03 Dec
4:11

Nozzle yang Dibor di Turbin Supersonik

Kebanyakan desainer mengasosiasikan nozel yang dibor dalam mesin turbo dengan sesuatu yang eksotis, belum dipetakan, dan spesifik hanya untuk sejumlah kecil turbin beban tinggi yang beroperasi dengan penurunan tekanan tinggi. Sementara itu, banyak insinyur tidak menyadari bahwa desain nosel ini telah diterapkan sejak mesin turbo pertama.

Karl Gustaf Patrik de Laval mematenkan turbin dengan nozel konvergen-divergen asimetris pada tahun 1888. Pada saat itu bentuk nosel memungkinkannya mencapai transformasi energi kinetik yang lebih efektif dan memiliki tingkat kinerja turbin yang sama sekali baru.

Gambar 1 – Turbin Laval dengan Nozel Bor. Sumber

Lebih dari seratus tahun kemudian, nozel yang dibor (atau nozel asimetris, nozel Laval) telah banyak digunakan dalam mesin roket, kendaraan terbang, turbin penggerak, turbin ORC, dan unit lain yang biaya rendah dan kendala dimensi berat memainkan peran penting.

Meskipun berbagai aplikasi turbin dengan nozel ini luas, masing-masing memiliki fitur spesifiknya sendiri.

Nozel yang Dibor

Karakteristik utama dari nozel yang dibor dalam turbin (Gbr. 2) adalah input masuk sebagian, penurunan panas yang tinggi per tahap pertama, reaksi rendah, dan jumlah tahap yang rendah.

Gbr. 2 - Turbin dengan Jalur Aliran Nozel yang Dibor di AxSTREAM
Gbr. 2 – Jalur Aliran Turbin (dengan Nozel yang Dibor) di AxSTREAM®

Untuk turbin ini, titik paling kritis selama proses desain adalah desain nosel pertama. Nosel supersonik pertama menyediakan throughput turbin. Transformasi energi kinetik utama dan bagian utama dari penurunan panas isentropik yang tersedia berhubungan dengan nozel pertama. Alhasil, angka Mach di bagian outlet nozel bisa mencapai 3.0 bahkan lebih tinggi. Untuk beroperasi dalam rezim seperti itu, saluran baling-baling konvergen-divergen lebih disukai.

Saluran Vane Konvergen-Divergen

Saluran baling-baling konvergen-divergen di turbin dapat diimplementasikan dengan nozel yang dibor maupun nozel yang digiling (saluran persegi panjang). Untuk kedua jenis nosel, desain bagian percepatan divergen (supersonik) didasarkan pada metode karakteristik yang pengaruh utamanya memiliki parameter fluida kerja dan nomor Mach keluaran. Sebagai hasil perhitungan, rasio pemuaian, panjang bagian divergen (sudut pemuaian), dan bentuk konturnya dapat ditentukan.

Sudut Outlet Nozzle

Salah satu parameter penting yang dipilih selama langkah pertama desain turbin adalah sudut outlet nozzle Akeluar (Gbr. 3). Kisaran khas untuk sudut ini (sudut pengeboran) adalah antara 12 dan 30 derajat (arah tan.). Nilai yang lebih rendah menyebabkan masalah terkait dengan ketebalan dinding yang kecil antara saluran yang berdekatan.

Gambar 3 - Parameter Nozzle yang Dibor
Gambar 3 – Parameter Nozzle yang Dibor

Sudut ekspansi Aexp dari bagian yang berbeda biasanya tidak melebihi 14 atau 15 derajat. Sudut yang lebih tinggi memungkinkan penurunan dimensi aksial nosel tetapi meningkatkan kemungkinan pemisahan aliran.

Kontur bagian yang berbeda dapat dirancang secara kerucut serta diprofilkan mirip dengan nozzle Laval. Varian kedua memungkinkan untuk mencapai efisiensi tertinggi dengan kinerja terendah pada mode off-design mesin turbo.

Kekurangan dari Nozel yang Dibor

Kerugian yang jelas dari nozel yang dibor adalah ketidakmampuan untuk memberikan input masuk penuh, diameter luar yang lebih tinggi pada saluran masuk (Gbr. 4), dan parameter dimensi berat nozel yang lebih tinggi dibandingkan dengan nozel yang digiling.

Gambar 4 - Turbin Dua Tahap dengan Nozzle Bor di AxSTREAM®
Gambar 4 – Turbin Dua Tahap dengan Nozzle Bor di AxSTREAM®

Bentuk area outlet nozzle adalah elips. Karena fakta ini, ketebalan “trailing edge” bervariasi sepanjang radius dan meningkat secara substansial dari radius rata-rata ke hub dan tip, yang juga meningkatkan ketidakrataan distribusi parameter di sepanjang radius. Untuk mengurangi pengaruh negatif ini, nozel dapat ditempatkan dengan tumpang tindih (Gbr. 5).

Gambar 5 - Tumpang Tindih Nozel
Gbr. 5 – Tumpang Tindih Nosel

Meskipun kerugian trailing edge menurun dalam kasus tumpang tindih, kerugian yang disebabkan oleh gelombang kejut akibat pencampuran jet supersonik di wilayah antara elips meningkat pada saat yang sama. Hubungan antara kerugian ini menentukan tumpang tindih yang optimal dan tergantung pada parameter geometris nosel.

Keuntungan dari Nozel yang Dibor

Manfaat dari nozel yang dibor adalah desain yang sederhana, waktu pembuatan yang lebih singkat, keseragaman pola aliran yang lebih tinggi di bagian yang berbeda dari nosel, dan mengesampingkan kerugian sekunder.

Selain itu, proses desain nozel yang dibor membutuhkan waktu lebih sedikit dibandingkan dengan nozel yang digiling. Tantangan utama yang ditemukan dalam profiling nosel giling meliputi pertimbangan distribusi parameter sepanjang tinggi sudu, ketidakpastian dengan transformasi konformal antara bidang dan permukaan silinder yang digunakan saat merancang bagian nosel, dan pengaruh fillet.

Kisaran yang wajar dari aplikasi nosel bor dibatasi oleh kisaran angka Mach dari 1,8 hingga 2,0. Di wilayah bilangan Mach yang lebih rendah, intensitas efek aliran supersonik berkurang yang mengurangi bagian divergen dan membuat konvergensi yang lebih efektif secara aerodinamis.

Dalam beberapa kasus, penerapan nozel yang dibor di daerah dengan jumlah Mach yang lebih rendah dapat dibenarkan dengan pengurangan biaya, pengurangan tenaga kerja, dan kebutuhan akan mesin yang lebih kompak dengan jumlah tahapan yang rendah.

Referensi:

1 Abramov V., Filipov G dan V. Frolov “Turbin raschet Teplovoy” [Turbine design], Moskow, Machinostroenie, 1974 (di Rusia)

2 Barber R. dan M. Schultheiss “Pengaruh geometri nosel pada kinerja di luar desain turbin impuls masuk parsial”, Sundstrand. Laporan AER No. 486 April 1967 NONR Kontrak No N00014-66-C0204.

3 Yemin O. dan C. Zaritsky “Vozdushnie I gazovie turbinyi s odinochnyimi soplamy” [Air and gas turbines with single nozzle], Moskow, Machinostroenie, 1975 (di Rus).

4 Johnston, IH dan Dransfield, DC Kinerja Uji Tahap Turbin Berbeban Tinggi Dirancang untuk Rasio Tekanan Tinggi. ARC R&M 3242, 1959.

5 Matveev V dan A. Sulinov “Proektirovanie odnostupenchatih i dvuhstupenchatih avtonomnyih turbin turbonasosnyix agregatov gidkostnyix rakentyih dvigateley” [Design of single-stage and 2-stages turbopump turbine for liquid rocket engines], Samara, 2011 (dalam bahasa Rusia)

6 Nichols K., “Cara memilih mesin turbo untuk aplikasi Anda”, perusahaan teknik Barber-Nichols, Arvada, Colorado, AS, 2012.

7 Paten US 522066 Turbin uap, CGP de Laval, 1894.

8 Sebelev A. “Sovershenstvovanie malorazmernyih turbin s osesimmetrichnyimi soplami” [Improvement of low-scale turbines with asymmetric nozzles], tesis Ph.D, Universitas Politeknik Peter the Great St. Petersburg, 2017 (di Rus).

9 Seume J, Peters M. dan H. Kunte “Desain dan pengujian generator turbin supersonik ORC 10kW”, Jurnal Fisika: Seri Konferensi 821 (2017), Nr. 1, 12023.

10 Stratford B. dan G. Sansome “ Kinerja nozel turbin supersonik”, ARC R & M 3273, 1959.

« »