Kajian Lintasan Orbit Pada Turbin Angin Savanius Tipe Rotor Helix Dengan Menggunakan Software Matlab 2014

(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)

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)

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)

3.6.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)

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 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)

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)

� Perioda (s)

� Kecepatan sudut (rad/s)

w Berat (N)

�� Frekuensi natural (rad/s)

� Perpindahan / displacement (m)

� Kecepatan / velocity (m/s)

� Percepatan / acceleration (m/s2)