PERANCANGAN KARAKTERISTIK HIDRODINAMIKA BLADE PADA TURBIN PROPELER DENGAN MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK NUMECA DESIGN CHARACTERISTIC OF HYDRODINAMIC BLADE ON PROPELLER TURBINE USING SOFTWARE CFD NUMECA Laporan ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat menyelesaikan pendidikan Diploma III Program Studi Teknik Aeronautika Di Jurusan Teknik Mesin Oleh: RIO ANUGRAH AKBAR 091221024 POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2012
PERANCANGAN KARAKTERISTIK HYDRODINAMIKA BLADE PADA TURBIN PROPELLER DENGAN MENGGUNAKANAN PERANGKAT LUNAK NUMECA Penulis: Nama : Rio Anugrah Akbar NIM : 091221024 Penguji: 1. Ketua : Dr. Carolus Bintoro, Dipl. Ing.,MT 2. Anggota : Sugianto, ST., M.Eng. 3. Anggota : Syarif Hidayat, Dipl. Ing.,MT Tugas Akhir ini telah disidangkan pada tanggal 18 Juli 2012 dan disahkan sesuai ketentuan. Pembimbing I, Pembimbing II, Vicky Wuwung, MT NIP. 19810423 201012 1 002 Y. Sinung Nugroho, Dipl. Ing, MT NIP. 19650514 199102 1 001 Ketua Jurusan, Ir. Ali Mahmudi, M. Eng NIP. 19580606 199003 1 001
Jangan habiskan waktumu untuk mencemaskan apa yang orang lain lakukan. Fokuslah pada dirimu dan apa yang kamu lakukan. Berikan yang TERBAIK!!!(gen22.net) Jangan malu pada perbedaan mu, sepatutnya perbedaanmu menjadi satu senjata yang paling kamu ANDALKAN!!
ABSTRAKSI Listrik adalah suatu energi yang tidak mengeluarkan limbah seperti energi fosil. Listrik mempunyai peranan penting dalam kehidupan manusia, dikarenakan segala bentuk kegiatan manusia akhir-akhir ini menggunakan energi listrik sebagai energi utama. Tetapi tidak semua bagian Negara ini dapat merasakan nikmatnya menggunakan energi listrik dikarenakan berbagai alasan. Dalam penulisan Tugas Akhir ini penulis merancang suatu blade dari suatu turbin air yang disebut turbin propeler. Dalam perancangannya penulis menggunakan perhitungan-perhitungan manual dengan menggunakan referensi yang sudah ada, serta melakukan pengujian secara numeric pada perangkat lunak CFD NUMECA. Hasil dari perancangan ini menunjukan bahwa sudut serang 0 0 dapat menghasilkan energi listrik sebesar 27kwatt dengan jumalh blade 13 buah. Hasil ini didapatkan dari pengujian dalam perangkat lunak CFD NUMECA. Dan kenaikan kecepatan masuk air akan diikuti oleh kenaikan daya yang dihasilkan turbin. v
ABSTRACT Electricity is an energy which does not emit such energy fossil waste. Electricity has an important role in people's lives, because all forms of human activity lately using electrical energy as primary energy. But not all parts of the country can feel while using electric energy due to various reasons. In this final project writing authors design a blade of a water turbine which is called propeler turbines. In perancangannya the author uses the calculations manually by using the existing references, as well as perform testing for numeric software NUMECA CFD. The result of this design showed that the angle of attack 0 0 can generate electrical energy amounted to 27kwatt which uses 13 blades. This result was obtained from testing in software NUMECA CFD. And increase in speed in the water will be followed by an increase in power produced by the turbine. vi
KATA PENGANTAR Bismillahirrahmanirrahim Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT karena atas rahmat dan karunia-nya penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul Perancangan Karakteristik Hidrodinamika Blade Pada Turbin Propeler Dengan Menggunakan Perangkat Lunak Numeca. Dalam penulisan tugas akhir ini penulis melakukan perancangan blade dari turbin propeler agar mendapatkan daya yang diinginkan. Tiada gading yang tak retak, meskipun dalam penyusunan laporan ini penulis telah mencurahkan semua kemampuan, namun penulis sangat menyadari bahwa hasil penyusunan laporan. Tugas Akhir ini jauh dari sempurna dikarenakan keterbatasan data dan referensi maupun kemampuan penulis. Oleh karena itu penulis sangat mengharapkan saran serta kritik yang membangun dari berbagai pihak.semoga laporan Tugas Akhir ini dapat bermanfaat untuk penulis khususnya dan untuk semua pembaca pada umumnya. Bandung, Juli 2012 Penulis, vii
viii UCAPAN TERIMA KASIH Dalam penyusunan Tugas Akhir ini penulis menyadari bahwa banyak pihak yang membantu dalam proses pengerjaannya, terutama dari orang tua penulis yang tidak letih untuk memberikan do a dan semangat agar penulis dapat mengerjakan Tugas Akhir sampai selesai. Tidak lupa penulis ucapkan syukur Alhamdulillah kepada ALLAH SWT karena atas hidayah-nya penulis dapat mendapatkan kelancaran dalam menyusun Tugas Akhir ini, adapun pihak-pihak lain yang membantu penulis diantaranya adalah: 1. Bapak Vicky Wuwung selaku Pembimbing Utama yang telah memberikan motivasi, harapan dan petunjuk di setiap kesempatan sehingga terselesaikannya penyusunan Tugas Akhir ini, 2. Bapak Y. Sinung Nugroho selaku Pembimbing Pendamping yang telah memberikan saran sehingga Tugas Akhir ini dapat terselesaikan. 3. Bapak Ali Mahmudi selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin yang telah membantu penulis dalam melakukan pengerjaan Tugas Akhir penulis. 4. Bapak Tria Ma ariz selaku Ketua Program Studi Teknik Aeronautika yang telah membantu dalam pembuatan Tugas Akhir penulis. 5. Bapak Budi Hartono selaku Dosen Wali yang telah memberikan motivasi untuk dapat menyelesaikan Tugas Akhir penulis. 6. Ibu Maria F Soetanto selaku Dosen Wali yang telah memberikan arahan dan bantuan dalam menjalani dan menyelesaikan Tugas Akhir penulis. 7. Bapak Sugianto selaku Koordinator Tugas Akhir yang telah memberikan pencerahan dalam mengerjakan Tugas Akhir penulis. 8. Ibu dan Bapak Dosen Program Studi Teknik Aeronautika yang senantiasa membimbing dan memberikan penyelesaian dalam pengerjaan Tugas Akhir penulis. 9. Bapak Ade, bapak Ilyas, bapak Suramta, bapak Sep Dasep Taryana dan ibu Amalia Saraswati selaku Staf Administrasi Program Studi Teknik
ix Aeronautika yang telah membantu kelancaran penulis dalam menyelesaikan penyusunan Tugas Akhir ini. 10. Bapak Erfan selaku staf di laboratorium CFD yang telah memberikan kepada penulis untuk mengerjakan Tugas Akhir ini dengan sangat nyaman dan menyenangkan. 11. Damayanti Nova P dan Linda Purdianti selaku rekan-rekan penulis dalam penyusunan Tugas Akhir ini yang telah sabar dan tawakal menghadapi kekurangan penulis. 12. Teman-teman seperjuangan di kelas Aero 2009 yang telah memberikan semangat dan masukan kepada penulis agar dapat menyelesaikan Tugas Akhir penulis ini. Akhir kata penulis ucapkan terima kasih kepada semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan pada kesempatan ini, yang telah memberikan motivasi dan membantu penulis dalam pengerjaan dan penyusunan laporan Tugas Akhir ini. Tidak lupa penulis ucapkan permohonan maaf apabila penulis pernah melakukan hal yang tidak berkenan, semoga penulis dapat membalas semua kebaikan dan bantuan pihak-pihak tersebut di kesempatan selanjutnya.
x DAFTAR ISI ABSTRAKSI... v ABSTRACT... vi KATA PENGANTAR... vii UCAPAN TERIMA KASIH... viii DAFTAR ISI... x DAFTRA LAMPIRAN... xii DAFTAR GAMBAR... xiii BAB I PENDAHULUAN... I-1 1.1 Latar Belakang... I-1 1.2 Perumusan Masalah... I-2 1.3 Tujuan Penelitian... I-2 1.4 Batasan Masalah... I-2 1.5 Metodologi Penyelesaian... I-3 1.6 Sistematika Penulisan... I-5 BAB II LANDASAN TEORI... II-1 2.1 Hydropower... II-1 2.2 Kincir Air(water wheel)... II-3 2.2.1 Kincir Air Overshot... II-3 2.2.2 Kincir Air Undershot... II-4 2.2.3 Kincir Air Breastshot... II-5 2.2.4 Kincir Air Tub... II-6 2.2 Turbin... II-6 2.3 Turbin Air... II-6 2.3.1. Turbin Impuls... II-7 2.3.1.1 Turbin Pelton... II-8 2.3.1.2 Turbin Turgo... II-8 2.3.1.3 Turbin Crossflow... II-8 2.3.2. Turbin Reaksi... II-9 2.3.2.1 Turbin Francis... II-9 2.3.2.2 Turbin Kaplan & Propeller... II-10 2.4 Karakteristik Turbin Propeler... II-11 2.5 Distribusi Chord Turbin Propeler... II-12 2.6 Distribusi Koefisien Gaya Angkat Turbin Propeler... II-12 2.7 Distribusi Gaya angkat Turbin Propeler... II-13 BAB III METODOLOGI DAN PROSES PENYELESAIAN... III-1 3.1 Perancangan Dimensi Awal Turbin Propeler... III-1 3.1.1 Penentaun Head, Debit, dan Daya... III-1 3.1.2 Penentuan RPM dan Kecepatan Spesifik... III-1 3.1.3 Perhitungan diameter outer dan diameter inner... III-1 3.2 Perhitungan Segitiga Kecepatan... III-3
xi 3.3 Penentuan airfoil dan perhitungan distribusi Koefisien Gaya Angkat... III-3 3.4 Perhitungan Distribusi chord dan Distribusi Reynold Number... III-3 3.5 Perhitungan Distribusi Lift dan Distribusi Torsi... III-3 3.6 Perhitungan Daya setiap Blade... III-4 3.7 Pembuatan Gambar... III-4 3.8 Simulasi Numerik... III-5 BAB IV PROSES, HASIL DAN PEMBAHASAN... IV-1 4.1 Perancangan Dimensi Awal Turbin Propeler... IV-1 4.1.1 Penentuan Head, debit dan Perhitungan Daya... IV-1 4.1.2 Penentuan Kecepatan Putar dan Perhitungan Kecepatan Spesifik... IV-3 4.1.3 Perhitungan Diameter Turbin... IV-4 4.2 Perhitungan Segitiga Kecepatan... IV-5 4.3 Penentuan Airfoil... IV-7 4.4 Distribusi Koefisien Gaya angkat... IV-8 4.5 Distribusi Chord Sepanjang Blade Span... IV-9 4.6 Distribusi Reynold Number Sepanjang Blade Span... IV-10 4.7 Distribusi Gaya Angkat... IV-11 4.8 Distribusi Torsi... IV-12 4.9 Daya Setiap Blade dan Perhitungan Jumlah Blade... IV-13 4.10 Penggambaran Model... IV-15 4.11 Simulasi Numerik... IV-17 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... V-1 5.1 Kesimpulan... V-1 5.2 Saran... V-1 DAFTAR PUSTAKA... VI-1 LAMPIRAN
DAFTAR LAMPIRAN LAMPIRAN A LAMPIRAN B LAMPIRAN C DATA DAN PERHITUNGAN GAMBAR TUTORIAL CFD NUMECA xii
xii DAFTAR GAMBAR Gambar 2. 1 Kincir air Overshot... II-3 Gambar 2. 2 Kincir Air Undershot... II-4 Gambar 2. 3 Kincir Air Breastshot... II-5 Gambar 2. 4 Kincir Air Tub... II-6 Gambar 2. 5 Turbin Pelton... II-8 Gambar 2. 1 Skema Turbin Pelton... II-8 Gambar 2. 2 Nozzle Turbin Pelton dan Turgo... II-8 Gambar 2. 3 Skema Turbin Crossflow... II-9 Gambar 2. 4 Turbin Francis... II-10 Gambar 2. 9 Turbin Kaplan dan Propeler... II-10 Gambar 2. 5 Kurva Daya Terhadap RPM... II-11 Gambar 2. 6 Kurva Efisiensi Terhadap RPM... II-11 Gambar 2. 7 Ditribusi Chord... II-12 Gambar 2. 8 Distribusi Koefisien Gaya Angkat... II-13 Gambar 2. 9 Ditribusi Gaya Angkat... II-14 Gambar 3. 1 flowchart perancangan awal... III-2 Gambar 3. 2 Pembuatan Gambar Pada Autodesk Inventor... III-4 Gambar 3. 3 Tampilan Perangkat Lunak Solid Work... III-5 Gambar 3. 4 Tampilan AutoGrid5... III-5 Gambar 3. 5 Tampilan FineTurbo... III-6 Gambar 3.6 Flow Chart Penyelesaian Akhir... III-6 Gambar 4. 1 Daerha Kinerja untuk Berbagai Jenis Turbin... IV-1 Gambar 4. 2 Daerah Kerja Kecepatan Spesifik... IV-3 Gambar 4. 3 Potongan Melintang Turbin Propeller dan Kaplan... IV-5 Gambar 4. 4 Segitiga Kecepatan... IV-6 Gambar 4. 5 Kurva Sudut β1 terhadap jarak ke sumbu putar (r)... IV-7 Gambar 4. 6 Kurva Kecepatan Air Relatif Terhadap Jarak dari Sumbu Putar...... IV-7 Gambar 4. 7 Kurva Koefisien Gaya angkat Terhadap Jarak dari Sumbu Putar...... IV-9 Gambar 4. 8 Kurva Chord Sepanjang Terhadap Jarak dari Sumbu Putar IV-10 Gambar 4. 9 Kurva Reynold Number Terhadap Jarak dari Sumbu Putar IV-11 Gambar 4. 10 Kurva Gaya Angkat Terhadap Jarak dari Sumbu Putar... IV-12 Gambar 4. 11 Skema Gaya Angkat... IV-12 Gambar 4. 12 Kurva Torsi Trhadap Jarak dari Sumbu Putar... IV-13 Gambar 4. 13 Potongan Melintang Turbin... IV-14 Gambar 4. 14 Kurva Terhadap Jarak dari Sumbu Putar... IV-15 Gambar 4. 15 Penggambaran Sketsa... IV-16 Gambar 4. 16 Penggambaran Solid... IV-16 Gambar 4. 17 Eksport ke Format.igs... IV-17 Gambar 4. 18 Eksport ke Format.IGS... IV-17 Gambar 4. 19 Pembuatan Grid pada perangkat lunak NUMECA... IV-18
xiii Gambar 4. 20 Pengisian Data Karakteristik Turbin pada FineTurbo pada Perangkat Lunak NUMECA... IV-19 Gambar 4. 21 Proses Running pada perangkat Lunak Numeca... IV-19 Gambar 4. 22 Kurva dalam Perangkat Lunak NUMECA... IV-20 Gambar 4. 23Kurva Daya Terhadap Kecepatan Masuk... IV-20 Gambar 4. 24 Kurva Efisiensi Terhadap Kecepatan Masuk... IV-21 Gambar 4.25 Flow Chart Penggunaan NUMECA... IV-22