KAJIAN LINTASAN ORBIT PADA TURBIN ANGIN SAVONIUS TIPE ROTOR U DENGAN
MENGGUNAKAN SOFTWARE MATLAB 2010
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Panji Waskito 110401106
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
2016
ABSTRAK
Energi angin telah lama dikenal dan dimanfaatkan manusia. Perahu-perahu layar menggunakan energi ini untuk menggerakan kapal. Dan sebagaimana diketahui, pada asalnya angin terjadi karena ada perbedaan suhu antara udara panas dan udara dingin. Di tiap daerah keadaan suhu dan kecepatan angin berbeda. Turbin angin merupakan alat untuk mengkonversikan energi angin menjadi energi mekanik. Desain turbin angin harus didasarkan pada penggunaan dan kondisi angin setempat. Objek penelitian ini adalah turbin angin savanius tipe U dengan menggunakan plat aluminium dengan ketebalan 0,3 mm . Pada pengujian ini, menggunakan variasi kecepatan angin 4 , 4,5 , 5 , 5,5 dan 6 m/s. Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan karakteristik getaran dan lintasan orbit pada turbin angin savanius tipe U. Dari hasil analisa data didapat dispalacement terendah dan teratas pada kecepatan angin 5 m/s dengan nilai -0,3712 dan 0,3711, velocity terendah pada kecepatan angin 5.5 m/s dengan nilai 0,2433 dan teratas pada kecepatan angin 5 m/s dengan nilai 0,4255 dan acceleration terendah dan teratas pada kecepatan angin 5 m/s dengan nilai -2,7489 dan 2,7485
Kata kunci : Turbin angin savanius, Variasi kecepatan angin, Displacement, Velocity, Acceleration
ABSTRACT
Wind energy has long been known and used human. Sail boats use this energy to move the ship. And as is known, the origin of wind occurs because there is a temperature difference between the hot air and cold air. In each area of the state of temperature and wind speed are different. The wind turbine is a tool to convert wind energy into mechanical energy. Design wind turbine should be based on the use and local wind conditions. The object of this research is a type of wind turbine savonius U by using an aluminum plate with a thickness of 0.3 mm. In this test, using a variation of wind speed 4, 4.5, 5, 5.5 and 6 m/s. This study aimed to obtain vibration characteristics and orbital trajectories in wind turbines of type savonius U. From the analysis of the data obtained the lowest displacement and top at a wind speed of 5 m/s with a value of -0.3712 and 0.3711, the lowest velocity at wind speeds of 5.5 m/s with a value of 0.2433 and the top at a wind speed of 5 m/s with a value of 0.4255 and the lowest acceleration and the highest in wind speed of 5 m/s with a value of -2.7489 and 2.7485
Keywords: Wind turbine savonius, Wind speed variation, Displacement, Velocity, Acceleration
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT atas segala karunia dan rahmat-Nya yang senantiasa diberikan kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.
Skripsi ini adalah salah satu syarat untuk dapat lulus menjadi Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun judul skripsi ini adalah “Kajian Lintasan Orbit Pada Turbin Angin Savonius Tipe Rotor U Dengan Menggunakan Software Matlab 2010”.
Selama penulisan skripsi ini penulis banyak mendapatkan bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu dalam kesempatan ini penulis menyampaikan banyak terima kasih kepada:
1. Kedua orang tua tercinta Suroto dan Puji Astuti, yang selalu mendukung dalam doa, dukungan moral, materil, dan selalu memberikan semangat.
2. 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.
3. Abang Ahmad marabdi Siregar selaku mahasiswa S2 Teknik Mesin yang telah meluangkan waktunya dan banyak memberikan ilmu kepada penulis hingga skripsi ini terselesaikan,
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. Teman – teman stambuk 2011 Khususnya team riset turbin angin yang menemani penulis dalam mengikuti study baik suka maupun duka,
6. Semua pihak yang banyak membantu penulis dalam menyelesaikan Skripsi ini.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini belum sempurna, baik dari segi teknik maupun dari segi materi. Oleh sebab itu, demi penyempurnaan skripsi ini kritik dan saran sangat penulis harapkan.
Akhir kata, penulis berharap agar laporan ini bermanfaat bagi pembaca pada umumnya dan penulis sendiri pada khususnya, Semoga ALLAH SWT selalu menyertai.
Medan, Juli 2016 Penulis ,
Panji Waskito NIM : 110401106
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ... i
DAFTAR ISI ... iii
DAFTAR TABEL ... vi
DAFTAR GAMBAR ... vii
DAFTAR NOTASI ... xii
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. Energi Angin ... 4
2.2. Turbin Angin ... 6
2.2.1. Teori Momentum Elementer Betz ... 7
2.2.2. Rotor ... 8
2.3. Turbin Angin Savanius ... 9
2.4. Gerak dan Gaya ... 10
2.4.1. Hukum Newton Tentang Gerak ... 10
2.4.2. Hukum II Newton Tentang Percepatan ... 11
2.4.3. Gerak Melingkar ... 11
2.4.4. Radian... 12
2.4.5. Frekuensi dan Periode Dalam Gerak Melingkar Beraturan ... 12
2.4.6. Kecepatan Linier dan Kecepatan Sudut ... 13
2.5. Analisa Getaran ... 13
2.5.1. Konsep Analisa Getaran ... 14
2.5.2. Karakteristik Getaran ... 15
2.5.3. Frekuensi Getaran ... 16
2.5.4. Amplitudo (Perpindahan, Kecepatan dan Percepatan) ... 17
2.5.5. Fasa (Phase) ... 19
2.6. Rotor Orbit Trajectories ... 20
2.7. Metode Lintasan Orbit (Pola Lissajous) ... 24
2.8. Analisa Vibrasi dengan FFT ... 27
2.9. Diangnosa Kerusakan Mesin Melalui Spektrum Analysis ... 28
BAB 3 METODE PENELITIAN... 30
3.1. Tempat dan Waktu ... 30
3.2. Bahan ... 30
3.3. Peralatan ... 34
3.3.1. Peralatan Work Shop ... 34
3.3.2. Peralatan Penelitian ... 34
3.4. Set Up Peralatan ... 38
3.5. Metodologi Penelitian ... 42
3.6. Prosedur Penelitian ... 43
BAB 4 Hasil Dan Pembahasan ... 44
4.1. Amplitudo Getaran Pada Turbin Angin Savanius ... 44
4.1.1. Pengambilan Data Pada Kecepatan Angin 4 m/s ... 44
4.1.2. Pengambilan Data Pada Kecepatan Angin 4,5 m/s ... 47
4.1.3. Pengambilan Data Pada Kecepatan Angin 5 m/s ... 50
4.1.4. Pengambilan Data Pada Kecepatan Angin 5,5 m/s ... 53
4.1.5. Pengambilan Data Pada Kecepatan Angin 6 m/s ... 56
4.2. Hubungan Variasi Puncak Amplitudo Dengan Variasi Kecepatan Angin.59 4.3. Analisa Orbit ... 60
4.3.1. Lintasan Orbit Pada Kecepatan Angin 4 m/s... 60
4.3.2. Lintasan Orbit Pada Kecepatan Angin 4,5 m/s... 63
4.3.3. Lintasan Orbit Pada Kecepatan Angin 5 m/s... 65
4.3.4. Lintasan Orbit Pada Kecepatan Angin 5,5 m/s... 68
4.3.5. Lintasan Orbit Pada Kecepatan Angin 6 m/s... 70
4.4. Perbandingan Lintasan Orbit dengan FFT ... 72
4.5. Penggabungan Lintasan Orbit ... 80
BAB 5 Kesimpulan dan Saran ... 83
5.1 Kesimpulan ... 83
5.2 Saran ... 83
DAFTAR PUSTAKA ... xii LAMPIRAN
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 2.1 Satuan yang digunakan tiap karakteristik ... 20
Tabel 4.1 Data Kecepatan Angin 4 m/s ... 44
Tabel 4.2 Data Kecepatan Angin 4,5 m/s ... 47
Tabel 4.3 Data Kecepatan Angin 5 m/s ... 50
Tabel 4.4 Data Kecepatan Angin 5,5 m/s ... 53
Tabel 4.5 Data Kecepatan Angin 6 m/s ... 56
Tabel 4.6 Variasi Puncak Amplitudo... 59
Tabel 4.7 Luas elips radial kecepatan angin 4 m/s ... 61
Tabel 4.8 Luas elips radial kecepatan angin 4,5 m/s ... 63
Tabel 4.9 Luas elips radial kecepatan angin 5 m/s ... 66
Tabel 4.10 Luas elips radial kecepatan angin 5,5 m/s ... 68
Tabel 4.11 Luas elips radial kecepatan angin 6 m/s ... 70
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Konstruksi turbin angin ... 5
Gambar 2.2 Turbin angin sumbu tegak ... 6
Gambar 2.3 Beberapa aplikasi turbin angin VAWT ... 6
Gambar 2.4 Teori A. Betz ... 7
Gambar 2.5 Profil kecepatan angin melewati penampang rotor ... 8
Gambar 2.6 Prinsip rotor savonius ... 9
Gambar 2.7 Rotor tipe U dan Helix ... 9
Gambar 2.8 Gaya, massa, dan percepatan ... 11
Gambar 2.9 Gerak melingkar ... 11
Gambar 2.10 Ilustrasi radian ... 12
Gambar 2.11 Konsep Dasar Getaran... 14
Gambar 2.12 Getaran pada sistim pegas-Massa sederhana ... 15
Gambar 2.13 Karakteristik Getaran ... 16
Gambar 2.14 Model Amplitudo ... 17
Gambar 2.15 Displacement dan Frequency ... 18
Gambar 2.16 Beda fasa antara perpindahan, kecepatan dan percepatan ... 19
Gambar 2.17 Hubungan phasa antara perpindahan, kecepatan dan percepatan pada gerak harmonik ... 19
Gambar 2.18 Model LRV sederhana dua derajat kebebasan ... 21
Gambar 2.19 Berbagai lintasan orbit dalam sistem getaran yang simultan pada sumbu yang tegak lurus dimana gerak harmonik sederhana memiliki frekuensiyang sama ... 23
Gambar 2.20 Lintasan orbit perpindahan partikel dalam dimensi ruang ... 24
Gambar 2.21 Pola Lissajous pada rotary machine yang unbalance ... 25
Gambar 2.22 Pola Lissajous pads rotary machine yang misalignment ... 25
Gambar 2.23 Pola Lissajous pads rotary machine yang oil whirl ... 26
Gambar 2.24 Pola Lissajous pada rotary machine yang mengalami hit-and- bounce rubbing ... 26
Gambar 2.25 Pola Lissajous pada rotary machine yang full rubbing atau heavy rubbing ... 27
Gambar 2.26 Hasil FFT dari Data Vibrasi ... 27
Gambar 2.27 Pola Spektrum Vibrasi Unbalance ... 29
Gambar 2.28 Pola Spektrum Vibrasi Misalignment ... 29
Gambar 3.1 (1)Perangkat Wind Tunnel, (2)Turbin angin ... 30
Gambar 3.2 Turbin angin savonius tipe “U”... 30
Gambar 3.3 Bentuk dudukan lengan sudu ... 31
Gambar 3.4 Bahan pelat besi dan lat besi untuk lengan sudu ... 31
Gambar 3.5 Bahan pelat Aluminium untuk sudu ... 32
Gambar 3.6 Poros ... 32
Gambar 3.7 Bantalan... 32
Gambar 3.8 (a)Roda gigi pada Poros turbin, (b)pada`poros motor DC ... 33
Gambar 3.9 Generator listirk ... 33
Gambar 3.10 Lampu LED dan wayar kecil ... 34
Gambar 3.11 Perangkat Wind Tunnel ... 35
Gambar 3.12 Inverter ... 35
Gambar 3.13 Alat vibrometer ... 36
Gambar 3.14 Alat Tachometer ... 36
Gambar 3.15 Alat multi tester digital... 37
Gambar 3.16 Alat anemometer ... 37
Gambar 3.17 Alat labjeck ... 38
Gambar 3.18 Probe Hot Wire ... 38
Gambar 3.19 Turbin angin savonius pada test suction wind tunnel... 39
Gambar 3.20 Pemasangan kabel pada generator ke lampu LED ... 39
Gambar 3.21 Pemasangan kabel multitester ... 39
Gambar 3.22 Posisi anemometer ... 39
Gambar 3.23 Posisi vibrometer ... 40
Gambar 3.24 Memastikan vibrometer berfungsi ... 40
Gambar 3.25 Posisi tachometer ... 40
Gambar 3.26 Chanel penyetelan ... 41
Gambar 3.27 Set-Up alat ... 41
Gambar 3.28 Prosedur Penelitian... 43
Gambar 4.1 Vibration source Tipe rotor U ... 44
Gambar 4.2 Grafik displacement getaran pada kecepatan angin 4 m/s ... 46
Gambar 4.3 Grafik Velocity getaran pada kecepatan angin 4 m/s ... 46 Gambar 4.4 Grafik Acceleration getaran pada kecepatan angin 4 m/s ... 47 Gambar 4.5 Grafik displacement getaran pada kecepatan angin 4.5 m/s .... 49 Gambar 4.6 Grafik velocity getaran pada kecepatan angin 4.5 m/s ... 49 Gambar 4.7 Grafik acceleration getaran pada kecepatan angin 4.5 m/s .... 50 Gambar 4.8 Grafik displacement getaran pada kecepatan angin 5 m/s ... 52 Gambar 4.9 Grafik velocity getaran pada kecepatan angin 5 m/s ... 52 Gambar 4.10 Grafik acceleration getaran pada kecepatan angin 5 m/s ... 53 Gambar 4.11 Grafik displacement getaran pada kecepatan angin 5,5 m/s ... 55 Gambar 4.12 Grafik velocity getaran pada kecepatan angin 5,5 m/s ... 55 Gambar 4.13 Grafik acceleration getaran pada kecepatan angin 5,5 m/s .... 56 Gambar 4.14 Grafik displacement getaran pada kecepatan angin 6 m/s ... 58 Gambar 4.15 Grafik velocity getaran pada kecepatan angin 6 m/s ... 58 Gambar 4.16 Grafik acceleration getaran pada kecepatan angin 6 m/s ... 59 Gambar 4.17 Lintasan orbit displacement getaran kecepatan angin 4 m/s ... 61 Gambar 4.18 Lintasan orbit velocity getaran kecepatan angin 4 m/s... 62 Gambar 4.19 Lintasan orbit acceleration getaran kecepatan angin 4 m/s .... 62 Gambar 4.20 Lintasan orbit displacement getaran kecepatan angin 4,5 m/s.64 Gambar 4.21 Lintasan orbit velocity getaran kecepatan angin 4,5 m/s... 64 Gambar 4.22 Lintasan orbit acceleration getaran kecepatan angin 4,5 m/s . 65 Gambar 4.23 Lintasan orbit displacement getaran kecepatan angin 5 m/s ... 66 Gambar 4.24 Lintasan orbit velocity getaran kecepatan angin 5 m/s... 67 Gambar 4.25 Lintasan orbit acceleration getaran kecepatan angin 5 m/s .... 67 Gambar 4.26 Lintasan orbit displacement getaran kecepatan angin 5,5 m/s.68 Gambar 4.27 Lintasan orbit velocity getaran kecepatan angin 5,5 m/s... 69 Gambar 4.28 Lintasan orbit acceleration getaran kecepatan angin 5,5 m/s..69 Gambar 4.29 Lintasan orbit displacement getaran kecepatan angin 6 m/s ... 71 Gambar 4.30 Lintasan orbit velocity getaran kecepatan angin 6 m/s... 71 Gambar 4.31 Lintasan orbit acceleration getaran kecepatan angin 6 m/s .... 72 Gambar 4.32 FFT displacement getaran pada kecepatan angin 4 m/s ... 73 Gambar 4.33 FFT velocity getaran pada kecepatan angin 4 m/s ... 73 Gambar 4.34 FFT acceleration getaran pada kecepatan angin 4 m/s ... 74
Gambar 4.35 FFT displacement getaran pada kecepatan angin 4,5 m/s ... 74 Gambar 4.36 FFT velocity getaran pada kecepatan angin 4,5 m/s ... 75 Gambar 4.37 FFT acceleration getaran pada kecepatan angin 4,5 m/s ... 75 Gambar 4.38 FFT displacement getaran pada kecepatan angin 5 m/s ... 76 Gambar 4.39 FFT velocity getaran pada kecepatan angin 5 m/s ... 76 Gambar 4.40 FFT acceleration getaran pada kecepatan angin 5 m/s ... 76 Gambar 4.41 FFT displacement getaran pada kecepatan angin 5,5 m/s ... 77 Gambar 4.42 FFT velocity getaran pada kecepatan angin 5,5 m/s ... 77 Gambar 4.43 FFT acceleration getaran pada kecepatan angin 5,5 m/s ... 78 Gambar 4.44 FFT displacement getaran pada kecepatan angin 6 m/s ... 78 Gambar 4.45 FFT velocity getaran pada kecepatan angin 6 m/s ... 79 Gambar 4.46 FFT acceleration getaran pada kecepatan angin 6 m/s ... 79 Gambar 4.47 Lintasan orbit displacement geratan kelima kecepatan angin..80 Gambar 4.48 Lintasan orbit velocity getaran pada kelima kecepatan angin..81 Gambar 4.49 Lintasan orbit acceleration getaran kelima kecepatan angin...82
DAFTAR NOTASI
Simbol Satuan
A Amplitudo (mm)
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)
𝜔𝑛 Frekuensi natural (rad/s)
𝑥 Perpindahan / displacement (mm)
𝑥̇ Kecepatan / velocity (mm/s)
𝑥̈ Percepatan / acceleration (mm/s2)
BAB 1 PENDAHULUAN 1.1.Pendahuluan
Energi angin telah lama dikenal dan dimanfaatkan manusia. Perahu-perahu layar menggunakan energi ini untuk menggerakan kapal. Dan sebagaimana diketahui, pada asasnya angin terjadi karena ada perbedaan suhu antara udara panas dan udara dingin. Di tiap daerah keadaan suhu dan kecepatan angin berbeda. Energi angin yang tersedia di Indonesia ternyata belum dimanfaatkan sepenuhnya sebagai energi alternatif.
Angin selama ini dipandang sebagai proses alam biasa yang kurang memiliki nilai ekonomis bagi kegiatan produktif masyarakat. Padahal, di berbagai negara, pemanfaatan energi angin sebagai sumber energi alternatif nonkonvensional sudah semakin mendapatkan perhatian.
Indonesia merupakan Negara yang memiliki lahan pertanian yang luas. Akan tetapi ada lahan pertanian yang sulit dialiri air karena lebih tinggi dari sumber air.
Pompa merupakan peralatan yang dapat digunakan air ke lahan pertanian tersebut.
Ketersediaan energi listrik yang tidak merata, memerlukan pemanfaatan energi alternative [1].
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[2].
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. [3]. Dalam penelitian ini akan
diteliti bentuk lintasan orbit turbin angin savonius tipe rototr U 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 komputasi dari hasil pengukuran getaran turbin angin savonius tipe rotor U untuk mendapatkan lintasan orbit sebagai bahan untuk meningkatkan keandalan pada operasional turbin angin savanius tipe rotor U. Pengkajian ini dilakukan menggunakan Software Matlab 2010
1.3.Batasan 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 yang dilaksanakan di Laboratorium Magister Teknik, Mesin Fakultas Teknik, Universitas Sumater Utara.
2. Bentuk lintasan orbit yang terjadi pada turbin angin savonius tipe rotor U.
1.4.Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah :
1. Kajian karakteristik getaran yang dihasilkan oleh turbin angin savonius tipe rotor U.
2. Untuk mendapatkan lintasan orbit yang terjadi pada tubin angin savonius tipe rotor U.
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 U.
1.6. Sistematika Penelitian
Adapun sistematika penulisan adalah sebagai berikut:
Bab 1 Pendahuluan membahas tentang latar belakang, perumusan masalah dan tujuan penelitian.
Bab 2 Tinjauan Pustaka membahas tentang turbin angin savonius tipe rotor U dan analisa getaran.
Bab 3 Metode Penelitian membahas tentang informasi mengenai tempat pelaksanaan pengujian,bahan dan peralatan yang digunakan serta tahapan dan prosedur dalam pengujian.
Bab 4 Hasil dan Pembahasan membahas tentang hasil data yang diperoleh dari setiap pengujian melalui pembahasan dengan perhitungan dan analisa serta memaparkan dalam bentuk table dan grafik dan bentuk lintasan orbit.
Bab 5 Kesimpulan dan Saran membahas tentang kesimpulan dan saran yang diperoleh dari pengujian yang dilakukan.
Daftar Pustaka berisikan literature yang digunakan untuk menyusun laporan.
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Energi Angin
Energi yang tersedia pada angin pada dasarnya adalah energi kinetik dengan massa yang besar bergerak diseluruh permukaan bumi. Blade/sudu pada turbin angin menyerap energi kinetik ini, yang kemudian di transformasikan dalam bentuk mekanikal atau elektrik, tergantung pada akhir penggunaan energi tersebut.
Efisiensi mengubah angin ke bentuk energi lain yang berguna sangat bergantung pada efisiensi dimana rotor saling berhubungan dengan aliran angin.
Angin merupakan massa udara yang bergerak. Pergerakan massa udara ini diakibatkan oleh perbedaan tekanan udara antara satu tempat dengan tempat yang lain, hal ini dapat diakibatkan karena perbedaan distribusi energi radiasi matahari, tutupan awan serta dinamika disekitarnya. Energi angin dapat dikonversi atau ditransfer ke dalam bentuk energi lain seperti listrik atau mekanik dengan menggunakan turbin atau turbin angin. Oleh karena itu, turbin angin sering disebut sebagai Sistem Konversi Energi Angin (SKEA)[4].
2.2.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. Bagian-bagian turbin dapat dilihat pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1. Konstruksi turbin angin.
(Sumber: http://lugiromadoni.blogspot.co.id/)
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[5].
Salah satu komponen utama dari turbin angin adalah rotor. Rotor ini berfungsi mengkonversi gerak linier angin menjadi gerak putar sudu turbin.Untuk klasifikasi berdasarkan fungsi gaya aerodinamisnya, 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 profil 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]
Gambar 2.3. Beberapa aplikasi turbin angin VAWT
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.
2.2.1. Teori Momentum Elementer Betz
Albert Betz seorang aerodinamikawan Jerman, adalah orang pertama yang memperkenalkan teori tentang turbin angin. Dalam bukunya “Die Windmuhlen imLichte neurer Forschung. Die Naturwissenschaft.” (1927), ia mengasumsikan bahwasuatu turbin mempunyai sudu-sudu yang tak terhingga jumlahnya dan tanpa hambatan.Juga diasumsikan bahwa aliran udara di depan dan di belakang rotor memiliki kecepatan yang seragam (aliran laminar)[7]. Teori A. Betz digambarkan seperti yang terlihat pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4. Teori A. Betz
Dalam sistem konversi energi angin, energi mekanik turbin hanya dapat diperoleh dari energi kinetik yang tersimpan dalam aliran angin, berarti tanpa perubahan aliran massa udara, kecepatan angin di belakang turbin haruslah mengalami penurunan. Dan pada saat yang bersamaan luas penampang yang dilewati angin haruslah lebih besar, sesuai dengan persamaan kontinuitas. Jika
v
1
kecepatan angin di depan rotor, Vkecepatan angin saat melewati rotor, danv
2kecepatan angin di belakang rotor, maka daya mekanik turbin diperoleh dari selisih energi kinetik angin sebelum dan setelah melewati turbin, profil kecepatan angin melewati penampang rotor dapat dilihat pada Gambar 2.5.Gambar 2.5. Profil kecepatan angin melewati penampang rotor[8]
2.2.2. Rotor
Bagian dari turbin angin yang mengumpulkan energi dari angin disebut dengan rotor (blade / baling-baling). Rotor biasanya terdiri dari dua atau lebih sudu yang terbuat dari kayu,fiberglass atau logam berkeliling sumbu (horizontal atau vertikal). Sudu-sudu dipasang pada naf (hub), yang menempel pada poros utama. Rotor didesain berdasarkan prinsip dasar drag dan lift.
Pada sudu jenis drag angin mendorong sudu keluaralurnya. Jenis drag ini biasanya dikenal dengan karakteristik putaran (rpm) lambat dan kapasitas torsi yang tinggi. Kegunaan jenis ini untuk memompa, pekerjaan menggergaji atau menggerinda (di Belanda), pertanian (windmills).
Sudu lift dikembangkan sama dengan prinsip dasar yang dimiliki pesawat, layangan dan burung untuk terbang. Sudu sebagai airfoil, atau sayap. Ketika udara melewati sudu, kecepatan angin dan perbedaan tekanan terjadi antara permukaan atas dan permukaan bawah sudu. Tekanan pada bagian bawah lebih besar dan mengakibatkan sudu terangkat. Ketika sudu-sudu dipasang pada sumbu utama, sama seperti baling-baling kincir angin, gaya angkat diubah menjadi putaran.
Jenis lift ini memiliki putaran (rpm) yang lebih tinggi dari jenis drag.
Jumlah sudu rotor dan luas total yang ditutup sudu mempengaruhi performansi kincir angin. Untuk jenis baling-baling lift untuk mengefektifkan fungsinya, angin harus mengalir perlahan terhadap sudu. Untuk mencegah turbulen, ruang antara sudu harus lebih besar maka satu sudu tidak akan menghalangi aliran, aliran udara lemah disebabkan sudu telah dilewati sebelumnya.
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. Turbin angin sumbu vertikal yang terdiri dari dua sudu berbentuk setengah silinder (atau elips) yang dirangkai sehingga membentuk
„S‟, satu sisi setengah silinder berbentuk cembung dan sisi lain berbentuk cekung yang dilalui angin seperti pada gambar 2.6.
Gambar 2.6.Prinsip rotor savonius
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 daripadapermukaan 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 [9]. Pada perkembangannya turbin Savonius ini banyak mengalami perubahan bentuk rotor, seperti yang terlihat pada Gambar 2.7.
Gambar 2.7. Rotor tipe U dan Helix
Perbedaan dari tipe Helix dan U :
1. Putaran rotor helix lebih tinggi dari rotor tipe U
2. Daya yang dihasilkan oleh rotor helix savonius lebih baik dari rotor tipe U 3. Semakin besar keceptan angin semakin besar selisih daya yang di
hasilkan.
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 [10].
2.4.1. Hukum Newton Tentang Gerak.
bila penyebab gerak diperhatikan disebut dinamika, melibatkan besaran- besaran fisika yang disebut gaya. Gaya adalah suatu tarikan atau dorongan yang dapat menimbulkan perubahan gerak. Dengan demikian jika benda ditarik/didorong maka pada benda bekerja gaya dan keadaan gerak benda dapat berubah. Gaya adalah penyebab gerak. Gaya termasuk besaran vektor, karena gaya mempunyai besar dan arahnya [10].
Hukum I Newton. Sebagai contoh ketika kita kita naik kereta api dalam keadaan diam, tiba-tiba melaju kencang maka tubuh kita akan terdorong kebelakang. Jika resultan dari gaya-gaya yang bekerja pada sebuah benda sama dengan nol (𝛴F=0) maka benda tersebut ;
1. Jika dalam keadaan diam akan tetap diam, atau
2. Jika dalam keadaan bergerak lurus beraturan akan tetap bergerak lurus beraturan.
2.4.2. Hukum II Newton tentang percepatan
Besarnya percepatan a berbanding lurus dengan besarnya gaya F dan berbanding terbalik dengan konstanta k yang merupakan ukuran kuantitas benda yang besarnya selalu tetap, selanjutnya disebut massa benda. Hukum ini dikenal sebagai hukum II Newton seperti terlihat pada Gambar 2.8. dan secara matematis dapat ditulis sebagai berikut:
𝑎 = 𝐹
𝑚 atau F = m . a ………(2.1)
Dimana:
F : Gaya (newton) m : massa
a : percepatan 2.4.3. Gerak Melingkar
Jika sebuah benda bergerak dengan kelajuan konstan pada suatu lingkaran (di sekeliling lingkaran), maka dikatakan bahwa benda tersebut melakukan gerak melingkar beraturan, seperti terlihat pada Gambar 2.9.
Gambar 2.9. Gerak melingkar
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[10].
Gambar 2.8. Gaya, massa, dan percepatan
2.4.4. Radian
1 (Satu) radian adalah besarnya sudut tengah lingkaran yang panjang busurnya sama dengan jari-jarinya. Besarnya sudut seperti diperlihatkan pada Gambar 2.10.
Gambar 2.10. Ilustrasi radian 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[10].
Keliling lingkaran=2π x radius, gerakan melingkar dalam 1 putaran=2πradian.
1 putaran = 3600 = 2π rad.
1 rad = 360°
2𝜋 = 57,30
2.4.5. 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 :
𝑓xT= 1 atau f = 1
𝑇
………
(2.2)2.4.6. 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[10]:
𝜔 = 𝑆𝑢𝑑𝑢𝑡 𝑔𝑒𝑟𝑎𝑘𝑎𝑛 (𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛)
𝑊𝑎𝑘𝑡𝑢 (𝑠𝑒𝑘𝑜𝑛) 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑑𝑖𝑝𝑒𝑟𝑙𝑢𝑘𝑎𝑛 𝑢𝑛𝑡𝑢𝑘 𝑚𝑒𝑚𝑏𝑒𝑛𝑡𝑢𝑘 𝑠𝑢𝑑𝑢𝑡 𝑡𝑒𝑟𝑠𝑒𝑏𝑢𝑡
𝜔= 𝜃
𝑡 ……….(2.3)
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 ………(2.4) Sehingga antara v dan 𝜔 kita dapatkan hubungan:
v = 𝜔R ………....(2.5) Dimana:
v : kecepatan translasi (m/s) R : jari-jari (m) ω : kecepatan sudut (rad/s)
2.5. 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 [11].
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.
2.5.1. Konsep Analisa Getaran
Data getaran yang biasanya diperoleh dalam bentuk sinyal (analog) listrik yang kontinyu yang dihasilkan dari tranducer, dimana masing-masing sinyal analog tersebut menunjukan besar regangan, tegangan, gaya, atau parameter 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. Grafik gerak harmonik-periodik menampilkan perpindahan pada sumbu vertikal dan waktu pada sumbu horizontal.
Seperti yang terlihat pada Gambar 2.11.
Gambar 2.11. Konsep Dasar Getaran [12].
Contoh sederhana fenomena getaran dapat dilihat pada sebuah pegas yang salah satu ujungnya dijepit dan ujung lainnya diberi massa M seperti gambar 2.12.
berikut.
Gambar 2.12. Getaran pada sistim pegas-Massa sederhana
Mula-mula sistem dalam keadaan setimbang (gambar 2.12.a). Jika massa diberi gaya F maka massa akan turun sampai batas tertentu (gambar 2.12.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 2.12.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[13].
2.5.2. 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 2.13.
Gambar 2.13. 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.
2.5.3. 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 diidentifikasikan bagian dari mesin yang bermasalah.
2.5.4. 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 2.14. adalah model amplitude yang memperlihatkan hubungan dari gerakan poros yang berputar dengan amplitude r.
Gambar 2.14 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 2.13.
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 = 𝐴𝑜𝑠𝑖𝑛 𝜔𝑡 ... (2.6) Dimana perpindahan maksimum diekspresikan sebagai A
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 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 = 𝐴𝑜𝜔 cos 𝜔𝑡 ... (2.7) Percepatan (Acceleration) mm/s2
𝑋̈ = 𝑑2𝑋
𝑑𝑡2 = −𝜔2𝐴𝑜sin 𝜔𝑡 ... (2.8) 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 2.15.
menunjukkan Displacement dan Frequency.
Gambar 2.15. 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.
2.5.5. 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 lain, kecepatan mendahului 900 terhadap perpindahan, sedangkan percepatan tertinggal 1800 terhadap perpindahan.
Gambar 2.16. Beda fasa antara perpindahan, kecepatan, dan percepatan
Pengukuran fasa memberikan carauntuk 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 bahwagetaran 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 𝜋
2 dan π radian. Gambar 2.17 adalah hubungan displecemen, velocity dan acceleration.
Gambar 2.17. 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[15]. Satuan yang sering digunakan terdapat pada tabel 2.1
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
2.6. Rotor Orbit Trajectories
Rotor orbit trajectories secara khusus digunakan untuk analisa pada lateral rotor vibration (LRV), yang memberikan tambahan informasi diagnosa komponenmesin 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 2.18. 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 gayaradial yang berubah terhadap waktu, misalnya gaya akibat massa unbalance.
Gambar 2.18. Model LRV sederhana dua derajat kebebasan
Dua persamaan gerak dari model ini yang dipengaruhi oleh gaya eksitasi yang berasal dari F = ma , maka diperoleh,
𝑚𝑥̈ + 𝑐𝑥𝑥̇ + 𝑘𝑥𝑥 = 𝐹0cos 𝜔𝑡 ... (2.9) 𝑚𝑦̈ + 𝑐𝑦𝑦̇ + 𝑘𝑦𝑦 = 𝐹0sin 𝜔𝑡2.5 ... (2.10) Pada kondisi isotropik, yaitu 𝑘𝑥= 𝑘𝑦 ≡ 𝑘 dan 𝑐𝑥 = 𝑐𝑦 ≡ 𝑐, maka persamaan 2.9 dan 2.10 dapat di tulis dalam bentuk matrix,
[𝑚 0 0 𝑚] {𝑥̈
𝑦̈} + [𝑐 0 0 𝑐] {𝑥̇
𝑦̇} + [𝑘 0 0 𝑘] {𝑥
𝑦} = {
𝐹𝑥 (𝑡)
𝐹𝑦 (𝑡)} ... (2.11)
Untuk menggambarkan resultan dari perpindahan sistem pada persamaan(2.11) 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 + 𝜙𝑥) ... (2.12) 𝑦 = 𝑌 sin (ωt + 𝜙𝑦) ... (2.13) Dengan mengambil waktu t pada persamaan 2.12 dan 2.13, maka variabell yang tersisa adalah hanya x dan y, sementara X, Y, 𝜙𝑋dan, 𝜙𝑦 merupakan konstanta, Dengan mengembangkan argumen dari sinus, maka diperoleh :
𝑥
𝑋= sin 𝜔𝑡 𝜙𝑋+ 𝑐𝑜𝑠 𝜔𝑡 sin 𝜙𝑋
dan 𝑦
𝑌= sin 𝜔𝑡 𝜙𝑦+ 𝑐𝑜𝑠 𝜔𝑡 sin 𝜙𝑦 maka,
𝑥
𝑋sin 𝜙𝑦−𝑦
𝑌sin 𝜙𝑥= sin 𝜔𝑡 (cos 𝜙𝑥sin 𝜙𝑦− cos 𝜙𝑦sin 𝜙𝑥) ... (2.14) dan
𝑦
𝑌cos 𝜙𝑥−𝑥
𝑋cos 𝜙𝑦 = cos 𝜔𝑡 (cos 𝜙𝑥sin 𝜙𝑦− cos 𝜙𝑦sin 𝜙𝑥) ... (2.15) Dengan melakukan perkalian kuadrat dan penjumlahan terhadap persamaan (2.14)dan (2.15) maka,
𝑠in2(𝜙𝑦 − 𝜙𝑥) =𝑥2
𝑋2+ 𝑦2
𝑌2−2𝑥𝑦
𝑋𝑌 cos(𝜙𝑦− 𝜙𝑥) ... (2.16) yang merupakan persamaan umum sebuah lingkaran elips.
Biasanya sumbu utama dari elipse akan menunjak terhadap sumbu x dan y, tetapi hal ini akan menjadi sumbu utama ketika ada perbedaan fase 𝜙𝑦− 𝜙𝑥 =
𝜋
2maka persamaan (2.16) menjadi bentuk yang lebih dikenal,
𝑥2 𝑋2+𝑦2
𝑌2 = 1 ... (2.17) Jika X=Y=A, maka persamaan (2.17) menjadi 𝑥2 + 𝑦2 = 𝐴2. Saat 𝜙𝑦− 𝜙𝑥= 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 untuk𝜙𝑦− 𝜙𝑥= 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 2.19 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 (2.12 dan 2.13), maka kurva koordinat diketahui:
(x, y) = sin(t),sin(t +𝛿),
Dimana 𝛿 = 0,𝜋
4,𝜋
2,3𝜋
4 , 𝜋,5𝜋
4 ,3𝜋
2 ,7𝜋
4 , 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 2.19.
Gambar 2.19 Berbagai lintasan orbit dalam sistem getaran yang simultan pada sumbu yang tegak lurus dimana gerak harmonik sederhana memiliki frekuensiyang sama.
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 + 𝜙𝑧) ... (2.18) 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 =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 2.20.
Gambar 2.20. Lintasan orbit perpindahan partikel dalam dimensi ruang [16]
2.7. Metode Lintasan Orbit (Pola Lissajous)
Sebagai metode analisa tambahan kadang-kadang diterapkan analisa orbit (pola Lissajous) karena pada umumnya pada instalsi non-contact pickup untuk suatu pengukuran pada daerah bearing yang mendeteksi tingkat vibrasi pada arah axial.
Sehingga rekomendasi pengukuran yang lengkap dengan arah vibrasiaxial 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.
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 membantu untuk mengidentifikasi status yang tidak normal termasuk tidak seimbangan (Unbalance), tidak sesumbu (misalignment), oil whirl dan oil whip.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 X RPM dengan menganggap bahwa vibrasi pada frekuensi yang lain sangat kecil dan tidak berarti.
Bentuknya dapat sedikit agak lonjong (elips) dan di dalam pola yang terbentuk akan terlihat satu bush spot yang menunjukkan bahwa vibrasi yang
besar hanya terjadi pada frekuensi 1 X RPM.Gambar pola Lissajousnya diberikan di bawah ini
Gambar 2.21. Pola Lissajous pada rotary machine yang unbalance 2. Misalignment
Misalignment yang terjadi pada rotary machine akan menyebabkan vibrasi yang utama pada frekuensi 1 X RPM yaitu sekitar yang diikuti dengan munculnya vibrasi pads 2 X RPM, 3 X 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.
Bentuk elips pipih selain memberikan kemungkinan vibrasi yang disebabkan oleh keadaan misalignment, tetapi juga dapat disebabkan oleh kerusakan bearing atau kemungkinan terjadinya resonansi.
Gambar 2.22. Pola Lissajous pads rotary machine yang misalignment 3. Oil Whirl
Misalignment akan menyebabkan vibrasi yang utama pada frekuensi di bawah I X 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 X RPM tidak persis 1/2 X
RPM, maka lingkaran atau ellips yang lebih kecil akan bergerak dan ditandai dengan bergeraknya blank spot yang ada pada lingkaran atau elips yang kecil.
Gambar 2.23. Pola Lissajous pads rotary machine yang oil whirl.
4. Rubbing (Gesekan)
Gambar 2.24. Pola Lissajous pada rotary machine yang mengalami hit-and- bounce rubbing.
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.
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 seperti ditunjukkan oleh gambar di bawah ini.
Gambar 2.25 Pola Lissajous pada rotary machine yang full rubbing atau heavy rubbing [17]
2.8. Analisa Vibrasi dengan FFT
Analisa fourier terbagi atas dua yakni deret fourier untuk sinyal periodik dan trasformasi fourier untuk sinyal aperiodik. Setiap sinyal periodik dapat dinyatakan oleh jumlahan atas komponen-komponen sinyal sinusoidal dengan frekuensi berbeda (distinct). Jika ada sebuah fungsi f(t) yang kontinyu periodik dengan periode T, bernilai tunggal terbatas dalam suatu interval terbatas, memiliki diskontinyuitas yang terbatas jumlahnya dalam interval tersebut dan 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 diperlihatkan pada Gambar
Gambar 2.26 Hasil FFT dari Data Vibrasi
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.
2.9. Diagnosa Kerusakan Mesin Melalui Spektrum Analysis
Setiap bagian dari pompa atau mesin berputar mempunyai tingkat vibrasi yang berbeda tergantung pada letaknya dan gaya yang diterima. Tingkat vibrasi inilah yang bisa dijadikan sebagai pendeteksi keadaan dari suatu kondisi mesin apakah ada kerusakan atau tidak. Kerusakan umum yang biasa terjadi pada pompa dan mesin-mesin berputar adalah ketidakseimbangan atau unbalance, misalingment, kerusakan bearing dan mechanical looseness. Kerusakan-kerusakan tersebut dapat dideteksi dari spektrum vibrasi. Kerusakan – kerusakan yang sering terjadi pada mesin berputar yaitu :
a. Unbalance
Unbalance adalah kondisi dimana pusat massa tidak sesumbu dengan sumbu rotasi sehingga rotor mengalami gaya vibrasi terhadap bearing yang menghasilkan gaya sentrifugal. Ada beberapa faktor yang menyebabkan terjadinya unbalance yakni: kesalahan saat proses pemesinan dan assembly, eksentrisitas komponen, adanya kotoran saat pengecoran, korosi dan keausan, distorsi geometri karena beban termal dan beban mekanik serta penumpukan material. Karakteristik dari unbalance ini dapat diketehui dengan adanya amplitudo yang tinggi pada 1 x RPM, seperti yang ditunjukkan gambar. Tetapi adanya amplitudo pada 1x RPM
tidak selalu Unbalance, tanda lainnya adalah rasio amplitudo antara pengukuran arah horizontal dan vertikal kecil (H/V < 3). Ketika pada kondisi dominan unbalance, maka getaran radial (Horizontal dan Vertikal) akan secara normal jauh lebih tinggi dibandingkan axial. Pada pompa normal, getaran horizontal lebih tinggi dari vertical. Amplitudo di 1x RPM secara normal ≥ 80% dariamplitudo keseluruhan ketika masalah dipastikan unbalance.
Gambar 2.27 Pola Spektrum Vibrasi Unbalance
Sumber: http://digilib.its.ac.id/public/ITS-paper-20098-Presentation.pdf b. Misalignment
Ketidaklurusan ( misalignment) terjadi ketika frekuensi shaft yang berputar satu kali putaran atau dapat juga terjadi dua dan tiga kali putaran. Normalnya disebabkan adanya getaran yang tinggi pada axial dan radial, tetapi tidak selalu tinggi pada axial saja,khususnya saat kondisi parallel offset lebih mendominasi dibandingkan Angular misalignment. Menghasilkan getaran lebih besar dari keadaan normal di 2x RPM dimana dapat terjadi bukan hanya di arah axial tapi juga di radial. [18]
Gambar 2.28 Pola Spektrum Vibrasi Misalignment
Sumber: http://digilib.its.ac.id/public/ITS-paper-20098-Presentation.pdf
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 besidengan 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 angin berbahan plat besi dengan ketebalan 0,7 mm, serta lat 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 aluminiumdengan 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. 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 rodagigi digunakan untuk mentransmisikan daya dan putaran. Rodagigi 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.
(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 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 3.3. Peralatan
Peralatan yang akan digunakan dalam pelaksanaan penelitian ini antara lain:
1. Peralatan work shop.
2. Peralatan penelitian.
3.3.1. Peralatan Work Shop
Peralatan yang akan digunakan:
1. Peralatan Pengelasan 7. Gunting 2. Meteran dan Penggaris 8. Obeng 3. Pensil untuk besi dan plastic 9. Tang
4. Bor 10. Ragum
5. Gerinda 11. Siku
6. Jangka 12. Kertas Pasir, dll
3.3.2. 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 3.11.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 putar sehingga dapat diketahui kecepatan putar 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
