PERTIMBANGAN DALAM MENDESAIN DAN MEMBUAT KOMPONEN TURBIN GAS Instruktur: Dr. Ir. T. A. Fauzi Soelaiman Program Studi Teknik Mesin, FTI, ITB 16 Maret 2006
Bagian ini membahas hal-hal yang harus dipertimbangkan dalam mendesain dan membuat komponen-komponen utama turbin gas. Komponen diharapkan kuat dan tahan lama untuk beban mekanik dan termal, serta mudah dan murah untuk dibuat.
BEBERAPA SIFAT DAN BENTUK KERUSAKAN YANG DAPAT TERJADI PADA KOMPONEN TURBIN GAS
Tekuk (b u c k l i n g ): dapat terjadi bila bagian yang tipis mengalami tekanan yang berlebihan. Korosi (c o r r o s i o n ): perubahan secara kimiawi atau perusakan pada permukaan suatu bagian. Dua jenis korosi yang umum terjadi pada mesin turbin gas adalah oksidasi dan sulfidasi. Mulur (creep ): adalah deformasi plastis (permanen) yang disebabkan karena tegangan yang bekerja secara terus menerus. Kenaikan kecepatan creep ini akan bertambah dengan bertambahnya temperatur dan beban yang bekerja. Deformasi elastis: perubahan dimensi sementara yang dapat kembali ke keadaan semula, yang sebanding dengan gaya yang bekerja. Erosi: terjadi jika partikel menumbuk sebuah material dan merusak permukaan. Fatik/kelelahan (f a t i g u e ) : proses perpatahan yang disebabkan beban siklik. Patah terjadi bila beban yang berlebihan dikenakan pada material. Ekspansi termal adalah perubahan dimensi material yang perubahannya sebanding dengan temperatur. Putus (r u p t u r e ) : adalah akibat efek creep yang berlebihan.
Beberapa Sumber Kerusakan Pada Turbin Gas
Mekanik, akibat gaya sentrifugal atau gaya lainnya. Panas, akibat temperatur tinggi atau gesekan. Getaran, akibat ketidakseimbangan. Partikel, dari udara luar. Kimiawi/korosi.
Mode Penyebab Kegagalan pada Turbin Gas Komponen Kompresor
Elemen
Mode Kegagalan
Sumber Penyebab
Sudu rotor
Fatik, Erosi, Kerusakan karena obyek luar (FOD)
Getaran, Partikel dari luar
Cakram (disk) rotor
Fatik, Mulur
Gaya sentrifugal, Termal
Ruang bakar
Liner
Fatik, Mulur, Tekuk
Gradien temperatur
Casing
Fatik
Siklus tekanan
Turbin
Sudu rotor
Mulur, Fatik, Korosi, Erosi
Gaya sentrifugal, Getaran, Produk sisa pembakaran, Termal
Cakram rotor
Mulur, Rupture, Fatik
Gaya sentrifugal, Termal
Stator (vane)
Korosi, Erosi, Fatik, Mulur, Tekuk
Termal, Tekanan, Produk sisa pembakaran
Sudu
Fatik, Kerusakan karena obyek dari luar
Partikel dari luar
Fatik
Tekanan, Gaya sentrifugal
Fan Roda gigi, Bantalan
PEMBUATAN KOMPONEN KOMPRESOR
Impeler biasanya terbuat dengan cara pemesinan. Difuser lebih banyak terbuat dengan cara dicor. Rotor disk/cakram rotor (biasa disebut roda atau hub) dan sudu (blade) lebih mudah dikerjakan secara terpisah, kecuali pada kompresor kecil yang dicor atau pemesinan yang menjadi unit tunggal. Sudu biasanya diletakkan dan dipasangkan pada cakram rotor dengan celah 'T' terbalik (fir tree root ). Cakram dapat terbuat dengan pemesinan hingga bentuk jadi. Poros yang biasanya mempunyai jalur pasak juga dengan pemesinan, dan biasanya dikerjakan terpisah dari poros turbin. Meskipun daerah kompresor mengalami tegangan mekanik yang tinggi, temperatur lingkungan di daerah tersebut hanya merupakan faktor yang kecil saja dibandingkan dengan daerah ruang bakar dan turbin. Hal ini harus dipertimbangkan dalam pemilihan material untuk ketiga daerah yang berbeda tersebut.
PEMBUATAN KOMPONEN RUANG BAKAR
Pembuatan perlu memperhatikan gradien temperatur serta ekspansi/kontraksi material. Bentuk casing dan liner perlu memperhatikan aliran bahan bakar dan udara. Karena mengalami panas tinggi, biasanya terbuat dari lembaran dengan paduan nickle based , atau cobalt based . Proses yang digunakan adalah: machining , drilling dan punching .
PELAPIS RUANG BAKAR (LINER )
Metode Pendinginan Tabung Api (Liner )
PEMBUATAN KOMPONEN TURBIN Masalah terbesar adalah beban mekanik dan termal. (nosel) tingkat Temperatur pada stator vane pertama dapat mencapai 1600oF (normal), atau 2400oF (kasus). Distribusi temperatur biasanya tidak seragam. dapat terjadi pada temperatur tinggi. Hotspots Salah satu penanggulangannya adalah dengan pendinginan sudu dengan menggunakan udara dari kompresor yang umumnya bertemperatur 500 800oF (260 - 427oC).
Aliran Udara Pendingin pada Turbin Gas Model Allison 501-KB
Metode Pendinginan pada Permukaan Sudu Turbin
Pendinginan Udara pada Sudu dan Baling-Baling Turbin Model Allison 570-K
Metode Pendinginan Sudu Turbin Gas 1,5 2 % air mass flow digunakan untuk cooling per blade row. Blade temperature dapat direduksi sebesar 200 3000oC. Dengan blade alloys yang biasa digunakan saat ini, maka turbine inlet temperature dapat ditingkatkan hingga 1650 K. •
–
•
–
•
Desain Sudu pada Gas Turbin Model Allison 501-K
Konfigurasi Pemasangan Fir Tree Root
PEMBUATAN KOMPONEN SUDU GERAK (B L A D E ) DAN SUDU TETAP (V A N E ) TURBIN Penggunaan baja paduan tinggi sangat penting pada daerah panas turbin dan tidak mungkin ditempa serta sulit untuk dilakukan pemesinan. Proses invesment casting (proses dengan mempergunakan lilin) biasanya digunakan pada pembuatan sudu dan vane. Pola sudu (atau vane) yang diinginkan dibentuk dengan injeksi tekanan lilin pada cetakan yang presisi. Keuntungan lain dari pengecoran adalah ketahanannya terhadap korosi dan creep/rupture. Pembekuan dapat dimulai pada satu atau lebih titik pada penuangan. Tempat yang memungkinkan terjadinya hot corrosion dan creep adalah pada batas butir. Dengan mengontrol pendinginan, jumlah butir dapat dijaga seminimal mungkin dan mengurangi kemungkinan tempat terjadinya kerusakan akibat korosi atau creep.
Pelapis khusus untuk menghasilkan performa yang terbaik 1. Pelapisan dengan pemadatan sementasi (pack cementation) atau tipe difusi. Merupakan campuran dari alumina, aluminum halida, dan aktivator permukaan. Kemudian dipanaskan dan dipertahankan pada suatu temperatur menghasilkan endapan aluminium dan mengakibatkan terjadinya difusi untuk mem bentuk lapisan aluminida tipis pada permukaan material. 2. Endapan uap menggunakan berkas elektron, di dalam suatu kamar tertutup, dipusatkan pada material batang yang memerlukan pelapisan. Berkas tersebut bila dipusatkan akan menghasilkan suatu genangan metal cair dan membentuk komposisi lapisan uap metal yang cocok. 3. Plasma spraying (penyemprotan plasma) menggunakan temperatur tinggi dan kecepatan aliran plasma yang tinggi di mana bubuk metal yang halus dengan komposisi yang diinginkan dimasukkan. Bubuk itu dipanaskan pada aliran plasma dan dipercepat sehingga membentur dan mengendap pada benda kerja. 4. Sheet cladding dibutuhkan untuk membentuk ikatan difusi lembaran paduan yang tipis dengan ketahanan korosi yang tinggi dengan dasar super alloy yang mempunyai
KOMPONEN INJEKTOR BAHAN BAKAR
PEMILIHAN MATERIAL Kekuatan, berat, dan batas ketahanan dari material dipertimbangkan untuk mengurangi proses pembuatannya seperti forging (tempa), welding (las), grinding , casting (cor), heat treatment , dll. Paduan baja kekuatan tinggi dapat dipakai untuk poros, roda gigi, bantalan, dan piringan kompresor atau turbin. Paduan aluminium mempunyai keuntungan tambahan yaitu harga yang rendah dan sifat pembuatan yang baik, tetapi kekuatan dan ketahanan fatik/ lelahnya tidak lebih baik dari paduan baja. Paduan aluminium digunakan untuk casing (rumah) dan kompresor. Paduan magnesium mempunyai kekuatan mekanik dan ketahanan korosi yang tidak terlalu tinggi, penggunaannya terbatas pada inlet housing dan roda gigi. Paduan titanium merupakan paduan terkeras dibandingkan tiga paduan tadi dan mempunyai ketahanan korosi yang baik, tetapi lebih sulit untuk pemesinan dan lebih mahal. Paduan paduan ini dipakai pada ruang bakar dan rumah turbin, serta dan komponen kompresor dan fan.
Martensitic stainless steel seperti tipe 410 digunakan terutama pada komponen kompresor dan casing. Austenitic stainless steel (nonmagnetic) seperti pada tipe 310 atau 321 dapat digunakan untuk ruang bakar dan rumah turbin. Superalloy dengan dasar nikel temperatur tinggi seperti Hastelloy X digunakan sebagai saluran ruang bakar dan cakram/roda turbin, serta sudu dan vane. Untuk daerah yang panas dipakai paduan besi dan cobalt-base temperatur tinggi. Penggunaan plastik dan komposit (material campuran) tidak banyak dipakai, tetapi dipakai untuk kasus khusus di mana penggunaannya dibatasi untuk komponen yang mengalami tegangan yang rendah atau temperatur rendah seperti pada bagian struktur dan sudu kompresor atau fan dan casing.
Material yang digunakan pada turbin gas tipe Allison 501-K
