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).