## SIMULASI VIBRASI BERBASIS METODE ELEMEN HINGGA MENGGUNAKAN SOFTWARE ANSYS UNTUK MENGIDENTIFIKASI KONDISI PADA SUDU KOMPRESOR TURBIN GAS SIEMENS V 94.2 SEBAGAI PEMBANGKIT LISTRIK
Ikhwansyah Isranuri, Muhammad Asroh Hasibuan Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Muhammad.asroh29@gmail.com

## ABSTRAK
Vibrasi memiliki banyak pengaruh dalam proses permesinan, analisis getaran digunakan sebagai alat diagnostic untuk memperkirakan kondisi dan kerasukan suatu komponen. Penelitian ini bertujuan untuk Memproyeksikan deformasi total, regangan elastis normal, tegangan normal yang terjadi pada sudu kompresor dan untuk Menganalisa vibrasi yang terjadi pada sudu kompresor. Dalam penelitian ini digunakan kompresor turbin gas siemens v 94.2 dengan jumlah sudu 16 tingkat. Dalam proses melakukan simulasi menggunakan software ANSYS Workbench 18.1 dan proses design menggunakan software Solidworks 2015 . Dalam proses simulasi digunakan dua kecepatan putar yaitu 3000 rpm dan 5000 rpm dengan pemberian beban dinamis dari tiga sumbu dan di pengaruhi oleh gaya gravitasi. Pemilihan material dari kompresor ini adalah baja, proses design digunakan dalam bentuk solid Dari hasil perbandingan diperoleh total deformation dan normal mengalami kenaikan paling tinggi pada arah vertikal. Hal ini dipengaruhi oleh gaya gravitasi yang terjadi pada kompresor, karena pada arah vertikal pembebanan dilakukan berlawanan dengan gaya gravitasi. Didapatkan juga ketika kecepataan putar dirubah dari 3000 rpm menjadi 5000 rpm, total deformation, normal elastic strain, dan normal stress hampir naik tiga kali lipat.stress mengalami penurunan pada arah vertikal sedangkan normal elastic strain dan kompresor aman dari frekuensi kritis.
Kata  kunci: Simulasi  vibrasi,  Turbin  gas siemens v 94.2, Software ANSYS ,  Kompresor, Frekuensi.

## I. PENDAHULUAN
Seiring  perkembangan  zaman,  jumlah  penduduk  semakin  bertambah  yang  berarti semakin  bertambah  pula  kebutuhan  akan  energi  listrik.  Salah  satu  solusi  untuk  permasalahan tersebut  yaitu  dengan  membangun  PLN  (Perusahaan  Listrik  Negara)  sebagai  penyedia  energi listrik  skala  besar.  Proses  pembangkitan  energi  listrik  dapat  digunakan  dengan  berbagai  cara. Salah satunya pembangkit listrik bertenaga uap.
Turbin gas  merupakan  salah  satu  komponen  pada pembangkit  bertenaga  uap,  didalam turbin gas terbagi lagi dalam beberapa komponen yaitu turbin, kompresor, combustion chamber dan  generator.  Pada  tugas  sarjana  ini  difokuskan  untuk  melakukan  analisa  pada  kompresor. Kondisi dari kompresor sangat berpengaruh terhadap kinerja dari turbin gas karena kompresor berfungsi  untuk  menaikkan  tekanan  udara  sehingga  dapat  memutar  turbin.  Oleh  karena  itu pemantauan kondisi dari kompresor perlu dilakukan untuk mendeteksi keadaan dan kerusakan pada kompresor. Deteksi dini pada kompresor sangat penting untuk mencegah kerusakan yang terjadi dan untuk menjaga kondisi kompresor pada turbin gas.
Analisis  getaran  (vibrasi)  digunakan  sebagai  alat  diagnostik  untuk  memperkirakan kondisi dan kerusakan pada kompresor. Karena kompresor memiliki prinsip kerja rotasi, kondisi dan  kerusakan dapat di deteksi dari frekuensi getaran  yang  terjadi pada kompresor. Frekuensi tersebut  didapatkan  dengan  melakukan  pengukuran  pada  kompresor  yang  dilakukan  setiap bulannya.
Pada tugas sarjana ini proses analisis dilakukan dengan bantuan software ANSYS, yaitu dengan  melakukan  simulasi  getaran  (vibrasi)  dengan  frekuensi  yang  didapatkan  dari pengukuran. Dari simulasi getaran (vibrasi) didapatkan kondisi dan titik terjadinya getaran yang melebihi  batas  izin  getar  sehingga  mempermudah  perawatan  dan  pemantauan  kondisi  dari kompresor.  Kompresor  yang  dipergunakan  pada  tugas  ini  adalah  kompresor  16  tingkat  pada turbin gas siemens v 94.2 yang terdapat pada pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) belawan, sumatera utara.

## II. TINJAUAN PUSTAKA
Kompresor  adalah  mesin  untuk  memampatkan  udara  atau  gas.  Kompresor  udara biasanya  mengisap  udara  dari  atmosfir.  Namun  adapula  yang  mengisap  udara  atau  gas  yang bertekanan lebih tinggi dari tekanan atmosfir. Dalam hal ini kompresor bekerja sebagai penguat ( booster ). Sebaliknya adapula kompresor yang mengisap gas yang bertekanan lebih rendah dari tekanan  atmosfir.  Dalam  hal  ini  kompresor  disebut  pompa  vakum.  Secara  umum  kompresor dibedakan  menjadi  dua  jenis  yaitu  kompresor  perpindahan  positif  dan  kompresor  dinamis. Kompresor  merupakan suatu  alat mekanik yang berfungsi untuk meningkatkan tekanan fluida mampu mampat, yaitu gas atau udara. Adapun tujuan dari meningkatkan tekanan adalah untuk menghasilkan  kebutuhan  tekanan  dalam  suatu  sistem  proses  yang  lebih  besar  (dapat  berupa sistem fisika maupun kimia seperti pengaplikasian kompresor pada turbin di pembangkit listrik)
Getaran adalah suatu peristiwa gerak bolak balik secara teratur suatu benda melalui satu titik seimbang. Karena terjadi dengan teratur, getaran sering juga disebut dengan gerak periodik. Kuat atau lemahnya pergerakan benda tersebut dipengaruhi oleh jumlah energi yang diberikan. Semakin besar energi yang diberikan maka semakin kuat pula getaran yang terjadi. Satu getaran sama dengan satu kali gerakan bolak balik penuh dari benda tersebut
Mechanical Vibration atau  Getaran  Mekanis  merupakan  suatu  istilah  yang kemunculannya telah melalui proses panjang. Untuk memahami getaran mekanis, orang terlebih dahulu  harus  memahami  makna  mekanika  sebagai  cabang  ilmu  pengetahuan,  karena  getaran merupakan salah satu fenomena dari mekanika. Tinjauan sejarah perkembangan mekanika dan getaran tidak lepas dari dua aspek, yaitu hukum alam dan rekayasa. Yang menarik dalam sejarah
hukum  alam  dan  rekayasa,  apabila  kita  fokus  pada  runtuhnya  peradaban  Islam  abad  ke-3, hampir  semua  pakar  mekanika  terlebih  dahulu  membahas  interpretasi  hukum  alam,  aksioma, uraian,  bahkan  rumus  matematika.  Dan  hal  ini  dilakukan  terlebih  dahulu  sebelum  membahas rekayasa, aplikasi, serta hubungan dari masing-masing hukum alam tersebut. Bahkan, tinjauan terhadap hukum alam pada abad ke-3  dilakukan sampai  pada esensi yang paling  dalam,  yaitu filosofi.
Terdapat tiga parameter utama dalam pengukuran vibrasi terhadap sebuah mesin, yaitu : displacement, velocity dan acceleration yang harus diperhatikan sebelum menganalisa penyebab terjadinya vibrasi yang tidak normal.
FEM  adalah  singkatan  dari Finite Element Method ,  dalam  bahasa  Indonesia  disebut Metode  Elemen  Hingga.  Konsep  paling  dasar  FEM  adalah,  menyelesaikan  suatu  problem dengan cara membagi obyek analisa menjadi bagian-bagian kecil yang terhingga. Bagian-bagian kecil  ini  kemudian  dianalisa  dan  hasilnya  digabungkan  kembali  untuk  mendapatkan penyelesaian  untuk  keseluruhan  daerah.  Kata  “ finite atau  terhingga”  digunakan  untuk menekankan  bahwa  bagian-bagian  kecil  tersebut  tidak  tak  terhingga,  seperti  yang  lazim digunakan pada metode integral analitik. Pembuatan mesh atau yg lebih dikenal dengan istilah meshing ,  merupakan  salah  satu  langkah  dalam pre-processing sebuah  simulasi.  Baik  untuk simulasi  struktural  yg  menggunakan Finite Element Method (FEM),  maupun  simulasi  CFD yang  umumnya  menggunakan Finite Volume Method (FVM).  Mesh  ini  sendiri  berguna  untuk membagi  geometry  dari  model  menjadi  banyak  elemen  yang  nantinya  digunakan  oleh  solver untuk membangun volume kontrol
Solidwork  adalah software yang  digunakan  untuk  membuat  desain  produk  yang sederhana  hingga  yang  kompleks  seperti  roda  gigi, cashing handphone ,  mesin  mobil  dan sebagainya. Solidwork menyediakan feature based , parametric solid modeling . Feature based dan parametric ini yang akan sangat mempermudah dalam membuat model 3D. Karena hal ini membuat  kita  sebagai  user  bisa  membuat  model  sesuai  dengan  intuisi  kita.  Solidwork simulation memungkinkan anda untuk melakukan uji produk sebelum mulai dibuat, membantu mencegah  kesalahan  lebih  awal  pada  proses  desain.  Aplikasi  ini  sangat  berguna  untuk  analis FEA,  namun  cukup  mudah  untuk  designers  produk.  Solidwork  simulation  bahkan  bisa membantu anda untuk mengoptimalkan kinerja dan biaya desain anda dengan maksimal. Tidak perlu  menunggu  sampai  produk  dibuat  untuk  melakukan  tes,  atau  membuat  berbagai  macam prototipe.
ANSYS  adalah  program  paket  yang  dapat  memodelkan  elemen  hingga  untuk menyelesaikan  masalah  yang  berhubungan  dengan  mekanika,  termasuk  di  dalamnya  masalah
statik, dinamik, analisis struktural (baik linier maupun nonlinier), masalah perpindahan panas, masalah fluida dan juga masalah yang berhubungan dengan akustik dan elektromagnetik.
Gambar 2.1 Proses Simulasi dengan Software ANSYS

## III. METODE PENELITIAN
Tempat penelitian dilakukan di laboratorium Pusat Riset Noise and Vibration Control , Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara. Pada penelitian ini, alat yang digunakan untuk  melakukan  pemodelan  dengan  menggunakan software Solidwork  dan  untuk  melakukan simulasi menggunakan softwar e ANSYS adalah laptop.
Perancangan  kompesor  16  tingkat  ini  didesain  langsung  dalam  bentuk  3D  dengan menggunakan software Solidwork. Solidwork yang digunakan pada pemodelan skripsi ini yaitu solidwork 2015. Sedangkan data dimensi kompresor 16 tingkat siemen v 94.2 didapatkan dari PLTU Belawan, Sumatera Utara.
(a) (b)
Gambar 3.1 (a) Turbin Gas Siemens v 94.2 (b) Gambar Kerja
Turbin Gas Siemens v 94.2
Proses  simulasi  digunakan  menggunakan software ANSYS,  adapun software ANSYS yang  digunakan  peneliti  adalah software ANSYS  18.1.  Proses  simulasi  yang  digunakan  yaitu
simulasi  statik  struktural.  Adapun  proses  simulasi  dilakukan  dengan  Engineering  data,  berisi data  dari  material  yang  digunakan,  karena  material  dari  turbin  gas  siemens  v  94.2  yaitu  baja, selanjutnya  Geometri,  yang  digunakan  pada  peneltitian  ini  adalah  solid.  Meshing  bertujuan untuk membagi komponen komponen dalam bentuk sel sehingga memperjelas hasil komputasi, mempermudah  proses  komputasi,  dan  untuk  membuat  jaring-jaring  atau  ayakan  pada kompresor. Adapun tipe meshing yang peneliti gunakan adalah Coarse (kasar), dengan bentuk tetrahedron dan memiliki panjang sisi paling kecil dengan ukuran 10 mm.
Selanjutya support, bertujuan  untuk  mengekang  atau  tumpuan  pada  kompresor penelitian ini menggunakan displacement support . Salah satu parameter yang peniliti gunakan adalah  memasukkan  gaya  gravitasi  bumi.  Parameter  kecepatan  putar  ( rotational velocity ), kecepatan putar pada kompresor adalah 3000 rpm dan 5000 rpm. Pembebanan yang diberikan adalah pembebanan dinamis dengan memberikan gaya (force) selama 3 detik.
Pada  kecepatan  putar  5000  rpm  nilai  frekuensi  pada  ketiga  sumbu  hasilnya  sama, frekuensi yang dihasilkan adalah 32,816 Hz, 102,66 Hz, 102,95 Hz, 135,36 Hz. Pada kecepatan putar  3000  rpm  nilai  frekuensi  pada  ketiga  sumbu  hasilnya  sama,  frekuensi  yang  dihasilkan adalah 14,632 Hz, 14,885 Hz, 32,758 Hz, 88,602 Hz. Frekuensi kerja pada kecepatan 3000 rpm adalah 50 Hz, frekuensi kerja pada kecepatan 5000 rpm adalah 83,3 Hz.
(a) (b)                                                   (c)
(d)
Gambar 3.2 (a) Proses Design Kompresor dengan Solidwork, (b) Engineering Data,
(b) Hasil Meshing Kompresor, (d) Pembebanan pada Kompresor.
Dari hasil penelitian ini dapat kita lihat pada kecepatan putar 3000 rpm nilai frekuensi natural pada ketiga sumbu hasilnya sama, frekuensi yang dihasilkan adalah 14,632 Hz, 14,885 Hz, 32,758 Hz, 88,602 Hz. Pada kecepatan putar 5000 rpm nilai frekuensi natural pada ketiga sumbu  hasilnya  sama,  frekuensi  yang  dihasilkan  adalah  32,816  Hz,  102,66  Hz,  102,95  Hz,
135,36  Hz.  Frekuensi  kerja  kompresor  pada  kecepatan  3000  rpm  adalah  50  Hz  dan  pada kecepatan 5000 rpm adalah 83,3 Hz sehingga aman dari frekuensi kritis kompresor.

## IV. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pembuatan model 3D kompresor 16 tingkat mempunyai panjang 6800 mm dan diameter tie  road  400  mm.  Dengan  ukuran  terbesar  sudu  berdiameter  2100  mm  dan  sudu  terkecil berdiameter  1800  mm. Hollow shaft terbesar  berdiameter  1500  mm  dan  hollow  shaft  terkecil berdiameter  1200 mm. Desain kompresor 16 tingkat ini memiliki volume 8.549.800.000 mm 3 dan memiliki massa 67.116 kg.
Gambar 4.1 Design 3D Kompresor
(a) (b)
(c)
Gambar 4.2 (a) Total Deformasi (b) Regangan Normal (c) Tegangan Normal pada Arah Horizontal dengan Kecepatan 3000 rpm Tabel 4.1 Hasil Simulasi pada Sudu Kompresor 16 Tingkat Kecepatan putar 3000 rpm Horizontal Vertikal Aksial Total Deformation (mm) 12,435 12,308 12,509 Normal Elastic Strain (mm/mm) 0,0014862 0,0015079 0,0014807 Normal Stress (MPa) 323,01 322,07 323,27 Kecepatan putar 5000 rpm Total Deformation (mm) 34,338 34,211 34,412
Normal Elastic Strain (mm/mm) 0,0041577 0,0041793 0,0041508 Normal Stress (MPa) 896,15 895,21 896,41
Dari  tabel  hasil  pengujian  statik  diatas  dapat  dilihat  bahwa total deformation dan normal stress pada putaran 3000 rpm yang paling tinggi pada arah aksial dengan nilai masing- masing  12,509  mm  dan  323,27  MPa.  Sedangkan  total  deformation  dan  normal  stress  pada putaran  3000  rpm  yang  paling  rendah  pada  arah  vertikal  dengan  nilai  masing-masing  12,308 mm dan 322,07 MPa. Normal elastic strain pada putaran 3000 rpm yang paling tinggi pada arah vertikal dengan nilai 0,0015079 mm/mm dan yang paling rendah pada arah aksial dengan nilai 0,0014807 mm/mm
Total deformation dan normal stress pada  putaran  5000  rpm  yang  paling  tinggi  pada arah  aksial  dengan  nilai  masing-masing  34,412  mm  dan  896,41  MPa.  Sedangkan  total deformation  dan  normal  stress  pada  putaran  5000  rpm  yang  paling  rendah  pada  arah  vertikal dengan  nilai  masing-masing  34,211  mm  dan  895,21  MPa.  Normal  elastic  strain  pada  putaran 5000  rpm  yang  paling  tinggi  pada  arah  vertikal  dengan  nilai  0,0041793  mm/mm  dan  yang paling rendah pada arah aksial dengan nilai 0,0041508 mm/mm.
Gambar 4.3 Grafik Total Deformation
Gambar 4.3 Grafik Total Deformasi 0.0014862 0.0015079 0.0014807 0.0041577 0.0041793 0.0041508 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 horizontal vertikal aksial
3000 rpm 5000 rpm 12.435 12.308 12.509
34.338 34.211 34.412 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Horizontal vertikal aksial
3000 rpm 5000 rpm
Gambar 4.4 Grafik Normal Elastic Strain
Gambar 4.5 Grafik Normal Stress

## V. KESIMPULAN
Dari  hasil  perbandingan  diperoleh  kesimpulan  bahwa  total  deformation  dan  normal mengalami  kenaikan  paling  tinggi  pada  arah  vertikal.  Hal  ini  dipengaruhi  oleh  gaya  gravitasi yang  terjadi  pada  kompresor,  karena  pada  arah  vertikal  pembebanan  dilakukan  berlawanan dengan gaya gravitasi. Dapat disimpulkan juga ketika kecepataan putar dirubah dari 3000 rpm menjadi 5000 rpm, total deformation, normal elastic strain , dan normal stress hampir naik tiga kali  lipat.stress  mengalami  penurunan  pada  arah  vertikal  sedangkan  normal  elastic  strain  dan kompresor aman dari frekuensi kritis.

## REFERENSI
[1] Sularso dan Haruo Tahara. 2000. Pompa dan Kompresor . Jakarta: PT. Pradnya Paramita
[2] Karyasa, Tungga B. 2011. Dasar-Dasar Getaran Mekanis. Yogyakarta: CV. Andi Offset
[3] Sarwanto.  2012. Belajar Cepat Desain 3D dengan Solidworks .  Yogyakata:  PT.  Media Setara
[4] Hutahen, Ramses Y. 2012. Getaran Mekanik . Yogyakarta: Andi Publiser
[5] Ryan Tua “ Analisa Karakterisitik Aerodinamika Pengaruh Sirip Terhadap Airfoil Sayap Pesawat UAV USU Menggunakan Metode Computational Fluid Dynamic
SOLIDWORKS” . Departemen Teknik Mesin. Fakultas Teknik. Universitas Sumatera Utara.
[6] Yendra, Andika Noveri “Analisa Aliran Fluida Proses Exhausting pada Knalpot Komposit Hybrida Batang Kelapa Sawit Melalui Metode Computational Fluid Dynamic” .
Departemen Teknik Mesin. Fakultas Teknik. Universitas Sumatera Utara.
323.01 322.07 323.27
896.15 895.21 896.41 0 200 400 600 800 1000 horizontal vertikal aksial
3000 rpm 5000 rpm
[7] Rahmad Hidayat “Simulasi Deformasi dan Tegangan Sayap Pesawat Tanpa Awak
Berbahan Komposit Serat Rock Wool dan Polyester dengan Software Ansys 14.0” .
Departemen Teknik Mesin. Fakultas Teknik. Universitas Sumatera Utara.
[8] Simanjuntak, Jules Rimson “Simulasi Perilaku Mekanis Kekuatan Tarik Material Paduan Aluminium Magnesium Foam Dengan Menggunakan Software Ansys 14.0” . Departemen
Teknik Mesin. Fakultas Teknik. Universitas Sumatera Utara.