PERANCANGAN TURBIN MIKROHIDRO TIPE PROPELER VANES KAPASITAS 1000 WATT
M. Dwi Trisno 1) , Muhammad Firdausi 2) , Dahmir Dahlan 3)
3. HASIL PERHITUNGAN DAN RANCANGAN 1 Data Hasil Perhitungan
Berdasarkan hasil perancangan dimensi utama mesin
Turbine Tipe Propeller-Vanes, didapat data-data sebagai data desain berikut:
Head, H = 1,5 (m)
Debit air, Q = 0,1( m3/s)
utaran turbin (rencana), n = 750 (rpm)
Dengan mengacu pada tinjau pustaka dan data hasil survei, maka dapat dihitung dan didesain turbin air type propeler vanes, dengan hasil seperti yang disajikan pada Tabel 2.
Tabel 2. Hasil perhitungan rancangan turbin
Item Satuan Hasil
Daya turbin HP 1.357008 Torsi kg.mm 1314.676588 nq rpm 174.9817756 ns rpm 526.3060878 V air (2.g.h)^1/2 m/s 5.424942396 A area m2 0.018433375 Dsaluran mm 153.23 ≈ 254 Dporos propeler mm 9.74 ≈ 25 W berat kg 1.069135776
Sudut puntir O/meter 2.36807E-07
n kritis rpm 15739.61943
Kec. U*1 m/det 1.7
Kec. U*n m/det 0.75
Kec. Cm pengarah m/det 0.46
Kecepatan spesifik C m/det 5.424942396
U1 (luar) m/det 9.222402073
Un (naaf) m/det 4.068706797
Cm kecepatan meridian m/det 2.495473502
U (tengah) m/det 6.645554435
Cu1 m/det 1.505698298
Faktor penyempitan pada
penampang sudu 0.55
Diameter sudu jalan
Diameter Luar Sudu jalan (DL) m 0.234965658
Diametr tengah m 0.211469092
Diameter Naaf (0,4- 0,65) DL m 0.099860405
Diameter rata2 (Dm) m 0.167413031
Lebar sudut (B) m 0.067552627
Casing bagian luar
Diameter luar sudu pengarah (1,2D1) m 0.281958789
Tinggi sudu Pengarah (Bo) m 0.082294169
Kecepatan C2 kondisi aktual m/det 2.816040208
Eff= N/(g.H.ro.Q) 68.95%
Perencanaan sudu pengarah
Jumlah sudu pengarah (Z1) - 9.19 ≈ 9
Jarak tusuk (t') m 0.096255657
ko 1
Kecepatan meridian sisi luar (Cm') m/s 0.142673185
Sudut keluar sudu pengarah (alfa) o 0.093726572
Jari-jari kelengkungan sudu
pengarah (p) m 0.234965658
Tempat tinggi air jatuhsudut
pengarah.(Hle) m 0.721099257
Tinggi air jatuh pada roda jalan (Hla) m 1.125282868
Tinggi air jatuh dalam pipa hisap
(Hs) m 0.404183611
Tabel 2. Hasil perhitungan rancangan turbin (lanjutan) Jumlah energi yang jatuh pada
bagian roda jalan (Hx) m 2.250565736
Tinggi tekanan rendah dalam
pipa (HT) m 0.750565736 -
Gaya tangensial (F) N 338.9443969
Gaya geser axial (S) N 476.4992094
Setelah menghitung dimensi utama, kemudian dihitung dimensi sudu/propeller, seperti yang tersaji dalam Tabel 3.
Tabel 3. Hasil analisis dari segitiga kecepatan
Item Satuan Diameter Naaf (Dn) Diameter Tengah (Dt) Diameter Luar (Dl) Diameter mm 100 211 235 U m/det 4.0687 6.6456 9.2224 C1 m/det 3.761378 3.203251 3.023295 W1 m/det 1.55126 5.8225918 8.7127716 Cm m/det 2.81604 2.81604 2.81604 Cu m/det 2.493569 1.526675 1.100104 W2 m/det 4.948177 7.217581 9.642758 B1 O 67.62215 28.83165 19.14626 B2 O 34.7055 22.9764 16.9885 t mm 52.26028 110.6688 122.9654 L mm 106.3303 110.8629 123.0121 3.2. Rancangan turbin
Dari data hasil perhitungan pada Tabel 2 dan Tabel 3 ke- mudian dibuat rancangan turbin seperti ditunjukkan pada Gambar 7 sampai dengan Gambar 12.
Seminar Nasional Teknik Mesin 7 21 Juni 2012, Surabaya, Indonesia
Gambar 7. Rumah turbin
Gambar 8. Sudu pengarah
Gambar 9. Dudukan bantalan generator
Gambar 10. Dudukan sudu jalan
Gambar 11. Generator
4. KESIMPULAN
Dari hasil perhitungan diatas, didapat spesifikasi turbin yang dirancang sebagai berikut :
Type= Propeller poros vertikal
Tinggi air jatuh, H = 1,5 (m)
Debit air, Q = 0,l (m3/s)
Effisiensi turbin (rencana), qt = 68 % Massa jenis air (air sungai ), ρ = 997.8 (kg/m')
Daya , N = 1,36 HP = 1,01456 (kW)
Putaran, n = 750 (rpm)
Kesepatan spesifik, ns = 547( rpm) Diameter luar sudu jalan, DL = 0,235 (m) Diameter naaf, Dn = 0,100 (m)
Tinggi sudu pengarah, B = 0,082 m
Jumlah sudu jalan = 6 buah
Jumlah sudu pengarah, Z1 = 9 buah
DAFTAR PUSTAKA
[1] Victor L. Streeter, E. Benjamin Wylie, dan Arko
Prijono, Mekanika Fluida, Edisi Delapan, Jilid 2,
Erlangga, 1991.
[2] Celso Penche, Laymans’s Handbook on How to
Develop a Small Hydro Site, U. Politécnica de Madrid, Second Edition, European Commision, June 1998.
[3] Arismunandar, Wiranto, Penggerak Mula Turbin,
ITB, Bandung 1980.
[4] http://www.ccitonline.com/mekanikal/img/wiki_up/image/ TGS%20Subhan/Tbl1.jpg
[5] Nechleba, Miroslav, Hydraulics Turbines Their
Design and Equipment, Artia Paragua, Chzecko- slovakia, 1957.
[6] Dietzel, Fritz, Sriono, Dakso, Turbin, Pompa dan
Kompresor, Erlangga., Jakarta, 1993.
[7] Sularso., Kiyokatsu Suga., Dasar Perencanaan dan
Pemilihan Elemen Mesin, PT. Pradnya Paramita, Jakarta, 1991. Nomenklatur A = π/4*√((DL) 2– (Dn) 2 ) (m2). B lebar sudut = (DL/2 –DN/2) ( m )
BO tinggi sudu antar
C2 kecepatan keluar absolute air (m/s)
C2m kecepatan spesifik meridian (m/s)
Cb faktor koreksi untuk momen lentur = (1,2-2,3)
Cm pengarah = kecepatan spesifik meridian pengarah
= 0,46 (m/s).
Cm' kecepatan meridian pada sisi keluar
Cu kecepatan masuk/keluar air arak tegak lurus
Cu1 kecepatan masuk air arak tegak lurus (Cu1) Cu1 kecepatan masuk/keluar air tegak lurus
Cμ1 = (W2μ – W1μ) ( m/s )
D = Dm = diameter rata-rata = ( DL– DN)/2 (m)
DL diameter luar sudu jalan ( m )
DLSP diameter luar sudu pengarah turbin (m)
DT diameter bagian tengah sudu jalan. (m)
Dn diameter naaf sudu turbin = (0,40 – 0,65) (m).
Dm diameter rata-rata (m)
F gaya tangensial
fc faktor koreksi = (0,8-1,2)
g gravitasi = 9,81 (m/det2)
H head/tinggi jatuh air (m).
Hla tinggi jatuh air pada roda jalan (m)
Hle tempat air jatuh pada sudut pengarah (m)
Hs tinggi air jatuh dalam pipa isap (m)
HT tinggi tekanan rendah dalam pipa
Hx jumlah energi pada tinggi jatuh bagian tengah roda
jalan
Kt faktor koreksi untuk momen puntir = ( 1,3 - 3,0)
ko merupakan angka perkalian yang letaknya dari 1,).
Menurut [ 7 ]
L lebar bendung (m)
N daya turbin (kW)
n putaran turbin (rpm).
nq putaran spesifik turbin persatuan debit
ns putaran spesifik turbin persatuan daya.
ήt effisiensi turbin rencana
ήt effisiensi turbin aktual
Ps jari-jari kelengkungan sudu pengarah
Pd daya rencanakan (kW)
Q debit air (m3/s).
S gaya geser axial (N)
t' jarak tusuk
U1 kecepatan tagensial pada sudu turbin. (m/s).
U*1 kecepatan spesifik tangensial sudu turbin =1,7
Un kecepatan tagensial pada poros naaf turbin (m/s).
U*n kecepatan spesifik tangensial poros naaf turbin
= 0,75
UT kecepatan tagensial pada sudu bagian tengah turbin
Wn kecepatan relatif air masuk (m/s).
Z1 jumlah sudu pengarah
ά' Sudut Keluar Sudu Pengarah
ρ masa jenis air = 997.8 (kg/m3)
τo factor penyempitan pada penampang sudu. = 0,55
b
kekuatan tarik bahan1
sf
adalah factor koreksi kesalahan puntir = 62
sf
adalah factor koreksi untuk alur pasak = (1,2 - 3)Seminar Nasional Teknik Mesin 7 21 Juni 2012, Surabaya, Indonesia
PENGARUH KECEPATAN MANDREL TERHADAP COMPRESSIVE RESIDUAL STRESS
PADA PROSES COLD EXPANSION HOLE
Moch. Agus Choiron1, Heny Andya2, Anindito Purnowidodo3
Jurusan Teknik Mesin Universitas Brawijaya Jalan MT. Haryono 167, Malang 65145, Indonesia
E-mail : 1)agus_choiron@ub.ac.id, 2) viany_andya@yahoo.com, 3) adit_ap@yahoo.com
ABSTRAK
Konsentrasi tegangan di sekitar lubang pada komponen yang menggunakan sambungan rivet atau screw tidak dapat dihindari. Kondisi ini dapat menyebabkan FCI (Fatigue Crack Initiation) ketika mendapat tegangan tarik. Cold Expansion Hole merupakan salah satu teknik yang dapat digunakan untuk menciptakan tegangan sisa tekan di sekitar lubang sambungan. Tegangan sisa tekan ini akan mengeliminasi dari konsentrasi tegangan di sekitar lubang sambungan, sehingga retak awal dari material akan terhambat dan umur dari material dapat dioptimalkan. Dalam industri pesawat terbang, beban fatigue yang terjadi sangat tinggi. Oleh karena itu, perlu dilakukan proses Cold Expansion Hole untuk mencegah terjadinya retak awal. Penelitian ini menggunakan simulasi software berbasis elemen hingga sehingga distribusi tegangan sisa dapat diketahui. Selain itu, penelitian ini memberikan variasi kecepatan mandrel sebesar 0,6 m/s, 0,9 m/s, 1 m/s, dan 2 m/s. Material plat yang digunakan AL 2024. Dari hasil penelitian ini didapatkan pada plat berlubang yang diberi tegangan 85 MPa terjadi konsentrasi tegangan sebesar 259,49 MPa pada sisi lubang. Kecepatan mandrel 1 m/s menghasilkan tegangan sisa tekan maksimum sebesar -426,4 MPa, sedangkan kecepatan mandrel 0,6 m/s menghasilkan tegangan sisa tekan minimum sebesar -89,36 MPa pada daerah yang paling dekat dengan lubang. Dari penelitian ini juga didapatkan bahwa tegangan sisa tekan terjadi di daerah plastis dan daerah transisi terjadi paling jauh dengan variasi kecepatan 2 m/s sejauh 5 mm.
Kata kunci :Cold expansion hole, Compressive residual stress, Fatigue crack initiation, Kecepatan
1. PENDAHULUAN
Konsentrasi tegangan pada suatu desain suatu komponen atau struktur harus benar-benar diperhatikan agar komponen maupun struktur tersebut aman dan tidak mengalami kega- galan. Jika suatu komponen sambungan mendapatkan suatu pembebanan aplikatif maka komponen tersebut pasti akan mengalami konsentrasi tegangan [1,3] Hal ini yang harus dihindari, atau jika tidak bisa dihindari harus dilakukan per- hitungan yang serius.
Untuk menghindari konsentrasi tegangan di sekitar lubang yang sangat rawan terjadi inisiasi retak ini maka diciptakan tegangan sisa tekan [5,6,7,8]. Tegangan sisa tekan inilah yang berfungsi untuk meminimalisir konsentrasi tegangan di sekitar sambungan [4]. Salah satu teknik yang
digunakan adalah proses Cold Expansion Hole. Konsep ini
dipakai dalam cara untuk mencegah inisiasi retak maupun
perambatan retak pada sambungan mur-baut (screw joint)
dan keling (rivet). Teknik ini dilakukan dengan menekankan
bola logam atau mandrel pada permukaan lubang sampai terjadi deformasi plastis, sehingga terjadi tegangan sisa tekan pada daerah permukaan sekitar lubang [2,7,8].
Dalam studi ini lubang sambungan akan diperlakukan
proses Cold Expansion Hole dengan mengganti bola
penekan dengan pasak (mandrel) yang sebelumnya telah
diberi variasi kecepatan, dan setelah itu lubang sambungan akan diberi pembebanan aplikatif yang nantinya akan diteliti bagaimanakah distribusi tegangan yang terjadi pada daerah sekitar lubang sambungan tersebut.
Dengan penelitian pengaruh kecepatan terhadap tegangan sisa tekan pada proses cold expansion hole ini diharapkan akan didapatkan kecepatan yang paling optimal agar dihasil- kan tegangan sisa tekan yang besar dan menyeluruh di sekitar lubang.
2. METODOLOGI
Metode yang digunakan dalam dalam penelitian ini ada- lah eksperimental semu yaitu melakukan simulasi kasus dengan memanfaatkan software berbasis metode elemen hingga. Variabel bebas yang digunakan adalah variasi kece- patan 0,6 m/s, 0,9 m/s, 1 m/s, dan 2 m/s. Variabel terikat yang diukur adalah distribusi tegangan sisa setelah proses Cold Expansion Holes. Sedangkan variabel kontrol adalah ma-
terial spesimen yang digunakan AL 2024 dan dimensi spesimen yaitu panjang 50 mm, lebar 50 mm, dan tebal 5
mm. Sudut chamfer yang digunakan pada mandrel θ = 88o.
Data Material
Bahan mandrel dan fixed support yang digunakan adalah
structural steel yang dimodelkan sebagai rigid body. Se- dangkan bahan plat yang digunakan adalah AL 2024 dengan
pemodelan material sebagai Stienberg Guinan Strength
dengan data material properties seperti pada Tabel 1.
Tabel 1. Properties AL 2024
Properties Harga
Density (×1000 kg/m3) 2,785
Poisson's Ratio 0,33
Shear Modulus (GPa) 28,6
Maximum Tensile Strength(Mpa) 760
Initial Yield Strength (Mpa) 260
Hardening Constanta 310
Hardening Exponent 0,185
Derivatif DG/DT(Pa/C) 3,50e7
Derivatif DY/DP 0,0079
Gruneisen Coefisien 2
Dimensi
Dimensi spesimen yang digunakan pada penelitian meli- puti plat, mandrel, sleeve dan fix support yang dapat dilihat pada Gambar 1, 2 dan 3.
a. Spesimen plat aluminium 2024
Gambar 1. Spesimen plat Al 2024
b. Mandrel dan sleeve
Gambar 2. Mandrel dan sleeve
c. Fixed support
Gambar 3.Fix support Meshing
Gambar 4 . Meshing pada spesimen
Meshing adalah proses membagi specimen menjadi elemen-elemen kecil. Semakin kecil elemen yang dibentuk semakin besar pula persamaan yang harus diselesaikan oleh
software sehingga beban computer akan semakin besar tetapi
hasil yang akan diperoleh juga semakin akurat. Meshing
dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu manual dan otomatis. Gambar 4 menunjukkan model meshing yang dilakukan.
Proses Cold Expansion Hole
Dalam proses ini mandrel yang sebelumnya telah diset dengan variasi kecepatan 0,6 m/s, 0,9 m/s, 1 m/s, 2 m/s akan digerakkan lurus ke bawah searah sumbu y sampai melewati
hole dengan menggunakan displacement, yang kemudian
dilanjutkan dengan pemberian pembebanan axial sebesar 85 Mpa. Selanjutnya dilakukan proses superposisi pada titik yang sama pada hasil cold expansion hole dan pembebanan. Proses ini digambarkan pada Gambar 5.
Gambar 5.Proses Cold Expansion Hole + Pembebanan Pembebanan
Pembebanan dilakukan dengan pemberian beban pada kedua sisi samping pelat Gambar 6. Besar beban yang diberikan sebesar 85 MPa, besar beban tegangan tarik ini
kurang-lebih sepertiga dari yield stress material yang
biasanya digunakan pada aplikasi.
Gambar 6. Model Pembebanan
Pengeplotan Titik Distribusi Tegangan
Setelah proses selesai maka tahap selanjutnya adalah proses pengeplotan. Titik-titik ini diambil secara manual pada daerah sumbu y negatif mulai dari tepi lubang sambungan sampai tepi terluar plat karena daerah ini memiliki tegangan yang paling besar jika diberi beban aplikatif. Arahnya tegak lurus dengan arah pembebanan yang ditunjukkan pada Gambar 7.
Diagram Alir Penelitian
Alur pelaksanaan penelitian ini disesuaikan dengan diagram alir penelitian yang ditunjukkan pada Gambar 8.
1
2 2
Seminar Nasional Teknik Mesin 7 21 Juni 2012, Surabaya, Indonesia
Gambar 7. Daerah pengeplotan pada plat
Gambar 8. Diagram alir penelitian
3. HASIL DAN PEMBAHASAN