## Jurnal Asiimetrik: Jurnal Ilmiah Rekayasa Dan Inovasi
Terakreditasi “ Peringkat 4” oleh Kemenristek/BRIN, Nomor SK: 200/M/KPT/2020 Volume 3 Nomor 1 Tahun 2021, Januari 2021, Halaman 35-42.
Website : http://journal.univpancasila.ac.id/index.php/asiimetrik/
Simulasi Thermal -Struktur Blade Stage Satu Turbin Geothermal
Thermo-Structural Simulation of Stage One Blade Geothermal Turbine
Freddy Marpaung * , Rudias Harmadi dan Arli Guardi PTIP-BPPT, Building 251, Puspitek Serpong, Indonesia

## Informasi artikel
Diterima: 12/11/2020 Direvisi: 08/01/2021 Disetujui: 20/01/2021

## Abstract
Condensing  type  geothermal  turbine  is  a  mechanical  device  that  used  to  convert thermal energy into mechanical energy, then after converted to electrical energy in the  generator  by  the  rotation  of  the  rotor’s  magnetic  field.  Development  of  blade material for geothermal turbine application which using local content is crucial due to the blade’s turbine are 100% imported. So, efforts to produce blade material with high local content are very strategic to support national energy independence in the future. The Agency for the Assessment and Application of Technology (BPPT) started from 2020 until 2023 will focus on the development of the blade material for geothermal turbine application. As a starting point of the research, modelling and virtual testing of the stage-1 blade turbine were performed. In this study, the model is done in CATIAV5 software. Solid model is then imported to ANSYS workbench 15.0. Thermal-Structural analysis  of  turbine  blade  using  the  Stainless  steel-based  alloy  with  the  ANSYS workbench  15.0  was  carried  out.  In  the  thermal  analysis,  the  model  is  given temperature,  convective  heat  flux  transfer  coefficient  and  atmosphere  gas temperature and then is solved for the heat flux distribution over the blade surface. The  obtained  heat  flux  distribution  is  taken  as  the  thermal  load  into  the  Static structural  analysis.  In  the  static  structural,  the  obtained  model  is  given  structural load, namely centrifugal force. The model is then conducted virtual testing in order to obtain stresses and deflections. The results showed that the model of stage one blade turbine is safe when operating at the determined loads.
Keywords: ANSYS, CATIA, turbine blade, stainless steel

## Abstrak
Turbin uap geothermal tipe condensing merupakan salah satu peralatan mekanik yang berfungsi untuk merubah energy panas menjadi energy mekanik, selanjutnya dirubah menjadi  energy  listrik  pada  generator  melalui  rotasi  medan  magnet  rotor. Pengembangan komponen material turbin dengan menggunakan komponen lokal sangat penting  dilakukan  dikarenakan  material  untuk  pembuatan  komponen  turbine  blade tersebut masih 100% import. Sehingga upaya untuk memproduksi material blade turbin geothermal  sangat  strategis  dalam  mendukung  kemandirian  energy  nasional  di  masa yang  akan  datang.  Badan  Pengkajian  dan  Penerapan  Teknologi  (BPPT)  dimulai  sejak tahun ini hingga tahun 2023 akan mengembangkan material turbin PLTP condensing. Sebagai tahap awal dari kegiatan tersebut dilakukan pemodelan dan pengujian virtual beban material turbin stage-1. Dalam studi ini, blade turbin stage-1 dimodelkan dengan menggunakan  software  CATIAV5.  Selanjutnya  model  tersebut  di  import  ke  ANSYS workbench  15.0.  Analysis  thermal  dan  struktur  blade  turbin  berbahan  dasar  baja stainless  steel  dilakukan  dengan  menggunakan  software  ANSYS  15.0.  Pada  analisa thermal,  model  diberikan  temperatur,  koefisien  perpindahan  panas  konvektif,  dan temperatur lingkungan untuk selanjutnya diperoleh distribusi heat flux pada permukaan blade.  Distribusi  heat  flux  yang  diperoleh  digunakan  sebagai  beban  thermal  pada analisa struktur statis. Dalam struktur statis, model diberikan beban struktur yaitu gaya sentrifugal. Model tersebut kemudian diuji secara virtual untuk mengetahui tegangan dan  deformasi  yang  terjadi.  Dari  hasil  analysis  diperoleh  gambaran  bahwa  model material  blade  stage  1  bekerja  dengan  aman  ketika  dioperasikan  pada  kondisi pembebanan yang telah ditentukan.
Kata Kunci: ANSYS, CATIA, turbine blade, stainless steel.
* Penulis Korespondensi. Tel: -; Handphone: +62 813 8048 0989 email : freddy.marpaung@bppt.go.id

## 1. PENDAHULUAN
Dewasa  ini  kebutuhan  energi  listrik meningkat  secara  eksponensial  dikarenakan peningkatan  jumlah  populasi,  pertumbuhan ekonomi  dan  meningkatnya  kebutuhan kendaraan.  Hingga  saat  ini  sumber pembangkit  listrik  masih  didominasi  oleh bahan  bakar  fosil  (minyak,  gas  alam  dan batubara), diikuti oleh renewable energy dan nuklir (Robert, 2021). Dimana apabila kondisi ini tidak dikendalikan maka akan menyebabkan  cadangan  sumberdaya  alam non-renewable  semakin  menipis  yang diperkirakan akan bertahan sekitar 100 tahun dari sekarang (World Energy Council, 2016). Dalam  memenuhi  kebutuhan  listrik  global, banyak  usaha  telah  dilakukan  oleh  para ilmuwan diseluruh dunia
dalam pengembangan  sumber  energy  terbarukan seperti pembangkit panas bumi, hydropower, tenaga  angin,  dan  lain-lain.  Pengembangan energy  terbarukan  menarik  perhatian dikarenakan
berpotensi
menurunkan pemakaian bahan bakar fosil serta mengurangi  bahaya  yang  ditimbulkan terhadap lingkungan.
Indonesia sebagai Negara yang memiliki banyak  gunung  berapi  aktif  yang  tersebar mulai  dari  Sumatera,  Jawa,  Bali,  Sulawesi and  Maluku.  Dengan  potensi  cadangan sebesar  28,91  GW  energy  geothermal menjadikannya  menarik  sebagai  sumber energy untuk meningkatkan kapasitas listrik nasional  (Pambudi,  2018).  Salah  satu tantangan yang menjadi perhatian dari para peneliti  di  Indonesia  saat  ini  adalah pengembangan  komponen-komponen  turbin geothermal  seperti  blade,  rotor  dan  stator yang umumnya masih import dari luar negeri. Oleh  karena  itu  riset  pengembangan teknologi  material  blade  turbin  penting untuk dikuasai agar
mengurangi ketergantungan dari luar negeri.
Umumnya dalam pengembangan material  blade  turbin,  langkah  awal  yang dilakukan  alah  proses  design  dari  material turbin  dan  pengujian  melalui  simulasi pembebanan yang akan diterima oleh turbin untuk  memastikan  bahwa  material  yang didesain  tersebut  aman  ketika  dioperasikan
pada kondisi operasi yang ditentukan (Eugene dan Prescott, 2021). Suatu desain yang baik pada  turbin  blade  terdiri  dari  penentuan beban  steady  yang  bekerja  pada  blade  dan tegangan  yang  diakibatkannya,  penentuan beban  steady  dikarenakan  interaksi  flow pada  masing-masing  stage,  penentuan karakteristik  geometri  dari  analisis  dinamik gas,  penentuan  frekuensi  natural  dan  mode shapes,  penentuan  beban  dinamis  dan estimasi  umur  berdasarkan  teori  fatik kerusakan  kumulatif  (Soares,  2014).Studi analisis thermal dan uji statis menggunakan software  ANSYS  dilakukan  pada  tiga  jenis material  blade  untuk  aplikasi  turbin  uap, yaitu material haste alloy , baja chrome, dan baja  inconel  600  (Alekhya,  2018).Dari  studi tersebut  disimpulkan  bahwa  material haste alloy merupakan  yang  paling  tepat  untuk aplikasi  blade  turbin  uap  dikarenakan material  tersebut  memiliki  deformasi  dan tegangan terendah untuk beban thermal dan struktur  yang  sama  dibandingkan  dengan jenis material lainnya. Selain itu haste alloy tersebut menunjukkan distribusi temperature dan heat flux yang lebih tinggi. Studi  sejenis  juga  dilakukan  dengan membandingkan  tiga  jenis  material  blade turbin  uap,  yaitu  paduan  titanium,  paduan nikel  dan  paduan  aluminium.  Dimana permukaan  blade  ditambahkan  lubang- lubang  berukuran  0.5  mm  yang  dilapisi dengan  material  tahan  temperature  tinggi. Selanjutnya beban steady state thermal dan beban  statis  diberikan.  Hasil  studi  tersebut menunjukkan bahwa material blade berbasis titanium  lebih  superior  dibandingkan  yang lainnya.  Selain  itu  penambahan  lubang- lubang pada permukaan blade efektif untuk mengurangi  panas  disipasi  (Devarmani  and Ramesh, 2018)
Pada  studi  ini  fokus  kajian  yang dilakukan adalah simulasi pembebanan blade turbin  stage  1  menggunakan  material  baja stainless 420, lingkup analisa yang dilakukan adalah  analisis steady  state  thermal dan static  structural dengan  menggunakan software ANSYS 15.0. Pengujian virtual pada artikel  ini  digunakan  untuk  memperoleh informasi  terkait  dengan  perilaku  model blade yang  di  desain  dikondisikan bekerja
pada  beban  thermal  dan  struktur  yang ditentukan.

## 2. METODOLOGI

## Perhitungan Beban
Pendekatan  yang  dilakukan  dalam melakukan  perhitungan  beban  sebagai berikut (Durga dan Sai, 2015):
𝐹 = 𝑚𝑟𝜔 ! (1)
Dimana: F   : Gaya sentrifugal (N) m  : massa blade (kg) r  : Jari-jari blade (m) ω : Kecepatan angular
Misalkan  diambil  segment  terkecil  dari massa  blade  ( δ m)  memiliki  lebar  ( δ r)  pada jarak r dari pusat rotor disc (lihat gambar 1), maka  persamaan  gaya  sentrifugal  pada segmen kecil ini menjadi:
𝛿𝐹 = 𝛿𝑚𝑟𝜔 ! (2)
Blade memiliki penampang melintang A (mm 2 ) dan massa jenis ρ (kg/mm 3 ) sehingga kita  dapat  menulis  massa  dari  elemen tersebut sebagai berikut:
𝛿𝑚 =  𝜌𝐴𝛿𝑟                                    (3)
Dimana:-
ρ : massa jenis (kg/m 3 ) A  : luas permukaan blade (m 2 )
Sehingga  Persamaan  2  dapat  ditulis sebagai berikut:
𝛿𝐹 = ( ρ A δ r)𝑟𝜔 !
𝛿𝐹 = ( ρ A 𝜔 ! )r δ r F = ρ A ω 2 ∫ 𝑟𝑑𝑟 "! "# (4)

## Kondisi Operasi Turbin
Turbin blade stage 1 kelompokkan atas dua  bagian  yaitu  pada  sisi  inlet  dan  outlet. Pada  sisi  inlet,  temperature  174,1 ° C, tekanan  6,09  bara,  sementara  pada  sisi outlet  tekanan  sebesar  0,15  bara  dan temperature  lingkungan  49,5 ° C.  Jumlah blade  pada  stage  1  sebanyak  114  buah. Turbin dioperasikan pada 6477 RPM.
Gambar 1. Penyederhanaan dimensi blade (Durga dan Sai, 2015)

## Sifat-Sifat Material
Dalam  pemodelan  blade  digunakan material  baja  (SS  420)  dengan  spesifikasi ditunjukkan pada Tabel 1.
Tabel 1. Material properties blade stage 1 (Durga dan Sai, 2015)

## Prosedur Analisis di ANSYS
Komponen  blade  turbine  stage  1  di desain  dengan  menggunakan  software CATIA  workbench selanjutnya  diimport kedalam ANSYS  workbench dengan memilih  modul steady  state  thermal analysis .  Selanjutnya  beban  thermal tersebut diimport  ke dalam modul Static structural .  Prosedur  seperti  ini  lebih dikenal  dengan  istilah  analisa  struktur thermal  dua-phasa  ( Two-Phase  Coupled
Thermal-Structural
Analysis ).
Mekanisme  tahapan  prosedur  di  Ansys dijelaskan pada gambar 2.
No Parameter Nilai Satuan 1 Density 7850 kg/m 3 2 Modulus Young 200 Gpa 3 Poisson's ratio 0,3 4 Yield strength ( σ y) 760 Mpa 5 Kekuatan tarik ( σ u) 930 MPa 6 Koefisien film konveksi 0,0025 W/mm 2 ° C 7 Konduktivitas thermal 22 W/mK 8 Kapasitas panas spesifik 460 J/kgK
Ø Material properties Ø Create atau import geometri Ø Model ( apply meshing ) Ø Setup (Boundary conditions)
Ø Solution
Ø Results
Gambar 2. Prosedur analisis pada Ansys

## Steady State Thermal Analysis
Analisis  Steady  State  Thermal  Analysis SSTA),  ( ∂ T/ ∂ t  =  0)  digunakan  untuk menghitung  pengaruh  dari  beban  thermal pada  system  atau  komponen  pada  periode waktu  tertentu  dapat  ditiadakan.  Modul  ini digunakan  untuk  menentukan  temperature, gradient  temperature, laju aliran panas dan heat  flux  dalam  suatu  objek  yang  tidak berpengaruh  terhadap  waktu  (Bhargav  dkk, 2017). Proses meshing blade stage 1 adalah 41148  Nodes,  elements  23313  seperti  pada gambar 3.
Gambar 3 . Meshing blade stage 1

## Static Structural Analysis
Static Structural Analysis (SSA)
digunakan  untuk  menghitung  tegangan, displacement,  regangan  ( strain )  dan  gaya
dalam struktur yang diakibatkan oleh beban yang  tidak  menginduksi  efek  inersia  dan damping  yang  signifikan.  Beban  steady  dan dan  respon  struktur  diasumsikan  berubah secara  perlahan  terhadap  waktu.  Dalam simulasi ini jenis beban yang diberikan adalah tekanan yang diterima oleh blade .
Boundary  condition  untuk  steady  state thermal analysis
Simulasi  perpindahan  panas  konveksi umumnya  sangat  tergantung  terhadap mekanisme  konveksi  apakah  bersifat  alami atau  akibat  adanya driving  force dari  luar.
Pada  perpindahan  panas  konveksi  bersifat alami perpindahan panas terjadi dikarenakan adanya  perbedaan specific  gravity antara fluida  yang  panas  dengan  air.  Sementara dalam  artikel  ini  menggunakan forced convection yaitu  fluida  panas  ( steam ) bertekanan dialirkan mengelilingi permukaan blade seperti pada gambar 4.
Koefisien forced  convection sangat bergantung pada jenis medium seperti udara, uap,  air,  oli  yang  mengelilingi solid  body . Pada  simulasi  ini  dimodelkan temperature surface sebesar  (T surface )  sebesar  174°C, Temperatur  ambient  49,5°C  dan  koefisien film  (h)  sebesar  0,0025  W/mm 2 °C.  Berikut persamaan yang digunakan dalam menentukan convective heat flux :
Q  =  h A (Tsurf − Tambient)              (4)
Dimana: Q : Convective heat flux (W/m 2 ) h : film coefficient
A : Surface area
Gambar 4. Boundary condition untuk kondisi steady state thermal
Boundary  condition  untuk
Static structural analysis
Dalam  analisis  statis  ini  permukaan bagian  bawah  menjadi fixed  support setelah tekanan diberikan pada permukaan blade seperti yang
ditunjukkan pada gambar 5.
Gambar 5. Boundary condition pada static structural

## Diagram Alir Simulasi
Diagram  alir  simulasi  pengujian virtual  dengan  menggukanan  ANSYS R15.0  ditunjukkan pada gambar 6.
Gambar 6. Diagram alir simulasi

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN

## Kondisi Steady State Thermal
Pada  simulasi  perpindahan  panas dengan menggunakan perangkat software  ANSYS  modul Steady    State
Thermal  analysis .  Data  yang  diperoleh adalah heat  flux dan  distribusi temperature  pada  permukaan blade .
Heat  flux didefinisikan  sebagai  laju transfer  energy panas  melalui  suatu permukaan dan keluar melalui permukaan yang lain.
Gambar 7. Directional heat flux
Heat  flux  juga  dapat  digambarkan sebagai  vector  dan  dapat  diplotkan menggunakan panah (Gambar 7).  Heat flux bersifat tangential terhadap permukaan luar dari  solid  body  (material  blade),  hal  ini mengindikasikan  bahwa  arah  aliran  panas akan  menuju  permukaan  temperature  yang lebih rendah, sesuai dengan Gambar 8.
Gambar 8. Total heat flux
Mulai Geometri  model, properties material , pembebanan dan constraint

## Desain blade sesuai dengan geometri  blade stage satu
Input properties pada sub menu edit material

## Input fixed support
Input loading dan constraint pada modul SSTA (temperatur steam masuk, koefisien film dan temperatur lingkungan). Pada modul SSA menggunakan calculated centrifugal force .

## Meshing pada menu mesh
Pemulihan solution information pada menu result option
Running simulasi
Post processing
Kesimpulan
Selesai
Pada Gambar 7 dapat dilihat besar heat flux pada arah sumbu X, dimana directional heat  flux  tertinggi  sebesar  1.4696  W/mm 2 dan directional heat flux terendah sebesar - 0.3817 W/mm 2 . Sementara untuk total heat flux  tertinggi  sebesar  1.7652  W/mm 2 dan terendah sebesar 0,010757 W/mm 2 .  Gambar 9 menunjukkan profil distribusi temperature permukaan blade untuk kondisi steady state, sehingga temperature tertinggi terjadi pada permukaan sisi inlet dari blade stage 1 yaitu sebesar  174°C,  kemudian  mencapai  kondisi kesetimbangan pada temperatur 52.2°C.
Gambar 9. Distribusi temperatur
Temperatur  kesetimbangan  merupakan suatu  kondisi  dimana  temperature  system sama  dengan temperature lingkungan. Temperatur  akhir  hasil  simulasi  virtual tersebut  mendekati  kondisi  operasi  aktual turbin uap geothermal yaitu sebesar 49,5°C.
Analisa Static Structural
Pada  simulasi static  structural dengan menggunakan  beban  thermal  dari  modul Steady  State  Thermal Analysis  dan  beban pressure dari uap pada sisi inlet permukaan blade. Equivalent von-Missess stress digunakan  untuk  memperkirakan  kriteria kegagalan luluh pada materil yang ulet serta banyak  juga  digunakan  dalam  perhitungan kekuatan fatik {Mises' Criterion, #22}.
Pada  Gambar  10  dapat  dilihat  bahwa tegangan maksimum (equivalent stress) yang diterima  blade  stage  1  adalah  34.374  MPa.
Tegangan  tersebut  jauh  dibawah  allowable stress  (760  MPa).  Demikian  halnya  dengan tegangan geser ( shear stress ) yang diterima oleh  permukaan  blade  turbin  tersebut sebesar  19.282  MPa  (Maksimum),  nilai tegangan  geser  tersebut  juga  jauh  dibawah criteria luluh Tresca {Mises' Criterion, #22}.
Gambar 10. Equivalent stress pada blade stage 1
Gambar 11. Shear stress pada blade stage 1
Pada  gambar  12  diatas  dapat  dilihat safety  factor  material  blade  pada  model pembebanan  tersebut.  Besarnya  safety factor  adalah  15,  mengindikasikan  bahwa dengan  model  blade  tersebut  dan  kondisi operasi  yang  telah  ditentukan,  material tersebut akan bekerja dengan aman. Hal ini juga  didukung  dengan  data  deformasi  von misses  (Gambar  13)  yang  terjadi  sangat rendah yaitu sebesar 0.019385 mm.
Gambar 12. Safety factor blade stage 1
Gambar 13. Total deformation blade stage 1

## 4. SIMPULAN
Sifat  mekanik  stainless  steel  yang  baik seperti  kekuatan  yang  tinggi,  tahan  korosi dan  temperature  tinggi  yang  menjadikan dasar pemilihan material ini untuk digunakan sebagai model turbin uap geothermal. Ketika beban  sebesar  38916.7  N  diberikan  pada turbin  blade  stage  1  maka  tegangan  von- Mises  dan  deformasi  von-Mises  diperoleh. Selain  itu  juga  diperoleh  tegangan  geser maksimum  dan  safety  factor.  Tegangan  von misses  dan  tegangan  geser  maksimum  yang terjadi  adalah  34.374  MPa  dan  19.282  MPa. Besarnya  deformasi  yang  terjadi  adalah 0.019385 mm (maksimum). Dengan mempertimbangkan  hasil  simulasi  ini,  maka
blade yang terbuat dari SS 420 diperkirakan akan aman ketika dioperasikan pada kondisi operasi  tersebut.  Hal  ini  dikarenakan tegangan kerja jauh lebih kecil dibandingkan dengan  allowable  stress  dari  material tersebut.

## DAFTAR PUSTAKA
Alekhya, S. P. (2018) ‘Modeling And Analysis of  Steam  Turbine  Blade’, International Journal  of  Advance  Engineering  and Research Development , 5(04).
Bhargav,  R. et  al. (2017)  ‘Structural  and Thermal Analysis of Steam Turbine Blade Using FEM’. Available at: https://www.semanticscholar.org/pape r/Structural-and-Thermal-Analysis-of- Steam-Turbine-
Bhargav/5beee9faa689e8c3ef7c5eb63af 951372db61d10.
Devarmani,  R.  S.  and  Ramesh,  K.  (2018) ‘Design  and  Thermal  Analysis  of  Steam Turbine  Blade’, International  Research Journal  of  Engineering  and  Technology (IRJET) , 5(8), pp. 1644–1650.
Durga, K. S. N. and SAI, D. (2015) ‘Design and
Analysis  of  Steam  Turbine  Blade  using FEA’, international journal of scientific engineering  and  technology  research (ijsetr) , 4(29), pp. 5661–5665. Eugene, A. C. and Prescott, E. (2021) Steam Turbine  Blade  Reverse  Engineering, Upgrade and Structural Design . Available at: https://www.powermag.com/steam- turbine-blade-reverse-engineering- upgrade-and-structural-design (Accessed: 10 January 2021). Pambudi,  N.  A.  (2018)  ‘Geothermal  power generation  in  Indonesia,  a  country within  the  ring  of  fire:  Current  status, future  development  and  policy’, Renewable  and  Sustainable  Energy Reviews ,  81,  pp.  2893–2901.  doi: https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.06 .096. Robert, H. W. (2021) Fossil Energy . Available at: https://iiasa.ac.at/web/home/researc h/Flagship-Projects/Global-Energy- Assessment/GEA_Chapter12_fossils_low res (Accessed: 10 January 2021). Soares, C. (2014) Gas Turbines: A Handbook of  Air,  Land  and  Sea  Applications . Edited by Butterworth-Heinemann. USA: Elsevier Science & Technology Books. World Energy Council (2016) World Energy
Resources  2016 , World  Energy  Council . Available at: https://www.worldenergy.org/publicat ions/entry/world-energy-resources- 2016 (Accessed: 12 October 2020).