## ANALISA SIMULASI DISTRIBUSI TEMPERATUR DAN TEKANAN MENGGUNAKAN APLIKASI ANSYS 15.0 PADA RUANG BAKAR TURBIN GAS UNTUK MENGETAHUI TINGKAT KEADAAN
Jeffry 1* , Ikhwansyah Isranuri 2 , M. Sabri 3 , Syahrul Abda 4 , Marragi M 5 1,2,3,4,5 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara
Email: 24jeffryx4@gmail.com

## Abstract
This  research  was  conducted  to  determine  the  conditions  in  the  combustion  chamber  of  a  gas turbine  type  Silo  Chamber  and  the  distribution  of  temperature  and  pressure  in  it  using  ANSYS simulation. The data entered in the form of 8.5 bar compressed air and temperature of 722 K, and fuel in the form of natural gas (CH4) with an inlet velocity of 20 m / s and a temperature of 300 K. The  result  is  the  highest  temperature,  pressure,  and  velocity  of  air  flow  in  the  middle  of  the combustion chamber where at an interval of 5 <y < 7 m from the main axis.
Keywords : Temperature and Pressure Distribution, Silo Combustion Chamber, ANSYS 15.0

## Abstrak
Penelitian  ini  dilakukan  untuk  mengetahui  kondisi  di  dalam  ruang  bakar  turbin  gas  jenis Silo Chamber dan pendistribusian temperatur dan tekanan di dalamnya dengan menggunakan simulasi ANSYS. Data yang dimasukkan berupa udara kompresi bertekanan 8.5 bar dan temperatur 722 K, serta bahan bakar berupa gas alam (CH 4 ) dengan kecepatan masuk 20 m/s dan temperatur 300 K. Hasilnya  adalah  temperatur,  tekanan,  dan  kecepatan  aliran  udara  ( velocity )  tertinggi  berada  di tengah ruang bakar dimana pada posisi interval 5 < y < 7 m dari sumbu utama.
Kata kunci : Distribusi temperatur dan tekanan, Silo Combustion Chamber , ANSYS 15.

## I. PENDAHULUAN
Semakin bertambahnya jumlah penduduk berarti semakin bertambah pula kebutuhan akan  energi  listrik.  Salah  satu  solusi  untuk  memecahkannya  yaitu  dengan  membangun PLN  (Perusahaan  Listrik  Negara)  sebagai  penyedia  energi  listrik.  Namun,  untuk  dapat memenuhi  kebutuhan  listrik  negara,  PLN  juga  harus  dengan  cermat  memantau  kondisi dari alat pembangkit listrik yang dalam hal ini adalah turbin gas. Hal ini dapat dilakukan dengan  cara  analisa  terhadap  kondisi  di  dalam  ruang  bakar  ( combustion  chamber )  dari turbin gas. Dengan menggunakan software ANSYS, kondisi di dalam ruang bakar dapat disimulasikan  dan  dianalisa  temperatur,  tekanan,  dan  kecepatan  aliran  udara  ( velocity ) dengan akurat.
II. TEORI DASAR

## 2.1 Turbin Gas
Turbin gas adalah suatu alat yang memanfaatkan gas sebagai fluida untuk memutar turbin dengan memanfaatkan kompresor dan mesin pembakaran internal. Di dalam turbin gas, energi kinetik dikonversikan menjadi energi mekanik melalui udara bertekanan yang memutar  sudu  turbin  sehingga  menghasilkan  daya.  Sistem  turbin  gas  terdiri  dari  tiga komponen utama, yaitu kompresor, ruang bakar, dan turbin.
Secara umum proses yang terjadi pada suatu sistem turbin gas adalah sebagai berikut:
a. Pemampatan ( compression ) udara di hisap dan dimampatkan.
b. Pembakaran ( combustion ) bahan bakar dicampurkan ke dalam ruang bakar dengan udara kemudian di bakar.
c. Pemuaian ( expansion ) gas hasil pembakaran memuai dan mengalir ke luar melalui nozel ( nozzle ).
d. Pembuangan gas ( exhaust ) gas hasil pembakaran dikeluarkan lewat saluran pembuangan.
Gambar 2.1 Diagram P-V dan T-S Turbin Gas Ideal

## 2.2 Combustion Chamber
Combustion  Chamber atau combustor juga  dikenal  sebagai burner ,  ruang pembakaran  atau  pemegang  api.  Dalam  mesin  turbin  gas,  ruang  bakar  ( combustor atau combustion  chamber )  diumpankan  oleh  udara  bertekanan  tinggi  dari  sistem  kompresi. Combustor kemudian  memanaskan  udara  ini  pada  tekanan  konstan.  Setelah  pemanasan, udara  melewati  dari  ruang  bakar  melalui  panduan  baling-baling  nozel  untuk  turbin. Fungsi ruang bakar adalah untuk mengubah energi tekanan menjadi energi panas melalui proses pembakaran.

## Silo Combustion Chamber
Ruang pembakaran silo untuk turbin gas yang memiliki tabung api, dinding dalam, tabung  api,  dinding  luar  yang  mengelilingi  dinding  bagian  dalam,  dan  sejumlah  rongga untuk  jalur  suplai  fluida,  sejumlah  pembakar  yang  masing-masing  terbuka  ke  ruang pembakaran melalui  lubang  tabung  api. Silo  combustion  chamber digunakan  pada  skala industri  besar.  Biasanya  terdiri  dari  2  buah  pada  sebuah  unit  turbin  gas.  Pada silo combustion chamber biasanya terdapat 6 atau 8 pembakar di dalamnya.

## Gambar 2.2 Silo Combustor
Pasokan oksigen terhubung secara fluida ke ruang annular . Desain silo combustion chamber yang sederhana ini memudahkan untuk dilakukan perawatan ( maintenance ). Di dalam  dinding  ruang  bakarnya  dipasang  keramik-keramik  persegi  panjang  untuk memperlambat perpindahan panas ke luar chamber . Udara panas hasil pembakaran akan langsung  menuju  nosel  turbin. Silo  combustion  chamber memiliki  ukuran  yang  paling besar di antara semua jenis combustion chamber
.
2.3 ANSYS Workbench
ANSYS  Workbench  adalah  salah  satu  perangkat  lunak  berbasiskan  metode  elemen hingga  yang  dipakai  untuk  menganalisa  masalah-masalah  rekayasa  ( engineering ). ANSYS  Workbench  menyediakan  fasilitas  untuk  berinteraksi  antar  solvers  famili ANSYS.  ANSYS  Workbench  juga  dapat  berintegrasi  dengan  perangkat  lunak  CAD sehingga  memudahkan  pengguna  dalam  membangun  model  geometri  dengan  berbagai perangkat lunak CAD.
Gambar 2.3 ANSYS Workbench
ANSYS Workbench berisi beberapa fasilitas, di antaranya:
1. Mechanical , untuk analisa struktur (statik) dan thermal (perpindahan panas)
2. Fluid  Flow ,  yang  terdiri  dari  ANSYS  CFX  dan Fluent ,  untuk  analisa  CFD ( computational fluid dynamics ).
3. Engineering Data , sebagai database material lengkap dengan propertiesnya.
4. Design  Modeler ,  digunakan  untuk  membangun  geometri  model  yang  akan  dianalisa.
Juga dapat digunakan untuk memodiifikasi hasil gambar dari perangkat lunak CAD.
5. Meshing  Application ,  fasilitas  untuk  “meshing”  baik  pada  CFD  maupun Explicit Dynamics .
6. BladeGen , untuk membangun geometri blade, seperti fan, blower, sudu turbin dan lain- lain.
dasar mekanika fluida, konservasi energi, momentum, massa, serta species, penghitungan dengan CFD dapat dilakukan. Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi  CFD  adalah  dengan  kontrol-kontrol  penghitungan  yang  telah  dilakukan  maka kontrol  penghitungan  tersebut  akan  dilibatkan  dengan  memanfaatkan  persamaan- persamaan yang terlibat. Persamaan-persamaan ini adalah persamaan yang dibangkitkan dengan  memasukkan  parameter  apa  saja  yang  terlibat  dalam  domain.  Misalnya  ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan  energi  atau  konservasi  dari  energi  tersebut.  Inisialisasi  awal  dari  persamaan adalah boundary  condition . Boundary  condition adalah  kondisi  dimana  kontrol-kontrol perhitungan  didefinisikan  sebagi  definisi  awal  yang  akan  dilibatkan  ke  kontrol-kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat.

## III. METODE PENELITIAN
3.1 Pre Processing
a. Desain
Pendesainan combustion  chamber menggunakan software Solidworks  2011. Kemudian model di export ke software ANSYS Workbench 15.0.
Gambar 3.1 Model Silo Combustion Chamber b.  Input Data
Masuknya udara hasil kompresi melalui 8 saluran udara di atas combustion chamber memiliki tekanan rata-rata 8.5 bar dan temperatur rata-rata 722 K. Udara hasil kompresi ini memiliki komposisi yang terdiri dari N 2 76.7% dan O 2 23.3%.
Gambar 3.2 Saluran Masuk Udara Kompresi
Bahan  bakar  dengan  komposisi Natural  Gas (CH 4 )  masuk  melalui  8  saluran  kecil dengan kecepatan masuk sebesar 20 m/s dan temperatur bahan bakar 300 K.
Gambar 3.3 Saluran Masuk Bahan Bakar
Hasil keluaran pembakaran di dalam combustion chamber digunakan tekanan keluar 8.5  bar.  Hal  ini  sesuai  dengan  prinsip  gas  ideal,  yaitu  tekanan  udara  konstan  selama proses di dalam ruang pembakaran.

## Gambar 3.4 Keluaran Hasil Pembakaran

## 3.2 Post Processing
Hasil  dari  simulasi  menunjukkan  kontur  warna  yang  bervariasi  pada  distribusi temperatur, tekanan, dan velocity .
Gambar 3.5 Hasil Simulasi Temperatur
Gambar 3.6 Hasil Simulasi Tekanan
Gambar 3.7 Hasil Simulasi Velocity

## IV. HASIL & PEMBAHASAN
4.1 Analisa Distribusi Temperatur, Tekanan, dan Velocity
a. Bidang YZ
Pada  bidang  YZ,  dibuat  lima  garis  vertikal  untuk  mendapatkan  representasi  dari distribusi  temperatur,  tekanan,  dan velocity .  Kemudian  dibuatkan  dalam  bentuk  grafik sumbu  Y  terhadap  temperatur,  sumbu  Y  terhadap  tekanan,  dan  sumbu  Y  terhadap velocity .    Temperatur-temperatur  tertinggi  berada  pada  interval  5  <  y  <  7  m.  Tekanan- tekanan tertinggi berada pada interval 5 < y < 7. Velocity tertinggi berada pada interval 4 < y < 6.5.
Gambar 4.1 Lima Garis Vertikal Bidang YZ
Gambar 4.2 Distribusi Temperatur Bidang YZ
Gambar 4.3 Distribusi Tekanan Bidang YZ
Gambar 4.4 Kontur dan Grafik Velocity Bidang YZ
Dari  ketiga  parameter,  yaitu  temperatur,  tekanan,  dan velocity dalam  bidang  YZ menunjukkan  bahwa  temperatur  dan  tekanan  tertinggi  berada  pada  interval  5<y<7  m dengan  temperatur  di  antara  1800  K  sampai  2200  K  dan  tekanan  di  antara  851000  Pa sampai  852000  Pa.  Sedangkan velocity tertinggi  pada  interval  6<y<7  m. Velocity yang tinggi tersebut terjadi bersamaan dengan naiknya temperatur dan tekanan.
b. Bidang XY
Pada  bidang  XY,  dibuat  lima  garis  vertikal  untuk  mendapatkan  representasi  dari distribusi  temperatur.  Kemudian  dibuatkan  dalam  bentuk  grafik  sumbu  Y  terhadap temperatur, sumbu Y terhadap tekanan, dan sumbu Y terhadap velocity .  Temperatur  dan tekanan tertinggi berada pada interval 5 < y < 7 m. Velocity tertinggi berada pada interval 5< y < 6.5 m.
Gambar 4.5 Lima Garis Vertikal Bidang XY
Gambar 4.6 Distribusi Temperatur Bidang XY
Gambar 4.7 Distribusi Tekanan Bidang XY
Gambar 4.8 Kontur dan Grafik Velocity Bidang XY
Bidang  XY  secara  keseluruhan  menunjukkan  bahwa  temperatur  dan  tekanan tertinggi berada pada interval 5<y<7 m. Naik dan turunnya tekanan secara signifikan juga disertai dengan naik dan turunnya temperatur. Velocity tertinggi pada interval 5 <y< 6.5 m. Hal ini terjadi karena zona tersebut berdekatan dengan masuknya kompresi udara dan bahan bakar.
c. Bidang XZ
Pada  bidang  XZ,  dibuat  lima  garis  horizontal  untuk  mendapatkan  representasi  dari distribusi  temperatur.  Kemudian  dibuatkan  dalam  bentuk  grafik  sumbu  Z  terhadap temperatur,  sumbu  Z  terhadap  tekanan,  dan  sumbu  Z  terhadap velocity .      Daerah temperatur    tertinggi  berada  di  zona  garis  biru  dan  oren.  Tidak  terjadi  peningkatan  atau penurunan  tekanan  yang  signifikan.  Jika  dilihat  melalui  kontur  warna,  tekanan  pada bidang  XZ  merata. Velocity di  bidang  XZ  mengalami  peningkatan  4  -  5  m/s  sebelum keluar dari outlet combustion chamber .
Gambar 4.9 Lima Garis Horizontal Bidang XZ
Gambar 4.10 Distribusi Temperatur Bidang XZ
Gambar 4.11 Distribusi Tekanan Bidang XZ
Gambar 4.12 Kontur dan Grafik Velocity Bidang XY

## 4.2 Analisa 10 Titik
Jika  diambil  beberapa  titik  pada  bagian-bagian  tertentu,  dapat  dilihat  besar temperatur, tekanannya, dan velocity .
a. Bidang XY
Gambar 4.13 Sepuluh Titik pada Bidang XY
Tabel 4.1 Data Temperatur, Tekanan, dan Velocity 10 Titik pada Bidang XY
Gambar 4.14 Grafik Temperatur, Tekanan, dan Velocity 10 Titik pada Bidang XY
Pada titik  6, 7,  dan  8  terjadi  kenaikan  dan  penurunan  temperatur  dan  tekanan  yang tidak  sebanding,  dengan  diikuti velocity yang  fluktuatif.  Hal  ini  menunjukkan pendistribusian tekanan yang tidak merata pada daerah tersebut.
b. Bidang YZ
848000 850000 852000 0 5000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Te ka n an (Pa ) Te m p era tu r (K ) Titik Bidang XY Temperatur Tekanan
Gambar 4.15 Sepuluh Titik pada Bidang YZ
Tabel 4.2 Data Temperatur, Tekanan, dan Velocity 10 Titik pada Bidang YZ
Gambar 4.16 Grafik Temperatur, Tekanan, dan Velocity 10 Titik pada Bidang YZ
Pada  bidang  YZ,  terjadi  kenaikan  dan  penurunan  yang  signifikan.  Kenaikan temperatur  juga  diikuti  oleh  kenaikan  tekanan. Velocity mengalami  kenaikan  dan penurunan yang fluktuatif.
c. Bidang XZ
848000 850000 852000 0 5000 1 2 3 4 5 6 7 8 910 Te ka n an (Pa ) Te m p era tu r (K ) Titik Bidang YZ Temperatur Tekanan
Gambar 4.17 Sepuluh Titik pada Bidang XZ
Tabel 4.3 Data Temperatur, Tekanan, dan Velocity 10 Titik pada Bidang XZ
Gambar 4.18  Grafik Temperatur, Tekanan, dan Velocity 10 Titik pada Bidang XZ
Pada  titik  4,  5,  dan  6,  penurunan  tekanan  tidak  diikuti  oleh  penurunan  temperatur. Hal  ini  menunjukkan  pendistribusian  tekanan  yang  tidak  merata  pada  daerah  tersebut. Secara keseluruhan, penurunan temperatur dan tekanan diikuti oleh penurunan velocity .

## 4.3 Analisa Daerah Kritis
Daerah  kritis  adalah  daerah  pada combustion  chamber dimana  terdapat  temperatur yang tinggi (berwarna merah) yang dapat berpengaruh terhadap ketahanan material. Pada hasil  simulasi,  dapat  dilihat  bahwa  daerah  kritis  terdapat  di  tengah  ruang combustion chamber .  Jika  dianalisa  menggunakan  grafik-grafik  di  atas,  maka  daerah  kritis  tersebut berada pada posisi interval 5 < y < 7 m dari sumbu utama.
850011 850012 850013 850014 850015 850016
1400 1450 1500 1 6 Te ka n an (Pa ) Te m p era tu r (K ) Titik Bidang XZ Temperatur Tekanan
Gambar 4.19 Daerah Kritis
Pada  daerah  keluaran  ( outlet ) combustion  chamber ,  terlihat  bahwa  adanya  kontur warna yang berbeda. Hal ini menunjukkan adanya temperatur yang tidak merata. Kondisi seperti ini dapat mempengaruhi putaran pada turbin.
Gambar 4.20 Perbedaan Temperatur pada Outlet
Hasil simulasi ANSYS Workbench 15.0 menampilkan bahwa jangkauan temperatur tertinggi  adalah  24474  K,  temperatur  terendah  adalah  297.567  K,  sedangkan  jangkauan tekanan tertinggi adalah 872.075 Pa dan tekanan terendah adalah 837.254 Pa. Tetapi pada daerah luaran chamber , tidak terdapat kontur berwarna kritis. Temperatur luaran chamber berkisar dari 1100 K sampai 1430 K. Combustion chamber menggunakan material seperti Nimonic 263, SS 309, Hastelloy X, atau Haynes 188. Dengan temperatur tersebut, maka combustion chamber tersebut masih aman untuk digunakan.
Gambar 4.21 Distribusi Temperatur pada Luaran Chamber

## V. KESIMPULAN DAN SARAN

## 5.1 Kesimpulan
Adapun kesimpulan dari penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Daerah  temperatur,  tekanan,  dan velocity tertinggi  pada  bidang  XY,  YZ  berada pada  interval  5  <  y  <  7  m.  Pada  bidang  XZ,  tidak  terjadi  peningkatan  yang signifikan, tetapi velocity meningkat 4 – 5 m/s.
2. Dalam pengambilan 10 titik pada bagian-bagian tertentu di ketiga bidang, secara keseluruhan naiknya temperatur diikuti dengan naiknya tekanan, dengan velocity yang fluktuatif.
3. Daerah  kritis  pada combustion  chamber berada  di  tengah  ruang  chamber  yang berjarak antara 5 sampai 7 m dari sumbu utama.
4. Material yang digunakan pada combustion chamber , yaitu Nimonic 263, SS 309, Hastelloy  X,  atau  Haynes  188  masih  aman  untuk  digunakan  karena pendistribusian  temperatur  pada  luaran chamber masih  di  bawah  titik  leleh material-material tersebut.

## 5.2 Saran
Adapun saran untuk penelitian yang lebih bagus ke depannya adalah sebagai berikut :
1. Disarankan  adanya  penelitian  lebih  lanjut  mengenai  daerah  temperatur  dan tekanan yang fluktuatif pada bidang XY.
2. Disarankan adanya penelitian lebih lanjut mengenai konfigurasi burner terhadap pembakaran yang lebih homogen.

## REFERENSI
Afrian,  Rudy.  2010. Simulasi  Aliran  Udara  3D  Pada  Combustion  Chamber  Engine GE.J47-GE-17 Dengan Menggunakan Software Fluent . Sekolah Tinggi Teknologi Adisutjipto, Yogyakarta.
Arya. Gas Turbine Maintenances (Online) https://arya1984.wordpress.com/2010/02/14/gas-turbine-maintenances/  (diakses  10 Juli 2019)
Cahyo, Nur. 2010. Simulasi Aliran Fluida Dalam Proses Pembakaran Natural Gas Pada Combustion  Chamber .  (Online)  http://eprints.undip.ac.id/24522/1/L2E004424.pdf
(diakses 12 Juli 2019)
James, Akash. Gas Turbine Combustion Chamber . (Online)
https://www.rajagiritech.ac.in/Home/mech/Course_Content/Semester%20IV/ME% 20204%20Thermal%20Engineering/Module%206.pdf (diakses 14 Juli 2019)