ANALISIS STRUKTUR BLADE TURBIN PROPELER Turbine Blade Propeller Structural Analysis Laporan ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat menyelesaikan pendidikan Diploma III Program Studi Teknik Aeronautika Di Jurusan Teknik Mesin Oleh: Damayanti Nova Priskila Situmorang NIM: 091221004 POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2012
KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena berkat dan rahmat-nya pembuatan laporan Tugas Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik. Pembuatan tugas akhir ini merupakan salah satu syarat untuk memenuhi persyaratan kelulusan di Program Diploma III Teknik Aeronautika Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Bandung. Laporan tugas akhir ini berisi tentang analisis struktur blade pada turbin propeler. Penulis berharap semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi pembaca pada umumnya dan penulis pada khususnya. Penulis menyadari bahwa dalam penulisan tugas akhir ini masih terdapat banyak kekurangan dan jauh dari sempurna. Karena itu, penulis meminta maaf atas segala kekurangan dan kesalahan yang ada. Saran dan kritik dari pembaca diperlukan untuk perbaikan atau pengembangan yang lebih baik ke depannya. Bandung, Juli 2012 Penulis i
UCAPAN TERIMA KASIH Penulis menyadari bahwa penyelesaian tugas akhir ini tidak lepas dari partisipasi dan kerjasama semua pihak, baik berupa bantuan moril maupun material, karena itu dalam kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada : 1. Ibu Lenny Iryani, MT selaku pembimbing utama yang telah memberikan arahan dan bimbingan yang telah diberikan selama pengerjaan Tugas Akhir. 2. Bapak Vicky Wuwung, MT selaku pembimbing pendukung atas arahan dan bantuan yang telah diberikan. 3. Ibu Dr. Maria Fransisca Soetanto, Dipl. Ing, M.T., selaku wali dosen kelas III Aero angkatan 2009 atas perhatian dan dukungan yang penulis dapatkan. 4. Bapak Budi Hartono, MT selaku wali dosen kelas I dan II Aero angkatan 2009 untuk arahan dan motivasi yang diberikan. 5. Bapak Tria Ma riz Arief, MT selaku Ketua Program Studi Teknik Aeronautika. 6. Bapak Ir. Ali Mahmudi selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin. 7. Seluruh staf pengajar maupun staf administrasi di Teknik Aeronautika atas ilmu, didikan dan bantuan yang telah penulis dapatkan. 8. Orang tua dan keluarga penulis untuk doa dan dukungan sehingga penulisan laporan ini dapat terselesaikan. 9. Seluruh rekan-rekan seperjuangan, Aero 2009 atas pertemanan, kerjasama dan dukungan yang penulis dapatkan. 10. Adik-adik kelas Aero angkatan 2010 dan 2011. 11. Seluruh rekan-rekan IMT-Aero dan UKM Catur POLBAN untuk setiap diskusi, kebersamaan dan dukungan selama ini. 12. Untuk semua pihak yang telah membantu dan yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu. ii
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... i UCAPAN TERIMA KASIH... ii DAFTAR ISI... iii DAFTAR LAMPIRAN...v DAFTAR GAMBAR... vi DAFTAR TABEL... vii ABSTRAKSI... viii ABSTRACT... ix BAB I PENDAHULUAN...1 1.1 Latar Belakang Masalah...1 1.2 Perumusan Masalah...2 1.3 Tujuan...2 1.4 Ruang Lingkup dan Batasan Masalah...3 1.5 Metodologi...3 1.6 Sistematika Penulisan...4 BAB II LANDASAN TEORI...5 2.1 Turbin Air...5 2.2 Turbin Propeler...6 2.3 Perencanaan Blade...7 2.4 Baja...8 2.5 Aluminium...9 2.6 Titanium... 10 2.7 MSC Patran... 11 2.8 Faktor Keamanan (Safety Factor)... 13 BAB III METODOLOGI DAN PROSES PENYELESAIAN... 15 3.1 Perancangan Dimensi Awal Turbin Propeler... 15 3.2 Penentuan Kecepatan Putar dan Perhitungan Kecepatan Spesifik... 16 3.3 Perhitungan Diameter Turbin... 17 iii
3.4 Metode Elemen Hingga... 18 3.5 Pemodelan Geometri... 20 3.6 Diskretisasi Model (Struktur Blade)... 23 3.7 Pemodelan Beban... 25 3.8 Penentuan Material... 28 3.9 Perhitungan Lendutan... 29 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 31 4.1 Analisis Blade untuk Material Baja... 31 4.2 Analisis Blade untuk Material Aluminium... 32 4.3 Analisis Blade untuk Material Titanium... 34 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 36 5.1 Kesimpulan... 36 5.2 Saran... 36 DAFTAR PUSTAKA... 37 LAMPIRAN... 38 iv
DAFTAR LAMPIRAN LAMPIRAN A GAMBAR TEKNIK LAMPIRAN B DATA OUTPUT PADA MSC NASTRAN v
DAFTAR GAMBAR Gambar I. 1 Flowchart Metodologi Penyelesaian...3 Gambar II. 1 Turbin Pelton...6 Gambar II. 2 Turbin Cross-Flow...6 Gambar II. 3 Turbin Propeler...7 Gambar II. 4 Turbin Kaplan...7 Gambar II. 5 Aplikasi pada MSC Patran... 12 Gambar III. 1 Daerah Kinerja Untuk Berbagai Jenis Turbin... 15 Gambar III. 2 Daerah Kerja Kecepatan Spesifik... 17 Gambar III. 3 Potongan Melintang Turbin Propeler... 18 Gambar III. 4 Penggambaran sketsa pada Autodesk Inventor 2010... 21 Gambar III. 5 Pembentukan solid dengan metode loft... 21 Gambar III. 6 Pemodelan pada MSC Patran 2005... 22 Gambar III. 7 Penghilangan solid, pembuatan curve, dan pembuatan plane... 22 Gambar III. 8 Penentuan Mesh Seed... 24 Gambar III. 9 Hasil Mesh... 24 Gambar III. 10 Penentuan tumpuan... 25 Gambar III. 11 Distribusi tekanan statik pada NUMECA... 27 Gambar III. 12 Pemodelan beban (static pressure)... 27 Gambar III. 13 Potongan melintang pada distribusi tekanan di bagian root... 27 Gambar III. 14 Potongan lateral pada distribusi tekanan sepanjang span... 28 Gambar III. 15 Properti material... 28 Gambar III. 16 Resultan gaya... 29 Gambar III. 17 Free Body Diagram... 30 Gambar IV. 1 Distribusi tegangan sepanjang span... 31 Gambar IV. 2 Distribusi displacement sepanjang span... 32 Gambar IV. 3 Distribusi tegangan sepanjang span... 32 Gambar IV. 4 Distribusi displacement sepanjang span... 33 Gambar IV. 5 Distribusi tegangan sepanjang span... 34 Gambar IV. 6 Distribusi displacement sepanjang span... 35 vi
DAFTAR TABEL Tabel III. 1 Data Tekanan Statik pada Lower Surface... 25 Tabel III. 2 Data Tekanan Statik pada Upper Surface... 26 Tabel III. 3 Perbandingan Karakteristik Material... 29 Tabel IV. 1 Hasil Analisis Untuk Ketiga Jenis Material... 35 vii
ABSTRAKSI Pemanfaatan aliran arus sungai sebagai alternatif pembangkit tenaga listrik sangat diperlukan akhir-akhir ini mengingat kebutuhan sumber tenaga listrik yang makin meningkat setiap tahunnya. Untuk itu diperlukan perancangan dan pembuatan turbin untuk mengubah aliran sungai menjadi sumber tenaga listrik. Pada Tugas Akhir ini akan dilakukan analisis struktur blade pada turbin jenis propeler yang merupakan bagian dari keseluruhan perancangan dan analisis turbin propeler. Struktur blade dianalisis berdasarkan kekuatan material yang digunakan. Studi kasus yang dilakukan adalah dengan memvariasikan jenis material yang akan digunakan, yaitu material baja, aluminium, dan titanium. Analisis struktur blade dilakukan dengan menggunakan piranti lunak MSC Patran/Nastran. Dimensi blade dan beban yang terjadi pada blade diperoleh dari pemodelan pada Autodesk Inventor analisis aerodinamis pada NUMECA yang dilakukan oleh rekan satu tim yaitu Rio. Hasil perhitungan dan analisis berdasarkan data yang ada, yaitu untuk ketiga jenis material tersebut menunjukkan bahwa material yang sesuai dengan pembebanan yang terjadi pada blade adalah baja dengan nilai tegangan maksimum yang terjadi sebesar 764 MPa dan dengan nilai faktor keamanan sebesar 2,27. Kata kunci : turbin air, struktur blade, MSC Patran, faktor keamanan viii
ABSTRACT Considering the renewable energy, it is important to develop another source of electricity power i.e. using turbine to change the water flow of river become electrical power. In this final project, the design and analysis of turbine blade is conducted. The type of turbin used in this analysis was propeller turbine. The blade s structure was analyzed by the strength of material. The variation of material was taken into this analysis, i.e. steel, aluminium and titanium. The analysis was using finite element s software, MSC Patran/Nastran. Dimension of blade and the load of pressure were taken from drawing in Autodesk Inventor and the aerodynamic analysis result by other member team, Rio. The results shows that the appropriate material for a load conditions that occur on blade is steel, with the maximum stress 764 MPa and factor of safety 2,27. Keywords : water turbine, blade structure, MSC Patran, factor of safety ix
DAFTAR PUSTAKA 1. Siwi, Galih Permadi dan Indrawan Taufik dan Ari Suryanto.no date. http://www.scribd.com/doc/88660324/turbin-air 2. Susatyo, Anjar.no date.pengembangan Turbin Mini Hidro. elib.pdii.lipi.go.id/katalog/index.php/searchkatalog/.../7975.pdf (diunduh 14 Desember 2011) 3. Joseph E. Shigley, Larry D. Mitchel, Gandhi Harahap.1983.Perencanaan Teknik Mesin.Jakarta : Erlangga. 4. Safril.no date.perencanaan RUNNER DAN POROS TURBIN CROSS FLOW PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO (PLTMH). ojs.polinpdg.ac.id/index.php/jtm/article/download/441/453 (Juni 2012) 5..no date.digilib.its.ac.id/.../its-undergraduate-7200-2702100024- bab2.pdf (diunduh Juli 2012) 6. http://www.mscsoftware.com/contents/products/cae-tools/patran.aspx 7. http://www.matweb.com/search/datasheet.aspx?matguid=826adae74c 3e4c578d8b7e71e7f02741 8. http://www.matweb.com/search/datasheet.aspx?matguid=a0655d2618 98456b958e5f825ae85390 9. http://www.matweb.com/search/datasheet.aspx?matguid=a0655d2618 98456b958e5f825ae85390 10. Craig, Roy R., Jr.1934.Mechanics Of Material.Canada : John Wiley & Sons, Inc. 11. Suryanto, Heru.2000.Aplikasi Metode Elemen Hingga Untuk Analisa Struktur Statik Linier Dengan Program MSC/NASTRAN. http://universitasnegerimalang.academia.edu/herusuryanto/papers/83877 2/APLIKASI_METODE_ELEMEN_HINGGA_UNTUK_ANALISA_S TRUKTUR_STATIK_LINIER_DENGAN_PROGRAM_MSC_NASTR AN 12..2003.Metode Elemen Hingga. http://mesin.ub.ac.id/diktat_ajar/data/ 05_a_meh.pdf 37