Bab I Pendahuluan ... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Tujuan Penelitian... 4 1.3 Pembatasan Masalah ... 4 1.4 Metoda Penelitian ... 4 1.5 Sistematika Penulisan ... 5
Gambar 1. 1 Mesin Turbofan TAY650-15 [10] ... 2
Gambar 1. 2 Kasus Nicking yang terjadi pada bilah kipas serta hasil perbaikannya berupa Dressing (a) dan Scaloping (b) ... 2
Bab I Pendahuluan
1.1 Latar
Belakang
Dalam penyelenggaraan operasi pesawat udara, keselamatan merupakan hal yang sangat penting untuk diperhatikan. Suatu kecelakaan yang terjadi ketika pesawat udara beroperasi dapat berakibat fatal pada hilangnya nyawa penumpang. Agar pesawat udara dapat beroperasi dengan selamat maka bagian-bagian penting pesawat harus dapat berfungsi dengan baik. Oleh karena itu, diperlukan proses perawatan yang dapat menjaga bagian-bagian pesawat dapat berfungsi dengan baik ketika sedang beroperasi. Salah satu bagian terpenting pesawat udara adalah mesin pesawat. Mesin pesawat menjadi sangat penting karena mesin berfungsi sebagai pembangkit gaya dorong pada pesawat udara. Apabila mesin mengalami kegagalan ketika pesawat sedang beroperasi, maka pesawat harus segera didaratkan di landasan terdekat. Bila tidak mencapai landasan terdekat maka pesawat harus melakukan pendaratan darurat. Oleh karena itu, perawatan mesin pesawat harus dilakukan secara intensif guna menjaga agar mesin dapat berfungsi dengan baik.
Jenis mesin yang banyak digunakan pada pesawat udara komersial adalah mesin turbofan seperti terlihat pada gambar 1.1. Mesin turbofan merupakan salah satu jenis mesin turbin gas yang menyerap udara sebagai fluida kerja kemudian diproses untuk membangkitkan daya. Yang membedakan mesin ini dengan jenis mesin turbin gas lainnya adalah penggunaan fan atau kipas sebagai low pressure compressor dan pembangkit gaya dorong (thrust). Penggunaan fan blade atau bilah kipas menurunkan efisiensi kerja jet sebagai pembangkit gaya dorong. Namun hal ini berdampak pada penurunan tingkat kebisingan yang ditimbulkan oleh semburan jet. Oleh karena itu mesin ini menjadi pilihan utama pesawat komersial berkecepatan high subsonic yang sangat memperhatikan kenyamanan penumpang.
Gambar 1. 1 Mesin Turbofan TAY650-15 [10]
Pada perawatan berkala mesin turbofan, bilah kipas menjadi salah satu bagian yang menjadi perhatian khusus. Cacat yang terjadi pada bilah kipas dapat dideteksi dan diidentifikasi melalui serangkaian pemeriksaan. Cacat yang telah terdeteksi kemudian dianalisis untuk mengetahui bagaimana pengaruhnya terhadap struktur bilah kipas. Bila cacat tersebut berpotensi menyebabkan kegagalan struktur maka perusahaan perawatan harus segera memperbaiki atau bahkan mengganti bilah kipas tersebut.
Terdapat beberapa kasus yang sering ditemukan dalam proses perawatan bilah kipas mesin turbofan. Ketika mesin beroprasi, terdapat partikel-partikel padat yang terhisap ke dalam mesin. Partikel-partikel ini bertumbukan dengan bilah kipas yang berputar. Salah satu akibat dari tumbukan partikel dengan bilah kipas ini adalah nicking. Nicking merupakan salah satu jenis cacat berupa notch yang terjadi pada bilah kipas. Daerah yang sering mengalami nicking adalah leading edge dan trailing edge. Kasus nicking dapat dilihat pada gambar 1.2 berikut.
nicking
(a) (b)
Gambar 1. 2 Kasus Nicking yang terjadi pada bilah kipas serta hasil perbaikannya berupa
Dressing (a) dan Scaloping (b)
Perbedaan tersebut adalah terjadinya fenomena konsentrasi tegangan pada bagian di sekitar nicking. Konsentrasi tegangan merupakan respon tegangan yang terdistribusi tidak seragam akibat adanya diskontinuitas geometri. Jika tingkat konsentrasi tegangan melebihi kekuatan material, secara teoretis bilah kipas akan mengalami kegagalan. Oleh karena itu perusahaan pembuat mesin menetapkan prosedur perbaikan untuk mengatasi cacat ini. Prosedur yang dilakukan dalam mengatasi cacat ini adalah scalloping dan dressing. Scalloping adalah penggerindaan daerah yang mengalami cacat supaya diskontinuitas geometri tidak terlalu tajam sehingga konsentrasi tegangan dapat dikurangi. Sedangkan dressing adalah penggerindaan pada seluruh permukaan leading edge atau trailing edge sehingga chord dari bilah kipas akan berkurang. Scaloping dan dressing ini memiliki batas toleransi ukuran yang diperbolehkan. Apabila batas toleransi ini sudah dilewati, maka bilah harus diganti dengan yang baru (discard).
PT Nusantara Turbin dan Propulsi sebagai sebuah perusahaan perawatan mesin turbin dan propulsi pesawat udara sedang melakukan serangkaian penelitian terhadap kasus-kasus yang berhubungan dengan perawatan mesin pesawat udara. Penelitian tersebut bertujuan untuk dapat mengetahui seluk beluk desain suatu mesin pesawat udara yang dirawat di perusahaan tersebut. Salah satu penelitian yang dilakukan adalah analisis kekuatan struktur pada bilah kipas mesin TAY650-15. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui bagaimana distribusi tegangan yang terjadi saat mesin beroperasi pada kecepatan putar maksimum dan mengetahui tingkat keamanan bilah kipas yang mengalami cacat.
Pada tugas akhir ini akan dilakukan analisis numerik struktur bilah tanpa cacat, bilah yang mengalami nicking, dan bilah yang telah mengalami perbaikan dengan metode scalloping. Bagian bilah yang mengalami nicking akan dimodelkan sebagai takik setengah lingkaran dan takik setengah ellips horisontal. Sedangkan bagian bilah yang telah diperbaiki dengan metode scalloping akan dimodelkan sebagai takik setengah ellips vetikal. Selanjutnya distribusi tegangan di sekitar nicking akan dibandingkan dengan distribusi tegangan di area yang sama pada saat bilah belum mengalami cacat untuk mengetahui harga faktor konsentrasi tegangan (stress concentration factor, Kt).
Setelah dilakukan perbaikan struktur dengan menggunakan metode scalloping, harga faktor konsentrasi tegangan akan dihitung kembali untuk mengetahui pengaruh scalloping terhadap distribusi tegangan di area yang sama.
1.2 Tujuan
Penelitian
Tujuan yang ingin dicapai pada penelitian ini antara lain:
1. Mempelajari metode elemen hingga dalam menganalisis kekuatan struktur bilah kipas mesin Turbofan TAY650-15.
2. Mempelajari distribusi yang terjadi pada struktur bilah kipas mesin Turbofan TAY650-15 akibat beban operasinya.
3. Mencari harga faktor konsentrasi tegangan, Kt, untuk geometri bilah kipas yang
mengalami cacat pada bagian leading edge dan trailing edge.
1.3 Pembatasan
Masalah
Pembahasan struktur bilah kipas mesin turbofan memiliki cakupan yang sangat luas. Maka dari itu pembahasan dalam penelitian ini akan dibatasi. Beberapa batasan masalah dalam penelitian ini antara lain:
• Analisis tegangan dilakukan pada dua model bilah kipas yaitu bilah kipas dengan geometri awal tanpa cacat, bilah kipas yang mengalami cacat, dan bilah kipas yang telah diperbaiki.
• Geometri bilah kipas yang ideal dimodelkan sama dengan bilah kipas mesin TAY650-15. Permodelan cacat nicking pada leading edge akan disederhanakan menjadi model takik setengah lingkaran dan setengah ellips horisontal sedangkan scalloping akan dimodelkan dengan setengah ellips vertikal.
• Beban yang diperhitungkan adalah gaya sentrifugal dan gaya dorong udara dingin.
• Analisis numerik dilakukan dengan asumsi bahwa material berperilaku secara elastis dan linier.
1.4 Metoda
Penelitian
Penelitian dilakukan dengan studi literatur, pemodelan geometri bilah kipas, dan analisis numerik dengan menggunakan metode elemen hingga 3 dimensi. Langkah-langkah yang digunakan antara lain:
1. Melakukan rekonstruksi model 3 dimensi bilah kipas yang akan dianalisis dengan menggunakan CATIA V5 berdasarkan data geometri yang didapatkan
2. Melakukan analisis numerik menggunakan metode elemen hingga 3 dimensi pada model yang telah dibuat untuk kasus pembebanan yang ditentukan.
3. Menentukan harga faktor konsentrasi tegangan yang terjadi pada model cacat. 4. Menentukan harga faktor konsentrasi tegangan pada model setelah mengalami
scalloping.
1.5 Sistematika
Penulisan
Tugas akhir ini akan dibagi menjadi enam bab yaitu: • Bab I Pendahuluan
Bab ini menjelaskan gambaran umum tugas akhir yang dikerjakan, yaitu latar belakang, tujuan penelitian, pembatasan masalah, metoda penelitian, dan sistematika penulisan.
• Bab II Kajian Pustaka
Bab ini menguraikan secara ringkas kajian pustaka tentang mesin turbin gas, meliputi prinsip kerja, komponen-komponen penyusun, serta jenis-jenis mesin turbin gas. Bab ini juga menjelaskan tentang dasar teori mekanika elastis linear, teori metode elemen hingga, dan teori konsentrasi tegangan.
• Bab III Permodelan Bilah Kipas
Bab ini menjelaskan tentang permodelan 3 dimensi bilah kipas yang akan dianalisis meliputi definisi geometri, pemodelan cacat pada leading edge dan trailing edge. Model yang akan dibuat adalah model bilah kipas yang ideal, bilah kipas yang mengalami cacat dan bilah kipas yang telah diperbaiki.
• Bab IV Analisis Bilah Kipas
Bab ini menjelaskan tentang analisis model bilah kipas dengan menggunakan metode elemen hingga 3 dimensi. Analisis tersebut meliputi analisis tegangan pada model bilah kipas yang ideal (tanpa cacat), analisis cacat pada bilah kipas, serta analisis model bilah kipas yang sudah mengalami perbaikan. Pada bab ini akan ditentukan besarnya faktor konsentrasi tegangan akibat cacat yang terjadi pada bilah kipas.
• Bab V Kesimpulan dan Saran
Bab ini berisi kesimpulan dari hasil penelitian yang didapat serta saran untuk penelitian berikutnya.
