## SIMULASI GETARAN BERBASIS METODE ELEMEN HINGGA MENGGUNAKAN SOFTWARE ANSYS UNTUK MENGIDENTIFIKASI KONDISI KOMPONEN UTAMA TURBIN

## GAS SIEMENS V 94.2 EMPAT TINGKAT SEBAGAI PEMBANGKIT LISTRIK
Ikhwansyah Isranuri, Muhammad Firdaus Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara firdaus150797@gmail.com

## ABSTRAK
Getaran menjadi salah satu sinyal utama dalam menganalisis kondisi suatu permesinan. Getaran memiliki peranan penting dalam mengetahui kondisi kesehatan permesinan. Penelitian ini bertujuan untuk memproyeksikan deformasi total, regangan elastis normal, tegangan normal dan mengetahui putaran kritis poros turbin. Dan untuk Menganalisa vibrasi yang terjadi pada sudu kompresor. Dalam penelitian ini digunakan turbin gas siemens v 94.2 empat tingkat. Simulasi dilakukan dengan menggunakan software ANSYS Workbench 18.1 dan software Solidworks 2015 untuk proses penggambaran tiga dimensi . 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 simulasi diperoleh deformasi total, regangan elastis normal, tegangan normal pada kecepatan 3000 rpm pada tiap arah pembebanan adalah sama. Begitu pula pada kecepatan 5000 rpm. Hal ini diakibatkan karena beban yang diberikan terlalu kecil untuk mempengaruhi perubahan total deformasi, normal stress dan normal elastic strain. Frekuensi pribadi turbin gas empat tingkat pada kecepatan putar 3000 rpm dan 5000 rpm mendekati frekuensi kerja.
Kata  kunci: Simulasi  getaran,  Turbin  gas siemens v 94.2, Software ANSYS ,  Turbin, Frekuensi.

## I. PENDAHULUAN
Kebutuhan  akan  penggunaan  energi  listrik  mengalami  peningkatan  sebandingkan dengan nilai pertumbuhan penduduk. Perusahaan Listrik Negara (PLN) hadir sebagai salah satu solusi dalam penyedian energi listrik. Penelitian ini dilakukan untuk menganalisa hasil dari data maintenance pada turbin gas empat tingkat pada pembangki listrik di Sumatera Utara
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 turbin. Kondisi dari  turbin  sangat  berpengaruh  terhadap  kinerja  dari  turbin  gas  karena  turbin  berfungsi  untuk sebagai penggerak awal dari rangkaian turbin gas.
Analisis  getaran  digunakan  sebagai  alat  diagnostik  untuk  memperkirakan  kondisi  dan kerusakan pada turbin. Karena turbin memiliki prinsip kerja rotasi, kondisi dan kerusakan dapat di deteksi dari frekuensi getaran yang terjadi pada turbin. Frekuensi tersebut didapatkan dengan melakukan pengecekan pada turbin yang dilakukan secara periodik.
Pada tugas sarjana ini proses analisis dilakukan dengan bantuan software ANSYS, yaitu dengan  melakukan  simulasi  getaran  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 turbin. Turbin yang dipergunakan  pada  tugas  ini  adalah  turbin  gas  empat  tingkat  pada  turbin  gas siemens v  94.2 yang terdapat pada pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) belawan, sumatera utara

## II. TINJAUAN PUSTAKA
Turbin  gas  merupakan  peralatan  pembakit  tenaga  dimana  tenaga  tersebut  didapat  dari ekspansi  gas  berkecepatan  tinggi  dan  kemudian  mendorong  sudu-  sudu  yang  langsung menghasilkan  gerak  putar  pada  rotornya.  Putaran  rotor  tersebut  nantinya  dapat  dimanfaatkan untuk  memutar  generator  listrik.  Turbin  gas  tersusun  atas  komponen-komponen  utama  seperti air inlet section, compressor section, combustion section, turbine section, dan exhaust section. Sedangkan komponen pendukung turbin gas adalah starting equipment, lube-oil system, cooling system, dan beberapa komponen pendukung lainnya.
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 software ANSYS adalah laptop.
Proses penggambaran turbin gas empat tingkat ini dilakukan dalam bentuk 3D dengan menggunakan software Solidwork. Solidwork yang digunakan pada pemodelan skripsi ini yaitu solidwork  2015.  Sedangkan  data  dimensi  turbin  gas  empat  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 0,044 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.
Berdasarkan hasil penelitian pada kecepatan putar 3000 rpm nilai frekuensi natural pada ketiga  sumbu  hasilnya  sama,  frekuensi  yang  dihasilkan  adalah  34,022  Hz;  47,739  Hz;  47,743 Hz;  48,672  Hz..  Pada  kecepatan  putar  5000  rpm  nilai  frekuensi  natural  pada  ketiga  sumbu hasilnya sama, frekuensi yang dihasilkan adalah 37,537 Hz; 66,377 Hz; 66,406 Hz; 78,309 Hz.
(a) (b)                                                   (c)
(d)
Gambar 3.2 (a) Gambar 3D turbin dengan solidwork, (b) Engineering data,
(c) Hasil meshing turbin, (d) Pembebanan pada turbin.

## IV. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pembuatan model 3D turbin empat tingkat mempunyai panjang 2900 mm dan diameter tie  road  400  mm.  Dengan  ukuran  terbesar  blade  berdiameter  3600  mm  dan  blade  terkecil berdiameter  1654  mm. Hollow shaft berdiameter  1250  mm.  Desain  turbin  empat  tingkat  ini memiliki volume 3.165.200.000 mm 3 dan memiliki massa 24847 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
(a) (b) (c) Gambar 4.3 (a) Total Deformasi (b) Regangan Normal (c) Tegangan Normal pada Arah Horizontal dengan Kecepatan 5000 rpm Tabel 4.1 Hasil Simulasi Turbin Gas Empat Tingkat dengan Kecepatan 3000 rpm Kecepatan putar 3000 rpm Horizontal Vertikal Aksial Total Deformation (mm) 20,006 20,006 20,006 Normal Elastic Strain (mm/mm) 0,013875 0,013875 0,013875 Normal Stress (MPa) 2615,9 2615,9 2615,9 Tabel 4.2 Hasil Simulasi Turbin Gas Empat Tingkat dengan Kecepatan 5000 rpm Kecepatan putar 5000 rpm Horizontal Vertikal Aksial Total Deformation (mm) 53,802 53,802 53,802 Normal Elastic Strain (mm/mm) 0,038467 0,038467 0,038467 Normal Stress (MPa) 7172,5 7172,5 7172,5
Dari  hasil  pengujian  statika  diatas  dapat  dilihat  bahwa  pada  putaran  3000  rpm  untuk semua  arah  (horizontal,  vertical,  dan  aksial)  beban  lentur  yang  diberikan  mendapatkan  hasil
total deformation yaitu 20,006 mm. Normal elastic strain yaitu 0,013875 mm/mm .Dan normal stress yaitu 2615,9 MPa.
Sedangkan  dari  hasil  pengujian  statika  diatas  dapat  dilihat  bahwa  pada  putaran  5000 rpm  untuk  semua  arah  (horizontal,  vertical,  dan  aksial)  beban  lentur  yang  diberikan mendapatkan  hasil total deformation yaitu  53,802  mm. Normal elastic strain yaitu  0,038467 mm/mm  .Dan normal stress yaitu  7172,5  MPa.  Hal  ini  terjadi  Karena  nilai  dari  beban  lentur yang diberikan terlalu kecil, sehingga tidak mempengaruhi nilai dari tiap arah dari beban yang diberikan. Dari tabel pengujian diatas di dapatkan grafik sebagai berikut :
a. Grafik perbandingan hasil simulasi total deformation
Gambar 4.4 Grafik Total Deformation
b. Grafik perbandingan hasil simulasi normal elastic strain Gambar 4.5 Grafik Normal Elastic Strain 0 10 20 30 40 50 60 Horizontal Vertikal Aksial Total deformation 3000 rpm 5000 rpm 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 Horizontal Vertikal Aksial Normal elastic strain 3000 rpm 5000 rpm
c. Grafik perbandingan hasil simulasi normal stress
Gambar 4.6 Grafik Normal Stress

## V. KESIMPULAN
Berdasarkan  simulasi  dengan  menggunakan software ANSYS  18.1  turbin  gas  empat tingkat  mendapatkan  hasil    pada  putaran  3000  untuk  semua  arah  (horizontal,  vertical,  dan aksial)  beban  lentur  yang  diberikan  mendapatkan  hasil  total  deformation  yaitu  20,006  mm.
Normal elastic strain yaitu 0,013875 mm/mm .Dan normal stress yaitu 2615,9 MPa. Sedangkan pada  putaran  5000  rpm  untuk  semua  arah  (horizontal,  vertical,  dan  aksial)  beban  lentur  yang diberikan  mendapatkan  hasil  total  deformation  yaitu  53,802  mm.  Normal  elastic  strain  yaitu 0,038467 mm/mm .Dan normal stress yaitu 7172,5 MPa
Nilai  frekuensi  natural  pada  ketiga  sumbu  hasilnya  sama,  frekuensi  yang  dihasilkan adalah yaitu 34,022 Hz; 47,739 Hz; 47,743 Hz; 48,672 Hz. Pada kecepatan putar 5000 rpm nilai frekuensi  natural  pada  ketiga  sumbu  hasilnya  sama,  yaitu  37,537  Hz;  66,377  Hz;  66,406  Hz; 78,309 Hz.  Frekuensi  kerja  turbin  gas  pada  kecepatan  3000  rpm  adalah  50  Hz  dan  pada kecepatan 5000 rpm adalah 83,3 Hz sehingga aman dari frekuensi kritis turbin gas.

## REFERENSI
[1] Arismunandar, Wiranto. 2002. Pengantar Turbin Gas dan Motor Propulsi. Bandung. ITB
[2] Didik,  Djiki  Susilo.  2009. Pemantauan Kondisi Mesin Berdasarkan Sinyal Getaran .. UNS
[3] Hamid Abdul. 2011. Praktikal Vibrasi Mekanik: Teori dan Praktik . Yogyakata: PT. Graha Ilmu
[4] Hardiyadi. 2009. Boiler dan Turbin. Bandung. Politeknik Bandung
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Horizontal Vertikal Aksial Normal stress 3000 rpm 5000 rpm
[5] Mott, Robert. L. PE. 2004. Elemen-elemen Mesin Dalam Perancangan Mekanis Edisi 4. Yogyakarta. ANDI
[6] Sularso  dan  Kiyokatsu  Suga.  1991. Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin . Jakarta: PT. Pradnya Paramita
[7] Thomson, Willian. T, Teori Getaran dengan Penerapan. Edsisi kedua. ITS. Surabaya
[8] Titherington, dkk. 1984. Mekanika Terapan Edisi Kedua . Jakarta: PT. Erlangga
[9] Tungga, BK. 2011. Dasar-dasar Getararan Mekanis. Yogyakarta. CV Andi Offset
[10] Y, Ramses Hutahean. 20022. Getaran Mekanis. Yogyakarta. CV Andi Offset