i
TUGAS AKHIR
KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN
PENURUNAN TEKANAN
PIN-FIN
ELLIPS SUSUNAN
SEGARIS UNTUK SISTEM PENDINGIN INTERNAL PADA
SUDU TURBIN GAS
Disusun :
MUKHRON MARDLONI
NIM : D200.11.0013
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
vi
MOTTO
“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)
“Yakin, Ikhlas, dan Istiqomah”
# Berangkat dengan penuh keyakinan
# Berjalan dengan penuh keikhlasan
# dan Istiqomah dalam menghadapi cobaan
“Tidak ada masalah yang tidak bisa diselesaikan selama ada komitmen
bersama untuk menyelesaikanya”
“Bersabar, Berusaha, dan Bersyukur”
# Bersabar dalam berusaha
# Berusaha dengan tekun dan pantang menyerah
vii
HALAMAN PERSEMBAHAN
Yang Utama Dari Segalanya, Sembah sujud serta syukur kepada Allah SWT,
Taburan cinta dan kasih sayang-Mu telah memberikan kekuatan, membekaliku dengan ilmu serta memperkenalkanku dengan cinta. Atas karunia serta kemudahan yang Engkau berikan akhirnya skripsi yang sederhana ini dapat terselesaikan. Sholawat dan salam selalu terlimpahkan kepada Rasullah Muhammad SAW. Kupersembahkan karya sederhana ini kepada orang yang sangat kukasihi dan kusayangi.
Ibunda dan Ayahanda Tercinta, Sebagai tanda bakti, hormat, dan rasa
terima kasih yang tiada terhingga kupersembahkan karya kecil ini kepada ibu dan ayah yang telah memberikan kasih sayang, segala dukungan, dan cinta kasih yang tiada terhingga yang tiada mungkin dapat kubalas hanya dengan selembar kertas yang bertuliskan kata cinta dan persembahan. Terima kasih Ibu… Terima kasih Ayah…
My Brother’s, Untuk kakak-kakakku mbak maryani, mas nurdiyanto, mas
siswanto, terima kasih atas do’a dan bantuan kalian selama ini, maaf belum bisa menjadi yang kalian harapkan, tapi aku akan selalu menjadi yang terbaik untuk kalian semua.
Dosen Pembimbing Tugas Akhirku, Bapak Marwan Effendy,
viii
tugas akhir saya, terima kasih banyak pak, saya sudah dibantu selama ini, sudah dinasehati, sudah diajari, saya tidak akan lupa atas bantuan dan kesabaran dari bapak-bapak.
Seluruh Dosen Pengajar di Jurusan Teknik Mesin, terima kasih banyak
untuk semua ilmu, didikan dan pengalaman yang sangat berarti selama ini. Kawan seperjuangan, terima kasih kepada Ekno, Adnan, Punto, Endri,
yang selalu menemani dikala suka-duka dalam penyelesaian tugas akhir ini. Terima kasih atas kegathelan kalian semua.
Kawan-Kawan di Laboratorium Fisika Dasar, terima kasih kepada kalian
semua yang selalu memberikan canda tawa dan warna yang berbeda selama menuntut ilmu di Universitas Muhammadiyah Surakarta.
KMTM, BEM-FT, terima kasih telah membantu saya dalam proses
pendewasaan diri, mengenal disiplin, lebih bertanggung jawab, menjaga amanah, sehingga membuat saya menjadi pribadi yang lebih baik.
Teman-Teman Angkatan 2011, terima kasih banyak untuk bantuan dan
kerja samanya selama ini.
ix
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT karena Berkat,
Rahmat dan Karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan penyusunan Tugas Akhir ini. Sholawat beserta salam semoga senantiasa tercurahkan kepada Nabi Muhammad SAW, kepada keluarganya, para sahabatnya, hingga kepada umatnya hingga akhir zaman, Amin.
Penulisan Tugas Akhir ini diajukan untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. Dalam penyusunan dan penulisan Tugas Akhir ini tidak terlepas dari bantuan, bimbingan, serta dukungan dari berbagai pihak. Oleh karena itu dalam kesempatan ini penulis dengan senang hati menyampaikan terima kasih kepada yang terhormat :
1. Bapak Ir. Sri Sunarjono, MT.,Ph.D selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.
2. Bapak Tri Widodo B. R, ST.,M.Sc.,Ph.D selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.
xi
KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN PIN-FIN ELLIPS SUSUNAN SEGARIS UNTUK SISTEM
PENDINGIN INTERNAL PADA SUDU TURBIN GAS
Mukhron Mardloni, Marwan Effendy, Sarjito Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta
Jl. A. Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasura email : mukhron.m@gmail.com
ABSTRAK
Penelitian ini menggambarkan prediksi data mengenai kinerja pin-fin untuk pendingin internal pada sudu turbin gas. Tujuan dari penelitian ini untuk mengetahui koefisien perpindahan panas (h) dan faktor gesekan (f) disepanjang pendingin.
Metode yang digunakan yaitu aliran steady RANS dengan model turbulensi k-epsilon dalam dua tahapan. Pertama, melakukan validasi data dengan pendekatan simulasi pada bentuk pin-fin silinder susunan staggered yang dilakukan peneliti sebelumnya secara eksperimen. Dengan menggunakan lima macam tipe mesh secara terstruktur mulai dari kasar (Δy+
= 25.15) kemudian dilakukan studi perbaikan mesh hingga didapatkan tipe mesh optimal yaitu (Δy+ = 1.22). Kedua, melakukan penelitian dengan
memodifikasi bentuk pin-fin ellips susunan in-line menggunakan pendekatan simulasi dengan mengadopsi tipe mesh yang digunakan pada tahap validasi dengan kondisi batas yang serupa, bilangan Reynolds yang digunakan antara 9000 – 36000.
Hasil penelitian menunjukkan validasi dapat diterima dengan menggunakan tipe mesh (Δy+ = 1.22) dengan jumlah elemen 1.6 juta. Validasi
dengan pendekatan CFD menunjukkan penurunan tekanan dan koefisien perpindahan panas serupa dengan eksperimen, meskipun untuk koefisien perpindahan panas setelah baris pin kedua tidak sama. Investigasi dilakukan pada pin-fin G2A dan G2B, hasil penelitian menunjukkan koefisien perpindahan panas pin-fin G2B lebih tinggi dibanding G2A, hal tersebut disebabkan turbulensi yang berbeda antara kedua tipe. Koefisien perpindahan panas meningkat disebabkan meningkatnya turbulensi yang terjadi karena kontraksi pin-fin dan peningkatan bilangan Reynolds. Sebaliknya, faktor gesekan berkurang secara bertahap disepanjang saluran udara.
xii
CHARACTERISTICS OF HEAT TRANSFER AND PRESSURE DROP ELLIPTICAL PIN-FINS WITH IN-LINE ORIENTATION FOR COOLING
SYSTEM OF INTERNAL GAS TURBINE BLADE
Mukhron Mardloni, Marwan Effendy, Sarjito
Department of Mechanical Engineering, Muhammadiyah University of Surakarta
Jl. A. Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasura email : mukhron.m@gmail.com
ABSTRACT
This study describes a performance prediction of the elliptical pin-fins cooling of gas turbine blade. The main objective of this research is to investigate the heat transfer coefficient (HTC) and friction factor (f) along the cooling passage.
The steady RANS with k-epsilon turbulence model was carried out by two-stages investigating: firstly, validation of an existing circular staggered array of pin-fin cooling that has been studied experimentally by other researcher. Five types structured mesh from coarse (Δy+ = 25.15) to fine (Δy+ =
1.22) were optimised for mesh refinement study. Secondly, further investigation of the elliptical pin-fin cooling with in-line orientation was simulated by adopting the same scenario of mesh generation based on the optimum result from validation stage. Simulations were performed by keeping the same initials and boundary conditions as the experiment, and varying Reynolds number from 9000 to 36000.
The result shows that validation can be considered acceptable by developing mesh up to 1.6 million elements with fine resolution (Δy+ =
1.22). CFD predicted HTC and pressure loss are in good agreement with available experimental data, although over-prediction data is found after the second pin-fin row for HTC simulation. Investigation of two different surfaces of pin-fin cooling (G2A and G2B) indicates that the HTC of pin-fin G2B is higher than the HTC of fin G2A as the effect of different turbulence around the pin-fin cooling. The HTC of pin-pin-fins surface increases moderately along the cooling passage due to the increase of flow turbulence that caused by contraction channel and increasing Reynolds number. On the contrary, the friction factor decreases gradually along the channel.
xiii
DAFTAR ISI
Halaman Judul ... i
Pernyataan Keaslian Skripsi ... ii
Halaman Persetujuan ... iii
Halaman Pengesahan ... iv
Lembar Soal Tugas Akhir ... v
Halaman Motto ... vi
Halaman Persembahan ... vii
Kata Pengantar ... ix
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Kajian Pustaka ... 7
xiv
3.2 Tahapan Penelitian ... 25
3.2.1 Tahap Validasi ... 25
3.2.2 Tahap Penelitian Kasus ... 32
BAB IV VALIDASI, HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Validasi Data ... 36
4.1.1 Validasi Meshing ... 36
4.1.2 Validasi Data Hasil Simulasi ... 37
4.2 Hasil dan Pembahasan Tahap Penelitian Kasus ... 43
4.2.1 Perhitungan Data ... 43
4.2.2 Analisis dan Pembahasan Data... 47
4.2.2.1 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Pin-Fin Internal Cooling Terhadap Karakteristik Penurunan Tekanan ... 47
4.2.2.2 Pengaruh Bilangan Reynolds inlet 9000 dan Pin-Fin Internal Cooling Terhadap Karakteristik Perpindahan Panas ... 51
4.2.2.3 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Pin-Fin Internal Cooling Terhadap Kecepatan Udara... 53
4.2.2.4 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Pin-Fin Internal Cooling Terhadap Penurunan Temperatur Udara ... 54
xv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1. Sudu Turbin Gas ... 2
Gambar 1.2. Potongan melintang sudu turbin gas dengan pendinginan internal ... 3
Gambar 1.3. Desain pin-fin intercooling silinder dengan dimensi sesuai eksperimen Tarchi, dkk (2008) ... 6
Gambar 1.4. Model pengembangan pin-fin ... 6
Gambar 2.1. (a) pressure drop (b) heat transfer coefficient Tarchi, dkk (2008) ... 10
Gambar 2.2. Sirip pin ellips susunan in-line (Yustisiaji, 2010) ... 11
Gambar 2.3. Susunan sirip pin (a) segaris(b) selang-seling (Bilen, dkk. 2002) ... 12
Gambar 2.4. Dimensi pin ellips SEF dan N fin (Camci dan Uzol, 2001) .... 13
Gambar 2.5. Perpindahan panas konveksi dari plat panas ... 14
Gambar 2.6. Lapisan batas disepanjang sebuah plat datar ... 18
Gambar 2.7. Separasi aliran yang terjadi pada pin silinder ... 19
Gambar 2.8. Skema umum proses CFD ... 20
Gambar 2.9. Contoh mesh pada GAMBIT ... 23
Gambar 3.1. Diagram alir penelitian ... 24
Gambar 3.2. Geometrypin-fin intercooling (Tarchi, dkk. 2008) ... 26
Gambar 3.3. Tipe mesh ... 27
Gambar 3.4. Proses iterasi berlangsung ... 31
Gambar 3.5. Proses iterasi konvergen ... 31
Gambar 3.6. CFD – post R15.0 ... 32
Gambar 3.7. Geometrypin-fin ellips susunan in-line ... 33
Gambar 3.8. Meshpin-fin ellips susunan in-line ... 34
Gambar 4.1. Pengaruh bilangan Reynolds terhadap faktor gesekan pada tahap validasi ... 39
Gambar 4.2. Reynolds pin-7 = 18000... 40
Gambar 4.3. Koefisien perpindahan panas dengan jarak x/Sx pada tahap validasi ... 42
Gambar 4.4. Pengaruh bilangan Reynolds terhadap penurunan tekanan . 48 Gambar 4.5. Pengaruh kecepatan fluida masuk terhadap faktor gesekan (friction factor) ... 49
xvi
Gambar 4.7. Pengaruh bilangan Reynolds terhadap faktor gesekan ... 51 Gambar 4.8. Koefisien perpindahan panas pada jarak x/Sx
(Reynolds inlet = 9000) ... 52 Gambar 4.9. Kontur koefisien perpindahan panas pada
Reynolds inlet = 9000 ... 53 Gambar 4.10. Kecepatan udara pada jarak x/Sx (Reynolds inlet = 9000) .... 54 Gambar 4.11. Temperatur udara pada jarak x/Sx (Reynolds inlet = 9000) .. 55 Gambar 4.12. Hubungan bilangan Reynolds terhadap koefisien perpindahan
xvii
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1. Karakteristik mesh ... 28
Tabel 3.2. Specify boundary conditions ... 28
Tabel 4.1. Validasi pressure drop ... 39
Table 4.2. Mass flow rate untuk perhitungan friction factor ... 44
Tabel 4.3. Friction factor pin-fin tipe G2A ... 45
Tabel 4.4. Friction factor pin-fin tipe G2B ... 46
Tabel 4.5. Perbandingan heat transfer coefficient pin-fin tipe G2A, G2B, dan Tarchi, dkk (2008) pada Reynolds inlet = 9000 ... 47
xviii
DAFTAR SIMBOL
� : Luas area (m2)
� � : Luas area diantara pin-fin (m2)
��0 :Luas area dari inlet saluran udara (m2) � : Diameter pin ellips sumbu minor (m)
��0 : Diameter hidrolik (m) : Faktor gesekan
ℎ : Koefisien perpindahan panas (W/m2.K)
ṁ : Laju Aliran massa (kg/s) : Tekanan (Pa)
: Laju perpindahan kalor (W) : Bilangan Reynolds
�0 : Bilangan Reynolds pada inlet �7 : Bilangan Reynolds pada pin-7
: Jarak antar titik pusat pin-fin terhadap sumbu x(mm) : Jarak antar titik pusat pin-fin terhadap sumbu y(mm) : Temperatur udara dekat dinding (K)
: Temperatur pada dinding (K) : Massa jenis udara (kg/m3)
� : Kecepatan udara (m/s)
