studi numerik dan eksperimental performansi turbin 2.7.klasifikasi turbin air dari diagram diatas,...

Download STUDI NUMERIK DAN EKSPERIMENTAL PERFORMANSI TURBIN 2.7.klasifikasi turbin air Dari diagram diatas, turbin air dibagi menjadi 3 bagian yaitu turbin tipe horizontal, cross flow turbin,

Post on 07-Apr-2018

225 views

Category:

Documents

4 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • STUDI NUMERIK DAN EKSPERIMENTAL PERFORMANSI TURBIN ARUS AIR TIPE VERTIKAL AKSIS DENGAN VARIASI JUMLAH BLADE DAN EFEK ASPECT RATIO

    M Hishom Ariadi

    Dr. Gunawan Nugroho Dr. Ridho Hantoro ST.,MT.

    Teknik Fisika Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember

    2011

    Abstrak Saat ini penggunaan energi yang paling banyak digunakan di dunia adalah sumber energi fosil. Penggunaan energi tersebut

    secara terus menerus yang mengarah pada krisis energi membuat banyak orang untuk mencari sumber energi alternatif. Salah satu sumber energi yang saat ini sedang banyak dilakukan penelitian adalah arus air. Alih fungsi turbin angin menjadi turbin air perlu dilakukan studi lebih lanjut tentangnya. Massa jenis air yang hampir 1000 kali lipat massa jenis udara menyebabkan gaya dan torsi yang mempengaruhi turbin semakin besar. Untuk mendapatkan performa terbaik dari turbin perlu adanya studi lebih lanjut tentang jumlah blade dan efek pemanjangan span turbin. Jumlah blade dan panjang span yang diteliti kali ini adalah turbin dengan jumlah 3, 4, dan 5 blade serta dengan variasi span 30, 35, dan 40cm Dari variasi jumlah blade dan panjang span didapatkan flutuasi gaya yang dihasilkan oleh turbin yang mempunyai blade yang lebih banyak menghasilkan fluktuasi yang lebih besar. Sedangkan untuk ripple torsi yang dihasilkan, turbin dengan jumlah blade 5 memiliki ripple yang lebih kecil jika dibandingkan dengan turbin yang mempunyai jumlah blade 3 dan 4,serta performansi terbesar turbin ini mencapai angka 287.39 dan efisiensi terbesar 54.6 %.

    Kata kunci : turbin vertikal aksis, variasi blade, Aspect Ratio, fluktuasi gaya

    I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Indonesia adalah Negara kepulauan yang sebagian besar bagiannya adalah perairan. Dengan beredarnya isu tentang energy fosil yang semakin menipis, saat ini banyak yang sedang mencari energy alternative untuk menggantikan energy fosil tersebut. Disisi lain, energy alternative mempunyai efek yang lebih kecil daripada energy fosil. Salah satu contoh energy alternative adalah turbin arus air, dan saat ini yang sedang dikembangkan adalah turbin berjenis vertical aksis. Namun dari segi performasi, turbin vertical aksis memiliki kelemahan dari segi performansi. Oleh karena itu perlu adanya penelitian untuk mengembangkan performansi turbin, dan salah satu cara yang dapat dilakukan adalah dengan variasi jumlah blade dan variasi panjang span o Beberapa penelitian yang telah dilakukan di luar

    negeri seperti cotohnya pada literatur [3] menyebutkan bahwa keuntungan dari adanya turbin air tipe darrieus adalah sebagai berikut:

    Dengan orientasi putaran secara vertikal maka turbin ini secara langsung dapat memutar generator diatas air

    Pada model turbin arus laut, turbin ini tidak sensitive terhadap perubahan arus ysng terjadi

    Mempunysi biaya yang relatif rendah dibandingkan dengan pembuatan turbin turbin yang lainnya

    Blade berfungsi untuk menerima gaya dari aliran yang mengenainya, sehingga menyebabkan poros menjadi berputar. Hasil output yang dihasilkan dari sebuah turbin adalah kecepatan putar dan torsi pada poros utama. Hasil outputan baik torsi maupun kecepatan sangat berpengaruh pada proses untuk menghasilkan daya yang dihasilkan generator, sehingga perlu diadakan penelitian lebih lanjut mengenai hal ini Dalam beberapa literatur yang didapatkan, dijelaskan bahwasannya dengan memperpanjang lengan maka akan mengurangi RPM dan torsi yang dihasilkan.

    Begitu pula dengan efek penambahan jumlah blade, dengan adanya variasi jumlah blade pada suatu turbin akan menambah nilai torsi dan RPMnya.Oleh karena itu, penelitian ini bermaksud untuk meneliti efek yang ditimbulkan dengan penambahan jumalah blade dan aspect ratio terhadap torsi dan RPM pada turbin arus air. 1.2 Rumusan Masalah Adapun permasalahan yang akan diteliti dalam pengerjaan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut:

    Bagaimanakah fluktuasi gaya yang terjadi pada turbin air terhadap perubahan jumlah blade dan aspect ratio turbin

    Bagaimana Ripple Torque yang terjadi dengan adanya variasi tersebut

    1.3 Tujuan Tujuan dari Penelitian ini adalah sebagai berikut

    Mendapatkan fluktuasi gaya yang ditimbulkan akibat perubahan jumlah blade dan aspect ratio turbin

    Menganalisa efek torsi Ripple Torque yang ditimbulkan dengan adanya variasi tersebut

    1.4 Batasan Masalah Adapun Pendekatan masalah yang digunakan untuk penelitian ini adalah sebagai berikut:

    Fluida yang mengalir melewati turbin adalah air Model blade yang digunakan pada turbin ini

    adalah airfoil dengan tipe NACA 0015 dengan panjang chord 7cm

    Variasi Aspect Ratio Turbin adalah dengan panjang span 30, 35,dan 40 cm

    Variasi Jumlah Blade sebanyak 3, 4, dan 5 buah Aliran yang digunakan untuk memutar turbin

    adalah antara 0.1 1 m/s

  • Simulasi dilakukan dengan menggunakan software CFD dan dalam kondisi steady state 3D

    1.5 Manfaat Adapun manfaat yang diharapkan penulis yaitu nantinya akan menambah pengetahuan tentang efek dari fluktuasi gaya yang terjadi dan mendapatkan torsi terbaik dengan adanya variasi panjang span dan aspect ratio turbin II LANDASAN TEORI 2.1 Karakteristik Aerodinamika Airfoil Airfoil adalah salah satu bentuk bodi aerodinamika sederhana yang berguna untuk dapat memberikan gaya angkat tertentu terhadap suatu bodi lainnya dan dengan bantuan penyelesaian matematis sangat memungkinkan untuk memprediksi besrapa besarnya gaya angkat yang dihasilkan oleh suatu bodi airfoil. Berdasarkan standar data NACA, airfoil tersebut mempunyai data-data teknis dari tiap bentuknya, yang ditunjukkan oleh gambar berikut:

    Gambar 2.1. Nomenklatur Airfoil

    Penampang melintang sebuah airfoil biasanya disebut penampang airfoil (airfoil section), sebuah pelat pipih yang diletakkan membentuk sudut lancip terhadap aliran udara sehingga menghasilkan gaya angkat (lift) juga disebut airfoil., tetapi airfoil yang tidak efisien. Airfoil yang efisien adalah airfoil yang penampangnya hamper seperti tetesan air. Berikut adalah bagian bagian dari airfoil:

    Leading Edge, adalah bagian yang paling depan dari sebuah airfoil

    Trailing Edge, adalah bagian paling belakang dari sebuah airfoil.

    Chamber line, adalah garis yang membagi sama besar antara permukaan atas dan permukaan bawah airfoil

    Chord line, adalah garis yang menghubungkan antara leading edge dan trailing edge

    Chord, adalah jarak antara leading edge dan trailing edge

    Maximum chamber, adalah jarak maksimum antara mean chamber line dan chord line. Posisi maksimum chamber diukur dari leading edge dalam bentuk persentase chord

    Maximum thickness, adalah jarak maksimum antara permukaan atas dan permukaan bawah yang diukur tegak lurus terhadap chord line

    Airfoil yang bila dialiri udara dengan arah sejajar dengan tali busur (chord)nya, tidak bisa menghasilkan gaya angkat disebut juga airfoil simetris

    Gambar 2.2. Airfoil simetris

    Airfoil simetris hanya akan menghasilkan gaya angkat bila aliran udara yang melewatinya (relative wind) membentuk sudut tajam dengan tali busur. Airfoil simetris biasa digunakan untuk horizontal stabilizer atau fin. Sedangkan airfoil yang tidak simetrisakan menghasilkan gaya angkat sekalipun arah aliran yang melewatinya sejajar dengan tali busur. Gaya angkat timbul karena adanya perbedaan tekanan udara antara atas dan bawah airfoil. Kecepatan fluida dibawah lebih kecil daripada dibagian atas airfoil., sehingga tekanan bawah lebih besar daripada tekanan atas.

    Gambar 2.3. Airfoil Asimetris

    2.2 Sudut Serang (Angle of Attack) Sudut serang adalah sudut yang dibentuk oleh tali busur sebuah airfoildan arah aliran udara yang melewatinya (relative wind). Biasanya diberi tanda Untuk airfoil simetris, besar lift yang dihasilkan akan nol, bola sudut serang nol , sedang pada airfoil tidak simetris sekalipun, sudut serang nol tetapi gaya angkat tetap timbul. Gaya angkat menjadi nol bila airfoil tidak simetris membentuk sudut negative terhadap aliran udara. Sudut serang dimana gaya angkat = 0 ini disebut zero lift angle.

    Ada 2 jenis sudut serang yang terdapat pada airfoil yaitu:

    1. Sudut Serang Mutlak Sudut serang mutlak adalah sudut serang sebuah airfoil diukur dari kedudukan zero angle lift

    Gambar 2.4. Sudut serang mutlak

    2. Sudut Serang Kritis Sudut serang kritis adalah sudut serang dimana gaya angkat yang dihasilkan akan mencapai maksimum, diatas sudut tersebut gaya angkat akan turun sedang hambatan udara (drag) akan

  • membesar dengan cepat. Hal ini bisa terjadi karena aliran turbulensi bertambah besar.

    Gambar 2.5. Aliran udara pada sudut serang kecil dan besar

    2.3 Turbin Arus Sungai Turbin arus sungai dapat disebut juga sebagai Hydropower.Hydropower merupakan energi yang menggunakan pergerakan air yang bergerak mempunyai energi yang cukup besar oleh karena itu dapat digunakan sebagai pembangkitan.Hydropower merupakan energi terbarukan. Dari proses yang terjadi di bumi ini air yang ada di bumi tidak pernah berkurang, namun terjadi siklus setiap saat.

    Proses yang terjadi di bumi yaitu diawali dengn pemanasan air di laut, danau, sungai oleh matahari sehingga menguap. Penguapan ini disebut dengan evaporasi. Air yang berubah menjadi uap air ini ditangkap oleh awan dan ketika ditampung oleh awan , uap air ini nantinya akan berubah menjadi butiran air kembali, dan pada akhirnya ketika awan sudah tidak sanggup menampung kembali butiran butiran yang sudah berkumpul tersebut akan dijatuhkan kembali ke bumi. Dan begitu pula seterusnya

    Contoh dari penggunaan turbin air dapat dilihat pada gambar berikut ini

    Gambar 2.6.Turbin air

    Air dari sungai dibendung dan di antara air

    bendungan dan penstock terdapat gate (gerbang