Studi Numerik Pengaruh Jumlah Sudu Rotor Dan Temperatur Inlet Turbin Terhadap Performa 1,5 Stage Aachen Turbin Gas

Asadel, Fakih Rafi Bilal (2025) Studi Numerik Pengaruh Jumlah Sudu Rotor Dan Temperatur Inlet Turbin Terhadap Performa 1,5 Stage Aachen Turbin Gas. Other thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Text 5007211187-Undergraduate_Thesis.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only Download (4MB) | Request a copy

Abstract

Turbin gas dirancang untuk mengubah energi panas hasil pembakaran bahan bakar menjadi energi mekanik, yang kemudian dikonversi menjadi energi listrik oleh generator. Parameter penting yang memengaruhi nilai efisiensi dan daya yang dihasilkan oleh turbin adalah temperatur inlet turbin dan jumlah sudu rotor. Dalam penelitian ini, turbin aksial 1,5 stage (dua stator dan satu rotor) yang dirancang oleh Institute of Jet Propulsion and Turbomachinery at Aachen Technical University, dengan konfigurasi sudu awal 36 buah untuk stator dan 41 buah untuk rotor, dianalisis. Turbin beroperasi pada temperatur 308 Kelvin, tekanan 153,7 kPa, dan kecepatan putar 3500 rpm. Analisis dilakukan menggunakan metode Computational Fluid Dynamics (CFD) dengan perangkat lunak ANSYS CFX pada kondisi steady dan adiabatik. Model turbulensi k-ω Shear Stress Transport (SST), k-ε, dan Spalart-Allmaras dievaluasi, dengan SST menunjukkan hasil paling mendekati data eksperimen (selisih relatif 5,59% untuk kecepatan aksial, 0,39% untuk kecepatan tangensial, 0,24% untuk kecepatan absolut, dan 5,58% untuk sudut aliran pitchwise). Penelitian dilanjutkan dengan variasi jumlah sudu rotor (38, 41, dan 44 buah) dan variasi temperatur inlet (1000°C, 1200°C, 1400°C, dan 1600°C) untuk menganalisis performa turbin. Hasil simulasi menunjukkan bahwa perubahan jumlah sudu rotor memberikan pengaruh signifikan terhadap efisiensi dan daya turbin. Jumlah sudu 44 buah menghasilkan efisiensi tertinggi sebesar 70,71% dan daya tertinggi sebesar 142,76 W, mengungguli variasi 38 dan 41 sudu. Efisiensi optimal ini didukung oleh nilai entropi terendah dan minimalnya rugi-rugi aliran seperti separasi dan gesekan, sebagaimana divisualisasikan pada kontur tekanan dan kecepatan. Untuk variasi temperatur inlet, peningkatan temperatur inlet secara konsisten meningkatkan daya keluaran turbin (dari 140,65 W pada 1000°C menjadi 148,73 W pada 1600°C), namun justru menurunkan efisiensi secara signifikan (dari 69,66% pada 1000°C menjadi 61,19% pada 1600°C). Penurunan efisiensi ini disebabkan oleh peningkatan rugi-rugi ireversibel (gesekan, separasi, shock loss, secondary flow) dan perubahan sifat fluida pada temperatur yang lebih tinggi. Ketika dilakukan kombinasi, jumlah sudu 44 dan temperatur inlet 1000°C terbukti menghasilkan efisiensi tertinggi (70,71%) karena pressure loss dan area separasi yang minimal. Di sisi lain, kombinasi jumlah sudu 44 dan temperatur inlet 1600°C menghasilkan daya keluaran paling tinggi (150,76 W), meskipun disertai dengan efisiensi yang lebih rendah akibat peningkatan rugi-rugi pada temperatur ekstrem. Hal ini mengindikasikan adanya trade-off antara efisiensi dan daya pada kondisi operasi tertentu. Keberadaan vortex pada trailing edge rotor dan stator di semua variasi juga berkontribusi pada penurunan efisiensi secara umum. Dengan demikian, pemilihan parameter operasional yang tepat menjadi kunci dalam meningkatkan performa turbin gas.
========================================================================================================================
Gas turbines are designed to convert thermal energy from fuel combustion into mechanical energy, which is then transformed into electrical energy by a generator. Key parameters influencing turbine efficiency and power output are turbine inlet temperature and rotor blade count. This research analyzes an axial turbine, a 1.5-stage configuration (two stators and one rotor) designed by the Institute of Jet Propulsion and Turbomachinery at Aachen Technical University, initially featuring 36 stator blades and 41 rotor blades. The turbine operates at a temperature of 308 Kelvin, a pressure of 153.7 kPa, and a rotational speed of 3500 rpm. Analysis was performed using Computational Fluid Dynamics (CFD) with ANSYS CFX software under steady and adiabatic conditions. Turbulence models including k-ω Shear Stress Transport (SST), k-ε, and Spalart-Allmaras were evaluated, with SST demonstrating the closest agreement to experimental data (relative deviations of 5.59% for axial velocity, 0.39% for tangential velocity, 0.24% for absolute velocity, and 5.58% for pitchwise flow angle). The study then proceeded with variations in rotor blade count (38, 41, and 44 blades) and turbine inlet temperature (1000°C, 1200°C, 1400°C, and 1600°C) to assess their impact on turbine performance. Simulation results indicate that changes in rotor blade count significantly affect both turbine efficiency and power. A rotor blade count of 44 yielded the highest efficiency at 70.71% and the highest power output at 142.76 W, outperforming the 38 and 41 blade variations. This optimal efficiency is supported by the lowest entropy values and minimal flow losses such as friction and separation, as visualized in the pressure and velocity contours. For inlet temperature variations, an increase in inlet temperature consistently enhanced turbine power output (from 140.65 W at 1000°C to 148.73 W at 1600°C), but concurrently led to a significant decrease in efficiency (from 69.66% at 1000°C to 61.19% at 1600°C). This efficiency reduction at higher temperatures is attributed to increased irreversible losses (friction, separation, shock loss, secondary flow) and changes in fluid properties. When considering combined variations, the combination of 44 rotor blades and an inlet temperature of 1000°C demonstrated the highest turbine efficiency (70.71%) due to minimal pressure loss and reduced separation areas. Conversely, the combination of 44 rotor blades and an inlet temperature of 1600°C resulted in the highest power output (150.76 W), albeit with lower efficiency due to elevated losses at extreme temperatures. This highlights a critical trade-off between efficiency and power under different operating conditions. The presence of vortices at the trailing edge of both rotor and stator blades across all variations also contributed to a general reduction in efficiency. Thus, selecting appropriate operational parameters is crucial for enhancing gas turbine performance.

Item Type:	Thesis (Other)
Uncontrolled Keywords:	Turbin 1,5 Stage, CFD, Jumlah Sudu Rotor, Temperatur Inlet Turbin, 1.5-Stage Turbine, CFD, Rotor Blade Count, Turbine Inlet Temperature
Subjects:	T Technology > TJ Mechanical engineering and machinery > TJ266 Turbines. Turbomachines (General)
Divisions:	Faculty of Industrial Technology > Mechanical Engineering > 21201-(S1) Undergraduate Thesis
Depositing User:	Fakih Rafi Bilal Asadel
Date Deposited:	31 Jul 2025 08:56
Last Modified:	31 Jul 2025 08:56
URI:	http://repository.its.ac.id/id/eprint/124332

Actions (login required)

View Item