Bab 5 Pompa Aksial Berbeda dengan pompa sentrifugal pada bahasan sebelumnya yang bekerja dengan kecepatan spesifik rendah, pompa axial bekerja pada kecepatan spesifik yang tinggi, hal ini berarti penggunaan pompa axial ditujukan untuk sisten fluida dengan kapasitas alir yang tinggi dan kenaikan head yang rendah. Dalam menganalisa perpindahan energi dan kenaikan head fluida alir pada pompa axial digunakan prinsip yang sama yaitu persamaan Euler dan analisa segitiga kecepatan. Kontruksi dari sebuah pompa axial umumnya lebih sederhana, dan faktor penyebab kavitasi tidak menjadi perhatian utama karena kenaikan head yang rendah.
5.1 Pompa Aksial dalam Industri 5.2 Desain, Kontruksi dan Elemen Pompa Aksial 5.3 Segitiga Kecepatan 5.4 Kurva Karakteristik Pompa Ringkasan Kolom Kutipan Riset Soal-soal latihan Bab 5
5.1 Pompa Aksial dalam Industri
Pompa axial bekerja dengan kenaikan head maksimum hingga sekitar 20 m, oleh karena itu aplikasi dari pompa axial tidak banyak seperti pompa aliran campuran dan pompa sentrifugal. Walaupun begitu, pompa axial digunakan dalam beberapa aplikasi karena karakteristiknya, diantaranya yaitu : 1. Industri galangan kapal Pada industri galangan kapal dibutuhkan transportasi air yang ditujukan untuk mengosongkan air dari galangan. Hal ini dilakukan ketika proses pembuatan maupun pemeliharaan. Karena head yang dibutuhkan rendah maka pompa yang umum digunakan adalah pompa axial atau aliran campuran. 2. Pompa drainase Pompa drainase digunakan ketika dibutuhkan usaha untuk mengeringkan air hujan dari suatu daerah yang luas seperti lahan pertanian dan kota. Dalam hal ini diperlukan pompa berdiameter besar untuk mengangkut air dalam jumlah banyak. Karena head yang diperlukan umumnya rendah, maka dipergunakan pompa axial dan aliran campur. 3. Pelayanan pusat tenaga Dalam sebuah pusat pembangkit tenaga listrik,
ada beberapa kebutuhan akan
transportasi fluida seperti pompa air pengisi boiler, pompa kondensat, dan pompa pendingin. Untuk pompa pendingin, air disirkulasikan ke kondensor, dan dilepaskan lagi kemudian ke lingkungan. Untuk proses ini dibutuhkan kapasitas alir air yang besar dan head yang rendah, oleh karena itu dapat dipergunakan pompa axial. Namun jika dalam suatu sistem pendingin, air disirkulasikan ke menara pendingin, maka diperlukan pompa dengan kenaikan head yang lebih tinggi. Selain hal di atas, pompa axial juga dipergunakan dalam sistem sanitasi sebuah kota, yaitu untuk sistem transportasi air limbah.
5.2 Desain, Kontruksi dan Elemen Pompa Aksial
Sebuah pompa axial terdiri dari 3 komponen utama, yaitu poros penggerak, sudu putar, dan sudu tetap yang berada pada inlet dan outlet dari sudu putar. Head yang dikerjakan oleh pompa axial lebih disebabkan oleh gaya tangensial yang diberikan rotor ke ke fluida.
Gambar 5.1 Komponen pompa axial
Sudu putar pada rotor biasanya berjumlah 2 hingga 8 dan memiliki perbandingan diameter hub terhadap diameter impeller dengan kisaran 0.3-0.6. Pada umumnya, kontruksi dari sudu putar pada impeller memilki pitch tetap, namun untuk beberapa kasus seperti pembangkit tenaga hidro, sudu putar memilki pitch yang bisa disesuaikan dengan beban listrik. Soal 1. Sebutkan dan jelaskan elemen-elemen sederhana pompa aksial dibawah ini.
Gambar 5.2 Detail komponen pompa axial
A. Inlet : sisi masuk aliran fluida cair masuk ke dalam impeller secara aksial B. Mean diameter merupakan lokasi atau area tempat terjadi perubahan kondisi fluida cair yang mengalir masuk ke dalam impeller. C. Rotor blade merupakan impeller yang terdiri dari sejumlah blade yang berputar untuk mengalirkan aliran fluida cair pada arah aksial. D. Outlet guide vanes merupakan baling-baling statis yang bertujuan untuk meningkatkan energi kinetik dari aliran fluida yang dialirkan oleh rotor blade serta menghapus pusaran komponen kecepatan pada sisi keluar. D” inlet guide vanes merupakan baling-baling yang sifatnya statis untuk mengarahkan aliran air masuk ke dalam propeller. E. Outlet: sisi keluar aliran fluida F. Poros merupakan elemen yang memindahkan torsi dari motor listrik terhadap impeller G. Thrust bearing merupakan bantalan yang berfungsi untuk menahan gaya aksial fluida cair yang masuk ke dalam impeller.
5.3 Segitiga Kecepatan
Pada pompa axial tidak terdapat perbedaan antara radius impeller pada saat inlet dan outlet, sehingga nilai kecepatan putar U1 sama dengan U2. U1 = U2 = U = ωr
(5.1)
Karena memiliki luasan penampang aliran inet dan outlet yang sama, maka sesuai dengan persamaan 4.5 berlaku, Cr1 = Cr2 = Cr = Ca
(5.2)
Selain itu karena luasan penampang aliran inet dan outlet adalah anulus dari hub dan ujung sudu putar, maka kita dapat nyatakan kapasitas massa alir sebagai, m Ca ( Rt2 Rh2 )
(5.3)
Dari persamaan sebelumnya (4.4) diketahui,
E U (Cx 2 Cx1 ) / g Untuk kenaikan head maksimum maka dapat diasumsikan aliran masuk tanpa guncangan, dan tidak memiliki komponen tangensial (Cx1 = 0) dan C1 = Ca , sehingga
E (UCx 2 ) / g ; Cx 2 U Ca cot 2
Persamaan 4.4 untuk head atau energi maksimum yang dapat ditransfer menjadi, E U (U Ca cot 2 ) / g
(5.4)
Gambar 5.3 Segitiga kecepatan pada pompa axial
Soal
1. Mengapa bentuk blade pada pompa aksial dibuat membelit? Jawab: Berdasarkan persamaan yang diturunkan untuk perpindahan energi atau head yang maksimum diperoleh
Menjadi
Persamaan diatas mencakup perpindahan energi sepanjang blade dari hub ke tip. Perpindahan energi ini harus sama pada setiap nilai jari-jari blade dari hub ke tip sehingga menghasilkan perpindahan energi konstan. Namun nilai U2 meningkat seiring peningkatan jari-jari sehingga besarnya peningkatan U2 ini harus diatasi oleh besarnya peningkatan nilai yang sama. Karena Ca nilainya konstan maka nilai harus meningkat sehingga blade dibuat membelit sepanjang jari-jari dari hub ke tip. 2. Suatu Industri membutuhkan sebuah pompa aksial untuk mengalirkan air dengan laju aliran 1 m3/s pada head 7 m dengan kecepatan 960 rpm. Jika diameter hub dan tip impeller masing-masing sebesar 25 cm dan 50 cm. Tentukan (1) kecepatan aksial yang diasumsikan konstan dari hub ke tip (2)
daya yang dibutuhkan untuk menjalankan pompa jika efisisensi keseluruhan pompa (ηo)sebesar 84 %. Jawab: (1). Kecepatan aksial air yang dialirkan adalah
(2). Daya yang dibutuhkan pompa
3. Sebuah impeller mempunyai kecepatan absolut aliran keluar sebesar 12 m/s. Sudut keluar blade sebesar 60o sedangkan sudut masuk pada stator bagian hilir sebesar 45o masing-masing pada mean diameter yang diukur dari arah tangential putaran impeller. laju aliran air 1.5 m3/s. Jika diameter hub dan tip impeller masing-masing sebesar 0.4 m dan 0.8 m. Tentukan torsi yang diberikan oleh impeller. Abaikan semua kerugian sehingga perpindahan energi maksimum. Jawab: Mean Diameter
Laju aliran air adalah
Dari segitiga kecepatan
Head teoritis adalah
perpindahan energi maksimum,
Daya yang diberikan oleh impeller
Torsi yang diberikan oleh impeller
4. Sebuah pompa aliran aksial mempunyai propeller dengan diameter luar sebesar 75 cm dan diameter dalam 40 cm. Propeller itu kemudian berputar dengan kecepatan 500 rpm. Sudut masuk blade 12o dan sudut keluar blade 15o pada mean radiusnya. Tentukan head yang dihasilkan oleh pompa serta daya yg dibutuhkan untuk menjalankan pompa. Asumsikan perpindahan energi maksimum dan efisiensi hidrolik 88%, efisiensi keseluruhan pompa 81%. Jawab: Head teoritis pompa adalah
perpindahan energi maksimum, Mean Diameter
Kecepatan putar propeller
Dari segitiga kecepatan
Maka head teoritis pompa adalah
Head yang dihasilkan pompa adalah
Laju aliran
Daya yang dibutuhkan untuk menjalankan pompa
5.4 Kurva Karakteristik Pompa Karakteristik dari pompa axial memiliki perbedaan dengan pompa sentrifugal. Seperti yang terlihat pada gambar 2.3, kurva head-kapasitas dari pompa axial menunjukkan kenaikan head yang signifikan jika valve ditutup / kapasitas alir dikurangi pada kecepatan putaran motor yang konstan. Selain itu terlihat juga suatu ketidakstabilan pada head total di sekitar 140% - 160% dengan acuan head 100% adalah titik pada saat efisiensi tertinggi. Daya yang dikonsumsi motor (brake horsepower) pada saat valve tertutup penuh mencapai nilai maksimum, berbeda dengan pompa sentrifugal dimana pada saat valve ditutup daya
yang dikonsumsi motor bernilai minimum. Hal inilah yang menjadi alasan perbedaan teknis dalam mengoperasikan pompa axial dengan pompa sentrifugal dari keadaan awal yang diam.
Referensi :
1. Sularso & Haruo Tahara. 1983. Pompa dan Kompressor : Pemilihan, Pemakaian dan Pemeliharaan. Pradnya Paramita, Jakarta. 2. Sayers, A.T. 1990. Hydraulic and Compressible Flow Turbomachines. McGraw-Hill, Singapore 3. Kothandaraman, C.P. & R. Rudramoorthy. 2007. Fluid Mechanics and Machinery (second edition). New Age International, New Delhi. 4. Gorla, Rama S.R. & Aijaz A. Khan. 2003. Turbomachinery : Design and Theory. Marcel Dekker, New York. 5. Miller, Rex & Mark Richard Miller. 2004. Pumps and Hydraulics. Wiley, Indiana. 6. Munson, Bruce R. , Donald F. Young, Theodore H. Okiishi. 2002. Fundamentals of Fluid Mechanics. John Wiley & Sons, New York.
