RANCANGAN ROTOR ANGIN UNTUK KINCIR ANGIN MB 12-7

Desain rotor untuk kincir angin MB 12-7

RANCANGAN ROTOR ANGIN UNTUK KINCIR ANGIN MB 12-7 Disusun debagai syarat untuk mendapatkan gelar S-1 jurusan teknik mesin, fakultas teknologi industry universitas mercubuana

Disusun oleh:

SIDIK TRIWANTO

41305110047

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS MERCUBUANA JAKARTA 2009 Teknik Mesin ‐ UMB

i


PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan judul :

RANCANGAN ROTOR ANGIN UNTUK KINCIR ANGIN MB 12-7

Yang dibuat untuk melengkapi sebagian persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Mercubuana, Jakarta, sejauh yang saya ketahui bukan merupakan tiruan atau duplikasi dari skripsi yang sudah dipublikasikan dan atau pernah dipakai untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di lingkungan Universitas Mercubuana maupun di Perguruan Tinggi atau Instansi manapun, kecuali bagian yang sumber informasinya dicantumkan sebagaimana mestinya.

Jakarta, Agustus 2009

SIDIK TRIWANTO 41305110047

Teknik Mesin ‐ UMB

ii


HALAMAN PENGESAHAN

DESAIN ROTOR ANGIN UNTUK KINCIR ANGIN MB 12-7

Jakarta , Agustus 2009 Laporan ini telah disetujui dan di sahkan oleh: mengetahui Dosen Pembimbing

DR.H.Abdul Hamid M.Eng

KaProdi teknik mesin

Koordinator Tugas Akhir

DR.H.Abdul Hamid M.Eng

Nanang Ruhyat ST.MT


iii


KATA PENGANTAR

Syukur alhamdulillah penulis panjatkan kehadirat Allah SWT,karena atas rahmat dan hidayah-Nya pula sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir “ DESAIN ROTOR ANGIN UNTUK KINCIR ANGIN MB - 127 ”. dan dapat menyelesaikan pembuatan laporan tugas akhir ini dengan berbagai kendala Adapun kesalahan dan kekurangan yang terdapat dalam laporan tugas akhir ini tidak lebih dikarenakan keterbatasan ilmu pengetahuan, wawasan serta pengalaman penulis. Oleh karena itu penulis mohon maaf atas kekurangan tersebut dan dilain pihak penulis juga tidak menutup diri dan akan berkenan menerima terhadap segala saran dan kritik yang bersifat membangun demi kesempurnaan laporan ini. Selama melakukan penulisan laporan tugas akhir ini, banyak hal yang penulis peroleh, seperti pengetahuan baru, pengalaman, dan lain-lain. Untuk itu Teknik Mesin ‐ UMB

iv


pada kesempatan kali ini penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesarbesarnya atas segala bantuan dan bimbingannya, kepada : 1. Allah SWT atas semua nikmat yang telah di berikan, sehingga sampai selesainya penulis membuat laporan tugas akhir tidak tidak mendapat halangan yang berarti. 2. Nabi besar Muhamad SAW yang telah mengeluarkan umatnya dari jaman jahiliah. 3. Kedua orang tua yang selalu mendoakan serta member dorongan moral kepada penulis. 4. Istri dan kedua putri tercinta yang selalu setia mendampingi penulis di waktu susah dan senang. 5. Bp. H. Abdul Hamid, Bp. Nanang Ruhyat, Bp. Ruli Nutranta, Bp. Yuriadi Kusumah, yang selalu membimbing dan mengarahkan demi berdirinya kincir angin dan lancarnya penulisan laporan tugas akhir ini. 6. Teman – teman angkatan ke vii teknik mesin yang telah member kepercayaan kepada penulis untuk memimpin proyek pembuatan kincir angin sebagai tugas akhir. 7. Teman setiaku Muhamad “ jayen” Guntur yang selalu membantu siang dan malam demi terlaksananya proyek kincir angin ini. 8. Semua teman yang membantu mendirikan kincir angin, Agus (kepala suku), slamet (tatang), Narto (bang adam), Mang U us, Widianto (Kipli), Ja’I dan Kru, dan masih banyak lagi yang tidak bisa penulis sebutkan satu per satu. Teknik Mesin ‐ UMB

v


DAFTAR ISI

LEMBAR PERYATAAN…………………………………………………..……ii LEMBAR PENGESAHAN…………………………………………………...…iii KATA PENGANTAR………………………………………………………...…iv DAFTAR ISI…………………………………………………………………..…vi DAFTAR NOTASI…………………………………………………………..…viii DAFTAR TABEL……………………………………………………………..…ix DAFTAR GAMBAR……………………………………………………………...x ABSTRAK………………………………………………………………..……..xii BAB I PENDAHULUAN 1.1.

Latar belakang ……………………………………………….……1

1.2.

Rumusan masalah……………………………………………..…..2

1.3.

Ruang lingkup permasalahan…………………………………...…3

1.4.

Tujuan penulisan …………………………………………….……3

1.5.

Metode penulisan…………………………………………….……3

1.6.

Sistematika penulisan…………………………………………..….4


vi


BAB II TEORI DASAR 2.1. Energi angin – tenaga angin……………………………….……….…7 2.2. Airfoil…………………………………………………………………9 2.3.krakteristik torsi dan daya………………………………...….………14 2.4 Koefisien tanpa dimensi…………...………………………….…….. 18 2.5 Bentuk dasar karakteristik kincir angin………………...…..………..20 2.6 Koefisien daya maksimum………………………………….……….22 2.6.1 koefisien BET’Z…………………………………….…..….22 2.6.2 Efek wake rotasion pada koefisien daya maksimum……… 23 2.6.3 Efek Perbandingan

Pada koefisien Daya Maksimum…..24

2.6.4 Efek Jumlah Sudu Pada koefisien Daya Maksimum…...25 BAB III METODOLOGI PERANCANGAN 3.1 Kalkulasi chord dan seting sudu………………………………………27 3.2 Selisih kalkulasi chord dan seting sudu…………………….…………34 BAB IV ANALISA PERHITUNGAN 4.1. Hubungan karakteristik airfoil dalam Re – Number…………………40 4.2 Kalkulasi Re - Number untuk sudu pada kincir angin……………….42 4.3 Perhitungan Re – Number pada rotor MB 12-7………………………43 BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan……………………………………………..……………..46 DAFTAR PUSTAKA…………………………………………………..…….…..47


vii


DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 : diskripsi ukuran untuk bermacam bentuk airfoil Tabel 3.1 : Pemilihan jumlah sudu Tabel 3.2 : hasil kalkulasi untuk rotor 12 sudu dengan diameter 5 meter pada kincir angin MB 12-7 Tabel 3.3 : Hasil linierisasi pada hitungan dan kenyataan Tabel 3.4 : Hasil penghitungan sudut β sepanjang cros section Tabel 4.1 : Nilai dari ф


x


DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 : Ilustrasi stream tube untuk mengetahui volume udara Gambar 2.2 : Berbagai bentuk dari beberapa airfoil Gambar 2.3 : Ilustrasi daya angkat dan daya dorong pada airfoil Gambar 2.4 : Ilustrasi chord line dan angle of attack Gambar 2.5 : Ilustrasi untuk sifat dasar dari daya angkat dan daya dorong Gambar 2.6 : Kecepatan relative Gambar 2.7 : Kecepatan relative pada sudu rotor angin Gambar 2.8 : Pembagian kompanem pada penampang sudu Gambar 2.9 : Ilustrasi untuk karakteristik torsi kincir angin dengan kecepatan yang berbeda Gambar 2.10 : Ilustrasi untuk karakteristik daya pada kincir angin dengan perbesaan kecepatan rotasi Gambar 2.11 : Difinisi untuk perbandingan kecepatan yang berdasar pada densitas udara ρ kecepatan angin V Gambar 2.12 : kurva dan jari jari rotor R Gambar 2.13 : Karakteristik dari

Gambar 2.14 : Kurva koefisien daya maksimal pada kincir angin ideal Gambar 2.15 : Efek perbandingan / pada bermacam jumlah sudu Gambar 2.16 : Pengaruh dari jumlah sudu β pada Teknik Mesin ‐ UMB

untuk rotor angin dengan

untuk

/

= 0.03 xi


Gambar 3.1 : Seting sudut sudu β Gambar 3.2 : Hasil bentuk rancangan sudu Gambar 3.3 : Grafik untuk sudut sudu β Gambar 3.4 : Ilustrasi kecepatan sudut serang untuk rotor pada kincir angin MB 12-7 Gambar 3.5 : Hasil nilai penghitungan untuk penampang sudu untuk tiga jenis

Gambar 4.1 : Efek Re - number pada perbandingan airfoil Gambar 4.2 : Nilai inverse dari perbandingan minimum / Re – number pada berbagai bentuk dari airfoil Gambar 4.3 : Re – number

sebagai fungsi dari

untuk rotor dengan putaran

Gambar 4.4 : sudut ф antara kecepatan relative dan bidang dari rotor melawan perbandingan kecepatan pada sebuah elemen pada radius r untuk kincir angin dnegan hembusan sama dengan hembusan pada kincir angin yang ideal


xii


ABSTRAK

Di dalam meng-aplikasikan ilmu teknik mesin secara keseluruhan untuk mendesain atau merancang sebuah alat tidak akan lepas dari dasar dasar teori dan hukum – hukum yang telah di publikasi sebelumnya. Desain sebuah alat pengkonversi energy akan dilakukan dandi pergunakan dibawah ini, sebagai tindak lanjut dari proses pembelajaran. Dalam permintaan untuk mendesain sebuah alat yang nantinya akan dipergunakan sebagai konvertor energy ini, banyak penulis gunakan teori dan hukum yang telah di publikasikan dan menjadi acuan dasar dari perancangan. Misalkan teori koefisien betz yang akan dipergunakan untuk menentukan sudut kemiringan sudu untuk bisa menyerap energy angin secara proporsional. Penghitungan Re – Number juga di gunakan untuk mengetahui jenis aliran udara di sekitar sudu, wake rotation serta efek kerugiannya juga di pergunakan untuk mengetahui energy yang terserap. Karena untuk mendapatkan kesuksesan rancangan alat tersebut dengan hasil daya yang besar.

Kata kunci: Koefisien betz, Konversi energy, Re - Number


xiii


DAFTAR NOTASI

Konstan

Area

Jumlah sudu

Chord

m² ‐

Koefisien gaya dorong

‐

Koefisien gaya angkat

‐

Koefisien daya

‐

Koefisien torsi

‐

Diameter

Gaya dorong

Energy

Energy per volume

Lengkungan pada plate

Gaya angkat

Massa

Jumlah putaran per detik

Daya

Torsi

Jari‐jari rotor

Jari‐jari local

Reynold number

Re untuk B

‐ 1

Kecepatan tangensial sudu pada jari‐jari local

Kecepatan

‐

Kecepatan angin bebas

Kecepatan relative sudu rotor

Sudut serang

‐

Nilai rancangan untuk sudut serang

‐

Sudut penempatan sudu

‐

Teknik mesin UMB

‐

viii


Factor untuk efek jumlah sudu pada

‐

Perbandingan kecepatan ujung

‐

Nilai rancangan untuk perbandingan kecepatan ujung

‐

Perbandingan kecepatan local pada jari‐jari r

‐

Viskositas kinematika

Densitas

Volume aliran Sudut antara bidang rotasi dan kecepatan hembusan

‐

relative pada sudu rotor

Kecepatan angular rotor

Teknik mesin UMB

viii

Rancangan rotor angin

BAB I PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANG Bergeraknya massa udara di atmosfir, suatu format yang tidak langsung dari energi matahari: yaitu suatu anergi angin dari ketidak seimbangan temperatur di permukaan bumi. Dimana permukaan bumi terdiri dari daratan dan lautan yang selanjutnya mengakibatkan perbedaan temperatur, Resultan

Temperatur

dan

hubungan perbedaan tekanan menciptakan pergerakan massa udara, seperti halnya perputaran dari bumi pada porosnya dan mengelilingi matahari. Dari perbedaan temperatur pada permukaan bumi inilah yang menjadikan pergerakan udara atau disebut juga angin. Hanyalah suatu kemungkinan untuk menggunakan sebagian dari kehebatan angin, karena penyerapan energi dari angin berarti dengan secara tidak langsung melambatkan kecepatan angin tersebut ( hukum Bet’z). Angin telah digunakan manusia sejak ribuan tahun yang lalu. Dari jaman kolumbus menemukan benua amerika dengan perjalanan menggunakan kapal dengan layar. Sejak sekitar tahun 1970 an, pengebangan turbin angin mulai dilakukan dengan pengertian bahwa energi fosil adalah energi yang tidak bisa diperbahari. Sehingga sampai saat ini pengembangan penyerapan energy angin masih berlangsung. Setelah peningkatan harga minyak, peng-exploitasi-an energi angin sebagai pertimbangan yang serius, mengingat murahnya biaya yang dikeluarkan

Teknik mesin-UMB

1


disamping anergi yang lain yang sejenis seperti energi surya, arus laut, dan lainnya. Dengan adanya kekawatiran mengenai semakin menipisnya kamdungan bahan bakar fosil dan semakin sulit untuk eksplorasi minyak mentah yang dikarenakan semakin tinggi persaingan dan semakin sedikit bahan yang akan ditambang, maka dengan kemungkinan lain untuk mencari bentuk energi baru yang disediakan oleh alam maka kita akan mencoba untuk meng-konversi energi yang tersedia yaitu angin. Maka untuk meng-konversi energy angin ini penulis akan merancang sebuah alat sebagai penyerap energi itu. Sebuah alat yang (sementara ini diyakini sebagai salah satu alat yang mungkin) yaitu dengan penyerapan melalui sebuah baling baling yang lebih dikenal dengan kincir angin. Dengan kesepakatan untuk membuat kincir angin yang akan diaplikasikan sebagai pemompa air yang akan digunakan untuk keperluan irigasi pertanian. Terdapat beberapa rancangan alat didalam tubuh dari kincir angin tersebut, seperti baling baling, tower penyangga, system pengaman, dan lain sebagainya. Maka sebuah keputusan bagi penulis untuk merancang baling baling yang nantinya akan digunakan dalam pembuatan kincir angin untuk irigasi.

1.2 RUMUSAN MASALAH Dalam rumusan masalah ini akan dibahas mengenai perancangan serta perhitungan untuk pembuatan rotor/roda baling baling angin yang akan digunakan untuk kincir angin MB-127 dengan system poros horizontal. Yang nantinya energi mekanik yang dihasilkan digunakan sebagai daya penggerak piston pompa air. Yang didasarkan dari beberapa rumusan yang telah di publikasikan sebagai bahan acuan dan teori teori untuk perhitunganya.

Teknik mesin-UMB

2


1.3. RUANG LINGKUP PERMASALAHAN Pada penulisan ini, penulis menitik beratkan pada pembatasan masalah seperti: 1. Jenis rotor angin Untuk jenis rotor angin dengan sudu banyak dan poros horizontal. Yang mempunyai kecepatan rotasi rendah dan torsi yang besar 2. Hasil daya yang digunakan Hasil energi mekanik dari kincir angin ini digunakan sepenuhnya untuk memompa air dengan jenis gerak translasi, seperti kerja dari pompa tangan jenis dragon

1.4 TUJUAN PENULISAN Tujuan penulisan pada laporan tugas akhir ini adalah: a. Pengaplikasian ilmu yang didapat dari proses pembelajaran di dunia teknik. b. Sebagi tolok ukur kesiapan seorang sarjana mesin untuk masuk kedunia nyata tentang teknologi yang dipakai sekarang ini. c. Sebagai bahan acuan untuk pembelajaran lebih lanjut bagi adik angkatan khususnya teknik mesin dan masyarakat pada umumnya

1.5 METODE PENULISAN Dalam penulisan laporan tentang perancangan ini, penulis menggunakan metode untuk mendapatkan bahan masalah serta informasi. Yaitu dengan metode:

Teknik mesin-UMB

3


a. Metode Pustaka Metode kepustakaan merupakan metode pengumpulan data yang dilakukan berdasarkan literature dari buku-buku yang didapatkan

dari internet atau

perpustakaan sebagai dasar teoritis dalam penulisan referensi terhadap hasil yang diperoleh.

b. Metode Wawancara Metode ini dilakukan dengan meminta penjelasan secara lisan dan tulisan dari pembimbing laporan tugas akhir maupun dari dosen dan para ahli yang berkompeten dengan ilmu untuk rancangan ini.

c. Metode Pengamatan & Pengalaman Metode ini dilaksanakan dengan melakukan pengamatan secara langsung dan berdasarkan pengalaman kerja selama pembuatan kincir angin MB-127. Dengan metode ini penulis dapat mengetahui bagaimana proses pengerjaan baling baling angin dan berbagai permasalahan yang timbul selama pengerjaan berlangsung.

1.5 SISTEMATIKA PENULISAN Dalam penulisan laporan tugas akhir ini penulis membagi dalam lima bagian dengan sistematika sebagai berikut: BAB I PENDAHULUAN Dalam bab ini berisikan tulisan mengenai latar belakang permasalahan, tujuan penulisan, batasan masalah, metode penulisan dan sistematika penulisan

Teknik mesin-UMB

4


BAB II LANDASAN TEORI Bab ini berisikan tentang landasan beberapa teori seperti teori konversi energi, teori perbandingan kecepatan ujung, teori koefisien BET’Z, teori tentang daya, torsi dan kecepatan, teori tentang gaya-gaya yang bekerja pada sudu kincir angin, teori tentang airfoil, koefisien daya maksimum dan lain sebagainya. BAB III METODOLOGI PERANCANGAN Di dalam bab ini berisi tentang metode untuk perancangan dari bentuk penampang lintang, koefisien gaya angkat konstan, penentuan perbedaan perhitungan pada titik penampang penerima hembusan, daya airfoil dan lain sebagainya. BAB IV ANALISA PERHITUNGAN Pada bab ini penulis menjabarkan dengan proses dari penghitungan dengan menggunakan teori-teori yang di sebut pada bab sebelumnya untuk bisa menentukan nilai-nilai dari ketepatan posis sudu yang di gunakan sebagai peng-konversi energy angin, yang akan di gunakan pada kincir angin MB 127 BAB V PENUTUP Pada bab ini adalah memuat hasil dengan saran dan kesimpulan dari hasil analisa untuk laporan tugas akhir ini.

Teknik mesin-UMB

5


Teknik mesin-UMB

6


Mulai

Mempelajari energi dari angin

Desain rotor

Torsi rotor

Menentukan rancangan daya dari rotor

Kecepatan angular rotor

Bentuk chord

Pemilihan sudu

Bentuk sudu

Mencari cross section sudu

Menentukan rancangan kecepatan ujung

Kalkulasi Re‐Number sudu

Menentukan rancangan kecepatan lokal

Analisa efek Reynold Number pada sudu

Selesai

Teknik mesin-UMB

7


BAB II TEORI DASAR

2.1 ENERGI ANGIN – TENAGA ANGIN Angin adalah udara yang bergerak, dan jika udara dengan massa m bergerak dengan kecepatan v akan mempunyai energy kinetic E dengan persamaan: ²

(J)

(2.1)

Jika kerapatan udara adalah ρ, maka energi per volume dari udara, dan juga mempunyai kecepatan

²

(

, adalah: )

(2.2)

Dengan menganggap sebuah area A tegak lurus terhadap arah angin ( lihat gambar berikut), maka kita bisa mengetahui per detik volume hembusan yang melewati area ini. Dimana

adalah

sebuah

kecepatan angin tanpa

gangguan.

Teknik mesin-UMB

8


Gambar 1.Sebuah volume V A dari udara adalah hembusan yang melewati area A setiap detik. Ini memperlihatkan hembusan massa rata-rata dari ρ A V (Kg/detik)

Maka hembusan per detik yang melewati area A adalah .

(m³/det)

(2.3)

Jadi sebuah tenaga dari hemnbusan udara yang mengenai daerah A akan memberikan hasil energy kinetic . energy kinetic tersebut berbentuk daya P. Daya = energy per detik Daya = energy per volume * volume per detik. Pada persamaan 2 dan 3 di atas, jika di gabungkan akan menjadi: ² Maka,

Teknik mesin-UMB

³

( (W)

(2.4)

9


Jadi ini adalah Ketersediaan tenaga pada angin. Hanya sebuah alat yang berbentuk kincir angin yang bisa merubah tenaga tersebut. Persamaan diatas adalah ketersediaan tenaga didalam angin dengan catatan: a. Tenaga akan sebanding dengan kerapatan udara ρ.Factor ini tidak berpengaruh dan menganggap tidak ada perbedaan dengan ketinggian dan temperature ( untuk 20° C pada kerapatan udara ρ = 1.2.kg/m³) b. Untuk masalah pada kincir angin dengan sumbu horizontal daya sebanding dengan area A = π R² (area yang tersapu sudu). Dengan jari jari adalah di putuskan sewaktu merancang

2.2 AIRFOIL Sebuah rotor dari kincir angin terdiri dari dua atau lebih susunan sudu dan terikat dengan titik pusat. Penampang lintang dari beberapa bentuk yang di perlihatkan pada gambar dibawah ini, maka selanjutnya penulis sebut air foil.

Gambar 2.1 beberapa bentuk dari airfoil Teknik mesin-UMB

10


Airfoil adalah sebuah permukaan yang terkena hembusan angin. Hembusan ini menghasilkan dua buah daya yaitu daya angkat (LIFT) dan daya dorong (DRAG). Daya angkat adalah sebuah gaya yang tegak lurus terhadap datangnya hembusan angin (bukan terhadap airfoil). Sedangkan daya dorong adalah sebuah gaya yang di ukur sejajar terhadap arah datangnya angin. Semua airfoil membutuhkan sebuah sudut terhadap arah hembusan dari angin untuk mendapatkan daya angkat. Jika ingin mendapatkan daya angkat yang lebih maka di perlukan seting sudut yang lebih besar juga. Chord line menghubungkan leading edge dan trailing edge dari airfoil. Dan untuk sudut yang di butuhkan untuk mendapatkan daya angkat di sebut sudut serang

(angle of attack). Sudut serang adalah sudut antara chord line dan arah

hembusan angin.

Gambar 2.2 Gaya angkat dan gaya dorong

Dengan demikian penulis akan menguraikan kemampuan dari airfoil pada ukuran dan kecepatan dari hembusan angin. Dengan membagi daya angkat L dan daya dorong D dengan 0.5 ρ V² A, dimana ρ = densitas udara

(

V = kecepatan udara

(

A = area sudu

(m²)

Teknik mesin-UMB

) )

11


Hasil dari gaya angkat disebut koefisien

dan gaya dorong

.

Gambar 2.3. Chord line dan angle of attack Adapun hasil dari pembagian tersebut di atas akan kita sebut dengan koefisien gaya angkat

dan koefisien gaya dorong

. (2.5)

²

(2.6)

²

Dengan keadaan bahwa, harga dari daya dorong dan daya angkat yang di dapat tergantung dari angle of attack pada sudu. Dengan bantuan dari penjelasan mengenai sifat dasar dari airfoil dan yang telah di utarakan dengan bentuk grafik dari

Teknik mesin-UMB

pada gambar berikut.

12


Gambar 2.4.ilustrasi mengenai sifat dasar dari gaya angkat dan gaya dorong

Pada bab selanjutnya sifat dasar dari

dari airfoil yang

di gunakan pada kincir angin MB 12-7 akan di hitung dan di tunjukkan. Untuk merancang sebuah kincir angin akan menjadi sangat penting, sebuah grafik

dan

nilai dari α yang akan berhubungan dengan perbandingan nilai minimum untuk

.

Hal ini akan bisa di selesaikan dengan jalan sebagai berikut: Pada grafik dari

sebuah garis dari tangent di gambar melewati

0 (gambar 2.4.b). Dari titik dimana garis persiggungan kurva tangent, kita akan mendapatkan koefisien daya dorong dan koefisien daya angkat, dan dari (gambar 2.4a) kita mendapatkan hubungan sudut serang α. Sebuah nilai dari dan α bisa di dapat dengan jalan, yang penulis sebut sebagai rancanganrancangan-α dan sebuah divisi dari minimum dari

oleh

dan

adalah sebuah perbandingan

. Pada (tabel 2.1) berikut ini di perlihatkan sebuah nilai dari

bermacam bentuk airfoil . Dengan catatan bahwa tidaklah penting untuk kelakuan dari airfoil pada keadaan dimana posisi dari airfoil tersebut masih mengangkat pada hembusan angin dengan kecepatan W atau tidak. Persoalannya adalah bahwa

Teknik mesin-UMB

13


sebuah kecepatan relative telah di dapat oleh airfoil seperti yang di tunjukkan pada gambar berikut:

Gambar 2.5 kecepatan relative

Gambar 2.6. Kecepatan relative pada sudu rotor kincir angin

Dimana

adalah sudut antara kecepatan relative W dan bidang dukung rotor

Teknik mesin-UMB

14


Table 2.1. diskripsi ukuran untuk berbagai bentuk dari airfoil

2.3 KARAKTERISTIK TORSI DAN DAYA Sebuah komponen pada bidang rotasi adalah hasil daya angkat dari sebuah kinerja gaya dengan arah tangensial pada jarak tertentu dari pusat rotor. Gaya ini akan berkurang oleh sebuah komponen dari daya dorong dengan arah tengensial. Hasil dari kedua komponen tersebut adalah sebuah gaya yang menggerakkan dengan arah tangensial pada sebuah jarak dari pusat rotor. Hasilnya menjadi sebuah torsi Q dan sebuah putaran rotor pada kecepatan angular Ω (=2π * jumlah putaran per detik) Ω = 2πn (rad Teknik mesin-UMB

)

(2.7) 15


Sebuah daya seperti hasil serapan rotor terhadap angin yang di lanjutkan ke dalam daya mekanik. Daya ini adalah sama dengan hasil dari torsi di kalikan dengan kecepatan angular, dimana : Q = torsi

(Nm)

Ω= kecepatan angular (rad P=QxΩ

)

(W)

(2.8)

Gambar 2.7. Pembagian komponen pada penampang sudu Teknik mesin-UMB

16


Sebuah kincir angin sebagai fungsi dari transformator energy kinetic dari angin ke dalam bentuk jumlah tertentu dari daya. Persamaan di atas menjelaskan nilai dari sebuah kincir angin untuk besarnya beban torsi (contoh pada kincir angin pemompa air) yang akan mempunyai kecepatan angular rendah, yang juga ini berarti dengan rancangan kecepatan tinggi hanya akan menghasilkan torsi yang rendah. Penulis akan memperlihatkan sebuah grafik yang di tunjukkan berikut ini untuk torsi dari kincir angin pada kecepatan angular sebagai karakteristik torsi pada kincir angin. Gambar berikut menunjukkan perbedaan bentuk dari dua jenis karakteristik torsi kincir angin untuk daya yang sama tetapi pada kecepatan angular yang berbeda. Pada karakteristik torsi kincir angin dengan kecepatan angin tanpa gangguan akan membentuk beberapa kurva pada satu karakteristik.

Gambar 2.8. Ilustrasi untuk karakteristik torsi kincir angin dengan kecepatan yang berbeda

Teknik mesin-UMB

17


Gambar 2.9. Ilustrasi untuk karakteristik daya dari kincir angin dengan perbedaan kecepatan dari kincir angin

Dengan menggunakan ralasi pada persamaan (2.8) akan memudahkan kita untuk memperoleh bentuk karakteristik torsi yang berhubungan dengan karakteristik daya. Dimana daya dari kurva kecepatan angular sebuah kincir angin yang ideal telah di perlihatkan. Dengan catatan bahwa: 1. Daya dari kedua kincir angin adalah sama tetapi di hasilkan dari kecepatan angular yang berbeda. 2. Daya maksimum di dapat dari kecepatan angular yang lebih tinggi. 3. Kurva daya maksimum kecepatan angular

akan bervariasi dengan pangkat tiga dari

(2.9)

sementara nilai untuk torsi akan seharga dengan pangkat dua dari kecepatan angular

²

(2.10).

4. Torsi permulaan yaitu torsi pada putaran nol per detik, akan lebih tinggi pada kecepatan rendah.

Teknik mesin-UMB

18


Sebelum di lakukan pemilihan rancangan kecepatan pada rotor, perancang harus membandingkan karakteristik torsi untuk beban dengan karakteristik torsi pada rotor. Untuk kesesuaian beban pada rotor kincir angin akan sangat penting, tetapi dengan adanya beban dan kinerja kincir angin pada kecepatan angular dimana efisiensi dari keduanya adalah maksimum. Kecepatan angular rotor pada saat efisiensi maksimum tidak selalu sama dengan kecepatan angular pada saat terjadi efisiensi pembebanan . Dengan demikian kita memerlukan suatu transmisi .

2.4 KOEFISIEN TANPA DIMENSI Pada urutan untuk bisa mendapatkan susunan bentuk dan sifat dasar dari rancangan rotor angin yang bebeda di bawah kondisi dari angin yang berbeda pula. penulis menjabarkan daya mekanik sebagai daya di dalam udara dengan di perbanyak olef factor dari (2.11) Dengan

adalah koefisien daya dan juga sebagai sebagai ukuran untuk

kesuksesan kita dalak menyerap energy dari angin. dengan relasi dari persamaan (2.4) akan kita dapatkan

³ ²

(2.12)

Untuk alasan yang sama kita akan memecah sebuah kecepatan u dari rotor pada jari –jari r dengan terjadinya sebuah kecepatan angin

Teknik mesin-UMB

19


Gambar 2.10. Difinisi dari perbandingan kecepatan

Dengan hasil dari

yang penulis sebut sebagai perbandingan kecepatan local

dan dapat di tulis menjadi: (2.13) Kecepatan local pada elemen dari sudu rotor dengan jari jari R penulis sebut sebagai perbandingan kecepatan ujung: (2.14) Catatan: untuk selanjutnya bahwa sebuah kincir angin hanya akan mempunyai satu nilai dari λ pada koefisien daya maksimum. Dengan symbol λ sering di sebut sebagai perbandingan kecepatan ujung dari kincir angin. Di sana ada terdapat suatu hubungan tertentu antara λ dan

persamaan

(2.13 dan 2.14) jika di gabungkan akan menjadi: (2.15)

Teknik mesin-UMB

20


Dari persamaan (2.8) kita ketahui bahwa : (2.16) Dengan relasi tersebut di atas maka akan kita dapatkan peryataan koefisien torsi tanpa dimensi dengan jalan:

2.17

2.18 2.19 Menjadi : (2.20)

² ³

Dengan demikian maka kita akan dapatkan: (2.21)

² ³

Dengan hasil di atas hanya valid untuk

bentuk berdimensi, sedang yang di

perlukan untuik bentuk tanpa dimensi, maka akan menjadi:

(2.22)

2.5 BENTUK DASAR PADA KARAKTERISTIK KINCIR ANGIN

Koefisien daya pada persamaan (2.11) dan (2.12) tidaklah efisien tetapi bisa di interpretasikan menjadi ukuran sukses pada kincir angin sebagai transformator energy angin ke dalam energy mekanik. Untuk koefisien daya dari sebuah kincir angin yang spesifik dengan perbandingan kecepatan ujung dari Teknik mesin-UMB

21


kincir angin tersebut. Dengan bentuk tanpa dimensi yang di sebut sebagai yang berdasar pada rumus (2.11,2.12 dan 2.14). Pada gambar berikut yang mana sekarang diperlihatkan sebuah kurva

dari semua kurva dengan perbedaan

kecepatan angin tanpa bebas.

Gambar 2.11.Karekteristik ini adalah berdasar pada densitas udara ρ, kecepatan angin bebas

dari jari-jari R.

Dengan menggunakan hubungan (2.18) bisa kita peroleh dari (gambar 2.11) sebuah bentuk tanpa dimensi dari karateristik torsi-kecepatan pada kincir angin. Kurva

; lihat gambar berikut. Disini juga sebuah kurva yang mewakili

semua kurva pada (gambar 9)

Gambar 2.12. Karakteristik dari Teknik mesin-UMB

22


Catatan: sebuah daya akan menjadi nol jika λ =0, tetapi tidak untuk torsi (lihat relasi 2.4 dan 2.12) 2.6 KOEFISIEN DAYA MAKSIMUM Koefisian daya

yang ditegaskan dengan relasi (2.12 dan 2.13)

menggambarkan berapa banyak daya yang kita dapat dari angin dengan bantuan kincir angin. Sebuah daya di dalam angin di dapat dengan menggunakan relasi (2.1- 2.4). Kita sangat memperhatikan pada berapa jumlah daya dari angin yang bisa di rubah ke dalam daya mekanik dengan menggunakan kincir angin. Dengan kata lain kita ingin mengetahui seberapa besar koefisien daya

untuk diberikan

pada kincir angin dengan merancang perbandingan kecepatan ujung tertentu, Bet’z adalah sebagai orang yang pertama kali merumuskan kemungkinan maksimum dari koefisien daya sampai dengan 0,593. Yang mana untuk hasil ini akan di klarifikasi pada paragraph selanjutnya. Ketiga efek yang lain yang menjadi penyebab batasan lebih lanjut dari koefisien daya maksimum akan di bicarakan lebih lanjut dan juga Bagaimana untuk mendapatkan koefisien daya maksimum dengan permasalahan dari ketiga efek tersebut akan di bahas .

2.6.1 Koefisien BETZ Tidaklah mungkin untuk menyerap semua energy angin dengan hembusan yang melewati area A kedalam energy mekanik. Jika kita bisa mentransfer semua energy yang terdapat pada angin, ini berarti kita bisa menyerap semua energi yang terdapat di dalam gerak dari udara, atau dengan kata lain bahwa udara di belakang rotor akan menjadi nol dan ini berarti juga bahwa tidak ada lagi laju udara yang akan melewati rotor. Dan sebuah proses dari penyerapan energy kinetic dari angin akan berhenti sehingga tidak ada lagi daya yang akan di transformasikan. Begitu

Teknik mesin-UMB

23


juga jika laju udara di belakang rotor sama dengan laju udara sebelum melewati rotor. Maka tidak ada sedikitpun energi yang di serap olah kincir angain tersebut. Antara kedua nilai di atas adalah nilai optimum dari kecepatan angin di belakang rotor. BETZ mendapatkan hasil nilai tersebut adalah1/3

. Dan terhitung sebagai

koefisien daya maksimum (koefisien BETZ) 0,593

(2.23)

Bagaimanapun teori di atas hanya valid untuk rancangan teori untuk perbandingan kecepata ujung yang tinggi dengan jumlah sudu tertentu dan daya dorong pada sudu sama dengan nol. Dengan efek selisih dari ketiga asumsi di atas akan diterangkan pada paragraph berikut.

2.6.2 Efek Wake Rotations Pada Koefisien Daya Maksimum Koefisien BETZ menyarankan bahwa, sebuah kebebasan dari rancangan perbandingan kecepatan ujung

, kita akan mengira bawa koefisien daya

maksimum adalah 0.593. pada persamaan (2.23) yang pada kenyataannya hanya valid untuk perbandingan kecepatan ujung yang tinggi dan untuk perbandingan kecepatan ujung yang rendah dengan tidak adanya selisih. Hal ini bisa didapatkan dengan jalan: Daya adalah: torsi x kecepatan angular. Torsi didapatkan dari aksi gaya pada sudu dengan arah tangensial,

hubungan perkalian jarak terhadap pusat

rotor. Gaya di sana adalah hasil dari perubahan kecepatan udara pada arah tangensial (aksi=reaksi) gaya = massa x perubahan kecepatan per unit pada waktu tertentu. Sebuah arah dari perubahan kecepatan udara adalah berlawanan arah terhadap arah dari aksi gaya pada sudu. Ketika udara tidak mempunyai kecepatan tangensial sebelum melewati rotor . perubahan kecepatan berarti bahwa di belakang rotor putaran wake pada arah kebalikan terhadap rotor. Teknik mesin-UMB

24


Wake rotations ini berarti sebuah kehilangan energi, sebab memutarnya udara ini mengandung energi kinetic (lihat persamaan 2.1) Ketika jumlah tertentu dari tenaga untuk di transformasikan , kita dapat mengerti dengan relasi (2.9) bahwa perbandingan kecepatan ujung yang rendah (= kecepatan angular rendah), berarti torsi Q harus tinggi. Torsi yang besar berarti besarnya kecepatan tangensial di dalam wake; dengan konsekuensi kehilangan /kerugian energy dan daya yang rendah . selanjutnya, jika rancangan kecepatan ujung rendah , hasil ini di tunjukan pada (gambar 2.13) . gambar tersebut menunjukan kesimpulan dari koefisien daya yang dapat di peroleh dari kincir angin yang ideal. Yaitu sebuah kincir angin dengan jumlah tertentu pada sudu tanpa adanya daya dorong.

Gambar 2.13. Kumpulan dari koefisien daya maksimum pada kincir angin yang ideal

2.6.3 Efek Perbandingan Sebuah factor

Pada koefisien Daya Maksimum

, seperti yang telah kita bicarakan pada bab sebelumnya,

adalah sebuah ukuran untuk hambatan dari perlawanan sudu yang melewati udara. Perbandingan

menetukan jumlah kerugian yang menjadi hambatan. Suatu

Teknik mesin-UMB

25


kerugian itu dihitung dan dimasukkan ke dalam kumpulan koefisien daya maksimum dari gambar (2.13) dan hasilnya di perlihatkan pada gambar berikut

Gambar 2.14. Efek dari perbandingan

pada

untuk sebuah rotor

yang mempunyai sejumlah sudu tertentu

Gambar di atas memperlihatkan sebuah rotor , dengan nilai rancangan untuk perbandingan kecepatan ujung pada airfoil λ=2.5. Sebagai contoh, dengan . minimum 0,05, akan mempunyai koefisien daya maksimum

perbandingan

= 0,46. Jika sebuah rotor di rancang untuk λ=10, pada nilai sama dari sebuah nilai

.

pada λ=10 akan mempuyai maksimum dari 0,3.

Catatan: Dari (gambar 2.14) sebuah penjelasan untuk menggunakan rancangan sebuah rotor untuk nilai dari λ=10. Dengan airfoil yang mempunyai ( minimum = 0,1) Teknik mesin-UMB

26


2.6.4 Efek Jumlah Sudu Pada koefisien Daya Maksimum Dengan jumlah banyaknya sudu juga menjadi efek dari koefisien daya maksimum. Ini disebabkan oleh yang disebut kerugian ujung yang terjadi pada ujung dari sudu. Terjadinya kerugian tersebut di percayai pada jumlah sudu dan perbandingan kecepatan ujung. Dengan kerugian tersebut telah di kalkulasikan dan sebagai contoh telah dimasukan ke dalam kumpulan dari koefisien daya maksimum untuk ( ) dengan nilai = 0.03 dari gambar (2.14) dan hasilnya ditunjukan pada gambar (2.15)

Gambar 2.15.pengaruh dari jumlah sudu B pada

Kelompok pertama dari grafik menunjukan

untuk

= 0.03

untuk perbandingan

konstan

sementara sudu B bervariasi.

Teknik mesin-UMB

27


Jika rancangan gambar untuk perbandingan kecepatan ujung λ. Jumlah sudu B dan perbandingan

telah di tentukan, koefisien daya

yang diterapkan

bisa di baca dari grafik dalam buku-buku yang membicarakan tentang desain rotor angin.

Teknik mesin-UMB

28


BAB III METODOLOGI PERANCANGAN

3.1 KALKULASI CHORD DAN SETING SUDU Pada bab yang lalu di perlihatkan bagaimana cara untuk memilih jumlah sudu yang mempengaruhi koefisien daya. Dengan kata lain B tidak mempunyai pengaruh pada perbandingan kecepatan ujung dari kincir angin tertentu, untuk rancangan perbandingan

ujung yang rendah,

pada umumnya, lebih banyak

jumlah sudu di perlukan (lihat table berikut). Ini menyudahi masalah sebab pengaruh dari B pada

adalah lebih banyak pada perbandingan ujung yang

rendah. Pernyataan kedua untuk jumlah banyak dari B pada rancangan perbandingan kecepatan ujung yang tinggi akan menjadikan sudu tersebut sangat kecil dan tipis yang akan menjadi masalah untuk pembuatan dan juga mempunyai pengaruh negative pada bentuk dari gaya dorong dan gaya angkat pada sudu.

Teknik mesin-UMB

29


Table 3.1. pemilihan jumlah sudu Factor penting kedua yang mempengaruhi koefisien daya adalah dengan adanya daya dorong. Dugaan terhadap adanya pengaruh daya dorong terjadi melalui perbandingan

. yang dalam hal ini akan mempengaruhi pada ukuran

ukuran bentuk dan terlebih pada rancangan perbandingan kecepatan. Pada bab yang lalu telah di perlihatkan sebuah tabel mengenai bentuk dari beberapa airfoil dan disana terdapat hubungan untuk perbandingan minimum

. Dan nilai pada

tabel ini menyatakan antara 0.1 dan 0.01 Dengan membatasi besaran dari

pada rancangan perbandingan

kecepatan-ujung. Dan dengan kesimpulan untuk perbandingan kecepatan-ujung rendah harus menggunakan lebih banyak jumlah sudu dengan kompensasi kerugian daya pada daya dorong. Pada kesimpulan dari koefisien daya maksimum yang telah di terangkan sebelumnya terlihat bahwa untuk jarak pada rancangan kecepatan 1

10 , dengan menggunakan teori koefisien daya maksimum

yang dapat di capai berada pada kisaran 0.35

0.5. sehubungan

adanya selisih antara ukuran ideal dan kerugian pada poros yang antara lain adalah, yang maksimumnya berada antara 0.3 dan 0.4. dimana perolehan hasil ini di dapat dengan pemilihan dari rancangan kecepatan ujung dengan efek besar Teknik mesin-UMB

30


terhadap hasil daya. Factor kedua yang lain adalah sebagai batasan dari pemilihan pada rancangan perbandingan kecepatan ujung. Sebuah bentuk beban, jika itu sebuah piston pompa atau beban dengan kebutuhan untuk putaran rendah dari baling baling, maka sangat di anjurkan untuk dapat mencapai nilai tinggi pada torsi permulaan, dan untuk rancangan dari kecepatan rotor di pilih dengan kecepatan yang rendah. Hal ini akan memudahkan perancang untuk menentukan bentuk dari airfoil seperti lengkungan atau hanya menggunakan plat datar. Jika beban memerlukan putaran tinggi seperti untuk generator atau pompa sentrifugal maka rancangan kecepatan tinggi akan di pilih dan untuk bentuk airfoil yang lebih di sukai menggunakan perbandingan rendah pada

. dengan factor kedua adalah

ketersediaan dari material lokal dan pembentukan dari material dengan teknologi lokal harus di perhitungkan untuk pembuatan bentuk pada airfoil. Disini penulis akan menunjukkan langkah untuk merancang sebuah rotor angin dengan melengkungkan sebuah plat besi dengan kedalaman 10%, maka langkah yang harus di tempuh adalah: a. Dengan melihat tabel maka bisa di simpulkan bahwa

adalah 0.02. b. Jumlah sudu = 12 c. Untuk nilai dari rancangan perbandingan kecepatan-ujung adalah 2 0.48

d.

Dengan menggunakan persamaan 2.11 dan 2.12 penulis akan mengkalkulasi untuk mencari panjang jari-jari rotor. Sebagai rancangan konservatif penulis mengambil sebuah bahan acuan yang pernah di publikasikan oleh (MICROFICHE REFERENCE LIBRARY dan di tulis oleh W.A.M. Jansen dan P.T. Smulders) bahwa

0.8

³

Teknik mesin-UMB

. (3.1)

(24)

31


Yang mana untuk rancangan sudu, maka kita perlukan data sebagai berikut: Jari-jari rotor

R

(m)

Jumlah sudu

B

(-)

Rancangan perbandingan kecepatan-ujung

(-)

Rancangan koefisien gaya angkat

(-)

Ketepatan sudut serang

( ⁰ )

Jika data diatas telah diketahui, maka selanjutnya adalah mengkalkulasi ukuran dari sudu: seperti chord c dari sudu dan sudut sudu β, sudut antara chord dan bidang dari rotasi.

Gambar 3.116. Seting sudu β

Dan

dengan

menggunakan

tiga

rumus

dan

satu

grafik

untuk

menghitungnya: c =

(3.2)

1

(3.3)

(25) (26)

β – α 3.4 27 dan grafik

Teknik mesin-UMB

32


dengan berdasar pada teori sangatlah tidak mungkin untuk di jabarkan di sini. Siapapun pembaca harus mempunyai keinginan penuh terhadap teknik untuk merancangan rotor dan harus mempelajari dari buku‐ buku referensi yang lain. Karena tanpa mengetahui benar tidak mungkin rancangan rotor angin dapat di wujudkan secara benar, dan tidak akan berjalan tanpa menggunakan teori diatas. sekarang untuk prosedur rancangannya adalah: bagilah sudu dengan jari‐jari R dalam jumlah yang sama panjang. Dengan jalan ini kita akan mendapatkan cross section dari sudu tersebut. Setiap cross section di tentukan jarak dari pusat rotor dan sisitulah letak untuk kecepatan local

. Dengan melihat pada appendix kita bisa

mendapatkan ketepatan sudut untuk setiap cross section. adalah sudut dari kecepatan relative udara W yang menuju sudu pada titik r. sekarang kita kalkulasikan chord dengan rumus 3.3 . Sedang untuk nilai dari 1 – cos bisa di ambil dari grafik pada appendix. Sudut sudu pada ketepatan jari‐jari di dapat dari rumus 3.4 . Dimana untuk rotor angin yang akan digunakan oleh kincir angin MB-127 adalah: R = 2.5 m B = 12 =4 =

1.25

= 3° Ketentuan kedepanya jika diharuskan

untuk menjaga koeffisien gaya

angkat pada nilai konstan .disini, perubahan chord dan penempatan sudut akan di Teknik mesin-UMB

33


temukan. Jika akan merancang sudu dengan chord konstan, koefisien gaya angkat akan menjadi beragam di sepanjang sudu. Dengan berpegang pada prosedur bahwa

nilai dari chord c dan

penempatan sudut sudu β pada posisi sepanjang sudu, pada setiap jarak r terhadap poros rotor dan rancangan kecepatan local

. Disini posisi perhitungan pada jarak

tertentu disepanjang sudu dengan hasil perhitungan menggunakan ke empat teori di atas, maka didapat:

Cross

r (m)

°

α°

β°

Chord (m)

section 1

0.5000

0.4

45.6

3

42.6

0.252

2

0.6250

0.5

42.3

3

39.3

0.273

3

0.9550

0.76

35.2

3

32.2

0.293

4

1.2500

1.00

30.0

3

27.0

0.281

5

1.5625

1.25

25.8

3

22.8

0.260

6

1.9100

1.53

22.1

3

19.1

0.235

7

2.1875

1.75

19.8

3

16.8

0.217

8

2.5000

2.00

17.7

3

14.7

0.198

Table 3.2 kalkulasi dari chord dan seting sudut untuk rotor dengan 12 sudu diameter 5 m pada kincir angin MB 12-7 Teknik mesin-UMB

34


Hasil dari chord c dan penempatan dari sudut sudu β di sepanjang cross section dari sudu akan menghasilkan bentuk sudu seperti yang di gambar di bawah ini:

Gambar 3.2 Hasil rancangan bentuk sudu

Gambar 3.3 grafik untuk sudut sudu β

Teknik mesin-UMB

35


Gambar 3.4 17. Ilustrasi penempatan sudut serang untuk rotor angin pada kincir angin MB 12-7

3.2 SELISIH KALKULASI CHORD DAN SETING SUDU Pada paragraph terakhir kita telah mengetahui bagaimana untuk membuat bentuk dari bilah kipas yang ideal. Bentuk lembaran bilah kipas yang bagus, sudut bilah kipas dengan perhitungan yang tepat dengan me-linierisasi sepanjang bilah kipas tersebut. Bilah kipas yang demikian biasanya sangat sulit untuk di buat dan juga mahal harga materialnya. Dengan perlakuan memperkecil masalah tersebut adalah me-linierisasi bentuk bilah dan sudutnya. Hasil tenaga yang terbuang sangat kecil, jika proses me-linierisasi selesai akan labih kecil lagi tenaga yang terbuang. Dalam proses melinierisasi tersebut harus direalisasi sekitar 75% dan dari jumlah tenaga itu harus diteruskan ke poros rotor angin .Hasil perubahan ini menggunakan setengan dari badan bilah kipas. Karena setengah dari bilah kipas sudah mewakili persegi dari jari jari. Dan juga efisiensi lebih sedikit pada jari jari yang lebih pendek. Dimana perbandingan kecepatan

adalah kecil.

Dengan perbedaan diatas agar diperhatikan saat melinierisasi bentuk bilah kipas c dan sudut bilah kipas β antara r = 0.5 R dan r = 0.9 R tanpa terlalu banyak perbedaan dalam hitungan teoritisnya. Teknik mesin-UMB

36


Contoh : melinierisasi bentuk bilah kipas c dan sudut bilah kipas β untuk rotor angin pada kincir angin MB 12-7 yang akan di buat oleh teman-teman mahasiswa teknik mesin angkatan ke VII, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Mercubuana Jakarta, sebagai tugas akhir sebuah perancangan ,dengan perhitungan sebagai berikut : Hasil paling dekat pada r ke 0.5 R dalam table adalah r = 1.25 (0.5 R) Hasl paling dekat pada r ke 0.9 R adalah r 2.1875 (= o.875 R ) Sekarang kita melinierisasi dari bentuk bilah kipas dengan menulis c dengan jalan: C=

Dengan hasil dari c pada r = 1.25 dan r = 2.1875 adalah konstan

ditemukan melalui

0.281 = 1.25

+

0.217 = 2.1875

o.064 = -0.9375 →

= -0.068

0.281 = - 0.068 x 1.25 + →

= 0.366

Jadi c adalah = -0.068 r + 0.366 Kita mempunyai perkiraan untuk kaki dari bilah kipas pada r = 0.2 R

Teknik mesin-UMB

37


Chord pada pangkal sudu = - 0.068 x 0.5 + 0.366 = 0.332 Chord pada ujung sudu = -0.068 x 2.5 + 0.366 = 0.196

Dalam permintaan untuk mengetahui dimanakah letak perbedaan yang diperkenalkan dengan jalan melinierisasi pada sudu yang mempunyai beberapa bagian titik hembusan. Maka hasil dari perhitungan tersebut di masukkan kedalam table berikut Cross

Linierisasi

Linierisasi

Deviasi

section

r (M)

c (mm)

hitungan

kenyataan

(mm)

1

0.5000

252

332

250

2

2

0.6250

273

324

(264)

9

3

0.9550

293

301

300

7

4

1.2500

281

281

(281)

0

5

1.5625

260

260

(261)

1

6

1.9100

235

236

(238)

3

7

2.1875

217

217

(222)

5

Teknik mesin-UMB

38


8

2.5000

198

196

200

2

Table hasil dari linierisasi dan kenyataan pada pembuatan

Dari tabel di atas kita bisa dengan jelas untuk menetukan dan memikirkan bagaimana bentuk dari penampang kipas tersebut. Sekarang kita telah tentukan bahwa titik terlebar penampang bilah kipas ada pada no 2. Jadi bentuk yang terancang adalah seperti gambar penampang bilah kipas sebelumnya. Lebih lanjut kita akan tentukan untuk material yang diijinkan pada pembuatan bilah kipas tersebut. Jadi bentuk luas penampang adalah 200 mm ada pada ujung bilah kipas, 300 mm mendekati bagian bawah dan 250 mm ada diujung bawah lembar kipas tersebut. Perbedaan actual bilah kipas ditunjukkan pada kolom terakhir tabel tersebut. Lembar kipas di letakkan pada lingkaran kerangka roda kincir angin pada dua posisi dan hanya ada satu linierisasi yang mungkin. Perkiraan penempelan bilah kipas pada penopang diposisikan pada nomer 3 dan no 6 (dengan perkiraan pada 1/4 dan 3/4 dari panjang bilah kipas tersebut). Kemudian sudut β bisa di temukan dengan jalan:

, dengan hasil dari β pada r = 0.955 dan pada r = 1.910

adalah konstan, dapat di cari dengan jalan:

32.2 =

x 0.955 +

19.1 =

x 1.910 +

Teknik mesin-UMB

39


13.1 = -0.955 = - 13.72 32.2 = -13.72 x 0.955 + = 45.3 Jadi β = - 13.72 r + 45.3 Hasil perhitungan untuk β pada daerah titik hembus akan di tunujukkan pada tabel berikut. Cross

β (°)

β (°)

section

r (m)

exact

linierisasi

Deviasi (°)

1

0.5000

42.6

38.4

4.2

2

0.6250

39.3

36.7

2.6

3

0.9550

32.2

32.2

0

4

1.2500

27.0

28.2

1.2

5

1.5625

22.8

23.9

1.1

6

1.9100

19.1

19.1

0

7

2.1875

16.8

15.3

1.5

Teknik mesin-UMB

40


8

2.5000

14.7

11.0

3.7

Table hasil perhitungan pada sudut β sepanjang cross section

Hasil pembentukan penampang bilah kipas bisa dilihat pada gambar berikut

Gambar19. Hasil perhitungan bentuk penampang sudu

Teknik mesin-UMB

41


BAB IV ANALISA PERHITUNGAN

4.1

HUBUNGAN KARAKTERISTIK AIRFOIL DALAM RE-NUMBER Karakteristik dari airfoil tergantung pada jumlah hitungan reynold number

dari hembusan angin di sekitar airfoil tersebut. Untuk beberapa airfoil re-number di peroleh dari

.

, dengan W adalah kecepatan relative menuju airfoil, c

adalah chord dan adalah viskositas kinematik (dalam hal ini adalah udara). Untuk semua bentuk airfoil akan mempunyai Re-number kritis. Jika Renumber pada hembusan di sekitar airfoil lebih sedikit dari Re-number kritis maka nilai dari

adalah lebih rendah dan nilai dari

akan menjadi lebih tinggi. Pada

gambar 4.1 di perlihatkan sebuah efek dari Re-number pada (

/ minimum.

Gambar Pada umumnya untuk nilai Re-kritis pada airfoil dengan bentuk ujung depan lancip akan mempunyai nilai sampai dengan 10 dan bagaimanapun untuk Teknik mesin-UMB

42


bentuk airfoil yang lebih konvensional seperti NACA nilai dari Re-number kritis berada di kisaran 10 , dan untuk bentuk airfoil paling modern akan mempunyai Re-number kritis pada sekuitar 10 . Pada gambar 4.2 di perlihatkan nilai kebalikan pada perbandingan

/

dari beberapa bentuk airfoil sebagai fungsi dari Re Gambar 4.2 KALKULASI RE-NUMBER UNTUK SUDU PADA ROTOR KINCIR ANGIN Untuk kondisi tersebut putaran dari rotor pada

dengan Re-

number dari hembusan di sekitar bisa di tetapkan dengan gambar 4.3 dengan ketentuan: = jumlah sudu = jari-jari =perbandingan kecepatan dari sudu = rancangan koefisien daya angkat dari elemen sudu = kecepatan angin tanpa gangguan Maka nilai dari Re-number adalah:

bisa di dapat dari grafik yang di perlihatkan pada gambar 4.3 (hanya valid untuk udara yang mempunyai kinematik viscositas

=15

10

Gambar 4.3 PERHITUNGAN RE NUMBER PADA ROTOR MB 12-7

Teknik mesin-UMB

43


Di bawah ini penulis akan mengkalkulasi nilai dari Re-number pada rotor angin dari kincir angin MB 12-7 yang telah di dirikan oleh teman-teman mahasiswa angkatan VII. Dengan ketentuan sebagai berikut: Airfoil : 10 % arched steel plate Jari-jari: R = 2.5 (m) =2

Perbandingan kecepatan ujung: rancangan = 1.25 Jumlah sudu :B = 12 2

1) Pada ujung

2.5 0.6

Dari gambar 4.3 –

10

.

Maka

. .

0.1

10

Catatan: Untuk ujung sudu nilai dari Re-number pada kecepatan angin rendah, lebih tinggi dari Re-number kritis untuk arched p;ate (=10 ). Dengan mengasumsikan bahwa perbandingan minimum dari

Teknik mesin-UMB

/

adalah benar

44


BAB V PENUTUP

5.1 KESIMPULAN Untuk sebuah rancangan roda baling baling (rotor angin) MB 127 penulis menyimpulkan: a. Dengan berpedoman pada rumus untuk daya maka, karena kincir angin tersebut membutuhkan torsi yang besar untuk mengangkat sejumlah beban maka penulis menetapkan bahwa untuk kecepatan angular dari putaran rotor adalah rendah. b. Untuk mendapatkan putaran rendah pada kincir angin jenis ini maka penulis menyimpulkan untuk menggunakan perbandingan kecepatan ujung rendah dan menggunakan jumlah sudu antara 8 sanpai 16.

Teknik mesin-UMB

45


c. Dengan hasil rancangan pada bentuk dari sudu maka untuk menentukan ranka penempatanya di sesuaikan untuk mendapatkan selisih sekecil mungkin dari perhitungan linierisasi

DAFTAR PUSTAKA 1. Abbot I,H, van Doenhoeff A.E.,theory of wing sections,including airfoil data, dover publications, Inc, New York, 1959 2. Baurskens J. , Houet M. ,Varst P. v.d. , wind energy (in Dutch) diktaat no.3323, Eindhoven University of Technology (English editions to be published in 1977). 3. Duran W.F. Aerodynamic Theory, Volume IV, Dover publications, Inc,1965. 4. Schmitz

F.W.

Aerodynamic

of

small

Re-number,Jahrbuch

der

W.G.L.,1953 5. Wilson

R.E.,

Lissaman

P.B.S.,Aplied

aerodynamic

of

wind

turbines.,Oregon State University,U.S.A.,may 1976

Teknik mesin-UMB

46


mulai

menentukan bentuk airfoil

menentukan koefisien tanpa dimensi

mempelajari bentuk dasar dari karakteristik kincir angin

merancang rotor kincir angin

mengkalkulasi chord dan seting sudu

mengkalkulasi selisih chord dan seting sudu

mencari ketergantungan airfoil pada re‐ number

Teknik mesin-UMB

47

RANCANGAN ROTOR ANGIN UNTUK KINCIR ANGIN MB 12-7

Recommend Documents