pengaruh stagger angle terhadap pressure ratio kompresor …

Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) 2018 ISSN: 1979-911XYogyakarta, 15 September 2018

A-21

PENGARUH STAGGER ANGLE TERHADAP PRESSURE RATIO KOMPRESOR AKSIAL

MULTISTAGE

Akhsan Yusufi1), Setyo Nugroho2), Achmad Bahrul Ulum3)

1,2 Program Studi D4 Sistem Pembangkit Energi Departemen Teknik Mekanika dan Energi Politeknik Elektronika Negeri Surabaya

e-mail : [email protected],[email protected], [email protected]

ABSTRACTAxial compressors are one of the most widely used fluid flow impeller engines in gas turbines and turbo

jet engines. The compressor rotates at high speed, adding energy to the airflow while at the same time compressing into a smaller space. To obtain a better pressure ratio, modify the angle on the rotor blade, in order to reduce aeerodynamic losses such as stalls and increase the pressure ratio. The variations used are -5˚ and + 5˚. Both variations will be compared to get the best results to reduce the occurrence of stall and increase pressure ratio. Laying variations on the first rotor. Material type for blade compressor using Aluminum alloy with die casting making technique. In axial compressor testing required several measuring devices, such as anemometer, manometer, temperature sensor, and proximity sensor. This axial compressor will be rotated up to a top speed of 1100 rpm using a Fuel motor. The results obtained as a whole indicate that the variation of stagger angle is very influential on pressure ratio. This occurs in the variation of stagger angle -5˚ at 500,650 rpm, and 950 with a pressure value of 1.00208, 1.00317, and 1.008 pa. This causes the effect of rpm to ΔPlocal bias increases 8% to 16%. From the research results obtained the best angle in reducing aerodynamic losses and increase pressure ratio that is on angle variations -5˚.

Keywords : effectiveness, heat loss, isolation combination, storage tank

INTISARIKompresor aksial merupakan salah satu mesin pendorong aliran fluida yang paling banyak digunakan

pada turbin gas dan mesin turbo jet. Kompresor berputar pada kecepatan tinggi, menambahkan energy ke aliran udara, sementara pada saat yang sama waktu mengompres ke ruang yang lebih kecil. Untuk mendapatkan pressure ratio yang lebih baik, memodifikasi sudut pada sudu rotor, dengan tujuan untuk mengurangi rugi-rugi aerodinamik seperti stall dan meningkatkan rasio tekanan. Variasi yang digunakan adalah -5˚ dan +5˚. Kedua variasi tersebut akan dibandingkan untuk mendapatkan hasil yang paling baik untuk mengurangi terjadinnya stall dan meningkatkan pressure ratio. Peletakan variasi pada rotor pertama. Jenis material untuk blade kompresor menggunakan Alumunium alloy dengan teknik pembuatan die casting. Pengujian kompresor aksial diperlukan beberapa alat ukur, seperti anemometer, manometer, sensor temperature, dan sensor proximity. Kompresor aksial ini akan diputar hingga kecepatan 1100 rpm menggunkan motor bakar. Hasil yang didapat secarah keseluruhan menunjukan bahwa variasi stagger angle sangat berpengaruh terhadap pressure ratio. Hal ini terjadi pada variasi stagger angle -5˚ pada rpm 500, 650, dan 950 dengan nilai tekanan 1.00208, 1.00317, dan 1.008 pa. hal ini menyebabkan pengaruh ΔPlocal terhadap rpm meningkat 8% hingga 16%. Dari hasil penelitian didapatkan sudut yang paling baik dalam mengurangi rugi-rugi aerodinamik dan meningkatkan pressure ratio yaitu variasi sudut -5˚.

Kata kunci : kompresor aksial, stagger angle, perbedaan kelengkungan sudut sudu rotor

1. PENDAHULUAN

Kompresor adalah alat mekanik yang digunakan untuk memindahkan dan meningkatkan tekanan udara,

gas atau uap dan dalam proses dari satu lokasi ke lokasi yang lain. Kompresor terdiri dari beberapa jenis, antara

lain kompresor aksial, kompresor sentrifugal, dan kompresor torak. Adapun banyak yang menggunakan

kompresor yaitu industry pembangkitan dan industry penerbangan. Di industri pembangkitan yang

menggunakan kompresor yaitu PLTG dan PLTGU, sedangkan industri penerbangan digunakan pada mesin

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]


A-22

turbo jet. Pada buku Compresor Handbook:Principles and Practice (Tony Giampaolo.2010) salah satu

kompresor dalam industri pembangkitan dan penerbangan yang digunakan adalah kompresor aksial.

Ada banyak kerugian pada kompresor aksial diantaranya tip clearance, tip loss, dan stall. Pada jurnal

Kajian Penggunaan Kompresor Aksial (Tekad Sitepu.2010) cara untuk mengurangi kerugian pada kompresor

aksial yaitu perubahan sudut pada sudu rotor untuk mengurangi kerugian aliran yaitu stall. Maka dari itu,

peneliti melakukan studi eksperimen mengenai pengaruh stagger angle terhadap pressure ratio. Beberapa

variasi akan dibuat untuk membandingkan pressure ratio yang dihasilkan antara stagger -5˚ dan stagger +5˚ dari

sudut desain. Pada jurnal Effect of Blade Stagger Angle on Performance of a Transonic Comprssor with Low

Hub-Tip Ratio (Zhao Shi Chun.1981) melakukan precobaan studi numerik untuk melihat stall, dengan

pengurangan sudut -5˚ dari sudut desain menunjukan bahwa fenomena stall berkurang dari awal desain. Adapun

pada jurnal Numerical Study of the Stagger Angle Effects in Forward Swept Axial Compresor Rotor Passages

(Govardhan M.2010) melakukan percobaan yang sama yaitu studi numerik, bahwa hasil yang terjadi denan

bertambahnya +5˚ dari sudut desain menyebabkan fenomena stall semakin terlihat jelas.

Dengan adanya variasi stagger angle diharapkan dapat mengurangi rugi-rugi aerodinamik dan dapat

meningkatkan pressure ratio pada kompresor aksial multistage.

2. METODE PENELITIAN

Gambar 1. Flowchart Penelitian


A-23

Pada sistem pengujian kompresor aksial multistage yang terdiri dari tiga tingkat. Penelitian ini

menggunakan metode eksperimen. Metode ini dilakukan dengan cara pengambilan dan perhitungan data

secara kuantitatif yaitu menganalisis data dengan menggunakan perhitungan analitik. Penelitian yang

memvariasi pengaruh stagger angle dimulai dengan tahapan perancangan sistem kompresor. Perancangan sistem

terdiri dari pendesainan komponen utama dan variasi, pemilihan alat ukur yang sesuai, serta sistem pengujian

untuk mendapatkan parameter yang dibutuhkan dalam menentukan pressure ratio pada kompresor aksial

multistage. Alat ukur yang digunakan untuk mengambil data parameter utama antara lain : manometer jenis

interconnected dengan enam channel untuk megukur tekanan pada sisi inlet-outlet (P.in dan P.out), anemometer

untuk mengukur kecepatan pada sisi inlet-outlet (V.in dan V.out), sensor temperatur pada sisi inlet-outlet (T.in dan

T.out), serta sensor proximity untuk mengukur kecepatan putar (RPM) dari shaft kompresor. Sedangkan untuk

motor penggerak kompresor aksial menggunakan jenis motor bakar dengan kapasitas 100 cc dan akan diputar

pada RPM 500 hingga 1100 pada masing-masing variasi pengambilan data. Variasi stagger angle yang

digunakan adalah 19˚ dan 29˚. Perancangan dari kompresor aksial yang digunakan dapat dilihat pada Gambar

2.

2.1 Alat Penelitian

Sistem kompresor aksial multistage dirancang dengan jumlah 3 tingkat. Komponen kompresor aksial

terdiri dari; rotor (sudu putar), stator (sudu diam), casing kompresor, motor penggerak, poros, dan cakram.

Motor penggerak yang digunakan untuk memutar kompresor adalah motor bakar dengan kapasitas 100 cc.

Transmisi yang digunakan adalah rantai dengan perbandingan gear sebesar 1 : 4, hal ini bertujuan untuk

mendapatkan torsi yang besar agar kompresor dapat berputar. Sistem pengukuran yang digunakan adalah

∑ Manometer, yang digunakan untuk mengukur tekanan udara inlet, local dan outlet

∑ Anemometer untuk mengukur kecepatan udara

∑ Sensor proximity untuk mengukur putaran kompresor (rpm)

∑ Sensor temperatur untuk mengukur temperatur sisi inlet dan outlet kompresor

Gambar 2. Sistem kompresor aksial multistage

Chasis

poros

cassing

Blade

Alat ukur

Motor bakar

Transmisi


A-24

2.2 Sistem Pengujian

Gambar 3. Proses flow diagram kompresor aksial multistage

Pada gambar proses flow diagram menjelaskan bahwa kerja dari kompresor aksial adalah menyerap

udara dan akan menghasilkan tekanan. Udara masuk yang akan diukur menggunakan anemometer, PT 100, dan

manometer. Dimana anemometer untuk mengukur kecepatan udara yang masuk dalam kompresor, sedangkan PT

100 digunakan untuk mengukur temperatur awal sebelum masuk dalam kompresor, dan untuk manometer

digunakan untuk tekanan inlet pada kompresor. Didalam kompresor udara akan ditingkatkan tekanan dan

kecepatannya dengan rotor 1, setelah melewati rotor 1 akan diukur dengan manometer. Dimana manometer

digunakan untuk mengukur tekanan local untuk melihat tekanan setelah melewati rotor 1. Setelah melewati rotor

1 akan melewati stator 1 hingga stator 3. Pada output kompresor akan diukur dengan anemometer, PT 100, dan

manometer. Dan untuk mengukur RPM digunakan sensor proximity.

Data yang didapatkan dari sistem pengujian akan dianalisis untuk menentukan jenis profil IGV yang

tepat dalam meningkatkan pressure ratio. Perhitungan untuk mengetahui besarnya nilai pressure ratio dan

efisiensi menurut Cohen (1996) sebagai berikut :

1. Tekanan Statis Pada Sisi Inlet Kompresor.

(1)

2. Tekanan Statis Pada Sisi Outlet Kompresor.

(2)

3. Temperatur Inlet Rotor Stage 1.

(3)

4. Temperatur Outlet Stator Stage 3.

(4)

5. Tekanan Stagnasi Inlet Kompresor.

(5)


A-25

6. Tekanan Stagnasi Outlet Kompresor.

(6)

7. Mass flow rate udara yang melalui kompresor

(7)

8. Pressure Ratio Kompresor Aksial Multistage.

(8)

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

Proses penelitian dengan melakukan pengujian kompresor aksial multistage dengan variasi stagger angle

untuk mengetahui pengaruh perubahan sudut sudu pada pressure ratio kompresor aksial. Pengujian ini dilakukan

untuk mendapatkan data kecepatan putar motor penggerak (n), kecepatan inlet - outlet (m/s), temperatur inlet –

oulet (K), dan tekanan inlet-outlet (Pa) untuk menghitung nilai pressure ratio (Rs). Sehingga diketahui grafik

perbandingan pressure ratio yang dihasilkan dari pengaruh perubahan sudut sudu. Berikut adalah hasil desain

perhitungan secara teori dan data hasil perhitungan eksperimen tanpa perubahan sudut sudu yang tertera pada

Tabel 1 dan Tabel 2. Data desain dihitung berdasarkan kecepatan putar yang divariasikan yaitu 500, 650, 800, 950,

dan 1100 rpm pada kondisi aktual rpm pengujian yang menghasilkan kecepatan inlet - outlet, temperatur inlet

–outlet dan juga tekanan stagnasi inlet-outlet yang digunakan untuk menghitung pressure ratio (Rs) seperti yang

tertera pada tabel dibawah ini.

Tabel 1. Hasil perhitungan eksperimen pressure ratio berdasarkan RPM


A-26

Kompresor aksial multistage menggunakan variasi stagger -5˚ dan stagger +5˚ yang dibandingkan dengan

kompresor tanpa perubahan sudut sudu rotor. Hasil yang didapatkan dari pengukuran dan pengolahan data seperti

mass flowrate, kecepatan inlet-outlet, temperatur inlet-outlet, tekanan stagnasi sisi inlet-outlet, dan juga nilai

pressure ratio tertera pada Tabel dibawah ini.

Tabel 2. Hasil perhitungan eksperimen variasi stagger +5˚

Tabel 3. Hasil perhitungan eksperimen variasi stagger -5˚


A-27

3.1 Analisis ΔP Terhadap RPM

Variasi stagger +5 dan -5 diujikan pada kecepatan yang sama dengan rpm 5 variasi. Pengambilan data

untuk variasi diambil dengan rp 500, 650, 800, 950, dan 1100. Berikut ini merupakan grafik hubungan rpm

dengan ΔP. Perubahan sudut stagger pada rotor 1 bertujuan untuk memperkecil terjadinya stall. Penambahan

sudut stagger (+5˚) akan menyebabkan turunya pressure, yang menyebabkan terjadinya stal, Jika pengurangan

sudut stagger (-5˚) akan memperkecil terjadinya stall.

Gambar 4. Grafik pengaruh ΔPlocal terhadap rpm

Berdasarkan gambar diatas, didapatkan ΔP meningkat hanya pada rpm tertentu setiap variasi. Pengaruh

rpm terhadap ΔP yang berpengaruh paling tinggi terdapat divariasi stagger -5˚. Pengaruh kenaikan tekanan pada

rotor 1, 8% hingga 16% pada rpm 500, 650, dan 950.

Berdasarkan tekanan setelah rotor 1 pada Gambar 4, hal ini berhubungan erat dengan besarnya pressure

ratio yang dihasilkan oleh masing masing variasi stagger angle terhadap pressure ratio kompresor aksial

multistage dapat diliat pada Gambar 5. Pada grafik tersebut nilai pressure ratio berbanding lurus dengan nilai

ΔPlocal, dimana nilai pressure ratio lebih tinggi variasi stagger angle dibandingkan default. Akan tetapi terjadi

anomali pada rpm 950 dan 1100 pada variasi stagger angle +5˚ dan pada variasi stagger angle -5˚ pada rpm 800

dan 1100 yang memiliki hasil rendah dibanding default. Hal ini berbanding terbalik dengan kondisi semestinya

pada hubungan ΔPlocal dengan pressure ratio.

Terdapat factor yang menyebabkan terjadinya anomali pada kondisi tersebut, seperti kondisi motor bakar

yang digunakan sebagai penunjang. Motor bakar mempunyai vibrasi yang sangat tinggi dan juga sulit untuk

mengendalikan dalam rpm yang konstan, seringkali terjadi ketidak stabilan dalam menentukan rpm, beda halnya

dengan motor listrik, dengan vibrasi yang lebih minim dan juga dapat mengatur rpm yang ditentukan dan juga

putaran lebih konstan. Dengan terjadinya ketidak stabilan dalam menentukan rpm pada motor bakar dapat

mengakibatkan turunnya pressure ratio yang dihasilkan.


A-28

. Gambar 5. Grafik pengaruh ΔPlocal terhadap rpm

3.2 Analisisstatic pressure coefficient Terhadap RPM

Berikut ini merupakan grafik hubungan rpm dengan static pressure coefficient ditunjukan pada Gambar 6.

Gambar 6. Grafik pengaruh cps terhadap rpm

Berdasarkan gambar diatas, dapat dilihat bahwa nilai Cps menunjukan bahwa semakin kecil nilainya

maka daya serap udara yang dihasilkan kompresor semakin baik. Pada grafik diatas menunjukan bahwa nilai Cps

variasi stagger -5˚ mengasilkan tren grafik yang lebih baik disbanding variasi stagger +5˚ pada semua variasi

rpm. Sama halnya dengan perbedaan tekanan setelah rotor 1, bahwa variasi stagger -5˚lebih baik nilainya

dibandingkan dengan variasi stagger +5˚, dengan menujukan hasil rata-rata dari grafik -5˚ yaitu -1.8665

sedangkan pada +5˚ hanya -1,71905. Hal ini dikarenakan semakin kecil stagger angle maka daya serap udara

yang dihasilkan akan lebih baik.

Dari hasil analisis yang diperoleh secara keseluruhan menujukan bahwa variasi stagger angle sangat

berpengaruh terhadap pressure ratio. Hal ini terjadi pada variasi stagger angle -5˚ pada rpm 500,650, dan 950

dengan nilai tekanan 1.00208, 1.00317, dan 1.008 pa. Hal ini menyebabkan pengaruh rpm terhadap ΔPlocal bisa

meningkat 5% pada variasi 950 dengan nilai 249.654 ke 234.969 pa, dan 16% dengan nilai 88.132 ke 102.798

pa. Dari hasil penelitian didapatkan sudut yang paling baik dalam mengurangi rugi-rugi aerodinamik dan

meningkatkan pressure ratio yaitu pada variasi sudut -5˚.


A-29

4. KESIMPULAN

Dari penelitian yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa :

1. Variasi stagger angle -5˚ dapat menurunkan rugi-rugi aerodinamik. Hal ini ditujukan dengan nilai yang

dihasilkan Plocal stagger angle -5 lebih baik dari variasi stagger angle +5.Dengan karakteristik nilai

konduktivitas termal pada material isolasi, akan dapat mempengaruhi efektivitas storage tank

2. Variasi stagger angle -5˚ dapat meningkatkan pressure ratio 8% hingga 16%, terjadi pada rpm 500,

650, dan 950. Peningkatan tertinggi pada rpm 500 dari 1,00185 pa menjadi 1,00208 pa

3. Variasi stagger angle -5˚ merupakan stagger paling baik, karena pengaruh terhadap Plocal dan pressure

ratio mempunyai nilai yang baik dibandingkan variasi stagger angle +5.

UCAPAN TERIMA KASIH

1. Orang tua yang penulis sayangi, Bapak dan Ibu penulis, Akhdan Azhar, atas kasih sayang, dukungan,

semangat dan doa yangselalu diberikan dengan sepenuh hati pada penulis dan saudara penulis yang

telah mendukung penulis untuk menyelesaikan tugas akhir ini.

2. Bapak Dr. Zaenal Arief, S.T., M.T. selaku Direktur PENS.

3. Bapak Raden Sanggar Dewanto, S.T.,M.T.,Ph.D. selaku Kepala Departemen Teknik Mekanika dan

Energi PENS.

4. Bapak Ir. Joke Pratilastiarso, ST.,MT. selaku Ketua Program Studi Diploma 4 Sistem Pembangkit

Energi PENS yang tulus dan sabar dalam membimbing penulis hingga mencapai tahap ini.

5. Bapak Setyo Nugroho, S.T., M.T. dan Achmad Bahrul Ulum, S.T. selaku dosen pembimbing yang

selalu menuntun dan membimbing, serta memberikan banyak masukan kepada penulis.

6. Ibu Fifi Hesty Sholihah, S.ST., M.T., selaku koordinator tugas akhir, yang selalu ada, siap, dan sabar

membimbing secara materil dan moril 23 mahasiswa angkatan 2014.

7. Bapak dan Ibu Dosen Penguji yang telah memberikan koreksi dan saran yang membangun.

8. Karina Putri Nurma Gumpita, yang selalu memberikan dukungan baik fisik, moral, motivasi dari awal

pengerjaan hingga akhir

9. Tim Kompresor Aksial yang telah banyak membantu penulis. Terimakasih, bantuan tenaga dan pikiran.

10. Angkatan 2014 Sistem Pembangkit Energi yang selalu memberikan dorongan semangat, dan

kebersamaan dalam proses pembelajaran dan pengerjaan Proyek Akhir selama ini. Semoga kita bisa

sukses semua kelak, amin.

11. Progam Studi D4 Teknologi Pembangkitan Energi yang telah membuka wawasan saya tentang energi

yang merupakan sumber dari keberlangsungan hidup dunia. Semoga Progam Studi D4 Sistem

Pembangkitan Energi dapat membuktikan sebagai Progam Studi Politeknik yang benar benar kompeten

dalam hal energi, khususnya pembangkit energi listrik.


A-30

DAFTAR PUSTAKA

H Cohen, CFC Rogers. 1996. Gas Turbine Theory, Fourth Edition. Longman Group Ltd. England.

Herman Sasongko dan Heru Mirmanto. 2002 Separasi Aliran Tiga Dimensi pada Kaskade Kompresor Aksial

dengan Sudu Berbeda Kelengkungan, Teknik Mesin, FTI-ITS.¥

Prabhat Singh, Kalpit P. Kaurase , Brijesh Patel. 2016 Performance investigation of axial flow compresor at

different climatic conditions, M-tech Scholar (Turbo-Machinery), MATS University, (C.G) INDIA.

Ramakrishna P V, Govardhan M. 2010 Numerical Study of The Stagger Angle Effects in Forward Swept Axial

Compressor Rotor Passages.

Tekad Sitepu. 2010. Kajian Penggunaan Kompressor Aksial. Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Indonesia. [4]Xiaodong Ren, Chunwei Gu. 2015. A Numerical Study on The Tip Clearance in An Axial

Transonic Compressor Rotor. Cina.

Tony Giampaolo. 2010. Compressor Handbook:Principles and Practice. The Fairmont Press. United States of

America.

Young Cheol Nho, Jung Shin Park, Yong Jin le. 2010. Effects of Turbine Blade Tip Shape on Total Pressure Loss

and Secondary Flow of A Linier Turbine Cascade. School of Aeroscpace and Mechanical Engineering.

Republic of Korea.

Zhao Shi Chun, Ma Shu Qin, Qang Zhao Long. 1981 Effect of Blade Stagger Angle on Performance of a

Transonic Compressor with Low Hub-Tip Ratio, Shenyang Aeroengine Research Institute, Shenyang, The

People Replublic of China.

pengaruh stagger angle terhadap pressure ratio kompresor …

Documents