37
4.1 Perhitungan Diameter Rotor dan Putaran Kincir Angin
Rotor merupakan salah satu komponen dari kincir angin yang berputar, untuk diameter rotor dapat dihitung dengan persamaan berikut :
P = 0,5. . v3.A.E. K. A = Dimana :
A = Luas penampang rotor
D = Diameter rotor direncankan ( 150 cm) P = Daya angin ( watt)
Ƿ = Densitas angin ( 1,1774 kg/m3
) V = Kecepatan angin m/s
E = Efisiensi kincir angin ( 0,6 / 60%) K = Faktor daya angin (1,4 kg/m3)
Sedangkan besarnya putaran kincir angin dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:
N =
Dimana :
λ = Perbandingan kecepatan ujung sudu dengan kecepatan angin (3 m3
) v = Kecepatan angin ( 4 m/s)
D = Diameter rotor ( 1,5m) direncanakan Maka :
N =
4.2 Perencanaan Perhitungan Sudu ( Airfoil ) 4.2.1 Dimensi dan Berat Sudu
Panjang sudu dapat dihitung dengan persamaan : L = R – ( rb + lt ) Dimana: R = Jari-jari rotor = 70,5 cm ( direncanakan) rb = Jari-jari bus = 20 cm (direncanakan) lt = Panjang tangkai sudu
= 70 cm ( direncanakan) Maka :
L = 70,5 - ( 20 + 70 ) L = 20 cm
4.2.2 Gaya-Gaya Yang Terjadi Pada Sudu
Gaya yang bekerja pada sudu-sudu kincir pada dasarnya terdiri dari 3 gaya yaitu:
1. Gaya aksial, yang mempunyai arah yang sama dengan arah angin. Gaya ini harus ditampung oleh poros dan bantalan
2. Gaya sentrifugal, yang meninggalkan titik tengah
3. Gaya tangensial, yang menghasilkan momen. Bekerja tegak lurus terhadap radius dari rotor dan yang merupakan daya produktif
Besarnya gaya aksial ( a ) yang terjadi pada sudu dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:
a = 0,00142 . V2 . R2 dimana :
V2 = Kecepatan angin = 4 m/s
R2 = Jari-jari rotor keseluruhan = 1,5 m/150cm
Maka :
a = 0,00142 . 4. 150 cm = 0,852 kg
Besarnya gaya sentrifugal ( s ) yang bekerja pada setiap panjang sudu kincir dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:
S = 367.
Dimana :
R = Jari-jari rotor = 1,5 m/150cm
P = Daya kincir angin ( direncanakan) = 1 kw/ 1,341 hp
V = Kecepatan angin = 4 m/s
V1= Kecepatan relatif ujung sudu terhadap kecepatan angin ( V1 ) dapat di hitung dengan persamaan berikut: V1 =
Dimana:
N = Putaran kincir angin (1500 rpm) D = Diameter sudu ( 20 cm )
V = Kecepatan angin rencana 4 m/s V1 =
= 3,92 m/s Maka :
S = 367. = 4,7 kg
Besarnya gaya tangensial yang bekerja pada sudu dapat dihitung dengan persamaan berikut:
dimana:
W = Berat per-buah sudu di asumsikan (0,5 kg)
V2 = Kecepatan relatif titik berat sudu terhadap kecepatan angin ( v2)
v2 = v2 = = 5,82
R1 = Jari-jari sudu direncanakan (7 cm )
N = Putaran ( 1500 rpm ) V = Kecepatan angin ( 4 m/s) Maka: t = 0,00219 . 0,4 . 5,82. 4,0 / 7 = 0,148 kg 4.2.3 Pemeriksaan Sudu
Pembebanan yang terjadi pada setiap sudu merupakan pembebanan kantilever dan beban yang terjadi pada sudu terdistribusi merata, sehingga perhitungan momen yang terjadi berdasarkan pembebanan kantilever dengan beban yang terbagi rata. Beban yang terjadi pada sudu akibat dari pada berat sudu sendiri dapat dihitung
dengan persamaan:
Q=
Dimana :
W = Berat sudu direncanakan ( 2 kg) L = Panjang sudu direncanakan ( 1500 cm) Maka :
Q = = 1,34 kgf/m
Momen yang terjadi pada penampang sudu dapat dihitung dengan persamaan berikut:
Dimana :
Q = Beban akibat berat sudu ( 1,34 kgf/m) R = Jari-jari rotor ( 150 cm)
L = Jarak sumbu poros ke penampang ( 2 cm ) Maka :
M = ( ) = 1,98 kgf/m
Tegangan yang terjadi akibat terpaan angin pada penampang sudu dapat dihitung dengan persamaan berikut:
τ = F/A
F = 0,0026. A. V
A = Luas frontal sudu dapat di cari dengan persamaan berikut: π.4. ( d ) / 4
A = 3,14. 4. ( 150) / 4 A = 4,7 kgf/m
V = kecepatan angin angin 4 m/s
Maka F = 0,0026. 4,7. 4. = 0,489 kgf/m Untuk mencari nilai A= luas penampang (A= B.H)
B = Lebar sudu penampang ( 20 cm) H = Tebal rata-rata sudu ( 0,5 mm) A = 20. 0,5
= 10 mm
Sehingga τ = 0,489 . 10 = ( 4,89 kg/cm2
)
Kekuatan tarik dari bahan sudu yaitu aluminium (SAE 322) adalah τt = 40000 psi. Dengan kandungan komposisi kimia sebagai berikut:
Si : 5.0% Cu : 1.3 % Mg : 0,5 %
Karena pada sudu juga mengalami beban puntir, hal ini merupakan pembebanan dinamis, maka diambil faktor keamanan ( v) = 10, sehingga:
τt = 40000/10 = 4000 kgf/m2
Besarnya tegangan puntir yang di ijinkan adalah : τp= τt/ 1,730
dimana :
τt = Tegangan puntir pada bahan adalah ( 281 kg/cm2
) Maka :
τp= τt / 1,730
= 281 / 1,730 (162,4 kg/cm2)
Karena tegangan puntir yang di ijinkan dari bahan sudu lebih besar dari tegangan-tegangan yang terjadi pada sudu makan konstruksi dari sudu sudu dinyatalan cukup aman.
4.3 Perencanaan poros
Poros merupakan salah satu elemen mesin yang berfungsi untuk memindahkan daya dan putaran. Dalam perencanaan ini poros yang di maksud adalah poros tempat dudukan sudu kincir, dalam hal ini poros akan mengalami momen puntir .
Dalam hal ini, bahan poros dipilih dari jenis baja karbon untuk konstruksi mesin
( S 35C) dengan kekuatan tarik (τb = 52 kg/mm2
), tegangan geser yang di izinkan pada poros (τa) dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut:
τa = 2 1 .Sf Sf B dimana :
τb = Kekuatan tarik dari bahan ( 52 kg/mm2
)
sf1= Faktor keamanan untuk poros (6,0) dari nilai standar
sf2= Faktor keamanan karena pengaruh kekerasan permukaan 2 (
maka: τa = 2 . 0 , 6 52 = 4,3 kg/mm2
Besarnya momen puntir yang terjadi pada poros dapat dihitung dengan persamaan: T = 9,74 x 105 n Pd Dimana: Pd = daya angin ( 0,04148 kw) n = putaran kincir angin (1500 rpm) maka: T = 9,74 x 105 1500 041468 , 0 = 26,9 kg/mm
4.4 Perencanaan Roda Gigi
Untuk modul diambil m = 2, dengan jarak sumbu poros yang direncanakan (a) = 70 mm, ( Sularso dan Kiyokatsu Suga,1987).
Diameter sementara lingkaran jarak bagi dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut: a. i a d 1 2 ' 1
Dimana perbandingan transmisi ( i diambil 1,70) Maka: 70 , 1 1 70 . 2 ' 1 d = 52 mm Jumlah gigi, ( i )
b. Untuk roda gigi 2 ( yang digerakkan) Dimana i diambil 1,70 Maka: = 88 mm Jumlah gigi (z) = 44
Ketentuan faktor tingggi kepala (k) = 1 Kelonggaran puncak (ck) = 0,25
= 0,25 . 2 = 0,5 mm Harga modul telah ditetapkan = 2
Tinggi gigi, H = 2mm + Ck = 2,2 + 0,5 = 4,5 mm
Tinggi kaki, hf = km + Ck = 1,2 + 0,5 = 2,5 mm
Tinggi kepala, hk = k+ m = 1,2 = 2 mm
Lebar gigi, b = 6mm = 6,2 = 12 mm Tebal gigi, h = πm/2 = π 2/2 = 3,14 Untuk harga-harga m, h, b, hk, hf dan h adalah:
Ukuran roda gigi 1
Jumlah gigi Z1= 26 gigi, maka:
d01 = m, z1 = 2,26 = 52 mm
dkl = (z1 + 2) = (26+2). 2 = 56 mm
t1 = πd01/ z1 = π 52/26 = 6,28 mm
af1 = dkl – 2H = 56 – 2. 4,5 = 47 mm
Ukuran roda gigi 2
Jumlah gigi z2 = 44 gigi, maka:
d02 = m. z2 = 2. 44 = 88 mm
dk2 = (z2 + 2).m = (44 +2)2 = 92 mm
t1 = πd02/ z2 = 3,14. 88/44 = 6,82 mm
4.5 Perencanaan Bantalan
Bantalan adalah elemen mesin yang menumpu poros berbeban, sehingga putaran atau gerakan bolak-baliknya dapat berlangsung secara halus, aman, dan panjang umur. Bantalan harus cukup kokoh untuk memungkinkan poros serta elemen mesin yang lainnya bekerja dengan baik.
Karena pada poros kincir angin gaya aksial yang tejadi lebih besar dari gaya radial, maka dipilih jenis bantalan yang mampu menahan gaya aksial yang besar dan gaya radial lebih kecil maka di gunakan bantalan jenis bola.
Gambar 4.1 : Bantalan dengan beban gaya radial dan radial Sumber: Dasar perencanaan dan pemilihan elemen mesin
Dengan telah diketahuinya diameter poros sebagai tempat dudukan bantalan sebesar 22,4 mm, maka dapat diketahui dimensi dari bantalan tersebut adalah:
Diameter luar bantalan ( D ) = 47 mm Diameter dalam bantlan (d ) = 25 mm Lebar bantalan (B) = 12 mm Radius bantalan ( r ) = 1 mm Kapasitas nominal bantalan ( c ) = 530 kg
Besarnya beban equivalent bantalan dapat dihitung dengan persamaan berikut: P = x. v. Fr + Y . Fa
Dimana :
X = Faktor rotasi radial ( 0,56) nilai ketetapan standar Fr = Gaya radial ( 33,83 kg) nilai ketetapan standar Y = Faktor rotasi aksial ( 2,8) nilai ketetapan standar Fa = Gaya aksial (20 kg) nilai ketetapan standar V = Faktor pembebanan ( 1,2) nilai ketetapan standar
Maka :
P = 0,56 . 1,2 . 33,83 + 2,8 . 20 = 78,734 kg
Faktor umur bantalan ( Fh) dapat dihitung dengan persamaan berikut:
Dimana:
Fn = Faktor putaran ( 0,66) C = Kapasitas bantalan ( 530 kg)
P = Beban equivalent bantalan ( 78,734 kg) Maka:
= 4,645
4.6 Perencanaan Menara
Menara kincir angin merupakan salah satu komponen dari kincir angin yang berfungsi sebagai tempat kedudukan atau meletakkan peralatan kincir angin seperti poros, sudu, transmisi dan generator. Bahan menara kincir angin ini direncanakan terbuat dari baja dengan lambang ( S 30 C) yang berpenampang siku.
Beban yang diterima oleh menara diperkirakan sebesar 200 kg, Besarnya diameter luar (d1) dan diameter atas menara (d2) bagian bawah direncanakan sebesar 500 mm dan 1000 mm, sedangkan untuk bagian atas menara masing-masing 500 mm dan 400 mm.
Luas menara rata-rata adalah : Lm = H . A1 + A2 / 2
Dimana :
H = tinggi menara 4 m
A1= luas penampang bagian bawah menara = π/4 ( d12- d22)
= 3,14/4 ( 0,52- 0,102) = 1,984 m2
Momen inersia yang terjadi pada menara dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:
Dimana :
A= Luas penampang menara ( 1,984 x 10 -3) H= Tinggi menara 4 m Maka:
