Gas Turbine Engine

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
perubahan komposisi kimia dari fluida kerja.
dan
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
–
= Kerja
2.3.4
................................................................................................2.10
= Energi panas
= Delta energi
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 upgrading 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:

Kerja yang dibutuhkan oleh kompresor,
Proses 1 - 2 (kompresi isentropik)
–

……………………………..……..…………..……….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
sumbu putaran.
terhadap
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
2.4.2
: Ekivalen kalor kalor
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
oleh FG) disebut kecepatan pusar pada sisi keluar (
(diwakili oleh DG) disebut kecepatan aliran sisi keluar (
Jika
(diwakili
). Komponen aksial
).
= 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
Dimana
3.
dan
………………………….……...…………...2.38
adalah diameter dalam dan diameter luar impeler.
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
udara yang mengalir melalui impeler pada sisi masuk:
ini, massa
………………………….…...………………………..2.43
= Jumlah sudu.
2.4.4
Sistem Diffuser
Fluida diperlambat secara adiabatis dari kecepatan
tekanan statis bertambah dari
ke
ke kecepatan
seperti yang ditunjukan pada Gambar 2.20.
Gambar 2. 20. Diagram Mollier untuk tingkat kompresor sentrifugal
, dan
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