SIMULASI NUMERIK ALIRAN FLUIDA PADA TINGKAT PERTAMA KOMPRESOR DALAM INSTALASI TURBIN GAS DENGAN DAYA 141,9MW MENGGUNAKAN CFD FLUENT 6.3.

(1)

SIMULASI NUMERIK ALIRAN FLUIDA PADA TINGKAT PERTAMA KOMPRESOR

DALAM INSTALASI TURBIN GAS DENGAN DAYA 141,9MW MENGGUNAKAN CFD FLUENT 6.3.26

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

DAVID SATRIA NIM. 050401015

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

SIMULASI NUMERIK ALIRAN FLUIDA PADA TINGKAT PERTAMA KOMPRESOR

DALAM INSTALASI TURBIN GAS DENGAN DAYA 141,9MW MENGGUNAKAN CFD FLUENT 6.3.26

DAVID SATRIA NIM. 05 0401 015

Telah Disetujui dari hasil Seminar Skripsi Periode ke- 592 pada tanggal 27 Desember 2010

Penguji I Penguji II

Ir. Isril Amir

NIP.1945 1027197412 1 001 NIP. 1957 08051988111 001 Ir. Syahrul Abda, M.Sc

(3)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT yang senantiasa mencurahkan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis bisa menyelesaikan penyusunan skripsi ini.

Skripsi ini membahas tentang simulasi numerik pada perancangan turbin gas, yang berjudul, “Simulasi Numerik Aliran Fluida pada Tingkat Pertama Kompresor dalam Instalasi Turbin Gas dengan Daya 141,9 MW Menggunakan CFD FLUENT 6.3.26”.

Dengan rampungnya penyusunan skripsi ini, pada kesempatan ini Penulis mengucapkan terima-kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Bapak Ir. Zamanhuri, MT selaku dosen pembimbing dalam penelitian ini yang telah membimbing dan memotivasi penulis sehingga penelitian ini dapat diselesaikan.

2. Bapak Ir. Isril Amir dan Bapak Ir. Syahrul Abda, M.Sc yang telah banyak memberikan masukan demi kesempurnaan penyusunan skripsi ini.

3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Tulus B Sitorus,ST,MT selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin FT-USU.

4. Bapak Dr,Eng Himsar Ambarita ST, MT yang telah mengarahkan dan mengajarkan penggunaan program CFD FLUENT 6.3.26.

5. Ayahnda A. Dt. A Mangun Nan Panjang dan Ibunda Enisna dan seluruh keluarga yang selalu mencurahkan kasih sayangnya dan perhatian serta dukungan baik moril maupun materil.

6. Adinda Suci Intan Fatrisia dengan sokongan dan kemurahan hatinya, membantu penulis dalam penyelesaian akhir penyusunan skripsi ini.

7. Kepada seluruh majelis dosen di Departemen Teknik Mesin tanpa terkecuali yang telah berbagi ilmu dan pengalaman, semoga Allah balasi ketulusan dan semangat berbaginya dengan pahala kebaikan.

8. Buk Ismawaty dan Bapak Syawaluddin Lubis yang banyak membantu dalam administrasi dan perkuliahan serta seluruh staf pegawai Departemen Teknik Mesin FT-USU.

9. Kepada rekan-rekan Teknik Mesin FT-USU, terkhusus rekan-rekan angkatan 2005.

10. Teman-teman di KAMMDASU dan IMAPALIKO semuanya, kalian semua yang memberi pelajaran bahwa hidup tak mengenal siaran tunda.

Akhir kata penulis mengucapkan permohonan maaf yang sebesar-besarnya atas segala kekurangan penulis ketika melakukan penelitian dan penyusunan skripsi ini. Semoga bermanfaat bagi para pembaca.

Medan, Desember 2010 Penulis,

(4)

ABSTRAK

Perancangan turbin gas dengan daya keluaran generator listrik 141,9 MW dan putaran 3000 rpm. Melakukan perancangan awal siklus brayton dan penentuan data awal keadaan termodinamik pada siklus. Melakukan perhitungan segitiga kecepatan sebagai perhitungan mula yang selanjutnya menentukan tingkat kompresor dan merancang bagian-bagian sudu kompresor tingkat pertama.

Dari hasil perhitungan dimensi sudu mulai menggunakan software pemodelan AutoCAD untuk membuat gambaran sudu pengarah dan sudu gerak kemudian melakukan simulasi awal dengan menggunakan software GAMBIT untuk membuat bentuk sudu gerak dan bentuk sederhana dari sudu pengarah sesuai dengan data perhitungan awal.

Hasil geometri yang telah berhasil di gambar di software GAMBIT kemudian di disimulasikan dengan menggunakan software FLUENT 6.3.26 pada kondisi steady state . Kemudian melakukan pembatasaan kondisi sesuai dengan kondisi hasil analisis manual kompresor. Dari hasil simulasi didapatkan bentuk laju aliran fluida yang masuk kompresor dan melalui sudu gerak.

Dari hasil simulasi dapat dibuat kesimpulan kondisi fluida yang melalui sudu gerak dan keadaan fluida yang melalui sudu pengarah sesuai dengan teori perancangan.

(5)

DAFTAR ISI LEMBAR PENGESAHAN

EVALUASI SEMINAR SKRIPSI

SPESIFIKASI TUGAS

KARTU BIMBINGAN

KATA PENGANTAR vi

ABSTRAK vii

DAFTAR ISI viii

DAFTAR TABEL x

DAFTAR GAMBAR xi

DAFTAR NOTASI xii

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar belakang 1

1.2 Tujuan Penulisan 3

1.3 Pembatasan Masalah 3

1.4 Metodologi Penulisan 4

BAB II TINAJUAN PUSTAKA 2.1 Kompresor dan Fungsinya dalam sistem Turbin Gas 6 2.2 Siklus Ideal dan Aktual pada Kompresor 6

2.3 Efisiensi Kompresor 8

2.4 Konstruksi Kompresor Aksial 9

2.4.1. Sudu Kompresor 9 2.4.2. Segitiga Kecepatan pada Sudu Kompresor 12 2.5 Derajat Reaksi Kompresor Aksial 13

2.6 Jumlah tingkat Kompresor 15

BAB III CFD FLUENT DAN PENDEKATAN NUMERIK 3.1 Computational Fluid Dinamycs (CFD) 17

3.1.1. Pengertian Umum CFD 17

3.1.2. Penggunaan CFD 18

3.1.3. Manfaat CFD 19

3.1.4. Proses Simulasi CFD 19

3.1.5. Metode Diskritisasi CFD 20

3.2 Pengenalan FLUENT 21

3.2.1. Struktur Program FLUENT 22

3.2.2. Perencanaan Analisis CFD dan Langkah Penyelesain Masalah Menggunakan FLUENT 23

3.3 Pendekatan Numerik pada CFD FLUENT 26

3.3.1 Ketentuan Matematis 26

3.3.2 Persamaan Kontinuitas, Momentum dan Energi 27

3.3.3 Fisik Aliran Kompressibel 30

(6)

3.3.6 Penyelesaian Persamaan Linear 34 3.3.7 Dasar Penyelesaian Tekanan

(Pressure-Based Solver) 34 3.3.8 Diskritisasi (Metode Interpolasi) 36 BAB IV ANALISA TERMODINAMIKA

4.1 Spesifikasi Teknis Perencanaan 38

4.2 Siklus Brayton 38

4.3 Analisa Pembakaran 47

4.4 Laju Aliran Massa Udara dan Bahan Bakar 51 BAB V PERENCANAAN KOMPRESOR

5.1 Parameter Perencanaan Kompresor 55

5.2. Jumlah Tingkat Kompresor 56

5.3 Sudu Kompresor 62

5.3.1 Annulus Kompresor 63

5.3.2 Gaya-gaya yang Berkerja pada Sudu Kompresor 69 BAB VI PROSES SIMULASI

6.1 Urgensi Simulasi 72

6.2 Data Awal 72

6.3 Kondisi Batas (Boundary Condition) 73

6.4 Kasus yang Disimulasikan 74

6.5 Prosedur Simulasi 74

6.5.1 Membuat geometri sudu turbin dengan

Auto CAD dan GAMBIT 75

6.5.2 Membuat mesh sebagai domain komputasi

di GAMBIT 75

6.5.3 Memasukkan parameter simulasi dan menjalankan

solver CFD FLUENT 88

6.6 Melihat hasil simulasi dengan CFD FLUENT 89 BAB VII HASIL DAN ANALISIS SIMULASI

7.1 Simulasi Vektor Kecepatan Aliran 79

7.2 Simulasi Kontur Tekanan 81

7.3 Perbandingan koefisien lift (Cl) dan koefisien drag (Cd) 83

BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN

8.1 Kesimpulan 85

8.2 Saran 85

DAFTAR PUSTAKA xiv

LAMPIRAN xv

(7)

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Komposisi Bahan Bakar 47

Tabel 4.2 Kebutuhan udara pembakaran pada kondisi stokiometri 48 Tabel 4.3 Kebutuhan 400% udara pembakaran pada kondisi stokiometri 50 Tabel 5.1 Perbandingan puncak dan dasar sudu 58 Tabel 5.2 Kondisi udara tiap tingkat kompresor 62 Tabel 5.3 Data-data dan Dimensi Sudu Gerak kompresor pertingkat 69 Tabel 7.1 Komparasi Nilai Cl dan Cd pada profil sudu gerak 94

(8)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Sistem Turbin Gas dengan Siklus Terbuka 5

Gambar 2.2 Gambar 2.2 Diagram P-V dan diagram h,T-s 6

Gambar 2.3 Gambar 2.3 Diagram h-s pada kompresor 7

Gambar 2.4 Skema konstruksi kompresor aksial 9 Gambar 2.5 Konstruksi dan jenis-jenis pemasangan sudu pada rotor 10 Gambar 2.6 Detail susunan sudu dan penamaan sudut 10 Gambar 2.7 Grafik hubungan s/c 11

Gambar 2.8 Kondisi dalam annulus tingkat pertama kompresor 12

Gambar 2.9 Segitiga kecepatan pada satu tingkat pertama kompresor 13

Gambar 2.10 Segitiga kecepatan derajat reaksi > 50% dan < 50% 14

Gambar 3.1 Struktur Komponen Program FLUENT 23

Gambar 3.2 Diagram Alir Prosedur Simulasi 25 Gambar 3.3 Volume control digunakan utnuk mengilustrasikan diskritisasi persamaan transport skalar 33 Gambar 4.1 Diagram T-s Siklus Brayton 39 Gambar 4.1 Diagram Daya Generator 51 Gambar 5.1 Segitiga kecepatan pada satu tingkat kompresor 56

Gambar 5.2 Segitiga kecepatan tingkat pertama kompresor 60 Gambar 5.3 Sudu gerak tingkat pertama 63

Gambar 5.4 Grafik hubungan s/c 66

Gambar 5.5 Gaya dorong dan gaya angkat pada sudu 70

Gambar 6.1 Kondisi batas profil sudu tingkat pertama 74 Gambar 6.2 Mesh domain sudu tingkat pertama 77 Gambar 7.1 Vektor kecepatan aliran pada sudu tingkat pertama 80 Gambar 7.2 Daerah vektor kecepatan tertinggi pada sudu pengarah (stator) 80 Gambar 7.3 Kontur tekanan statis pada stator dan rotor 81 Gambar 7.4 Garis kontur tekanan statis pada stator dan rotor 82 Gambar 7.5 Grafik Cd pada sudu gerak (pembacaan hasil Cd ×10^-6) 83 Gambar 7.6 Grafik Cl pada sudu gerak (pembacaan hasil Cl ×10^-6) 84

(9)

DAFTAR NOTASI

Notasi Arti Satuan

A Luas Anulus m²

AFR Air Fuel Ratio kgudara / kgbahanbakar

c panjang chord sudu m

Ca kecepatan aliran aksial fluida m/s

C_pg panas spesifik gas hasil pembakaran kJ/kg.K cp panas jenis udara masuk kompresor kJ/kg.K

Cx Panjang chord sudu arah aksial m

D_d Diameter luar cakra m

D_h Diameter lubang cakra m

D_R Diameter hidrolis pada sudu diam m F_A Diameter hidrolis pada sudu gerak m

FAR Fuel Air Ratio kgbahanbakar / kgudara

F_r Gaya tangensial sudu N

h entalphi static kJ/kg

ht tinggi sudu turbin m

h_o entalphi stagnasi kJ/kg_udara

k Conduktivitas thermal W/m.K

LHV Lower Heating Value kJ/kg_udara

mu massa aliran udara kg/s

m_f massa aliran bahan bakar kg/s

m_g massa aliran gas hasil pembakaran kg/s

m_p massa aliran udara pendingin kg/s

N putaran rpm

P Tekanan Pa

P₀ tekanan stagnasi Pa

P_f Losses tekanan udara pada filter Pa

P_G Daya Generator MW

P_K Daya Kompressor MW

P_T Daya Turbin MW

r jari-jari sudu m

R_a konstanta panjang pitch sudu m

s panjang pitch sudu m

T_c temperatur fluida dingin K

T_h temperatur fluida panas K

U kecepatan keliling m/s

(10)

w lebar sudu m

W kerja spesifik kJ/kg_udara

W_netto kerja bersih kJ/kg_udara

Z jumlah sudu buah

Prb

Δ kerugian tekanan pada ruang bakar Pa RR Derajat reaksi tingkat

φ koefisien kecepatan aliran ηK efisiensi kompresor η^T efisiensi turbin ηg efisiensi generator

ψ Koefisien kecepatan (angka kualitas) sudu α Sudut masuk dan keluar kecepatan gas mutlak β Sudut masuk dan keluar kecepatan relatif gas