KA JI EKSPERIMENTA L KA RA KTERISTIK DISA IN DA RI KO MPRESSO R STA TO R KA SKA DE DENG A N BRITISH PRO FIL 9C 7/ 32,5 C 50 PA DA STA G G ER 30
Ke nne d y.Ma rsa n *
Ab strac t
The c hra c te ristic de sig n o f c o mp re sso r sta to r c a sc a de a re mo stly influe nc e b y the thre e typ e o f sta ll p he no me no n, Bla de sta ll, C o rne r Sta ll a nd Wa ll Sta ll. This re se a rc h is a im to se e tha t sta ll p he no me no n influe nc e a t the a xia l c o mp re sso r using British o f Pro file 9C 7 / 32,5 C 50. The e xp e rime nt wa s simula te d in line a r c o mp re sso r c a sc a de a t sta g g e r 30. The re sult o f re se a rc h indic a te tha t a lo ng with the rising o f a ng le o f a tta c k ( ), the va lue o f a ir o utle t a ng le ( 2) a nd p re ssure lo ss c o e ffic ie nt will te nd to c o nsta nt. Inc re a sing the Sta tic Pre ssure we re mo stly influe nc ing b y the turning a ng le a nd p re ssure lo ss c o e ffic ie nt, this ma tte r sho w tho ug h the c o rne r sta ll is p re se nt a t the hub , b ut the b la de sta ll p he no me no n is do mina tio n, the sta ll c o nditio n re a c h a t α= 18.5O
Ke y wo rd : Sta tic Pre ssure , Bla de sta ll, C o rne r Sta ll a nd Wa ll Sta ll
A b stra k
Karakteristik disain dari kompressor kaskade sangat di pengaruhi oleh 3 jenis fenomena stall, Blade stall, Corner Stall dan Wall Stall. Penelitian ini bertujuan untuk melihat pengaruh dari fenomena stall pada kompressor aksial yang mengggunakan British Profil 9C7/32,5 C50. Penelitian di simulasikan pada sebuah line a r c o mp re sso r c a sc a de dengan variasi b la de lo a ding pada stagger 30.Hasil penelitian menunjukkan bahwa Seiring dengan peningkatan a ng le o f a tta c k ( ), harga a ir o utle t a ng le ( 2) dan p re ssure lo ss c o ffic ie nt akan cenderung konstan Kenaikan tekanan statis (Cp) sangat di pengaruhi oleh harga turning a ng le, dan p re ssure lo ss c o e ffic ie nt, hal ini menunjukkan meskipun telah terjadi c o rne r sta ll pada hub, namun fenomena stall sangat di dominasi oleh fenomena b la d e sta ll, kondisi stall terjadi pada a ng le o ff a tta c k= 18.5O
Ka ta kunc i: Tekanan Statis, Bla de sta ll, C o rne r Sta ll dan Wa ll Sta ll
* Staf Pengajar Program Studi D3 Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Tadulako, Palu 1. Pe nd a hulua n
1.1 Latar belakang
Sebagai salah satu komponen dari sebuah turbin, kompressor aksial dalam usaha perbaikan efesiensinya sangat bergantung pada peningkatan
efesiensi dari desain aerodinamik,
dimana rancangan dari susunan a irfo il
b la de inilah yang menentukan tingkat
kompressibilitas dari kompressor aksial atau biasa disebut dengan kompressor aerodinamik.
Meskipun perancangan sebuah kompressor aksial dapat menggunakan
hasil perhitungan teoritis dari bidang kompressor aerodinamik, namun informasi eksperimental tetap diperlukan, sebab dari informasi inilah pemodelan teoritis tersebut dapat semakin disempurnakan.
Interaksi antara lapisan batas sudu (b la de b o unda ry la ye r) dengan lapisan batas c a sing atau lapisan batas
hub (c a sing -hub b o und a ry la ye r) di
(Ke nne d y Ma rsa n)
vortisitas sekunder (se c o nd a ry vo rtic ity), yang pada akhirnya akan menimbulkan aliran sekunder. Kehilangan energi pada kaskade adalah berupa kehilangan tekanan, dimana total kerugian energi timbul karena tiga hal :
kerugian a nnulus (2,2%), kerugian
sekunder (4,4%) dan kerugian profil (4,2%).
Penelitian mengenai pola aliran sekunder ini telah dilakukan oleh banyak peneliti dibidang compressor aerodynamik yang pada sebagian besar terfokus pada kelakuan dan bentuk pola aliaran sekunder yang terjadi, dimana hasil dari penelitian tersebut menyebutkan bahwa fenomena separasi 3-D di e nd wa ll akan mempengaruhi unjuk kerja dari sebuah kompressor aksial. Dengan dasar inilah yang membuat kami tertarik melakukan penelitian ini, selain untuk mengetahui secara eksperimental mengenai efek dar separasi tersebut terhadap parameter fisik aliran 2D di tengah span, juga sebagai masukan tambahan bagi karakteristik disain British profil 9C7//32,5 C50 pada penggunaannya di kompressor aksial.
1.2 Rumusan masalah
Untuk suatu cascade dengan geometri (b la de sha p e , sta g g e r,
c ha mb e r d a n sp a c e -c ho rd ra tio)
tertentu data hasil pengukuran dua dimensi biasanya disajikan dalam bentuk grafik de fle c tio n(ε = Δα) sebagai fungsi dari inc ide nc e (i) atau sebagai fungsi dari inle t a ir a ng le (α1). Aliran yang melewati linear cascade akan menghasilkan o utle t a ng le (α2) perubahan o utle t a ng le ini sangat berpengaruh terhadap perubahan kenaikan tekanan statis ( Δp /q1 ) yang di hasilkan oleh fluida kerja. Melalui eksperimen ini akan diteliti secara nyata dan mendetail mengenai parameter-parameter fisik aliran yang ikut berpengaruh terhadap karakteristik disain dari blade cascade British profil 9C7/32,5 C50 pada stagger 30 dalam penggunaannya pada kompressor aksial.
Batasan Masalah :
- Pengujian di simulasikan pada suatu linear kompressor cascade dengan menggunakan British profil 9C7//32,5 C50.
- Pengujian dilakukan pada sta g g e r
(λ) 30o dan variasi inc ide nc e (ι) dari 0o hingga 22O pada sp a c e c ho rd
ra tio (s/l) yang konstan = 1
- Kecepatan aliran masuk yang
konstan (Bila ng a n Re yno ld ko nsta n).
- C a sc a de dengan tip c le a re nc e
yang konstan. 0,03 cm
2. Tinja ua n Pusta ka
Pada analisis karakteristik dari sebuah profil blade cascade sebagain besar data di peroleh dari pengukuran
2D-sta tio na ry c a sc a d e, karena
pengukuran detail medan aliran pada mesin kompressor yang sebenarnya, terutama pada rotor yang berputar memang sangat sulit. Namun analisis 2D, pada pengukuran yang sebenarnya terpengaruh oleh efek fenomena rumit separasi 3D pada wa ll (c a sing dan hub), efek dari fenomena tersebut ikut mempengaruhi karakteristik dari sebuh profil cascade.
2.1 Karakteristik Kaskade
Beberapa informasi dapat di ambil dari hasil pengujian cascade-2D pada terowongan angin dengan variasi
b la de sha p e , sta g g e r, c ha mb e r dan
sp a c e -c ho rd ra tio . Untuk suatu kaskade
dengan geometri (bentuk sudu, sudut
sta g g e r , sudut chamber dan
perbandingan p itc h-c ho rd ) tertentu, data hasil pengukuran biasanya disajikan dalam bentuk grafik sudut kecepatan aliran udara keluar (α2) terhadap sudut aliran udara masuk (α1) atau biasa di defenisiskan sebagai
de fle c tio n (ε) terhadap inc ide nc e (i) dan total p re ssure lo ss terhadap sudut masuk (inle t a ng le) atau inc ide nc e
untuk sebuah bilangan Mach yang tertentu.
Dari karakteristik c a sc a de yang diperoleh secara eksperimental, orang dapat menaksir sta lling p o int maupun
mempunyai b la ding g e o me tri yang sama dengan c a sc a d e yang diuji,.
Ketepatan penentuan inc ide nc e
dimana stall terjadi sulit untuk di defenisikan, dan sta lling p o int biasanya dinyatakan sebagai inc ide nc e pada keadaan dari dua kali harga to ta l
minimum p re ssure lo ss (atau nilai
rata-rata to ta l p re ssure lo ss pada daerah diluar daerah stall adalah meningkat sebesar 50 persen). Gambar 1.
Penelitian mengenai batas dari daerah stall tergantung pada defleksi dan peningkatan tekanan di sepanjang barisan blade, pengujian yang di lakukan pada sta tio na ry 2D c a sc a de
merupakan hal yang vital dalam peningkatan efesiensi sebuah kompressor aksial.
De sig n p o int, didefenisikan sebagai titik
yang terletak ditengah-tengah dua
sta lling inc ide nc e kiri dan kanan.
2.2. Separation (Stall).
Pemisahan aliran (se p a ra tio n
flo w) adalah fenomena perubahan
aliran terhadap aliran utama (ma in
b o dy), yang terbentuk akibat adanya
inersia pada permukaan saluran yang dilintasi aliran. Bilamana aliran berpisah dari dinding, maka akan terbentuk lapisan geser bebas (fre e she a r la ye r)
antara c o re flo w dengan daerah
pemisahan (se p a ra tio n re g io n) yang
menggangu arah aliran utama. Pada sistem aerodinamik yang menggunakan
a irfo il sebagai komponennya, proses
separasi ini menyebabkan terjadinya
kondisi sta ll, dimana terjadinya
penurunan koefisien lift dari a irfo il
tersebut. Dari data hasil pengujian didalam kompressor aerodinamik, kondisi sta ll di bagi atas :
a) Blade Stall , kondisi ini terjadi akibat adanya separasi yang hebat pada
suc tio n side pada suatu harga sudut
serang (α) tertentu.
b) Co rne r Stall, kondisi ini terjadi akibat terbentuknya gejala separasi tiga dimensi (3D) berupa vo rte xse kunde r
pada wa ll (c a sing dan hub) yang membuat b lo c ka g e e ffe c t
terhadap aliran primer.
c) Wall Stall, aliran sekunder yang
melintang dari b la de ke b la de yang memberikan efek b lo c ka g e yang yang lebih besar dibandingkan oleh
vo rte x se kund e r.
Dalam kaskade sebuah kompressor, kenaikan kecepatan sepanjang sudu-sudu menyebabkan perubahan yang berartipada lapisan batas dinding (wa ll b o und a ry la ye r) dan menghasilkan kontraksi efektif
(b lo c ka g e) dari aliran seperti yang
ditunjukkan pada gambar 2
Gambar 1. Cascade characteristics (11C1/45/C50;S/l =0,9, α1’=44,50 ; α12’=0,50 ;
(Ke nne d y Ma rsa n)
Gambar 2 Kontraksi aliran akibat penebalan lapisan batas.
3. Me to d e Pe ne litia n
3.1 Pengambilan data
Susunan blade (kaskade) di tempatkan pada dinding yang dapat berputar pada wind tunne l sebagai simulasi dari c a sing dan hub kompressor. Pergerakan putaran bervariasi per 2O sebagai variasi perubahan a ng le o f
a tta c k. Untuk mengetahui karakteristik
medan aliran yang terjadi, maka pengukuran yang dilakukan pada pengujian ini adalah pengukuran aliaran 2 dimensi dengan menggunakan five ho le p ro b e dan
Inc line d ma no me te r. Parameter yang
diukur adalah tekanan stagnasi dan tekanan statis yang dilakukan pada :
a) Sepanjang Pitch (t) = 120 mm, di
tengah span untuk tiap variasi incidence dan variasi stagger dengan pergerakan Fife ho le p ro b e
per 6 mm.
b) Didepan blade (daerah inlet
kaskade), untuk mengetahui distribusi kecepatan masuk (C1).
3.2 Persamaan Yang Digunakan
Persamaan yang digunakan dalam menganalisis data, sebagai berikut :
Data pengukuran :
(Po – P1) ; (Po – P2) ; (Po – P3) (Po – P4) ; (Po – Ptl) ; (Po – Pst)
Koefisien sudut aliran :
P
Variabel sebagai fungsi terhadap koefisien sudut aliran α dan γ :
α(y,z) = f1 (kβ , kγ ), kp(y,z) = f3 (kβ , kγ ),
γ(y,z) = f2 ((kβ , κγ ), kp t(y,z)= f4 kβkγ )...(4)
dimana : f1 s/d f4 merupakan
persamaan polinomial berderajat m dan n :
dimana koefisien persamaan regresi polinomil aij dari masing-masing fungsi tersebut diperoleh dari hasil kalibrasi (8). Sudut aliran keluaran kaskade :
α2 (y,z) = βs − α2 (kβ,kγ)
Kerugian tekanan tak berdimensi
(se c o nda ry lo sse s) sepanjang p itc h dan
Perbandingan kecepatan aksial AVR
Vektor kecepatan aliran :
)
Vektor kecepatan aliran sekunder :
[
( , ) ()]
Total secondary losses :
∫ ∫+
(α2) yang terjadi,hasil penelitian yang pada gambar 3. menunjukkan bahwa harga Δα12 meningkat tajam pada α=
0o hingga 4o dan turun pada
harga α = 20ο. Hal ini terjadi akibat dari variasi perubahan harga α dan α2.
Sementara grafik α2menunjukkan hal
yang berbeda, tampak pada pada
α=0o hingga 4o grafik menurun
kemudian cenderung konstan hingga α=17o, hal ini mengindikasikan terjadinya separasi (wa ke)pada permukaan sudu. Hasil penelitian pada gambar 4, menunjukkan bahwa defleksi aliran terjadi pada daerah yang memiliki wa ke
yang besar. Pada a ng le o f a tta c k 0o
hingga 4o wake tampak membesar
(Ke nne d y Ma rsa n)
α
. Posisi blade yang masih datar (sejajar arah aliran), titik pressure minimum masih berada pada daerah suction side sehingga menyebabkan terjadinya separasi aliran pada pressure side padatra iling e dg e. Jika harga angle of attack
terus di perbesar maka secara perlahan titik stagnasi akan bergeser kearah
p re ssure side dan akan menggeser titik
tekanan minimum ke arah le a ding
e dg e, sehingga aliran dengan lintasan
lengkung makin dipercepat dan
menyebabkan terjadinya wa ke pada daerah se c tio n sid e, hal ini mulai
tampak pada a=16O keatas dari
gambar 4, Akibat dari wa ke yang terjadi demikian kuatnya pada suc tio n side
menyebabkan terjadinya b lo c ka g e
e ffe c t sehingga akan mendesak stre a m
line aliran yang mengarah keatas, pada
saat itu harga α2 menguat tajam dan juga akan menurunkan harga turning a ng le(Δα12).
0 .0 5.0 10 .0 15.0 20 .0 25.0 30 .0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 2 0 22 2 4
A ng le o f at t ack
0 5 10 15 2 0 2 5 3 0 3 5
α2 Δα12
Gambar 3. Grafik Turning angle dan air outlet angle
Gambar 5. Distribusi,
ζ
v, sepanjang p itc h dengan variasi a ng le o f a tta c k padaλ
= 30o.4.2. Koefisien Tekanan (Cp)
Dari c a sc a de info rma tio n
(e xp e rime nt da ta b a se) menunjukkan,
bahwa dengan pembesaran α1 yang
akan meningkatkan harga turning a ng le
(Δα12) analog dengan pengurangan
flo w c o e ffic ie nt φ yang berarti
meningkatkan harga kenaikan tekanan statis (Cp). Pada sta lling c o nditio n, harga Δα12 turun drastis, maka harga Cp juga akan turun.
Harga Cp cenderung naik secara kontinu (gambar 6) mengikuti
peningkatan harga α1 , hingga pada
a ng le o f a tta c k 18o , Cp menurun
secara tajam (sta lling c o nditio n). Jika di perhatikan untuk stagger 30 pola grafik kenaikan harga Cp cenderung bergerak mengikuti kenaikan harga
turning a ng le dan p re ssure lo sse s
c o e ffic ie nt, dimana tampak bahwa
sepanjang harga α2 dan lo sse s konstan, maka harga Cp akan meningkat seiring dengan peningkatan harga a ir inle t
a ng le (α1) dimana tampak bahwa
semakin harga a ng le o f a tta c k maka harga Cp juga akan meningkat.
4.3 Axial Velocity Ratio (μ)
Pada gambar 7 terlihat bahwa perubahan harga AVR berada pada kisaran 1,0 hingga 1,113. Grafik tersebut, menunjukkan bahwa kenaikan harga Cp telah sesuai dengan defenisi dari
sta ll c o nditio n, dimana harga Cpdapat
naik mengikuti kecenderungan membesarnya harga turning a ng le (Δα) dan tekanan turun pada saat harga
turning a ng le (Δα) turun secara drastis
diikuti oleh kenaikan harga ζv.
Gambar 8. dan 9. menunjukkan pola aliran sekunder didaerah tip
c le a re nc e untuk stagger 30 pada a ng le
o f a tta c k 8o dan12o dengan
menggunakan British Profil 9C7/32,5/C50 (hasil penelitian oleh: Bintoro,ITS) . Grafik pola aliran sekunder tersebut, menunjukkan pada tip c le a re nc e
terbentuk p a ssa g e vo rte x mengarah dari p re ssure side ke se c tio n side sudu berikutnya, namun perkembangan
p a ssa g e vo rte x tersebut terbilas oleh tip
c le a re nc e vo rte x yang terbentuk pada
saat yang sama di daerah p re ssure side
(Ke nne d y Ma rsa n)
Gambar 6. Grafik Pressure Coefficient (Cp) dan pressure loss
coefficient( v)terhadap perubahan angle of attack
0.98 1 1.02 1.04 1.06 1.08 1.1 1.12 1.14
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Angle Of Attack
AV
R
-20 0 20 40 60 80 100 120 140 -20
0 20 40 60 80 100 120 140
Span, z [mm]
Pi
tc
h
, y
[m
m
]
Gambar 8. Pola aliran sekunder[ λ = 30 , α = 8o ]
-20 0 20 40 60 80 100 120 140
-20 0 20 40 60 80 100 120 140
Sp a n, z [m m ]
P
it
c
h
,
y
[
m
m
]
Gambar 9.. Pola Aliran Sekunder[ λ = 30, α = 12o ]
Mengacu dari penelitian tersebut, maka dapat dikatakan bahwa pada stagger 30, separasi 3 dimensi pada daerah wa ll adalah fenomena c o rne r
sta ll,Dari hasil penelitian terlihat bahwa
untuk stagger kla sik (30o), meskipun telah terjadi vo rte x sekunder namun
fenomena sta ll yang mendominasi
adalah kondisi b la de sta ll yaitu akibat kuatnya separasi yang terjadi di permukaan blade.
5. Ke sim p ula n
Berdasarkkan hasil penelitian pada kompressor stator kaskade dengan british profil 9C7/32,5/C50 pada stagger 30O,dapat disimpulkan bahwa :
a. Seiring dengan peningkatan a ng le o f a tta c k (α), harga a ir o utle t a ng le
(α2) dan p re ssure lo ss c o ffic ie nt akan cenderung konstan
(Ke nne d y Ma rsa n)
c. Meskipun telah terjadi c o rne r sta ll
pada hub, namun fenomena stall dii dominasi oleh fenomena b la de sta ll. d. Kondisi stall terjadi pada a ng le o ff
a tta c k= 18.5O
6. Da fta r Pusta ka
Bintoro, 2001, Pe ng a ruh Bla de Lo a ding Te rha da p Alira n Se kund e r Pa da Ko mp re sso r Sta to r Ka ska de De ng a n Pro fil British 9C 7/32,5/C 50
(Simula si Alira n De ka t Hub ), Thesis
S2 Pasca Sarjana Teknik Mesin ITS, Surabaya.Indonesia.
Pryohutomo,B.,1999, Ka lib ra si Five -ho le s Pro b e d a n Ap lika sinya p a d a
Me da n Alira n Se kunde r, Tugas
akhir Jurusan Teknik Mesin Fak. Teknologi Industri ITS, Surabaya.Indonesia.
Sasongko,H.,1997, Ra nd und
Sp a lsto mung e n in Sta rk g e sta ffe lte n ve rdic hte rg itte n a us Sc hwa c he g e wo lb te n Pro file n, ZLR-Forschungbericth.
Jurgen Hubner, 1996, Exp e rime nta lle und The o re tisc he Unte rsuc hung de r We se ntlic he n Einflub fa kto re n a uf
die Sp a lt- und Se kunda rstro ng mung in
Ve rdic hte rg itte rn, Dissertation
Universitat der Brundeswehr Munchen.
Horlock,J.H., 1973, Axia l Flo w
C o mp re sso rs, Robert E.Krieger
Publishing Company Huntington,New York.
David Gordon W., 1989,The De sig n o f Hig h-Effic ie nc y Tub o ma c hine ry
a nd G a s Turb ine s,Massachusetts
Institute of Technology, USA.
Seymour Leiblein ,1959, Lo ss a nd Sta ll Ana lysis o f C o mp re sso r C a sc a de s,
Journal of Basic Engineering, Transaction of ASME.
J.A. Storer & N.A. Cumpsty ,1991, Tip Le a ka g e Flo w in Axia l
C o mp re sso r, Journal of
Turbomachinery, vol.133, Transaction of ASME.
S.Kang & C. Hirsch, 1995 Tip C le a re nc e Flo w a nd Lo ss In a xia l C o mp re sso r
C a sc a de s, Dept. Fluid Mechanics,
![Gambar 8. Pola aliran sekunder [ λ = 30 , α = 8o ]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/2752799.1680687/9.612.168.415.306.494/gambar-pola-aliran-sekunder-l-a-o.webp)
