SIMULASI NUMERIK ALIRAN FLUIDA PADA TINGKAT PERTAMA TURBIN UAP MENGGUNAKAN CFD FLUENT

(1)

SIMULASI NUMERIK ALIRAN FLUIDA PADA TINGKAT PERTAMA TURBIN UAP

MENGGUNAKAN CFD FLUENT

SKRIPSI

Skripsi diajukan untuk melengkapi syarat memperoleh gelar Sarjana Teknik

EKO KURNIAWAN 040401020

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

2010

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

ABSTRAK

Turbin uap adalah suatu penggerak mula yang berfungsi mengubah energi entalpi uap menjadi energi kinetik uap yang selanjutnya diubah menjadi energi mekanik berupa putaran poros. Dimana dalam industri pertanian turbin uap sering dipakai untuk pembangkit daya.

Salah satu pengujian dan analisa kinerja turbin uap yaitu dengan cara numerik pada bagian sudu turbin. Dibutuhkan studi komputasional dengan metode CFD untuk mensimulasikan aliran fluida di dalam turbin. Analisis pada profil sudu serta model turbulensi dilakukan dalam rangka mendapatkan prediksi kecepatan aliran, tekanan, dan aliran turbulen yang lebih akurat. Aliran kondisi steady disimulasikan untuk menggambarkan perilaku aliran dan karakteristiknya yang terjadi antara hubungan sudu pengarah (sudu stator) dan sudu gerak (sudu rotor).

Kata kunci : turbin uap, aliran fluida, sudu, CFD

(7)

ABSTRACT

The steam turbine is a function of prime movers which converts the energy into kinetic energy of steam enthalpy of steam which was subsequently converted into mechanical energy in the form of rotations. Where in the agricultural industry is often used for steam turbine power plant.

One of the testing and analysis of steam turbine performance is by numerical at the turbine blade. Computational studies required by the CFD method to simulate fluid flow in the turbine. Analysis on the blade profile and the turbulence model predictions made in order to get the flow velocity, pressure, and turbulent flow more accurately. Steady flow conditions are simulated to illustrate the flow behaviors and characteristics that occurred between the relationship of the stationary blade (stator blade) and moving blade (rotor blade).

Keywords : steam turbine, fluid flow, blade, CFD

(8)

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT karena atas berkat dan rahmat-Nyalah penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini dengan baik yang berjudul

“SIMULASI NUMERIK ALIRAN FLUIDA PADA TINGKAT PERTAMA TURBIN UAP MENGGUNAKAN CFD FLUENT”

Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub bidang Konversi Energi Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Dalam menyelesaikan skripsi ini, penulis banyak mendapatkan bantuan baik moril maupaun spirituil dari berbagai pihak. Untuk itu, penulis megucapkan terimakasih kepada yang sebesar-besarnya kepada :

1. Bapak Dr.Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri, selaku Ketua Jurusan Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara

2. Bapak Ir. Isril Amir, selaku Dosen Pembimbing 3. Bapak Ir. Tekad Sitepu, selaku Dosen Pembanding

4. Bapak DR. Eng. Himsar Ambarita, ST, MT, selaku Dosen Pembanding sekaligus Dosen Mata Kuliah Metode Perhitungan Dinamika Fluida/Computational Fluid Dynamics (CFD).

5. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, Msc, selaku Koordinator Laboratorium Mesin Fluida.

6. Seluruh Dosen dan Staff Pengajar di Departemen Teknik Mesin yang telah memberikan ilmu pengetahuan, pengajaran serta bimbingan kepada penulis.

7. Staff dan Karyawan Pabrik Pengolahan Inti Sawit (PPIS) PTPN-IV Kebun Pabatu.

8. Laboran dan Asisten Mesin Fluida dan Prestasi Mesin : Bang Atin, Andre, M. Said, Asril, dan Raja.

9. Seluruh pegawai Departemen Teknik Mesin, Bang Syawal, Kak Ismawati, dan Bang Fauzi (Almarhum).

10. Semua rekan kuliah stambuk 2004 Departemen Teknik Mesin.

(9)

11. Para sahabat di Medan Store.Net, Forum Silaturrahmi Mahasiswa (FOSMA), Tech Production (Techie) dan Pramuka USU.

Pada kesempatan ini secara khusus penulis mengucapkan terimakasih yang paling terdalam kepada kedua Orang Tua tercinta, Ayahanda Misdi yang telah berusaha keras demi pendidikan penulis, dan Ibunda Jumini, berkat do’a, kasih sayang, kesabaran, ketulusan dan keikhlasan hati dalam membesarkan, mendidik dan selalu memberikan semangat dan dorongan serta pengorbanan yang tidak dapat penulis balas dengan apapun. Serta seluruh keluargaku yang telah mendukung kelancaran kegiatan akademis penulis dan semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu.

Akhir kata penulis hanya bisa berdo’a semoga kiranya Allah SWT memberikan ridho-Nya kepada semua pihak yang telah membantu penulis selama pendidikan.

Penulis menyadari bahwa Skripsi ini masih jauh dari sempurna. Dengan kerendahan hati penulis menghargai dan mengharapkan kritik dan saran dari pembaca yang bersifat membangun demi peningkatan ke arah yang lebih baik dimasa mendatang. Dan harapan penulis semoga Skripsi ini bermanfaat bagi penulis pada khususnya dan bagi pembaca pada umumnya.

Medan, 21 Juni 2010 Penulis,

NIM : 040401020 Eko Kurniawan

(10)

DAFTAR ISI

Halaman LEMBAR PENGESAHAN

SPESIFIKASI TUGAS

KARTU BIMBINGAN TUGAS

ABSTRAK i

ABSTRACT ii

KATA PENGANTAR iii

DAFTAR ISI v

DAFTAR GAMBAR ix

DAFTAR TABEL xiii

DAFTAR SIMBOL xiv

BAB I PENDAHULUAN 1

1.1 Latar Belakang 1.2 Batasan Masalah 1.3 Tujuan

1.4 Manfaat

1.5 Metodologi Pengerjaan 1.6 Sistematika Penyajian 1.7 Kontribusi Penelitian

1 3 3 3 4 7 8

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 9

2.1 Tinjauan Umum Instalasi Tenaga Uap 2.2 Siklus Tenaga Uap

2.3 Turbin Uap

9 10 12 2.3.1 Tipe Turbin Uap

2.3.2 Analisa Kecepatan Aliran Uap 2.3.3 Kerugian Energi Pada Turbin Uap

13 20 23 2.4 Dimensi Sudu

2.5 Model Matematis

28 30

(11)

2.5.1 Persamaan Atur Aliran Fluida

(Governing Equation) 30

BAB III CFD FLUENT DAN PENDEKATAN NUMERIK 40 3.1 Computational Fluid Dynamics (CFD) 40

3.1.1 Pengertian Umum CFD 3.1.2 Penggunaan CFD 3.1.3 Manfaat CFD 3.1.4 Proses Simulasi

3.1.5 Metode Diskritisasi CFD

40 41 42 42 43

3.2 Pengenalan FLUENT 44

3.2.1 Struktur Program FLUENT

3.2.2 Perencanaan Analisis CFD dan Langkah Penyelesaian Masalah Menggunakan

FLUENT

44

45 3.3 Pendekatan Numerik pada CFD FLUENT 48

3.3.1 Ketentuan Matematis

3.3.2 Persamaan Kontinuitas Momentum dan Energi

3.3.3 Fisik Aliran Kompressibel 3.3.4 Model Turbulensi

3.3.5 Persamaan Umum Transport Skalar, Diskritisasi dan Solusi

3.3.6 Penyelesian Persamaan Linear

3.3.7 Dasar Penyelesaian Tekanan (Pressure- Based Solver)

3.3.8 Diskritisasi (Metode Interpolasi) 3.3.9 Pressure Velocity Coupling 3.3.10 Kompatibilitas FLUENT

48

49

51 51 53

55 55 56 58 59 BAB IV ANALISA TINGKAT PERTAMA TURBIN UAP 61

4.1 Data Turbin Uap 61

4.1.2 Data Utama Turbin Uap

4.1.3 Data Tambahan dan Besaran Teknis

61 61

(12)

4.2 Perhitungan Termodinamik Uap pada Turbin 62 4.2.1 Perhitungan Kondisi Uap Masuk Turbin

sebelum Katup Pengatur

4.2.2 Perhitungan Kondisi Uap Masuk Turbin Setelah Katup Pengatur

4.2.3 Perhitungan Kondisi Uap saat Meninggalkan Turbin

4.2.4 Perhitungan Entalpi Teoritis Uap pada Seluruh Tingkat Turbin

4.2.5 Perhitungan Laju Massa Uap

62

63 65 4.3 Perhitungan Tingkat Pertama (Curtis 2 baris) 66

4.3.1 Perhitungan Segitiga Kecepatan

4.3.2 Perhitungan Kerugian Kalor pada Tingkat Pertama

67

71 4.4 Dimensi Sudu Gerak dan Sudu Pengarah 74

4.4.1 Dimensi Sudu Gerak Baris Pertama 4.4.2 Dimensi Sudu Pengarah

4.4.3 Dimensi Sudu Gerak Baris Kedua

74 77 79

BAB V PROSES SIMULASI 83

5.1 Pendahuluan 5.2 Data Awal

5.3 Kondisi Batas (Boundary Condition) 5.4 Kasus yang Disimulasikan

5.5 Prosedur Simulasi

83 83 86 87 88 5.5.1 Membuat Geometri Sudu Turbin dengan

AutoCAD dan CATIA

5.5.2 Membuat Mesh sebagai Domain Komputasi di GAMBIT

5.5.3 Memasukkan Parameter Simulasi dan Menjalankan Solver CFD FLUENT

5.5.4 Melihat Hasil Simulasi dengan CFD FLUENT

88

90

93

94

(13)

BAB VI HASIL DAN ANALISIS SIMULASI 95

6.1 Simulasi Profil Sudu 95

6.1.1 Simulasi Vektor Kecepatan Aliran 6.1.2 Simulasi Kontur Tekanan

6.1.3 Perbandingan Koefisien lift (Cl) dan Koefisien drag (Cd)

96 99

102

6.2 Simulasi Kondisi Steady-State 104

6.2.1 Simulasi Kecepatan Aliran 6.2.2 Simulasi Kontur Tekanan

104 106 6.3 Simulasi Turbulensi Model k-epsilon (k-ε) 108

BAB VII KESIMPULAN DAN SARAN 112

7.1 Kesimpulan 7.2 Saran

112 113 DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

114 115

(14)

DAFTAR GAMBAR

Halaman Gambar 1.1

Gambar 2.1 Gambar 2.2 Gambar 2.3 Gambar 2.4

Gambar 2.9

Gambar 2.10

Gambar 2.11 Gambar 2.12

Gambar 2.13

Gambar 2.14

Gambar 2.15

Gambar 3.1 Gambar 3.2 Gambar 3.3

Diagram alir metode penelitian Skema instalasi tenaga uap

Layout-fisik Siklus Rankine Tertutup sederhana Diagram T-s siklus Rankine sederhana

Turbin impuls tingkat tunggal dengan dua tingkat kecepatan dan diagram efisiensinya.

Penampang turbin impuls tiga tingkat tekanan Penampang turbin reaksi dan diagram efisiensinya Penggabungan sudu turbin uap Impuls dan Reaksi Tekanan dan kecepatan uap melalui nosel, sudu impuls dan sudu reaksi

Bagan segitiga kecepatan dari satu tingkat turbin uap impuls

Skema kecepatan antara sudu pengarah dan sudu jalan

Segitiga Kecepatan pada sudu turbin

Proses ekspansi uap melalui ekspansi pengatur beserta kerugian-kerugian akibat penyempitan Koefisien kecepatan untuk nozel sebagai fungsi tinggi nozel

Koefisien kecepatan untuk sudu gerak turbin impuls untuk berbagai panjang dan profil sudu

Celah kebocoran uap tingkat tekanan pada turbin impuls

Struktur Komponen Program FLUENT Diagram Alir Prosedur Simulasi

Volume kontrol digunakan utnuk mengilustrasikan diskritisasi persamaan transport skalar

6 10 11 11

14 15 16 17

18

20

21 21

24

26

28 45 47

54

(15)

Gambar 3.4 Gambar 3.5 Gambar 4.1

Gambar 4.4 Gambar 4.5 Gambar 4.6 Gambar 5.1 Gambar 5.2 Gambar 5.3 Gambar 5.4 Gambar 5.5 Gambar 5.6 Gambar 5.7 Gambar 5.8 Gambar 5.9 Gambar 5.10 Gambar 5.11 Gambar 5.12 Gambar 5.13 Gambar 5.14

Gambar 6.1

Gambar 6.2

Volume kontrol satu dimensi

Kompatibilitas model pada FLUENT

Gambar enthalpy (h) vs entropi (s) pada tingkat terakhir

Segitiga kecepatan sudu gerak tingkat pertama Gambar enthalpy (h) vs entropi (s) pada tingkat pertama

Penampang sudu gerak baris pertama Penampang sudu pengarah

Penampang sudu gerak baris baris kedua Profil sudu gerak baris pertama

Profil sudu pengarah (stator)

Profil sudu gerak baris kedua (rotor)

Kondisi batas profil sudu gerak baris pertama Kondisi batas profil sudu pengarah

Kondisi batas profil sudu gerak baris kedua (rotor) Kondisi batas rotor-stator

Domain komputasi sudu pengarah (stator)

Domain komputasi sudu gerak baris kedua (rotor) Mesh profil sudu gerak baris pertama

Mesh profil sudu pengarah

Mesh profil sudu gerak baris kedua

Mesh domain komputasi sudu pengarah (stator) Mesh domain komputasi sudu gerak baris kedua (stator)

Vektor kecepatan aliran pada sudu gerak baris pertama

Daerah vektor kecepatan tertinggi pada sudu gerak baris pertama

Vektor kecepatan aliran pada sudu pengarah

Daerah vektor kecepatan tertinggi pada sudu pengarah

57 60

65 71

74 76 79 81 84 84 84 86 86 87 87 90 90 91 92 92 92

93

96

97 97

98

(16)

Gambar 6.5

Gambar 6.6

Gambar 6.13

Gambar 6.14

Gambar 6.15

Gambar 6.16 Gambar 6.17 Gambar 6.18 Gambar 6.19 Gambar 6.20 Gambar 6.21

Gambar 6.22

Gambar 6.23

Vektor kecepatan aliran pada sudu gerak baris kedua

Daerah vektor kecepatan tertinggi pada sudu gerak baris kedua

Kontur tekanan statis pada sudu gerak baris pertama Garis kontur tekanan statis pada sudu gerak baris pertama

Kontur tekanan statis pada sudu pengarah Garis kontur tekanan statis pada sudu pengarah Kontur tekanan statis pada sudu gerak baris kedua Garis kontur tekanan statis pada sudu gerak baris kedua

Grafik Cl pada (a) sudu gerak baris pertama;

(b) sudu pengarah; (c) sudu gerak baris kedua Grafik Cd pada (a) sudu gerak baris pertama;

(b) sudu pengarah; (c) sudu gerak baris kedua Vektor kecepatan aliran steady tanpa perubahan gerakan rotor

Vektor kecepatan tinggi pada interface rotor-stator Kontur kecepatan aliran

Garis kontur kecepatan aliran Kontur tekanan

Garis kontur tekanan

Distribusi Pressure Coefficient hasil simulasi numerik

Perbandingan kontur Turbulent Kinetic Energy (k) (m²/s²); (a) k-ε Standard; (b) k-ε Realizable, sudu gerak baris pertama

Perbandingan kontur Turbulent Kinetic Energy (k) (m²/s²) ; (a) k-ε Standard; (b) k-ε Realizable, sudu pengarah

98

99 99

100 100 101 101

102

103

104 105 106 106 107 107

108

109

(17)

Gambar 6.24

Gambar 6.25

Gambar 6.26

Perbandingan kontur Turbulent Kinetic Energy (k) (m²/s²); (a) k-ε Standard; (b) k-ε Realizable, sudu gerak baris kedua

Kontur Turbulent Kinetic Energy (k) (m²/s²) k-ε Standard pada interface rotor-stator

Kontur Turbulent Kinetic Energy (k) (m²/s²) k-ε Realizable pada interface rotor-stator

110

111

(18)

(19)

DAFTAR TABEL

Halaman Tabel 2.1

Tabel 2.2 Tabel 4.1 Tabel 4.2

Tabel 4.2

Tabel 5.1 Tabel 5.2 Tabel 5.3

Tabel 6.1

Persamaan Konservasi Konstanta model

Penurunan entalpi teoritis pada setiap tingkat Hasil perhitungan segitiga kecepatan pada sudu gerak tingkat pertama dengan dua tingkat-kecepatan Hasil perhitungan dimensi sudu tingkat pertama

dengan dua tingkat kecepatan Dimensi, jumlah dan panjang sudu Data operasional yang digunakan

Hubungan kecepatan aliran uap dengan sudut masuk

Nilai Cl dan Cd pada masing-masing profil sudu

39 39 64

70

82 85 85

85 102

(20)

DAFTAR SIMBOL

Huruf Yunani Satuan

α1 : Sudut serang nosel [ ⁰]

α2 : Sudut keluar dari sudu gerak

β : Koefisien untuk perhitungan daya yang hilang akibat rugi ventilasi

β : Sudut relatif uap masuk sudu 1 [ ⁰]

β : Sudut relatif uap keluar sudu 2 [ ⁰] ψ : Koefisien rugi-rugi kecepatan yang terjadi pada sudu

gerak

ϕ : Koefisien rugi-rugi kecepatan yang terjadi pada nosel ε : Derajat pemasukan uap

γ : Bobot spesifik uap dimana cakram tersebut berputar [ kg/m³]

η : Efisiensi mekanik turbin m [ %]

i

η : Efisiensi internal turbin 0 [ %]

η : Efisiensi generator g [ %]

η : Efisiensi isentropik turbin t [ %]

ν : Volume spesifik uap [ m³/kg]

Huruf Latin Satuan

b : Lebar sudu [ mm]

c 1 : Kecepatan absolut uap keluar nosel [ m/det] c₁t : Kecepatan teoritis uap keluar nosel [ m/det] c 2 : Kecepatan absolut keluar sudu gerak pertama [ m/det] c₂u

: Kecepatan uap absolut keluar sudu dalam arah

tangensial [ m/det]

d : Diameter rata-rata cakram/disc [ m]

G : Laju aliran massa uap [ kg/s]

(21)

g : Percepatan gravitasi bumi [ m/s²]

h : Entalpi uap [ kJ/kg]

h b : Rugi-rugi pada sudu gerak [ kJ/kg]

h e : Rugi-rugi akibat kecepatan keluar sudu [ kJ/kg] hgea : Rugi-rugi akibat gesekan cakram dan ventilasi [ kJ/kg]

h n : Rugi-rugi pada nosel [ kJ/kg]

l b : Tinggi sudu rata-rata [ mm]

l^'b : Tinggi sudu rata-rata pada sisi masuk [ mm]

l^"b : Tinggi sudu rata-rata pada sisi keluar [ mm]

l n : Tinggi nosel [ mm]

Ni : Daya internal turbin [ kW]

n : Kecepatan putar turbin [ rpm]

p : Tekanan uap [ bar]

r : Radius belakang sudu [ mm]

R : Radius depan sudu [ mm]

s : Entropi uap [ kJ/kg.K]

T : Temperatur uap [ ⁰C]

t : Pitch/jarak antara dua buah nosel [ mm]

t₁ : Tebal sudu pada sisi masuk [ mm]

t₂ : Tebal sudu pada sisi keluar [ mm]

u : Kecepatan tangensial uap [ m/det]

w1 : Kecepatan relatif uap masuk sudu [ m/det] w₂ : Kecepatan relatif uap keluar sudu [ m/det] z : Jumlah sudu