Jamaldi, dkk./ ROTASI, Vol. 21  No. 1  (Januari  2019) Hal. 10-15
Kajian Numerik Efektifitas Film Cooling pada Sudu Turbin Gas
Agus Jamaldi a, *, Marwan Effendy b, **
a Program Studi Magister Teknik Mesin, Sekolah Pascasarjana, Universitas Muhammadiyah Surakarta
Jl. Ahmad Yani, Tromol Pos I Pabelan, Surakarta 57102 Indonesia
b Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Surakarta
Jl. Ahmad Yani, Tromol Pos I Pabelan, Surakarta 57012 Indonesia *E-mail: agus.jamaldi@gmail.com , **Corresponding Author: Marwan.Effendy@ums.ac.id

## Abstract
This  numerical  study  aims  to  evaluate  the  performance  of  trailing-edge  (TE)  cooling  of  gas  turbine blade. A TE cooling system with staggered pin-fin arrays inside the cooling passage was utilized in the study. Detached Eddy Simulation based on Spallart-Almaras (DES-SA) turbulence model was used to simulate three different setting of blowing ratios (M), i.e. 0.5; 0.8; and 1.1. Three key parameters, i.e. discharge coefficient (CD), adiabatic film cooling effectiveness (η aw ), and shedding frequency (f s ), were used to assess the TE cooling performance to be compared with other available data in open literature. The  results  showed  that  all  trend  predicted  data  are  in  good  agreement  with  realistic  discrepancies compared  to  both  previous  experimental  and  numerical  data,  mainly  for  higher  blowing  ratio.  The discharge coefficient increases slightly with rising blowing ratios. The shedding frequencies are 2043, 2323 and 1976  Hz,  representing  the  characteristic  dynamic  of  mixing  process  between  main  hot-gas and coolant gas flow for each blowing ratio from 0.5; 0.8; and 1.1, respectively.
Keywords : discharge coefficient, film cooling effectiveness, shedding frequency, DES-SA

## Abstrak
Penelitian ini bertujuan untuk mengevaluasi penggunaan model turbulensi Detached Eddy Simulation Spallart- Almaras  (DES-SA) pada  studi  numerik  tentang  sistem  pendinginan trailing  edge  (TE) pada  sudu  turbin  gas. Sebuah  desain TE  cutback  cooling dengan  susunan staggered  pin-fin dipilih  sebagai  spesimen  pengujian berbasis simulasi. Tiga parameter penting seperti discharge coefficient (C D ), adiabatic film cooling effectiveness (η aw ), dan shedding frequency (f s ) menjadi fokus utama dalam penyelidikan kinerja sistem pendinginan TE sudu turbin  gas.  Penelitian  dilakukan  pada  variasi  tiga blowing  ratios  (M) yaitu  0,5;  0,8;  dan  1,1.  Hasil  riset menunjukkan bahwa nilai C D yang diperoleh dari hasil simulasi memiliki kesesuaian trend jika dibandingkan dengan  data  peneliti  terdahulu,  dimana  nilai C D sedikit  meningkat  seiring  dengan M yang  semakin  besar. Penyelidikan  terkait η aw yang  terjadi  pada  permukaan adiabatic  wall menunjukkan  bahwa  nilainya  konsisten dengan data penelitian  yang terdahulu, baik secara eksperimen  maupun simulasi.  Frekuensi aliran vorteks ( f s ) berturut-turut 2043, 2323, dan 1976 Hz untuk masing-masing blowing ratios 0,5; 0,8; dan 1,1.
Kata kunci: discharge coefficient, film cooling effectiveness, shedding frequency, DES-SA

## 1. Pendahuluan
Turbin  gas  telah  banyak  digunakan  secara  luas  pada  dunia  otomotif  dan  industri  seperti  sistem  propulsi  pesawat terbang dan kapal laut, tenaga pendorong lokomotif, dan pembangkit listrik. Saat beroperasi turbin gas ini berhubungan langsung dengan beberapa kondisi yang ekstrim, seperti temperatur yang tinggi, gaya aerodinamis yang melewati sudu turbin,  keterbatasan  kekuatan  material (melting  point) ,  dan  tekanan  yang  tinggi  [1][2].  Kondisi  ekstrim  tersebut menyebabkan  kerusakan  pada  komponen-komponen  seperti  “ line,  vanes,  dan  blades ”  [3][4].  Untuk  mengantisipasi terjadinya kerusakan tersebut, maka diperlukan sistem pendinginan untuk menjaga temperatur material berada dibawah “ melting  point ”  sehingga  aman  dan  menjaga  ketahanan  pada  saat  mesin  beroperasi  [5].  Sistem  pendinginan  ini bertujuan untuk meminimalisir kerusakan yang terjadi pada komponen turbin gas. Salah satu bagian dari sudu turbin gas yang paling rawan terjadi kerusakan yaitu pada trailing-edge (TE), dimana bagian ini terjadi beban thermal yang tinggi karena beroperasi pada temperatur yang sangat tinggi, dimana pada turbin gas terbaru mencapai temperatur 2000K [2], namun konstruksinya sangat tipis berkaitan dengan kepentingan aerodinamika yang harus dicapainya.
Bagian TE sudu turbin menjadi topik yang menarik sejak adanya konflik kepentingan antara keperluan akan sistem pendinginan TE dan keharusan desain aerodinamika pada sudu turbin  [3][6]. Penelitian terkait sistem pendinginan TE sudu turbin telah banyak dilakukan oleh para peneliti sebelumnya baik secara eksperimen maupun secara simulasi [7]. Horbach,  dkk.[8]  melakukan  penelitian  secara  ekperimen  tentang  pendinginan TE dengan  menggunakan  perbedaan ketebalan lip dan  geometri  pada ejection  lip. Hasil  penelitian  yang  didapat  yaitu  perbedaan  ketebalan lip sangat berpengaruh  terhadap film  cooling dan  nilai discharge  coefficient. Pendinginan TE juga  dipengaruhi  oleh  perbedaan blowing  ratio, dan  terjadi  peningkatan  koefisien  perpindahan  panas  pada  tingkat  ketebalan lip yang  paling  rendah. Eksperimen yang lain dilakukan oleh Zifeng Yang, dkk.[9] yang melakukan evaluasi film cooling effectiveness dengan menggunakan teknik pressure sensitive paint (PSP) untuk menginvestigasi perkembangan aliran turbulen dan struktur
Jamaldi, dkk./ ROTASI, Vol. 21  No. 1  (Januari  2019) Hal. 10-15
pusaran yang terjadi pada daerah slot exit sudu turbin. Hasil penelitian menunjukkan percampuran antara aliran utama dengan aliran pendingin dan distribusi adiabatic film cooling effectiveness.
Penelitian  secara  simulasi  juga  telah  banyak  dilakukan  oleh  peneliti  sebelumnya  dengan  berbagai  macam metode/model  turbulensi  yang  berbeda  [10][11].  Beberapa  model  turbulensi  yang  banyak  digunakan  dalam menginvestigasi  kinerja  pendinginan  sudu  turbin  gas  antara  lain steady  Reynolds  Average  Navier  Stoke  (RANS), unsteady  RANS,  Detached  Eddy  Simulation  (DES), dan Large  Eddy  Simulation  (LES). Effendy,  dkk.  [12]  melakukan investigasi film cooling pada sudu turbin  yang dipengaruhi oleh perbedaan ketebalan lip dengan  menggunakan  model turbulensi DES SST k-ω. Viswanathan, dkk.[13] melakukan penelitian secara simulasi menggunakan model turbulensi DES untuk  memprediksi  perpindahan  panas  pada internal  cooling  channel .  Model  turbulensi DES memberikan  hasil prediksi  yang  lebih  baik  terkait  dengan  aliran  turbulen  dan  perpindahan  panas  yang  terjadi  pada internal  cooling channel dibandingkan  dengan  menggunakan  model unsteady  RANS. Penelitian  lainnya  yang  identik  yaitu  dilakukan oleh  Jung-ho  Choi  [14]  dengan  model  turbulensi  yang  digunakan  yaitu steady  RANS dan unsteady  DES dengan parameter  yang diamati  yaitu film cooling dan perpindahan panas pada TE yang dipengaruhi oleh adanya penghalang internal, perbedaan geometri lebar slot, ketebalan pressure side dan perbedaan jumlah aliran masa udara pendingin yang melewati  sudu  turbin.  Hasil  penelitian  yang  dilakukan  oleh  Chang-yue,  dkk.[15]  mengungkap  metode LES mampu memberikan hasil prediksi yang baik pada aliran turbulen yang melewati sebuah silinder dibandingkan dengan metode URANS. Sejak  tahun  2010,  Effendy,  dkk.[16]  telah  melakukan  penelitian  dengan  pendekatan  numerik  menggunakan steady dan unsteady  RANS .  Penelitian  yang  dilakukan  membahas  penggunaan  metode  turbulensi DES dalam memprediksi  kinerja  pendinginan TE  cutback pada  sudu  turbin  gas.  Hasil  penelitian  menunjukkan  bahwa  model turbulensi DES memberikan  prediksi  yang  baik  dan  konsisten  dengan  data  hasil  eksperimen  maupun  simulasi  terkait kinerja sistem pendinginan TE sudu turbin gas. Mengacu dari peneliti yang dilakukan oleh Effendy, dkk.[16] tersebut, maka  pada  penelitian  ini  dilakukan  studi  pendekatan  secara  numerik  sistem  pendinginan  pada TE sudu  turbin  gas dengan  metode DES  Spalart-Allmaras  (SA) dengan  parameter  penting  yang  diinvestigasi  seperti discharge  coefficient (C D ), adiabatic film cooling effectiveness  (η aw ), dan shedding frequency (f s ). Selanjutnya hasil penelitian  yang didapat dibandingkan dengan data referensi dari hasil penelitian terdahulu.

## 2. Metode Penelitian
Proses penelitian  ini diawali  dengan  pembuatan desain 3-D untuk  memodelkan  model  eksperimen  yang dilakukan oleh  Martini,  dkk.[17]  dengan  kondisi  eksperimen  yang  dapat  dilihat  pada  tabel  1.  Geometri  dari  spesimen  uji  dan meshing yang digunakan pada proses simulasi mengadopsi dari penelitian yang telah dilakukan oleh Effendy, dkk. [16] seperti  telihat  pada  tabel  2.  Gambar  1  menampilkan  domain  komputasi  disertai  dengan  kondisi  batas  aliran.  Bagian cooling slot memiliki lebar 12 mm dengan jarak pitch ( S ) 12 mm, pada lorong pendingin terdapat 5 baris susunan pin- fins di  zona L 1 dengan  sudut  kemiringan  ( α= 10 o ).  Diameter pin-fin ( D )  dan  tinggi cooling-slot (H)  memiliki  dimensi yang  sama,  yaitu  4,8  mm.  Jarak pin-fin ke  arah spanwise ( S )  adalah  2.5D  dan  jarak  ke  arah streamwise ( S x )  adalah 2.167D,  sehingga  membentuk equilateral  triangles .  Semua  geometri  dan  kondisi  batasnya  mengacu  pada  konsorsium manufaktur turbin gas agar sesuai dengan aplikasi di dunia engineering . Untuk meshing spesimen uji dapat dilihat pada gambar 2.
Tabel 1 . Kondisi eksperimen Martini, dkk. Mainstream flow Coolant flow Re hg = 250.000
T c’ , L 2 exit = 295 – 330 K Ma hg = 0,125
T c , L 1 inlet = 293 K u hg = 56 m/s
Tu c = 5%
Tu hg = 7% M             = 0,2 – 1,25 T hg = 500 K P hg = 105 kPa
Tabel 2 . Geometri domain simulasi Dimensi Ukuran (dalam mm) L1 52 L2 14,4 L3 60 S 12 Sx 10,4
t
H D α 4,8 4,8 4,8 10 o
Domain 3 dimensi Pandangan x-y Pandangan x-z
Gambar 1. Spesimen uji
Gambar 2. Meshing

## 3. Hasil dan Pembahasan
Simulasi  sistem  pendinginan TE pada  sudu  turbin  gas  dengan  mengaplikasikan  model  turbulensi DES-SA telah berhasil  mengidentifikasi discharge  coefficient  (C D ),  adiabatic  film  cooling  effectiveness  (η aw ),  dan  shedding  frequency  (f s ) , sebagai tolak ukur kinerja pendinginannya. Ketiga parameter tersebut dapat diuraikan sebagai berikut.

## 3.1 Discharge coefficient (C D )
Gambar  3  menunjukkan  nilai  prediksi  data C D dengan  mengaplikasikan  model  turbulensi DES-SA dibandingkan dengan hasil penelitian terdahulu. Nilai prediksi C D dalam simulasi ini sesuai dengan data eksperimen yang dilakukan oleh peneliti lain [16][17][18], meskipun secara realistik nilainya sedikit di bawahnya. Nilai C D sedikit meningkat pada kisaran 0,56 – 0,58 seiring dengan bertambahnya angka blowing ratio (M) .
Gambar 3. Discharge coefficient
3.2 Adiabatic film cooling effectiveness (η aw )
Gambar 4 menampilkan  prediksi data η aw yang  terjadi  pada adiabatic/protected  wall pada  tiga blowing  ratio yang berbeda. Gambar 4(a) menampilkan η aw hasil simulasi pada M = 0,5. Hasil simulasi konsisten dengan data eksperimen yang dilakukan oleh Martini, dkk.[17][2] dan Effendy, dkk.[16], dimana perbedaan hasil simulasi dengan data peneliti yang lain sebesar 4,7%.
Hasil  simulasi  pada M  = 0,8  ditampilkan  pada  gambar  4(b). “under-prediction” terjadi pada  posisi  x/H  >  4  yang disebabkan  karena  fenomena  percampuran  antara  gas  panas  dan  gas  dingin  di  belakang slot  exit gas  panas  lebih mendominasi terhadap distribusi temperatur yang berada di permukaan adiabatic/protected wall, sehingga berpengaruh terhadap nilai η aw yang dihasilkan. Gambar 4(c) menunjukkan hasil η aw pada M = 1,1 terjadi “ over-prediction” setelah  mencapai x/H > 4. Fenomena ini berkebalikan dengan yang terjadi pada M = 0,8 yaitu percampuran antara gas panas dengan gas dingin di belakang slot  exit gas  dingin  lebih  mendominasi  pada  saat  proses  percampuran  yang  menyebabkan  distribusi  temperatur  pada adiabatic/protected wall mendekati temperatur gas dingin, sehingga nilai η aw yang didapat lebih tinggi dari M = 0,5 dan 0,8.
(a) (b) (c)
Gambar 4. Film cooling effectiveness
3.3 Shedding frequency ( f s ) Gambar 5  menampilkan  perbandingan shedding  frequency ( f s )  yang  terjadi  pada  variasi blowing  ratios M  = 0,5  – 1,1. Untuk mendapatkan nilai f s dipergunakan persamaan fast Fourier transform (FFT), yang mana secara berturut-turut untuk M = 0,5 didapat nilai f s sebesar 2043 Hz, M = 0,8 sebesar 2323 Hz, dan M = 1,1 sebesar 1976 Hz. Selanjutnya dengan  menggunakan  persamaan Strouhal  number ( S t )  hasil  prediksi  untuk dominant  frequencies tersebut  dapat diekspresikan  dengan  nilai S t seperti  terlihat  pada  tabel  3.  Hasil  ini  sesuai  dengan  penelitian  lain  yang  serupa, diantaranya Sieverding, dkk. [19] yang mendapatkan nilai S t = 0,21 pada penelitian dengan mempergunakan sebuah plat pada square trailing-edge . Hasil penelitian yang lain juga ditemukan nilai S t sebesar 0,2 pada fenomena aliran turbulen di sekitar blunt trailing edge [20] .
M = 0,5 M = 0,8 M = 1,1
Gambar 5. Shedding frequency
Tabel 3. Strouhal number Blowing ratio Frekuensi (f n ) Strouhal number ( S t ) 0,5 2043 Hz 0,21 0,8 2323 Hz 0,24 1,1 1976 Hz 0,20

## 4. Kesimpulan
Penelitian  secara  numerik  dengan  mengaplikasikan  model  turbulensi DES-SA telah  berhasil  mengidentifikasi  tiga parameter  penting  untuk  menunjukkan  karakteristik  sistem trailing  edge  cooling pada sudu  turbin  gas  yaitu discharge coefficient  (C D ),  adiabatic  film  cooling  effectiveness  (η aw ),  dan  shedding  frequency  (f s ) .  Nilai C D meningkat  seiring  dengan peningkatan  blowing  ratio  ( M ).  Model  turbulensi DES-SA mampu  dipergunakan  untuk  memberikan  prediksi  data η aw secara akurat pada M = 0,5, sedangkan kemampuan prediksi data pada M = 0,8 dan 1,1 terjadi perbedaan yang lebih besar di daerah dekat trailing edge . Frekuensi aliran vorteks ( f s ) berturut-turut 2043, 2323, dan 1976 Hz untuk masing-masing M = 0,5; 0,8; dan 1,1.

## Daftar Pustaka
[1]  J. Han, “Recent Studies in Turbine Blade Cooling,” Rotating Mach. , vol. 10, no. 6, pp. 443–457, 2004.
[2]  P. Martini, A. Schulz, C. F. Whitney, and E. Lutum, “Experimental and Numerical Investigation of Trailing Edge Film  Cooling  Downstream  of  a  slot  with  Internal  Rib  Arrays,” Proc.  Instn  Mech.  Engrs.,  Part  A ,  vol.  217,  pp. 393–401, 2003.
[3]  L. Tarchi, B. Facchini, S. Zecchi, and S. Stecco, “Experimental Investigation of Innovative Internal Trailing Edge Cooling Configurations with Pentagonal Arrangement and Elliptic Pin Fin,” Intenational J. Rotating Mach. , vol. 2008, pp. 1–10, 2008.
[4]  A.  L.  Brundage  and  M.  W.  Plesniak,  “Experimental  Investigation  of  Airfoil  Trailing  Edge  Heat  Transfer  and
Jamaldi, dkk./ ROTASI, Vol. 21  No. 1  (Januari  2019) Hal. 10-15
Aerodynamic Losses,” J. Exp. Therm. Fluid Sci. , vol. 31, pp. 249–260, 2007.
[5]  B. Facchini, L. Innocenti, L. Tarchi, and E. Sergio, “Pedestal and Endwall Contribution In Heat Transfer In Thin Widge Shaped Trailing Edge,” ASME Pap. No. GT2004-53152 , 2004.
[6]  J.  Krueckels,  M.  Gritsch,  and  M.  Schnieder,  “Design  Considerations  and  Validation  of  Trailing  Edge  Pressure Side Bleed Cooling,” ASME Pap. No. GT2009-59161 , pp. 1–8, 2009.
[7]  C. Liess, “Experimental Investigation of Film Cooling With Ejection From a Row of Holes for the Application to Gas Turbine Blades,” J. Eng. Power , pp. 21–27, 1975.
[8]  T. Horbach, A. Schulz, and H. Bauer, “Trailing Edge Film Cooling of Gas Turbine Airfoils  — External Cooling Performance of Various Internal Pin Fin Configurations,” J. Turbomach. , vol. 133, pp. 1–9, 2011.
[9]  Z. Yang and H. Hu,  “An Experimental Investigation on the Trailing Edge Cooling of Turbine Blades,” Propuls. Power Res. , vol. 1, no. 1, pp. 36–47, 2012.
[10]  U.  Bunge,  C.  Mockett,  and  F.  Thiele,  “Guidelines  for  Implementing  Detached-Eddy  Simulation  using  Different Models,” Aerosp. Sci. Technol. , vol. 11, pp. 376–385, 2007.
[11]  Y. Gao, X. Yan, J. Li, and K. He, “Investigations into Film Cooling and Unsteady Flow Characteristics in A Blade Trailing-Edge Cutback Region,” J. Sci. Technol. , vol. 32, no. 10, pp. 5015–5029, 2018.
[12]  M.  Effendy,  Y.  F.  Yao,  J.  Yao,  and  D.  R.  Marchant,  “DES  Study  of  Blade  Trailing  Edge  Cutback  Cooling Performance with Various Lip-Thicknesses,” Appl. Therm. Eng. , pp. 1–29, 2015.
[13]  A. K. Viswanathan and D. K. Tafti, “Detached Eddy Simulation of Turbulent Flow and Heat Transfer in A Two- Pass Internal Cooling Duct,” Int. J. Heat Fluid Flow , vol. 27, pp. 1–20, 2006.
[14]  J.  Choi,  S.  Mhetras,  J.  Han,  and  S.  C.  Lau,  “Film  Cooling  and  Heat  Transfer  on  Two  Cutback  Trailing  Edge Models With Internal Perforated Blockages,” J. Heat Transf. , vol. 130, no. 1, pp. 1–13, 2008.
[15]  X.  U.  Chang-yue,  C.  Li-wei,  and  L.  U.  Xi-yun,  “Large-Eddy  and  Detached-Eddy  Simulations  of  the  Separated Flow Around A Circular Cylinder*,” J. Hydrodyn. , vol. 19, no. 5, pp. 559–563, 2007.
[16]  M. Effendy, Y. Yao, and D. R. Marchant, “Detached-Eddy Simulation of Trailing-Edge ( TE ) Cutback Turbine Blade Cooling,” MATEC Conf. No. 135 , vol. 8, pp. 1–13, 2017.
[17]  P. Martini, A. Schulz, and S. Wittig, “Experimental and Numerical Investigation of Trailing Edge Film Cooling by Circular Coolant Wall Jets Ejected from A Slot with Internal Rib Arrays,” ASME Pap. No. GT-2003-38157 , pp. 1– 9, 2003.
[18]  T.  Horbach,  A.  Schulz,  and  H.  Joerg  Bauer,  “Trailing  Edge  Film  Cooling  of  Gas  Turbine  Airfoils-Effect  of Ejection Lip Geometry on Film Cooling Effectiveness and Heat Transfer,” Int. Symp. Heat Transf. Gas Turbine Syst. Antalya, Turkey , no. August, 2009.
[19]  C.  H.  Sieverding  and  H.  Heinemann,  “The  Influence  of  Boundary  Layer  State  on  Vortex  Shedding  From  Flat Plates and Turbine Cascades,” J. Turbomach. , vol. 112, pp. 181–187, 1990.
[20]  D. R. Boldman, P. F. Brinich, and M. E. Goldstein, “Vortex Shedding from A Blunt Trailing Edge with Equal and Unequal External Mean Velocities,” J. Flid Mech , vol. 75, no. 4, pp. 721–735, 1976.