FINAL PROJECT– ME091336 FINAL PRESENTATION ( P3) MONDAY-TUESDAY,JANUARY 24-25, 2011 DEPT MARINE ENGINEERING ITS SURABAYA 2011
PERFORMANCE ANALISYS OF KAPLAN TURBINE BLADE FOR ENERGY EFFICIENCY Ahmad Hidayaturrahman*), Tony Bambang Musriadi*) , Irfan Syarif Arif*) Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan*) Institut Teknologi Sepuluh Nopember Abstrak Energi yang berasal dari laut merupakan alternatif energi ‘terbarukan’ termasuk sumberdaya non-hayati yang memiliki potensi besar untuk dikembangkan. Laut sebagai ‘Last Frontier’ di bumi memang menjadi tujuan akhir menjawab tantangan kekurangan energi. Diperkirakan potensi laut mampu memenuhi empat kali kebutuhan listrik dunia se-hingga tidak mengherankan ber-bagai negara maju telah berlomba memanfaatkan energi ini. oleh karena itu diperlukan studi – study untuk mengembenagkan technology yang mempunyai kemampuan untuk mengeksplorasi dan mengeksploitasi energy tersebut secara ramah lingkungan. Skripsi ini bertujuan untuk mengetahui performansi yang dihasilkan kaplan turbine dengan besar arus tertentu Untuk mendapatkan hasil yang diinginkan, maka model awal turbin divariasikan mengenai jumlah blade ( 3, 4 dan 5 serta 6 daun ), putaran (rps)yang didapat setelah memvariasikan nilai J, serta sudut pitch rasionya. Dari hasil analisa didapat ketiga variasi tersebut berpengaruh terhadap performansi Kaplan itu sendiri. Untuk besar pitch rasio yang tetap, sedangkan putaran makin besar, didapat nilai torsi yang semakin kecil. Nilai torsi terbesar didapat pada variasi jumlah blade 3 daun, pitch rasio 0.6 + 100, dan putaran 4.5 rps. Efisiensi terbesar dicapai oleh model Ka6a50p10j1 sebesar 42.38%. Kata kunci : turbin, Kaplan, performansi, arus laut, energy. 1. PENDAHULUAN 1.1. LATAR BELAKANG Harga minyak dunia (BBM) dipastikan terus naik seiring dengan menipisnya sumberdaya yang tak terbarui tersebut. Apabila pertumbuhan permintaan listrik nasional rata-rata sebesar 7,2 persen per tahun, maka perlu tambahan pembangkit listrik baru sekitar 17.000 MW pada tahun 2010. Untuk mengatasi krisis energi diperlukan langkahlangkah yang konstruktif sebab selain di pulau Jawa, Sulawesi Utara juga mengalami defisit ratarata 10 MW per hari sehingga PLN terpaksa melakukan tindakan pemadaman bergilir karena kebutuhan akan listrik tidak sesuai lagi dengan kapasitaspembangkit yang terpasang. Untuk memperoleh daya listrik guna memenuhi kebutuhan se-hari-hari, beberapa pembangkit dengan memakai tenaga alam yang ramah lingkungan seharusnya dimanfaatkan dengan mengambil potensi alam yang justru ada di sekeliling kita mi-salnya sinar matahari, air, angin serta sumber energi nir-konven-sional yang terbarui dari lautan. Energi yang berasal dari laut merupakan alternatif energi „terbarukan‟ termasuk sumberdaya nonhayati yang memiliki potensi besar untuk dikembangkan. Selain menjadi sumber pangan, laut juga mengandung beraneka sumberdaya energi
yang keberadaannya semakin signifikan manakala energi yang bersumber dari bahan bakar fo-sil semakin menipis. Laut sebagai „Last Frontier‟ di bumi memang menjadi tujuan akhir menjawab tantangan kekurangan energi. Diperkirakan potensi laut mampu memenuhi empat kali kebutuhan listrik dunia se-hingga tidak mengherankan ber-bagai negara maju telah berlomba memanfaatkan energi ini. Secara umum, lautan dapat memproduksi dua tipe energi yaitu energi dari kandungan air laut, perbedaan suhu dan salinitas (termodinamika) serta energi gelombang dan arus (mekanik/kinetika). Indonesia yang terletak di garis katulistiwa, hampir sepanjang tahun mendapat sinar matahari sekaligus memiliki lautan luas serta garis lingkar pantai yangpanjang. Artinya kita memiliki sumber energi potensial yang sangat besar dan tidak ada habisnya. Dengan kondisi alam ini sudah semestinya kita tidak perlu khawatir akan kehabisan sumber energi. Persoalannya tinggal ba-gaimana kita memanfaatkan dan mengelola potensi ini. Sumber energi arus pasang-surut dunia hanya untuk jenis Tidal Fence diperkirakan lebih dari 450.000 MW dan dari potensi tersebut baru sebagian kecil dimanfaatkan. Banyak lokasi dunia dinilai sebagai tempat yang cocok bagi pembangunan pem-bangkit energi arus pasut ini termasuk Indonesia.
1.2 PERUMUSAN MASALAH 1.2.1 Permasalahan. Beberapa permasalahan tersebut adalah sebagai berikut : 1. Menganalisa performansi dari turbin Kaplan untuk besar arus tertentu 2. Menganalisa performansi dengan memvariasikan dimensi karakteristik dari blade turbin 1.2.1 Batasan Masalah. Dari permasalahan yang harus diselesaikan di atas maka perlu adanya pembatasan masalah serta ruang lingkupnya agar dalam melakukan analisa nantinya tidak melebar dan mempermudah dalam melakukan analisa, batasan tersebut yaitu : 1.
sebatas menganalisa performansi Kaplan turbine dengan data – data arus yang diambil serta memvariasikan dimensi karakteristik turbin 2. Tidak membahas factor ekonomis 3. Tidak membahas penempatan turbin 4. Tidak merencanakan sistem turbin secara keseluruhan Dalam proses pengerjaan menggunakan software CFD serta software pendukung lainnya 1.3. TUJUAN PENULISAN Tujuan penelitian ini adalah : Tujuan penelitian ini adalah :Mengetahui performansi yang dihasilkan kaplan turbine dengan besar arus tertentu serta pengaruh perbedaan dimensi karakteristik runner turbin dengan hasil daya, dan torsi yang didapat.
gerakan itu seperti gaya coriolis, yaitu gaya yang membelok arah arus dari tenaga rotasi bumi. Pembelokan itu akan mengarah ke kanan di belahan bumi utara dan mangarah ke kiri di belahan bumi selatan. Gaya ini yang mengakibatkan adanya aliran gyre yang searah jarum jam (ke kanan) pada belahan bumi utara dan berlawanan dengan arah jarum jam di belahan bumi selatan. Perubahan arah arus dari pengaruh angin ke pengaruh gaya coriolis dikenal dengan spiral ekman. Menurut letaknya arus dibedakan menjadi dua yaitu arus atas dan arus bawah. Arus atas adalah arus yang bergerak di permukaan laut. Sedangkan arus bawah adalah arus yang bergerak di bawah permukaan laut. Faktor pembangkit arus permukaan disebabkan oleh adanya angin yang bertiup diatasnya. Tenaga angin memberikan pengaruh terhadap arus permukaan (atas) sekitar 2% dari kecepatan angin itu sendiri. Kecepatan arus ini akan berkurang sesuai dengan makin bertambahnya kedalaman perairan sampai pada akhirnya angin tidak berpengaruh pada kedalaman 200 meter. Di laut terbuka, air laut digerakan oleh dua sistem angin. Di dekat khatulistiwa, angin pasat (trade wind) menggerakkan permukaan air ke arah barat. Sementara itu, di daerah lintang sedang (temperate), angin baratan (westerlies wind) menggerakkan kembali permukaan air ke timur. Akibatnya di samudera-samudera akan ditemukan sebuah gerakan permukaan air yang "membundar". Di belahan bumi utara, angin ini membangkitkan arus yang bergerak searah jarum jam, sementara itu di belahan bumi selatan dia bergerak berlawanan arah jarum jam.
1.4 MANFAAT TUGAS AKHIR Manfaat dari penulisan tugas akhir ini adalah sebagai bahan referensi dan studi untuk penelitian selanjutnya yang berhubungan dengan tugas akhir ini serta mengetahui performansi turbin Kaplan setelah memvariasikan dimensi karakteristik dan arus laut yang mengenai runner turbin. 2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Arus Laut (Sea Current) Arus laut (sea current) adalah gerakan massa air laut dari satu tempat ke tempat lain baik secara vertikal (gerak ke atas) maupun secara horizontal (gerakan ke samping). Contoh-contoh
daerah air naik di indonesia Arus laut, baik yang di permukaan maupun di kedalaman, berperan dalam iklim di Bumi dengan cara menggerakkan air dingin dari kutub ke daerah tropis dan sebaliknya. Sistem arus global yang mempengaruhi iklim di Bumi ini biasa disebut sebagai "Great Ocean Conveyor Belt" atau dalam bahasa Indonesia biasa menyebut sebagai "Sabuk Arus Laut Dunia". Air laut selalu dalam
keadaan bergerak. Arus laut bergerak tak ubahnya arus di sungai, gelombang laut bergerak dan menabrak pantai, dan gaya gravitasi bulan dan matahari mengakibatkan naik turunnya air laut dan biasa disebut sebagai fenomena pasang surut laut. Arus laut terjadi akibat perbedaan penyinaran matahari diberbagai tempat di lautan perbedaan ini menyebabkan perbedaan temperature dan kadar garam air laut berbeda dan mempengaruhi air laut itu sendiri. Perbedaan ini pada akhirnya akan menimbulkan arus laut. Arus laut yang tetap dapat dibagi menjadi : a. Arus laut karena thermo haline convection ( disebabkan permukaan air laut yang dingin di daerah kutub b. Arus laut karena curah hujan lebih besar dari penguapan atau sebaliknya ( pada lauta tertentu ) c. Arus laut karena adanya transfer energy dari angina yang konstan pada permukaan laut. ( Saut Gurning, R.O.1995) 2.2 Turbin 2.2.1 Macam – macam Turbin Turbin Air dapat diklasifikasikan dengan berbagai cara, namuna yang paling utama adalah dengan melihat cara turbin mengbah energi air menjadi energy puntir. Adapun macamnya adalah : 1. Turbin impuls Penggerak turbin secara langsung mengubah tenaga kinetic dan tekanan secara bersamaan menjadi energy mekanik. Yang temasuk dalam tipe ini adalah turbin baling – baling, Kaplan, francis dan dariaz. 2. Turbin reaksi Tekanan air keluar melalui mulut pipa pemancar dan mengenai sudu – sudu. Contohnya turbin pelton. 2.2.2 Daya Turbin ( Horisontal Axist Water Turbine ) Besar tenaga yang dihasilkan oleh sebuah trubin adalah: P = 0.5 x m x v2 .......( 2.1 ) Dimana, P = daya output effective, watt m = massa air laut yang melewati suatu luasan per satuan waktu v = kecepatan air laut, m3/s
A. Massa air laut ( m ) Besar air laut dapat dihitung berdasarkan jumlah massa air yang melalui sudu turbin dengan rumus : Q = A x V x ………….( 2.2) Maka rumus 2.2 disubstitusikan pe persamaan 2.1 sehingga persamaan menjadi P = 0.5 x x v3 x A ………….( 2.3 ) Dimana, = massa jenis air laut A = luasan yang dilalui air laut. 2.2.3 Putaran Turbin Untuk merencanakan putaran turbin terlebih dahulu kita ketahui besarnya putaran generator yang akan digunakan . putaran ini juga menjadi putaran turbin yang direncanakan. Putaran generator ditentukan dengan persamaan Ng=60 x f / P ( Rpm ) ……………….( 2. 4) 2.2.4 Desain dan Aplikasi Pemilihan turbin kebanyakan didasarkan pada head air yang didapatkan dan kurang lebih pada rata-rata alirannya. Umumnya, turbin impuls digunakan untuk tempat dengan head tinggi, dan turbin reaksi digunakan untuk tempat dengan head rendah. Turbin Kaplan baik digunakan untuk semua jenis debit dan head, efisiiensinya baik dalam segala kondisi aliran. Turbin kecil (umumnya dibawah 10 MW) mempunyai poros horisontal, dan kadang dipakai juga pada kapasitas turbin mencapai 100 MW. Turbin Francis dan Kaplan besar biasanya mempunyai poros / sudu vertikal karena ini menjadi penggunaan paling baik untuk head yang didapatkan, dan membuat instalasi generator lebih ekonomis. Poros Pelton bisa vertikal maupun horisontal karena ukuran turbin lebih kecil dari head yang di dapat atau tersedia. Beberapa turbin impuls menggunakan beberapa semburan air tiap semburan untuk meningkatkan kecepatan spesifik dan keseimbangan gaya poros. Adapun tipe penggunaan turbin adalah sebagai berikut · Kaplan 2
2.2.6 Turbin Kaplan 2.2.6.1 Moment Turbine Kaplan
Turbine application chart 2.2.5 Kecepatan spesifik Kecepatan spesifik (ns), menunjukkan bentuk dari turbin itu dan tidak berhubungan dengan ukurannya. Hal ini menyebabkan desain turbin baru yang diubah skalanya dari desain yang sudah ada dengan performa yang sudah diketahui. Kecepatan spesifik merupakan kriteria utama yang menunjukkan pemilihan jenis turbin yang tepat berdasarkan karakteristik sumber air. Kecepatan spesifik dari sebuah turbin juga dapat diartikan sebagai kecepatan ideal, persamaan geometris turbin, yang menghasilkan satu satuan daya tiap satu satuan head. Kecepatan spesifik tubin diberikan oleh perusahaan (dengan penilaian yang lainnya) dan dan selalu dapat diartikan sebagai titik efisiensi maksimum. Perhitungan tepat ini menghasilkan performa turbin dalam jangkauan head dan debit tertentu. Tabel hubungan putaran spesifik dan tipe turbin (saut gurning)
n = rpm , Ω = kecepatan sudut (radian/detik)
Moment Blade
dT 4r u o a1 a k a ' rk dr
2
………..( 2.5)
Ns (rpm)
Turbine Type
4 to 35
Pelton with 1 nozle
17 to 50
Pelton with 2 nozles
24 to 70
Pelton with 4 nozles
80 to 120
Francis turbine, low speed
120 to 220
Francis turbin, normal sped
220 to 350
Francis turbine, high speed
350 to 430
Francis turbine express
300 to 1000
Propeller and kaplan
dT 4r 3 u 0 a ' 1 a k …( 2.6 ) dr dL 1 cBW 2 C L …………( 2.7) dr 2 dD 1 cBW 2 C D ……….( 2.8) dr 2 2.2.6.2 Kekuatan Blade pada Turbin Kaplan a. Torsi dari Rotor :
dT dL dD cos sin D …… (2.9) dr dr dr
dQ dL dD cos …………( 2.10) sin dr dr dr
b.
Power Turbin kaplan
dCp 2TSR(1 a) 2 KxC …( 2.11) dr sin 2 dCT 2(1 a) 2 KCx cBW 2 C D …( 2.12) dx sin 2 3. METODOLOGI 3.1 Umum
Suatu karya ilmiah yang baik memiliki metodologi yang akurat dan terperinci dengan sumber informasi yang seluas – luasnya. Dalam pengerjaan tugas akhir ini untuk mencapai hasil yang diinginkan, diperlukan kerangka pengerjaan yang terstruktur. Kerangka ini berisi urutan proses pengerjaan mulai pengumpulan data sampai diperoleh hasil akhir.
3.2. Simulasi Model 3.2.1. Penggambaran model Langkah berikutnya adalah membuat rancangan blade turbin termasuk dalam tahap ini adalah menghitung dan mengolah data dimensi dan koordinat kurva kurva bentuk model. Dengan cara yang sama maka akan divariasikan untuk analisa, variasi yang ada yaitu variasi jumlah blade, dalam hal ini menggunakan 3, 4, 5 dan 6 jumlah blade serta variasi pitch rasio 0.6 (15.270), pitch 0.6+50, pitch 0.6+100. 3.2.2.
Simulasi model Ada tiga tahap daalm proses simulasi ANSYS, yaitu prepocesor, solution dan postprocesor. Tahap prepocesor adalah tahap untuk membuat model geometri, mendefinisikan sifat material model )mekanis dan fisika), dan proses pembuatan elemen dan node pada model (meshing). Pada tahap solution digunakan untukk menentukan tipe penyelesaian terhadap analisa yang dilakukan, apakah statik atau dinamik. Penyelesaian dilakukan terhadap model dalam bentuk elemen dengan pembebanan dan kondisi batas yang diberikan pada model. Sedangkan pada tahap postprocesor digunakan untuk menampilkan hasil iterasi analisa komputer terhadap model. Dari hasil simulasi, diperoleh distribusi tegangan serta hubungannya terhadap dimensi dan variasi yang ada.
3.3. Tahap analisa data dan penyelesaian Data yang diperoleh kemudian diolah melalui perhitungan-perhitungan berupa nilai torque yang muncul serta efisiensi energi yang kemudian ditabulasikan dan dibuat grafik tren hubungan antar variable-variabel yang ada. Setelah analisa dilakukan, maka dibuat perbandingan antara hasil analisa dengan data awal yang ada. Dari perbandingan ini maka dapat ditarik suatu kesimpulan untuk merangkum keseluruhan hasil penelitian. Langkah terakhir dari analisa ini adalah pendokumentasian skripsi. 4. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN .1 Data Awal Penelitian ini menggunakan data awal berupa arus dasar laut beserta kedalamannya. Data tersebut diambil di wilayah sekitar Selat Bali. Data tersebut tertera pada table di bawah: Daftar tempat pengambilan arus 1. Banyuwangi 2. Manyar 3. Ketapang 4. Watu dodol Data arus Musim Angin Timur (rata – rata)
Lokasi 1 2 3 4
Kecepatan Arus (m/s) 0.6 1.2 1.6 1.8 Table 4.1
Data arus Musim Angin Barat (rata – rata) Lokasi Kecepatan Arus (m/s) 1 0.9 2 2.1 3 2.9 4 4.2 Table 4.2 .2
.3
Menentukan putaran Turbin Untuk menentukan putaran dalam simulasi, maka divariasikan besar nilai J, yaitu 0.4, 0.6 dan 0.8, sehingga didapat variasi putaran 9 rps, 6 rps dan 4.5 rps untuk masing – masing variasi pitch. Adapun rumusnya adalah :
Model Turbin Dari data arus yang didapat diatas, maka dipilih besar arus disuatu daerah yang memiliki rata – rata arus tertinggi, tapi arusnya yang terendah yaitu daerah perairan watu dodol. Dari daerah watu dodol, didapat besar arus yaitu 1.8 m/s. dari besar arus tersebut maka ditentukan diameter turbin adalah 0.5 m.
.4
Variasi Model
.5
Dalam analisa, model utama turbin ada tiga macam, yaitu blade 3 daun, 4 daun dan 5 daun. Dari masing – masing model yang memiliki pitch ratio 0.6, divariasikan sudut turbin (pitch ratio), masing – masing pitch ratio awal (0.6), pitch ratio awal + 50, pitch ratio awal +100. Setelah itu dari masing – masing variasi model pitch rasio divariasikan kembali dengan variasi J, Jadi total model yang disimulasikan adalah 27 variasi. Simulasi dari model yang sudah dibuat, maka model – model tersebut disimulasikan dalam software CFD. Ada beberapa langkah dalam simulasi ANSYS, yaitu tahap ICEM, PRE, SOLVER, dan terakhir adalah POST. Dalam tahap PRE, model dilengkapi dengan beberapa hal berikut :
Domain Domain merupakan daerah batas atau ruang lingkup fluida dimana fluida tersebut berada dan bekerja. Pada simulasi ini akan dibuat dua domain yaitu domain rotating dan domain stationer dimana fluida yang bekerja pada kedua domain tersebut adalah air. Pada domain rotating, fluida akan berputar dengan putaran tertentu, dimana pada domain ini terdapat model turbin dengan kecepatan putar sesuai dengan variasi yang ditentukan sebelumnya. Sedangkan pada domain stationer, aliran fluida yang bergerak pada domain ini bergerak secara translasi. Untuk menghubungkan sebuah domain dengan domain lainnya diperlukan domain interface. Pada simulasi ini digunakan domain interface untuk menghubungkan lurus diam dan berputar. Parameter-parameter yang digunakan : Tipe interface : fluid-fluid Model interface : General connection Frame change : Frozen rotor Boundary Boundary atau bisa juga disebut kondisi batas dibuat untuk mengetahui karakteristik benda dan fluida agar mendekati dengan kondisi yang sebenarnya. Pada simulasi ini, terlebih dahulu model akan diletakkan dalam sebuah silinder sebagai pembatas aliran fluida yang akan dilewati. Kondisi batas yang dibentuk diantaranya berupa inlet yaitu sebagai saluran masuknya fluida, outlet sebagai saluran keluarnya fluida dan wall (dinding pembatas) yang digunakan sebagai boundary pada model serta silinder pembatas aliran fluida. inlet Pada simulasi digunakan dua inlet untuk dua jenis domain yang telah dibuat sebelumnya, yang pertama yaitu inlet untuk domain stationer dengan parameter input berupa V (kecepatan arus) yaitu 1.8 m/s. Sedangkan untuk inlet kedua adalah bagian domain rotating, input parameter yang digunakan adalah massflow rate dengan ketentuan berikut. Q = V. A = V. ¼ π D2.ρ air laut = 1.8 x 0.300402 x 1025 = 554.242 kg/s Outlet
Outlet merupakan bagian dari domain stationer dengan parameter yang dipakai adalah tekanan statis rata-rata sebesar 1 atm yang bersifat relative terhadap tekanan fluida pada domain.
Wall
Wall merupakan dinding pembatas fluida kerja yang dikondisikan pada model percobaan. Silinder yang digunakan untuk meletakkan model turbin ditetapkan sebagai wall dengan parameter opening, dimana aliran fluida yang bekerja pada percobaan dianggap tidak akan memantul kembali ke dalam silinder jika mengenai silinder pembatas tersebut . Sedangakn model tubin yang digunakan juga bertipe wall tetapi dengan parameter no slip yang artinya terdapat gesekan pada model tersebut apabila dilewati fluida kerja.
Solver
Program solver CFD ini bertujuan untuk melakukan proses pengolahan data dengan perhitungan numerik komputer dari semua parameter-parameter yang telah ditentukan pada domain dan boundary condition di atas. Pada tahap ini, parameter yang digunakan adalah Maximum iteration = 50 Timescale control = Automatic time scale Convergence criteria (residual target) = 1 x 10-4 Iterasi diatas digunakan untuk memperoleh konvergensi, yaitu kesesuaian (matching) antara input simulasi (boundary condition dan parameter lain) atau tebakan yang diberikan dengan hasil perhitungan yang diperoleh (kriteria output). Semakin kecil selisih konvergensi maka hasil yang diperoleh semakin akurat. Post
Tahap post ini bertujuan untuk menampilkan hasil pengolahan data yang telah dilakukan pada proses solver. Hasil yang diperolah dapat berupa data numerik maupun data visual. Data yang diperoleh akan digunakan sesuai dengan tujuan dari percobaan yang dilakukan. Berikut ini adalah contoh data visual yang diambil dari tahap post berdasarkan proses simulasi.
.6
Perhitungan
Torque Value Untuk mencari nilai torque, maka menggunakan function calculator yang berada di post result ANSYS. Karena blade turbin pada model dipisah antara face dan back, maka nilai dari torque ditambahkan.
Q = torqueface + torqueback Q = (-403.163) + (394.737) Q = 8.426 Nm Daya (power) Dalam perhitungan power dari model yang disimulasikan, maka menggunakan rumus sebagai berikut. P=Qx Ket : Q = torsi (Newton) = kecepatan angular (rpm)
Sehingga didapat daya sebagai berikut. P = 8.426 x ( 9x60/2) P = 724.53 Watt Effisiensi ( ) Menggunakan persamaan 2.4, maka efisiensi turbin adalah sebagai berikut.
= daya yang dihasilkan / 0.5 x x v3 x A = 724.53 / 0.5 x 1025 1.83 x 0.785 = 0.3088 = 0.31 %
Dari perhitungan diatas,maka didapat torsi dan daya sebagai berikut. No
Blade sudut rps
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
No
3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4
15.27 15.27 15.27 20.27 20.27 20.27 25.27 25.27 25.27 15.27 15.27 15.27 20.27 20.27 20.27
Blade sudut 25.27 25.27 25.27 15.27 15.27 15.27 20.27 20.27 20.27 25.27 25.27 25.27 15.27 15.27 15.27 20.27 20.27 20.27 25.27 25.27 25.27
9 6 4.5 9 6 4.5 9 6 4.5 9 6 4.5 9 6 4.5
rps
16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36
4 4 4 5 5 5 5 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 6 6 6
9 6 4.5 9 6 4.5 9 6 4.5 9 6 4.5 9 6 4.5 9 6 4.5 9 6 4.5
.1
Pembahasan
Torque (Nm) face
back
Torsi Total
Daya (Watt)
Eff %
-403.16 -403.10 -403.03 -527.83 -528.75 -528.92 -644.14 -645.23 -645.88 -399.47 -399.93 -399.90 -524.25 -524.88 -525.22
394.74 393.90 393.46 518.06 515.30 514.85 633.71 630.17 629.20 390.24 388.36 388.49 513.66 511.37 510.87
8.43 9.20 9.57 9.77 13.45 14.07 10.43 15.05 16.68 9.22 11.58 11.41 10.60 13.50 14.36
724.53 527.16 411.62 839.75 770.90 604.88 896.93 862.91 716.92 793.15 663.54 490.64 911.29 774.06 617.26
30.88 22.47 17.54 35.79 32.86 25.78 38.23 36.78 30.56 33.80 28.28 20.91 38.84 32.99 26.31
Torsi Total 10.75 14.56 16.03 9.06 9.43 9.71 11.11 13.95 14.48 11.34 15.22 15.98 9.79 11.59 11.24 11.18 14.17 14.24 11.56 15.81 16.31
Daya (Watt) 924.45 834.88 689.23 779.22 540.29 417.34 954.89 799.62 622.63 975.44 872.37 687.12 841.64 664.57 483.42 961.60 812.52 612.27 994.44 906.13 701.40
Eff %
Torque (Nm) face
back
-644.80 -645.71 -646.08 -409.44 -409.32 -409.21 -534.96 -535.38 -535.58 -654.95 -655.79 -655.76 -405.16 -405.25 -405.19 -534.31 -534.69 -534.56 -657.07 -657.92 -657.72
634.05 631.15 630.05 400.38 399.90 399.51 523.85 521.43 521.10 643.61 640.57 639.77 395.37 393.65 393.94 523.13 520.51 520.32 645.50 642.11 641.41
39.40 35.58 29.38 33.21 23.03 17.79 40.70 34.08 26.54 41.57 37.18 29.29 35.87 28.32 20.60 40.98 34.63 26.10 42.38 38.62 29.89
Dari data – data pada tabel di subbab sebelumnya, kemudian akan di plot pada bentuk grafik untuk mengetahui karakterisik dari variasi model – model yang telah dibuat.
Gambar 4.8 hubungan besar torsi dan variasi sudut pitch Dari grafik 4.1, dapat dilihat hubungan antara besar torsi dengan penambahan pitch adalah berbanding lurus. Makin besar pitch rasio, maka akan didapatkan nilai torsi yang semakin besar pula. Harga torsi tertinggi pada model dengan jumlah blade tiga adalah model Ka3a50p10j3(putaran 4.5 rps) dengan besar torsi sebesar 16.68 Nm. Sedangkan untuk seluruh model, torsi tertinggi juga pada model Ka3a50p10j3. Dari grafik diatas juga dapat diketahui bahwa torque dan putaran blade adalah berbanding terbalik. Semakin cepat putaran turbin, maka torsi yang didapat akan semakin kecil.
Gambar 4.9 hubungan besar torsi dan variasi sudut pitch Pada grafik 4.2, variasi sudut pitch mempengaruhi pada besar torsi yang dihasilkan oleh turbin. Dari grafik dapat dilihat semakin besar sudut blade, maka besar torsi akan semakin besar pula (berbanding lurus). Namun ada kalanya torque akan mencapai nilai optimum ketika sudut pitch mencapai nilai tertentu ( sehingga dibutuhkan percobaan dengan variasi pitch yang lebih banyak atau lebih besar). Grafik diatas merupakan grafik variasi sudut pitch pada blade berbeda tapi dengan kecepatan putar 9 rps.
Gambar 4.10 Hubungan besar daya dan variasi putaran pada sudut pitch yang sama Pada pitch rasio +100, didapat harga torsi pada model Ka3a50p10 memiliki nilai yang paling besar. Namun pada putaran tinggi, nilai torque akan berbalik, blade dengan jumlah daun terbanyak akan memiliki torsi paling besar. Hal ini karena jumlah daun berpengaruh pada torsi yang dihasilkan. Trenline yang sama akan didapat pada variasi pitch yang lainnya.
Gambar 4.11 Perbandingan besar daya dan variasi putaran pada blade 3 daun dengan variasi sudut pitch Dari pembacaan grafik diatas, maka dapat dilihat hubungan putaran turbin dengan daya yang dihasilkan. Semakin cepat putaran turbin, maka daya yang dihasilkan akan semakin besar, dan sebaliknya, putaran yang kecilakan menghasilkan daya yang kecil pula. Hal ini karena putaran turbin berbanding lurus dengan daya yang dihasilkan.
Gambar 4. 12 Perbandingan besar daya dan variasi sudut pitch pada blade 3 daun dengan variasi putaran Pada grafik 4.4, terlihat bahwa pada sudut pitch yang sama, blade dengan putaran 9 rps memiliki daya lebih besar dari pada blade dengan putaran yang lebih besar.
Gambar 4.13 Perbandingan besar daya dan variasi sudut pitch pada blade 3, 4, 5, dan 6 daun Grafik 4.5 merupakan perbandingan daya dan sudut pitch antar blade. Pada grafik diatas terlihat bahwa putaran 9 rps, daya tertinggi dicapai oleh turbin 6 daun dengan posisi sudut pitch 25.270 (pitch 0.6 +10). Hal ini membuktikan bahwa jumlah blade dan pitch pada turbin mempengaruhi daya yang dihasilkan.
2. 3. 4. Gambar 4.14 Perbandingan efisiensi dan putaran turbin pada blade 3 daun Grafik perbandingan efisiensi dengan putaran pada blade 3 menunjukkan bahwa seiring bertambahnya putaran turbin, maka efisiensi turbin akan naik. Namun pada variasi pitch 25.270 ,dan 20,27 , pada penambahan putaran setelah mencapai putaran 9 rps, penambahan efisiensi tidak terlalu besar. Jika putaran terus ditambah melebihi 9 rps, dimungkinkan akan terjadi aliran turbulensi disekitar turbin sehingga terjadi kavitasi.
5.2 Saran 1.
2.
3.
Gambar 4.15 Perbandingan efisiensi dan putaran turbin antar variasi balde grafik 4.7 menunjukkan perbandingan antara efisiensi dan putaran pada variasi jumlah blade pada model. Dari grafik dapat dibaca bahwa pada model 6 blade, efisiensi tertinggi terjadi pada penambahan sudut 100. Harga efisiensi ini juga sebagai efisiensi tertinggi dari seluruh model dengan variasi daun berbeda. Namun dari grafik juga dapat dibaca, penambahan sudut pitch setelah 25.270 tidak menghasilkan penambahan efisiensi yang besar. Ini dimungkinkan karena timbul aliran turbulen disekitar turbin yang menjadikan penyerapan energi kinetik dari air tidak diserap sempurna oleh turbin. 5.1 Kesimpulan Berdasarkan percobaan dan simulasi yang telah dilakukan maka dapat disimpulkan sebagai berikut : 1. Dari data-data yang telah didapat dari simulasi yang telah dilakukan dapat
diketahui bahwa gaya torsi paling besar adalah pada model Ka3a50p10j1 ( jumlah blade 3, pitch awal +100, serta variasi J = 0.8 atau putaran 9 rps). pada model tersebut didapat besar torsi adalah senilai 16.68 Nm. Efisiensi terbesar dicapai oleh model Ka6a50p10j1 sebesar 42.38%. Variasi sudut blade serta putaran blade mempengaruhi nilai torsi dan daya turbin. Variasi pitch yang disimulasikan mempengaruhi besar torsi yang dihasilkan. Ini karena gaya yang diserap dari kecepaan arus akan juga terpengaruh.
Nilai daya yang muncul merupakan nilai energi yang terserap oleh blade ( dari energi kinetik air), bukan merupakan daya keluaran dari generator. Pemakaian ukuran meshing dan waktu iterasi yang lebih banyak agar hasil pembacaan simulasi menjadi lebih mendekati kenyataan. Untuk mencapai hasil yang lebih bagus variasi percobaan yang dilakukan kajian lebih dalam mengenai detail variable pada simulasi CFDyang sesuai dengan kondisi sebenarnya, sehingga data lebih valid.
REFERENSI [1] Rizal, Mokhammad Fakhrur.2010. Tugas Akhir “Analisa Pengaruh Peletakan Overlapping Propeller dengan Pendekatan CFD”. [2] http://anggunsite.blogspot.com/ [3]http://oseanografi.blogspot.com/2006/09/airlaut-yang-selalu-bergerak.html [4]http://www.edukasi.net/mol/mo_full.php?moid=99&fname =geox0810.htm dikunjungi tanggal 25 agustus 2010 [5]http://www.wikipedia.com dikunjungi tanggal 25 agustus 2010 [6]http://agungchynta.files.wordpress.com/2007/03 /turbin-air.ppt dikunjungi tanggal 25 agustus 2010 [7] Gurning, Saut R. O.1995. Tugas Akhir“ Perencanaan Instalasi Turbin Bawah Air di Selat Bali”. [8] Surya, Dony Febrina Dwiadi. Tugas Akhir “ Analisa Bentuk Blade Turbin Pembangkit Listrik Tenaga Ombak Dengan Pendekatan CFD”. [9] http://www.ccitonline.com/ Rancang Bangun Turbin Angin Tipe Blade Vertikal (Kelompok IV).htm [10]. Harvald, Sv. Aa. Tahanan dan Propulsi Kapal. Airlangga University Press.
