ALIRAN FLUIDA PADA ALIRAN FLUIDA PADA TURBIN GASTURBIN GAS

PEMISAHAN ALIRAN DAN STALL

Keberhasilan operasi turbin gas tergantung dari aliran fluida dan transformasi energi yang dihasilkannya.

Bab ini akan menerangkan beberapa proses yang terjadi selama transformasi energi antara arus gas dan sudu-sudu mesin mesin rotasi, pemisahan aliran dan surjing, gesekan fluida, turbulensi, dan aliran tercekik.

Setiap tingkat dari kompresor aksial pada dasarnya adalah sebaris airfoil yang bisa dibandingkan dengan sayap pesawat terbang.

Jika sudut serang di bawah sudut kritis maka alirannya adalah mulus. Jika melebihi sudut stall, aliran akan melepaskan diri dari permukaan atas airfoil dan terjadilah spa yang disebut separasi aliran.

Gambar 4.1 Aliran Udara di Sekitar Airfoil dengan Sudut Serang di Bawah dan di Atas Sudut Stall

Jika sudut serang di bawah sudut kritis maka alirannya adalah mulus.

Jika melebihi sudut stall, aliran akan melepaskan diri dari permukaan atas airfoil dan terjadilah spa yang disebut separasi aliran.

Karakteristik separasi dicirikan dengan adanya pelambatan aliran pada permukaan menuju kecepatan nol yang diikuti oleh aliran dengan arah yang berlawanan yang dihasilkan oleh adanya pusaran yang meninggalkan trailing edge.

Sudut serang ditentukan oleh posisi sudu, kecepatan rotasi dan laju aliran massa udara.

Separasi terkadang membatasi prestasi dan efisiensi kompresor di mana kompresor itu dikatakan mengalami stall jika terjadi separasi.

Pengaruh dari kompresor stall ini bergantung pada kondisi operasi dan pada umumnya diwujudkan dalam bentuk surge atau rotating stall.

SURGE DAN ROTATING STALL

Jika tekanan ini lebih tinggi dari kemampuan kompresor untuk menahannya maka aliran udara akan turun drastis dan akan terjadi penurunan tekanan, menyebabkan kompresor mengalami stall, dan udara pembakaran yang ditekan (dan kadang-kadang juga bahan bakar untuk pembakaran akan berbalik arah mengakibatkan kompresor tidak bekerja secara temporer). Pelepasan tekanan yang tiba-tiba akan menimbulkan suara keras 'bang'.

Stall yang terjadi berulang-ulang dan respon kompresor untuk mengatasinya adalah fenomena yang disebut surjing (surge).

Risiko utama dari siklus surge adalah kerusakan mekanis dari mesin. Jika terjadi surjing, maka sebabnya harus dihilangkan segera atau mesin harus dimatikan.

Rotating stall adalah gejala yang terjadi di bawah kondisi operasi yang normal, misalnya jika aliran udara tidak terdistribusi merata di antara saluran-salurannya.

Gambar 4.2 Sudu Rotor Kompresor yang Menggambarkan Aliran Udara pada Rotating Stall

Tanda-tanda utama rotating stall biasanya adalah suplai bahan bakar tambahan tidak mempercepat putaran mesin.

Kondisi ini menimbulkan risiko kerusakan karena temperatur terlalu tinggi pada bagian mesin yang panas atau kegagalan lelah karena getaran yang terjadi

Banyak mesin-mesin yang mempunyai daerah rotating stall selama operasi dan start. Karena starter membantu mesin dalam jangka waktu tersebut maka hal itu bisa ditolelir sampai kecepatan kompresor naik dan memadai untuk memenuhi kebutuhan tekanan.

Dalam kasus lain, kurangi tekanan kompresor yang diminta. Sebagai contoh, kompresor turbin gas menggunakan katup buang yang dibuka untuk mencegah rotating stall atau mengatasinya jika kecepatan kompresor naik selama mesin mulai berjalan.

Untuk mesin-mesin stasioner, surjing tidak akan terjadi kecuali jika tidak ditemui kondisi operasi yang ’off design’.

GESEKAN DAN TURBULENSI

Gesekan dan turbulensi adalah penyebab turunnya efisiensi.

Sudu-sudu kompresor dan turbin didesain sehingga menghasilkan transfer energi yang maksimum.

Gesekan adalah gejala yang terdapat di mana fluida mengalir, dan dalam beberapa tingkat yang berlainan.

Turbulensi adalah gejala yang kompleks, cukup dikatakan bahwa arus udara utama adalah aliran tak stedi dengan fluktuasi yang acak baik pada kecepatan maupun arahnya.

Turbulensi terjadi pada pencampuran udara yang diperlukan pada daerah pembakaran yang efisiensi.

Disainer turbin gas harus meminimalkan rugi-rugi yang disebabkan oleh turbulensi ini.

ALIRAN TERCEKIK

Kecepatan-kecepatan gas pada mesin-mesin turbin gas adalah sangat tinggi.

Batasan kecepatan adalah kecepatan suara lokal (Mach 1). Pencekikan (choking) terjadi pada kondisi ini.

Kondisi choking menggambarkan aliran massa maksimum yang dapat dihantarkan oleh kompresor atau turbin pada kecepatan tertentu.

Kondisi operasi kompresor pada umumnya terjadi pada kecepatan di bawah choke sehingga keluwesan operasi dapat dicapai.

Di lain pihak, turbin biasanya beroperasi pada kecepatan choke atau yang mendekatinya.