UNIVERSITAS DIPONEGORO

Transkripsi

1 UNIVERSITAS DIPONEGORO Analisa Perancangan Turbin Darrieus Pada Hydrofoil NACA 0015 Dari Karakteristik C L dan C D Pada Variasi Sudut Serang 0 Sampai 360 TUGAS AKHIR R. GURUH KIS YUNIARSO L2E FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK MESIN SEMARANG AGUSTUS 2012

2 UNIVERSITAS DIPONEGORO Analisa Perancangan Turbin Darrieus Pada Hydrofoil NACA 0015 Dari Karakteristik C L dan C D Pada Variasi Sudut Serang 0 Sampai 360 TUGAS AKHIR R. GURUH KIS YUNIARSO L2E FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK MESIN SEMARANG AGUSTUS 2012 i

3 TUGAS SARJANA Diberikan kepada : Nama : R. Guruh Kis Yuniarso N I M : L2E Pembimbing : Ir. Sudargana, MT Jangka waktu : Judul : Analisa Perancangan Turbin Darrieus Pada Hydrofoil NACA 0015 Dari Karakteristik C L dan C D Pada Variasi Sudut Serang 0 Sampai 360 Isi tugas : 1. Mencari karakteristik hidrodinamik koefisien lift dan drag hydrofoil NACA 0015, diameter turbin 0.6 m, chord 0.18 m, dan tinggi turbin 0.8 m dengan variasi sudut serang α = 0 sampai dengan α = Mengetahui nilai torsi, daya turbin, daya hidrolis, dan efisiensi dimana data yang diperoleh berupa C L dan C D dari hasil simulasi. Semarang, 28 Agustus 2012 Pembimbing, Ir. Sudargana, MT NIP ii

4 HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS Skripsi/Tesis/Disertasi ini adalah hasil karya saya sendiri, dan semua sumber baik yang dikutip maupun yang dirujuk telah saya nyatakan dengan benar. NAMA :R. Guruh Kis Yuniarso NIM :L2E Tanda Tangan : Tanggal : 28 Agustus 2012 iii

5 Skripsi ini diajukan oleh : NAMA : R. Guruh Kis Yuniarso NIM : L2E Jurusan/Program Studi : Teknik Mesin Judul Skripsi : Analisa Perancangan Turbin Darrieus Pada Hydrofoil NACA 0015 Dari Karakteristik C L dan C D Pada Variasi Sudut Serang 0 Sampai 360. Telah berhasil dipertahankan di hadapan Tim Penguji dan diterima sebagai bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Jurusan/Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro. TIM PENGUJI Pembimbing : Ir. Sudargana, MT ( ) Penguji : Ir. Sugeng Tirta Atmadja, MT ( ) Penguji : MSK. Tony Suryo Utomo, Ph.D ( ) Penguji : Khoiri Rozi, ST. MT ( ) Semarang, 28 Agustus 2012 Jurusan Teknik Mesin Ketua, Dr.Sulardjaka,ST,MT NIP iv

6 HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS Sebagai civitas akademika Universitas Diponegoro, saya yang bertanda tangan di bawah ini : Nama : R. Guruh Kis Yuniarso NIM : L2E Jurusan/Program Studi : Teknik Mesin Departemen : Universitas Diponegoro Fakultas : Teknik Jenis Karya : Skripsi demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Diponegoro Hak Bebas Royalti Noneksklusif (None-exclusive Royalty Free Right) atas karya ilmiah saya yang berjudul : Analisa Perancangan Turbin Darrieus Pada Hydrofoil NACA 0015 Dari Karakteristik C L dan C D Pada Variasi Sudut Serang 0 Sampai 360 beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti/Noneksklusif ini Universitas Diponegoro berhak menyimpan, mengalihmedia/formatkan, mengelola dalam bentuk pangkalan data (database), merawat dan memublikasikan tugas akhir saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis/pencipta dan sebagai pemilik Hak Cipta. Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya. Dibuat di : Semarang Pada Tanggal : 28 Agustus 2012 Yang menyatakan ( R. Guruh Kis Yuniarso ) NIM. L2E v

7 HALAMAN PERSEMBAHAN : Tugas sarjana ini kupersembahkan kepada : Teruntuk ayah dan ibu ku tercinta, serta sodara-sodara ku yang selalu mendukung ku [The Best of You is The Most Contribute for The People] vi

8 MOTTO : Keadaan itu seperti kosong, tiada yang tau. Kita tidak bisa mengubah keadaan, hanya berusaha bagaimana menyikapi keadaan tersebut. Sesaungguhnya di dalam kesulitan terdapat kemudahan (Al- Insyirah : 6) vii

9 ABSTRAK Seiring dengan meningkatnya kebutuhan akan energi listrik serta menipisnya cadangan bahan bakar fosil, maka keadaan tersebut memaksa manusia untuk mencari energi alternatif (renewable energy) yang dapat diperbaharui yang dapat menggantikan bahan bakar fosil. Banyak energi alternatif yang dapat diperbaharui seperti pembangkit listrik tenaga air yang menjadi sumber energi yang berpotensi besar untuk dikembangkan saat ini. Terlebih dalam hal ini geografis Indonesia 63% wilayahnya terdiri dari laut menyimpan banyak potensi energi alternatif, khususnya energi arus laut. Maka dari itu perlu dikembangkan suatu alat yang dapat mengubah potensi energi arus air menjadi energi listrik sehingga cocok digunakan untuk perairan Indonesia. Dalam tugas ahir ini dilakukan perhitungan nilai torsi, daya turbin, daya hidrolis, dan efisiensi turbin pada turbin Darrieus 3 sudu dengan menggunakan karakteristik hydrofoil NACA 0015, diameter 0.6 m, tinggi sudu 0.8 m, dan panjang chord 0.18 m dengan variasi sudut serang 0 sampai dengan 360 dengan variasi kecepatan 2 m/s, 2.5 m/s, 3 m/s, 3.5 m/s, dan 4 m/s. Dalam perhitungan ini nilai C L (Lift Coefficient) dan C D (Drag Coefficient) diperoleh dari hasil simulasi. Hasil simulasi akan menunjukkan hasil perhitungan berupa nilai torsi, daya turbin, daya hidrolis, dan efisiensi turbin. Dimana diperoleh nilai efisiensi pada kecepatan aliran 2 m/s sebesar %, kecepatan aliran 2.5 m/s sebesar %, kecepatan aliran air 3 m/s sebesar 21.02%, kecepatan aliran air 3.5 m/s sebesar % dan kecepatan aliran 4 m/s sebesar %. Dimana nilai efisiensi tertinggi didapat pada kecepatan 4 m/s sebesar %. Kata kunci: Lift Coefficient, Drag Coefficient, Hydrofoil NACA 0015, Turbin Darrieus. viii

10 ABSTRACK Along with the increasing demand for electrical energy and fossil fuel depletion, then the state is forcing people to seek alternative energy (renewable energy) that can be updated and can replace fossil fuels. Many renewable energy alternatives such as hydro power are a source of energy and great potential to be developed at this time. Especially in this case, Indonesia is 63% geographical area of the sea to save a lot of potential alternative energy, especially energy of ocean currents. Therefore, necessary to develop a tool that can convert the potential energy of water flow into electrical energy, making it suitable to use in waters of Indonesia. In this thesis calculating the value of the torque, power turbines, hydraulic power, and efficiency of the turbine at 3 blade Darrieus turbine using the characteristics of NACA 0015 hydrofoil, diameter of 0.6 m, 0.8 m height blade, and chord length 0.18 m with a variation of angle attack 0 to 360 with variation speed of 2 m/s, 2.5 m/s, 3 m/s, 3.5 m/s, and 4 m/s. In this calculation, the value of CL (Lift Coefficient) and CD (Drag Coefficient) obtained from the simulation results. Simulation results will show the calculation of a value of torque, power turbines, hydraulic power, and efficiency of the turbine. Where the efficiency values obtained at a flow rate of 2 m/s at 17.14%, velocity flow 2.5 m/s at %, the speed of the water flow of 3 m/s at 21.02%, velocity flow 3.5 m/s at 22.44% and the rate of water flow 4 m/s at %. Where the value of the highest efficiency obtained at a speed of 4 m / s at %. Keywords: Lift Coefficient, Drag Coefficient, Hydrofoil NACA 0015, Darrieus Turbine. ix

11 KATA PENGANTAR Alhamdulillah, segala puji dan syukur hanya bagi Allah swt. Rabb yang memberikan berbagai macam kenikmatan. Untuk hidup, beriman dan beramal sholeh. Dialah yang menganugerahkan berbagai macam kemudahan dalam berfikir sehingga penulis mampu menyelesaikan penulisan Tugas Akhir yang berjudul Analisa Perancangan Turbin Darrieus Pada Hydrofoil NACA 0015 Dari Karakteristik C L dan C D Pada Variasi Sudut Serang 0 Sampai 360 yang dimaksudkan sebagai syarat kelulusan dan guna memperoleh gelar Sarjana Strata-1 (S-1) pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Diponegoro. Syukur kepada Allah SWT, hanya kata itu yang selayaknya penulis sampaikan, sehingga penulis dapat melewati masa studi, mendapatkan banyak ilmu pengetahuan dan pengalaman, serta pada akhirnya menyelesaikan Tugas Akhir yang merupakan tahap akhir dari proses untuk memperoleh gelar sarjana Teknik Mesin Universitas Diponegoro. Keberhasilan penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini tentunya tidak terlepas dari bantuan orang-orang yang dengan segenap hati memberikan bantuan, bimbingan dan dukungan, baik moral maupun material. Oleh karenanya, penulis menghaturkan ucapan terima kasih kepada: 1. Bapak Ir Sudargana, MT selaku dosen pembimbing, yang telah begitu banyak memberikan bimbingan, pengarahan dan pengetahuan tentang banyak hal kepada penulis, terutama dalam pengerjaan dan penyelesaian Tugas Sarjana ini. 2. Semua pihak yang telah membantu penulis dengan tulus. Semoga laporan Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi orang yang membacanya dan kelak di kemudian hari ada generasi penerus yang mampu menyempurnakan kekurangan penulis. Semarang, 28 Agustus 2012 Penulis x

12 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... i HALAMAN TUGAS SARJANA... ii HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS... iii HALAMAN PENGESAHAN... iv HALAMAN PESETUJUAN PUBLIKASI... v HALAMAN PERSEMBAHAN... vi MOTTO... vii ABSTRAK... viii ABSTRACT... ix KATA PENGANTAR... x DAFTAR ISI... xi DAFTAR LAMPIRAN... xiv DAFTAR TABEL... xv DAFTAR GAMBAR... xvi NOMENKLATUR... xix BAB I PENDAHULUAN LatarBelakang Perumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan Penelitian Metode Penyelesaian Masalah Sistematika Penulisan... 4 BAB II LANDASAN TEORI Klasifikasi Aliran Turbin Air Turbin Aksial Turbin Cross Flow... 7 xi

13 2.2 TurbinDarrieus Hydrofoil Perkembangan Hydrofoil NACA (National Advisory Committee for Aeronautics) Karakteristik Hydrofoil Prinsip Kerja Hydrofoil Gaya Tahanan (Drag) dan Gaya Angkat (Lift) Bilangan Reynold Dasar Perhitungan Mekanika Turbin Rotasi Benda Tegar Kecepatan Sudut Sudut Serang Perhitungan Daya Turbin Darrieus BAB III PEMODELAN MENGGUNAKAN MATLAB Diagram Alir Penelitian Langkah Pengerjaan Regresi Dengan Menggunakan MATLAB Regresi Linier Kecepatan Putar (n) dan Head Air (H) Mencari Persamaan Rumus Torsi PadaTurbin Darrieus NACA BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN Profil dan Dimensi Turbin Darrieus NACA Perhitungan Perhitungan Kecepatan Sudut ( ) Perhitungan Torsi (T) Perhitungan Power Turbin (P t ) dan Power Hidrolis (P h ) Perhitungan Efisiensi Turbin (ηt) PEMBAHASAN BAB V KESIMPULAN DAN SARAN xii

14 5.1 Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA...68 LAMPIRAN xiii

15 DAFTAR LAMPIRAN LAMPIRAN 1.Pengolahan data C L dan C D padamatlab LAMPIRAN 2.Perhitungan Torsi, daya, dan efisiensi turbin Darrieus NACA 0015 LAMPIRAN 3.ORIGINAL SOURCE: Sheldahl, R. E. and Klimas, P. C., Aerodynamic xiv

16 DAFTAR TABEL Tabel 1.1 Data kecepatan arus laut permukaan maksimum dan minimum di Indonesia...1 Tabel 2.1 Perbandingan seri Airfoil NACA...16 Tabel 3.1 Tabel Nilai Coefficient Lift (C L ) hasil simulasi dengan eksperimen pada kecepatan v = 2,5m/s...34 Tabel 3.2 Tabel Nilai C L1 dan C L Tabel 3.3 Kecepatan Putar (n) dan Head Air (H) Tabel 4.1 Tabel persamaan kurva C L dari hasil pengolahan data...51 Tabel 4.2 Tabel persamaan kurva C D dari hasil pengolahan data Tabel 4.3 Tabel hubungan antara kecepatan aliran (u) dan kecepatan sudut ( )...52 Tabel 4.4 Tabel torsi (T) pada variasi kecepatan aliran...58 Tabel 4.5 Tabel Power turbin (P T ) dan Power hidrolis (P H )...60 Tabel 4.6 Tabel hasil perhitungan eficiency turbin (η t ) dengan variasi kecepatan aliran (U)...61 Tabel 4.7 Hasil perhitungan karakteristik turbin darrieus dengan hydrofoil NACA0015 dengan variasi kecepatan aliran...61 xv

17 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Klasifikasi turbin arus air berdasarkan posisi sumbu rotor terhadap arah aliran air... 6 Gambar 2.2 Turbin aksial... 7 Gambar 2.3 Turbin Cross Flow... 8 Gambar 2.4 Turbin Darrieus... 9 Gambar 2.5 Bentuk profil hydrofoil Gambar 2.6 Konstruksi geometri airfoil NACA Gambar 2.7 NACA 4 Digit Gambar 2.8 NACA Gambar 2.9 NACA 5 Digit Gambar 2.10 NACA 16 Digit Gambar 2.11 NACA 6 Digit Gambar 2.12 NACA 7 Digit Gambar 2.13 NACA 8 Digit Gambar 2.14 Efek maknus sebagai prinsip dasar aerodinamika pada aerofoil Gambar 2.15 Sirkulasi udara pada hydrofoil Gambar 2.16 Pengaruh momentum pada aliran fluida hydrofoil Gambar 2.17 Pengaruh variasi tekanan pada angle of attack pada hydrofoil Gambar 2.18 Vektor gaya pada hydrofoil Gambar 2.19 Distribusi tekanan dan tegangan geser pada suatu hydrofoil xvi

18 Gambar 2.20 Geometri elemen gaya pada hydrofoil Gambar 2.21 Sebuah benda tegar berotasi pada sumbu tetap yang melalui O dan tegak lurus bidang gambar Gambar 2.22 Gerak rotasi suatu titik terhadap pusat O Gambar 2.23 Pengaruh sudut serang terhadap pola aliran fluida Gambar 2.24 Sudut pitch dan sudut serang suatu sudu Gambar 2.25 Vektor gaya dan kecepatan pada hydrofoil Gambar 3.1 Diagram alir perancangan Gambar 3.2 Grafik Coefficient Lift Gambar 3.3 Grafik NIlai C L1 dan C L2 pada v = 2,5m/s Gambar 3.4 Panel variable editor Gambar 3.5 Perintah cftoolpada command window Gambar 3.6 Panel data sets Gambar 3.7 Panel Fitting Gambar 3.8 Panel Curfe Fitting tool Gambar 3.9 Panel Exclude Gambar 3.10 Persamaan regresi nilai C L Gambar 3.11 RPM without load vs. Water head Gambar 3.12 Persamaan regresi linier kecepatan aliran air dan rpm Gambar Diagram benda bebas dari vektor gaya dan kecepatan pada hydrofoil pada turbin darrieus 3 sudu Gambar 3.14 Grafik coefisien lift (C L ) terhadap sudut serang ( ) xvii i

19 Gambar 3.15 Grafik coefficient drag (C D ) terhadap sudut serang ( ) Gambar 4.1 Gambar 3D Turbin Darrieus NACA Gambar 4.2 Turbin Darrieus NACA 0015 Tampak Samping Gambar 4.3 Turbin Darrieus NACA 0015 Tampak Atas Gambar 4.4 Grafik hubungan antara kecepatan aliran (u) terhadap kecepatan sudut turbin ω (rad/s) Gambar 4.5 Grafik hubungan variasi kecepatan aliran air dengan torsi turbin Darrieus NACA Gambar 4.6 Grafik hubungan variasi kecepatan aliran air dengan daya turbin Darrieus NACA Gambar 4.7 Grafik hubungan variasi kecepatan aliran air dengan daya hidrolis turbin Darrieus NACA Gambar 4.8 Grafik hubungan variasi kecepatan aliran air dengan efisiensi turbin Darrieus NACA xviii

20 NOMENKLATUR τ w Tegangangeser N p Tekanan Pa L Gaya angkat N D Gaya hambat N C L Koefisien lift - C D Koefisien drag - Densitasfluida kg/m 3 A Luaspenampang m 2 c Panjangchord m Re BilanganReynold - Fr Bilangan Froude - Ma Bilangan Mach - r xy Koefisienkorelasi - U Kecepatanaliran m/s V Kecepatansudu m/s W Kecepatanrelatif m/s α Sudutserang ω Kecepatansudut Rad/s R Radius turbin m H Tinggiturbin m xix

21 T L Torsi lift N.m T D Torsi drag N.m P T Dayaturbin Watt P H Dayahidrolisis Watt F Gaya dorong N η T Efisiensiturbin % xx