Studi dan Simulasi Getaran pada Turbin Vertikal Aksis Arus Sungai

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMITS Vol, No, () -6 Studi dan Simulasi Getaran pada Turbin Vertikal Aksis Arus Sungai Anas Khoir, Yerri Susatio, Ridho Hantoro Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl Arief Rahman Hakim, Surabaya 6 E Mail: hantoro@epitsacid Abstrak - Suatu fenomena yang terjadi pada poros yang bergerak pada suatu kecepatan tertentu akan menimbulkan getaran Kecepatan yang menimbulkan getaran adalah bila berlangsung dalam waktu yang cukup lama, hal ini mengakibatkan kegagalan pada komponen-komponen pendukung yang bekerja tidak sesuai dengan fungsinya Salah satu tipe getaran yang terjadi pada poros adalah getaran lateral Getaran lateral timbul bila kondisi kerja sistem sama dengan frekuensi natural sistem yaitu 6,6 Hz dan 498,3 Hz Oleh karena itu sangatlah perlu mengetahui harga frekuensi natural sistem karena kemungkinan dalam jangkauan kondisi kerja yang mendekati frekuensi natural sistem Metode yang digunakan untuk menganalisa dinamika sistem dua derajat kebebasan yaitu state space Dari hasil simulasi dengan metode state space pada kecepatan 5 m/s, 6 m/s, 4 m/s dan m/s diperoleh resultan simpangan maksimum pada r, x -9 (m), simpangan minimum pada r 8,6 x -5 (m) dan simpangan maksimum r,3 x -8 (m), simpangan minimum 8,5 x -5 (m) Kata Kunci getaran, frekuensi natural, statespace D I PENDAHULUAN ALAM upaya peningkatan sumber energi listrik untuk memenuhi kebutuhan masyarakat perlu adanya sumber energi terbarukan agar tidak merusak fosil seperti minyak bumi, gas alam dan batu bara yang salama ini digunakan sebagai sumber energi Cadangan fosil di Indonesia sudah menipis sehingga konversi energi sangat diperlukan sebagai pengganti energi fosil yang sudah melai habis Salah satu dari sumber energi terbarukan pengganti fosil yaitu aliran arus sungai yang banyak ditemukan di Indonesia Pembangkit listrik tenaga air menjadi salah satu pilihan dalam pemanfaatan sumber energi terbarukan Turbin merupakan salah satu teknologi konversi energi alternatif yang mulai banyak dimanfaatkan oleh negara negara maju dan berkembang Salah satu pengembangan turbin adalah turbin jenis vertikal aksis arus sungai, Terdapat dua macam turbin yang dapat digunakan, yaitu Turbin Vertikal Aksis (VAT) dan Turbin Horisontal Aksis (HAT) Penelitian-penelitian dilakukan dengan tujuan perbaikan efisiensi dengan melakukan analisa terhadap variabel yang mempengaruhi Salah satu aspek yang penting dalam kinerja sebuah turbin adalah pengaruh getaran (vibrasi) yang selalu muncul karena adanya eksitasi Pada kasus turbin vertikal aksis arus sungai gerakan lateral turbin disebabkan oleh aliran arus sungai yang melewati turbin sehingga dan mendorong turbin sehingga terjadi adanya getaran Tetapi dalam hal ini kecepatan arus sungai selalu berubah-ubah dan ini akan berpengaruh terhadap gaya dengan posisi blade juga selalu berubah sesuai dengan sudut putar dan waktu tertentu Shaft sebagai tumpuan utama gaya pada blade rentan mengalami kerusakan, patah atau bengkok II TEORI DASAR A VAT (Vertical Acxis Turbine) Turbin jenis VAT memiliki beberapa kelebihan yaitu mekanisme peralatan yang dapat diletakkan di atas permukaan tanah sehingga memudahkan proses perawatan karena dapat dijangkau dengan mudah Keuntungan yang lain adalah ukuran blade pada turbin jenis VAT dapat ditingkatkan tanpa adanya batasan seperti pada turbin jenis HAT Gambar, Vertical Axis Turbines: (a) Squirrel Cage Darrieus, (b) H- Darrieus, (c) Darrieus, (d) Gorlov, (e) Savonius [] Pada turbin VAT terdapat beberapa kelemahan dan kelebihan Kelebihan yang dimiliki turbin VAT ini adalah dapat dilangsungkan kepada peralatan yang berada pada generator, tidak terdapat peralatan seperti gear yaw yang berada pada turbin HAT Turbin yang terletak dekat dengan permukaan tanah sehingga dapat dioperasikan dengan mudah dan

2 JURNAL TEKNIK POMITS Vol, No, () -6 perawatan yang mudah Desain yang sederhana tanpa menggunakan gear yaw dan tanpa kabel yang turun dari atas seperti pada HAT (Horizontal Axis Turbine) Biaya instalasi yang murah karena tidak menggunakan menara yang berat dan kokoh Kelebihan yang lain pada turbin tipe VAT adalah tidak perlu dilakukan penyangga turbin seperti pada tipe HAT Memiliki tingkat kebisingan yang sangat kecil Dan kelebihan turbin VAT yang terakhir adalah tidak memerlukan teknologi yang tinggi sehingga dapat menekan biaya yang dibutuhkan dalam instalasi dan perawatan turbin (Ion Paraschivoiu, ) Sedangkan kelemahan yang dimiliki oleh turbin VAT ini adalah mempunyai tinggi rotor yang randah yang dapat mengurangi kecepatan rotor dalam menerima arus Dapat menghasilkan torsi yang tinggi yang mengakibatkan bahwa semakin mahalnya gearbox yang diperlukan Mempunyai Tip Speed Ratio yang rendah dalam efisiensi aerodinamika Membutuhkan area yang sedikit lebih luas untuk system pengkabelan Suara berisik yang dihasilkan dari torsi [] B State Space State suatu system dinamik adalah sekumpulan minimum variable (disebutvariabel-variabelstate) sedemikian rupa sehingga dengan mengetahui variable variable tersebut pada t = t bersama sama dengan informasi input untuk t t maka perilaku sistem pada t t dapat ditentukan secara utuh C Variabel Variabel State Space Variabel variabel state suatu sistem dinamik adalah sekumpulan minimum variabel yang menentukan state sistem dinamik tersebut Variabel state tidak harus merupakan besaran yang dapat diukur atau diamati secara fisik (merupakan keunggulan metoda ini) Secara praktis pilih besaran yang dapat diukur sebagai variabel state agar dapat diumpan balikkan D Vektor State Space Bila dibutuhkan n variabel state untuk mendiskripsikan secara utuh perilaku suatu sistem maka n variabel tersebut dapat dipandang sebagai n komponen dari suatu vektor x Secara vektor state adalah suaut vektor yang menentukan secara unik state sistem x(t) untuk t t bila state pada t t diberikan dan input u (t) juga diberikan State space merupakan ruang dimensi n dengan sumbu sumbu x, x x n Setiap state dapat terletak disuatu titik dalam ruang tersebut x A x B x x x A x n an an an Persamaan ouput ditulis sebagai : u B a y Dengan : A (t) : Matrik state B (t) : Matrik input C (t) : Matrik output D (t) : Matrik transmisi langsung A Studi Literatur x x III METODOLOGI PENELITIAN Studi literatur ini perlu dilakukan supaya dapat menunjang proses pengerjaan tugas akhir Dalam hal ini dipelajari beberapa materi penunjang yang berhubungan dengan tugas akhir Materi yang diperlukan dalam studi literatur ini adalah pemodelan suatu sistem mekanik (membuat model matematik) B Pengumpulan Data Data yang diperlukan dalam penelitian ini yaitu kecepatan arus sungai yang bervariasi mulai dari,5 m/s menghasilkan kecepatan 3 rpm,,6 m/s menghasilkan kecepatan 3 rpm,,4 m/s menghasilkan kecepatan 8 rpm dan m/s menghasilkan kecepatan 3 rpm Turbin vertikal aksis ini dapat dianalogikan sebagai sistem pegas degree of freedom (DOF)Daftar Pustaka Gambar, 3 Turbin Vertikal Aksis C Pemodelan Dari gambar 3 diatas yaitu gambar turbin vertikal aksis dapat dibuat pemodelan sistem dinamis Tujuan pemodelan pada penelitian ini yaitu untuk menentukan representasi model matematis sistem dalam bentuk fungsi keadaan (state space) Model dinamika sistem dideskripsikan sebagai hubungan

3 JURNAL TEKNIK POMITS Vol, No, () -6 3 antara input dan output yang memungkinkan untuk memahami perilaku sistem Model dinamika sistem dapat dilihat pada gambar 33 dibawah ini Gambar, 4 Sistem dinamis DOF Dari sistem dinamis diatas dapat dituliskan dengan rumus model matematis sebagai berikut: M Dimana m = massa k = pegas x = simpangan F = gaya D Parameter Sistem + k x + k (x - x ) = F(t) + k (x x ) = F(t) (3) Parameter sistem ini menjelaskan mengenai nilai-nilai dari sistem yang terdapat pada turbin penelitian Berikut adalah rincian nilai k = 49473,45 N/m k = 77969,743 N/m m = m = kg E Parameter Pengganggu Parameter pengganggu (eksitasi) ini bersumber dari tugas akhir Akhmad S Setiaji dapat dilihat pada tabel dibawah ini Tabel, Data pengujian foil NACA 5 panjang chord 7cm pada kecepatan aliran 5 m/s Nilai Fx dan Fy pada kecepatan,5 m/s tertinggi dari Fx yaitu pada azimut dengan nilai,47, minimal pada azmiut dengan nilai, Nilai Fy tertinggi pada azimut 35 dengan nilai,33, minimal pada azmiut 4 dengan nilai -, Nilai Fx dan Fy pada kecepatan,6 m/s tertinggi dari Fx yaitu pada azimut dengan nilai 5,375, minimal pada azmiut 36 dengan nilai,6 Nilai Fy tertinggi pada azimut 5 dengan nilai,388, minimal pada azmiut 5 dengan nilai -, Tabel 3 Nilai Fx dan Fy pada kecepatan,4 m/s tertinggi dari Fx yaitu pada azimut dengan nilai 8,838, minimal pada azmiut 8 dengan nilai,65 Nilai Fy tertinggi pada azimut 34 dengan nilai 4,995 minimal pada azmiut 5 dengan nilai -5, Tabel 4 Nilai Fx dan Fy pada kecepatan m/s tertinggi dari Fx yaitu pada azimut dengan nilai 6,48, minimalpada azimut dengan nilai,686 Nilai Fy tertinggi pada azimut 35 dengan nilai 47,78, minimal pada azmiut 3 dengan nilai -38, Tabel,

4 JURNAL TEKNIK POMITS Vol, No, () -6 4 F Metode State Space Metode yang digunakan pada penelitian ini yaitu dengan mengunakan metode state space dari persamaan 3 dapat diubah kedalam persamaan differensial orde dua sebagai Persamaan berikut: d M x ( t) d t K x ( t) x ( t) x ( t) d x ( t) x ( t) x ( t) d t Dimisalkan u = x v = dx w = x du = dx = v dv = ddx = dw = dx = z dz = ddx = du dv dw dz A( t) f ( t) f ( t) [f (t) + k x (t) (k + k )x (t)] = [f (t) + k w (k + k )u] (f (t) + k x (t) k x (t)) = (f (t) + k u k w K K M K M M M u v M w z t tt 5 npoint f ( t) f ( t) M M f ( t) B( t) B( t ) u( t) x f ( t) M M kemudian simulasikan pada beberapa variasi kecepatan arus sungai, diameter shaft dan panjang shaft didapatkan respon sistem dan diplot kedalam bentuk gambar simpangan arah y dan y x -8 simpangan resultan x Simpangan Resultan r dan r simpangan arah x dan x x -8 Gambar, 5 pada variasi kecepatan 5 m/s, Diameter cm dan panjang shaft cm dan K 3 cm Dari gambar terlihat bahwa r merupakan resultan dari x dan y, sedangkan r merupakan resultan x dan y Warna biru adalah simpangan resultan x dan warna merah yaitu simpangan resultan x Simpangan maksimum resultan r adalah 645e-9 (m)dan maksimum resultan r adalah 3e-8 (m) simpangan arah y dan y x -9 simpangan resultan x Simpangan Resultan r dan r simpangan arah x dan x x -9 Gambar, 6 pada variasi kecepatan 5 m/s, Diameter 3 cm dan panjang shaft cm dan K 3 cm Dari gambar terlihat bahwa r merupakan resultan dari x dan y, sedangkan r merupakan resultan x dan y Warna biru adalah simpangan resultan x dan warna merah yaitu simpangan resultan x Simpangan maksimum resultan r adalah 58e-9 (m)dan maksimum resultan r adalah 59e-9 (m) IV ANALISA DATA Bab ini membahas mengenai respon sistem dari simulasi turbin vertikal arus sungai dan pembahasan mengenai analisa yang diperoleh Simulasi didasarkan pada pemodelan dinamika sistem A Hasil Simulasi Dari hasil pengolahan data dari sistem turbin dan gaya (F)

5 JURNAL TEKNIK POMITS Vol, No, () x -6 6 simpangan resultan x Simpangan Resultan r dan r 5 x -5 4 simpangan resultan x Simpangan Resultan r dan r 4 3 simpangan arah y dan y simpangan arah y dan y simpangan arah x dan x x -5 Gambar, 7 pada variasi kecepatan 6 m/s, Diameter cm dan panjang shaft cm dan K 3 cm Dari gambar terlihat bahwa r merupakan resultan dari x dan y, sedangkan r merupakan resultan x dan y Warna biru adalah simpangan resultan x dan warna merah yaitu simpangan resultan x Simpangan maksimum resultan r adalah 77835e-6 (m)dan maksimum resultan r adalah 644e-5 (m) simpangan arah y dan y 5 x simpangan resultan x Simpangan Resultan r dan r simpangan arah x dan x x -6 Gambar, 8 pada variasi kecepatan 6 m/s, Diameter 3 cm dan panjang shaft cm dan K 3 cm Dari gambar terlihat bahwa r merupakan resultan dari x dan y, sedangkan r merupakan resultan x dan y Warna biru adalah simpangan resultan x dan warna merah yaitu simpangan resultan x Simpangan maksimum resultan r adalah 533e-6 (m)dan maksimum resultan r adalah 3583e-6 (m) simpangan arah x dan x x -4 Gambar, 9 pada variasi kecepatan 4 m/s, Diameter cm dan panjang shaft cm dan K 3 cm Dari gambar terlihat bahwa r merupakan resultan dari x dan y, sedangkan r merupakan resultan x dan y Warna biru adalah simpangan resultan x dan warna merah yaitu simpangan resultan x Simpangan maksimum resultan r adalah 44e-5 (m)dan maksimum resultan r adalah 853e-5 (m) simpangan arah y dan y x -5 simpangan resultan x Simpangan Resultan r dan r simpangan arah x dan x x -5 Gambar, pada variasi kecepatan 4 m/s, Diameter 3 cm dan panjang shaft cm dan K 3 cm Dari gambar terlihat bahwa r merupakan resultan dari x dan y, sedangkan r merupakan resultan x dan y Warna biru adalah simpangan resultan x dan warna merah yaitu simpangan resultan x Simpangan maksimum resultan r adalah 839e-6 (m)dan maksimum resultan r adalah 6777e-5 (m)

6 JURNAL TEKNIK POMITS Vol, No, () -6 6 simpangan arah y dan y x -4 simpangan resultan x Simpangan Resultan r dan r simpangan arah x dan x x -4 Gambar, pada variasi kecepatan m/s, Diameter cm dan panjang shaft 6 cm dan K 36 cm DAFTAR PUSTAKA [] D Joni, (Kajian Teoritik Sistem Peredam Getaran Satu Derajat Kebebasan) Dosen Fakultas Teknik, Jurusan Teknik Mesin - Universitas Kristen Petra [] W T Thomsom teori getaran dengan penerapan [3] Akhmad S Setiaji (Studi Numerik Dan Eksperimental Performansi Turbin Vertikal Aksis Arus Sungai Dengan Variasi Seri Airfoil Dan Panjang Chord) Jurusna Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember 6 [4] A Muhammad (Studi Numerik dan Eksperimental Kemampuan Self Start Pada Turbin Vertikal Aksis Arus Sungai Terhadap Variasi Pitch) Jurusna Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember 6 Dari gambar terlihat bahwa r merupakan resultan dari x dan y, sedangkan r merupakan resultan x dan y Warna biru adalah simpangan resultan x dan warna merah yaitu simpangan resultan x Simpangan maksimum resultan r adalah 5e-4 (m)dan maksimum resultan r adalah 38e-4 (m) 3 x -5 simpangan resultan x Simpangan Resultan r dan r simpangan arah y dan y simpangan arah x dan x x -5 Gambar, pada variasi kecepatan m/s, Diameter 3 cm dan panjang shaft cm dan K 3 cm Dari gambar terlihat bahwa r merupakan resultan dari x dan y, sedangkan r merupakan resultan x dan y Warna biru adalah simpangan resultan x dan warna merah yaitu simpangan resultan x Simpangan maksimum resultan r adalah 795e-5 (m)dan maksimum resultan r adalah 35377e-5 (m) V KESIMPULAN Dari hasil penelitian didapatkan beberapa kesimpulan: Berdasarkan simulasi yang dilakukan didapatkan frekuensi natural 98 Hz dan 8765 Hz Dari hasil simulasi pada kecepatan 5 m/s, 6 m/s, 4 m/s dan m/s diperoleh resultan simpangan maksimum pada r 99e-4 (m), simpangan minimum pada r 8399e- (m) dan simpangan maksimum r 378e-4 (m), simpangan minimum 77e-9 (m)