BANCANGAN DAN ANALISIS AERODINAMIKA SUDUTURBINANGINKAPASITAS300KW Sullstyo Atmadl, Ahmad Jamaludln Fltroh Penelltl PusatTeknoIogi DlrgantaraTerapan, LAPAN
ABSTRACT This particular research is t h e part of design activities of SKEA 3 0 0 kW. The turbine is designed for 45 m diameter with 3 blades. NACA airfoil 4 4 2 4 , 4 4 1 8 a n d 4 4 1 2 are u s e d consequtively from root to tip. The aerofoil performances are calculated u s i n g CFD with consideration of Reynold a n d Mach n u m b e r effects. Blade geometry with 15° twist is selected. By taking into accounts losses from rotor to generator, the blade should result in 350 kW power at nominal wind speed of 10 m / s e c . This condition is achieved at blade setting angle of 2° at rotational speed of 35 rpm a n d tip speed ratio of X = 8,24. Keywords : Wind Turbin 300 kW ABSTRAK Penelitian ini m e r u p a k a n bagian dari kegiatan Perancangan SKEA 300 kW. Rotor dirancang dengan diameter 45 m dengan j u m l a h s u d u tiga b u a h . Penampang s u d u berbentuk airfoil NACA 4 4 2 4 , 4 4 1 8 , d a n 4412 b e r u r u t a n dari pangkal hingga ujung. Prestasi airfoil dihitung dengan simulasi secara CFD dengan mempertimbangkan efek bilangan Reynolds d a n bilangan Mach. Geometri s u d u mempunyai p u n t i r a n sebesar 15°. Dengan memperhitungkan rugi-rugi a n t a r a rotor d a n generator, m a k a s u d u a k a n m a m p u menghasilkan 3 5 0 kW pada kecepatan an gin nominal 10 m / d e t d e n g a n s u d u t p a s a n g s u d u s e b e s a r 2° p a d a p u t a r a n 35 rpm d a n tip speed ratio X = 8,24. Kata kuncnTurfcin Angin 300 kW 1
PENDAHULUAN
LAPAN telah mengembangkan turbin angin sampai dengan kapasitas 50 kW d a n telah dibuat prototipenya yang u m u m n y a m e r u p a k a n turbin angin yang berdiri sendiri a t a u hybrid dengan solar sel a t a u dengan diesel. Namun dengan meningkatnya k e b u t u h a n listrik serta makin mahal dan langkanya minyak dunia, diperlukan pengembangan sumber energi alternatif yang bisa d i h u b u n g k a n secara interkoneksi dengan listrik PLN. Untuk itu LAPAN mulai mengembangkan d a n merancang turbin angin dengan kapasitas 300 kW yang dapat dihubungkan interkoneksi dengan jaringan PLN. Rancangan meliputi sudu, generator, sistem kontrol, d a n sistem mekanika. 118
Makalah ini berisi tentang hasil rancangan aerodinamika s u d u u n t u k SKEA 300 kW. Sudu u n t u k SKEA 300 kW ini mempunyai profil p e n a m p a n g s u d u yang udak homogen. Dalam hal ini dipilih tiga macam airfoil sebagai p e n a m p a n g s u d u , yaitu NACA 4 4 2 4 , 4 4 1 8 , d a n 4412 b e r u r u t a n dari pangkal hingga ujung. Sesuai dengan j u d u l makalah, m a k a tujuan u t a m a penelitian ini adalah merancang aerodinamika s u d u SKEA 300 kW. Salah s a t u spesiflkasi teknis SKEA ini adalah adanya mekanisme variabel pitch. Dengan demikian tujuan lain dari penelitian ini adalah mengetahui efek pemasangan d a n s u d u t p a s a n g s u d u t e r h a d a p daya keluaran p a d a kondisi desain. Ruang a n t a r a lain :
lingkup
rancangan
ini
• Airfoil yang digunakan sebagai penampang s u d u terdiri dari tiga macam, yaitu NACA 4424, 4418, d a n 4412 d i s u s u n b e r u r u t a n dari pangkal hingga ujung. • Prestasi airfoil diperoleh dengan simulasi CFD dengan t u r u t memperhitungkan efek bilangan Reynolds d a n bilangan Mach, k h u s u s n y a p a d a kondisi ondesign. Penelitian ini juga mengasumsikan bahwa tidak a d a defleksi di sepanjang sudu, baik defleksi aksial m a u p u n perubahan puntiran. 2 TIN JAUAN TEORI Untuk merancang s e b u a h rotor, maka terdapat empat variabel sebagai parameter awal, yaitu : • • • •
Daya keluaran rotor Kecepatan angin nominal Kecepatan p u t a r nominal Diameter rotor
H u b u n g a n a n t a r a daya keluaran, kecepatan angin nominal, d a n diameter rotor ditunjukkan dalam p e r s a m a a n berikut: (De Renzo, D. J., 1979 & Tony Burton, et al., 2001) ) Keterangan(dalam s a t u a n SI): P = daya p = kerapatan udara D = diameter rotor V = kecepatan angin cp = koefisien daya Koefisien daya, c? menggambarkan persentase j u m l a h daya angin yang dapat dikonversi oleh rotor menjadi daya listrik. Secara teoritis harga cp maksimum adalah 0,593, n a m u n pada kenyataannya hanya berkisar antara 0,30 sampai dengan 0,40 (De Renzo, D. J., 1979 8B Tony Burton, et al., 2001). Harga CP sangat tergantung dari teknik perancangan, kualitas p e m b u a t a n , d a n prestasi airfoil. Kecepatan p u t a r nominal rotor sangat dipengaruhi oleh kecepatan angin nominal d a n diameter rotor. H u b u n g a n
antara ketiga parameter tersebut biasanya dinyatakan dalam b e n t u k Tip Speed Ratio (TSR), yaitu perbandingan a n t a r a kecepatan tangensial di ujung rotor terhadap kecepatan angin. Secara matematika TSR dinyatakan sebagai berikut (De Renzo, D. J., 1979 & Tony Burton, e t a l . , 2001):
Keterangan (dalam s a t u a n SI): Vtip = kecepatan tangensial di ujung co = kecepatan p u t a r Pemilihan nilai A secara langsung dipengaruhi oleh besarnya p u n t i r a n dan s u d u t serang lokal s u d u . Turbin angin tipe horisontal b i a s a n y a m e n g g u n a k a n A = 6 - 10. Pemilihan nilai A k u r a n g dari 6 a t a u lebih dari 10 biasanya a k a n mengurangi daya maksimal yang dapat dihasilkan oleh rotor (De Renzo, D. J., 1979). Sebagian energi angin yang dikonversi menjadi energi kinetik p u t a r oleh rotor selanjutnya diteruskan ke generator, yang a k a n m e n g u b a h energi kinetik p u t a r menjadi energi listrik. Mekanisme perpindahan energi tersebut tentunya a k a n mengakibatkan rugi-rugi daya (losses). Dengan demikian, daya yang dihasilkan s u d u h a r u s lebih besar dari daya keluaran SKEA. Penampang s u d u biasanya berbenruk airfoil. Keuntungannya dibandingk a n bentuk lainnya adalah torsi yang dihasilkan lebih besar d a n peluang terjadinya stall yang j a u h lebih kecil. Biasanya dipilih airfoil yang tebal u n t u k daerah pangkal s u d u agar dapat m e n a m b a h kekuatan s t r u k t u r pangkal sudu. Airfoil dengan prestasi aerodinamika yang baik biasanya digunakan sebagai penampang bagian ujung s u d u u n t u k menghasilkan torsi a t a u daya yang sebesar mungkin. Prestasi airfoil secara u m u m dipengaruhi oleh d u a hal, yaitu (Abbort, Ira H., Von Doenhoff, Albert E., 1959) : • Geometri airfoil itu sendiri 119
Tabel 3-1: PARAMETER UTAMA ROTOR
• Kondisi operasional, dalam hal ini adalah bilangan Reynolds d a n bilangan Mach. Kedua parameter tersebut secara matematika masing - masing dinyatakan dalam b e n t u k :
V M=— a
M
(2-4) {
Keterangan (dalam s a t u a n SI): Re = bilangan Reynolds c = chord u = viskositas u d a r a M = bilangan Mach A = kecepatan s u a r a Beban bending aksial yang h a r u s m a m p u ditahan oleh pangkal rotor (hub) adalah akumulasi dari bending aksial di sepanjang s u d u . Selain menggunakan penampang s u d u yang tebal, pangkal rotor (hub) dapat j u g a diperkuat dengan cara menggunakan sudu dengan puntiran. 3
HASIL PENELITIAN
3.1 Parameter Utama H u b u n g a n a n t a r a daya keluaran, kecepatan angin nominal, kecepatan p u t a r nominal rotor, d a n diameter rotor secara eksplisit telah ditunjukkan dalam p e r s a m a a n (2-1) d a n (2-2). Asumsi yang digunakan u n t u k m e n y u s u n parameter awal dalam penelitian ini a n t a r a lain : • Koefisien daya, cp = 0,3 - 0,4 • Tip Speed Ratio, A = 6 - 10 • Rugi - rugi daya sekitar 14 % sehingga daya rotor yang diperlukan menjadi sekitar 350 kW Dengan menggabungkan k e d u a persamaan d a n ketiga asumsi tersebut, maka parameter u t a m a rotor 350 kW dapat dilihat pada Tabel 3-1 :
120
Kecepatan angin r a t a - r a t a di Indonesia tergolong cukup kecil sehingga kecepatan angin rancangan sebaiknya dipilih serendah mungkin. Konsekuensinya adalah turbin angin a k a n m e m e r l u k a n diameter rotor yang sangat besar. Dengan mempertimbangkan kedua aspek tersebut, m a k a kecepatan angin rancangan dipilih sebesar 10 m / d e t . Seperti yang telah dijelaskan dalam Parameter Utama bahwa rugi-rugi daya (losses) dipilih sebesar 14% sehingga daya rotor s e b e n a m y a b u k a n 300 kW melainkan 350 kW. Tabel 3-1 menunjukk a n bahwa u n t u k menghasilkan daya 350 kW p a d a kecepatan angin 10 m / d e t , m a k a diameter rotor yang bersesuaian adalah a n t a r a 43 sampai dengan 49 m. Dalam kegiatan perancangan ini diameter rotor dipilih sebesar 45 m. Kecepatan angin r a n c a n g a n d a n diameter rotor mempengaruhi daerah kerja kecepatan p u t a r rotor. Tabel 3-1 menunjukkan bahwa daerah kerja kecepatan p u t a r rotor r a n c a n g a n adalah 23 sampai dengan 45 RPM. Dalam penelitian ini kecepatan putar rancangan dipilih sebesar 35 RPM. Kecepatan p u t a r rotor dipilih agak tinggi u n t u k meminimalisasi perbandingan a n t a r a kecepatan p u t a r rotor dan generator. Kesimpulan ketiga paragraf di atas dapat ditulis ulang sebagai berikut : • • • • • • • •
Kecepatan angin rancangan, V= 10 m / d e t , Kecepatan p u t a r nominal, a = 35 RPM, Diameter rotor, D= 45 m, Tip Speed Ratio, A = 8,24,
Hasil r a n c a n g a n berupa geometri sudu selengkapnya disajikan dalam paragraf selanjutnya. 3.2 Geometri Sudu Geometri s u d u u n t u k SKEA 300 kW dalam perancangan ini dipilih sebagai b e r i k u t : • Jumlah s u d u , B = 3, • Diameter rotor, D = 45 m, • Diameter pangkal, Dhub~ 11 m, • Panjang chord di pangkal, croof= 1,5 m, • Panjang chord di ujung, c tip= 0,5 m (distribusi chord linier), • Puntiran (linier) = 1 5 derajat, • Penampang NACA 4424 (bagian pangkal sudu) NACA 4418 (bagian midspan) NACA 4412 (bagian ujung sudu) Dalam penelitian ini geometri sudu sengaja dipilih terlebih dahulu. Setelah prestasi airfoil dihitung a t a u disimulasi, m a k a dengan memvariasikan sudut pasang s u d u a k a n diketahui apakah s u d u m a m p u menghasilkan 350 kW a t a u tidak. 3.3 Airfoil Seperti yang telah disebutkan pada Geometri S u d u bahwa airfoil yang digunakan sebagai penampang s u d u adalah NACA 4424, 4418, d a n 4412. Bentuk ketiga airfoil tersebut dapat dilihat dalam Gambar 3-1, 3-2, dan 3-3.
Gambar 3-l:Geometri NACA 4424
Dengan menggunakan persamaan (2-3) dan (2-4) d a n dengan menggunakan hasil dari Parameter Utama dan Geometri Sudu, m a k a distribusi airfoil, bilangan Reynolds, dan bilangan Mach di sepanjang s u d u dapat d i s u s u n sebagai berikut : Tabel 3-2: DISTRIBUSI AIRFOIL, BILANGAN REYNOLDS, DAN BILANGAN MACH Segmen 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
Posisi, r NACA 44xx (m) 24 5,50 24 6,34 24 7,19 j 8,04 24 24 8,89 24 9,74 24 10,59 11,44 18 18 12,30 18 13,15 18 14,00 18 14,85 18 15,70 18 16,55 17,40 12 18,25 12 12 19,10 12 19,95 12 20,80 12 21,65 12 22,50
Re (iuta) 2,07 2,31 2,52 2,72 2,90 3,05 3,19 3,30 3,39 3,46 3,51 3,54 3,54 3,53 3,49 3,43 3,35 3,25 3,13 2,99 2,82
M 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 0,10 0,11 0,12 0,13 0,14 0,15 0,16 0,17 0,18 0,19 0,20 0,21 0,21 0,22 0,23 0,24
Prestasi ketiga airfoil di atas dihitung sesuai dengan kondisi operasionalnya. Seperti yang telah dijabarkan dalam Tabel 3-2, m a k a airfoil NACA 4424 digunakan u n t u k segmen 1- 7, NACA 4418 u n t u k segmen 8 - 1 4 , d a n NACA 4412 u n t u k segmen 15 - 2 1 . Kondisi operasional airfoil dipilih di setiap pertengahan segmennya (Tabel 3-3). Tabel 3-3: PEMILIHAN KONDISI OPERASIONAL AIRFOIL
G a m b a r 3-2: Geometri NACA 4 4 1 8
Posisi, Re r ( m ) (juta)
M
Airfoil
Segmen
NACA 4424
4
8,04
2,72
0,09
NACA 4418
11
14,00
3,51
0,15
NACA 4412
18
19,95
3,25
0,21
Gambar 3-3: Geometri NACA 4412 121
Prestasi airfoil dihitung dan disimulasikan m e n g g u n a k a n salah s a t u perangkat l u n a k berbasis CFD. Hasilnya seperti p a d a G a m b a r 3-4a, 3-4b, 3-5a, 3-5b, 3-6a, d a n 3-6b.
Karakteristik aerodinamika airfoil digunakan u n t u k menghitung daya d a n karakteristik s u d u . 3 . 4 Sudut Pasang Sudu Setelah kondisi operasional d a n geometri s u d u ditentukan, d a n setelah karakteristik aerodinamika airfoil dihitung, m a k a s u d u t pasang s u d u dapat dihitung. H u b u n g a n s u d u t pasang sudu terhadap daya yang dapat dihasilkan oleh rotor ditunjukkan dalam Tabel 3-4 d a n Gambar 3-7a, d a n 3-7b. Tabel 3-4: SUDUT PASANG SUDU-DAYA ROTOR
122
Pada kecepatan angin dan kecepatan p u t a r tertentu, torsi yang dihasilkan s u d u sangat dipengaruhi oleh prestasi airfoil sebagai p e n a m p a n g s u d u . Semakin besar perbandingan a n t a r a gaya angkat d a n gaya h a m b a t (ci/cd) di setiap airfoil, m a k a torsi yang dihasilkan j u g a akan semakin besar. Pada bilangan Reynolds dan bilangan Mach tertentu, airfoil mempunyai daerah s u d u t serang, a tertentu yang menghasilkan ci/cd yang maksimal. H u b u n g a n a n t a r a a d a n ci/cd u n t u k NACA 4424, 4418, d a n 4412 dapat diperoleh, d a n hasilnya ditunjukkan p a d a Gambar 4-4, 4-5, d a n 4-6.
Gambar 3-7b: S u d u t pasang - CP rotor Berdasarkan Tabel 3-4 dan Gambar 3-7a, d a n 3-7b terlihat bahwa daya rotor sebesar 350 kW dapat dicapai dengan s u d u t pasang s u d u sebesar -6 dan +2 derajat. S u d u t pasang s u d u yang besar dapat menghasilkan torsi awal yang besar pula sehingga rotor mempunyai k e m a m p u a n start - up yang semakin baik. Dengan demikian dipilih sudut pasang s u d u sebesar +2 derajat. 4
PEMBAHASAN
P e m b a h a s a n hasil rancangan ini hanya m e n c a k u p efek s u d u t pasang s u d u t e r h a d a p daya keluaran. Aspek lainnya sengaja tidak dibahas karena sebagian besar m e r u p a k a n parameter yang ditentukan d a n telah dijelaskan secara singkat dalam paragraf masingmasing. Dengan kondisi operasional d a n geometri tertentu, daya s u d u sangat dipengaruhi oleh s u d u t pasang s u d u . Dengan distribusi p u n t i r a n d a n s u d u t pasang tertentu, maka distribusi s u d u t serang di sepanjang sudu dapat diketahui. 123
Dari ketiga kurva di a t a s dapat dilihat bahwa setiap airfoil mempunyai d a e r a h a tertentu yang dapat menghasilk a n cj/cd yang tinggi. Analisis s u d u dapat dimulai secara 2-D. Prestasi di setiap elemen di sepanjang s u d u dapat diwakilkan oleh prestasi p a d a s e b u a h elemen, yaitu elemen yang berada p a d a posisi sekitar 70% dari jari-jari rotor (Glauert, H., 1935; Gostelow, 1984]. Tabel 3-2 menunjukkan b a h w a elemen tersebut adalah elemen nomor 15 dimana profilnya adalah NACA 4412. Pada kondisi operasional airfoil NACA 4 4 1 2 mempunyai ci/cd m a k s i m u m p a d a a sekitar 4°. Geometri s u d u dipilih mempunyai puntiran linier sebesar 15° sehingga elemen pada posisi sekitar 70 % R mempunyai s u d u t serang sebesar 4,5°. Dengan demikian s u d u t pasang s u d u sebesar 0,5° (= 4,5°-4°) akan memberikan ci/cd m a k s i m u m sehingga daya yang dihasilkan juga maksimum. Estimasi p a d a paragraf di atas masih belum m e m p e r h i t u n g k a n a d a n y a slip stream. S u d u t serang efektif, a eff m e r u p a k a n perpaduan a n t a r a s u d u t serang s u d u , a d a n slip stream. Dengan a d a n y a slip stream, m a k a a eti a k a n lebih kecil daripada a. Dengan kata lain apabila menggunakan a sebagai referensi, m a k a daya m a k s i m u m diperoleh p a d a s u d u t p a s a n g s u d u sebesar 0,5°. Apabila menggunakan a crr sebagai referensi, m a k a diperkirakan s u d u t p a s a n g k u r a n g dari 0° akan memberikan daya maksimum. Basil perhitungan da lam Tabel 3-4 m e n u n j u k k a n bahwa daya m a k s i m u m dicapai pada s u d u t p a s a n g -3°, yaitu sebesar 452 kW. Sesuai dengan tema kcgiatan d a n asumsi yang digunakan, m a k a s u d u dirancang u n t u k menghasilkan daya sebesar 3 5 0 kW. Oleh k a r e n a itu s u d u t pasang s u d u yang dipilih b u k a n -3° melainkan +2°.
124
5
KESIMPULAN
Kesimpulan dari penelitian ini a n t a r a lain : • Telah diperoleh geometri s u d u u n t u k SKEA 300 kW u n t u k spesifikasi kecepatan angin nominal 10 m / d e t dengan p u t a r a n 35 rpm, • Digunakan tiga b u a h penampang airfoil dengan distribusi p e n a m p a n g di sepanjang sudu, • S u d u t pasang s u d u sangat m e m pengaruhi daya yang dapat dihasilkan s u d u . Daya sebesar 350 kW dapat dicapai dengan s u d u t p a s a n g s u d u +2°, • Untuk m e m e n u h i spesifikasi SKEA 3 0 0 kW yang m e n g g u n a k a n mekanisme variable pitch, perlu dilakukan penelitian u n t u k menghitung d a n menganalisis p e r u b a h a n s u d u t p a s a n g s u d u {pitch angle) yang diperlukan p a d a kondisi kecepatan putar konstan dengan kecepatan angin yang bervariasi DAFTAR RUJUKAN Abbort, Ira H., Von Doenhoff, Albert E., 1959. Theory of Wing Section, Dover Publications Inc., New York. Anderson, J o h n D., 1985. Fundamentals of Aerodynamics, Mc. Grawhill company, Singapore. De Renzo, D. J., 1979. Wind Power (Recent Development), Noyes Data Corporation, Park Ridge, New Jersey, U.S.A. Glauert, H., 1935. Airplane Propellers, Div. Vol IV of Durand's Aerodynamics Theory, Dover Publications, New York. Gostelow, 1984. Cascade Aerodynamics, Pergamon Press, Sidney. Tony Burton, et. al. 2 0 0 1 . Wind Energy Hand Book, J o h n Willey & Sons. Manual GAMBIT. Manual FLUENT
