KAJIAN LINTASAN ORBIT PADA TURBIN ANGIN SAVANIUS TIPE ROTOR HELIX DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE MATLAB 2014 SKRIPSI

(1)

KAJIAN LINTASAN ORBIT PADA TURBIN ANGIN SAVANIUS TIPE ROTOR HELIX DENGAN MENGGUNAKAN

SOFTWARE MATLAB 2014

SKRIPSI

Skripsi yang Diajaukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

DISUSUN OLEH :

Ali Syahputra Hasibuan NIM. 110401004

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

2016

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

ABSTRAK

Penelitian ini bertujuan untuk melakukan studi eksperimental kajian lintasan orbit menggunakan matlab 2014, dengan melakukan pengukuran pada poros turbin angin savanius tipe rotor helix dengan menggunakan Laser Vibrometer. Pengukuran dilakukan dengan 5 variasi kecepatan angina selama 100 detik, yaitu : 4 m/s, 4,5m/s, 5 m/s, 5,5m/s dan 6 m/s. Nilai dispalacement terendah sebesar -0,3343 mm pada kecepatan angin 6 m/s dan tertinggi 0,3338 mm pada kecepatan angin 6 m/s. Nilai velocity terendah sebesar 0,1791 mm/s pada kecepatan angin 4,5 m/s dan nilai tertinggi 0,5435 mm/s pada kecepatan angin 4,5 m/s. Nilai acceleration tertinggi sebesar -4,5378 mm/s² pada kecepatan angin 6 m/s dan nilai tertinggi 4,5304 m/s² pada kecepatan angin 6 m/s. Lintasan orbit displacemant terbesar terjadi pada kecepatan angin 6 m/s dengan indikasi unbalance karena bentuk lintasan melebar.

Untuk kecepatan angin5,5 m/s mengindikasikan terjadi misaligment dikarekan bentuk elipsnya pipih.

Kata kunci : Turbin angin savanius, Vibrasi, Displacement, Velocity, Acceleration, Lintasan Orbit

(12)

ABSTRACT

This research aims to study the trajectory orbit experimental studies using matlab 2014, by performing measurements on wind turbine shaft savanius helix rotor types by using Laser Vibrometer. Measurements were made with 5 variations of wind speed for 100 seconds, ie: 4 m / s, 4.5 m / s, 5 m / s, 5,5m / s and 6 m / s. Lowest dispalacement value of -0.3343 mm at a wind speed of 6 m / s and the highest 0.3338 mm at a wind speed of 6 m / s. Lowest velocity value of 0.1791 mm / s at a wind speed of 4.5 m / s and the highest value of 0.5435 mm / s at a wind speed of 4.5 m / s. The highest acceleration value of -4.5378 mm / s² at a wind speed of 6 m / s and the highest value of 4.5304 m / s² at a wind speed of 6 m / s. The displacemant orbit trajectory occurs at a wind speed of 6 m / s with an indication of unbalance due to the form of the track widened. To speed angin5,5 m / s indicates happen misaligment dikarekan flattened ellipse shape.

Keywords: Wind Turbine savanius, Vibration, Displacement, Velocity, Acceleration, Orbit Trails

(13)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulisa ucapkan ke hadirat Allah SWT atas segala rahmad dan karunia-Nya yang senantiasa diberikan kepada penulis, sehingga penulis dapt menyelesaikan penulisan skripsi ini.

Skripsi adalah salah satu syarat untuk kelulusan menjadi sarjana teknik di Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara. Adapun judul Skripsi ini adalah "Kajian Lintasan Orbit Pada Turbin Angin Savanius Tipe Rotor Helix Dengan Menggunakan Software Matlab 2014".

Selama penulisan Kripsi ini penulis banyak mendapat bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu dalam kesempatan ini penulis menyampaikan banyak terimakasih kepada :

1. Kedua orang tua tercinta Baktiar Hasibuan dan Samsidah Rangkuti, yang selalu mendukung dalam doa, dukungan moral, materil, dan selalu memberikan semangat sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi ini.

2. Bapak Dr.Ing. Ir. Ikhwansah Isranuri selaku dosen pembimbing dan Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatra Utara, yang telah meluangkan waktu dalam membimbing penulis hingga skripsi ini dapat terselesaikan.

3. 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.

4. Abanganda Ahmad marabdi Siregar yang telah membantu dalam penulisan skripsi ini.

5. Saudara Panji waskito, M.Reza Zulkarnain, Sakinah Rahmi, Yupen Saputra, Jefri Pia Nanda, M. Iqbal Hasibuan dan teman-teman mahasiswa Teknik Mesin USU khususnya untuk angkatan 2011, yang telah banyak memberikan support dan sharing dalam penyelesaian skripsi ini.

6. Adik-adik tercinta Masitoh Hasibuan, Zulpan Syah Hasibuan, Muhammad Yusuf Hasibuan dan Wahyuni Safitri yang terus mendukung baik doa dan semangat.

(14)

Akhirnya penulis mengharapkan kritik dan saran dari rekan mahasiswa serta para pembaca dalam rangka pengembangan Proposal ini dan akhir kata penulis mengucapkan terima kasih, semoga Allah SWT selalu menyertai kita.

Medan, Februari 2016 Penuls,

Ali Syahputra Hasibuan NIM : 110401004

(15)

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ... i

DAFTAR ISI ... iii

DAFTAR TABEL ... v

DAFTAR GAMBAR ... vi

DAFTAR NOTASI ... viii

BAB 1 PENDAHULUAN ... 1

1.1.Pendahuluan ... 1

1.2.Perumusan Masalah ... 2

1.3.Batasan Masalah ... 2

1.4.Tujuan Penelitian ... 2

1.5.Manfaat Penelitian ... 2

1.6.Sistematika Penelitian ... 3

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ... 4

2.1.Turbin Angin ... 4

2.2.Turbin Angin Savanius ... 6

2.3. Analisa Getaran ... 7

2.3.1. Konsep Analisa Getaran ... 7

2.3.2. Karakteristik Getaran ... 9

2.3.3. Frekuensi Getaran ... 9

2.3.4. Amplitudo (Perpindahan, Kecepatan, dan Percepatan) ... 10

2.3.5. Fasa (phase)... 11

2.4.. Rotor Orbit Trajectories ... 13

2.5.Metode Lintasan Orbit (Pola Lissajous) ... 17

2.6.Fast Fourier Transform (FFT) ... 19

BAB 3 METODE PENELITIAN... 24

3.1.Tempat dan Waktu Penelitian ... 24

3.2.Bahan ... 24

3.3.Peralatan Penelitian ... 29

3.4. Metodologi Penelitian ... 32

3.5. Set Up ... 33

3.5.1. Set Up dan uji wind tunnel ... 33

(16)

3.5.2. Set Up alat ukur penelitian... 33

3.6.Variabel Penelitian ... 36

3.7. Prosedur Penelitian ... 37

BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN... 38

4.1. Amplitudo Getaran Pada Turbin Angin Savanius ... 38

4.1.1. Pengambilan Datta Pada Kecepatan Angin 4 m/s ... 39

4.1.2. Pengambilan Datta Pada Kecepatan Angin 4,5 m/s ... 42

4.1.4. Pengambilan Datta Pada Kecepatan Angin 5,5 m/s ... 48

4.2. Hubungan Variasi Punncak Amplitudo Pada 5 Variasi Kecepatan Angin ... 54

4.3. Analisis Lintasan Orbit ... 55

4.3.1. Lintasan Orbit Displacemen ... 55

4.3.2. Lintasan Orbit Velocity ... 57

4.3.3. Lintasan Orbit Accelaration ... 59

4.4. Klarifikasi FFT ... 61

4.5. Perubahan Lintasan Orbit ... 63

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ... 66

5.1. Kesimpulan ... 66

5.2. Saran ... 67

DAFTAR PUSTAKA ... ix

Lampiran ... xi

(17)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Satuan yang digunakan tiap karakteristik ... 13

Tabel 4.1 Data kecepatan angin 4 m/s ... 39

Tabel 4.2 Data kecepatan angin 4,5 m/s ... 42

Tabel 4.4 Data kecepatan angin 5,5 m/s ... 48

Tabel 4.6 Variasi Puncak Amplitudo ... 54

Tabel 4.7 Nilai perhitungan rata-rata Amplitudo yang terjadi ... 55

(18)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Konstruksi turbin angin ... 4

Gambar 2.2 Turbin angin sumbu tegak ... 5

Gambar 2.3 Rotor tipe Helix ... 6

Gambar 2.4 Bentuk dorongan angin memutar rotor turbin ... 6

Gambar 2.5 Rotor savanius berbentuk heliks ... 7

Gambar 2.6 Getaran pada sistim pegas-Massa sederhana ... 8

Gambar 2.7 Karakteristik Getaran ... 9

Gambar 2.8 Model Amplitudo ... 10

Gambar 2.9 Displacement dan Frequency ... 11

Gambar 2.10 Beda fasa antara perpindahan, kecepatan dan percepatan ... 12

Gambar 2.11 Hubungan phasa, perpindahan, kecepatan, dan percepatan pada gerak harmonik ... 12

Gambar 2.12 Model LRV sederhana dua derajat kebebasan ... 13

Gambar 2.13 Berbagai lintasan orbit dalam sistem getaran yang simultan pada sumbu yang tegak lurus dimana gerak harmonik sederhana ... 16

Gambar 2.14 Lintasan orbit perpindahan partikel dalam dimensi ruang ... 16

Gambar 2.15 Pola Lissajous pada rotary machine yang mengalami Unbalance ... 17

Gambar 2.16 Pola Lissajous pads rotary machine yang mengalami oil whirl ... 18

Gambar 2.17 Pola Lissajous pads rotary machine yang mengalami Oil whirl ... 19

Gambar 2.18 Pola Lissajous pada rotary machine yang mengalami hit-and- bounce rubbing ... 19

Gambar 2.19 Pola Lissajous pada rotary machine. yang full rubbing atau heavy rubbing ... Gambar 2.20 Gelombang Frekuensi ... 20

Gambar 2.21 Time Waveform Turbin ... 20

Gambar 2.22 Spectrum Data ... 21

Gambar 2.23 Transform FFT ... 21

(19)

Gambar 2.24 Pola Spectrum Unbalance ... 21

Gambar 2.25 Posisi Misaligment ... 23

Gambar 2.26 Pola Spektrum Misaligment ... 23

Gambar 2.27 Pola Spectrum Mechanical Looseness ... 24

Gambar 3.1 (1)Perangkat Wind Tunnel, (2)Turbin angin ... 21

Gambar 3.2 tipe “Helix ... 21

Gambar 3.3 Bentuk dudukan lengan sudu ... 22

Gambar 3.4 Bahan pelat besi ... 22

Gambar 3.5 Bahan pelat Alumanium untuk rotor ... 23

Gambar 3,6 Poros ... 23

Gambar 3.7 Bantalan... 23

Gambar 3.8 (a)Roda gigi pada Poros turbin, (b)pada`poros motor DC ... 24

Gambar 3.9 Generator listirk ... 24

Gambar 3.10 Lampu LED dan wayar kecil ... 24

Gambar 3.11 Perangkat Wind Tunnel ... 25

Gambar 3.12 Inverter ... 26

Gambar 3.13 Alat vibrometer ... 26

Gambar 3.14 Alat Tachometer ... 27

Gambar 3.15 multi tester digital ... 27

Gambar 3.16 Alat multi tester digital... 28

Gambar 3.17 Alat anemometer ... 28

Gambar 3.18 Alat labjeck ... 29

Gambar 3.19 Probe Hot Wire ... 29

Gambar 3.20 turbin angin savonius pada test suction wind tunnel ... 31

Gambar 3.21 Pemasangan kabel pada generator ke lampu LED ... 31

Gambar 3.22 Pemasangan kabel multitester ... 32

Gambar 3.23 Posisi anemometer ... 32

Gambar 3.24 Posisi vibrometer ... 24

Gambar 3.25 memastikan vibrometer berfungsi ... 32

Gambar 3.26 Posisi tachometer ... 33

Gambar 3.27 Chanel penyetelan ... 33

Gambar 3.28 Set-Up alat ... 34

(20)

Gambar 3.29 Prosedur Penelitian... 37

Gambar 4.1 Vibration source Tipe rotor Helix ... 38

Gambar 4.2 Velocity kecepatan angin 4 m/s ... 40

Gambar 4.3 Displaciment kecepatan angin 4 m/s ... 41

Gambar 4.4 Acceleration kecepatan angin 4 m/s ... 41

Gambar 4.5 Velocity kecepatan angin 4,5 m/s ... 43

Gambar 4.6 Displaciment kecepatan angin 4,5 m/s ... 44

Gambar 4.7 Acceleration kecepatan angin 4,5 m/s ... 44

Gambar 4.11 Velocity kecepatan angin 5,5 m/s ... 49

Gambar 4.12 Displaciment kecepatan angin 5,5 m/s ... 50

Gambar 4.13 Acceleration kecepatan angin 5,5 m/s ... 50

Gambar 4.17 Lintasan orbit pada kecepatan angin 4 m/s karakteristik Perpindahan ... 56

Gambar 4.18 Lintasan orbit pada kecepatan angin 4,5 m/s karakteristik Perpindahan ... 56

Gambar 4.20 Lintasan orbit pada kecepatan angin 5,5 m/s karakteristik Perpindahan ... 57

Gambar 4.23 Lintasan orbit radial velocity pada kecepatan angin 4 m/s ... 58

Gambar 4.24 Lintasan orbit radial velocity pada kecepatan angin 4,5 m/s .. 58

Gambar 4.26 Lintasan orbit radial velocity pada kecepatan angin 5,5 m/s .. 59

(21)

Gambar 4.28 Lintasan orbit radial Acceleration pada kecepatan

angin 4 m/s ... 60

Gambar 4.29 Lintasan orbit radial Acceleration pada kecepatan angin 4,5 m/s ... 60

Gambar 4.30 Lintasan orbit radial Acceleration pada kecepatan angin 5 m/s ... 60

Gambar 4.31 Lintasan orbit radial Acceleration pada kecepatan angin 5,5 m/s ... 61

Gambar 4.32 Lintasan orbit radial Acceleration pada kecepatan angin 6 m/s ... 61

Gambar 4.32 FFT Displacement pad Pada Kecepatan angin 4 m/s ... 62

Gambar 4.32 FFT Displacement pad Pada Kecepatan angin 4,5 m/s ... 62

Gambar 4.32 FFT Displacement pad Pada Kecepatan angin 5,5 m/s ... 63

Gambar 4.33 Lintasan orbit displacement pada kelima kecepatan angin ... 64

Gambar 4.34 Lintasan orbit Velocity pada kelima kecepatan angin ... 64

Gambar 4.35 Lintasan orbit Accelaration pada kelima kecepatan angin ... 65

(22)

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)

𝜔_𝑛 Frekuensi natural (rad/s)

𝑥 Perpindahan / displacement (m)

𝑥̇ Kecepatan / velocity (m/s)

𝑥̈ Percepatan / acceleration (m/s²)

(23)

BAB 1 PENDAHULUAN 1.1.Pendahuluan

Dewasa ini pemanfaatan energi sudah diarahkan pada penggunaan energi terbarukan yang ada di alam. Misalnya energi air, energi angin, energi matahari, energi panas bumi dan energi nuklir. Semua energi tersebut telah memenuhi kriteria sehingga dalam pemanfaatannya dapat menghemat energi fosil yang ketersediaannya di alam semakin hari semakin menipis. Salah satunya adalah dengan pemanfaatan energi angin. Adapun pemanfaatan energi angin di Indonesia masih sangat kurang dikembangkan [1].

Angin merupakan salah satu energi terbarukan yang banyak dimanfaatkan.

Indonesia merupakan negara dengan potensi energi angin kecepatan rendah, yaitu dengan kecepatan sekitar 3-6 m/s [2].

Pembangkit listrik tenaga angin mengkonversikan tenaga angin menjadi energi listrik dengan menggunakan kincir angin atau turbin angin. Cara kerjanya cukup sederhana yaitu putaran turbin yang disebabkan oleh angin diteruskan ke rotor generator dimana generator ini memiliki lilitan tembaga yang berfungsi sebagai stator sehingga terjadinya GGL (gaya gerak listrik). Listrik yang dihasilkan dapat disimpan ke batrai atau dimanfaatkan langsung ke beban seperti lampu [3].

Kincir angin savonius adalah salah satu jenis kincir angin sumbu vertikal yang mampu mengkonversikan energi kinetik angin menjadi energi mekanik berupa daya poros. Kincir angin ini diciptakan di Negara Finlandia dan dipopulerkan oleh Sigurd J. Savonius pada tahun 1922. Kincir angin savonius memiliki keuntungan dibandingkan dengan kincir angin lainnya, yaitu dapat berputar pada kecepatan angin yang relatif rendah dan tanpa dipengaruhi oleh arah datangnya angin, serta proses fabrikasinya relatif mudah dan murah. [4].

Pada semua kondisi, stuktur atau komponen turbin selalu menjadi diskusi sebab tidak pernah lepas dari kerusakan yang timbul akibat vibrasi. Secara garis besar, masalah vibrasi yang sering muncul dalam turbin vertikal ialah tidak setimbang. Setiap material memiliki fleksibilitas tertentu, apabila diberi beban akan terjadi defleksi. Perputaran poros yang mengalami defleksi akan

(24)

menghasilkan gaya sentrifugal yang mengakibatkan getaran lateral [5]. Dalam penelitian ini akan diteliti bentuk lintasan orbit turbin angin savonius tipe rototr helix dari hasil pengukuran vibrasi oleh Ahmad Marabdi Siregar.

Kajian lintasan orbit merupakan salah satu bentuk pengolahan sinyal vibrasi untuk mendapatkan bentuk lintasan yang terjadi pada benda berputar sebagai Conditioan Monitoring dan prediktiv maintenance.

1.2.Perumusan Masalah

Penelitian ini dilakukan dengan proses koomputasi dari hasil pengukuran getaran turbin angin savonius tipe rotor helix untuk mendapatkan lintasan orbit sebagai bahan untuk peningkatan keandalan pada operasional turbin angin savonius tipe rotor helix . Pengkajian ini dilakukan menggunakan Software Matlab 2014

1.3.Batasa Masalah

Adapun batasan-batasan masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Data pengujian getaran (Vibration) yang diolah untuk mendapatkan lintasan orbit ialah data pengujian dilaksanakan di laboratorium Magister Teknik, Mesin Fakultas Teknik, Universitas Sumater Utara.

2. Perhitungan getaran (vibration) dilakuakn secara analitis.

3. Komputasi lintasan orbit.

1.4.Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah :

1. Untuk mendapatkan karakteristik getaran yang dihasilkan oleh turbin angin savonius tipe rotor Helix yang akan di asumsikan dengan lintasan orbit

2. Untuk mendapatkan lintasan orbit yang terjadi pada tubin angin savonius tipe rotor Helix.

(25)

1.5.Manfaat Penelitian

Adapun manfaat dari penelitian ini adalah :

1. Untuk membantu mahasiswa S1, S2 dan S3 dalam melakukan suatu penelitian dengan menggunakan turbin angin buatan sendiri.

2. Sinyal getaran yang yang timbul dapat menjadi rujukan dalam mendesain turbin angin.

3. Bagi peneliti, dapat menambah pengetahuan, terutama tentang lintasan orbit pada turbin angin savonius tipe rotor Helix.

1.6. Sistematika Penelitian

Pada bab 1 membahas tentang latar belakang, perumusan masalah dan tujuan penelitian ini. Pada bab 2 adalah tinjauan pustaka, yang membahas tentang turbin angin Savonius tipe rotor Helix dan perhingan tentang getaran . Bab 3 adalah Metode penelitian. Bab 4 merupakan hasil dan pembahasan. Bab 5 kesimpulan saran dan Bab terakhir yaitu berisikan Daftar Pustaka yang digunakan dalam penelitian ini.

(26)

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1.Turbin Angin

Turbin angin merupakan sebuah alat yang digunakan dalam sistem konversi energi angin (SKEA). Turbin angin berfungsi merubah energi kinetik angin menjadi energi mekanik berupa putaran poros. Putaran poros tersebut kemudian digunakan untuk beberapa hal sesuai dengan kebutuhan seperti memutar dinamo atau generator untuk menghasilkan listrik atau menggerakkan pompa untuk pengairan. [6]. Bagian-bagian turbin dapat dilihat pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1. Konstruksi turbin angin [7].

Keterangan gambar:

1. Arah angin pada HAWT tipe upwind 2. Diameter rotor

3. Hub height 4. Rotor blade 5. Gear box 6. Generator 7. Nacelle

8. Tower pada HAWT

9. Arah angin pada HAWT tipe downwind 10. Tinggi rotor

11. Tower pada VAWT 12. Equator height

13. Fixed-pitch rotor blade

(27)

Pemanfaatan energi angin telah dilakukan sejak lama. Pertama kali digunakan untuk menggerakkan perahu di sungai Nil sekitar 5000 SM.

Penggunaan kincir sederhana telah dimulai sejak permulaan abad ke-7 dan tersebar diberbagai negara seperti Persia, Mesir, dan Cina dengan berbagai desain.

Di Eropa, kincir angin mulai dikenal sekitar abad ke-11 dan berkembang pesat saat revolusi industri pada awal abad ke-19 [7].

Desain dari kincir/turbin angin sangat banyak macam jenisnya, berdasarkan bentuk rotor, kincir angin dibagi menjadi dua tipe, yaitu turbin angin sumbu mendatar (horizontal axis windturbine) dan turbin angin sumbu vertikal (vertical axis wind turbine) [5]

Salah satu komponen utama dari turbin angin adalah rotor. Rotor ini berfungsi mengkonversi gerak linear angin menjadi gerak putar sudu turbin.

Untuk klasifikasi berdasarkan fungsi gaya aerodinamis, merujuk pada gaya utama yang menyebabkan rotor berputar. Berdasarkan fungsi gaya aerodinamis, rotor terbagi menjadi dua, yaitu rotor tipe drag dan rotor tipe lift.

1. Rotor tipe drag, memanfaatkan efek gaya hambat atau drag sebagai gaya penggerak rotor.

2. Rotor tipe lift, memanfaatkan efek gaya angkat sebagai gaya penggerak rotor.

Gaya ini terjadi akibat angin yang melewati profile rotor.

Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) merupakan turbin angin sumbu tegak yang gerakan poros dan rotor sejajar dengan arah angin, sehingga rotor dapat berputar pada semua arah angin. Ada tiga tipe rotor pada turbin angin jenis ini, yaitu: Savonius, Darrieus, dan H rotor. Turbin Savonius memanfaatkan gaya drag sedangkan Darrieus dan H rotor memanfaatkan gaya lift. Turbin angin sumbu vertical dan beberapa aplikasinya dapat dilihat pada Gambar 2.2. dan 2.3.

Gambar 2.2. Turbin angin sumbu tegak [6]

(28)

VAWT awalnya lebih berkembang untuk konversi energi mekanik, tetapi seiring dengan perkembangan desain, turbin tipe ini banyak digunakan untuk konversi energi listrik skala kecil.

VAWT juga mempunyai beberapa kelebihan dan kekurangan.

Kelebihannya, yaitu memiliki torsi tinggi sehingga dapat berputar pada kecepatan angin rendah, dinamo atau generator dapat ditempatkan di bagian bawah turbin sehingga mempermudah perawatan, tidak bising, dan kerja turbin tidak dipengaruhi arah angin. Kekurangannya yaitu kecepatan angin di bagian bawah sangat rendah sehingga apabila tidak memakai tower akan menghasilkan putaran yang rendah, dan efisiensi lebih rendah dibandingkan HAWT.

2.2.Turbin Angin Savonius

Salah satu jenis turbin angin sumbu vertikal (VAWT) yang dapat digunakan pada angin dengan kecepatan rendah adalah turbin angin Savonius.

Turbin ini ditemukan oleh sarjana Finlandia bernama Sigurd J. Savonius pada tahun 1922. Konstruksi turbin sangat sederhana, tersusun dari dua buah sudu setengah silinder. Pada perkembangannya turbin Savonius ini banyak mengalami perubahan bentuk rotor, seperti yang terlihat pada Gambar 2.6.

Gambar 2.3. Rotor tipe U dan Helix

Pada gambar 2.6 merupakan penjelasan angin mendorong rotor turbin angin memutar lengan.

Gambar 2.4 Bentuk dorongan angin memutar rotor turbin[11]

(29)

Turbin angin savonius memili banyak variasi salah satunya tipe rotor helix seperti di bawah ini

Gambar 2.5 Rotor Savonius berbentuk heliks [12]

Rotor Savonius tipe ini pertama kali dikenalkan tahun 2006 oleh suatu perusahaan bernama “Helix Wind”. Rotor ini memiliki desain yang tidak biasa, yaitu berbentuk helix. Namun bentuk helix disini memiliki keuntungan antara lain memiliki getaran yang halus karena variasi torsinya relatif merata untuk setiap bucket, dan juga memiliki torsi yang baik. Tetapi rotor tipe ini memiliki geometri yang relatif rumit, sehingga sulit dalam pembuatan [13].

2.3. Analisa Getaran

Analisa getaran merupakan salah satu alat yang sangat bermanfaat sebagai prediksi awal terhadap adanya masalah pada mekanikal, elektrikal dan proses pada peralatan, mesin-mesin dan sistem proses yang kontinu di pabrik. Sehingga analisa getaran saat ini menjadi pilihan teknologi predictive maintenance yang paling sering digunakan [9].

Disamping manfaatnya dalam hal predictive maintenance, teknik analisa getaran juga digunakan sebagai teknik untuk mendiagnosa, yang dapat diaplikasikan antara lain untuk: acceptance testing, pengendalian mutu, mendeteksi bagian yang mengalami kelonggaran, pengendalian kebisingan, mendeteksi adanya kebocoran, desain dan rekayasa mesin, dan optimasi produksi.

2.3.1. Konsep Analisa Getaran

Data getaran yang biasanya diperoleh dalam bentuk sinyal (analog) listrik yang kontinu yang dihasilkan dari tranducer, dimana masing-masing sinyal analog tersebut menunjukan besar regangan, tegangan, gaya, atau parameter

(30)

gerakan sesaat (displacement, velocity, dan acceleration ) sebagai fungsi waktu.

Sinyal yang demikian disebut sebagai time history. Suatu sample data didefinisikan sebagai time history dari pengukuran getaran tunggal x(t) dalam durasi tertentu.

Getaran diartikan sebagai gerak osilatif disekitar posisi tertentu. Untuk getaran sebuah titik akibat operasi mesin, analisa getaran didasarkan pada peristiwa gerak osilatif yang periodik. Gerak periodik adalah suatu gerak gelombang yang berulang dalam selang waktu tertentu. Bentuk paling sederhana dari gerak periodik adalah gerak harmonik. Berikut adalah gerak sederhana fenomena getaran dapat dilihat pada sebuah pegas yang salah satu ujungnya dijepit dan ujung lainnya diberi massa M seperti gambar 2.1. berikut.

Gambar 2.6. Getaran pada sistim pegas-Massa sederhana[16].

Mula-mula sistem dalam keadaan setimbang (gambar 2.11.a). Jika massa diberi gaya F maka massa akan turun sampai batas tertentu (gambar 2.11.b).

Perpindahan maksimum posisi massa bergantung pada besarnya gaya F, massa dan kekuatan tarik pegas melawan gaya F tersebut. Jika gaya sebesar F tidak dikenakan lagi pada massa, maka massa akan ditarik ke atas oleh pegas karena tenaga potensial yang tersimpan dalam pegas (gambar 2.11.c). Massa akan kembali ke posisi kesetimbangan, selanjutnya bergerak ke atas sampai batas tertentu. Perpindahan maksimum ke atas dipengaruhi oleh kekuatan tarik pegas dan massa benda. Proses tersebut akan berulang sampai tidak ada pengaruh gaya luar pada sistem. Gerakan massa naik turun ini disebut osilasi mekanis. Berkaitan dengan getaran mesin (machinery vibration) didefinisikan sebagai gerakan bolak- balik dari mesin atau elemen mesin dari posisi setimbang[14]..

(31)

2.3.2. Karakteristik Getaran

Kondisi mesin dan kerusakan mekanis dapat diketahui dengan mempelajari karakteristik getarannya. Pada suatu sistem pegas-massa, karakteristik getaran dapat dipelajari dengan membuat grafik pergerakan beban terhadap waktu, seperti terlihat pada Gambar 2.12.

Gambar 2.7. Karakteristik getaran[14].

Gerak beban dari posisi netralnya ke batas atas kemudian kembali ke posisi netral (kesetimbangan) dan bergerak lagi ke batas bawah kemudian kembali ke posisi kesetimbangan, menunjukkan gerakan satu siklus. Waktu untuk melakukan gerak satu siklus ini disebut periode, sedangkan jumlah siklus yang dihasilkan dalam satu interval waktu tertentu disebut frekuensi. Dalam analisis getaran mesin, frekuensi lebih bermanfaat karena berhubungan dengan putaran (rpm) suatu mesin.

2.3.3. Frekuensi Getaran

Frekuensi adalah jumlah siklus pada tiap satuan waktu. Besarnya dapat dinyatakan dengan siklus per detik (cycles per second/cps) atau siklus per menit (cycles per minute/cpm). Frekuensi getaran penting diketahui dalam analisis getaran mesin untuk menunjukkan masalah yang terjadi pada mesin tersebut.

Dengan mengetahui frekuensi getaran, akan memungkinkan untuk dapat mengidentifikasikan bagian mesin yang salah (fault) dan masalah yang terjadi.

Gaya yang menyebabkan getaran dihasilkan dari gerak berputar elemen mesin. Gaya tersebut berubah dalam besar dan arahnya sebagaimana elemen putar berubah posisinya terhadap titik netral. Akibatnya, getaran yang dihasilkan akan mempunyai frekuensi yang bergantung pada putaran elemen yang telah mengalami trouble. Oleh karena itu, dengan mengetahui frekuensi getaran akan dapat diidentifikasi bagian dari mesin yang bermasalah.

(32)

2.3.4. 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.

Gambar 2.13. adalah model amplitude yang memperlihatkan hubungan dari gerakan poros yang berputar dengan amplitude r.

Gambar 2.8 Model amplitudo

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 2.14.

Contohnya adalah perpindahan poros karena gerak putarnya. Jika perpindahan poros terlalu besar sampai melebihi batas “clearance” bantalan akan mengakibatkan rusaknya bantalan.

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.

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 :

𝑋 = 𝑋_𝑜𝑠𝑖𝑛 𝜔𝑡 ... (2.1) Dimana perpindahan maksimum diekspresikan sebagai X_0, yang juga disebut sebagai amplitudo, sedang ω adalah frekuensi angular yang umumnya dinyatakan dalam rad/det. Dalam analisa getaran dikenal pula definisi lain untuk

(33)

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 :

Kecepatan (Velocity) mm/s

𝑋̇ = ^𝑑𝑋_𝑑𝑡 = 𝑋_𝑜𝜔 cos 𝜔𝑡 ... (2.2) Percepatan (Acceleration) mm/s²

𝑋̈ = ^𝑑_𝑑𝑡²^𝑋₂ = −𝑋_𝑜𝜔²sin 𝜔𝑡 ... (2.3) 1g= 9,807m/s²

Dengan amplitudo dapat terbaca indikasi beratnya kerusakan pada mesin dan dapat digunakan untuk mengukur beberapa masalah getaran. Bagaimanapun unit yang pasti mengacu pada respon getaran frekuensi. Gambar 2.14.

menunjukkan Displacement dan Frequency.

Gambar 2.9. Displacement dan Frequency

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.

2.3.5. 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 2.15, kecepatan puncak maju (peak forward velocity) terjadi pada 900 sebelum puncak perpindahan positif (peak positive displacement). Dengan kata

(34)

lain, kecepatan mendahului 90⁰ terhadap perpindahan, sedangkan percepatan tertinggal 180⁰ terhadap perpindahan.

Gambar 2.10. Beda fasa antara perpindahan, percepatan, Dan percepatan

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.

Jadi kecepatan dan percepatan juga harmonik dengan frekuensi osilasi yang sama, tetapi memiliki beda phasa terhadap perpindahan, berturut-turut dengan ^𝜋₂ dan π radian. Gambar 2.16 adalah hubungan displecemen, velocity dan acceleration.

Gambar 2.11. Hubungan phasa perpindahan, kecepatan, dan percepatan pada gerak harmonik

Analisa getaran merupakan cara yang paling handal untuk mendeteksi awal gejala kerusakan mekanik, elektrikal pada peralatan, sehingga analisa getaran ini menjadi pilihan teknologi predictive maintenance yang paling sering digunakan[13]. Satuan yang sering digunakan terdapat pada tabel 2.1

(35)

Tabel 2.1. Satuan yang digunakan tiap karakteristik Karateristik

Getaran

Satuan

Metrik British

Perpindahan microns peak to peak ( 1 µm = 0.001 mm )

mils peak to peak (0.001 in )

Kecepatan mm/s in/s

Percepatan G

( lg = 980 cm/s² )

G

( lg = 5386 in/s² )

Frekuensi cpm, cps, Hz cpm, cps, Hz

Pase Derajat Derajat

Sumber: Maintenance Engineering Handbook, Mobley

2.4. Rotor Orbit Trajectories

Rotor orbit trajectories secara khusus digunakan untuk analisa pada lateral rotor vibration (LRV), yang memberikan tambahan informasi diagnosa komponen mesin yang bermanfaat untuk analisa trouble shooting. Hal ini terutama untuk mengindentifikasi penyebab natural dari masalah getaran pada mesin-mesin berputar. LRV, juga disebut transverse rotor vibration adalah gerak orbit pada bidang radial terhadap sumbu putar rotor. Model sederhana dari LRV yaitu gerakan orbit rotor yang memiliki dua derajat kebebasan (degree of freedom), seperti yang ditampilkan pada Gambar 2.12. Pada model ini, masa rotor m, dapat berubah posisi pada bidang radial x-y. Massa ini terhubung dengan struktur melalui pegas dan peredam yang tereksitasi oleh gaya radial yang berubah terhadap waktu, misalnya gaya akibat massa unbalance[13]

Gambar 2.12. Model LRV sederhana dua derajat kebebasan[16]

(36)

Dua persamaan gerak dari model ini yang dipengaruhi oleh gaya eksitasi yang berasal dari F = ma , maka diperoleh,

𝑚𝑥̈ + 𝑐_𝑥𝑥̇ + 𝑘_𝑥𝑥 = 𝐹₀cos 𝜔𝑡 ... (2.4) 𝑚𝑦̈ + 𝑐_𝑦𝑦̇ + 𝑘_𝑦𝑦 = 𝐹₀sin 𝜔𝑡 ... (2.5) Pada kondisi isotropik, yaitu 𝑘_𝑥= 𝑘_𝑦 ≡ 𝑘 dan 𝑐_𝑥= 𝑐_𝑦 ≡ 𝑐, maka

persamaan 2.4 dan 2.5 dapat di tulis dalam bentuk matrix,

[𝑚 0

0 𝑚] {𝑥̈

𝑦̈} + [𝑐 0 0 𝑐] {𝑥̇

𝑦̇} + [𝑘 0 0 𝑘] {𝑥

𝑦} = {𝐹_𝑥 (𝑡)

𝐹_𝑦 (𝑡)} ... (2.6) Untuk menggambarkan resultan dari perpindahan sistem pada persamaan (2.6) yang bergetar pada sumbu x dan y dengan frekuensi yang sama 𝜔 , maka setiap gerak harmonik dapat disajikan sebagai vektor dan berlaku penjumlahan vektor. Apabila dianggap bahwa massa m dari kondisi unbalance dianggap berosilasi secara simultan dengan gerak harmonik sederhana yang memiliki frekuensi yang sama menurut sumbu x dan y. Maka perpindahan dari partikel dapat dituliskan:

𝑥 = 𝑋 sin (𝜔𝑡 + 𝜙_𝑥) ... (2.7) 𝑦 = 𝑌 sin (ωt + 𝜙_𝑦) ... (2.8) Dengan mengambil waktu t pada persamaan 2.7 dan 2.8, maka variabel yang tersisa adalah hanya x dan y, sementara X, Y, 𝜙_𝑋 dan, 𝜙_𝑦 merupakan konstanta, Dengan mengembangkan argumen dari sinus, maka diperoleh :

𝑥

𝑋= sin 𝜔𝑡 𝜙_𝑋+ 𝑐𝑜𝑠 𝜔𝑡 sin 𝜙_𝑋 dan

𝑦

𝑌 = sin 𝜔𝑡 𝜙_𝑦+ 𝑐𝑜𝑠 𝜔𝑡 sin 𝜙_𝑦 maka,

𝑥

𝑋sin 𝜙_𝑦−^𝑦_𝑌sin 𝜙_𝑥 = sin 𝜔𝑡 (cos 𝜙_𝑥sin 𝜙_𝑦− cos 𝜙_𝑦sin 𝜙_𝑥) ... (2.9) dan

𝑦

𝑌cos 𝜙_𝑥−^𝑥_𝑋cos 𝜙_𝑦 = cos 𝜔𝑡 (cos 𝜙_𝑥sin 𝜙_𝑦− cos 𝜙_𝑦sin 𝜙_𝑥) ... (2.10) Dengan melakukan perkalian kuadrat dan penjumlahan terhadap persamaan (2.9) dan (2.10) maka,

𝑠in² (𝜙_𝑦 − 𝜙_𝑥) =_𝑋^𝑥²₂+ ^𝑦_𝑌²₂−^2𝑥𝑦_𝑋𝑌 cos(𝜙_𝑦− 𝜙_𝑥) ... (2.11)

(37)

yang merupakan persamaan umum sebuah lingkaran elips

Biasanya sumbu utama dari elipse akan menunjuk terhadap sumbu x dan y, tetapi hal ini akan menjadi sumbu utama ketika ada perbedaan fase 𝜙_𝑦− 𝜙_𝑥 = 𝜋/2 maka persamaan (2.11) menjadi bentuk yang lebih dikenal,

𝑥²

𝑋²+^𝑦_𝑌²₂ = 1 ... (2.12) Jika X=Y=A, maka persamaan (2.12) menjadi 𝑥²+ 𝑦² = 𝐴². Saat 𝜙_𝑦 − 𝜙_𝑥= 0,2 𝜋. 4 𝜋. Dan seterusnya, maka akan diperoleh persamaan

𝑦 =𝑌 𝑋𝑥

yang merupakan suatu garis lurus yang memiliki kemiringan Y/X. Kembali lagi untuk 𝜙_𝑦− 𝜙_𝑥 = 𝜋, 3𝜋, 5𝜋 dan seterusnya, akan diperoleh:

𝑦 =𝑌 𝑋𝑥

yang merupakan suatu garis lurus namum dengan kemiringan yang berlawanan.

Lintasan jejak partikel ini dapat dilihat pada Gambar 2.11 dan secara mudah dapat digambarkan dengan menggunakan program simulasi matematika Matlab versi 6.1.

Untuk menggambarkan kurva dua dimensi dari fungsi x dan y dengan menggunakan Matlab versi 6.1. digunakan perintah ”ezplot”. Berdasarkan fungsi dasar pada persamaan (2.7 dan 2.8), maka kurva koordinat diketahui:

(x, y) = sin(t),sin(t +𝛿),

Dimana 𝛿 = 0,^𝜋₄,^𝜋₂,^3𝜋₄ , 𝜋,^5𝜋₄ ,^3𝜋₂ ,^7𝜋₄ , 2𝜋

Dengan memberikan perintah kedalam MatLab versi 6.1 untuk tiap φ , yaitu:

>> ezplot('sin(t)','sin(t+𝛿 )')

Maka diperoleh kurva untuk masing-masing φ seperti pada Gambar 2.13.

(38)

Gambar 2.13 Berbagai lintasan orbit dalam sistem getaran yang simultan pada sumbu yang tegak lurus dimana gerak harmonik sederhana memiliki frekuensi yang sama[8].

Untuk menggambarkan gerak partikel unbalance dalam ruang tiga dimensi, persamaan fungsi ditambahkan dalam arah sumbu z. sehingga ada persamaan gerak harmonik sederhana ketiga, yaitu:

𝑧 = 𝑧 sin(𝜔𝑡 + 𝜙_𝑧) ... (2.13) Apabila X=Y=Z=A, maka kurva koordinat dalam dimensi ruang adalah:

(x, y, z) = sin(t),sin(t +δ ),sin(t) ,

perintah yang dituliskan kedalam MatLab versi 6.1 untuk φ\𝜙 =π/2 , yaitu:

>> ezplot3(’sin(t)’,’sin(t+π 2 )’,’sin(t)’)

akan menghasilkan lintasan orbit dalam dimensi ruang dengan pada frekuensi yang sama seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.12.

Gambar 2.14. Lintasan orbit perpindahan partikel dalam dimensi ruang [8]

(39)

2.5.Metode lintasan Orbit (Pola Lissajous)

Sebagai metode analisa tambahan kadang-kadang diterapkan analisa orbit (pola Lissajous) karena pada umumnya pada instalsai non-contact pickup untuk suatu pengukuran pada daerah bearing yang mendeteksi tingkat vibrasi pada arah axial.[18]

Sehingga rekomendasi pengukuran yang lengkap dengan arah vibrasi axial tidak dapat dilakukan. Untuk non-contact pick-up pada umumnya dipasang permanen untuk mendeteksi vibrasi langsung pada shaft mesin-mesin yang penggunaannya cukup kritis, instalasinya berupa probe pada arah radial (horisontal dan vertikal) yang keduanya dipisahkan oleh sudut 90 derajat.[18]

Di sini analisa orbit dapat dilakukan, sebagai tambahan untuk analisa spektrum. Para praktisi telah melakukan penelitian mengenai kegunaan metoda orbit (pola Lissajous) dan berhasil mendapat kesimpulan terhadap bentuk bentuk orbit dalam hubungannya dengan kerusakan bagian-bagian mesin yang diukur dan dianalisa vibrasinya. Bentuk karakteristik pola Lissajous sebagai berikut:

1. Unbalance

Suatu keadaan unbalance pada rotary machine ditunjukkan oleh pola Lissajous sebagai vibrasi yang besar pada frekuensi 1×RPM dengan menganggap bahwa vibrasi pada frekuensi yang lain sangat kecil dan tidak berarti.[18]

Bentuknya dapat betul-betul bulat atau sedikit lonjong (elips) dan di dalam pola yang terbentuk akan terlihat satu bush spot yang menunjukkan bahwa vibrasi yang besar hanya terjadi pada frekuensi 1×RPM. Gambar pola Lissajousnya diberikan di bawah ini.[18]

Gambar 2.15. Pola Lissajous pada rotary machine yang mengalami unbalance.[18]

(40)

2. Misalignment

Misalignment yang terjadi pada rotary machine akan menyebabkan vibrasi yang utama pada frekuensi 1×RPM yaitu sekitar yang diikuti dengan munculnya vibrasi pads 2×RPM, 3×RPM, dan harmonik yang lebih tinggi lagi. Di dalam gambar pola Lissajousnya akan memberikan bentuk elips pipih seperti pisang atau bahkan bentuk pisang yang melengkung.[18]

Bentuk elips pipih selain memberikan kemungkinan vibrasi yang disebabkan oleh keadaan Misalignment, tetapi juga dapat disebabkan oleh kerusakan bearing atau kemungkinan terjadinya resonansi.[18]

Gambar 2.16. Pola Lissajous pads rotary machine yang mengalami Misalignment[18]

3. Oil Whirl

Misalignment akan menyebabkan vibrasi yang utama pada frekuensi di bawah 1×RPM. Di dalam gambar pola Lissajousnya akan memberikan bentuk dua buah lingkaran atau elips yang ditandai dengan adanya dua buah blank spot.

Bahkan karena kejadian oil whirl yang di bawah 1×RPM tidak persis 1/2×RPM, maka lingkaran atau ellips yang lebih kecil akan bergerak dan ditandai dengan bergeraknya blank spot yang ada pada lingkaran atau elips yang kecil.

(41)

Gambar 2.17. Pola Lissajous pads rotary machine yang mengalami oil whirl.[18]

4. Rubbing (Gesekan)

Gambar 2.18 Pola Lissajous pada rotary machine yang mengalami hit-and-bounce rubbing.[18]

Pola semacam ini mirip dengan pola Lissajous yang terjadi pada peristiwa terjadinya oil whirl, hanya bedanya dengan peristiwa oil whirl maka di sini lingkaran yang berada di dalam tidak berputar-putar.[18]

Dengan semakin beratnya kondisi rubbing yang terjadi, yaitu yang dinamakan heavy rubbing atau full rubbing, dan ditambah lagi dengan frekuensi resonansi, frekuensi harmonik, serta random frekuensi non-syncronous, maka akan menghasilkan pola Lissajous yang sangat kompleks.[18]

2.6.Fast Fourier Transform (FFT)

FFT (Fourier Fast Transform) adalah varian tercepat dari pada varian lainnya seperti DFT (Discreete Fourier Transform). Dimana FFT menggunakan algoritma yang canggih untuk melakukan proses yang sama dengan DFT, namun perbedaannya FFT menggunakan waktu yang lebih singkat. Karena kecepatan dan sifat diskritnya inilah yang membuat FFT digunakan pada berbagai pengolahan sinyal digital termasuk yang paling utama kita gunakan adalah pengolahan sinyal vibrasi. Dengan menggunakan Fourier analysis atau spectrum analysis,

(42)

gelombang berbasis waktu (time domain) dirubah menjadi gelombang sebagai fungsi dari frekuensi. Sehingga jika dilhat pada gambar dibawah ini; gelombang fungsi frekuensi dilihat sebagai fungsi amplitude (sumbu Y) dan frekuensi (sumbu Z). Proses transformasi dari gelombang berbasis waktu ke gelombang berbasis frekuensi dapat dilakukan oleh sebuah alat analyzer.[19]

Gambar 2.10: Gelombang Frekuensi[19]

Sebagai contoh grafik dibawah ini menunjukkan gambar gelombang fungsi waktu (Time Waveform) dari Turbin Uap berkapasitas 40 MW.

Untuk menarik kesimpulan dari grafik ini sangat tidak mudah, kita tidak bisa menjawab pertanyaan apakah yang menyebabkan getaran, meskipun kita mungkin bisa memperoleh informasi tingkat keparahan dari vibrasi pada Turbin ini.[19]

Gambar 2.12: Time Waveform Turbin[19]

Gelombang komplek diatas kita rubah menjadi sinyal yang lebih sederhana dengan proses FFT. Proses penyederhanaan sinyal gelombang ini dilakukan oleh analyzer. Seorang analis yang mempunyai kemampuan matematik bisa melakukannya secara manual, tetapi akan sangat memakan waktu yang jauh lebih lama. Dengan perangkat teknologi sekarang semuanya bisa dilakukan oleh perangkat elektronik. Sinyal yang sudah disederhanakan berupa sinyal fungsi frekuensi seperti pada gambar. Dengan grafik ini kita bisa melakukan analisa spketrum, dengan melihat frekuensi sebagai basis analisa. Frekuensi memberikan

(43)

informasi apa yang menjadi penyebab vibrasi dan amplitude menunjukkan tingkat keparahannya. [19]

Gambar 2.13: Spectrum Data

Gambar 2.14: Transform FFT [19]

2.6.1. Unbalance (Sinyal Satu Kali Putaran)

Unbalance dicirikan dengan sinyal yang muncul pada frekuensi tunggal, dengan amplitude yang sama besar pada keseluruhan arah radial. Pada unbalance murni, vibrasi akan muncul dalam bentuk gelombang sinus pada kecepatan mesin, dituliskan sebagai 1×RPM. Vibrasi terjadi ketika pusat masa dari suatu elemen yang berputar tidak sesumbu dengan susunan elemen putar. Amplitude akan terus membesar dengan terus bertambahnya kecepatan elemen dan akan mencapai kecepatan kritis dari elemen putar. Berikut adalah pola spectrum yang akan terjadi apabila unbalance: [19]

Gambar2.19: Pola Spectrum Unbalance[19]

(44)

2.6.2 Misalignment (Sinyal Pada Dua kali Putaran)

Para ahli sepakat bahwa penyebab dari 70 hingga 75 persen dari getaran disebabkan oleh Misalignment. Dan seringkali vibrasi yang disebabkan oleh Misalignment sering disalah artikan sebagai unbalance. Hal ini bisa anda pahami jika kita mengerti tahap-tahap terjadinya unbalance akibat munculnya misalignement seperti yang dijelaskan pada tahapan berikut ini :

1. Ciri Misalignment:

a. Mempunyai komponen getaran pada frekuensi 2×putaran poros b. Menyebabkan getaran dalam arah aksial

2. Misalignment berasal dari:

a. Preload dari poros bengkok atau bantalan yang tidak mapan b. Sumbu poros pada kopling tidak segaris

3. Misalignment terjadi karena adanya pergeseran atau penyimpangan salah satu bagian mesin dari garis pusatnya. Misalignment sendiri mengakibatkan getaran dalam arah axial. Misalignment merupakan penyebab kedua terjadinya vibrasi meskipun telah digunakan flexible couplings dan self aligning bearing.

4. Setiap elemen berputar (Rotating element) memiliki sejumlah unbalance.

Setiap manufaktur memiliki toleransi terhadap unbalance ini. Untuk mencapai kondisi keseimbangan yang sempurna adalah sangat sulit dan mahal, yang hanya dilkukan untuk aplikasi-aplikasi tertentu seperti kapal selam nuklir misalnya.

5. Ketidak seimbangan yang kecil ini kemudian diredam atau diserap dengan menggunakan rolling element bearings yang memiliki clearance diantara bagian yang tetap dan bagian berputarnya sekitar 0.0005 “ atau bahkan untuk beberapa aplikasi praktis tidak ada clearance sama sekali.

6. Ketika unit-unitnya mengalami kondisi Misalignment, elemen-elemennya mengalami tarikan dan tekanan melalui kopling dan menghasilkan keausan yang tidak dinginkan pada bearings. Dengan segera keausan ini akan membuat clearance antara element putar dan race-nya membesar. Sehingga kemudia bearings tidak lagi mampu bertindak sebagai damper yang menjaga unbalance pada tingkat aman.

(45)

Tahap akhir dicapai ketika seorang yang memahami getaran menyimpulkan bahwa getaran terjadi akibat adanya unbalance, sehingga dilakukan langkah koreksi untuk memperbaiki keseimbangan elemen-elemen putar. Tanpa diagnose yang tepat masalah getaran ini akan kembali muncul, seperti yang dijelaskan pada tahap sebelumnya, bahwa misalignemet-lah ternyata yang meneyebabkan timbulnya unbalance. Secara statistic menunjukkan bahwa sekitar 12% pekerjaan harus diulang dan biaya menjadi naik, karena salah diagnose. Beberapa gambaran terjadinya misaligment dan pola spektrum yang terjadi apabila misaligment terjadi pada pompa yang mengalami kerusakan

Gambar2.20: Posisi Misaligment

Gambar2.21: Pola Spektrum Misaligment[19]

(46)

2.7.3. Mechanical looseness

Karakteristik dominan dari kehilangan mekanis adalah munculnya multiple harmonic pada beberapa kecepatan operasi. Kecepatan operasi dari suatu komponendituliskan sebagai 1, misalnya adalah 1800 CPM. Harmonic ke-2 adalah 2×(3600 CPM) dan harmonic ke-3 adalah 3×(5400 CPM), dan seterusnya.

Pada kasus kehilangan mekanis, amplitudo terbesar akan terjadi dekat dengan sumber masalah.[19]

Gambar2.22: Pola Spectrum Mechanical Looseness [17]

Komponen-komponen mesin yang dapat kendor antara lain bantalan (mount) atau tutup bantalan (bearing cap). Kekendoran ini hampir selalu menghasilkan sejumlah besar harmonik dalam spektrum frekuensinya, baik harmonik ganjil maupun tunggal. Komponen getaran yang dengan frekuensi lebih kecil dari kecepatan putar juga dapat terjadi. Teknik untuk mendeteksi kekendoran adalah dengan mengukur getaran pada beberapa titik (transducer kecepatan dapat berfungsi baik). Sinyal yang terukur akan mencapai maksimumnya pada arah getaran (biasanya arah vertikal memberikan getaranyang lebih besar dari arah horizontal), atau disekitar lokasi kekendoran.[19]

(47)

BAB 3

METODE PENELITIAN

3.1. Tempat dan Waktu Penelitian

Penelitian ini dilaksanakan sejak tanggal pengesahan usulan oleh pengelola program studi sampai dinyatakan selesai dan direncanakan berlangsung selama 2 bulan. Tempat pelaksanaan penelitian di Program Magister Teknik Mesin, Fakultas Teknik, laboratorium teknik mesin Universitas Sumatera Utara.

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.[15]

Dalam penelitian ini akan dibuat turbin angin Savonius tipe rotor Helix seperti terlihat pada Gambar 3.2.

Gambar 3.2. Turbin angin Savonius tipe rotor Helix

(48)

Komponen turbin angin Savonius tipe rotor helix sebagai berikut : 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. Bentuk dudukan lengan sudu

2. Lengan sudu.

Lengan sudu turbin angina savonius tipe rotor Helix berbahan plat besi dengan ketebalan 0,7 mm, serta plat besi dengan lebar 13 mm dan tebal 1,5 mm, seperti terlihat pada Gambar 3.4.

Gambar 3.4. Bahan pelat besi dan lat besi untuk lengan sudu

3. Sudu

Sudu turbin angin berbahan pelat alumanium dengan ketebalan 0,3 mm, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 3.5.

Gambar 3.5. Bahan pelat Alumanium untuk sudu

(49)

4. Poros

Berdasarkan jenis turbin ini, maka poros dipasang secara vertikal dan poros terbuat dari bahan stainless steel dengan diameter 8 mm dan panjang 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.

bearing ini dibeli di toko bearing yang ada di kota medan dan disesuaikan dengan ukuran poros seperti pada Gambar 3.7.

Gambar 3.7. Bantalan

6. Transmisi daya

Dalam penelitian ini roda gigi digunakan untuk mentransmisikan daya dan putaran.

Roda gigi memiliki gigi di sekelilingnya, sehingga penerusan daya dilakukan oleh gigi-gigi kedua roda yang saling berkait. Diameter luar roda gigi pada poros 120 mm, dan diameter luar roda gigi pada poros motor DC 10 mm, seperti pada Gambar 3.8.

(50)

(a) (b)

Gambar 3.8. (a)Roda gigi pada Poros turbin, (b) Roda gigi pada`poros motor DC

7. Generator listrik

Generator listrik yang akan digunakan dalam penelitian ini adalah 12V 100mA, seperti 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

9. Dudukan Rotor Turbin Angin.

Dudukan rotor ini setelah diukur dan disesuaikan dengan wind tunnel ditempah dibengkel las, alat ini nantinya akan diletakkan pada test saction pada wind tunnel, seperti pada Gambar 4.11.

(51)

Gambar 3.11. Dudukan Rotor Turbin Angin

3.3. Peralatan Penelitian

Peralatan penelitian yang akan digunakan antara lain:

1. Wind Tunnel, Dengan menggunakan wind tunnel maka relative dapat di setting kecepatan angin dan kestabilannya sesuai dengan kebutuhan penelitian, seperti pada Gambar 3.12.

Gamba 3.12. Perangkat Wind Tunnel. [15]

Keterangan

1) Compressor, 2) Test section, 3) Diffuser,

4) Kain penghubung, 5) Drive section

2. Inverter adalah salah satu alat untuk mengubah arus AC ke DC untuk menyuplay listrik ke dinamo motor dengan arus DC, jadi alat ini aslinya

(52)

mempunyai multi fungsi, merubah AC ke DC kemudian mengeluarkannya dengan arus AC kembali, inverter diperlihatkan pada Gambar 3.13.

Gambar 3.13. Inverter

3. Vibrometer VQ – 400 - A, Alat ini digunakan untuk mengukur kecepatan permukaan getaran , juga dapat digunakan untuk mendapatkan waktu putar sehingga dapat diketahui kecepatan putar suatu benda atau bahan uji. Seperti pada Gambar 3.14.

Gambar 3.14. vibrometer

4. Tachometer, adalah alat untuk mengukur kecepatan putaran yang dikopel langsung dengan poros. Seperti pada Gambar 3.15.

Gambar 3.15. Tachometer

Berikut spesifikasi Digital Photo Contact Tachometer : Name : Digital Photo Contact Tachometer

(53)

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)

Battery : 4 x 1,5 V AA (UM-3) Battery

5. Multitester digital berfungsi untuk mengukurukur arus, tegangan dan resistansi seperti yang diperlihatkan pada Gambar 3.16.

Gambar 3.16. Multitester digital

6. Anemometer, berfungsi untuk menentukan kecepatan angin yang masuk ke dalam pada wind tunel seperti pada Gambar 3.17.

Gambar 3.17. Anemometer

7. Labjeck U3 LV dan Sotfware, Analog Digital Converter (ADC) adalah alat yang dapat mengkonversi tegangan listrik digital ketegangan listrik analog dan sebaliknya dari tegangan listrik analog ke tegangan listrik digital, salah satu peralatan ADC tersebut adalah Labjack U3-LV. Labjack ditunjjukan pada gambar 3.18.

(54)

Gambar 3.18. Labjeck

8. Hot wire strain gauge, berfung sebagai sensor kecepatan angin bekerja berdasarkan panas yang diterima probe dipengaruhi oleh kecepatan angin seperti pada Gambar 3.19.

Gambar 3.19. Probe hot wire

9. Computere, digunakan untuk menampilkan dan menyimpan hasil serta pengolahan data yang di dapat dari pengukuran getaran.

10. Alat tulis dan kamera digital, Alat tulis digunakan untuk mencatat data hasil penelitian dan Kamera digital akan digunakan untuk mengabadikan proses eksperimental atau sebagai dokumentasi.

3.4. Metodologi Penelitian

Metode yang dilakukan dalam penelitian ini adalah metode eksperimental.

Kegiatannya meliputi :

1. Pengambilan data 5 variasi kecepatan angin, masing-masing variasi kecepatan angin akan dilakukan pencatatan 5 kali yaitu pada selang waktu 20, 40, 60, 80, dan 100 detik, hal ini guna memperoleh rata-rata getaran putaran poros (rpm), rata-rata tegangan (V), dan rata-rata arus (A)

(55)

2. Pengambilan data dilakukan dengan melakukan 5 (lima) variasi putaran electro motor pada wind tunnel guna memperoleh 5 (lima) variasi kecepatan angin pada kedua tipe turbin tersebut, dan penyetelan putaran menggunakan alat inverter yang ada pada wind tunnel,

3. Mendapatkan amplitude poros turbine, maka data yang akan diambil meliputi kecepatan angin, tegangan serta arus listrik, getaran pada poros turbin, dan pengamatan grafik amplitude-vs-time (Displacemen, Velocity, dan Acceleration) yang terjadi.

3.5. Set Up alat

3.5.1. Set up alat uji wind tunnel

Perlu dilakukan set up alat uji wind tunnel. Berikut ini langkah –langkah set up yang dilakukan :

1. Diperiksa kondisi wind tunnel hingga siap untuk pengujian.

2. Diperiksa kondisi elektro motor yang ada di drive suction pada wind tunnel hingga siap untuk berputar.

3. Diperiksa kondisi inverter hingga siap untuk diaktifkan.

4. Disambungkan arus listrik ke inverter hingga lampu merah menyala.

3.5.2. Set up alat ukur penelitian

Berikut adalah langkah –langkah set up alat ukur penelitian yang dilakukan :

1. Diletakkan turbin angin savonius pada test suction wind tunnel.

Gambar 3.20. turbin angin savonius pada test suction wind tunnel.

(56)

2. Dipasang kabel pada generator kemudian disambungkan ke lampu LED.

Gambar 3.21. Pemasangan kabel pada generator ke lampu LED.

3. Dipasasang kabel multitester Generator listrik.

Gambar 3.22. Pemasangan kabel multitester.

4. Dipasang Hot Wire Strain gauge anemometer pada bagian bawah compresor, untuk mencatan keceptan angin masuk wind tunel Pada saat pengujian.

Gambar 3.23. Posisi pemasangan anemometer

5. Diarahkan posisi vibrometer laser pada posisi ujung poros bagian atas turbin dengan tepat (lampu laser berwarna merah tepat mengenai ujung poros bagian atas turbin angin) hal ini untuk pengambilan data pengujian getaran yang dilakukan pada ujung poros.

(57)

Gambar 3.24. Posisi vibrometer

6. Dihubungkan kabel dari Vibrometer ke labjack kemudian kabel labjack ke computere hal ini untuk mencatat hasil pengukuran dari vibrometer.

Gambar 3.25. Tampilan pengambilan data pada computere menngunakan vibrometer

7. Diarahkan posisi sensor tachometer pada poros turbin angin untuk pengambilan data kecepatan putar poros turbin angin.

Gambar 3.26. Posisi pengambilan data kecepatan putaran menggunakan tachometer

(58)

8. Dioperasikan Wind tunnel melalui inverter kemudian disiapkan alat tulis dan kamera digital untuk mencatat hasil pengukuran untuk 5 (lima) variasi kecepatan angin (4 m/s, 4,5 m/s, 5 m/s, 5,5 m/s, dan 6 m/s) yang diukur melalui anemometr.

Gambar 3.27. Chanel pengaturan kecepatan putaran propeller wind tunnel 9. Dicatat data kecepatan angin, arus, tegangan listrik, kecepatan poros turbin,

dan juga getaran yang terjadi di poros turbin.

10. Dilakukan pengulangan pengambilan data sesuai dengan langkah 7, 8, dan 9 untuk setiap kecepatan angina (4 m/s, 4,5 m/s, 5 m/s, 5,5 m/s, dan 6 m/s).

Skema set up alat uji diperlihatkan pada Gambar 3.28 beriktu :

Gambar 3.28. Set-Up alat [15]

3.6. Variabel Penelitian

Variabel penelitian pada pengujian getaran turbin angina savonius type rotor helix sebagai sebagai berikut :

1. Kecepatan angina yang melalui turbin angina savonius type rotor helix pada wind tunnel.

2. Putaran poros turbin angina savonius type rotor helix.

(59)

3. Tegangan dan arus listrik yang dihasilkan turbin angina savonius type rotor helix.

4. Getaran yang dialami oleh poros turbin angina savonius type rotor helix.

3.7. Prosedur Penelitian

Prosedur penelitian dilakukan dengan tahapan untuk memudahkan dalam pengujian,. pada gambar 3.29 memperlihatkan diagram alir prsedur penelitian :

Gambar 3.29 Prosedur Penelitian

STUDI AWAL

 Studi Literatur

 Penyusunan Proposal START

PERSIAPAN

 urbin savonius Tipe “Helix”

 Setting alat ukur

 Uji coba sistem (set Up)

PENGAMBILAN DATA

 Kecepatan angin

 Amplitudo (Sinyal getaran)

 Putaran poros Turbin Savonius

 Tegangan listrik yang dihasilkan

PENGOLAHAN DATA

 Overall vibration

 Persamaan gerak getaran`

ANALISA DATA

 Analisa getaran

 Grafik amplitudo

Tida Ya k

FINISH HASIL

KESIMPULAN

(60)

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

Tujuan dari penelitian adalah mendapatkan karakteristik lintasan orbit dari pengukuran getaran poros turbin angina savamius type rotor helix sebagai optimasi dalam pengembangan rancangan turbin angina.

Penyelidikan langsung melalui pengukuran tentang perilaku getar model eksperimental, atau benda yang sedang dalam taraf pengembangan sangat diperlukan. Alat ukur untuk pengukuran ini sudah cukup tersedia di mana-mana.

Elemen-elemen alat ukur terdiri dari m, k, dan c. Perpindahan absolut massa m dan base masing-masing adalah x dan y, sehingga perpindahan relatif terhadap base adalah z = x – y.

Di sisi lain, z dan turunannya terhadap waktu adalah simbol yang menunjukkan gerakan relatif massa m terhadap struktur yang di ukur. Hasil pengukuran yang diperoleh dapat berupa perpindahan relatif atau kecepatan relatif [15]. Instrumen pengujian getaran dalam penelitian ini dengan menggunakan alat ukur vibrometer.

4.1.Amplitudo getaran pada Turbin Angin Savonius

Pencatatan variabel penelitian dilakukan pada 5 variasi kecepatan angin dan disetiap rentang waktu 20 detik dengan menggunakan Laser vibrometer, dan dilakukakan vibration source diperlihatkan pada Gambar 5.1 berikut :

Gambar 4.1. Vibration source turbin angin Tipe rotor Helix