, Amin ya Robbalalamin.

Surakarta, Februari 2016

x

“KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN SISTEM PENDINGIN SIRIP “DIAMOND” PADA

TRAILING EDGE SUDU TURBIN GAS” Endri Susanto, Marwan Effendy dan Tri Tjahjono Jurusan Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta

Jl.A Yani Tromol pos 1 Pabelan Kartasura email : endrisusantto@gmail.com

ABSTRAKSI

Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui koefisien perpindahan panas dan penurunan tekanan pada sistem pendingin sirip berbentuk diamond (Diamond Fin Cooling). Diamond fin cooling merupakan alternatif pendinginan internal pada sudu turbin gas di daerah trailing edge sudu turbin gas. Penempatan pin fin cooling dipasang di sepanjang ekor sudu dengan arah aliran fluida tegak lurus terhadap pin fin.

Sebuah pendekatan Computational Fluid Dynamic (CFD) dengan model k-epsilon telah dilakukan pada pada riset komputasi ini. Proses penelitian dimulai dengan pembuatan desain geometri pin fin dengan tiga mesh yang berbeda, yaitu tipe A, tipe B, dan tipe C untuk keperluan validasi. Secara berurutan dari kasar ke halus mesh memiliki jumlah elemen 432000, 1024000 dan 1557376 dengan nilai rata-rata ∆y+ adalah 10,95 ; 4,6 dan 2,38. Dari pembuatan ketiga mesh ini, selanjutnya akan dipilih berdasarkan data simulasi dengan mempertimbangkan kedekatan angka prediksi koefisien perpindahan panas dan penurunan tekanan dibandingkan data eksperimen yang ada. Simulasi dilakukan pada berbagai bilangan Reynolds antara 9.000 - 36.000.

Hasil simulasi menunjukkan bahwa validasi dapat diterima dengan karakteristik mesh hingga 1,56 juta elemen dengan kerapatan mesh (Δy + = 2.38). Dengan mengadopsi mesh tipe C, bentuk pin fin dimodifikasi dengan bentuk diamond yang disusun segaris (C1A) dan diamond susunan selang-seling (C2A). Hasil penelitian menunjukkan bahwa kinerja sistem pendingin sirip diamond tipe C2A lebih dari tipe C1A. Penggunaan diamond fin tipe C2A mempunyai koefisien perpindahan panas lebih tinggi daripada pin fin tipe C1A, Namun perlu dicatat bahwa factor gesekan pada penggunaan diamond fin tipe C2A juga lebih tinggi dibandingkan tipe C1A. .

xi

“CHARACTERISTICS OF HEAT TRANSFER AND PRESSURE DROP ON “DIAMOND” FIN COOLING OF GAS TURBINE

BLADE”

Endri Susanto, Marwan Effendy and Tri Tjahjono Departement of Mechanichal Enginering

Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl.A Yani Tromol pos 1 Pabelan Kartasura

email : endrisusantto@gmail.com

Abstract

This study explains a performance prediction of diamond pin-fin cooling of gas turbine blade. The aim is to investigate the heat transfer coefficient(HTC) and friction factor (f) inside the cooling passage.

The steady RANS with k-epsilon turbulence model was performed by two stages investigation: first, validation of an existing circular staggered array of pin-fin cooling that has been investigated experimentally by other researcher. Three types structured mesh from

coarse (Δy+ = 10.95) to fine (Δy+ = 2.38) were optimized for mesh refinement study. Second, further investigation of the diamond fin cooling was simulated by adopting the scenario of mesh generation based on the optimum result from validation. Simulation were performed at the same initials and boundary conditions as the experiment, and varying Reynolds number from 9,000 to 36,000

The simulation results indicate that validation can be considered acceptable by generating mesh up to 1.56 milion elements with fine

resolution (Δy+ = 2.38).CFD predicted that the performance of the cooling system diamond fin C2A is greater than the diamond fin C1A. although over-predition data is clearly seen after the second diamond fin row for HTC simulation. Investigation of two different lay-out of diamond-fin cooling (C1A and C2A) shows that the HTC of pin-fin C2A is greater than the HTC of diamond-fin C1A as the effect of different turbulence around the diamond-fin cooling, However it should be noted that the friction factor on the use of diamond fin C2A is also greater than the type C1A.

xii DAFTAR ISI

Halaman Judul ... i

Pernyataan Keaslian Skripsi ... ii

Halaman Persetujuan ... iii

Halaman Pengesahan ... iv

Lebar Soal Tugas Akhir ... v

Halaman Motto ... vi

Halaman Persembahan ... vii

Kata Pengantar ... viii

2.2.3 Perpindahan Panas ... 12

2.2.4 Parameter Tanpa Dimensi ... 16

2.2.5 Computational Fluid Dynamic (CFD) ... 18

xiii BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Validasi ... 33

4.1.1 Meshing ... 33

4.1.2 Bilangan Reynolds ... 34

4.2 Hasil Simulasi Validasi ... 36

4.2.1 Penurunan Tekanan (Pressure Drop) ... 36

4.2.2 Koefisien Perpindahan Panas (Heat Transfer Coefficient) ... 38

4.3 Hasil Riset Simulasi ... 41

4.3.1 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap Karakteristik Penurunan Tekanan dari Sirip-Sirip Diamond ... 42

4.4.2 Pengaruh Sirip Diamond terhadap Karakteristik Perpindahan Panas... 46

BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan ... 49

5.2 Saran ... 50

xiv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Sirip diamond susunan segaris... 10

Gambar 2.2. Susunan sirip pin segaris dan selang-seling ... 11

Gambar 2.3. Skema pendinginan sudu turbin gas ... 12

Gambar 2.4. Perpindahan panas konveksi ... 14

Gambar 2.5. Geometri pin fin ... 17

Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian ... 20

Gambar 3.2. Geometri pin fin intercooling ... 21

Gambar 3.3. Desain menggunakan Solidwork premium 2014 ... 22

Gambar 3.4. Pembuatan Vertex ... 23

Gambar 3.10. Desain pada Ansys Fluent R15.0 ... 27

Gambar 3.11. Pengaturan sebelum simulasi ... 28

Gambar 3.12. Hasil simulasi yang sudah konvergen ... 29

Gambar 3.13. Desain pada CFD Post ... 29

Gambar 3.14. Desain pin fin ... 31

Gambar 4.1. Karakteristik mesh ... 34

Gambar 4.2. Perbandingan faktor gesekan antara simulasi dan eksperimen ... 37

Gambar 4.3. Perbandingan HTC hasil eksperimen dan simulasi ... 40

Gambar 4.4. Karakteristik mesh ... 42

Gambar 4.5. Pengaruh ∆P pada variasi bentuk sirip pin ... 42

Gambar 4.6. Perbandingan f pada 3 variasi bentuk sirip pin ... 43

Gambar 4.7. Perbandingan f pada 3 variasi bentuk sirip pin karena pengaruh kecepatan aliran di dalam channel ... 44

Gambar 4.8. Kontur kecepatan fluida masuk pada Re 12030,6 ... 45

Gambar 4.9. Perbandingan HTC untuk 3 variasi sirip pin pada Red7 .. 47

xv

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1. Karakteristik mesh . ... 33

Tabel 4.2. Data hasil eksperimen Tarchi dkk, (2008) ... 36

Table 4.3. Perhitunganfactor gesekan hasil validasi ... 37

Tabel 4.4. Koefisien perpindahan panas hasil simulasi ... 40

xvi

DAFTAR SIMBOL

A = luas penampang (m2)

AL0 = area atau luasan pada bidang inflow (m2) Amin = luas penampang antara pin-fin (m2)

Dd = diameter pin (m)

DL0 = diameter hidraulik bagian inlet (m) = faktor gesekan

h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2.K) = laju aliran massa (kg/s)

Pin = tekanan fluida bagian inlet (Pa)

Pout = tekanan fluida bagian outlet (Pa) Q = laju perpindahan panas (watt) ReL0 = bilangan Reynolds pada bagian inlet

Red = bilangan Reynolds pada area antara dua pin

Ts = temperatur permukaan benda (oC)

Tf = temperatur fluida (oC)

v = kecepatan udara rata-rata (m/s) = massa jenis udara (kg/m3)