KAJIAN MODAL ANALISIS PADA TURBIN ANGIN SUMBU VERTIKAL JENIS SAVONIUS TIPE ROTOR U MENGGUNAKAN SOFTWARE MATLAB METODE
FAST FOURIER TRANSFORM (FFT)
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
JOHN FRANS H. SIAHAAN 110401088
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
2016
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, atas kasih karunia dan damai sejahterah-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan Laporan Penelitian Tugas Akhir ini.
Penelitian ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu “Kajian Modal Analisis Pada Turbin Angin Jenis Savonius Tipe Rotor U Dengan Menggunakan Software MatLab.
Pada kesempatan ini, penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu penulis selama pelaksanaan Penelitian Tugas Akhir maupun dalam penyusunan laporan. Untuk itu, penulis menyampaikan terima kasih kepada :
1. Bapak Dr.Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri selaku dosen pembimbing sekaligus Ketua Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik USU, yang telah banyak meluangkan waktunya membimbing penulis hingga skripsi ini dapat terselesaikan.
2. Abang Ahmad marabdi Siregar selaku mahasiswa S2 Teknik Mesin yang telah meluangkan waktunya dan banyak membimbing kepada penulis hingga skripsi ini dapat terselesaikan.
3. Kedua orang tua penulis, Ayahanda W. Siahaan dan Ibunda E. Sitorus, yang selalu mendukung dan memberikan semangat baik dalam doa, maupun, materil.
4. Seluruh Staf Pengajar pada Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara yang telah memberikan pengetahuan kepada penulis hingga akhir studi dan seluruh pegawai administrasi di Departemen Teknik Mesin.
5. Seluruh teman-teman penulis, baik teman satu angkatan 2011 juga teman- teman yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu yang telah menemani dan memberikan masukan serta semangat kepada penulis.
Salam ”Solidarity Forever”.
6. Semua pihak yang banyak membantu penulis dalam menyelesaikan Skripsi ini.
Penulis menyadari bahwa laporan ini belum sempurna, baik segi teknik maupun segi materi. Oleh sebab itu, penulis juga mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun dari pembaca demi terciptanya laporan yang lebih baik di masa yang akan datang. Akhir kata, penulis berharap laporan ini dapat memberikan manfaat bagi pembacanya.
Medan, September 2016
John Frans H. Siahaan NIM. 110401088
ABSTRAK
Turbin angin Savonius merupakan turbin angin sumbu vertikal yang dapat di gunakan pada angin dengan kecepatan rendah. Aliran angin inilah yang akan menggerakkan rotor (baling-baling) sehingga menghasilkan arus listrik. Akan tetapi, besar kecilnya arus yang dihasilkan tergantung juga dari karakteristik getaran dari masing-masing tipe rotor yang digunakan. Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan indikasi gejala getaran yang terjadi pada turbin angin sumbu vertikal jenis savonius tipe rotor U dengan menggunakan metode Fast Fourier Transform (FFT). Penelitian ini menggunakan 5 variabel bebas pada pengujiannya, yaitu pada kecepatan angin 4 , 4,5 , 5 , 5,5 dan 6 m/s. Dari hasil penelitian diperoleh data dari pengolahan grafik frekuensi domain yang menunjukan bahwa telah terjadi indikasi gejala missalignment/ketidaklurusan poros turbin angin sumbu vertikal jenis savonius tipe rotor U, hal ini dapat diketahui dari grafik yang menunjukan telah terjadinya getaran yang lebih besar dari keadaan normal di 2xRPM.
Kata kunci : Energi Angin, Turbin angin savonius, Rotor, Getaran, Kecepatan, Percepatan, FFT
ABSTRACT
Savonius wind turbine is a vertical axis wind turbine that can be used in low- speed wind. Wind flow is what will drive the rotor (propeller) to generate an electric current. However, the size of the current generated depends on the vibration characteristics of each type of rotor used. This study aimed to get an indication of symptoms of vibration that occurs in vertical axis wind turbine rotor type Savonius type U using Fast Fourier Transform (FFT). This study uses five independent variables in the test, ie the wind speed 4, 4.5, 5, 5.5 and 6 m / s. From the results obtained by processing data from the frequency domain graph which shows that there have been indications of symptoms missalignment on vertical axis wind turbine rotor type Savonius type U, it can be seen from the graph that shows the occurrence of vibration greater than normal in 2xRPM.
Keywords: Wind Energy, Wind Turbine Savonius, Rotor, quantity combination, Velocity, Acceleration, Fast Fourier Transform
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ... i
DAFTAR ISI ... iii
DAFTAR TABEL ... vi
DAFTAR GAMBAR ... vii
DAFTAR NOTASI ... x
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Tujuan Penulisan ... 2
1.3 Batasan Masalah... 2
1.4 Manfaat Penelitian ... 2
1.5 Metodologi Penulisan ... 3
1.6 Sistematika Penulisan ... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5
2.1 Energi Angin ... 5
2.2 Turbin Angin ... 5
2.2.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal ... 6
2.2.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal ... 7
2.2.3 Turbin Angin Savanius ... 8
2.3 Dasar Teori Momentum Betz ... 9
2.4 Gerak dan Gaya ... 10
2.4.1 Gerak Melingkar ... 11
2.4.2 Radian ... 11
2.4.3 Frekuensi dan Periode Dalam Gerak Melingkar Beraturan ... 12
2.4.4 Kecepatan Linier dan Kecepatan Sudut ... 12
2.5 Analisa Getaran ... 13
2.5.1 Getaran ... 13
2.5.2 Karakteristik Getaran ... 15
2.5.3 Amplitudo (Perpindahan, Kecepatan, dan Percepatan)... 16
2.5.4 Fasa (Phase) ... 18
2.5.5 Standart Getaran (Vibrasi)... 20
2.6 Modal Analisis (Mode Superposition Methods) ... 22
2.7 Analisa Vibrasi Dengan Fast Fourier Transform (FFT) ... 25
2.8 Diagnosa Vibrasi ... 26
2.8.1 Unbalance... 26
2.8.1 Misalignment... 29
2.9 MatLab ... 30
BAB III METODE PENELITIAN ... 33
3.1 Waktu dan Tempat ... 33
3.2 Bahan... 33
3.3 Peralatan ... 37
3.3.1 Peralatan Work Shop ... 37
3.3.2 Peralatan Penelitian ... 37
3.4 Set Up Peralatan ... 40
3.5 Metodologi Penelitian ... 44
3.6 Skema Alur Penelitian... 45
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 46
4.1 Amplitudo Getaran Pada Turbin Angin Savanius ... 46
4.1.1 Pengambilan data pada kecepatan angin 4 m/s... 46
4.1.2.Pengambilan Data Pada Kecepatan Angin 4,5 m/s ... 49
4.1.3. Pengambilan Data Pada Kecepatan Angin 5 m/s ... 53
4.1.4. Pengambilan Data Pada Kecepatan Angin 5,5 m/s ... 56
4.1.5. Pengambilan Data Pada Kecepatan Angin 6 m/s ... 60
4.2 Data Hasil Fast Fourier Transform (FFT) ... 61
4.2.1 FFT pada kecepatan angin 4 m/s... 61
4.2.2 FFT pada kecepatan angin 4,5 m/s... 64
4.2.3 FFT pada kecepatan angin 5 m/s... 66
4.2.4 FFT pada kecepatan angin 5,5 m/s... 68
4.2.5 FFT pada kecepatan angin 6 m/s... 70
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ... 73
5.1. Kesimpulan ... 73
5.2. Saran ... 73
DAFTAR PUSTAKA ... xi
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Satuan yang digunakan tiap karakteristik ... 16
Tabel 4.1 Data pada kecepatan angin 4 m/s ... 46
Tabel 4.2 Data pada kecepatan angin 4,5 m/s ... 49
Tabel 4.3 Data pada kecepatan angin 5 m/s ... 52
Tabel 4.4 Data pada kecepatan angin 5,5 m/s ... 55
Tabel 4.5 Data pada kecepatan angin 6 m/s ... 58
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Turbin angin berdasarkan jumlah sudunya (a) satu sudu,
(b) dua sudu, (c) tiga sudu, dan (d) banyak sudu...6
Gambar 2.2 Turbin angin berdasarkan datangnya arah angin ... 7
Gambar 2.3 Beberapa tipe turbin angin sumbu vertikal ... 8
Gambar 2.4 Contoh tipe rotor savonius ... 9
Gambar 2.5 Pemodelan Betz’s untuk aliran angin ... ....10
Gambar 2.6 Grafik koefisien daya berbanding dengan rasio kecepatan aliran sesudah dan sebelum konversi energi ... 10
Gambar 2.7 Gerak melingkar ... 11
Gambar 2.8 Ilustri Radian ... 12
Gambar 2.9 Hubungan Antara Perpindahan, Kecepatan dan Percepatan Getaran ... 15
Gambar 2.10 Model Amplitudo ... 16
Gambar 2.11 Displacement dan Frequency ... 18
Gambar 2.12 Beda fasa antara perpindahan, kecepatan, dan percepatan ... 19
Gambar 2.13 Hubungan phasa perpindahan, kecepatan, dan percepatan pada gerak harmonik ... 19
Gambar 2.14 ISO 10816-3 Untuk Vibrasi ... 21
Gambar 2.15 Skema Modal Testing ... 23
Gambar 2.16 Contoh respon jembatan akibat beban impuls dalam, (a) time domain; (b) frequency domain ... 24
Gambar 2.17 Contoh Modal Analisis dari Sistem Derajat Kebebasan ... 25
Gambar 2.18 Hasil FFT dari Data Vibrasi ... 25
Gambar 2.19 Force Unbalance... 27
Gambar 2.20 Couple Unbalance ... 27
Gambar 2.21 Dynamic Unbalance ... 26
Gambar 2.22 Parallel Misalignment ... 29
Gambar 2.24 Angular Misalignment ... 30
Gambar 3.1 Perangkat Wind Tunnel... 33
Gambar 3.2 Turbin Angin Savonius tipe U ... 33
Gambar 3.3 Dudukan lengan sudu ... 34
Gambar 3.4 Lengan sudu ... 34
Gambar 3,5 Bahan pelat Aluminium untuk sudu ... 34
Gambar 3.6 Poros ... 35
Gambar 3.7 Bantalan... 35
Gambar 3.8 (a) Roda gigi poros turbin dan (b)Poros motor ... 36
Gambar 3.9 Generator Listrik ... 36
Gambar 3.10 Lampu LED dan Wayar ... 36
Gambar 3.11 Perangkat Wind Tunnel ... 37
Gambar 3.12 Inverter ... 37
Gambar 3.13 Alat Vibrometer ... 38
Gambar 3.14 Alat Tachometer ... 38
Gambar 3.15 Alat multi tester digital... 39
Gambar 3.16 Alat anemometer ... 39
Gambar 3.17 Alat labjeck ... 40
Gambar 3.18 Turbin angin savonius pada test suction wind tunnel... 40
Gambar 3.19 Pemasangan kabel pada generator ke lampu LED ... 41
Gambar 3.20 Pemasangan kabel multitester ... 42
Gambar 3.21 Posisi anemometer ... 42
Gambar 3.22 Posisi Vibrometer ... 43
Gambar 3.23 Memastikan Vibrometer berfungsi ... 43
Gambar 3.24 Posisi Tachometer ... 43
Gambar 3.25 Channel Penyetelan ... 44
Gambar 3.26 Set up Alat ... 44
Gambar 3.27 Skema Alur Penelitian... 45
Gambar 4.1 Tes Vibrasi (rotor tipe U) ... 46
Gambar 4.2 Displacement pada kecepatan angin 4 m/s... 48
Gambar 4.3 Velocity pada kecepatan angin 4 m/s ... 48
Gambar 4.4 Acceleration pada kecepatan angin 4 m/s ... 49
Gambar 4.5 Displacement pada kecepatan angin 4,5 m/s... 51
Gambar 4.6 Velocity pada kecepatan angin 4,5 m/s ... 51
Gambar 4.7 Acceleration pada kecepatan angin 4,5 m/s ... 52
Gambar 4.8 Displacement pada kecepatan angin 5 m/s... 54
Gambar 4.9 Velocity pada kecepatan angin 5 m/s ... 54
Gambar 4.10 Acceleration pada kecepatan angin 5 m/s ... 55
Gambar 4.11 Displacement pada kecepatan angin 5,5 m/s... 57
Gambar 4.12 Velocity pada kecepatan angin 5,5 m/s ... 57
Gambar 4.13 Acceleration pada kecepatan angin 5,5 m/s ... 58
Gambar 4.14 Displacement pada kecepatan angin 6 m/s... 60
Gambar 4.15 Velocity pada kecepatan angin 6 m/s ... 60
Gambar 4.16 Acceleration pada kecepatan angin 6 m/s ... 61
Gambar 4.17 Grafik FFT untuk displacement pada Kec. angin 4 m/s... 62
Gambar 4.18 Grafik FFT untuk velocity pada Kec. angin 4 m/s... 63
Gambar 4.19 Grafik FFT untuk acceleration pada Kec. angin 4 m/s... 63
Gambar 4.20 Grafik FFT untuk displacement pada Kec. angin 4,5 m/s... 64
Gambar 4.21 Grafik FFT untuk velocity pada Kec. angin 4,5 m/s... 65
Gambar 4.22 Grafik FFT untuk acceleration pada Kec. angin 4,5 m/s... 65
Gambar 4.23 Grafik FFT untuk displacement pada Kec. angin 5 m/s... 66
Gambar 4.24 Grafik FFT untuk velocity pada Kec. angin 5 m/s... 67
Gambar 4.25 Grafik FFT untuk acceleration pada Kec. angin 5 m/s... 67
Gambar 4.26 Grafik FFT untuk displacement pada Kec. angin 5,5 m/s... 68
Gambar 4.27 Grafik FFT untuk velocity pada Kec. angin 5,5 m/s... 69
Gambar 4.28 Grafik FFT untuk acceleration pada Kec. angin 5,5 m/s... 69
Gambar 4.29 Grafik FFT untuk displacement pada Kec. angin 6 m/s... 70
Gambar 4.30 Grafik FFT untuk velocity pada Kec. angin 6 m/s... 71
Gambar 4.31 Grafik FFT untuk acceleration pada Kec. angin 6 m/s... 71
DAFTAR NOTASI
Simbol Satuan
A Amplitudo (m)
c Redaman / damping (N/(m/s))
F Gaya (N)
f Frekuensi (Hz)
k Kekakuan / stiffness (N/m)
m Massa (kg)
t Waktu (s)
𝜏 Perioda (s)
𝜔 Kecepatan sudut (rad/s)
w Berat (N)
𝑥 Perpindahan / displacement (m)
𝑥̇ Kecepatan / velocity (m/s)
𝑥̈ Percepatan / acceleration (m/s2)
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Upaya-upaya dalam pencarian sumber energi alternatif selain fosil menyemangati para peneliti di berbagai negara untuk mencari energi lain yang kita kenal sekarang dengan istilah energi terbarukan. Energi terbarukan dapat didefinisikan sebagai energi yang secara cepat dapat diproduksi kembali melalui proses alam. Energi terbarukan meliputi energi air, panas bumi, matahari, angin, biogas, bio mass serta gelombang laut. Beberapa kelebihan energi terbarukan antara lain: Sumbernya relatif mudah didapat, dapat diperoleh dengan gratis, minim limbah, tidak mempengaruhi suhu bumi secara global, dan tidak terpengaruh oleh kenaikkan harga bahan bakar [1].
Wilayah Indonesia yang berada di sekitar daerah ekuator merupakan daerah pertemuan sirkulasi Hadley, Walker, dan lokal. Kondisi ini ditengarai memiliki potensi angin yang dapat dimanfaatkan untuk pengembangan energi terbarukan sebagai alternatif pembangkit listrik yang selama ini lebih banyak menggunakan bahan bakar minyak bumi [2].
Proses pemanfaatan energi angin dilakukan melalui dua tahapan konversi energi, pertama aliran angin akan menggerakkan rotor (baling-baling) yang menyebabkan rotor berputar selaras dengan angin yang bertiup, kemudian putaran dari rotor di hubungkan dengan generator, dari generator inilah dihasilkan arus listrik. Jadi proses tahapan konversi energi bermula dari energi kinetik angin menjadi energi gerak rotor kemudian menjadi energi listrik. Besarnya energi listrik yang dihasilkan dipengaruhi oleh beberapa faktor di antaranya adalah sebagai berikut : 1) Rotor (kincir), rotor turbin sangat bervariasi jenisnya, diameter rotor akan berbanding lurus dengan daya listrik. Semakin besar diameter semakin besar pula listrik yang dihasilkan, dilihat dari jumlah sudut rotor (baling- baling), sudu dengan jumlah sedikit berkisar antara 3-6 buah lebih banyak digunakan. 2) Kecepatan angin, kecepatan angin akan mempengaruhi kecepatan putaran rotor yang akan menggerakkan generator. 3) Jenis generator, generator
terbagi dalam beberapa karakteristik yang berbeda, generator yang cocok untuk Sistem Konversi Energi Angin (SKEA) adalah generator yang dapat menghasilkan arus listrik pada putaran rendah [3].
Menurut Putranto, berbagai macam penemuan turbin angin sebagai pembangkit energi alternatif sudah ditemukan sejak lama dengan berbagai macam bentuk desain. Turbin angin tipe savonius adalah salah satu macam turbin angin yang ditemukan sebagai pemanfaatan energi angin yang bekerja dengan memanfaatkan kecepatan angin. Bentuk sudu dibuat sedemikian rupa sehingga dapat menghasilkan gaya dorong yang akan memutar rotor. Besarnya putaran rotor yang dihasilkan berbanding lurus dengan besarnya kecepatan angin [4].
1.2. Tujuan
1. Untuk mendapatkan karakteristik amplitudo perpindahan (displacement), kecepatan (velocity), percepatan (acceleration) pada turbin angin sumbu vertikal jenis savonius tipe rotor U.
2. Untuk mendapatkan indikasi gejala getaran yang terjadi pada turbin angin savonius tipe rotor U dengan menggunakan metode Fast Fourier Transform (FFT) pada software MatLab.
1.3. Batasan Masalah
Dalam penulisan skripsi ini, penulis tidak membahas dan tidak mengkaji beberapa hal, antara lain:
1. Penulis tidak membahas dan memaparkan tentang perhitungan gaya-gaya yang bekerja pada kerangka turbin.
2. Penulis tidak membahas tentang perhitungan sistem kelistrikan karena hanya digunakan untuk mengetahui daya keluaran yang dihasilkan oleh turbin.
1.4. Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan mampu memberikan informasi mengenai hubungan karakteristik getaran pada turbin angin jenis savonious terhadap type
rotor yang digunakan kepada dunia industri maupun akademis. Beberapa manfaat yang diharapkan adalah :
1. Sinyal getaran yang yang timbul dapat menjadi rujukan dalam mendesain turbin angin sumbu vertikal.
2. Karakteristik getaran juga dapat menjadi rujukan dalam perancangan komponen pendukung turbin angin.
1.5. Metodologi Penulisan
Metodologi penulisan yang digunakan pada penulisan skripsi ini adalah sebagai berikut :
a. Studi literatur, berupa studi kepustakaan, kajian dari buku-buku dan tulisan-tulisan yang terkait.
b. Browsing internet, berupa studi artikel-artikel, gambar-gambar dan buku elektronik (e-book) serta data-data lain yang berhubungan.
c. Metode studi lapangan, yaitu dengan mengambil data dari hasil pengujian yang dilakukan di laboratorium S2.
d. Diskusi, berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing yang ditunjuk oleh Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
1.6. Sistematika Penulisan
Skripsi ini dibagi dalam beberapa bab dengan garis besar tiap bab adalah sebagai berikut :
▪ Bab I : Pendahuluan
Bab ini berisikan latar belakang, tujuan, batasan masalah, manfaat, dan ruang lingkup pengujian.
▪ Bab II : Tinjauan Pustaka
Bab ini berisikan landasan teori yang digunakan yaitu tentang tubin angin, sinyal getaran, teori modal analisis, Fast Fourier Transform (FFT), teori Matlab dan lainnya.
▪ Bab III : Metodologi Penelitian
Bab ini memberikan informasi mengenai tempat pelaksanaan pengujian, bahan dan peralatan yang dipakai serta tahapan dan prosedur pengujian.
▪ Bab IV : Hasil dan Analisa Pengujian
Bab ini membahas tentang hasil data yang diperoleh dari setiap pengujian melalui pembahasan perhitungan dan penganalisaan dengan memaparkan kedalam bentuk tabel dan grafik.
▪ Bab V : Kesimpulan dan Saran
Bab ini sebagai penutup berisikan kesimpulan dan saran yang diperoleh.
▪ Daftar Pustaka
Daftar pustaka berisikan literatur yang digunakan untuk menyusun laporan.
▪ Lampiran
Pada lampiran dapat dilihat hasil data yang diperoleh dari pengujian dalam bentuk tabel dan gambar.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Energi Angin
Energi angin merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat sehingga mempunyai pengaruh pada keadaan sekitarnya. Menurut mediumnya dikenal banyak jenis energi. Diantaranya, energi gelombang, energi arus laut, energi kosmos, energi yang terkandung dalam senyawa atom, dan energi-energi lainnya. Salah satu dari energi tersebut adalah energi angin yang jumlahnya tak terbatas dan banyak digunakan untuk meringankan kerja manusia. Angin memberikan energi gerak sehingga mampu menggerakkan kincir angin, perahu layar, dan bisa dimanfaatkan menjadi pembangkit listrik berupa turbin angin.
Keberadaan energi angin ini terdapat dilapisan atmosfer bumi yang banyak mengandung partikel udara dan gas. Lapisan troposfer merupakan lapisan atmosfer terendah bumi dan dilapisan ini semua peristiwa cuaca termasuk angin terjadi.
Energi angin merupakan salah satu bentuk energi yang dapat diperbaharui. Angin merupakan gejala alam yang diakibatkan adanya perbedaan suhu antara udara panas dan udara dingin. Didaerah khatulistiwa, udaranya menjadi panas,mengembang lalu menjadi ringan, naik ke atas dan bergerak ke daerah yang lebih dingin. Sebaliknya, daerah kutub yang dingin, udaranya menjadi dingin dan turun ke bawah. Dengan demikian terjadi suatu perputaran udara berupa perpindahan udara dari kutub utara ke garis khatulistiwa menyusuri permukaan bumi dan sebaliknya suatu perpindahan udara dari garis khatulistiwa kembali ke kutub utara, melalui lapisan udara yang lebih tinggi [5].
2.2. Turbin Angin
Turbin angin merupakan mesin dengan sudu berputar yang mengkonversikan energi kinetik angin menjadi energi mekanik. Di negara-negara maju, sudah banyak pemanfaatan turbin angin sebagai pembangkit listrik. Di negara-negara berkembang, penggunaan turbin angin berada dalam skala riset.
Hal ini dikarekanakan teknologi yang berada di negara tersebut masih butuh
pengembangan lebih lanjut untuk memperoleh turbin angin yang bagus. Oleh karena itu, untuk riset turbin angin akan dicari sebuah desain dan bahan beserta analisanya untuk membuat turbin angin lebih baik dari sebelumnya.
Berdasarkan arah sumbu geraknya, turbin angin terbagi menjadi 2, Yaitu : 1. Turbin angin sumbu horizontal
2. Turbin angin sumbu vertikal.
2.2.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal
Turbin angin sumbu horizontal merupakan turbin angin yang bekerja pada sumbu yang sejajar dengan permukaan bumi. Turbin angin jenis ini merupakan turbin yang paling banyak dipakai di dunia sebagai pembangkit tenaga listrik.
Turbin angin sumbu horizontal dibedakan atas jumlah sudunya, terdiri atas:
1. Turbin angin satu sudu (single blade) 2. Turbin angin dua sudu (double blade) 3. Turbin angin tiga sudu (three blade) 4. Turbin angin banyak sudu (multi blade)
a. b.
c. d.
Gambar 2.1. Turbin angin berdasarkan jumlah sudunya (a) satu sudu, (b) dua sudu, (c) tiga sudu, dan (d) banyak sudu
(Sumber : http://www.google.com)
Turbin angin sumbu horizontal dibedakan juga terhadap datangnya arah angin terhadap sudu turbin, yaitu:
1. Upwind, apabila turbin angin diletakkan menghadap arah angin.
2. Downwind, apabila turbin angin dihadapkan membelakangi arah angin.
Up Wind Down Wind
Gambar 2.2. Turbin angin berdasarkan datangnya arah angin [6]
Adapun beberapa keuntungan yang dimiliki oleh turbin angin sumbu horizontal adalah sebagai berikut:
1. Untuk turbin angin besar yang digunakan untuk membangkitkan listrik, kecepatan rotor dan daya yang dihasilkan dapat diatur sesuai tujuan perancangan.
Ini berguna untuk melindungi turbin angin ini jika terjadi angin besar.
2. Bentuk rotor dapat dioptimalisasi secara aerodinamis dan ini terbukti dapat menaikkan efisiensi dari turbin angin ini.
3. Teknologi pengembangan rancangan propeler sudah mapan dan telah berkembang.
2.2.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal
Turbin angin sumbu vertikal merupakanturbin angin yang sumbu rotasinya tegak lurus terhadap permukaan bumi. Ada beberapa tipe turbin yang telah dikembangkan beberapa tahun terakhir. Pengembangan terus dilakukan untuk mengurangi masalah atau bahkan mengatasi masalah yang sering timbul pada turbin angin. jenis masalah ini diantaranya torsi awal yang rendah, gaya angkat sudu, efisiensi yang rendah, dan struktur yang tidak kuat. Beberapa tipe turbin angin ini diantaranya tipe Savonius, tipe Darrieus, dan tipe H.
Gambar 2.3. Beberapa tipe turbin angin sumbu vertikal (Sumber : http://www.google.com)
Beberapa keunggulan dari kincir angin sumbu vertical adalah sebagai berikut : 1. Desainnya kecil sehingga memiliki guncangan kecil pada menaranya
2. Tidak memerlukan mekanisme penyesuaian sudu terhadap datangnya arah angin.
3. Letak generator dan sudu yang tidak terlalu tinggi di tanah sehingga mudah dalam perawatan.
4. Tidak memerlukan konstruksi menara yang tinggi jika dibandingkan dengan turbin angin horizontal.
5. Tingkat kebisingan yang rendah.
Diantara keunggulan dari kincir angin sumbu vertikal ini, terdapat beberapa kelemahan diantaranya:
1 Efisiensi turbin ini lebih rendah jika dibandingkan dengan kincir angin sumbu horizontal.
2 Kebanyakan turbin angin tipe ini mempunyai torsi awal yang rendah, sehingga diperlukan daya awal untuk menggerakkannya.
2.2.3 Turbin Angin Savonius
Salah satu jenis turbin angin sumbu vertikal (VAWT) yang dapat digunakan pada angin dengan kecepatan rendah adalah turbin angin Savonius.
Turbin angin Savonius pertama kali diperkenalkan oleh insinyur Finlandia Sigurd J. Savonius pada tahun 1922. Konstruksi turbin sangat sederhana, tersusun dari dua buah sudu setengah silinder [7].
Pada perkembangannya turbin Savonius ini banyak mengalami perubahan bentuk rotor, seperti desain rotor yang berbentuk huruf U dan L [8].
a. Tipe U b. Tipe L Gambar 2.4. Contoh tipe rotor savonius [8]
Berdasarkan prinsip aerodinamis, rotor turbin ini memanfaatkan gaya hambat (drag) saat mengekstrak energi angin dari aliran angin yang melalui sudu turbin. Koefisien hambat permukaan cekung lebih besar dari pada permukaan cembung. Oleh sebab itu, sisi permukaan cekung setengah silinder yang dilalui angin akan memberikan gaya hambat yang lebih besar daripada sisi lain sehingga rotor berputar. Setiap turbin angin yang memanfaatkan potensi angin dengan gaya hambat memiliki efisiensi yang terbatasi karena kecepatan sudu tidak dapat melebihi kecepatan angin yang melaluinya [8].
Menurut mohamed (2010), savonius adalah sebuah turbin angin vertikal yang berputar lambat (λ≈1) dan memiliki efesiensi yang rendah Cp ≈1.5 sampai yang paling maksimal 2. Namun demikian, turbin ini memiliki beberapa keuntungan untuk aplikasi yang khusus, sederhana dan biaya yang rendah [9].
2.3. Dasar Teori Momentum Betz
Tahun 1925 dan 1925 Albert Betz mempublikasikan tulisanya, dimana ia mampu menunjukkan bahwa, dengan menerapkan hukum-hukum fisika dasar, energi kinetik diekstrak dari aliran udara yang lewat melalui luas penampang yang
diberikan terbatas pada proposisi tetap dari energi yang terkandung dari aliran udara. Selain itu ia menemukan bahwa ekstraksi daya yang optimal hanya dapat direalisasikan pada rasio antara kecepatan aliran udara di depan converter energi dan kecepatan dibelakang konverter. Teori momentum Betz’ sederhana berdasarkan pemodelan aliran dua dimensi angin yang mengenai rotor menjelaskan prinsip konversi energi angin pada turbin angin.
Gambar 2.5. Pemodelan Betz’s untuk aliran angin [10]
Dimana, v1 adalah kecepatan aliran bebas atau kecepatan angin sebelum mencapai konverter (rotor turbin), sedangkan v2 adalah kecepatan aliran setelah melalui konverter.
Koefisien daya hasil dari konversi daya angin ke daya mekanis turbin tergantung pada perbandingan dari kecepatan angin sebelum dan sesudah melewati rotor turbin. Jika keterkaitan ini di buat kedalam bentuk grafik, secara langsung solusi analitis juga dapat ditemukan dengan mudah. Dapat dilihat bahwa koefisien daya maksimum pada rasio kecepatan angin tertentu seperti terlihat pada grafik dibawah ini [10].
Gambar 2.6. Grafik koefisien daya berbanding dengan rasio kecepatan aliran sesudah dan sebelum konversi energi [10]
2.4. Gerak dan Gaya
Suatu benda dikatakan bergerak jika benda tersebut berubah kedudukannya setiap saat terhadap titik acuannya (titik asalnya). Sebuah benda dikatakan bergerak lurus atau melengkung, jika lintasan berubah kedudukannya dari titik asalnya berbentuk garis lurus atau melengkung. Kinematika dan Dinamika, kinematika adalah ilmu yang mempelajari gerak tanpa mengindahkan penyebabnya, sedangkan dinamika adalah ilmu yang mempelajari gerak dan gaya- gaya penyebabnya [11].
2.4.1. Gerak Melingkar
Jika sebuah benda bergerak dengan kelajuan konstan pada suatu lingkaran (di sekeliling lingkaran), maka dikatakan bahwa benda tersebut melakukan gerak melingkar beraturan.
Gambar 2.7. Gerak melingkar [11]
Kecepatan pada gerak melingkar beraturan besarnya selalu tetap namun arahnya selalu berubah, arah kecepatan selalumenyinggung lingkaran, maka v selalu tegak lurus garis yang ditarikmelalui pusat lingkaran ke sekeliling lingkaran tersebut[11].
2.4.2. Radian
1 (Satu) radian adalah besarnya sudut tengah lingkaran yang panjang busurnya sama dengan jari-jarinya.
Gambar 2.8. Ilustrasi radian [11]
Secara matematis dituliskan
𝜃 =
𝑆𝑅 radian
S : Panjang Busur R : Jari-jari
Jika panjang busur sama dengan jari-jari, maka θ = 1 radian. Satu radian dipergunakan untuk menyatakan posisi suatu titik yang bergerak melingkar (beraturan maupun tak beraturan) atau dalam gerak rotasi[11].
Keliling lingkaran=2π x radius, gerakan melingkar dalam 1 putaran=2πradian.
1 putaran = 3600 = 2π rad.
1 rad = 360°
2𝜋
= 57,30
2.4.3. Frekuensi dan perioda dalam gerak melingkar beraturan
Waktu yang diperlukan sebuah titik P untuk satu kali berputar mengelilingi lingkaran di sebut waktu edar atau perioda dan diberi notasi T. Banyaknya putaran per detik disebut frekuensi dan diberi notasi f. Satuan frekuensi ialah Hertz atau cps (cycle per second). Jadi antara f dan T kita dapatkan hubungan [11]:
𝑓xT = 1 atau f = 1
𝑇
………...
(2.1)2.4.4 Kecepatan linier dan kecepatan sudut
Jika dalam waktu T detik ditempuh lintasan sepanjang keliling lingkaran sebesars = 2𝜋R, maka kelajuan partikel P untuk mengelilingi lingkaran dapat dirumuskan: v = 𝑠
𝑡 , kecepatan ini disebut kecepatan linier dan diberi notasi v.
Kecepatan anguler (sudut) diberi notasi 𝜔 adalah perubahan dari perpindahan sudut persatuan waktu (setiap saat). Biasanya 𝜔 dinyatakan dalam radian/s, derajat per sekon, putaran per sekon (rps) atau putaran per menit (rpm).
Bila benda melingkar beraturan dengan sudut rata-rata (𝜔) dalam radian per sekon, maka kecepatan sudut [11]:
𝜔 = 𝑆𝑢𝑑𝑢𝑡 𝑔𝑒𝑟𝑎𝑘𝑎𝑛 (𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛)
𝑊𝑎𝑘𝑡𝑢 (𝑠𝑒𝑘𝑜𝑛) 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑑𝑖𝑝𝑒𝑟𝑙𝑢𝑘𝑎𝑛 𝑢𝑛𝑡𝑢𝑘 𝑚𝑒𝑚𝑏𝑒𝑛𝑡𝑢𝑘 𝑠𝑢𝑑𝑢𝑡 𝑡𝑒𝑟𝑠𝑒𝑏𝑢𝑡
𝜔= 𝜃
𝑡 ……….(2.2)
Untuk 1 (satu) putaran 𝜔 = 2𝜋
𝑇 rad/s atau 𝜔 = 2𝜋𝑓
Dengan demikian besarnya sudut yang ditempuh dalam t detik:
𝜃 = 𝜔t atau 𝜃 = 2𝜋𝑓𝑡 ………(2.3) Sehingga antara v dan 𝜔 kita dapatkan hubungan:
v = 𝜔R ………...(2.4) Dimana:
v : kecepatan translasi (m/s) R : jari-jari (m) ω : kecepatan sudut (rad/s)
2.5 Analisa Getaran 2.5.1. Getaran
Getaran secara teknik didefenisikan sebagai gerak osilasi dari suatu objek terhadap posisi awalnya [12]. Karakteristik getaran adalah:
1. Frekuensi, digunakan untuk menggambarkan getaran.
2. Perpindahan, mengindikasikan berapa jauh suatu objek bergetar.
3. Kecepatan, mengindikasikan berapa cepat objek bergetar.
4. Percepatan, mengindikasikan suatu objek bergetar terkait dengan gaya penyebabnya.
5. Phase, mengindikasikan suatu bagian bergetar relatif terhadap bagian yang lain [12].
Tingkat getaran dan jenis persoalan secara analisis:
1. Tingkat getaran secara menyeluruh dapat berubah dengan beban dan kecepatan, sehingga dapat memberikan gambaran yang salah tentang
kondisi mesin. Analisis spektrum getaran akan mengarahkan kepada pengambilan kesimpulan tentang terjadinya persoalan serius, sehingga tindakan yang tepat terhadap mesin dapat dilakukan.
2. Dalam operasionalnya tidak mudah menghentikan suatu mesin tanpa mengganggu proses produksi. Oleh karena itu sangatlah penting untuk mengetahui parah tidaknya suatu persoalan. Analisis dapat menentukan apakah suatu mesin dapat tetap dijalankan sampai jadwal pemberhentian pabrik berikutnya.
3. Dengan analisis getaran waktu perbaikan dapat diperkecil karena jenis permasalahannya telah diketahui. Suku cadang dapat dibeli atau disediakan sebelum mesin dibongkar.
Analisa getaran merupakan cara yang paling handal untuk mendeteksi awal gejala kerusakan mekanik, elektrikal pada peralatan, sehingga analisa getaran saat ini menjadi pilihan teknologi predictive maintenance yang paling sering digunakan [13].
Suatu peralatan yang berputar sebaiknya memiliki suatu nilai getaran standar (ASTM D3580-95) dan batasan getaran yang diperbolehkan (dibuat oleh pabrik) sehingga apabila nilai getaran yang terjadi diluar batasan yang diizinkan maka peralatan tersebut harus menjalani tindakan perawatan.
Semua mesin memiliki tiga sifat fundamental yang berhubungan untuk menentukan bagaimana mesin akan bereaksi terhadap kekuatan- kekuatan yang menyebabkan getaran-getaran, seperti sistem pegas-massa yaitu:
1. Massa (m): merupakan inersia untuk tetap dalam keadaan semula atau gerak. Sebuah gaya mencoba untuk membawa perubahan dalam keadaan istirahat atau gerak, yang ditentang oleh massa dan satuannya dalam kg.
2. Kekakuan/stiffness (k): ada kekuatan tertentu yang dipersyaratkan membengkokkan atau membelokkan struktur dengan jarak tertentu.
Ini mengukur gaya yang diperlukan untuk memperoleh defleksi tertentudisebut kekakuan, satuannya dalam N / m.
3. Damping/redaman (c): setelah memaksa set bagian atau struktur ke dalam gerakan, bagian atau struktur akan memiliki mekanisme inherent untuk memperlambat gerak (kecepatan). Karakteristik ini untuk mengurangi kecepatan gerakan disebut redaman, satuannya dalam N /(m/s).
2.5.2. Karakteristik Getaran
Dengan mengacu pada gerakan pegas, kita dapat mempelajari karakteristik suatu getaran dengan memetakan gerakan dari pegas tersebut terhadap fungsi waktu. Gerakan bandul pegas dari posisi netral ke batas atas dan kembali lagi ke posisi netral dan dilanjutkan ke batas bawah dan kembali lagi ke posisi netral, disebut satu siklus getaran (satu periode). Setiap karakteristik ini menggambarkan tingkat getaran.
Gambar 2.9. Hubungan Antara Perpindahan, Kecepatan dan Percepatan Getaran (Mobley, 2008)
Tabel 2.1. Satuan yang Digunakan Tiap Karakteristik
(Sumber : Maintenance Engineering Handbook, Mobley, 2008)
2.5.3 Amplitudo (Perpindahan, Kecepatan, dan Percepatan)
Perpindahan (displacement), kecepatan (velocity), dan percepatan (acceleration) diukur untuk menentukan besar dan kerasnya suatu getaran.
Biasanya diwakili dengan pengukuran amplitudo getaran [14]. Berikut adalah model amplitudo yang memperlihatkan hubungan dari gerakan poros yang berputar dengan amplitudo.
Gambar 2.10. Model Amplitudo [14]
Perpindahan (displacement) adalah gerakan suatu titik dari suatu tempat ke tempat lain yang mengacu pada suatu titik tertentu yang tidak bergerak (tetap).
Dalam pengukuran getaran mesin, sebagai standar digunakan jarak perpindahan puncak ke puncak (peak to peak displacement), seperti terlihat pada gambar 2.12.
Contohnya adalah perpindahan poros karena gerak putarnya. Jika perpindahan poros terlalu besar sampai melebihi batas ruangan bantalan maka akan mengakibatkan rusaknya bantalan [14].
Kecepatan (velocity) merupakan perubahan jarak per satuan waktu.
Kecepatan gerak mesin selalu dinyatakan dalam kecepatan puncak (peak velocity).
Kecepatan puncak gerakan terjadi pada simpul gelombang. Dalam getaran, kecepatan merupakan parameter penting dan efektif, karena dari data kecepatan akan dapat diketahui tingkat getaran yang terjadi [14].
Percepatan (acceleration) adalah perubahan kecepatan per satuan waktu.
Percepatan berhubungan erat dengan gaya. Gaya yang menyebabkan getaran pada bantalan mesin atau bagian-bagian lain dapat ditentukan dari besarnya getaran.
Hubungan antara perpindahan dan waktu untuk gerak harmonik dapat dinyatakan secara matematik sebagai berikut [14]:
𝑋 = 𝐴𝑜𝑠𝑖𝑛 𝜔𝑡 ... (2.5) Dimana perpindahan maksimum diekspresikan sebagai A0, yang juga disebut sebagai amplitudo, sedang ω adalah frekuensi angular yang umumnya dinyatakan dalam rad/det. Dalam analisa getaran dikenal pula definisi lain untuk frekuensi, yang diberi notasi f dan didefinisikan sebagai jumlah siklus per satuan waktu. Satuan yang umum digunakan untuk f adalah siklus per menit (cpm) atau siklus per detik (cps, Hz). Kecepatan dan percepatan gerak harmonik dapat diperoleh dengan differensiasi. Dengan menggunakan notasi titik untuk turunannya, maka didapat : [14]
Kecepatan (Velocity) mm/s 𝑋̇ = 𝑑𝑋
𝑑𝑡 = 𝐴𝑜𝜔 cos 𝜔𝑡 ... (2.6) Percepatan (Acceleration) mm/s2
𝑋̈ = 𝑑2𝑋
𝑑𝑡2 = −𝜔2𝐴𝑜sin 𝜔𝑡 ... (2.7)
Dengan amplitudo maka dapat terbaca indikasi beratnya kerusakan pada mesin dan juga dapat digunakan untuk mengukur beberapa masalah getaran, seperti pada Gambar 2.11 yang menunjukkan Displacement dan Frequency [14].
Gambar 2.11. Displacement dan Frequency [14]
Perpindahan (displacement) mengindikasikan berapa jauh suatu objek bergetar, kecepatan (velocity) mengindikasikan berapa cepat objek bergetar dan percepatan (acceleration) suatu objek bergetar terkait dengan gaya penyebab getaran [14].
2.5.4 Fasa (phase)
Fasa didefinisikan sebagai posisi elemen getaran terhadap titik tertentu atau elemen getaran lainnya. Fasa menunjukkan perbedaan awal siklus terjadi.
Hubungan fasa antara perpindahan, kecepatan, dan percepatan diilustrasikan pada Gambar 2.13 kecepatan puncak maju (peak forward velocity) terjadi pada 900 sebelum puncak perpindahan positif (peak positive displacement). Dengan kata lain, kecepatan mendahului 900 terhadap perpindahan, sedangkan percepatan tertinggal 1800 terhadap perpindahan, seperti terlihat pada Gambar 2.12 [14].
Gambar 2.12. Beda fasa antara perpindahan, kecepatan, dan percepatan [14]
Pengukuran fasa memberikan cara untuk menentukan bagaimana suatu elemen bergetar relatif terhadap elemen lain. Pembandingan gerak relatif dari dua atau lebih elemen mesin sering diperlukan dalam diagnosis kerusakan spesifik suatu mesin. Sebagai contoh, bila analisis menyatakan bahwa getaran suatu mesin tidak sefasa dengan getaran base-nya, maka mungkin terjadi kelonggaran baut atau kelonggaran mesin dari base-nya [14].
Jadi kecepatan dan percepatan juga harmonik dengan frekuensi osilasi yang sama, tetapi memiliki beda phasa terhadap perpindahan, berturut-turut dengan 𝜋
2 dan π radian. Pada Gambar 2.13 menunjukan hubungan perpindahan, kecepatan dan percepatan.
Gambar 2.13. Hubungan phasa perpindahan, kecepatan, dan percepatan pada gerak harmonik [14]
Analisa getaran merupakan cara yang paling handal untuk mendeteksi awal gejala kerusakan mekanik, elektrikal pada peralatan, sehingga analisa
perpindahan kecepatan percepatan
getaran ini menjadi pilihan teknologi predictive maintenance yang paling sering digunakan [14].
2.5.5 Standard Getaran (Vibrasi)
Amplitudo vibrasi (displacement, velocity dan acceleration) merupakan suatu ukuran tentang parah atau tidaknya ketidaknormalan / defect yang ada pada mesin atau peralatan. Yang perlu diingat bahwa sasaran utama bukanlah menentukan sampai batas berapa mesin masih bisa menerima level vibrasi yang terjadi sebelum terjadinya failure, tetapi mendapatkan karakter vibrasi yang dapat menjadi “warning” terhadap masalah yang sedang berlangsung, sehingga dapat direncanakan tindakan antisipatif yang bisa dilakukann sebelum kegagalan terjadi. Problem yang dihadapi oleh analis vibrasi adalah menentukan atau membuat penilaian apakah level vibrasi yang terjadi masih dapat diterima dan memungkinkan mesin terus dioperasikan secara aman. Sejumlah institusi menetapkan standar yang dimaksudkan sebagai panduan umum/generik dalam menggunakan vibrasi sebagai indikator kondisi mesin.
Pada umumnya semakin tinggi amplitudo vibrasi semakin buruk kondisi mesin. Akan tetapi harus dipertimbangkan bahwa :
a. Terdapat berbagai macam tipe mesin.
b. Mesin beroperasi pada berbagai macam kondisi.
c. Mesin mempunyai tingkat kekritisan yang berbeda-beda tergantung dari plant yang bersangkutan.
d. Mesin tersusun dari berbagai macam tipe komponen.
Nilai efektif kecepatan getaran digunakan untuk menilai kondisi mesin. Nilai ini dapat ditentukan oleh hampir semua pengukuran perangkat getaran konvensional. Standard yang digunakan untuk pengukuran getaran antara lain ASTM D3580-95 (Standard Test Methods For Vibration), ANSI S3.40 (Mechanical Vibration and Shock), DIN 31692-3 (Vibration Monitoring) dan ISO 10816-3 dengan perincian sebagai berikut :
ISO 10816-1: Pengukuran getaran untuk evaluasi mesin oleh non-rotating bagian umum.
ISO 10816-2 : Pengukuran getaran untuk evaluasi mesin non-rotating bagian base turbin uap dan generator yang melebihi 50 MW dengan operasi kecepatan 1500 rpm, 1800 rpm, 3000 rpm, 3600 rpm.
ISO 10816-3 : Pengukuran getaran untuk evaluasi mesin non-rotating bagian industri mesin dengan daya nominal di atas 15 kW dan nominal kecepatan antara 120 rpm dan 15 rpm.
ISO 10816-4 : Pengukuran getaran untuk evaluasi mesin non-rotating bagian turbin gas didorong tidak termasuk pesawat dan turunannya.
ISO 10816-5 : Pengukuran getaran untuk evaluasi mesin non-rotating bagian mesin hydraulic power generating dan pompa.
ISO 10816-6 : Mesin reciprocating dengan rating daya 100 kW
Berdasarkan standart ISO 10816-3 untuk standart vibrasi, memberikan batasan-batasan vibrasi berdasarkan kecepatan (velocity) yang dikategorikan dalam beberapa zona dan warna seperti ditunjukkan pada Gambar 2.14. [15]
Gambar 2.14. ISO 10816-3 Untuk Vibrasi [15]
Keterangan Gambar di atas sebagai berikut :
1. Zona A bewarna hijau, getaran dari mesin sangat baik dan di bawah getaran yang diijinkan.
2. Zona B bewarna hijau muda, getaran dari mesin baik dan dapat dioperasikan tanpa larangan.
3. Zona C bewarna kuning, getaran dari mesin dalam batas toleransi dan hanya dioperasikan dalam waktu terbatas.
4. Zona D bewarna merah, getaran dari mesin dalam batas berbahaya dan dapat terjadi kerusakan sewaktu-waktu [15].
Analisis data dimulai dengan pembahasan informasi hasil pengukuran dalam domain waktu. Data ini merupakan data awal yang cukup penting karena perilaku sinyal mencerminkan kondisi mesin dan data ini merupakan data paling hulu. Data ini dapat diolah lebih lanjut menjadi data dalam domain frekuensi. Data ini dapat dihubungkan dengan putaran yang terjadi pada poros pompa tersebut. Untuk keperluan diagnosis digunakan berbagai teknik pengolahan data lanjutan misalnya: peta spectrum frekuensi dan order-tracking.
Masalah resonansi bisa dipahami lebih baik bila frekuensi pribadi suatu struktur dapat diketahui. Salah satu cara untuk mengetahui frekuensi pribadi tersebut adalah dengan melakukan pengukuran fungsi respon frekuensinya.
Pengukuran ini melibatkan beberapa aspek penunjang diantaranya adalah teknik eksitasi getaran yang dikenakan pada struktur.
2.6. Modal Analisis (Mode Superposition Methods)
Modal analisis adalah suatu proses penentuan karakteristik dinamik dari suatu sistem. Modal analisis menjadi dasar mangapa respon getaran suatu sistem dapat di ekspresikan sebagai kombinasi linier dari respon kordinat modal nya.
Modal ini mencakup instrumentasi, pengolahan sinyal, estimasi parameter, dan analisis vibrasi [16].
Pengukuran vibrasi secara eksperimen pada umumnya memerlukan beberapa perangkat. Perangkat tersebut terdiri dari sumber eksitasi yang di sebut exciter untuk menghasilkan input gaya pada struktur. Transducers berfungsi untuk
mengkonversi gerakan mekanik pada struktur ke sinyal electric, signal conditioning. Amplifier untuk mencocokkan karakteristik transducers dengan input elektronik data digital, dan analyzer, di mana terdapat program komputer pemrosesan sinyal dan modal analisis. Skema penyusunan perangkat tersebut di ilustrasikan seperti pada Gambar 2.15. [17]
Gambar 2.15 Skema Modal Testing [17]
Getaran pada suatu sistem yang akan di tentukan secara eksperimen pada umumnya terdiri dari tiga mekanisme pengukuran : (1) mekanisme eksitasi; (2) mekanisme pembacaan; (3) mekanisme akuisisi data dan pengolahan. Mekanisme eksitasi di tentukan dari sistem yang menyediakan input gerakan terhadap struktur dalam analisis, umumnya berupa gaya yang di berikan pada koordinat tertentu.
Mekanisme pembacaan pada dasarnya di gunakan sensing device yang di kenal sebagai force transduces. Banyak variasi dari alat tersebut dan biasanya di gunakan pada eksperimental modal analisys adalah piezoelectric transducers baik untuk mengujur eksitasi gaya (force transducers) atau mengukur respon percepatan (accelerometers) [17].
Data yang di dapat dari free vibration test yaitu respon percepatan struktur dalam domain waktu tersebut kemudian di tranformasi agar menjadi domain
frekuensi dengan metode Fast Fourier Transform (FFT) dengan bantuan software.
Data respon struktur hasil FFT tersebut sekarang menjadi dalam domain frekuensi atau yang disebut sebagai frequency response function (FRF). Dari FRF akan terlihat frekuensi alami struktur setiap mode yang di asosiasikan dengan frekuensi nilai puncak, seperti terlihat pada Gambar 2.16. [17]
Gambar 2.16. Contoh respon jembatan akibat beban impuls dalam, (a) time domain; (b) frequency domain [17]
Simpangan struktur total merupakan kontribusi dari respon setiap mode (modal displacement). Simpangan kontribusi setiap mode dapat dihitung dengan melalui integrasi numerik atas persamaan independen. Apabila simpangan untuk setiap mode pada massa tertentu sudah diperoleh maka simpangan total massa yang bersangkutan merupakan superposisi atau penjumlahan dari simpangan tiap- tiap mode tersebut. Simpangan massa yang lain dapat dicari dengan cara yang sama. Berikut contoh modal analisis dari sistem derajat kebebasan banyak (MDOF) yang di modelkan sebagai bangunan geser, dengan menggunakan program MatLab. Dapat dilihat pada Gambar 2.17. [17]
Gambar 2.17. Contoh modal analisis dari sistem derajat kebebasan [17]
2.7. Analisa Vibrasi dengan Fast Fourier Transform (FFT)
Analisa fourier terbagi atas dua yakni deret fourier untuk sinyal periodik dan trasformasi fourier untuk sinyal aperiodik. Setiap sinyal periodik dapat dinyatakan atas jumlah komponen-komponen sinyal sinusoidal dengan frekuensi yang berbeda (distinct). Jika ada sebuah fungsi f(t) yang kontinyu periodik dengan periode T yang bernilai tunggal terbatas pada suatu interval terbatas, dan memiliki diskontinyuitas yang terbatas jumlahnya dalam interval tersebut serta dapat diintegralkan secara mutlak, maka f(t) dapat dinyatakan dengan deret fourier.
Dengan menggunakan software komputer, komputasi FFT menjadi lebih mudah dan cepat. Contoh sederhana FFT pada matlab sebuah fungsi f(t) dari time domain menjadi frequency domain, seperti pada Gambar 2.18 berikut [18].
Gambar 2.18. Hasil FFT dari Data Vibrasi [18]
FFT merupakan elemen pemrosesan sinyal pada pengukuran vibrasi. Pada pengukuran vibrasi ada empat tahapan untuk merubah sinyal vibrasi menjadi
spektrumnya. Algoritma FFT untuk analisa vibrasi tersebut adalah sebagai berikut:
➢ Pengambilan data vibrasi dari tranduser yang dihubungkan dengan sistem akuisisi.
➢ Sistem akuisisi menghasilkan spektrum yang menunjukkan perbandingan waktu dengan percepatan.
➢ Hasil spektrum diolah menggunakan software lain dengan menggunakan Fast Fourier Transform.
➢ Hasil pengolahan menggunakan FFT akan berupa grafik perbandingan frekuensi dengan amplitudo yang menunjukkan jenis kerusakan dan tingkat kerusakan mesin [18].
2.8. Diagnosa Vibrasi
Analisa spektrum vibrasi yang dilakukan dapat mengetahui berbagai permasalahan yang terjadi pada mesin dengan melihat pola – pola spektrum vibrasi yang terjadi. Permasalahan yang dapat disimpulkan dari analisis vibrasi ini antara lain unbalance, misalignment, poros yang melengkung (Bent Shaft), kelonggaran mekanikal (looseness) kerusakan pada bearings, resonansi dan oil whirl.
2.8.1 Unbalance
Unbalance merupakan permasalahan yang paling sering terjadi yaitu hampir 40% dari masalah yang menyebabkan vibrasi adalah dikarenakan oleh Unbalance, Unbalance adalah kondisi dimana pusat masa tidak sesumbu dengan sumbu rotasi. Solusinya untuk unbalance yaitu dengan proses balancing / mesin tidak di operasikan atau diganti.
Karakteristik Unbalance:
1. Amplitudo dominan pada 1X RPM
2. Vibrasi dominan pada arah Radial (Horizontal) 3. Time Waveform dari Unbalance sangat sinusoidal
4. Beda fasa antara pembacaan horizontal dan vertikal pada bearing yang sama adalah 90º (±30º) Out of Phase
5. Fasa pembacaan horizontal atau vertikal pada kedua bearing sefasa/ in phase (±30º).
Jenis Unbalance
1. Force Unbalance
Gambar 2.19 Force Unbalance
Force Unbalance, dimana ada dua gaya yang sama besar dan memiliki arah yang sama. Force Unbalance akan in-phase dan stabil. Spektrum akan dominan pada 1x RPM. Dapat dikoreksi dengan menempatkan satu balance weight (beban penyimpangan) dengan menggunakan metode satu plane. Ada perbedaan phase pada sisi inboard dan outboard horizontal, juga pada sisi inboard dan outboard wertikal dan ada perbedaan phase 90o antara sisi vertikal dan horizontal dalam satu bearing (±30o).
2. Couple Unbalance
Gambar 2.20 Couple Unbalance
Couple Unbalance, dimana ada ada dua gaya yang sama besar tapi memiliki arah yang berlawanan. Couple unbalanced menimbulkan 180o out – of phase dalam 1 shaft. Spektrum akan dominan pada 1x RPM. Amplitudo akan bervariasi dengan kuadrat kecepatan pada saat di bawah putaran kritis pertama rotor. Dapat juga menimbulkan vibrasi arah axial dan radial tinggi. Dapat dikoreksi menggunakan metode dua plane. Terdapat perbedaan phase 180o antara outboard dan inboard horizontal, begitu juga antara outboard dan inboardd wertikal. Bisa juga perbedaan phase 90O antara arah vertikal dan horizontal pada satu bearing (±30o).
3. Dynamic Unbalance
Gambar 2.21. Dynamic Unbalance
Dynamic Unbalance, dimana ada dua gaya yang tidak sama besar dan memiliki arah yang berlawanan. Dynamic Unbalance sering muncul dalam masalah unbalance yaitu merupakan kombinasi antara couple unbalance dan force unbalance. Spektrum dominan pada 1x RPM, dan dikoreksi dengan menggunakan metode dua plane. Perbedaan phase arah radial antara bearing outboard dan inboard berkisar antara 0o – 180o. Dimana perbedaan phase arah horizontal hampir sama dengan perbedaan fase vertikal pada saat membandingkan pengukuran pada bearing outboard dan inboard (±30o). Kedua, jika unbalance dominan, menghasolkan beda phasa 90o biasanya antara pengukuran arah vertikal dan horizontal pada masing-masing bearing (±30o).
2.8.2 Misalignment
Misalignment merupakan kondisi dimana sumbu aksial poros penggerak dengan poros yang digerakkan tidak segaris. Jika posisi dari sumbu aksial poros penggerak dengan poros yang digerakkan dalam keadaan tidak sejajar dengan ketinggian yang berbeda maka disebut parallel misalignment. Jika sumbu aksial poros penggerak dengan poros yang digerakkan posisinya saling menyudut, sedangkan kedua ujung (pada kopling) mempunyai ketinggian yang sama maka disebut angular misalignment.
Kebanyakan kasus misalignment merupakan gabungan antar Parallel dan Angular misalignment. Karakteristik dari misalignment campuran:
1. Vibrasi dominan pada 2x running speed pada arah axial dan radial.
2. Muncul harmonik dari running speed.
3. Pada waveform akan terjadi pengulangan pola dengan 1 atau 2 gelombang tiap putaran.
Pada dasarnya misalignment ada dua jenis, yaitu:
1. Offset atau Misalignment Parallel
Gambar 2.22 Parallel Misalignment
Misalignment Offset, juga disebut sebagai misalignment parallel ini mirip dengan angular misalignment, tetapi vibrasi tinggi pada arah radial 180o out of phasa dekat dengan kopling. Sering muncul 2x RPM lebih tinggi dari pada 1x RPM, tetapi tingginya relative terhadap 1x RPM sering ditentukan oleh jenis kopling dan konstruksi. Meskipun begitu bisa juga muncul dominan 1x lebih tinggi, dikuti munculnya 2x dan 3x RPM pada arah radial. Ketika kerusakan angular atau radial misalignment bertambah parah, akan muncul
amplitudo yang tinggi harmonik (4x – 8x), atau bahkan seluruh amplitudo harmonik mirip dengan mechanical loosenenss. Jenis kopling dan material sangat mempengaruhi spektrum ketika misalignment bertambah parah akan tetapi tidak muncul raised noise floor.
2. Angular Misalignment
Gambar 2.23 Angular Misalignment
Karakteristik dari angular misalignment ditandai vibrasi tinggi pada arah aksial, out of phasa 180o dekat dengan kopling. Biasanya akan sering muncul vibrasi tinggi arah aksial pada 1x dan 2x RPM dimana 1x RPM lebih tinggi dari 2x RPM. Meskipun begitu bisa juga muncul dominan 1x, 2x dan 3x RPM, ini bisa juga merupakan indikasi kerusakan pada kopling. Angular misalignment yang sudah parah bisa memunculkan harmonik 1x RPM. Tidak seperti mechanical looseness type B , harmonik pada misalignment tidak memiliki noise floor.
2.9. MATLAB
Matlab merupakan sebuah singkatan dari Matrix Laboratory, yang pertama kali dikenalkan oleh University of New Mexico dan University of Stanford pada tahun 1970. software ini pertama kali memang digunakan untuk keperluan analisis numerik, aljabar linier dan teori tentang matriks. Saat ini, kemampuan dan fitur yang dimiliki oleh Matlab sudah jauh lebih lengkap dengan ditambahkannya toolboxtoolbox yang sangat luar biasa. Beberapa manfaat yang didapatkan dari Matlab antara lain:
• Pemodelan dan simulasi
• Komputasi numerik
• Visualisasi dan analisis data
• Pembuatan grafik untuk keperluan sains dan teknik
• Pengembangan aplikasi, misalnya dengan memanfaatkan GUI [19]
Matlab dapat dipadang sebagai sebuah kalkulator dengan fitur yang lengkap.
Kita pernah menggunakan kalkulator dengan fasilitas minimal, misalnya hanya terdapat fasilitas penambahan, pengurangan perkalian dan pembagian.
Kalkulator yang lebih lengkap lagi adalah kalkulator scientific dimana fasilitas yang diberikan tidak hanya yang disebutkan di atas, melainkan sudah ada fungsi-fungsi trigonometri, bilangan kompleks, akar kuadrat dan logaritma.
Nah, Matlab mirip dengan kalkulator tersebut, tetapi dengan fitur-fitur yang lengkap diantaranya dapat digunakan untuk memprogram, aplikasi berbasis GUI dan lengkap dengan toolbox yang dapat dimanfaatkan untuk memecahkan masalah sains dan teknik [19].
Matlab memberikan kemudahan bagi para pengguna untuk menemukan bantuan sehubungan dengan semua fasilitas yang diberikan oleh Matlab. Misalnya, bantuan tentang bagaimana memulai Matlab pertama kali, trik pemrograman, membuat grafik 2 dan 3 dimensi, menggunakan tool akuisisi data, pengolahan sinyal, penyelesaian persamaan diferensial parsial.
Untuk memperoleh bantuan tersebut, kita dapat memilih MATLAB Menu dari menu Help. Untuk bantuan tentang Matlab sendiri, dibagi atas beberapa bagian antara lain : [19]
1. Development Environment, bagian ini akan memberikan informasi yang lengkap mengenai desktop dari Matlab.
2. Mathematics, bagian yang menjelaskan bagaimana menggunakan fitur yang dimiliki oleh Matlab untuk dalam mengolah data matematis dan statistik.
Isi dalam bantuan ini dicakup antara lain: Matrks dan aljabar linier, polinomial dan interpolasi, analisis data dan statistik, fungsi function, matriks jarang (sparse matrix).
3. Programming and data type, bagian ini menjelaskan bagaimana membuat script dan fungsi dengan menggunakan Matlab. Bantuan ini mencakup pemrograman M-File, larik, larik multidimensi, optimalisai performance Matlab, tip pemrograman Matlab.
4. Graphics, bagian ini menjelaskan tentang bagaimana membuat atau mengeplot grafik dari data yang kita miliki. Yang termasuk dalam bagian ini antara lain, dasar-dasar pengeplotan, format grafik, membuat grafik khusus misalnya grafik dalam bentuk bar, histogram, contour dan lain-lain.
5. 3-D Visualization, bagian ini menjelaskan dengan tuntasbagaimana menampilkan data yang kita miliki dalam grafik 3 dimensi, termasuk didalamnya membuat grafik 3D, menentukan tampilan objek, transparansi objek, lighting dan lain-lain.
6. Creating Graphical User Interfaces, bagian ini menjelaskan bagaimana kita dapat membuat GUI (Graphical User Interface) berbasis Matlab. Disamping bagian-bagian yang sudah disebutkan di atas, disini juga disertakan beberapa bagian tambahan yang ikut melengkapi dokumentasi penjelasan tentang Matlab, diantaranya function-By cattegory, function-Alphabetical List, handle graphic property browser, external interfaces/API, external interfaces/API references dan lain-lain [19].
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Waktu dan Tempat
Pengujian dilakukan di Laboratorium Motor Bakar Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara selama kurang lebih 2 bulan
.
3.2. Bahan
Dalam penelitian ini, subjek penelitian adalah turbin angin savonius yang diletakkan dalam model instalasi sederhana wind tunnel skala laboratorium seperti terlihat pada Gambar 3.1.
Gamba 3.1.(1) Perangkat Wind Tunnel, (2) Turbin angin.
Dalam penelitian ini akan dibuat turbin angin savonius tipe U seperti terlihat pada Gambar 3.2.
Gambar 3.2. Turbin angin savonius tipe U.
1
2
Bahan dari komponen turbin ini , antara lain : 1. Dudukan lengan sudu.
Dudukan lengan sudu turbin angin berbentuk silinder berbahan besi dengan ketebalan 10 mm, dan diameter luarnya 20 mm serta diameter dalam 10 mm, seperti terlihat pada Gambar 3.3.
Gambar 3.3. Dudukan lengan sudu 2. Lengan sudu.
Lengan sudu turbin angin berbahan plat besi dengan ketebalan 0,7 mm, seperti terlihat pada Gambar 3.4.
Gambar 3.4. Lengan sudu 3. Sudu
Sudu turbin angin berbahan pelat aluminium dengan ketebalan 0,3 mm, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 3.5.
Gambar 3.5. Bahan pelat aluminium untuk sudu
4. Poros
Berdasarkan jenis turbin ini, maka poros dipasang secara vertikal dan poros terbuat dari bahan stainless steel dengan diameter 8 mm dan tinggi 535 mm, seperti terlihat pada Gambar 3.6.
Gambar 3.6. Poros 5. Bantalan
Bearing (bantalan) adalah elemen mesin yang menumpu poros yang mempunyai beban, sehingga putaran atau gerakan bolak-baliknya dapat berlangsung secara halus, aman, dan mempunyai umur yang panjang.
Bearing harus cukup kokoh untuk memungkinkan poros serta elemen mesin lainnya bekerja dengan baik. seperti pada Gambar 3.7.
Gambar 3.7. Bantalan
6. Transmisi daya
Dalam penelitian ini roda gigi digunakan untuk mentransmisikan daya dan putaran. Diameter luar roda gigi pada poros 120 mm, dan diameter luar roda gigi pada poros motor DC 10 mm, seperti pada Gambar 3.8.
(a) (b)
Gambar 3.8.(a) roda gigi pada Poros turbin,(b)pada`poros motor DC 7. Generator listrik
Generator listrik yang akan digunakan dalam penelitian ini adalah 12V 100 mA, seperti terlihat pada Gambar 3.9.
Gambar 3.9. Generator listirk 8. Bola lampu dan wayar
Bola lampu yang akan digunakan adalah jenis bola lampu LED seperti pada Gambar 3.10.
Gambar 3.10. Lampu LED dan wayar kecil
3.3. Peralatan
Peralatan yang akan digunakan dalam pelaksanaan penelitian ini antara :
1.
Wind Tunnel, Dengan menggunakan wind tunnel maka relative dapat di setting kecepatan angin dan kestabilannya sesuai dengan kebutuhan penelitian, seperti pada Gambar 3.11.Gamba 3.11.Perangkat Wind Tunnel.
(1).Compressor,(2).Test section, (3).Diffuser, (4).Kain penghubung, (5).Drive section
2.
Inverter, Inverter adalah salah satu alat untuk mengubah arus AC ke DC untuk menyuplay listrik ke dinamo motor dengan arus DC, jadi alat ini aslinya mempunyai multi fungsi, merubah AC ke DC kemudian mengeluarkannya dengan arus AC kembali, inverter diperlihatkan pada Gambar 3.12.Gambar 3.12. Inverter
3.
Vibrometer, Vibrometer VQ – 400 - A, Alat ini digunakan untuk mengukur kecepatan permukaan getaran , juga dapat digunakan untuk mendapatkan waktu kecepatan getaran suatu benda atau bahan uji. Seperti pada Gambar 3.13.1
3 4 5
2
Gambar 3.13. Alat vibrometer
4. Tachometer, Tachometer adalah alat untuk mengukur kecepatan putaran yang dikopel langsung dengan poros. Seperti pada Gambar 3.14.
Gambar 3.14. Alat Tachometer
Spesifikasi Digital Photo Contact Tachometer sebagai berikut:
Name : Digital Photo Contact Tachometer Display : Photo Tach (5 to 99,999 rpm) Contact Tach (0,5 to 19,999 rpm)
Resulotion : Photo Tach/Contact Tach 0,1 rpm (0,5 to 999,9 rpm)
1 rpm (over 1,000 rpm)
Accuracy : ± (0,05 % + 1 Digit)
Sampling Time : Photo Tach (1 sec over 60 rpm) Contact Tach (1 sec over 6 rpm)
Battery : 4 x 1,5 V AA (UM-3) Battery
Size : 215 x 65 x 38 mm
Weight : 300 g (0,66 lb)/including Battery
5.
Multi tester digital. Hasil ukur yang ditampilkan pada multitester digital merupakan hasil yang telah sesuai, sehingga tidak perlu dilakukan lagi perhitungan antara hasil ukur dan batas ukur.
Fungsi Multimeter yang dimiliki setiap multimeter ada beberapa macam tergantung tipe dan merk multimeter. Akan tetapi pada umumnya setiap multimeter / multitester memiliki 3 fungsi ukur utama yaitu sebagai alat ukur arus, tegangan dan resistansi seperti yang diperlihatkan pada Gambar 3.15.
Gambar 3.15. Alat multi tester digital
6.
Anemometer, Fungsi Anemometer yaitu sebagai perangkat atau alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan angin. Dengan anemometer kita dapat memperkirakaan cuaca pada hari itu. Selain itu anemometer juga dapat difungsikan sebagai alat pendeteksi cuaca buruk seperi angin topan ataupun badai. Pada dasarnya anemometer adalah alat untuk mengukur kecepatan udara atau kecepatan gas dalam femonema terjadinya hembusan angin, contohnya untuk mengkur aliran udara di dalam saluran, atau juga pengukuran arus terbatasi, seperti angin atmosfer. Untuk menentukan kecepatan, anemometer mendeteksi perubahan di beberapa sifat fisik dari fluida atau efek fluida pada alat mekanis dimasukkan ke dalam aliran seperti pada Gambar 3.16.Gambar 3.16. Alat anemometer
