Abstrak— Fungsi  tambahan  dari  Turbocharger  terhadap motor  yakni  dapat  mengurangi  SFOC  (Specific  Fuel  Oil Consumption),  memperkecil  getaran,  serta  meningkatkan efisiensia.  Prinsip  kerja  dari  turbocharger  adalah  gas  buang dari  mesin  diesel  dialirkan  menuju  gas  inlet  cashing  untuk menggerakan  turbin  turbocharger,  setelah  turbin  bergerak aliran  fluida  akan  keluar  melalui  gas  outlet  cashing.  Karena turbin  berputar  maka  shaft  turbin  yang  telah  terhubung dengan  kompresor  otomatis  akan  memutar  impeller kompresor  tersebut.  Sehingga  mengakibatka  udara  luar masuk  melalui  air  inlet  casing,  akibat  putaran  kompresor fluida gas menjadi bertekanan dan dapat mensuplay ke mesin diesel tersebut. Pada penulisan tugas akhir ini akan membahas tentang  analisa  teknis  perancangan  turbin  turbocharger dengan  mevariasikan  nilai  putaran  turbin  sejumpah  5000 rpm,10000 rpm, 15000 rpm, 20000 rpm 25000 rpm dan 30000 rpm.  Sedangkan  mass  flow  rate  fluida  disesuaikan  dengan exhaust gas mass flow rate berdasarkan kondisi engine 100%, 85%,  75  %  sedangkan  nilai  mass  flow  rate  sebesar  1.7  kg/s, 1.45 kg/s dan 1.28 kg/s. Jumlah blade dan diameter blade telah ditentukan  dan  tidak  mengubah  sudut  setiap  putaran  turbin. Analisa menggunakan Computational Fluids Dynamics  (CFD) dengan  memasukan  nilai-nilai  yang  telah  ditentukan.  Dengan menghasilkan putaran RPM ketika engine power sebesar 75% maka  putaran  18944  RPM,Ketika  engine  power  sebesar  85% maka putaran 22346 RPM.,Ketika engine power sebesar 100% sebesar 26956 RPM.
Kata kunci : turbin, mass flow rate, RPM, kondisi mesin
I. PENDAHULUAN
i  negara  maritim  seperti  Indonesia  menjadikan transportasi  laut  seperti  kapal  harus  dikembangkan secara baik. Hal ini  bertujuan agar hubungan antar pulau tetap terjaga dan tidak ada daerah yang tertingal oleh kemajuan  zaman  dan  teknologi.  Pada  saat  ini  memang banyak  digunakan  kapal  dengan  penggerak  berupa  mesin diesel.  Hal  ini  memang  dipilih  oleh  pemilik  kapal dikarenakan  mempunyai  endurance  yang  tinggi,  perawatan yang  tidak  sulit  dan  juga  biaya  yang  relatif  murah.  Mesin diesel mempunyai  ukuran yang lebih memungkinkan untuk digunakan  di  dalam  kapal  dengan  tenaga  yang dihasilkannya.
Seiring  berkembangnya  jaman,  berbagai  cara  digunakan untuk  meningkatkan  kinerja  dari  mesin  diesel.  Misalnya dengan  tenaga  yang  dikeluarkan  sama,  mesin  mempunyai dimensi  yang  lebih  kecil,  hemat  bahan  bakar,  rendah getaran,  dan  lainnya.  hal  ini  kemudian  memunculkan penggunaan  turbocharger  dalam  kerja  mesin  diesel. Penggunaan  turbocharger  ini  diklaim  dapat  meningkatkan tenaga  mesin  diesel  hingga  40  -  60%  dengan  mesin  yang sama  dibanding  tidak menggunakan  turbocharger. Peningkatan  daya  mesin  diesel  dapat  terpenuhi  jika  kedua komponen  utama  turbocharger  bergerak  dengan  seimbang
seperti turbin  yang berfungsi  sebagai  penggerak rotor shaft turbocharger  akan  membantu  gerakan kompresor  yang berfungsi  sebagai  menghisap  udara  segar  yang  nantinya akan  membantu  pembakaran  pada  mesin  diesel  tersebut sehingga  menambah daya  yang optimal.  Selain itu  manfaat yang  didapatkan  juga  adalah  penghematan  bahan  bakar dengan  tenaga  yang  dikeluarkan  sama  sehingga  efisiensi kerja  dari  mesin  diesel  meningkat.  Hal  ini  kemudian meningkatkan penggunaan turbocharger pada mesin diesel.

## II. DASAR TEORI
Turbocharger adalah  sebuah  sistem  bantu  yang menghasilkan oksigen yang dibawa oleh udara  lebih banyak untuk menambah pembakaran dalam mesin utama  .Keuntungan  dari  turbocharger  adalah  memberikan sebuah  peningkatan    dalam  tenaga  mesin  hanya  dengan sedikit  menambah  volume  udara  tersebut  agar  pembakaran yang terjadi lebih sempurna
Turbocharger pada  bagian  turbin  terdapat  dua  desain aliran  yang  sangat  berbeda  yaitu  aliran  aksial  dan  aliran radial.  Turbin  menggunakan  aliran  radial  biasanya  di guanakan pada tipe turbin yang kecil, turbin aliran aksial di guanakan  pada  mesin  dengan  tipe low  speed dan medium speed

## A. Prinsip Kerja Turbin
Pengunaan  turbocharger  pada  mesin  diesel  dapat meningkatkan  daya  effisiensi  mencapai  75%  dari sebelumnya  sehingga  penggunana  turbocharger  sangat berpengaruh  pada  mesin  tersebut.  Turbocharger  dalam sistem  kerjanya  di  bagi  menjadi  2  bagian  yang  sama-sama bekerja  dalam  satu  sistem,  sistem  ini  adalah  bagian  turbin dan  kompresor  yang  di  pasang  dalam  satu  poros  yang sama[1].
Cara kerja dari turbin bergerak karena adanya dorongan udara  buang  dari  mesin  yang  mengalir  melalui  GIC  (Gas Inlet Casing). Aliran gas buang akan di arahkan oleh Nozzle Ring  yang  memiliki  luas  sudu  yang  berbeda.  Aliran  yang udara  searah  akan  membentur  turbin  blade  sehingga  turbin blade akan berputar sesuai dengan putaran yang ditentukan.
D

## Analisa Teknis Perancangan Turbin Pada Turbocahrger Menggunakan CFD
Intan Essy Pandini , Irfan Syarif Arief
Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia Email: irfansya@its.ac.id
Putaran turbin  yang di pasangan  menjadi satu dengan shaft poros  akan  memutar  poros  tersebut.  Putaran  poros  yang  di jadikan  satu  dengan  kompresor  akan  memutar  kompresor. Udara  yang  berada  di  dalam  casing  akan  di  buang  melalui GOC (Gas Outlet Casing).
Gambar 1. Flow Rate Turbochager [2] B. Bagian Turbocharger
Turbocharger mempunyai beberapa komponen penyusun dan  mempunyai  fungsi  masing-masing  untuk  menunjang kinerja  dari  turbocharger.  Berikut  ini  penjelasan  terkait komponen pada turbocharger [3]
1. Air Suction Branch Komponen ini biasa disebut dengan kompressor chasing.  Komponen  ini  berfungsi  untuk mengarahkan  aliran  udara  yang  dihisap  oleh kompressor  blade. Selain  itu  juga  berfungsi untuk  melindungi  putaran  kompressor  blade dari benda asing yang tidak diinginkan.
2. Silincer Bagian  ini  berfungsi  untuk  menyaring  udara yang  disedot  oleh  kompressor  agar  udara  tetap bersih  dari  kotoran.  Silincer  ini  terdiri  dari cover  silincer  dan  juga  saringan  kecil  yang terbuat  dari  bahan  tembaga  atau  yang  biasa disebut cooper mesh.
3. Turbin Chasing Komponen  ini  berfungsi  untuk  melindungi turbin  blade  sehingga  dapat  berputar  dengan aman.  Selain  itu  juga  berfungsi  untuk mengarahkan gas buang menuju nozzle ring. Di dalam  ini  juga  terdapat  sistem  ccoling  untuk mendinginkan turbocharger agar tidak overheating karena gas buang.
4. Bearing Housing Komponen  ini  berfungsi  sebagai  tempat dipasangnya  bearing  –  bearing  pada  rotor. Selain itu juga tempat dari oli / pelumasan pada turbocharger.  Didalam  bearing  housing  juga terdapat sistem pendinginan.
5. Rotor Ini  merupakan  komponen  yang  berputar  pada turbocharger  dimana  rotor  terdiri  dari  shaft, turbin  blade  dan  juga  kompressor  blade. Dimana  shaft  berfungsi  untuk  menghubungkan antara  turbin  dan  kompressor.  Turbin  blade berfungsi  untuk  menangkan  gaya  yang diberikan oleh gas buang. Sedangkan kompressor  blade  berfungsi  untuk  menyedot udara.
6. Bearing set Berfungsi  untuk  mengurangi  gesekan  yang terjadi  antara  rotor  shaft  dengan  bearing housing.  Turbocharger  dituntut  untuk  berputar dengan  cepat  sehingga  harus  diminimalisir sebisa mungkin gesekan yang terjadi.
7. Kompresor
Compressor wheel pada komponen turbocharge yang  berfungsi  sebagai  menghisap  udara  luar untk  membantu  pembakaran.  Kompresor berasal  dari  material  aluminium  alloy  untuk rasio kurang 4.5 Bar sedangkan dengan material titanium untuk rasio kompresi lebih dari 4.5 Bar.
8. Turbin Dalam  perkembangan  sebagai  main  part  of components  turbocharge,  Turbine  terdiri  atas  2 type  yang  sering  digunakan.  Pertama  adalah type Radial Turbine, pada umumnya untuk type radial Turbine digunakan pada engine 500kW – 4900kW.  Kedua  adalah  type  axial  Turbine, biasanya  digunakan  pada  propullsor  (slow  – medium  speed  engine),selain  itu  pada  type  ini mampu  memberikan  suplay  power  pada compressor  dengan  kondisi  low  pressure  ratio dengna effisiensi yang baik.
Gambar 2. Rotor shaft
9. Turbine Nozzle Ring Nozzle  Ring  yang  ada  pada  Turbine difungsikan  sebagai  tempat  masuknya  udara selanjutnya  akan  berexpansi  dengan  kecepatan tinggi  berlawanan  arah  terhadap  sudu  sudu Turbine  sehingga  terdapat  momen  tangensial hingga  Turbine  Wheel  berputar.  Putaran  dari Turbine  tersebut  akan  berakibat  pada  ikut berputarnya Compressor.

## C. Karateristik Turbin
Untuk  menentukan  spesifikasi  turbin  dan  variable karateristik  di  perlukan  titik  operasi  turbin  karateristik dengan  karateristik  variabel  yang  digunakan  pada  ABB Turbo Sistem [4] adalah
1.Rasio ekspansi tekanan turbin
Πp =   P’TE / PTA Πp =   Ekspansi rasio tekanan P’TE =   Tekanan Outlet PTA  =   Tekanan Inlet
2.Effisiensi energy Turbin
ΠƐ =   ƐTE / ƐTA ΠƐ  =   Effisiensi Energi ƐTE  =   Energi Outlet ƐTA  =   Energi Inlet
Gambar 3. Effisiensi turbin dengan rasio tekanan turbin [5]

## III. METODOLOGI
Metode  yang  Digunakan  untuk menyelesaikan permasalahan dalam penelitian ini,  metode  yang digunakan adalah  dengan  pendekatan Computational  Fluid  Dynamics (CFD).  Perangkat  lunak  yang  digunakan  adalah  NUMECA FINETM/Marine  v2.  Hal  awal  yang  akan  dilakukan  untuk menggunakan software ini adalah menentukan model turbin tersebut dengan ukuran dan jumlah blade turbin.
IV. ANALISIS DAN PEMBAHASAN

## A. Penggambaran Model Turbin
Pada  tahap  ini  adalah  menggambar  model  turbin  blade dengan  memasukan  nilai  data  blade  seperti  diameter,  lebar dan tinggi blade. Penggambaran ini dilakukan pada software numeca  bagian  autograde.  Gambar  dari  hasil  pembuatan blade  turbin  turbocharger  dapat  di  lihat  pada  gambar dibawah ini.
Gambar 4. Koordinat Model Turbin
B. Pengaturan Computational Fluid Dynamic
Setelah  menggambar  model  turbin  blade  yang  telah  di ekport  pada  geom  digunakan  untuk  meshing.  Pada  tahap meshing  ini,  putaran  turbin  diubah  terlebih  dahulu  menjadi stator  meski  kondisi  turbin  pada  turbocharger  adalah  rotor. Peruabahan  ini  guna  untuk  dilakukan  running.  Setelah menggubah pada kondisi rotor maka nilai-nilai tip hub pada turbin  diubah  menjadi  0.004.  setelah  proses  meshing  yang menggunakan  fine  turbo  modul  autogrid  5  selesai  maka modul yang berada di fine turbo 9.1-3  diubah kedalam fine turbo.  Gambar  dibawah  ini  adalah  hasil  setelah  proses meshing pada model yang telah dibuat
Gambar 5 Model meshing turbin
C. Simulasi Model
Gambar  yang telah dimeshing akan  di lanjutkan dengan menggunakan  fine  Turbo  Numeca.  Dengan  memasukan parameter  yang  diperlukan  seperti  mengubah  aliran  fluida, mass  flow  rate,  temperature  dan  putaran  turbin  yang divariasikan.  Sebelum  melakukan  running  data  yang dimasukan  juga  merubah  gambar  yang  di  dalam  autogrid adalah  stator  diubah  menjadi  rotor.  Data-data  yang diperlukan  ada  dimasukan  pada  set  boundary  condition dengan mengubah parameter inlet dan outlet. Dalam running turbocharger nilai inlet dan outlate turbocharger adalah sama. Dapat berselih akan tetapi hanya diperbolehkan sebesar 5%.

## Gambar 6  Runing Turbin
D. Analisa Kompresor Dengan  perubahan  RPM,  kondisi exhaust  engine dan mass  flow  rate maka  hasil  yang  didapat  setelah  simulasi sebagai berikut
Tabel 1. Hasil pada kondisi engine 75% RPM 5000 10000 15000 20000 25000 30000 Pin (Pa) 203500 201500 196500 191500 189900  178000 Pout (Pa) 203300 204000 215500 235000 238000  350000 Tin ( oK ) 727 727 727 727 727 727 Tout ( oK ) 26 732 748 792 810 920 Ԑin (Joule/kg) 533000 533000 533000 533000 533000  533000 Ԑout (Joule/kg) 532500 538000 568800 605750 655000  735000 Absolute Kinetik (Joule) 7222.53 23893.2  51281.1  91659.8  143882  209825
Table 2. Hasil pada kondisi engine 85% RPM 5000 10000 15000 20000 25000 30000 P in (Pa) 204800 20250 0 198800 1.50E+ 06 180000 175000 P out (Pa) 203500 20980 0 210500 2.00E+ 06 230000 265000 T in ( o K) 707 707 707 707 707 707 T out ( o K) 706 722 728 1050 800 875 Ԑ in (Joule/kg) 514200 51420 0 514200 514200 514200 514200 Ԑ out (Joule/kg) 513100 52800 0 545000 575000 620000 685000 Absolute Kinetik (Joule) 7524.21 23898 .8 51236. 6 95200 145451 212147 Table 3. Hasil pada kondisi engine 100% RPM 5000 10000 15000 20000 25000 30000 P in (Pa) 247500 204000 195500 198000 200000 185000 P out (Pa) 246200 205000 202000 215000 230000 265000 T in ( o K) 717 717 717 717 717 717
T out ( o K) 718 720 740 765 800 875 Ԑ in (Joule/kg) 524000 524000 524000 524000 524000 524000 Ԑ out (Joule/kg) 525000 530000 550000 570000 595000 677000 Absolute Kinetik (Joule) 7452.16 24428.8 61676. 3 94472. 9 149975 214551
Hasil  yang  telah  diperoleh  akan  diolah  menjadi  grafik perbandingan energi yang keluar dari turbin dengan putaran pada setiap kondisi engine . Seperti grafik dibawah ini
1. Perbandingan energy  out  turbine dengan  putaran turbin dalam kondisi engine 75%
Gambar 7 Perbandingan daya dengan putaran turbin kondisi engine 75%
Yang harus diperhatikan pada  gambar  7  tersebut dapat terlihat bahwa nilai Ɛout’ lebih dari Ɛin pada putaran 20000 RPM  dan  mulai  di  bawah  Ɛin  pada  15000  RPM.  Analisa pada  nilai  Ɛout’  yang  lebih  dari  Ɛin  adalah  pada  sistem tersebut belum tepat pada keadaan realita karena nilai Ɛout’ seharusnya  maksimal  adalah  sama  dengan  nilai  Ɛin. Pertemuan  antara  Ɛout’  dengan  Ɛin  pada  grafik  jika  ditarik menuju  axis  maka  akan  mendapatkan  nilai  RPM  pada kondisi yang sesungguhnya yang bernilai 18944 RPM
2. Perbandingan energy  out  turbine dengan  putaran turbin dalam kondisi engine 85%
Gambar 8 Perbandingan daya dengan putaran turbin kondisi engine 85%
Yang  harus  diperhatikan  pada  gambar  8  tersebut  dapat terlihat bahwa nilai Ɛout’ lebih dari Ɛin pada putaran 25000 RPM  dan  mulai  di  bawah  Ɛin  pada  20000  RPM.  Analisa pada  nilai  Ɛout’  yang  lebih  dari  Ɛin  adalah  pada  sistem tersebut belum tepat pada keadaan realita karena nilai Ɛout’ seharusnya  maksimal  adalah  sama  dengan  nilai  Ɛin. Pertemuan  antara  Ɛout’  dengan  Ɛin  pada  grafik  jika  ditarik menuju  axis  maka  akan  mendapatkan  nilai  RPM  pada kondisi yang sesungguhnya yang bernilai 22346 RPM
3. Perbandingan energy out turbine dengan putaran turbin dalam kondisi engine 100%
Gambar 9. Perbandingan energy out turbine dengan putaran turbin dalam kondisi engine 100%
Yang  harus  diperhatikan  pada  gambar  9  tersebut  dapat terlihat  bahwa  nilai  Ɛout’  lebih  dari  Ɛin  pada  putaran 30000RPM  dan  mulai  di  bawah  Ɛin  pada  25000  RPM. Analisa  pada  nilai  Ɛout’  yang  lebih  dari  Ɛin  adalah  pada sistem tersebut belum tepat pada keadaan realita karena nilai Ɛout’  seharusnya  maksimal  adalah  sama  dengan  nilai  Ɛin. Pertemuan  antara  Ɛout’  dengan  Ɛin  pada  grafik  jika  ditarik menuju  axis  maka  akan  mendapatkan  nilai  RPM  pada kondisi yang sesungguhnya yang bernilai 26956 RPM
4. Perbandingan engine power dengan putaran turbin
Gambar  10.  Perbandingan engine  power dengan  putaran turbin
Gambar di atas menunjukkan bahwa ketika engine power sebesar  75%  maka  putaran  yang  dihasilkan  adalah  sebesar 63%.  Dan  pada  engine  power  85%  maka  putaran  engine sebesar  74%  dan  seterusnya.  Sehingga  dapat  disimpulkan bahwa semakin besar engine power maka putaran dari turbin akan semakin cepat.
600000 625000 650000 675000 700000 725000 750000 0 10000 20000 30000 40000 Day a (W att) RPM Pout' Pin 650000 675000 700000 725000 750000 775000 800000 0 10000 20000 30000
40000
Day a (W att) RPM Pout' Pin 800000 825000 850000 875000 900000 925000 950000 0 5000  10000  15000  20000  25000  30000  35000 Day a (W att) RPM Pout' Pin
0% 20% 40% 60% 80% 100% 75% 85% 100% RPM Tu rb in Engine Power

## V. KESIMPULAN
Dari  hasil  simulasi  dan  analisa  data  yang  telah  dilakukan, maka penulis dapat menarik beberapa kesimpulan yaitu :
1. Ketika  engine  power  sebesar  75%  maka  putaran  pada keadaan sesungguhnya adalah sebesar 18944 RPM.
2. Ketika  engine  power  sebesar  85%  maka  putaran  pada keadaan sesungguhnya adalah sebesar 22346 RPM.
3. Ketika engine power sebesar 100% maka putaran pada keadaan sesunguhnya adalah sebesar 26956 RPM.
4. Semakin besarnya engine power maka akan semakin cepat putaran turbin yang dihasilkan.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]    Schieman,  J  (1995)  Turbocharger  compressor,  Turbo magazine, Issue no. I, Vol 1.
[2]     //www.dieselnet.com//turbocharger/prinsipkerja
[3]     Kerja pratek,PT Turboned Indonesia, (2015)
[4]   Hamid, K(2005), Selection and matching turbocharger to large  propulsion diesel engine  performance, March
2005 [5] MAN B&W
Turbocharger,Electronic support system,(2004),and  MAN  B&W  Diesel  AG,TCA Turbocharger, Project Guide.