Dinamika Rotor Turbin Gas

Dinamika rotor turbin umumnya dimodelkan dengan teori getaran mekanik. Trend pembahasan saat ini dalam peralatan berputar mengacu pada peningkatan kecepatan desain, yang meningkatkan masalah operasional dari getaran; maka pentingnya menganalisis getaran. Analisis getaran secara komprehensif akan membantu dalam diagnosis masalah dinamika rotor.

Sistem getaran terbagi dalam dua kategori utama yaitu paksa dan bebas. Sebuah sistem bebas bergetar di bawah gaya yang melekat dalam sistem. Jenis sistem ini akan bergetar pada satu atau lebih frekuensi naturalnya, yang merupakan sifat elastis sistem. Getaran paksa adalah getaran yang disebabkan oleh gaya luar yang ditekan pada sistem. Getaran jenis ini berlangsung pada frekuensi gaya eksitasi, yang merupakan frekuensi independen dari frekuensi alami sistem. Saat frekuensi gaya eksitasi dan frekuensi natural sama, resonansi terjadi, dan amplitudo besar yang berbahaya dapat muncul. Semua sistem getar diatur pada beberapa bentuk redaman karena energi yang dihamburkan oleh gesekan atau hambatan lainnya.

Undamped Free System

Sistem ini adalah yang paling sederhana dari semua sistem getaran dan terdiri dari massa digantungkan pada pegas dengan massa yang dapat diabaikan (satu derajat kebebasan). Jika massa dipindahkan dari keseimbangan aslinya posisi dan dilepaskan, gaya tak seimbang, pemulihan (Kx) dari pegas, dan percepatan terkait melalui hukum kedua Newton. Persamaan yang dihasilkan:

mx” = -Kx atau x”+ (K/m)x = 0

Damped System

Redaman/damping adalah disipasi energi. Ada beberapa jenis redaman redaman viscous/kental, redaman gesekan atau coulomb, dan redaman padat. Redaman viscous ditemui oleh benda bergerak melalui cairan pelumas. Redaman gesekan biasanya muncul dari bidang luncur pada permukaan kering. Redaman padat, sering disebut redaman struktural, disebabkan oleh gesekan internal di dalam material itu sendiri.

mx” = -Kx – cx atau mx”+ Kx + cx = 0

Forced Vibration

Sejauh ini, studi tentang sistem getar terbatas pada getaran bebas di mana tidak ada input eksternal ke dalam sistem. Sebuah sistem getaran bebas bergetar pada frekuensi resonansi alaminya sampai getaran mereda karena disipasi energi dalam redaman. Sekarang pengaruh eksitasi eksternal akan dipertimbangkan. Dalam praktik, sistem dinamis dirangsang oleh gaya eksternal, yang juga periodik di alam. Gaya periodik yang diterapkan secara eksternal memiliki frekuensi ω, yang dapat bervariasi secara independen dari parameter sistem. Persamaan gerak untuk sistem ini dapat diperoleh dengan salah satu metode yang disebutkan sebelumnya. Pendekatan Newton akan digunakan di sini karena kesederhanaan konseptualnya. Diagram benda bebas dari massa m

Pertimbangan Desain

Frekuensi Alami. Parameternya untuk satu derajat kebebasan dirumuskan menjadi ω_n = √(k/m). Meningkatkan massa mengurangi ω_n, dan meningkatkan konstanta pegas k meningkatkan ω_n . Dari kajian sistem redaman, frekuensi alami redaman ω_d = ω_n √(1-ζ²) lebih rendah dari ω_n.

Ketidakseimbangan/Unbalances. Semua mesin yang berputar diasumsikan mengalami ketidakseimbangan. Ketidakseimbangan menghasilkan eksitasi pada kecepatan rotasi. Frekuensi alami dari sistem ω_n juga dikenal sebagai kecepatan poros kritis. Dari kajian sistem redaman paksa, dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut: (1) amplitudo rasio mencapai nilai maksimumnya pada ω_m = ω_n √(1-2ζ²), dan (2) frekuensi natural peredam ω_d tidak masuk dalam analisis sistem redaman paksa. Parameter yang lebih penting adalah ω_n, frekuensi alami dari sistem tidak teredam/undamped.

Dengan tidak adanya redaman rasio amplitudo menjadi tak terhingga pada ω = ω_n. Oleh karena itu, kecepatan kritis mesin yang berputar harus dijauhkan dari kecepatan operasinya. Mesin kecil melibatkan nilai massa m yang kecil dan memiliki nilai konstanta pegas k yang besar (kekakuan bantalan). Desain ini dapat menjadi acuan kelas mesin, yang berukuran kecil dan berkecepatan rendah dalam pengoperasiannya, untuk beroperasi dalam kisaran di bawah kecepatan kritis mereka. Kisaran ini dikenal sebagai operasi subkritis, dan sangat tinggi diinginkan jika dapat dicapai secara ekonomis.

Desain mesin besar berputar seperti kompresor sentrifugal, gas, dan turbin uap, dan generator listrik besar menimbulkan masalah yang berbeda. Massa rotor biasanya besar, dan ada batas atas praktis untuk ukuran poros yang dapat digunakan. Selain itu, mesin ini beroperasi dengan kecepatan tinggi.

Situasi ini diatasi dengan merancang sistem dengan kecepatan kritis yang sangat rendah di mana mesin dioperasikan di atas kecepatan kritis. Ini dikenal sebagai operasi superkritis. Masalah utamanya adalah bahwa selama start-up dan shut-down, mesin harus melewati kecepatan kritisnya. Untuk menghindari bahaya besar amplitudo selama melewati ini, redaman yang memadai harus ditempatkan di bantalan dan dasar/pondasi.

Frekuensi struktural alami dari sebagian besar sistem besar juga berada pada frekuensi rendah jangkauan, dan perawatan harus dilakukan untuk menghindari kopling resonansi antara struktur dan pondasi. Eksitasi dalam mesin berputar berasal dari memutar massa yang tidak seimbang. Ketidakseimbangan ini diakibatkan oleh empat faktor:

1. Distribusi massa yang tidak merata terhadap sumbu geometri sistem. Distribusi ini menyebabkan pusat massa berbeda dengan pusat rotasi.
2. Defleksi poros karena berat rotor, menyebabkan lebih jauh jarak antara pusat massa dan pusat rotasi. Tambahan perbedaan dapat terjadi jika poros memiliki tikungan atau busur di dalamnya.
3. Eksentrisitas statis diperkuat karena rotasi poros di sekelilingnya pusat geometris.
4. Jika didukung oleh bantalan jurnal, poros dapat menggambarkan orbit sehingga sumbu rotasi itu sendiri berputar di sekitar pusat geometris bantalan.

Gaya ketidakseimbangan ini meningkat sebagai fungsi dari ω, membuat desain dan pengoperasian mesin berkecepatan tinggi merupakan tugas yang kompleks dan menuntut. Menyeimbangkan adalah satu-satunya metode yang tersedia untuk menjinakkan gaya eksitasi ini.

>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL SEPUTAR KONVERSI ENERGI LAINNYA!

Kontributor: Daris Arsyada

By Caesar Wiratama

Sumber:

Boyce, Meherwan P. 2002. Gas Turbines Engineering Handbook: Second Edition. Texas: Gulf Professional Publishing.

Author: admin