## DESAIN ULANG IMPELER POMPA SENTRIFUGAL KURVA PRESTASI SERTA FENOMENA ALIRAN DENGAN CAD-CFD

## Fatkur Rachmanu
Program Studi Teknik Mesin Politeknik Enjinering Indorama Email: fatkur.rachman@gmail.com

## ABSTRAK
Pompa  adalah  alat  untuk  memindahkan  cairan  dari  dataran  rendah  ke  dataran  tinggi. Pengoperasiannya bila lama digunakan akan mengurangi efisiensi dari prestasi pompa tersebut sehingga diperlukan perbaikan dan perawatan. Salah satu perawatannya antara lain dengan memperbaiki komponen utamanya yaitu impeler atau baling-baling. Pada pembuatan impeler tahap pertama adalah desain bentuk impeler  dengan  memperhatikan  beberapa  parameter  sehingga  meningkatan  efisiensi  pompa.  Tujuan penelitian  ini  adalah  untuk  mengubah  profil  impeler  agar  efisiensi  meningkat  dan  mendapatkan  impeler yang  lebih  efektif  dengan  bantuan  perangkat  lunak  CAD  dan  CFD.  CFD  adalah  metode  penghitungan, memprediksi,  dan  pendekatan  aliran  fluida  secara  numerik  dengan  bantuan  komputer.  CAD  mengubah dari  model  umum  menjadi  model  berdimensi,  lalu  pendiskritan  model  dalam  CFD  sebagai  pendekatan dari aliran fluida air yang terjadi pada impeler. Hasil optimalisasi dengan perangkat lunak efisiensi total kinerja  pompa  meningkat  dari  59  %  menjadi  61%.  Sudut  masuk  fluida  pada  sudut  masuk  sudu  impeler (β1)  dan  sudut  keluar  sudu  impeler  (β2)  diusahakan  diatas  10 o ,  disamping  nilai  NPSHR  menentukan pelayanan  kondisi  kerja  pompa  dalam  kewajaran.  Sudut incident (i)  dapat  mengubah  kinerja  pompa. Sesuai  hukum  pompa  sentrifugal  yaitu  kecepatan  isap  spesifik  (Nss)  yang  meningkat  akan  menurunkan tinggi kenaikan isap positif bersih yang diperlukan (NPSHR). Sehingga didapat model impeler yang lebih optimal.
Kata kunci: desain, impeler, pompa, sentrifugal, CAD, CFD.

## ABSTRACT
Pumps is a tool to move the liquid from the lowlands to the highlands. Operation when long use will reduce the efficiency of the achievements of the pump so that the necessary repairs and maintenance. One treatment,  among  others  by  improving  its  main  components,  namely  the  impeller  or  propeller.  In  the manufacture of the first stage impeller is a propeller shape design with respect to some parameters that improve the efficiency of the pump. The purpose of this study was to change the profile impellers in order to  maintain  the  impeller  efficiency  is  increased  and  more  effective  with  the  help  of  CAD  and  CFD software.  CFD  is  the  method of  calculation,  to predict,  and  fluid  flow  approaches  numerically  with  the aid of a computer. CAD change of the general model becomes a model dimension, then discrete models in CFD.  Then  as  an  approximation  of  the  fluid  flow  of  water  that  occurs  on  the  impeller.  Software optimization  results  with  total  efficiency  of  the  pump's  performance  increased  from  59%  to  61%. Incoming  angles  of  fluid  at  an  angle  of  entry  of  the  blade impeller  (β1)  and  corner  exit  blade  impeller (β2) arranged above 10 o , in addition to determining the value NPSHR service pump working conditions in fairness. Incident angle (i) can alter the performance of the pump. Appropriate law suction centrifugal pump that is speed-specific (Nss) which increases high-rise will reduce the required net positive suction (NPSHR). In order to get a more optimal impeller models.
Keywords: design, impeller, pump, centrifugal, CAD, CFD.

## 1. PENDAHULUAN

## 1.1 Latar Belakang Penelitian
Perbaikan  ( maintenance )  suatu  mesin-mesin  produksi  sangatlah  dibutuhkan  di  Indonesia  terutama mesin pembangkit dan  mesin-mesin pendukung.  Adapun  waktu,  metode, alat, tempat pengerjaan adalah menjadi faktor penentu keberhasilan perbaikan itu sendiri. Jurnal ini membahas penggunaan metode CFD ( Computational  Fluid  Dynamic )  untuk  desain  impeler/baling-baling  pompa  dan  mengacu  materi CAD- CAM .  Desain  impeler  pompa  menurut  rumus-rumus,  metode,  desain  dengan  bantuan  buku  literatur.
Kemudian  divisualisasikan  dengan  bantuan CAD  (computer  Aided  Design/Drafting) ,  untuk  mengetahui permodelan  Impeler.  Kapasitas,  kecepatan  dan  tekanan  fluida  dibantu  dengan CAE ( Computer  Aided Engineering ) dalam hal ini CFD . Sesuai persamaan berikut [1][2]:
(1)
Dan sesuai diagram alur dalam tahapan CFD

## Gambar 1. Diagram Alur Persamaan Matematis Dalam Konsep CFD [3]
Permasalahan pada saat pembongkaran pompa sentrifugal ditemukan impeler mengalami kerusakan permanen karena erosi kavitasi. Proses desain dan pembuatan Impeler pompa dalam hal ini pompa proses, ditambah  bila  ingin  meningkatkan  kinerja  pompa  lebih  tinggi  ataupun  mendekati  sama  dengan  impeler baru.
Batasan  penelitian  melibatkan  tahapan  disain  sebuah  pompa  sentrifugal.  Sedangkan  yang  akan dibahas  dalam  tesis  adalah  tahapan  disain  saja  hingga  permodelan,  kurva  prestasi  dan  fenomena  aliran fluida  tanpa  memperhitungkan  material,  gaya-gaya  yang  bekerja,  momen,  dan  sebagainya,  yang disebabkan oleh reaksi perlawanan fluida yang sangat kompleks akibat putaran poros pompa dari sebuah impeler pompa sentrifugal. Harga dan waktu untuk manufaktur impeler pompa.
Fluida  yang  digunakan  adalah  air  tanah  dengan  kondisi  normal  dan  dianggap  bersih  tidak mengandung  benda  padat  atau  pasir.  Mendisain  ulang  dengan  hanya  memperhatikan  bentuk  impeler dengan  bantuan software .  Serta  simulasi  aliran  dengan CAD-CFD :  Perpindahan  panas  didalam  rumah pompa diabaikan, Penelitian dilakukan pada pompa Gould pump tipe 3900L vertical inline API 610 edisi ke 9 OH4 [4].

## 2. METODOLOGI PENELITIAN
Adapun diagram alur penelitian adalah sebagai berikut:
Gambar 2.  Diagram Alur Prosedur Penelitian

## 3. HASIL PENELITIAN
Analisa dan perhitungannya adalah sebagai berikut: Data Input Debit (Q) =  300 GPM = 68,13 m 3 /h = 0.018925 m 3 /det, pada ketinggian / head (H) = 170,94 ft = 52,1m, Putaran pompa ( n p ) = 1478 rpm [5].

## 3.1 Perhitungan Simulasi
Kurva prestasi pompa yang dihasilkan oleh perangkat lunak adalah sebagai berikut:
Gambar 3. Perhitungan Dengan Software Sebelum Optimasi (pada q= 68.13 m3/jam Dan h = 52.1m, n = 1478 rpm, Frekuensi Motor Listrik 50hz)
Sedangkan kurva prestasi hasil pengujian lapangan sebelum optimasi adalah:

## Gambar 4. Prestasi Pompa Hasil Pengukuran [6]
Terlihat hasil perhitungan dengan menggunakan software akan mendekati sama dengan pengujian di lapangan uji. Adapun perbedaan karena rugi-rugi ( loss ) pada pengujian sesungguhnya / lapangan, baik itu adanya  kebocoran,  rugi-rugi  belokan  pipa,  katup,  ketidakakuratan  alat  uji  ataupun  rugi  aliran  balik impeler  keluar  dari  impeler  masuk  kembali  ke  sisi  isap  / recirculation impeler wear  ring/casing  ring. Setelah  perhitungan  untuk  pompa  sentrifugal  maka  digambarkan  dengan  menggunakan CAD - SOLIDWORKS 2010 , yang menghasilkan gambar 5 sebagai berikut:

## Gambar 5. Hasil Permodelan Impeler Dengan Menggunakan CAD-SOLIDWORKS

## 3.2 Distribusi Kecepatan Meridional
Kecepatan  fluida  sebelum  masuk  impeler  tinggi  kemudian  menurun  bervariasi  pada  daerah  sudu LE/ leading  edge kemudian  menyatu  sebelum  TE/ trailing  edge kemudian  meningkat  drastis  keluar  dari impeler  dibantu  dengan  rumah/ volute pompa  sehingga  kecepatan  yang  lebih  tinggi  dibandingkan  sisi masuk impeler. Kemudian dioptimasi sehingga menghasilkan luaran seperti pada gambar 6 berikut:
Gambar 6. Distribusi Kecepatan Meridional Menggunakan Software Keterangan: warna hijau tua daerah leading edge , biru tua daerah trailing edge
Gambar 7. Distribusi Kecepatan Meridional Menggunakan Software Setelah Optimasi
Kurva prestasi pompa yang dihasilkan oleh perangkat lunak setelah optimasi adalah sebagai berikut:
Gambar 8.  Kapasitas (Q) vs Total Head (H) Hasil Optimasi
Perhitungan  menggunakan  perangkat  lunak CAE ( Computer  Aided  Engineering )  khusus  impeler sehingga menghasilkan seperti pada tabel 1.
Tabel 1. Dimensi dan hasil perhitungan impeler pompa setelah optimasi
No Deskripsi Nilai Satuan 1 Kecepatan spesifik pompa (Ns) 10,5 rpm 2 Daya Poros Pompa 15,9 kW 3 Diamater Poros Pompa 70,0 mm 4 Diameter Inlet 133,0 mm 5 Diameter Outlet 384,0 mm 6 Tebal sudu saat masuk t1 4,1 mm 7 Tebal sudu saat keluar t2 4,563 mm 8 Sudut masuk sudu β1 17,4 derajat 9 Sudut keluar sudu β2 18,3 derajat 10 Kecepatan masuk sudu U1 6,7 m/detik 11 Kecepatan keluar sudu U2 29,7 m/detik 12 NPSHR 0,9 m 13 Jumlah Sudu 4,0 buah 14 Efisiensi Total 61,0 %
Hasil  perhitungan  menghasilkan  gambar  Distribusi  tekanan  pada  impeler  menggunakan  perangkat lunak akan menghasilkan gambar 9 seperti berikut ini [7].

## Gambar 9.  Distribusi Tekanan Menggunakan CAD-CFD SOLIDWORKS Tampak Depan
Kemudian  distribusi  kecepatan  menggunakan  perangkat  lunak  akan  menghasilkan  seperti  pada gambar 11.
Gambar 10.  Distribusi Kecepatan Menggunakan CAD-CFD COSMOS-FLOWORKS Tampak Depan
Dalam simulasi dapat juga menentukan garis lintasan aliran kecepatan dengan perngkat lunak seperti pada gambar 11 dibawah.

## Gambar 11.  Garis Lintasan Kecepatan Menggunakan CAD-CFD COSMOS-FLOWORKS
Sehingga  dapat  dibuat  suatu  perbandingan  desain  bentuk  impeler  sebelum  dan  sesudah  optimasi, seperti pada gambar 12.
Gambar 12. Impeler 3D: a. Sebelum Optimasi Tampak Depan, b. Setelah Optimasi Tampak Depan, c. Sebelum Optimasi Tampak Samping, d. Setelah Optimasi Tampak Samping

## 3.3 Manufaktur Impeler
Adapun rekomendasi manufaktur / pembuatan impeler pompa dengan proses pengecoran metode gravitasi secara umum adalah seperti pada gambar 13 sebagai berikut:
Gambar 13.  Diagram Alur Pengecoran

## 4. KESIMPULAN
Setelah  dilakukan  penelitian  pada  profil  impeler  dengan  menggunakan CAD-CFD ,  serta rekomendasi manufaktur impeler yang telah dioptimasi maka diperoleh:
1) Sudut  masuk  sudu  impeler  ( β 1 )  dan  sudut  keluar  sudu  impeler  ( β 2 )  diusahakan  diatas  10 o , NPSHR  0,9  m  untuk  menyatakan  sebagai  angka  aman  terhadap  kavitasi.  Sudut incident i disarankan 0 o atau positif. Nss meningkat akan menurunkan NPSHR Pengubahan profil impeller akan menyebabkan beberapa parameter berubah. Efisiensi η total dengan menggunakan Software meningkat dari pabrik 43% dengan putaran kerja 50Hz menjadi 59%. Setelah optimasi menjadi 61%
2) Terlihat  hasil  perhitungan  dengan  menggunakan software sebelum  optimasi  mendekati  sama dengan  pengujian  di  lapangan  uji.  Adapun  perbedaan  karena  rugi-rugi  ( loss )  pada  pengujian sesungguhnya  /  lapangan,  baik  itu  adanya  kebocoran,  rugi-rugi  belokan,  pipa,  katup,  ataupun rugi aliran balik impeler keluar dari impeler masuk kembali ke sisi isap / side loses.
3) Kecepatan fluida sebelum masuk impeler tinggi kemudian menurun bervariasi pada daerah sudu LE /leading edge kemudian menyatu sebelum TE/ trailing edge lalu meningkat drastis keluar dari impeler  dibantu  dengan  rumah/ volute pompa  sehingga  kecepatan  yang  lebih  tinggi dibandingkan sisi masuk impeler. Kecepatan relatif fluida air pada daerah LE shroud lebih tinggi dibanding  dengan  daerah  hub  dan  kecepatan  pada  TE  baik  shroud  maupun  hub  mempunyai kecepatan yang hampir sama.
4) Manufaktur  impeler  lebih  menguntungkan  dari  segi  biaya  dan  waktu  pengadaan  dibandingkan dengan membeli dari pabrikan.
Desain  belum  melibatkan  ukuran  rumah  pompa/ casing sehingga  hasil  kurva  yang  dihitung  belum sangat akurat.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Anderson, John D, (1995), Computational Fluid Dynamics , New York: McGraw Hill.
[2] HK,  Versteeg,  (1995), An  Introduction  Computational  Fluid  Dynamics  the  finite  volume  method , London: Longman Scientific & Technical.
[3] Firman Tuakia, (2008), Dasar-dasar menggunakan CFD Fluent, Bandung : Informatika-Bandung.
[4] API,  (2003), Centrifugal  pump  for  Petroleum,  Petrochemical,  and  Natural  Gas  Industries,    API Standard 610 , 9th ed, Washington DC: API Publisher.
[5] Gould, (2000), Catalog and Manual Book GPM, Seneca Falls: Gould Pump.
[6] TCS, (2008), Final Inspection Report for Premier Oil WO 0460908, Bandung: TCS.
[7] Anonim,  (2009), Solidwork  Flow  Simulation  2010  Tutorial ,  Massachusset:  Dassault  Systemes SolidWorks Corporation.