Analisis Tegangan Bilah Turbin Angin Komposit Berpenguat Spar Ganda
Ikramullah Ikramullah1*, Hendrix Noviyanto Firmansyah2, Djarot Wahju Santoso3
1Jurusan Teknik Mesin dan Industri, Universitas Syiah Kuala, Banda Aceh, Indonesia
2Jurusan Teknik Mesin, Universitas Negeri Semarang, Semarang, Indonesia
3Program Studi Teknik Dirgantara, Institut Teknologi Dirgantara Adisutjipto, Yogyakarta, Indonesia
*Koresponden email: ikramullah@usk.ac.id
Diterima: 15 Maret 2023 Disetujui: 28 Maret 2023
Abstract
The design of wind turbine blades requires structural design and material selection that can withstand aerodynamic loads. The required structural criteria for wind blades are strong and lightweight. Modeling and analysis of stress values were carried out using MSC Patran/Nastran software. The selected material is an E-Glass fiber composite with epoxy resin matrix and has 8 layers with different fiber directions in each layer with fiber direction arrangement [0°/±45°/90°]. The turbine blade model without a spar is compared with the double spar turbine blade. The results found that the stress of the double spar blade had a lower stress value with a maximum tensile stress of 8.83 MPa, while on the blade without spar the maximum tensile stress was 10.6 MPa, while the maximum compressive stress on the double spar blade was 8.68 MPa, the maximum compressive stress on the blade without spar was 11 MPa.
Keywords: stress analysis, double spar, composite, wind turbine, MSC patran/nastran
Abstrak
Dalam perencanaan bilah tubin angin diperlukan rancangan struktur dan pemilihan material yang mampu menahan beban aerodinamik. Struktur bilah angin harus kuat dan ringan. Geometri dimodelkan dan tegangan dianalisis dengan menggunakan perangkat lunak MSC Patran/Nastran. Material yang dipilih adalah komposit serat E-Glass dengan matriks resin epoxy dan mempunyai 8 lapisan dengan arah serat berbeda pada tiap lapisan dengan susunan arah serat [0°/±45°/90°]. Model bilah tanpa diperkuat spar dibandingkan dengan bilah berpenguat spar ganda. Hasil penelitian menunjukkan bahwa tegangan pada bilah berpenguat spar ganda mempunyai nilai tegangan yang lebih rendah dengan tegangan tarik maksimal 8.83 MPa, sedangkan bilah tanpa spar mempunyai tegangan tarik maksimal 10.6 MPa. Sebaliknya, tegangan tekan maksimal bilah dengan berpenguat spar ganda 8.68 MPa, sedangkan tegangan tekan maksimal bilah tanpa diperkuat oleh spar sebesar 11 MPa.
Kata Kunci: analisis tegangan, spar ganda, komposit, turbin angin, MSC patran/nastran
1. Pendahuluan
Kebutuhan energi dunia meningkat setelah revolusi industri, krisis energi terus mengancam dunia.
Peningkatan jumlah penduduk dunia merupakan salah satu faktor peningkatan kebutuhan energi yang signifikan. Setelah revolusi, populasi manusia meningkat pesat menjadi sekitar 1,2 miliar pada tahun 1850 dan mencapai 2,5 miliar tahun 1950. Peningkatan jumlah penduduk ini menyebabkan peningkatan kebutuhan energi, namun tidak sejalan dengan ketersediaan energi di alam, terutama energi yang berasal dari fosil [1]. Krisis minyak pada tahun 1973 menjadi peringatan bagi banyak orang, yang menyoroti keterbatasan sumber daya bahan bakar fosil. Untuk memastikan pasokan energi yang dapat diandalkan dan berkelanjutan, menjadi semakin penting untuk beralih ke pengembangan sumber energi terbarukan seperti tenaga surya, angin, air, dan panas bumi. Sumber-sumber energi ini memiliki potensi untuk memenuhi kebutuhan energi dunia dengan tidak merusak lingkungan atau menghabiskan sumber daya yang terbatas [2]. Turbin angin adalah salah satu solusi energi terbarukan yang digunakan sebagai alternatif energi untuk memenuhi kebutuhan energi manusia [3].
Turbin angin adalah sumber energi non-konvensional yang paling berharga dalam krisis energi saat ini. Di sisi lain, biaya awal pembangkit listrik tenaga angin sangat tinggi. Biaya produksi untuk memproduksi bilah turbin angin adalah sekitar 15-20% dari total biaya pabrik turbin angin. Oleh karena itu, biaya awal bilah turbin angin perlu dioptimalkan dengan memaksimalkan masa pakainya [4]. Desain bilah yang tepat diperlukan untuk mencapai penampang yang diinginkan dan menghasilkan torsi maksimum untuk menggerakkan generator turbin angin. Bentuk luar bilah turbin angin diperlukan untuk
menentukan bahwa mesin tenaga angin memiliki gaya angkat dan gaya pneumatik yang cukup, dan strukturnya digunakan untuk menentukan bahwa tenaga angin memiliki kekakuan dan stabilitas yang cukup. Turbin angin menerapkan mekanisme yang mengkonversi energi angin menjadi listrik [5]. Efisiensi turbin angin ditentukan oleh material bilah, bentuk bilah, dan sudut bilah. Pada turbin angin, material baling-baling memainkan peran utama [6]. Bahan bilah harus memiliki kepadatan rendah, kekakuan tinggi, dan umur kelelahan yang panjang. Material komposit sebagian besar digunakan untuk pada struktur bilah [7], [8].
Bilah merupakan komponen penggerak utama turbin angin yang menerima beban aerodinamika dan inersia sehingga dibutuhkan rancangan yang bagus supaya bisa bekerja dengan maksimal. Pemilihan bahan yang tepat secara signifikan berdampak pada kinerja dan umur panjang bilah turbin angin. Pemilihan material yang tepat dapat secara signifikan meningkatkan efisiensi dan daya tahan baling-baling [9]. Bahan komposit merupakan bahan material yang semakin banyak digunakan saat ini, karena ringan, kaku, kuat, tahan korosi dan biaya produksinya murah [10]. Bilah harus cukup kuat untuk menahan beban lentur akibat hembusan angin dan turbulensi. Selain itu, bilah juga harus cukup kaku untuk menahan beban puntir yang diakibatkan oleh geseran angin. Selanjutnya, bilah turbin angin harus tahan terhadap kondisi lingkungan yang keras, termasuk suhu ekstrem, angin, hujan, dan paparan air asin. [11]. Keandalan bilah turbin angin dapat ditingkatkan dengan penmbahan spar yang berfungsi sebagai untuk membuat bilah lebih kaku.
Luthfi membandingkan beberapa material untuk dipakai pada bilah turbin angin, hasil penelitiannya menunjukkan bahwa material E-glass yang paling bagus digunakan untuk bilah turbin angin berongga [12].
Mushlich juga melaporkan bahwa bilah turbin angin komposit yang berpenguat foam memeliki kekuatan yang lebih bagus dibandingkan dengan bilah turbin angin tanpa foam [13]. Spar ganda adalah tulangan yang lebih sederhana dan tidak terlalu rumit dibandingkan penampang persegi panjang atau hat spar. Bentuk ini berasal dari bentuk spar kotak, yang dianggap paling optimal di antara alternatif lainnya. Bentuk spar ganda menawarkan proses manufaktur yang lebih sederhana dan mudah [14]. Bentuk spar ini lebih kuat menahan defleksi lokal yang diakibatkan oleh beban tekan dan bending. Oleh karena itu, penelitian ini bertujuan untuk memodelkan bilah turbin angin dengan software MSC Patran/Nastran untuk mengetahui nilai tegangan maksimum pada kulit bilah turbin dengan penguat spar ganda.
2. Metode Penelitian
Penelitian dilakukan dengan memodelkan pada perangkat lunak elemen hingga (MSC Patran/Nastran 2005) dengan referensi model dari penelitian tugas akhir yang dilakukan oleh Benito [15]. Model bilah yang digunakan adalah airfoil NACA 4412 setelah discale 3 kali. Sambungan bilah dimodelkan dengan 4 baut. Model sambungan seperti Gambar 1 di bawah ini dibuat karena memiliki bentuk aerodinamis mengikuti model bilah, supaya tidak terdapat rongga antara sambungan dengan baut. Geometri bilah dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Model bilah
Koordinat sumbu x merupakan panjang span dari bilah angin, sumbu y merupakan ketebalan dari bilah angin dan koordinat sumbu z merupakan chord dari bilah angin. Bilah turbin angin ini tidak mempunyai sudut puntir. Bagian bilah dibagi menjadi 21 section dan 20 segmen. Segmen merupakan luasan diantara dua section pada model dengan jarak tiap section adalah 60 mm. Susunan komposit yang digunakan adalah [0/45/-45/90]s. Ketebalan setiap lamina 0,25 mm dan ketebalan kulit model bilah adalah 2 mm. Untuk konfigurasi arah serat (+/-) 45 digunakan untuk kestabilan terhadap buckling, dan shear.
Untuk konfigurasi arah serat 0° digunakan untuk beban tarik dan kompresi, sedangkan untuk konfigurasi arah serat 90° digunakan untuk menerima beban arah transfersal. Beban tekan pada seluruh permukaan
bilah merupakan beban aerodinamika. Sedangkan untuk beban inersia merupakan beban putaran sebesar 350 rpm. Sifat mekanik E-glass disajikan pada Tabel 1.
Tabel 1. Sifat mekanik E glass Unit
E11 43,5 GPa
E22 11,5 GPa
G12 3,45 GPa
σf (tarik) 400 MPa σf (kompresi) 390 MPa
u12 0,27
ρ 2x10-6 Kg/mm3
Sumber: Sebastian (2011) [15]
Persamaan linier hasil penyederhanaan distribusi tekanan pada permukaan atas dan bawah pada bilah merupakan distribusi tekanan yang diaplikasikan pada model. Tumpuan pada model bilah ini dibuat pada bagian lubang baut. Jenis tumpuan yang digunakan adalah fixed atau tetap. Mesh pada model bilah dan kondisi batas disajikan pada Gambar 2 dan Gambar 3.
Gambar 2. Mesh pada bilah
Gambar 3. Beban dan tumpuan
3. Hasil dan Pembahasan
Plot pola tegangan hasil analisis elemen hingga dengan perangkat lunak MSC Patran/Nastran yang terjadi pada permukaan bilah angin ditampilkan pada Gambar 4. Tegangan yang terjadi pada layer 1 terkonsentrasi pada bagian sekitar baut kiri atas pada (upper) sambungan dengan tegangan tarik maksimal sebesar 20.8 MPa. Tegangan tekan maksimal sebesar 22.4 MPa pada bagian sekitar baut kiri bawah (lower) sambungan sebagaimana ditampilkan pada Gambar 4 (a). Tegangan tarik maksimal yang terjadi pada layer 1 bilah yang berpenguat spar ganda sebesar 88.3 MPa, sementara itu tegangan tekan maksimal yang terjadi pada bilah dengan penguat spar ganda sebesar 10.6 MPa seperti yang diperlihatkan pada Gambar 4 (b).
Gambar 4. (a) Plot tegangan bilah dan sambungan; (b) tegangan pada bilah
Gambar 5 menampilkan hasil analisis tegangan bilah dengan beban inersia. Tegangan yang terjadi pada layer 1 terkonsentrasi pada bagian sekitar baut kanan bawah pada (lower) sambungan dengan tegangan tarik maksimal sebesar 32.5 MPa. Sebaliknya tegangan tekan maksimal sebesar 22.4 MPa yang terlihat pada bagian sekitar baut kiri atas (upper) sambungan.
Gambar 5. Plot tegangan bilah dan sambungan dengan beban inersia
3.1. Perbandingan Dengan Bilah Tanpa Spar
Gambar 6 (a) dan (b) menyajikan tampilan plot tegangan yang pada bilah yang berpenguat spar ganda yang dibandingkan dengan tegangan pada bilah turbin angin tanpa berpenguat spar dengan sambungan bilah yang sama, tanpa beban inersia. Tegangan yang terjadi pada layer 1 terkonsentrasi pada bagian sekitar root kanan bawah pada (lower) dekat sambungan dengan tegangan tarik maksimal sebesar 8.68 MPa. Sedangkan tegangan tekan sebesar 11 MPa pada bagian sekitar root kiri atas (upper) dekat sambungan dengan tegangan tarik maksimal pada bilah yang diperkuat spar ganda 8.83 MPa, tegangan
(a)
(b)
yang terjadi pada bilah yang diperkuat dengan spar ganda sebesar 8.68 MPa, dan tegangan tekan yang terjadi pada bilah tanpa berpenguat spar sebesar 11 MPa.
Gambar 6. (a) Plot tegangan bilah dan sambungan bilah tanpa spar; (b) Plot tegangan bilah dan sambungan bilah spar ganda
Tegangan yang tejadi pada layer 1 upper surface bilah turbin spar ganda dengan model sambungan yang sama, beban yang diaplikasikan adalah beban aerodinamika tanpa beban inersia. Tegangan yang tejadi pada layer 1 upper surface bilah turbin tanpa spar mempunyai tegangan tarik maksimal sebesar 54.1 MPa, dan tegangan tekan maksimal pada bilah tanpa diperkuat spar adalah 46.8 MPa. Sebaliknya, tegangan tarik maksimal yang terjadi pada bilah berpenguat spar ganda sebesar 35.8 MPa, dan tegangan tekan maksimal yang terjadi pada bilah yang berpenguat spar ganda sebesar 10.3 MPa, sebagaimana yang ditampilkan pada Gambar 7 (a) dan (b).
(a)
(b)
Gambar 7. (a) Plot tegangan pada upper surface bilah tanpa spar; (b) tegangan pada upper surface spar ganda
3.2. Analisis Fenomena Tegangan
Analisis fenemona tegangan dilakukan pada layer 1 bagian kulit bilah upper dan lower dengan mengambil titik-titik nodal yang berada pada 50% chord di setiap section sepanjang span bilah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8.
Gambar 8. Lokasi nodal kulit upper bilah
(a)
(b)
Section 11
Gambar 9. Tegangan pada upper dan lower surface Sumber: Data peneliti, 2022
Gambar 9 menampilkan fenomena tegangan pada bilah turbin angin setelah diberi beban aerodinamika terjadi dari daerah root kemudian berpindah ke bagian tengah sampai ke daerah tip. Tegangan paling tinggi terjadi di daerah root dan tegangan paling rendah terjadi didaerah tip. Tegangan tinggi didaerah tersebut disebabkan oleh pengaruh batas bilah. Analisis fenemona tegangan dilakukan pada layer 1 bagian kulit bilah upper dan lower dengan mengambil titik-titik nodal yang berada pada section 11. Dari grafik yang ditunjukkan pada Gambar 10, fenomena tegangan pada bilah turbin angin setelah diberi beban aerodinamika, spar terletak pada spanwise 7 dan 15, sehingga kita bisa melihat terjadi penurunan nilai tegangan yang cukup signifikan pada spanwise 7 dan 15.
Gambar 10. Fenomena tegangan bilah pada section 11 Sumber: Data peneliti, 2022
4. Kesimpulan
Tegangan maksimum pada kulit bilah turbin spar ganda adalah tegangan yang terjadi terkonsentrasi pada bagian sekitar baut kiri atas pada (upper) sambungan dengan tegangan tarik maksimal sebesar 20.8 MPa. Sedangkan tegangan tekan maksimal sebesar 22.4 MPa pada bagian sekitar baut kiri bawah (lower) sambungan. Dari perbandingan model bilah turbin tanpa spar dengan sambungan yang sama dengan bilah yang berpenguat spar ganda dapat disimpulakan bahwa tegangan tarik maksimal yang terjadi pada bilah yang diperkuat dengan spar ganda adalah 8.83 MPa dan tegangan tarik maksimal pada bilah tanpa diperkuat spar sebesar 10.6 MPa. Sebaliknya, tegangan tekan maksimal yang terjadi pada bilah spar yang berpenguat spar ganda sebesar 8.68 MPa dan tegangan tekan maksimal yang terjadi pada bilah tanpa diperkuat oleh spar sebesar 11 MPa.
-1,20E+04 -1,00E+04 -8,00E+03 -6,00E+03 -4,00E+03 -2,00E+03 0,00E+00 2,00E+03 4,00E+03 6,00E+03 8,00E+03
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
Tegangan(KPa)
Tegangan upper Tegangan lower
-8,00E+03 -6,00E+03 -4,00E+03 -2,00E+03 0,00E+00 2,00E+03 4,00E+03 6,00E+03
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
Tegangan (KPa)
Tegangan upper Tegangan lower
5. Referensi
[1] A. S. Brandão, A. Gonçalves, and J. M. R. C. A. Santos, “Circular bioeconomy strategies: From scientific research to commercially viable products,” J Clean Prod, vol. 295, p. 126407, 2021.
[2] J. Charles Rajesh Kumar and M. A. Majid, “Renewable energy for sustainable development in India:
Current status, future prospects, challenges, employment, and investment opportunities,” Energy Sustain Soc, vol. 10, no. 1, pp. 1–36, 2020.
[3] A. Qazi, H. Fayaz, N. A. Rahim, G. Hardeker, D. Alghazzawi, K. Shaban, K. Haruna, “Towards Sustainable Energy: A Systematic Review of Renewable Energy Sources, Technologies, and Public Opinions,” IEEE Access, vol. 7, pp. 63837–63851, 2019.
[4] S. N. Prajapati and M. Kumar, “A Finite Element Structural Analysis Of Wind Turbine Blade,” Int.
J. for Res. Trends and Innov., 2017.
[5] A. A. Nada and A. S. Al-Shahrani, “Shape Optimization of Low Speed Wind Turbine Blades using Flexible Multibody Approach,” Energy Procedia, vol. 134, pp. 577–587, Oct. 2017.
[6] J. Chen, J. Wang, and A. Ni, “A review on rain erosion protection of wind turbine blades,” J Coat Technol Res, vol. 16, no. 1, pp. 15–24, 2019.
[7] J. Joustra, B. Flipsen, and R. Balkenende, “Structural reuse of high end composite products: A design case study on wind turbine blades,” Resour Conserv Recycl, vol. 167, p. 105393, 2021.
[8] K. Cox and A. Echtermeyer, “Structural Design and Analysis of a 10MW Wind Turbine Blade,”
Energy Procedia, vol. 24, pp. 194–201, 2012.
[9] N. Hoksbergen, R. Akkerman, and I. Baran, “The Springer Model for Lifetime Prediction of Wind Turbine Blade Leading Edge Protection Systems: A Review and Sensitivity Study,” Materials 2022, Vol. 15, Page 1170, vol. 15, no. 3, p. 1170, 2022.
[10] M. M. Schwartz, “Composite Materials: Processing, fabrication, and applications,” 1st ed., California, Pearson Technology Group, 1997.
[11] P. Kaewniam, M. Cao, N. F. Alkayem, D. Li, and E. Manoach, “Recent advances in damage detection of wind turbine blades: A state-of-the-art review,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 167, p. 112723, 2022.
[12] M. Luthfi, “Analisis Tegangan Pada Bilah Rotor Turbin Angin Akibat Beban Aerodinamika,”
Institut Teknologi Dirgantara Adisutjipto, Yogyakarta, 2013.
[13] Mushlich, “Analisis Tegangan Pada Bilah Turbin Angin Komposit Sandwich Core Foam,” Institut Teknologi Dirgantara Adisutjipto, Yogyakarta, 2014.
[14] J. L. Tangler, “The Evolution of Rotor and Blade Design,” U.S. Department of Energy, Tennessee.
2000.
[15] B. Sebastian, “Pemodelan Dan Analisis Sambungan Mekanik Pada Struktur Komposit Bilah Turbin Angin Menggunakan Metode Elemen Hingga,” Tugas Akhir, Institut Teknologi Bandung, Bandung, 2011.
