M E S I N

Jurnal Teknik Mesin Vol. 22, No. 2, Oktober 2007 ISSN 0852-6095

Diterbitkan oleh : Program Studi Teknik Mesin,

Fakultas Teknologi Industri - ITB

Surat ijin : STT No. 964/DIT-JEN/PPG/STT/1982.

MESIN Vol. 22 No. 2 i

DAFTAR ISI

M E S I N

Jurnal Teknik Mesin

Vol. 22, No. 2, Oktober 2007 ISSN 0856-6095

Indra Djodikusumo(1), Lukman Santoso(2) , Rahmat Haris(3) , (1)Kelompok Keahlian Teknik Produksi, Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara Institut Teknologi Bandung

(2,3) PT. Ganesha Reverse Engineering and Toolmaking (GREAT)

Ringkasan

Dengan meningkatnya harga bahan bakar minyak di pasar internasional, dan dalam upaya mengurangi pemanasan global, penggunaan Pembangkit Listrik Tenaga Air termasuk yang berskala mini didorong dan bahkan diberi insentif. Sampai dengan tahun 2020 Indonesia bermaksud membangun 488 MW Pembangkit Listrik Tenaga Air berskala Mikro dan Mini di seluruh wilayah Indonesia. Setengah di antaranya adalah yang berskala mini. Turbin Air berskala mikro telah banyak diproduksi oleh beberapa perusahaan yang berada di Bandung dan sekitarnya. Namun demikian Turbin Air yang berskala mini masih diimpor dari luar negeri. Dalam upaya meningkatkan kemampuan industri lokal, penulis telah melaksanakan pengembangan Turbin Air berjenis Francis yang berskala kecil dan mini, dengan rentang daya antara 300 kW sampai dengan 5 MW. Dalam rangka pengembangan itu telah dimanfaatkan sistem-sistem CAD/CAM/CAE serta metode Reverse dan Forward Engineering. Hasil yang diperoleh selama ini telah memuaskan walaupun perlu dilakukan penyempurnaan secara terus menerus.

1. LATAR BELAKANG PERMASALAHAN

Pembangunan Pembangkit Listrik Tenaga Mini-Hydro (PLTMH) merupakan salah satu alternatif yang dapat dipilih orang dalam usaha memenuhi kebutuhan tenaga listrik yang cenderung terus meningkat setiap tahunnya, khususnya di Indonesia. Di samping tidak memerlukan banyak biaya dalam pengoperasiannya, PLTMH juga sangat ramah lingkungan. Berdasarkan informasi yang dikumpulkan, tidak kurang dari 488 MW PLTMH akan dibangun di Indonesia sampai dengan tahun 2020 [1]. Setengah di antaranya adalah yang berskala mini. Turbin untuk PLTMH yang berskala mikro

sudah mulai dibuat di Indonesia, yang pada umumnya berjenis Aliran Silang (Cross Flow). Namun tidak demikian halnya dengan Turbin untuk PLTMH berskala mini, umumnya berjenis Francis dan Kaplan, yang hingga saat ini masih banyak diimpor dari negara-negara asing misalnya Cina, Jepang, Cheko, Jerman, Perancis, dan Amerika Utara.

Separuh dari PLTMH berdaya total 488 MW yang akan dibangun di Indonesia adalah PLTMH berskala mini. Apabila daya rata-rata turbin untuk PLTMH berskala mini yang diperlukan adalah 1 MW, maka sampai dengan tahun 2020 diperlukan sekitar 20

buah turbin berskala mini per tahunnya. Sangat disayangkan bilamana peluang tersebut dibiarkan hilang begitu saja dengan cara mengimpor dari luar negeri, tanpa adanya peningkatan kemampuan Industri Lokal dalam upaya memenuhi kebutuhan PLTMH tersebut. Apabila nilai 1 unit peralatan Mekanikal/ Elektrikal (Turbin, Generator, Panel Kontrol dan Transformator) adalah sekitar Rp. 5 Milyar, maka uang yang diperlukan untuk memenuhi jumlah kebutuhan peralatan Mekanikal/Elektrikal tersebut adalah sekitar Rp. 100 Milyar per tahunnya. Sekitar setengah dari nilai tersebut adalah untuk turbinnya saja. Nilai tersebut belum mencakup komponen pekerjaan sipil yang biasanya bisa mencapai 2 kali dari nilai peralatan Mekanikal/Elektrikal atau bahkan lebih, tergantung pada kondisi lokasi di mana PLTMH akan dibangun.

Salah satu penyebab mengapa rancang bangun Turbin Air khususnya yang berjenis Francis maupun Kaplan untuk PLTMH berskala mini belum dilakukan di Indonesia adalah teknik dalam melakukan rancang bangun dan pembuatan runner turbin, yang merupakan jantung dari turbin tersebut.

Penulis bersama-sama dengan Bagian Perekayasaan (Engineering Division) di PT. GREAT telah mengembangkan teknik untuk melakukan rancang bangun dan pembuatan turbin Francis berskala mini, termasuk komponen utamanya yaitu runner turbin Francis. Berbagai teknologi dalam bidang CAD (Computer Aided Design), CAM (Computer Aided Manufacturing) dan CAE (Computer Aided Engineering) telah dimanfaatkan guna melakukan rancang bangun turbin Francis berskala mini tersebut, sehingga diperoleh hasil yang memuaskan.

Pengembangan ini dilakukan oleh Penulis bersama dengan tim dengan menggunakan dana Program Insentif dari Menristek yang diperoleh selama 2 tahun yaitu pada tahun 2007 dan tahun 2008 sebesar Rp. 500 Juta. Penguasaan teknologi tersebut diharapkan dapat menumbuh-kembangkan bukan hanya PT. GREAT saja, namun juga dapat menghidupi banyak perusahaan lainnya yang merupakan stakeholder dalam pembangunan PLTMH. Dalam makalah ini penulis akan lebih memusatkan pembahasan dalam proses perancangan dan pembuatan runner turbin Francis saja, dengan menggunakan metode reverse dan forward engineering.

2. METODE PEMECAHAN MASALAH

Reverse engineering adalah proses menduplikasi suatu produk (berupa komponen atau suatu bagian rakitan atau bahkan rakitan utuh) tanpa adanya gambar dan dokumentasi mengenai produk tersebut atau model komputer dari produk tersebut. Forward engineering merupakan proses pengembangan

produk dimulai dari ide mengenai produk tersebut, kemudian dijabarkan dalam konsep mengenai produk yang diinginkan, selanjutnya diwujudkan dalam produk yang diinginkan melalui berbagai proses analisis keteknikan, perencanaan proses produksi dan produksi itu sendiri dan pada akhirnya diuji untuk mengetahui apakah kinerja produk telah sesuai dengan keinginan semula.

Reverse engineering dan forward engineering telah digunakan secara bersamaan dalam riset aplikasi yang telah dilakukan. Dimensi utama runner turbin Francis dirancang dengan menggunakan forward engineering, sementara profil sudu runner turbin Francis dikembangkan dengan menggunakan metode reverse engineering.

Tahapan kegiatan yang dilakukan dalam proses perancangan dan pembuatan runner turbin Francis dengan metode reverse dan forward engineering dapat diuraikan sebagai berikut:

• a) Pembangunan pustaka (library) mengenai model 3-Dimensi (selanjutnya disingkat dengan model 3-D) runner turbin Francis
• b) Perhitungan dimensi utama runner dan pemodelan 3-D runner
• c) Simulasi CFD (Computational Fluid Dynamic) terhadap model 3-D runner
• d) Pembuatan sudu runner dengan proses investment casting
• e) Pembuatan cone dan ring dengan proses sand casting
• f) Perakitan cone, ring dan sudu
• g) Penyeimbangan runner

3. PEMBANGUNAN PUSTAKA (LIBRARY) MODEL 3-D RUNNER

Terdapat banyak sekali Pembangkit Listrik Tenaga Air berskala mini di Indonesia, yang menggunakan turbin Francis. Turbin Francis berskala mini tersebut terpasang di berbagai lokasi yang berbeda, dengan kecepatan spesifik turbin yang sangat beragam, mulai dari kecepatan spesifik rendah sampai dengan kecepatan spesifik tinggi. Turbin-turbin tersebut banyak yang dibuat oleh pabrik turbin berkelas dunia, seperti Sulzer, Alstom, Nerpick, Vatech, WKV, Ossberger, dan sebagainya.

Beberapa turbin yang dipasang oleh Belanda di sekitar Bandung seperti, Dago Bengkok, Plengan, Cijedil dan sebagainya masih beroperasi dengan baik, walaupun umurnya sudah hampir 100 Tahunan. Dari sisi perancangan tidak perlu diragukan lagi bahwa turbin-turbin tersebut dan turbin-turbin yang dipasang kemudian terbukti berkinerja baik dan dapat diandalkan.

Turbin-turbin yang saat ini terpasang tersebut merupakan pustaka desain yang tentunya sangat bermanfaat untuk digunakan sebagai acuan dalam upaya melakukan proses perancangan turbin. Oleh karena itu, pada beberapa runner yang sudah terpasang dan berfungsi dengan baik, dilakukan proses reverse engineering (khususnya geometrinya saja), dalam rangka membangun pustaka model 3D runner turbin Francis.

Proses reverse engineering geometri runner turbin Francis dilakukan dengan beberapa tahapan kegiatan sebagai berikut [2]:

• a) Scaning
• b) Polymeshing
• c) Boundary creation
• d) Springmeshing,
• e) Surfacing,
• f) Solid modeling.

a) Scanning

Persiapan terhadap runner yang akan diukur dilakukan Gambar-1.

Gambar 1. Runner yang akan diukur

Pada tahap ini dilakukan pemindaian geometri runner menggunakan piranti pengukuran optik. Piranti tersebut dapat berupa laser scanner atau piranti optik lainnya.

Gambar-2: Proses scanning

Dari hasil proses pemindaian akan didapatkan awan titik atau point cloud sebagai hasil pengukuran Gambar-3.

Gambar 3. Point Clouds

b) Polymeshing

Polymeshing merupakan proses pembuatan polygon yang melalui 3 titik hasil pengukuran (point clouds). Polygon-polygon segitiga ini akan menghubungkan semua pointcloud hingga didapat mesh yang menyerupai benda ukur. Proses triangulasi dilakukan otomatis oleh software, dengan angka toleransi yang langsung dapat diperoleh berdasarkan sebaran data yang dimiliki pointcloud.

Gambar-4: Mesh

c) Boundary creation

Kurva-kurva daerah merupakan kurva yang membatasi daerah pada permukaan yang memiliki kecenderungan curvature berbeda.

Gambar-5: Boundary Curve

Kurva-kurva pembantu ditambahkan pada mesh sedemikian rupa agar mesh terbagi atas daerahdaerah dengan 4 sisi. Kurva tersebut akan menjadi pembatas (boundary) untuk membentuk permukaan (surface).

d) Springmeshing

Spring mesh merupakan permukaan yang dibentuk oleh jaring-jaring kurva pegas yang dapat diatur kerapatan dan kekakuannya sehingga permukaan yang dihasilkan dapat mewakili permukaan benda.

Gambar 6. Spring mesh

e) Surfacing

Surface modeling pada dasarnya telah kita lakukan dengan melakukan proses di atas yaitu mulai dari polymeshing, curve creation, dan spring meshing. Dari ketiga proses di atas akan didapatkan surface model. Untuk mendapatkan kualitas permukaan yang bagus, harus dilakukan pemeriksaan kontinuitas antar patch surface.

f) Solid Modelling

Solid model dapat dibentuk dari surface model yang diperoleh dari proses-proses diatas. Untuk mendapatkan solid model runner turbin Francis, harus dipastikan tidak ada celah pada permukaan yang melingkupi volume runner.

Gambar 7. Model digital dan model fisik runner

Proses scanning telah dilakukan oleh PT. GREAT untuk beberapa jenis runner turbin Francis dengan kecepatan spesifik berbeda. Sekarang ini PT. GREAT memiliki beberapa acuan model 3-D runner turbin francis masing-masing untuk wilayah kecepatan spesifik rendah, medium dan tinggi. Acuan tersebut didapat dari hasil scanning runner turbin Francis buatan Alstom, WKV dan Sulzer.

4. PENGHITUNGAN DIMENSI UTAMA RUNNER DAN PEMODELAN 3D RUNNER

Dimensi dan geometri runner turbin Francis secara mendasar ditentukan oleh beberapa faktor sebagai berikut:

• Net head
• Range of discharges through the turbine
• Kecepatan putar
• Masalah kavitasi
• Harga turbin

Dimensi utama runner ditunjukkan pada Gambar-8 sebagai berikut [3]:

Gambar 8. Dimensi utama runner

Berdasarkan data potensi air (Head dan Debit) suatu potensi lokasi, dapat dihitung dimensi utama runner tersebut (3, 4, 5). Setelah dimensi utama runner diperoleh, kemudian dilakukan pemodelan 3D runner. Pemodelan 3-D terhadap runner dilakukan dengan scale up/scale down pustaka runner yang memiliki kecepatan spesifik setara dengan runner yang sedang dirancang. Ilustrasi pemodelan dapat dilihat pada Gambar-9 sebagai berikut.

Gambar 9. Ilustrasi pemodelan runner

Komponen turbin Francis lainnya seperti spiral case dan draft tube dihitung dengan menggunakan berbagai formula empirik yang ada di berbagai pustaka (3, 4, 5).

5. SIMULASI CFD (Computational Fluid Dynamic) TERHADAP MODEL 3-D TURBIN

Kinerja suatu turbin Francis sangat ditentukan oleh beberapa hal utama, yaitu perancangan bagian turbin di mana air akan mengalir melaluinya. Sekarang ini dengan bantuan perangkat lunak CFD seperti misalnya Fluent, perancangan dinamika aliran fluida melalui komponen utama turbin Francis dapat dilakukan dengan lebih baik. Ada 2 hal utama yang dapat diperoleh dari simulasi dengan menggunakan perangkat lunak seperti Fluent, yaitu besarnya daya yang dihasilkan yang harus dimaksimalkan dan potensi timbulnya kavitasi, yang tentunya harus diminimumkan. Untuk melakukan analisis CFD dengan menggunakan Fluent, diperlukan adanya model CFD Gambar-10 terlebih dahulu.

Gambar 10. Model CFD

Data input dan parameter harus ditetapkan kemudian dimasukkan, mencakup misalnya:

• Inlet Condition
• Outlet Condition
• Angular Velocity

Dari simulasi kemudian akan diperoleh beberapa informasi seperti static pressure contour, dynamic pressure contour dan total pressure contour untuk berbagai view (Gambar-10), dan juga pathline of static pressure, pathline of dynamic pressure serta pathline of total pressure, serta pathline of velocitynya (Gambar-11).

(a) Static pressure contour (Pa g) of runner surfaces, upper view

(b) Dynamic pressure contour (Pa g) of runner surfaces, upper view

(c) Total pressure contour (Pa g) of runner surfaces, upper view

(d) Static pressure contour (Pa g) of runner & hub surfaces

(e) Dynamic Pressure Contour (Pa g) of runner & hub surfaces

(f) Total pressure contour (Pa g) of runner & hub surfaces

(g) Upper view pathlines of static pressure (Pa g)

(h) Upper view pathlines of dynamic pressure (Pa g)

(i) Upper view pathlines of total pressure (Pa g)

Gambar 11. Hasil simulasi CFD

Di akhir simulasi, laporan mengenai hasil simulasinya dapat dicetak, misalnya mengenai pressure force, viscous force dan total force di berbagai zona Tabel-3 dan juga momen torsi serta perhitungan daya yang dihasilkannya Tabel-4.

Tabel 3. Force print report from CFD program

Tabel 4. Total moment print report from CFD program

Pada kasus ini, berdasarkan hasil tersebut di atas, daya yang dihasilkan dapat dihitung sebagai berikut:

Power = torque x angular velocity = 8093.8 Nm x 1000 x π / 30 rad/s = 847 kW

Setelah kinerja yang diinginkan dapat dicapai, maka dilakukan proses perhitungan kekuatan, dengan menggunakan modul perangkat lunak yang digunakan. Material untuk runner dipilih menggunakan ASTM berjenis CA6NM.

6. PEMBUATAN SUDU RUNNER DENGAN PROSES INVESTMENT CASTING

Sudu runner turbin dibuat dengan menggunakan "teknik 3 bagian", di mana runner dipecah menjadi cone, ring dan sudu Gambar-9. Sudu runner turbin dibuat dengan menggunakan teknik investment casting. Tahapan kegiatan pembuatan sudu runner dengan teknik investment casting ditunjukkan pada Gambar-12 a s/d j.

(a) Mold cavity untuk wax pattern

(b) Mold core untuk wax pattern

(c) Mold set untuk wax pattern

(d) Wax pattern hasil pencetakan

(e) Wax pattern assembly untuk sudu runner

(f) Wax pattern assembly yang telah dilapisi campuran bubur keramik

(g) Sintering terhadap ceramic mold

(h) Melting dan pouring

(i) Solidification

(j) Sudu runner yang dihasilkan

Gambar 12. Proses pembuatan sudu runner dengan teknik investment casting

Pembuatan cone dan ring untuk runner dilakukan dengan teknik pengecoran cetakan pasir yang biasa dikenal. Cone dan ring tersebut diproses awal dengan pembubutan, di mana sebagian dari cone dan runner telah mencapai dimensi akhir, namun sebagian yang lain akan diproses dengan pembubutan setalah cone, ring dan sudu dirakit menjadi satu.

7. PERAKITAN RUNNER

Perakitan runner dilakukan dengan menyusun cone dan ring di atas meja rata. Posisi cone dan ring harus konsentris (memiliki sumbu yang sama). Demikian juga dengan beda ketinggian antara cone dan ring harus di atur sedemikian rupa sehingga jarak b1 Gambar-8 dicapai. Diperlukan waktu sekitar 2

minggu untuk melakukan setting cone dan runner di atas meja rata. Tahapan kegiatan perakitan runner ditunjukkan pada Gambar-13 a s/d f.

(a) Setting terhadap cone dan ring di atas meja rata

(b) Setting sudu satu per satu, kemudian dilakukan pencekaman

(c) Proses pengelasan

(d) Proses penggerindaan hasil pengelasan

(e) Proses pembubutan untuk mencapai dimensi akhir runner

(f) Balancing

(g) Runner siap dikirim/dirakit menjadi turbin

Gambar 13. Proses perakitan runner

8. HASIL DAN KESIMPULAN

Teknik seperti yang telah diuraikan tersebut berhasil dilakukan untuk pembuatan runner baru sebagai pengganti runner yang sudah ada di PLTMH Kolondom (Sulawesi Tengah), dan hasilnya memuaskan. Di samping daya yang keluar sesuai dengan harapan runner tersebut telah satu tahun digunakan dan tidak bermasalah.

Saat ini tim pengembangan turbin Francis berskala mini ini sedang membuat 2 buah turbin Francis, untuk lokasi Sawi Dago 2 (Sulawesi Tengah) berdaya 910 kW dan lokasi Sansarino (Sulawesi Tengah) berdaya 800 kW.

Pada posisi saat ini, proses perancangan telah selesai dilakukan Gambar-14 dan sedang dimulai dengan proses berikutnya yaitu pembuatan.

Proses pengembangan masih terus dilakukan khususnya dari sisi getaran mekanik dan juga keandalannya. untuk itu peneliti bekerjasama dengan beberapa pihak yang memang berkompetensi dalam masalah tersebut.

Gambar 14. Turbin Francis dengan Generator buatan Pindad berdaya 800 kW untuk PLTMH Sansarino