4

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Pengertian Mesin Turbin Gas (Gas Turbine Engine)

Mesin turbin gas adalah suatu mesin thermal yang fluidanya adalah udara

dan bahan bakar yang proses pembakaran fluidanya terjadi secara internal (internal

combustion). Proses konversi energi terjadi melalui tiga tahapan, yaitu kompresi,

combustion, dan ekspansi yang berlangsung secara simultan. Dan proses konversi

tersebut berlangsung di tempat yang berbeda, yaitu compressor, combustion chamber

dan turbine seperti yang terlihat pada Gambar 2.1.

Gambar 2. 1. Penampang dalam Mesin Turbin Gas (turbojet type)

Udara masuk kedalam kompresor melalui saluran masuk udara (inlet).

Kompresor ini berfungsi untuk menghisap dan menaikkan tekanan udara tersebut,

akibatnya temperature udara juga meningkat. Kemudian udara yang telah dikompresi

ini masuk kedalam ruang bakar. Di dalam ruang bakar disemprotkan bahan bakar

sehingga bercampur dengan udara tadi dan menyebabkan proses pembakaran. Proses

pembakaran tersebut berlangsung dalam keadaan tekanan konstan sehingga dapat

dikatakan ruang bakar hanya untuk menaikkan temperatur. Gas hasil pembakaran

tersebut dialirkan ke turbin gas melalui suatu nozel yang berfungsi untuk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

mengarahkan aliran tersebut ke sudu-sudu turbin. Daya yang dihasilkan oleh turbin

gas tersebut digunakan untuk memutar kompresornya sendiri dan memutar beban

lainnya seperti generator listrik, dll. Setelah melewati turbin ini gas tersebut akan

dibuang keluar melalui saluran buang (exhaust). Pada kondisi temperatur tinggi, gas

atau udara tersebut memiliki daya yang lebih besar dibanding pada saat tingkatan

kompresi. Pada akhirnya udara tersebut dikeluarkan lagi melalui turbin. Pada proses

tersebut membuat turbin berputar dan secara bersamaan memutar kompresor yang

terhubung oleh poros. Energi sisa yang terdapat pada gas buangan dapat

dimanfaatkan sesuai maksud mesin tersebut. Jika gas buangan di akselerasikan

menggunakan exhaust cone maka mesin tersebut menjadi jet engine.

Resultan aliran dari udara bertemperatur tinggi hasil dari proses kerja mesin

memiliki gaya kedepan. Yang merupakan prinsip dasar propulsi mesin jet yaitu

Hukum Newton 3 (Newton’s third law) yang berbunyi “for every force acting on a

body, there is an opposite and equal reaction”. Yang berarti jika ada suatu gaya aksi

terhadap suatu benda, maka akan ada suatu gaya reaksi yang arahnya berlawanan.

Secara umum proses yang terjadi pada suatu sistim turbine gas adalah

sebagai berikut:

1. Pemampatan (compression) udara di hisap dan dimampatkan

2. Pembakaran (combustion) bahan bakar dicampurkan ke dalam ruang bakar

dengan udara kemudian di bakar.

3. Pemuaian (expansion) gas hasil pembakaran memuai dan mengalir ke luar

melalui nozel (nozzle)

4. Pembuangan gas (exhaust) gas hasil pembakaran dikeluarkan lewat saluran

pembuangan.

Pada kenyataannya, tidak ada proses yang selalu ideal, tetap terjadi

kerugian-kerugian yang dapat menyebabkan turunnya daya yang dihasilkan oleh

turbin gas dan berakibat pada menurunnya performansi turbin gas itu sendiri.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

Kerugian-kerugian tersebut dapat terjadi pada ketiga komponen sistem turbin gas.

Sebab-sebab terjadinya kerugian antara lain:

1. Adanya gesekan fluida yang menyebabkan terjadinya kerugian tekanan

(pressure losses) di ruang bakar.

2. Adanya kerja yang berlebih waktu proses kompresi yang menyebabkan

terjadinya gesekan antara bantalan turbin dengan angin.

3. Berubahnya nilai cp dari fluida kerja akibat terjadinya perubahan temperatur

dan perubahan komposisi kimia dari fluida kerja.

4. Adanya mechanical loss, dsb.

Untuk memperkecil kerugian ini hal yang dapat kita lakukan antara lain

dengan perawatan (maintanance) yang teratur atau dengan memodifikasi peralatan

yang ada.

2.1.1 Kompresor

Setiap turbin gas memiliki memiliki kompresor dan turbin. Komponen

tersebut di rancang untuk mesin yang bekerja secara berkelanjutan. Jenis kompresor

pada turbin gas biasanya mempengaruhi bentuk dari turbin gas tersebut. Terdapat tiga

tipe kompresor, yang dapat dilihat pada Gambar 2.2.

Gambar 2. 2. Macam-macam turbin gas kompresor a) Kompresor axial, b)

Kompresor radial, c) Kompresor diagonal

Pada kasus kompresor axial arah aliran sejajar dengan poros, sedangkan

pada kompresor radial arah aliran udara akan dialirkan tegak lurus terhadap poros.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

Pada kompresor axial terdiri dari beberapa tingkatan, tiap tingkatan terdiri dari rotor

dan stator. Rotor dan stator terpasang secara teliti dan cocok satu sama lain jumlah

bilah-bilahnya. Awalnya udara akan berakselerasi pada saat mengalir melewati setiap

tingkatan. Hasilnya pada proses ini energi kinetik dirubah menjadi tekanan pada

setiap tingkatan.

Kompresor radial memiliki kontruksi yang lebih kompak dan juga lebih

cocok dalam pembuatan model jet engine. Udara akan masuk kedalam kompresor

dengan arah axial kemudian akan dialirkan sesuai bentuk kompresor tegak lurus

terhadap poros oleh gaya sentifugal. Terkadang kompresor ini disebut juga sentrifugal

kompresor. Pada kompresor jenis ini pun sama terdapat rotor dan stator kenaikan

tekanan pada tiap tingkatan lebih besar dibanding kompresor axial. Sehingga

biasanya kompresor radial hanya memiliki satu tingkatan. Kelebihan lainnya dari tipe

kompresor adalah lebih kokoh dan lebih awet, kekurangannya adalah membutuhkan

area yang besar pada mesin sehingga ukuran mesin akan lebih besar.

2.1.2 Turbin

Komponen kedua yang dirancang untuk mesin yang bekerja secara

berkelanjutan adalah turbin. Terdapat dua tipe turbin yaitu turbin axial dan turbin

radial, seperti yang dapat dilihat pada Gambar 2.3 dan Gambar 2.4.

Gambar 2. 3. Turbin axial

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

Turbin dapat digambarkan seperti kompresor tetapi bekerja secara terbalik.

Turbin merubah tekanan menjadi daya pada poros yang digunakan untuk memutar

kompresor. Karena udara panas yang digunakan turbin lebih banyak mengandung

energi dibanding yang diambil kompresor, maka sistem tersebut akan berjalan secara

sendirinya.

Seperti kompresor, turbin pun memiliki tingkatan-tingkatan. Saat udara

mencapai turbin terlebih dahulu udara akan melewati stator yang mana merubah

tekanan menjadi energi kinetik. Saat udara melewati stator, udara berakselerasi

kearah putaran dari rotor. Hasilnya akan mengakibatkan gaya yang kuat untuk

memutar bilah rotor, dan mengakibatkan dorongan torsi. Gaya yang memutar bilah

rotor tersebut bangkit karena loncatan yang dialami bilah rotor.

Gambar 2. 4. Turbin radial

Pada saat aliran massa udara berada pada kecepatan tinggi udara tersebut

berakselerasi berlawanan dengan arah putaran. Aliran udara sebaliknya tersebut

disebabkan oleh sistem nozzle guide vanes yang mengakibatkan gaya impulse pada

bilah rotor yang bervariasi sesuai rancangan dari tingkatan turbin.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

2.1.3 Ruang Bakar

Fungsi dari ruang bakar/combustion chamber(C/C) adalah untuk membakar

campuran bahan bakar dan udara, dan mengalirkan hasil pembakaran tersebut ke

turbin (tranformasi energi potensial yang dimiliki bahan bakar ke energi kalor).

Secara teori rasio perbandingan bahan bakar/udara untuk memperoleh hasil

pembakaran yang sempurna adalah sekitar 1/15. Namun demikian rasio ideal ini tidak

dapat diaplikasikan karena akan menghasilkan temperatur yang terlalu tinggi pada

baling-baling turbin (turbin blades). Untuk menurunkan temperatur gas hasil

pembakaran maka nilai rasio bahan bakar/udara yang lebih tinggi yaitu sekitar 1/50

yang diaplikasikan. Maka dengan kondisi ini temperatur yang sesuai di inlet turbin

akan didapatkan. Proses pembakaran ini berlangsung di casing yang tertututup

(combustion chamber) yang dirancang sedemekian rupa untuk memastikan terjadinya

aliran pembakaran yang optimal. Terdapat tiga tipe ruang bakar, yaitu can type,

annular type, dan can-annular type seperti dapat dilihat pada Gambar 2.5.

Gambar 2. 5. Macam-macam ruang bakar/combustion chamber

2.2 Teori Dasar Mekanika Fluida

2.2.1 Hukum Bernoulli

Pada aliran fluida inkompresibel satu dimensi (one dimensional

incompressible flow) tekanan total (pt) yang terjadi adalah konstan sepanjang aliran

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

tersebut. Tekanan total adalah hasil penjumlahan dari tekanan statik (ps) dan tekanan

dinamik (pd).

……………………………………………………………….2.1

……………………………………………………………….2.2

Seperti dapat dilihat pada Gambar 2.6.

Gambar 2. 6. Prinsip hukum Bernoulli

2.2.2 Tekanan

Tekanan total (pt), tekanan statik (ps) dan tekanan dinamik (pd) bisanya

dinyatakan dalam hubunganya dengan tekanan atmosfir yaitu tekanan absolut dan

tekanan vakum (over pressure and depression). Seperti dapat dilihat pada Gambar

2.7.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11

Gambar 2. 7. Prinsip tekanan absolut dan tekanan vakum

2.2.3 Hukum St. Venant

Hukum Bernoulli hanya dapat diaplikasikan pada aliran inkompresibel

(M≤0.3). Saat aliran adalah kompresibel (M≥0.3) misal aliran udara pada kecepatan

supersonik, maka hukum St. Venant yang harus diaplikasikan untuk perhitungan:

…………………………………….…...…..2.3

= Koefisien panas spesifik pada tekanan konstan

= Temperatur absolut

2.2.4 Aliran Melewati Tabung

Pada aliran subsonik, aliran fluida/udara yang melewati tabung divergen

(diffuser duct) maka tekanan statik (ps) akan naik dan kecepatan aliran V akan turun

Sebaliknya aliran fluida/udara yang melewati tabung konvergen (nozzle duct) maka

tekanan statik (ps) akan turun dan kecepatan aliran V akan naik. Seperti dijelaskan

pada Gambar 2.8.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

Gambar 2. 8. Prinsip aliran melalui tabung

2.2.5 Jenis Aliran

Pada aliran laminar vektor kecepatan pada setiap garis arusnya adalah

sejajar. Kecepatan aliran bertambah secara bertahap mulai dari nol sepanjang dinding.

Pada aliran turbulen, pada setiap garis arusnya terjadi gerakan yang tidak beraturan.

Nilai Reynolds number (Re), tergantung dari kecepatan aliran, diameter tabung dan

viskositas fluida. Seperti pada Gambar 2.9.

Gambar 2. 9. a) Aliran laminer b) Aliran turbulen

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13

2.2.6 Laju Aliran

Besarnya volume aliran tergantung dari luas permukaan dan kecepatan

aliran .

.....................................................................................................2.4

Jika berat jenis aliran adalah maka besarnya debit aliran menjadi,

..............................................................................................2.5

Dari perbedaan tekanan (ΔP) aliran masuk (upstream) dan aliran keluar

(downstream) dan perbedaan luas penampangnya maka dapat dihitung kecepatan

aliran,

...............................................................................................2.6

dimana adalah koefisien yang nilainya tergantung dari harga massa spesifik fluida

dan jenis aliran atau dapat dijelaskan pada Gambar 2.10.

Gambar 2. 10. Prinsip laju aliran dalam pipa

2.3 Teori Dasar Thermodinamika

2.3.1 Panas Spesifik ( )

adalah besarnya panas yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur

suatu massa dari temperatur ke temperatur .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14

.............................................................................2.7

.............................................................................2.8

Atau seperti yang dijelaskan Gambar 2.11.

Gambar 2. 11. Prinsip panas spesifik

2.3.2 Persamaan Gas Sempurna

Persamaan yang menyatakan hubungan antara tekanan , volume dan

temperatur absolut .

..................................................................................................2.9

R = Konstanta Gay-Lussac

2.3.3 Hukum I Thermodinamika

– ................................................................................................2.10

= Kerja = Energi panas = Delta energi

2.3.4 Reversibilitas

Suatu sistem yang berubah dari kondisi 1 ke kondisi 2 akan mengalami

transformasi thermodinamis. Tranformasi tersebut disebut reversibel jika persamaan

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15

thermodinamika yang sama dapat diaplikasikan pada kondisi awal dan kondisi akhir,

seperti Gambar 2.12.

Gambar 2. 12. Proses reversibel dan irreversibel

2.3.5 Proses Thermodinamika

Proses-proses thermodinamika yang terjadi pada mesin turbin gas yaitu:

Volume konstan

Tekanan konstan (isobar)

Temperatur kostan (isothermal)

Adiabatis ( )

Isentropis (adiabatic reversible)

Seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.13.

Gambar 2. 13. Proses dalam thermodinamika

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

16

Perubahan entropi dalam suatu proses adiabatis yang tidak reversibel

menimbulkan istilah efisiensi proses. Proses entropi konstan ideal disebut sebagai

proses isentropik dan perbandingan antara kerja spesifik dalam proses ideal dengan

yang terjadi pada proses sebenarnya disebut efisiensi isentropik. Pada kebanyakan

mesin-mesin, proses adiabatic yang terjadi adalah proses aliran, sehingga efisiensi

isentropis biasanya dinyatakan dengan istilah kerja efektif, .

Untuk proses kompresi,

………………………………………….…………...………2.11

dan untuk proses ekspansi,

……………………………………………………………....2.12

Bila perubahan energi kinetis dan potensial bisa diabaikan, maka persamaan,

………………...………………….……….……………….2.13

bisa digunakan dengan menyatakannya dalam perubahan entalpi spesifik. Untuk gas

sempurna, perubahan entalpi dapat dinyatakan dengan perubahan temperature, sesuai

persamaan,

………………………...………………….…..2.14

Sehingga untuk proses kompresi,

………………………………….………………………….2.15

dan untuk gas sempurna menjadi,

……………………….…………………….……………….2.16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17

Untuk proses ekspansi,

…………………………….………………………….……2.17

dan untuk gas sempurna menjadi,

…………………………….………………………..………2.18

Pengertian fisik dari efisiensi ini adalah bahwa proses kompresi yang tidak

reversible membutuhkan kerja lebih besar dibandingkan dengan proses ideal.

Sedangkan proses ekspansi yang tidak reversibel memberikan kerja yang lebih kecil

dibandingkan dengan proses ideal.

Dalam keadaan khusus, yaitu proses ekspansi adiabatis dalam nozzle, dimana

dikehendaki meghasilkan energi kinetis dan bukan kerja, mak energy kinetis yang

dihasilkan akan lebih kecil dibandingkan dengan proses ideal. Efisiensi isentropis

suatu nozzle adalah:

…………………...………..2.19

Untuk nozzle dengan kecepatan masuk yang dapat diabaikan serta tidak ada

perubahan energi potensial, maka dari persamaan,

……………………...…………2.20

energi kinetis yang keluar adalah dan efisiensi nozzle adalah:

………………………….…………………………….……2.21

dan untuk gas sempurna menjadi,

……………………………….……………………..………2.22

Pernyataan efisiensi untuk proses ekspansi dalam turbin dan nozzle adalah

sama (identik).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

18

2.3.6 Siklus Turbin Gas

Secara teoritis pada siklus turbin gas, proses pembakaran yang terjadi

diruang bakar (combustion chamber) berlangsung dengan proses tekanan konstan

(isobar) dan kompresi di kompresor serta ekspansi di turbin belangsung dengan

proses adibatis-reversibel (isentropis). Pada keadaan riil udara adalah bukan gas

sempurna dan proses kompresi dan ekspansi berlangsung dengan proses politropis,

karena γ bervariasi. Disamping itu proses pembakaran tidak mungkin dapat

berlangsung pada 100% proses tekanan konstan (isobar) karena adanya tekanan yang

hilang selama proses berlangsung serta bentuk geometri ruang bakar dan proses

pembakaran itu sendiri. Sehingga diagram (tekanan-volume dan tekanan-temperatur)

teoritis sedikit berbeda dengan diagram riil, seperti yang dapat dilihat pada Gambar

2.13.

Gambar 2. 14. Siklus termodinamika pada turbin gas

Siklus pada turbin gas pun biasanya diperlihatkan dengan siklus Brayton,

seperti yang terlihat pada Gambar 2.15. Siklus ini merupakan siklus daya

termodinamika ideal untuk turbin gas, sehingga saat ini siklus ini yang sangat populer

digunakan oleh pembuat mesin turbine atau manufacturer dalam analisa untuk up-

grading performance. Siklus Brayton ini terdiri dari proses kompresi isentropik yang

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

19

diakhiri dengan proses pelepasan panas pada tekanan konstan. Pada siklus Brayton

tiap-tiap keadaan proses dapat dianalisa secara berikut:

Proses 1 - 2 (kompresi isentropik)

Kerja yang dibutuhkan oleh kompresor,

– ……………………………..……..…………..……….2.23

Proses 2 - 3, pemasukan bahan bakar pada tekanan konstan.

Jumlah kalor yang dihasilkan,

– ……………………………………………….2.24

Proses 3 - 4, ekspansi isentropik didalam turbin.

Daya yang dibutuhkan turbin,

– ……………………………………...……….2.25

Proses 4 - 1, pembuangan panas pada tekanan konstan ke udara. Jumlah kalor

yang dilepas,

– ……………………….………………………2.26

Gambar 2. 15. Siklus Brayton

2.4 Kompresor Sentrifugal

Kompresor blower sentrifugal adalah bentuk sederhana dari kompresor

sentrifugal, dimana terdiri dari sebuah rotor (impeler) dengan sejumlah sudu (vane)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20

lengkung terpasang secara simetris. Rotor berputar di dalam rumah siput kedap udara

dengan saluran masuk dan keluar udara. Casing (rumah kompresor) di desain

sehingga energi kinetik udara dirobah ke energi tekanan sebelum meninggalkan

casing seperti ditunjukkan oleh Gambar 2.16.

Energi mekanik diberikan ke rotor dari sumber eksternal. Ketika rotor

berputar, kompresor menghisap udara melalui matanya, meningkat tekanannya

karena gaya sentrifugal dan mendorong udara mengalir melalui diffuser. Tekanan

udara terus meningkat ketika melalui diffuser. Akhirnya udara bertekanan tinggi di

buang ke receiver. Udara masuk ke impeler secara radial dan meninggalkan impeler

secara aksial.

Gambar 2. 16. Kompresor sentrifugal

Fungsi impeler adalah menaikan tingkat energi dari fluida dengan

mendorongnya ke arah luar, berarti menaikan momentum sudut fluida. Kedua

tekanan statis dan kecepatannya bertambah besar di dalam impeler. Diffuser

dimaksudkan untuk mengubah energi kinetis fluida yang ke luar dari impeler ke

dalam energi tekanan. Proses tersebut dapat dilaksanakan dengan difusi bebas dalam

ruang anular sekeliling impeler atau, seperti yang ditunjukan pada Gambar 2.17,

dengan pertolongan barisan baling-baling diffuser tetap, yang memungkinkan diffuser

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21

dibuat sekecil mungkin. Di sebelah luar diffuser terdapat gulungan, yang tugasnya

menampung alirandari diffuser dan memindahkannya ke pipa pembuangan. Dalam

penggunaan kompresor atau pompa berkecapatan rendah, dimana kesederhanaan dan

biaya yang murah lebih dipentingkan daripada efisiensinya, sering volume tersebut

langsung berada di belakan impeler.

Gambar 2. 17. Tingkat kompresor sentrifugal dan diagram-diagram kecepatan pada

saat masuk dan keluar impeler

Poros/hub adalah lengkungan permukaan revolusi impeler a-b; sedang

selubung/shroud adalah lengkungan permukaan c-d yang membentuk batas luar aliran

fluida. Impler mungkin tertutup dengan selubung yang menjadi satu dengan ujung

baling-baling (dinamakan impeler berselubung) atau tak tertutup dengan celah

pengaman antara ujung baling-baling dan dinding stasioner. Impeler tertutup ataupun

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

22

yang tidak tertutup, permukaan c-d umumnya dinamakan selubung. Adanya selubung

pada impeler mempunyai manfaat untuk mengeliminir kehilangan di permukaan

ujung, tetapi disaat itu juga menambah kehilangan karena geseran. Pengujian NACA

membuktikan bahwa memberikan selubung kepada impeler tunggal ternyata

merugikan pada kecepatan tinggi dan menguntungkan pada kecepatan rendah. Pada

saat masuk ke impeler aliran mempunyai kecepatan relatif dengan sudut

terhadap sumbu putaran.

Terdapat tiga tipe kompresor sentrifugal berdasarkan bentuk dari impeler

seperti pada Gambar 2.18.

Gambar 2. 18. Tipe dari kompresor sentrifugal (atas ke bawah) wheel with radially

tipped blades; wheel with slightly retro-curved blades; enclosed wheel with greatly

retro-curved blades

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

23

2.4.1 Kerja Pada Kompresor Sentrifugal

Persamaan untuk kerja atau daya yang diperlukan bagi kompresor udara

torak dapat juga digunakan untuk kerja dan daya pada kompresor rotari khususnya

kompresor sentrifugal.

Untuk kompresi isothermal,

…………………………..……….....…………..2.27

dimana maka,

……………………….....……………..…..…….2.28

Untuk kompresi politropik,

…………………..............……2.29

karena maka,

……………..…………...……..2.30

Untuk kompresi adiabatik,

…………………...….………...2.31

dalam satuan kalor,

………………………...……….……………...2.32

dalam satuan kerja

……………………………………...…….2.33

Dimana:

: Tekanan awal udara

: Volume awal udara

: Temperatur awal udara

: Variabel yang sama untuk keadaan akhir

: Massa udara yang dikompresi per menit

: Indeks politropik

: Indeks adiabatik

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

24

: Kalor spesifik pada tekanan konstan

: Ekivalen kalor kalor

2.4.2 Segitiga Kecepatan Kompresor Sentrifugal

Seperti diketahui bahwa udara memasuki kompresor sentrifugal secara radial

dan meninggalkan kompresor secara aksial. Lebih jauh, sudu dan diffuser dirancang

sedemikian rupa sehingga udara memasuki dan meninggalkan kompresor secara

tangensial untuk mengurangi efek kejutan di sisi masukdan keluar.

Udara memasuki sudu pada C dan keluar pada D seperti yang ditunjukkan

pada Gambar 2.19 (a) dan (b).

Gambar 2. 19. Segitiga kecepatan kompresor sentrifugal

Kemudian jika digambar segitiga kecepatan pada sisi masuk dan keluar sudu

seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 2.19 (a) dan (b).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

25

Misalkan,

= Kecepatan linier sudu bergerak pada sisi masuk (BA.)

= Kecepatan absolut udara memasuki sudu (AC).

= Kecepatan relatif udara terhadap sudu bergerak pada sisi masuk (BC).

Merupakan perbedaan vektor antara dan .

= Kecepatan aliran pada sisi masuk.

= Sudut antara kecepatan relatif ( ) dengan arah gerak sudu

= Variabel yang bersesuaian untuk sisi keluar.

Udara memasuki sudu sepanjang AC dengan kecepatan . Karena udara

memasuki sudu secara tegak lurus (secara radial) terhadap arah gerak sudu maka

kecepatan aliran ( ) sama dengan kecepatan udara ( ). Selanjutnya, kecepatan pusar

(whirl) pada sisi masuk menjadi nol. Kecepatan linier atau kecepatan rata-rata sudu

( ) digambarkan oleh BA arah dan besarnya. Panjang BC mewakili kecepatan relatif

( ) udara terhadap sudu. Udara mengalir di permukaan sudu dengan kecepatan relatif

( ) yang ditunjukkan oleh garis DE.

Kecepatan absolut udara ( ) ketika meninggalkan sudu ditunjukkan oleh

DF membentuk sudut dengan arah gerak sudu. Komponen tangensial (diwakili

oleh FG) disebut kecepatan pusar pada sisi keluar ( ). Komponen aksial

(diwakili oleh DG) disebut kecepatan aliran sisi keluar ( ).

Jika = berat udara yang dikompresi oleh kompresor, . Sesuai dengan

hukum Newton kedua, gaya pada arah gerak sudu:

F = Massa aliran udara/sec × perubahahan kecepatan pusar.

………………………………………………2.34

dan kerja yang dilakukan pada arah gerak sudu:

W = Gaya × Jarak.

………………………………………..……..2.35

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

26

Daya yang diperlukan untuk menggerakkan kompresor dapat dicari seperti

biasanya, dengan persamaan:

………………….……...…...………………………2.36

Catatan:

1. Dalam satuan SI, rumus untuk daya adalah:

……………………….………...……………....2.37

2. Kecepatan sudu pada sisi masuk dan sisi keluar dapat diperoleh dengan rumus:

dan ………………………….……...…………...2.38

Dimana dan adalah diameter dalam dan diameter luar impeler.

3. Pada kondisi ideal (dengan kata lain untuk kerja maksimum) , maka

kerja ideal:

……………………………..……..……2.39

2.4.3 Lebar Sudu/Blade

Lebar sudu impeler pada sisi masuk dan keluar kompresor udara rotari

diperoleh dari keadaan dimana massa udara yang mengalir melalui sudu pada sisi

masuk dan keluar adalah sama. Misalkan:

= Lebar sudu impeller pada sisi masuk

= Diameter impeller pada sisi masuk

= Kecepatan aliran pada sisi masuk

= Volume spesifik udara pada sisi masuk

= Variabel yang sama untuk sisi keluar

= Massa udara yang mengalir melalui impeler

Massa udara yang mengalir melalui impeller pada sisi masuk:

………………………………………..…………………..2.40

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

27

Dengan cara yang sama, massa udara yang mengalir di sisi keluar:

……………...………….…………………..……………2.41

Karena massa udara yang mengalir melalui impeller adalah konstan, maka:

……………………………...……….…….…….2.42

Catatan: Kadang-kadang jumlah dan ketebalan sudu juga diperhitungkan. Dalam hal

ini, massa udara yang mengalir melalui impeler pada sisi masuk:

………………………….…...………………………..2.43

= Jumlah sudu.

2.4.4 Sistem Diffuser

Fluida diperlambat secara adiabatis dari kecepatan ke kecepatan , dan

tekanan statis bertambah dari ke seperti yang ditunjukan pada Gambar 2.20.

Gambar 2. 20. Diagram Mollier untuk tingkat kompresor sentrifugal

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

28

Karena gulungan dan bagian keluar dari diffuser ikut serta dalam proses

perlambatan selanjutnya, lebih mudah mengelompokan seluruh difusi bersama-sama

sebagai perubahan keadaan dari titik 2 ke titik 3. Karena entalpi stagnasi dalam aliran

adiabatis stasioner, tanpa usaha poros adalah tetap, maka:

atau ………………..……..………2.44

Proses 2 dan 3 dalam Gambar 2.20 digambarkan tidak dapat dibalik, dimana terdapat

kehilangan-kehilangan dalam tekanan-tekanan stagnasi selama proses

berlangsung.

Kompresor diffuser atau disebut juga stator dapat dibuat dalam berbagai

macam tipe yang berbeda, pada prinsipnya dapt dibedakan menjadi diffuser berbilah

dan tidak berbilah. Pada tipe diffuser tidak berbilah sangat mudah untuk dibuat

sehingga tidak perlu memikirkan sudut-sudut bilah yang harus sesuai dengan aliran

massa wheel. Seperti dilihat pada Gambar 2.21.

Gambar 2. 21. Aliran udara melewati diffuser tanpa bilah

Solusi yang paling baik untuk model jet engine adalah menggunakan diffuser

berbilah. Tetapi bilah pada diffuser seharusnya tidak berbatasan langsung dengan

wheel, karena kecepatan aliran masih belum terdistribusi merata. Sangat baik jika

aliran telah merata antara wheel dengan diffuser. Diffuser berbilah memiliki macam-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

29

macam tipe yaitu straight diffuser blade, forward curved blade, dan wedge-shaped

blade diffuser. Seperti terlihat pada Gambar 2.22.

Gambar 2. 22. Macam-macam tipe sistem diffuser (a) Straight diffuser blades, (b)

Forward curved blades, (c) Wedge-shaped blade diffuser

Bilah diffuser digunakan untuk membuat jalur aliran untuk fluida sehingga

aliran akan lebih singkat dan akan lebih efisien pada saat melewati diffuser. Tetapi

kemungkinan besar juga bisa terjadi fenomena surge dan stonewall apabila sudut

aliran massa dari impeler dan sudut masuk diffuser tidak sesuai.

Gambar 2. 23. Kondisi surge dan stonewall