• Tidak ada hasil yang ditemukan

HASIL PERHITUNGAN DAN RANCANGAN 1 Data Hasil Perhitungan

Dalam dokumen Prosiding SNTM 7 UK Petra (Halaman 35-40)

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 bahan

1

sf

adalah factor koreksi kesalahan puntir = 6

2

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

Dalam dokumen Prosiding SNTM 7 UK Petra (Halaman 35-40)

Garis besar

Dokumen terkait