Gambar 3. 6 Bagian root leading edge trailing edge tip yang menghisap udara luar masuk ke dalam...

Bab III Model Numerik Bilah Kipas ........................................................................... 23

3.1 Deskripsi Umum............................................................................................. 23 3.2 Konfigurasi Bilah Kipas ................................................................................. 24

3.2.1 Dimensi Komponen................................................................................ 24 3.2.2 Konfigurasi Pemasangan Bilah Kipas .................................................... 24 3.2.3 Material Bilah Turbin ............................................................................. 25

3.3 Permodelan Kasus Pembebanan Bilah Kipas................................................. 26 3.3.1 Model Bilah Kipas.................................................................................. 26 3.3.2 Pembentukan Jejaring Elemen Hingga................................................... 30 3.3.3 Analisis Pembebanan Bilah Kipas.......................................................... 31 3.3.4 Kondisi Batas.......................................................................................... 34

3.4 Permodelan Cacat pada Bilah Kipas .............................................................. 34 Gambar 3. 1 Skema Mesin Turbofan TAY650-15 ......................................................... 23 Gambar 3. 2 Gambar 3 Pandangan Bilah Kipas Mesin Turbofan TAY650-15 ............. 24 Gambar 3. 3 Cakram Penumpu Bilah Kipas dan Konfigurasi Pemasangan Bilah Kipas25 Gambar 3. 4 Konfigurasi Model Bilah Kipas yang akan Dianalisis .............................. 26 Gambar 3. 5 Tahapan pembuatan model bilah kipas...................................................... 26 Gambar 3. 6 Bagian root, bagian tengah (leading edge dan trailing edge), dan bagian tip........................................................................................................................................ 27 Gambar 3. 7 Pembuatan kurva sebagai rangka bilah kipas ............................................ 28 Gambar 3. 8 Permukaan bilah kipas............................................................................... 28 Gambar 3. 9 Model Solid bilah kipas ............................................................................. 29 Gambar 3. 10 Perbandingan Model baru dengan Model Asli ........................................ 29 Tabel 3. 1 Perbandingan Model Baru dengan Model Asli ............................................. 30 Gambar 3. 11 Pembentukan Jejaring Elemen Hingga Pada Bilah Kipas dengan Menggunakan Perangkat Lunak CATIA dan FEMAP................................................... 30 Tabel 3. 2 Distribusi Gaya Sentrifugal pada Bilah Kipas .............................................. 31 Gambar 3. 12 Pembagian Zona Bilah Kipas Menurut Manual Perawatan Mesin TAY650-15..................................................................................................................... 35 Gambar 3. 13 Model Cacat Setengah lingkaran dan setengah Ellips............................. 35 Gambar 3. 14 Model Scalloping dengan ukuran AA=6mm........................................... 36

Bab III Model Numerik Bilah Kipas 22

Bab III Model Numerik Bilah Kipas

3.1 Deskripsi Umum

Bilah kipas yang akan dianalisis pada tugas akhir ini adalah bilah kipas mesin turbofan

TAY650-15 buatan Roll Royce. Mesin ini merupakan jenis mesin twin spool turbofan

yang memiliki dua poros penggerak. Komponen-komponen utama mesin ini dapat

dilihat pada gambar 3.1 di bawah ini:

Gambar 3. 1 Skema Mesin Turbofan TAY650-15

Seperti yang telah dijelaskan pada bab II, bilah kipas berfungsi sebagai low pressure

compressor yang menghisap udara luar masuk ke dalam mesin. Bilah kipas ini dipasang

pada cakram kipas yang terhubung pada poros dalam mesin. Poros dalam ini diputar

oleh low pressure turbin.

Beban yang diterima oleh bilah kipas adalah beban sentrifugal dan beban aerodinamika.

Beban sentrifugal akibat putaran mesin merupakan beban paling dominan yang dialami

oleh bilah kipas ini. Pada saat mesin beroperasi, kecepatan aliran udara di sepanjang

bilah kipas meningkat sebanding dengan jari-jari putaran. Untuk menghindari terjadinya

shock wave pada bilah kipas akibat peningkatan kecepatan, maka bilah kipas dirancang


dengan menggunakan bentuk twist. Dengan bentuk twist ini maka sudut serang

penampang bilah akan kecil di sepanjang bilah.

3.2 Konfigurasi Bilah Kipas

3.2.1 Dimensi Komponen

Bilah kipas mesin Turbofan TAY 650-15 memiliki panjang 400mm dari pangkal

penumpu hingga ujung tip bilah, serta memiliki lebar 180mm dari leading edge hingga

trailing edge. Tinggi bagian bilah kipas yang terkena aliran udara dari root ke tip adalah

sekitar 380mm. Bagian ini memiliki luas permukaan sekitar 0.132m2. Berikut ini adalah

gambar tiga pandangan dari bilah kipas yang akan dianalisis:

Gambar 3. 2 Gambar 3 Pandangan Bilah Kipas Mesin Turbofan TAY650-15

3.2.2 Konfigurasi Pemasangan Bilah Kipas

Konfigurasi pemasangan bilah kipas dilakukan dengan menggunakan data geometri

cakram tempat pemasangan bilah kipas. Data geometri cakram tersebut kemudian

dimodelkan dengan menggunakan perangkat lunak. Setelah model cakram terbentuk,

dilakukan pemasangan bilah kipas pada cakram dengan cara melakukan proses

balancing supaya titik pusat massa bilah berimpit dengan poros putaran. Dari


pemasangan ini, dapat ditentukan posisi bilah terhadap poros putarannya. Model cakram

dan pemasangan bilah kipas pada cakram dapat dilihat pada gambar 3.3.

Gambar 3. 3 Cakram Penumpu Bilah Kipas dan Konfigurasi Pemasangan Bilah Kipas

3.2.3 Material Bilah Turbin

Material yang digunakan pada bilah turbin ini adalah Ti6Al4V. Material ini merupakan

kelompok paduan alpha-beta Titanium yang menggunakan Aluminum dan Vanadium

sebagai bahan paduan. Material ini merupakan material yang biasa digunakan sebagai

bahan dasar bilah kipas dan kompresor pada mesin pesawat karena memiliki

karakteristik sebagai berikut:

a. memiliki kekuatan yang tinggi

b. dapat diproduksi pada berbagai ukuran

c. dapat dibuat dalam bentuk yang sederhana maupun kompleks

d. ketersediaan di pasaran yang baik.

Berikut ini adalah beberapa properti mekanik dari material Ti6Al4V:

- Modulus Elastisitas (E) : 160 GPa

- Kerapatan (ρ) : 4144 kg/m3

- Poisson Ratio (ν) : 0.31

- Yield Strength (σy) : 825 MPa

- Ultimate Strength (σult) : 930 MPa


3.3 Permodelan Kasus Pembebanan Bilah Kipas

3.3.1 Model Bilah Kipas

Pada analisis bilah kipas ini model bilah kipas tidak dibuat secara penuh. Oleh karena

bagian bilah kipas yang akan dianalisis hanyalah bagian yang terkena oleh aliran udara,

maka bilah kipas yang dianalisis hanya dimodelkan dari bagian root hingga tip seperti

tampak pada gambar 3.4 di bawah ini:

Gambar 3. 4 Konfigurasi Model Bilah Kipas yang akan Dianalisis

Data awal permodelan dalam tugas ini diperoleh dari rekonstruksi objek 3 D (bilah

kipas) dengan menggunakan scan 3 D. Hasil rekonstruksi tersebut berupa point clouds

yaitu titik-titik koordinat permukaan objek. Dari data point clouds tersebut dapat dibuat

permukaan luar objek dan kemudian dibuat model solidnya. Proses permodelan awal

dari objek hingga menjadi model solid telah dilakukan di PT Nusantara Turbin &

Propulsi (NTP) Bandung. Gambar3.5 adalah tahapan pembuatan model bilah kipas.

3 D Scan

Point Clouds Outer Surface Solid Model Real Object

Gambar 3. 5 Tahapan pembuatan model bilah kipas

Permasalahan utama dalam model ini adalah definisi geometri yang cukup kompleks.

Kompleksitas geometri tersebut meliputi titik garis dan permukaan. Bagian-bagian


model yang kompleks antara lain pangkal bilah (root), ujung bilah (tip), leading edge

dan trailing edge bilah seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.6.

Gambar 3. 6 Bagian root, bagian tengah (leading edge dan trailing edge), dan bagian tip

Hal ini sangat berpengaruh pada proses pe akin

mit definisi geometri dari suatu model maka akan semakin sulit untuk mengatur

gunakan CATIA V5 untuk mendapatkan model baru

terima adalah dalam format *.stp. Format ini dapat dibuka

ch Part Design CATIA V5 sehingga menghasilkan satu model solid

2.

h hingga bagian tengah yang geometrinya

r.

-

eliputi bagian dasar yang terekspose dengan udara hingga bagian

geometrinya mulai teratur

-

h yang geometrinya teratur.

3. kurva sebagai acuan untuk membuat permukaan

-

lam workbench

e design yaitu spline

mbentukan jejaring elemen hingga. Sem

ru

jejaring elemen hingga yang baik.

Untuk memperoleh model yang mudah untuk diatur jejaringnya maka bilah kipas akan

direkonstruksi ulang dengan meng

dengan definisi geometri yang lebih sederhana.

a. Metode Pengerjaan

1. Import model

Model solid yang di

dalam workben

utuh yang independen.

Membagi model menjadi 3 bagian, yaitu

- bagian tip

bagian tip meliputi bagian ujung bila

mulai teratu

bagian root

bagian root m

tengah yang

bagian tengah

bagian tengah adalah bagian tengah bila

Membuat beberapa

bagian tip dan root

Kurva dibuat dengan menggunakan salah satu fitur di CATIA da

wireframe & surfac . Kurva dibuat berdasarkan titik

acuan yang merupakan titik-titik ujung (vertex) yang telah terdefinisi pada solid


bagian tip dan root serta beberapa titik yang dibuat sendiri pada permukaan

solid. Jumlah kurva yang dibuat harus dapat merekonstruksi bentuk dari bagian

tip dan root ini.

bagian tengah

Kurva-kurva pada bagian tengah dibuat dengan menggunakan salah satu fitur di

CATIA yaitu ske

-

tch . Sketch ini merupakan fitur untuk membuat kurva atau

bidang datar (plane). Sebelum membuat sketch, perlu dibuat

Pem

Gambar 3. 7 Pembuatan kurva sebagai rangka bilah kipas

4. Membuat permukaan dari kurva yang telah dibuat.

ukaan dibuat dengan menggunakan multisection surface dan fill. Permukaan

ada bagian root dan tip dibuat dengan menggunakan fitur fill berdasarkan kurva-

tersebut digabungkan menjadi

Gambar 3. 8 Permukaan bilah kipas

titik pada suatu

beberapa plane yang menjadi acuan pembuatan sketch. Plane yang dibuat

merupakan bidang datar yang sejajar dengan bidang-xy. Jumlah kurva tidak

perlu terlalu banyak karena semakin rapat jarak antar kurva, permukaan yang

akan dibangun akan menjadi keriput.

buatan kurva dapat dilihat pada gambar 3.7 di bawah ini

Perm

p

kurva yang telah dibangun. Kemudian permukaan

satu permukaan yang tertutup dengan menggunakan fitur join. Sedangkan bagian

tengah dibuat dengan menggunakan multisection surface dari kurva-kurva

penampang lintang yang telah dibangun. Permukaan yang telah dibuat dapat dilihat

pada gambar 3.8


5. Membuat model solid dari permukaan

Solid dibuat dengan menggunakan fitur . Syarat yang harus dipenuhi

dari model ini adalah merupakan surface yang

kipas hasil rekonstruksi dapat dilihat pada

close surface

surface yang digunakan harus

tertutup sempurna. Model solid bilah

gambar 3.9.

Gambar 3. 9 Model Solid bilah kipas

b. Perbandingan Model Baru dengan Model Asli

Dari rekonstruksi dihasilkan suatu model baru bilah kipas. Batas toleransi kesalahan

ang diperbolehkan adalah . Batas toleransi ini

yang dibentuk antara perpotongan

perti geometri antara model baru dengan model asli.

Gambar 3. 10 Model baru dengan Model Asli

y sekitar 500 mikron atau 0.5 mm

merupakan jarak maksimum antara dua buah kurva

kedua bilah kipas dengan suatu bidang yang sama. Dalam rekonstruksi model bilah

yang sebelumnya telah dilakukan, bagian tengah bilah memiliki selisih jarak kurang dari

100 mikron sedangkan bagian root dan tip memiliki selisih jarak kurang dari 400

mikron.

Dari dua model tersebut, dapat dibandingkan beberapa property geometri antara lain

volume, luas, dan titik massa model. Gambar 3.10 dan tabel 3.1 adalah perbandingan

antara pro


Tabel 3. 1 Perbandingan Model Baru dengan Model Asli Model Asli Model Baru Δ

Area (m2) 0 (0%) 0.141 0.141

Volume (m3) 3.66E-04 3.65E-04 -1.00E-06 (0.2%)

CG x (mm 69 ) -4.241 -4.172 0.0

CG y 0.054 (mm) 11.784 11.838

CG z (mm) - -1 193.023 92.539 0.484

Dari tabel 3.1 di atas dapat ahwa m hasil rupakan

model yan proper etri yang sama deng del asli. Oleh

karena itu model ini dapat dipergunakan untuk analisis dengan m akan metode

as yang akan dianalisis memiliki geometri yang sangat rumit. Oleh

arena itu akan sangat sukar untuk membentuk jejaring dengan menggunakan elemen

ier. Metode yang digunakan dalam

Jenis elem yang memiliki

10 nodal dan elem

untuk dapat m elemen hingga yang memiliki bentuk sedekat

dilihat b odel baru rekonstruksi me

g memiliki ti geom hampir an mo

enggun

elemen hingga.

3.3.2 Pembentukan Jejaring Elemen Hingga

Model bilah kip

k

yang sederhana seperti elemen hexahedral lin

pembentukan jejaring elemen hingga pada kasus ini antara lain:

a. membangun jejaring elemen permukaan (2D) model bilah kipas

b. membangun jejaring elemen solid (3D) berdasarkan jejaring permukaan luar

yang telah dibuat.

en solid yang digunakan adalah elemen Tetragonal Parabolik

en hexahedral. Penggunaan elemen tetragonal parabolik ini bertujuan

endapatkan jejaring

mungkin dengan model aslinya sedangkan elemen hexahedral dipilih sebagai

pembanding hasil perhitungan.

Gambar 3. 11 Pembentukan Jejaring Elemen Hingga Pada Bilah Kipas dengan Menggunakan

Perangkat Lunak CATIA dan FEMAP


3.3.3 Analisis Pembebanan Bilah Kipas

Beban yang diterima oleh bilah kipas merupakan kombinasi dari beban sentrifugal dan

beban aerodinamika. Beban sentrifugal memberikan gaya tarik pada arah radial

sedangkan beban aerodinamika memberikan gaya dorong ke arah lateral.

a. Beban Sentrifugal

Pada ini beban sentrifugal merupakan gaya yang disebabkan oleh massa benda tersebut

yang diputar dengan jarak r dari pusat massanya. Secara umum besar gaya sentrifugal

dirumuskan dalam persamaan 3.1 di bawah ini.

diasumsikan sebagai titik massa. Namun

Fs=mω2r (3.1)

Persamaan di atas digunakan apabila benda

pada kasus pembebanan ini, bilah kipas tidak dapat diasumsikan sebagai titik massa.

Besarnya gaya sentrifugal yang dialami oleh bilah kipas didapatkan dari persamaan 3.2

berikut ini:

2

2 20.5

sr

t

s rF arρω=

∫ (3.2)

t

F ardrρω=

imana ρ adalah kerapatan material bila ω adalah kecepatan angular putaran

ipas, a adalah luas penampang bilah pada setiap radius. Suffik r dan t adalah root dan

.2 di bawah ini:

Tabel 3. 2 Distribusi Gaya Sentrifugal pa a Bilah Kipas

D h kipas,

k

tip dari bilah kipas.

Perhitungan gaya sentrifugal pada kasus ini dilakukan dengan membagi-bagi bilah

menjadi 19 bagian. Besarnya gaya sentrifugal yang diterima setiap bagian dapat dilihat

pada tabel 3

dn rr(m) rt(m) A (m2) fs (N)

1 0.23 0.25 0.002 30731.43

2 0.25 0.27 0.001 16646.19

3 0.27 0.29 0.001 17926.67

4 0.29 0.31 0.001 19207.14

5 0.31 0.33 0.001 20487.62

6 0.33 0.35 0.000957 20832.07

7 0.35 0.37 0.000914 21066.39


8 0.37 0.39 0.000898 21847.49

9 0.39 0.41 0.000868 22229.07

10 0.41 0.43 0.000848 22802.72

11 0.43 0.45 0.000847 23860.39

12 0.45 0.47 0.000861 25357.27

13 0.0008 26 4 0.47 0.49 7 736.3

14 0.49 0.51 0 .000887 28394.56

15 0.51 0.53 0 .000896 29829.97

16 0.53 0.55 0 .000901 31150.14

17 0.55 0.57 0 .000892 31981.17

18 0.57 0.59 0 .000859 31897.94

19 0.59 0.61 0.000293 11255.39

Fs total 454240

Penerapan gaya sentrifugal di atas dalam analisis m nggunakan metode elemen hingga

dapat dilakukan d an car a p alah n gaya dalam arah

sumbu z pada se b bi ang oton Cara kedua dapat

dilakukan dengan mberikan body load ece ular terhadap suatu

poros tertentu yan ngs iap an k bod pas.

b. Beban Aerodinamika

Pada kasus pemb na be aero dia sama dengan gaya

dorong akibat ali ud ing sin Ga ini didistribusikan

secara merata di seluru muk ela h ki ngkan gaya hambat

akibat putaran kipa tidak diperhitungkan.

ffisiensi kipas (ηf) : 90%

: 90%

Rasio polytropic compression ( (n-1)/n ) : 0.3175

e

eng dua a. Car ertama ad pemberia

tiap agian lah y telah dip g-potong.

me berupa k patan ang

g la ung d likasik e seluruh y bilah ki

eba n ini, ban dinamika sumsikan

ran ara d in me turbofan. ya dorong

h per aan b kang bila pas. Seda

s

Beberapa data yang diperlukan untuk menghitung gaya dorong aliran udara dingin

adalah:

Aliran massa udara ( m& ) : 420 lbs/sec ( 190.5088 kg/sec)

Fan Pressure Ratio ( po f /pa ) : 1.7

By Pass Ratio (mc/mh) : 2.9

E

Effisiensi nozzle (ηj)

Spesific heat pada tekanan konstan (cp) : 1005

Rasio spesific heat (γ) : 1.4


Mesin dianggap beroperasi pada sea level dengan kondisi tempatur udara adalah 288K

dan tekanan udara 1 bar (100000 Pa)

Gaya dorong akibat aliran udara dingin pada mesin turbofan dirumuskan dengan

persamaan berikut

F cold coldm C& =cold

1cold coldF m C

B= ⎜ ⎟+⎝ ⎠

&B⎛ ⎞ (3.3)

h aliran massa udara dingin,

n. Dalam menentukan harga

d atau unchoked. Choked adalah

k meningkatkan gaya dorong.

an daan unchoked. Harga Ccold pada

Dimana Fcold adalah gaya dorong udara dingin, m& cold adala

dan Ccold adalah kecepatan udara dingin keluar dari mesi

Ccold perlu diketahui kondisi mesin apakah choke

kondisi dimana penambahan aliran massa udara m& tida

Pada kasus ini, kondisi mesin diasumsik dalam kea

kondisi unchoked dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut ini.

[2 ( )]coC ld p of onc T T= − (3.4)

n udara yang keluar dari nozzle. Besarnya (Tof - Ton) ditentukan

engan menggunakan persamaan berikut ini:

Dimana (Tof - Ton) adalah selisih temperatur udara antara aliran udara yang keluar dari

kipas dengan alira

d( 1)

1( ) 1/of apof on j ofT T T

p

γγ

η

−⎡ ⎤⎛ ⎞⎢ ⎥− = − ⎜ ⎟⎢ ⎥⎜ ⎟⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦

Nilai T

(3.5)

of ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut ini

1n

ofof if

a

pT T

p

−

⎛ ⎞= ⎜ ⎟

⎝ ⎠ (3.6)

Dimana T

n

eratur

Ta). Dengan memasukkan data FPR, rasio ic compression

temperatur udara luar ke dalam persamaan 3.6 maka Tof adalah 340.84 K.

Dengan memasukkan harga (Tof – Ton) dan data spesific heat pada tekanan konstan ke

alam persamaan 3.4 didapatkan harga kecepatan udara dingin ng keluar dar n

turbofan. Harga kecepatan aliran udara dingin yang keluar mesin turbofan adalah

if adalah temperatur udara masuk ke dalam kipas atau sama dengan temp

udara luar ( polytrop dan

Dari harga temperatur udara keluar kipas ini dapat ditentukan (Tof - Ton) dengan

menggunakan persamaan 3.5 sehingga diperoleh nilai selisih temperatur sebesar

45.55K.

d ya i mesi

302.58 m/s


Dengan memasukkan harga kecepatan udara dingin ke dalam persamaan 3.3 dapat

itentukan besarnya gaya dorong aliran udara dingin. Harga gaya dorong aliran udara

n tahanan ini sebenarnya tidak tepat karena tahanan ini menyebabkan

kipas ini, tegangan daerah root tidak digunakan dalam perhitungan dalam

acat pada Bilah Kipas

a bagian yang membahas

nicking oping. Dalam manual perawatan bilah kipas TAY650-15 daerah

bilah kipas dibagi menjadi 3 bagian sebagai berikut:

dari tumpuan

d

dingin adalah 42864N.

Harga gaya dorong ini berlaku untuk keseluruh konfigurasi kipas. Sedangkan harga

gaya dorong yang dialami setiap bilah kipas adalah 1948 N.

3.3.4 Kondisi Batas

Kondisi batas yang diberikan pada pemodelan bilah kipas ini adalah tumpuan pin.

Pemberia

penampang root tidak dapat mengalami deformasi pada bidang-xy.

Ketidakmampuan penampang root untuk berdeformasi pada arah sumbu-x dan sumbu-y

mempengaruhi nilai tegangan pada daerah root bilah kipas. Namun dalam analisis

model bilah

menentukan faktor konsentrasi tegangan.

3.4 Permodelan C

Dalam permodelan cacat, perlu diperhatikan beberapa hal yang telah ditentukan dalam

manual perawatan bilah kipas TAY650-15 khususnya pad

kasus serta scal

a. Zona AF : yaitu daerah yang berjarak 0mm s.d 101 mm dari tumpuan.

b. Zona AE : yaitu daerah yang berjarak 101 mm s.d 141mm dari tumpuan

c. Zona AD : yaitu daerah yang berjarak lebih dari 141 mm

Pembagian zona tersebut dapat dilihat pada gambar 3.12 berikut ini


Gambar 3. 12 Pembagian Zona Bilah Kipas Menurut Manual Perawatan Mesin TAY650-15

Setiap zona memiliki batasan toleransi maksimal kedalaman cacat dan scaloping yang

ip na d erbolehkan. Dalam tugas akhir ini, cacat yang dianalisis hanyalah cacat pada zo

AD dan AE. Cacat dimodelkan sebagai lubang setengah lingkaran dan setengah ellips.

Model setengah lingkaran divariasikan jari-jari lingkarannya untuk mengetahui

pengaruh perubahan diameter terhadap faktor konsentrasi tegangan.

0.5abr

Gambar 3. 13 Model Cacat Setengah lingkaran dan setengah Ellips


Sedangkan scalloping dimodelkan dengan setengah ellips seperti dijelaskan pada

gambar 3.14 berikut ini.

Gambar 3. 14 Model Scalloping dengan ukuran AA=6mm

8AAAA


Gambar 3. 6 Bagian root leading edge trailing edge tip yang menghisap udara luar masuk ke dalam...

Documents

Transcript of Gambar 3. 6 Bagian root leading edge trailing edge tip yang menghisap udara luar masuk ke dalam...