TUGAS RESUME

POMPA DAN KOMPRESOR

Disusun oleh:

ARNOLD THAMRIN HALOMOAN

I0410009

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

APRIL 2014

A. NUMERICAL AND EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF CAVITATION IN

AXIAL PUMPS

(Nabil H. Mostafa & Boraey, 2007). Pompa aksial digunakan secara ekstensif dalam

industri; namun penelitian mengenai kavitasi pada pompa aksial terbatas. Sebagian besar

percobaan dilakukan pada hidrofoil tunggal di berbagai sudut insiden, angka kavitasi, dan

suhu aliran bebas, untuk mengetahui karakteristik ketidakstabilan kavitasi dan dampak dari

efek termal sebagai kavitasi (A. Cervone, C. Bramanti, E. Rapposelli, & Agostino, 2006).

Sebuah model eksperimental dan teoritis dikembangkan untuk menggambarkan perilaku

tidak stabil kavitasi, termasuk awan uap lepas sekitar 3D-hydrofoils (Mostafa et al., (2000),

Singhal et al., 2002 dan Mostafa (2001)).

Dalam penelitian ini, simulasi numerik dilakukan untuk mensimulasikan tiga dimensi

persamaan Navier-Stokes yang stabil, perilaku kavitasi pompa aksial dengan minat khusus

dalam geometri rongga, tekanan dan bidang fraksi hampa. Juga, termasuk efek turbulensi dan

viskositas fluida. Bentuk kavitasi akan ditentukan pada baling-baling dan medan aliran tiga

dimensi di sekitar baling-baling yang berkavitasi dan pada daerah wake akan dilakukan

perhitungan. Perilaku makroskopik gelembung uap akan dibahas melalui efek tekanan,

kecepatan dan turbulen. Hasil numerik diverifikasi secara eksperimental.

1. Cara Kerja Eksperimen

Sebuah rig uji pompa aksial khusus digunakan untuk mempelajari perilaku kavitasi

pompa pada kondisi operasi yang berbeda. Percobaan dilakukan di Laboratorium Hidrolik

di Zagazig University, Mesir. Rig tes adalah siklus tertutup air pompa aksial / Kaplan

turbin. Pompa ini terdiri dari impeller empat-blade. The miring Model fourblade impeller

memiliki radius R = 0.05 m. Baling-baling sudut dapat disesuaikan sesuai kebutuhan dari

0 sampai 30 derajat. Poros impeller dilengkapi dengan rotary encoder untuk mengukur

kecepatan rotasi. Rig tes memungkinkan pengukuran laju aliran. dan variasi tekanan

sepanjang casing pompa. Akses optik ke bagian pompa dimungkinkan melalui casing

Perspex silinder. Foto tersebut diambil menggunakan kamera video dengan kecepatan 30

fps dan lampu stroboskopik disinkronkan dengan kecepatan rotasi pompa. Foto-foto

menunjukkan rongga dikembangkan sepanjang terdepan pisau untuk membandingkannya

dengan hasil numerik.

2. Latar Belakang Teori

Pendekatan dasar adalah dengan menggunakan aliran viskos standar, persamaan Navier-

Stokes, dengan ketentuan untuk kepadatan variabel dan model turbulensi konvensional,

seperti model K-ε.

Kepadatan Campuran (ρ) adalah fungsi dari fraksi massa uap (f), yang dihitung dengan

memecahkan persamaan transport bersamaan dengan persamaan konservasi massa dan

momentum. Hubungan ρ-f adalah:

Dalam aliran dua fase, penggunaan fraksi volume uap (α) juga cukup umum.

Oleh karena itu, disimpulkan dari f sebagai berikut:

Persamaan transport untuk uap ditulis sebagai berikut:

Persamaan dari Re dan Rc telah diturunkan dari bentuk tereduksi dari persamaan

Rayleigh-Plesset (Hammitt, 1980), yang menggambarkan dinamika gelembung tunggal

dalam domain cair yang tak terbatas. Persamaan untuk Re dan Rc adalah:

Kavitasi biasanya terjadi di sekitar daerah bertekanan rendah (atau kecepatan tinggi

lokal), di mana efek turbulensi yang cukup signifikan. Secara khusus, fluktuasi tekanan

turbulen memiliki pengaruh yang signifikan pada arus kavitasi. Besarnya fluktuasi

tekanan diperkirakan dengan menggunakan korelasi empiris berikut (Pereira et al, 2004.):

Nilai tekanan threshold perubahan fase adalah sebagai berikut:

Telah diketahui bahwa arus kavitasi sensitif terhadap adanya gas non-terkondensasi.

Dalam kebanyakan cairan, ada sejumlah kecil gas non-terkondensasi muncul dalam

kondisi terlarut dan/atau campuran. Sebagai contoh, air laboratorium umumnya memiliki

15 ppm udara terlarut di dalamnya. Dalam aplikasi lain, misalnya, baling-baling kapal

laut, dan sebagainya, jumlah ini mungkin jauh lebih besar. Dalam model ini, gas non-

terkondensasi disertakan dengan menentukan fraksi massa pada inlet. Nilai ini tetap

konstan di seluruh domain perhitungan. Namun, kepadatan yang sesuai (dan karenanya

fraksi volume) bervariasi secara signifikan dengan tekanan lokal. Hukum gas sempurna

digunakan untuk menjelaskan ekspansi (atau kompresibilitas) gas; yaitu

Perhitungan kepadatan campuran dimodifikasi menjadi:

Sekarang diperoleh rumus berikut untuk fraksi volume uap (αv) dan gas (αg):

Fraksi volume gabungan dari uap dan gas (yaitu, αv + αg) disebut sebagai Fraksi Void (α).

Dalam aplikasi praktis, untuk penilaian kualitatif dari luas dan lokasi kavitasi, peta kontur

fraksi void (α) penting untuk menentukan lokasi dan bentuk gelembung.

3. Hasil dan Pembahasan

Bentuk kavitasi ditentukan atas baling-baling. Selain itu, perilaku makroskopik formasi

dan transportasi gelembung uap dibahas melalui efek dari tekanan, kecepatan dan

turbulensi.

Gambar (2) menunjukkan distribusi tekanan eksperimental di casing sepanjang arah

aksial di tiga sudut blade, 10o, 20o dan 30o. Hasil ini diperoleh secara eksperimental pada

kecepatan impeller 3000 rpm. Untuk untuk mensimulasikan rotasi dalam grid terstruktur

rotor, kerangka berputar grid diasumsikan di sekitar sumbu rotor. Untuk mencocokkan

antara distribusi tekanan dihitung dan tekanan eksperimental, slip kecepatan faktor frame

berputar sama dengan 0.67. Kavitasi hanya ada pada kondisi sudut blade 30o.

Gambar (2) Distribusi tekanan eksperimental pada casing sepanjang arah aksial

Gambar (3) merupakan tekanan total pada sudut blade 30o, kecepatan running impeller

3000 rpm dan faktorkecepatan slip 0,67. Gambar (3.a, 3.b dan 3.c) menunjukkan total

kontur tekanan di sisi isap, sisi tekanan dan permukaan rotor. Secara umum, total tekanan

minimum terletak di sisi hisap. Tekanan total bervariasi dari maksimum ke minimum di

sisi suction seperti yang ditunjukkan dalam angka sebelumnya.

(a) (b)

(c)

Gambar (3). Total kontur tekanan sekitar rotor pada 3000 rpm dan CN = 0,67

Gambar (4) menunjukkan kavitas stabil dihitung untuk kecepatan pompa 3000 rpm dan faktor

kecepatan slip 0.67. Dibandingkan dengan gambar (5), gambar eksperimental menunjukkan

bentuk rongga dan lokasi yang mirip dengan prediksi secara numerik.

Gambar (4) Pemodelan kavitas pada 3000 rpm dan CN = 0,67

Gambar (5) Kavitas eksperimen pada 3000 rpm

B. DETECTION OF CAVITATION EROSION IN CENTRIFUGAL PUMPS

(Chan, 1988) Bahwa keberadaan kavitasi tidak berarti erosi pasti akan terjadi telah

lama diakui oleh desainer dan insinyur hidrolik. Tetapi deteksi ketika erosi dimulai sampai

sekarang selalu sulit dipahami dan tidak terprediksi. Hal ini dapat dikaitkan dengan

kompleksitas kondisi aliran dan ketidakmampuan untuk menganalisa atau memodelkan

kondisi seperti dalam lingkungan terkendali.

Dalam industri desainer hidrolik menjamin produk mereka head drop hingga 3%,

tetapi mereka juga menyadari bahwa kavitasi erosif dimulai jauh sebelum head drop 3%.

Untuk menghindari kavitasi sepenuhnya itu tidak praktis karena kondisi inlet sebagian besar

akan terpapar pada sistem operasi dan dengan demikian mengurangi fleksibilitas dari

keseluruhan sistem. Pengalaman industri telah menunjukkan bahwa pompa beroperasi di

bawah kavitasi baru jadi tidak mengalami erosi berat yang merugikan umur blade. Sebagai

akibat dari masalah tersebut, beberapa desainer hidrolik telah mengusulkan gagasan bahwa

risiko erosi dimulai segera setelah ada kemunculan pertama gelembung uap (NPSH berkaitan

dengan kemunculan pertama dari gelembung uap dinotasikan dengan f '). Meskipun ini akan

meningkatkan range tekanan yang dapat dioperasikan, tidak dapat dipungkiri bahwa

penempelan pertama gelembung uap tidak selalu menyebabkan erosi kavitasi. Gelembung

uap tersebut harus dibawa ke kolaps dekat dengan permukaan bergerak untuk bisa

menyebabkan erosi.

Mengingat masalah yang disebutkan di atas, eksperimen di ENSAM telah dilakukan

untuk menentukan dan untuk membuktikan keberadaan NPSH erosif (dengan ini

dilambangkan dengan fc) jauh sebelum risiko erosi dimulai.

1. Instrumentasi

Percobaan dilakukan di sirkuit tertutup ditunjukkan pada Gambar 6. Impeller memiliki

diameter luar 249 mm dan diameter inlet 213-mm. Diameter hisap dan discharge 250

mm. Sebuah tabung kaca, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, membuat visualisasi

dan fotografi dari baling yang mungkin. Pencahayaan disediakan oleh stroboscope tipe

1540, dan pulsa cahaya disetel frekuensinya dengan kecepatan rotasi impeller itu.

Manometer merkuri-air yang digunakan untuk mengukur NPSH dan head dikembangkan

oleh impeller. Karena ketika tes erosi pada impeller mahal dan membutuhkan waktu

lama, peneliti menggunakan cat timbal microionized untuk menunjukkan permukaan

terkikis.

Gambar (6) Diagram skematis layout ekspoerimen

Dengan metode tracing mesh, kotak finite kecil (5 mm dengan 5 mm) akan ditelusuri

pada sisi hisap dari baling. Hal ini memungkinkan luas permukaan yang terkikis untuk

diukur (Gambar 7). Lokasi zona terserang oleh kavitasi juga dapat dilihat berkenaan

dengan bentuk yang sesuai dari awan kavitasi. Metode ini memungkinkan evaluasi

dengan hasil langsung tanpa pembongkaran dan pemasangan kembali sistem, yang

memakan waktu dan akan mengubah kondisi eksperimental.

Gambar (7) Konfigurasi meshlike ditelusuri pada baling-baling

Pengujian dilakukan pada 1450 r / min dan 1150 r / min. Karena bentuk kavitasi hanya

dapat divisualisasikan pada sisi hisap impeller, tes erosi pada impeller dilakukan untuk Q

<Q adaptasi. Laju alir yang dipilih ditunjukkan pada Tabel 1. Laju aliran pada 1150r/min

dipilih sehingga mirip dengan yang di 1450 r/min.

Tabel (1) Pilihan kecepatan dan laju aliran untuk eksperimen

NPSH sistem ini bervariasi dari 6 m hingga 18 m untuk setiap laju aliran. Baling-baling

diamati pada interval 30 menit. Pengamatan langsung dari permukaan terkikis

memungkinkan plotting S (luas permukaan yang hilang dalam milimeter persegi)

terhadap waktu dalam jam. Untuk laju aliran yang diberikan, dengan NPSH sistem

menurun, kavitasi leading edge dimulai, diikuti oleh kavitasi berkembang dan penurunan

3% di head. Inti dari metode yang digunakan adalah bahwa pada fc laju erosi

(dilambangkan dengan τ = S/T mm2/h) adalah nol. Ketika NPSH yang menurun di bawah

fc, tingkat erosi meningkat; sehingga dengan memplot laju erosi dibandingkan NPSH, kita

akan memiliki kurva dari bentuk yang ditunjukkan pada Gambar 8. Titik potong kurva

dengan sumbu horisontal memberi fc.

Gambar (8) Grafik τ-NPSH

2. Diskusi

Gambar 9 (a) dan (b) menunjukkan tren secara umum untuk variasi permukaan terkikis

seiring waktu untuk kecepatan impeller 1450 r/min dan 1150 r/min. Untuk N = 1450

r/min kami mengamati bahwa untuk resirkulasi Q<Q resirkulasi, kurva S = f(T) memiliki

bentuk mirip dengan kurva. Pengamatan langsung untuk zona terkikis menunjukkan

bahwa aliran tidak stabil dan bahwa "pittings" didistribusikan ke seluruh sisi hisap baling.

Untuk resirkulasi Q>Q, kurva S = f(T) memiliki bentuk mirip dengan kurva b dan c.

Bahkan untuk kurva b zona terkikis relatif lebih terkonsentrasi dan setelah waktu T0

peningkatan luas permukaan terkikis tidak signifikan. Oleh karena itu kita bisa

memperkirakan kedalaman zona terkikis meningkat. Hasil ini dari letupan berulang

gelembung yang pecah berada pada daerah yang sama. Kurva c sesuai dengan keadaan

kavitasi di mana luas permukaan yang terkikis kecil. Hal ini dapat dijelaskan baik oleh

fakta bahwa intensitas letupan tidak cukup untuk memancing erosi atau bahwa letupan

terjadi pada jarak terlalu jauh untuk memulai kerusakan.

(a) (b)

Gambar (9) Variasi S dengan peningkatan T pada a) 1450 r/min; b) 1150 r/min

Untuk N = 1150 r / min kurva S = f (T) ditunjukkan dalam Gambar 9 (b) mirip dengan

kurva c pada Gambar 9 (a). Pengurangan luas permukaan terkikis dapat dikaitkan dengan

pengurangan kecepatan impeller itu. Meskipun S = f(T) kurva memiliki bentuk yang

sama, hasil eksperimen menunjukkan bahwa untuk Q <Q resirkulasi, zona terkikis sudah

terdistribusi keseluruhan, sedangkan untuk Q> Q resirkulasi zona terkikis relatif

terkonsentrasi.

Gambar 10 mengilustrasikan salah satu hasil eksperimen di mana fc dapat dideduksi untuk

laju aliran tertentu. Kami juga mencatat adanya laju erosi maksimum dan laju erosi

minimum antara fc dan NPSH-3%. NPSH yang berhubungan dengan tingkat erosi

maksimum dan minimum akan dilambangkan dengan fmax dan fmin, masing-masing.

Gambar 10 Variasi τ terhadap NPSH pada eksperimen

Secara umum, variasi T terhadap NPSH dapat dinyatakan dalam Gambar 11. Oleh karena

itu penggunaan NPSH-3% sebagai patokan untuk menghindari erosi tidak dapat

dibenarkan, karena terletak di sisi kiri untuk fmi,. Pengamatan secara visual terhadap

keadaan kavitasi menunjukkan lembaran kavitasi yang sangat berkembang pada NPSH-

3%.

Gambar 11. Tren umum τ terhadap NPSH

Tabel 2 menabulasikan rasio fc/f ' untuk kecepatan 1450 r/min dan 1150 r/min. Bahkan,

penggunaan f' sebagai patokan meningkatkan jangkauan operasi pompa dibandingkan

dengan kasus di mana pompa harus beroperasi dalam keadaan non-kavitasi. Namun,

patokan ini subyektif karena deteksi pelepasan gelembung pertama sangat sulit diamati

melalui observasi saja. Selain itu, pelepasan gelembung pertama tidak selalu

menyebabkan erosi. Dari percobaan ini, kriteria fc yang diamati selalu lebih kecil dari f' ,

sehingga rentang operasi dapat ditingkatkan. Hal ini menunjukkan pengurangan biaya

operasi, karena NPSH yang diperlukan untuk menghindari erosi dapat dikurangi.

Tabel (2) Nilai fc/f' untuk 1450 dan 1150 r/min

Gambar 12 (a) dan (b) menjelaskan karakteristik dari impeller sentrifugal dan berbagai

kriteria yang telah kita bahas.

(a) (b)

Gambar (12) Karakteristik impeller pada a) 1450 r/min; b) 1150 r/min

Bentuk kavitasi tipikal ditunjukkan pada Gambar 13, dimana awan kavitasi diamati

dekat hub, dan lembaran kavitasi yang relatif stabil diamati dekat selubung.

Gambar (13) Bentuk kavitasi pada 1450 r/min, 160 I/s, dan

NPSH=11.5 m

DAFTAR PUSTAKA

Nabil H. Mostafa, and Boraey, M.A., 2007, Numerical and Experimental Investigation of Cavitation in Axial Pumps.

A. Cervone, C. Bramanti, E. Rapposelli, and Agostino, L., 2006, Thermal Cavitation Experiments on a Naca 0015 Hydrofoil, Transactions of the ASME, Journal of Fluids Engineering, Vol. 128 pp. 326-331.

Chan, W.K., 1988, Detection of Cavitation Erosion in Centrifugal Pumps, Butterworth, Vol. 9 (1).