Progress Tugas Merancang - Elvin

Tugas Merancang Kelompok 5 2019

Minggu 1

Apa itu Turbin Archimedes?

Turbin Angin Archimedes adalah sebuah turbin yang memiliki bilah berbentuk helix atau seperti sebuah sekrup. Turbin jenis ini mampu bekerja pada head yang rendah, mempunyai efisiensi yang tinggi, dan tidak menghasilkan polusi suara.

Pompa Sekrup Archimedes

Awalan dari turbin ini dimulai sebagai sebuah pompa air sekrup yang digunakan untuk mengangkat air dari dataran rendah ke dataran yang lebih tinggi dengan memutarkan sekrup tersebut. Pompa sekrup ini juga merupakan salah satu jenis pompa tertua yang pernah dikembangkan. Walaupun dinamakan sebagai Pompa Achimedes, pompa ini sudah lama digunakan pada zaman mesir kuno, babylon, yunani dan bangsa kuno lainnya.

Seiring majunya zaman dan teknologi, pompa ini kembali digunakan tetapi memiliki peran sebagai turbin yang dihubungkan ke sebuah generator untuk menghasilkan listrik. Energi mekanik yang memutar poros pompa Archimedes dapat mengangkat air. sebaliknya, jika air dialirkan pada bagian atas turbin, maka poros akan berputar akibat energi potensial air. Turbin air ini juga dapat bekerja pada head yang rendah (H < 10 m) dan tidak berdampak tinggi pada lingkungan ataupun hewan. Turbin air Archimedes sudah banyak diaplikasikan di Britania Raya dan Amerika Serikat dengan jangkauan daya hasil sebesar 12 kW hingga 320 kW.

Minggu 2

Rangkuman Artikel

Conical Roll-Twist-Bending Process for Fabrication of Metallic Archimedes Spiral Blade Used in Small Wind Power Generator

Akhir ini, potensi pasar industri pembangkit listrik tenaga bayu (PLTB) atau tenaga angin mengalami peningkatan yang cukup tinggi dikarenakan penghasilan tenaga listrik yang murah dan ramah lingkungan. Tenaga angin juga bersifat berlimpah, bersih, dan tidak menghasilkan emisi karbon dioksida. Pada umumnya, sistem tenaga angin diklasifikasi berdasarkan ukuran kincir dan kapasitas daya listrik. Sistem yang menghasilkan daya listrik kurang dari 100 kW biasanya digunakan di daerah perkotaan untuk beraneka kegunaan.

Sistem turbin angin diklasifikasi berdasarkan arah letak poros menjadi sumbu vertikal (Vertikal Axis Wind Turbines (VAWT)) atau sumbu horizontal (Horizontal Axis Wind Turbines (HAWT)). VAWT memiliki poros yang tegak lurus dengan arah datang angin, sedangkan HAWT memiliki poros yang sejajar dengan arah datang angin.

Pasar dunia untuk sistem turbin angin skala kecil masih meningkat secara 40-50% setiap tahun. Akan tetapi, sistem turbin angin berskala kecil masih kurang diminati dikarenakan efisiensi rendah meskipun mempunyai kebutuhan dan nilai jual tinggi. Sehingga, diperlukan sebuah desain inovatif yang dapat meningkatkan efisiensi dari turbin skala kecil ini. Archimedes Wind Mill (AWM) yang menggunakan prinsip desain sekrup Archimedes mempunyai kemampuan tersebut.

AWM ini mampu berotasi dan menghasilkan listrik pada kecepatan angin yang rendah bahkan dibawah 3 m/s. AWM juga memiliki nilai koefisien daya yang lebih tinggi dibandingkan sebagian besar rasio kecepatan tip turbin. Terlebih dari itu, dapat memaksimalkan performa aerodinamik dengan mengaplikasikan kedua gaya lift dan drag

Bagian-bagian AWM

Secara umum, AWM terdiri atas 3 sudu spiral, generator, rem magnetik, frame, dan yawing jig seperti pada gambar disamping. Sudu spiral yang berjumlah 3 dan terposisi sepanjang poros ini sangat berbeda dengan sudu kincir angin secara umum. Bentuk sudu spiral ini tidak gampang dibuat. Dengan demikian, suatu proses fabrikasi sudu spiral AWM perlu dikembangkan untuk produksi massal. Proses yang digunakan pada artikel ilmiah ini adalah Roll-Twist-Bending (RTB).

Proses RTB dibagi menjadi 2, yaitu pembagian penampang dari blank menjadi beberapa bagian dan proses RTB nya itu sendiri.

• Pembagian penampang blank

Geometri dari sudu spiral mempunyai kurva archimedean yang terus berubah, sehingga titik pusat dari setiap lengkungan juga harus menyesuaikan. Dengan demikian, penampang dari blank harus dibagi menjadi beberapa bagian agar dapat diproduksi pada fase RTB. Jumlah bagian penampang dibagi menjadi 6 karena memiliki perbedaan nilai lengkungan yang kecil dibandingkan jumlah bagian penampang yang lain. Proses RTB dimulai dari bagian penampang 1 dimana titik pusat setiap lengkungan merupakan hasil perhitungan rata-rata jumlah lengkungan yang mendekati tak hingga.

• Proses RTB

Desain dari roller untuk proses RTB didapatkan dari analisis geometri blank turbin. Garis lekukan pada blank adalah garis yang akan bersentuhan dengan roller saat proses RTB. Area pembentukan dan radius luar dari lekukan sudu akan meningkat dari penampang ke-1 yang terdekat dengan poros hingga ke-6 yang pada ujung sudu. Bentuk roller yang digunakan merupakan conical roller digunakan untuk membentuk sudu yang mirip dengan bentuk kerucut. roller conical ini akan disertai dengan 2 roller silinder untuk memberi bentuk pada sudu dengan gaya gesek dan dibengkokan.

Untuk lebih mengerti proses tersebut Finite Element Analysis (FEA) dilakukan untuk mendapatkan parameter fabrikasi dan detil seperti deformasi dan sudut saat produksi.

Seperti yang dapat dilihat pada gambar, bagian penampang ke-1 yang terdekat dengan poros mengalami deformasi yang tinggi akibat tegangan yang diaplikasikan untuk menghasilkan bentuk yang diinginkan. Deformasi dan tegangan yang dialami semakin berkurang saat mendekati penampang ke-6. Terlebih dari itu, analisa elastisitas menunjukkan terjadinya spring-back atau pemulihan bentuk ketika perbandingan radius bending dan ketebalan blank memiliki nilai yang besar.

Referensi
Yang, S. M., Ji, H. S., Shim, D. S., Baek, J. H., & Park, S. H. (2017). Conical roll-twist-bending process for fabrication of metallic Archimedes spiral blade used in small wind power generator. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology, 4(4), 431-439.

Minggu 3

Secara umum, bilah suatu turbin angin dimanufakur dari proses yang panjang dan material komposit seperti berbagai jenis fiberglass serta carbon fiber untuk mencapai kekuatan, fleksibilitas tinggi, massa lebih ringan, dan kemampuan untuk berotasi pada kecepatan angin lebih rendah.

Untuk Tugas merancang ini kami berencana untuk menggunakan material yang ringan dan kuat seperti thermoplastic atau thermoset yang lebih mudah untuk dibentuk dan dapat mewakili kemampuan komposit pada skala lebih kecil dan murah

Minggu 4

Untuk minggu ini, tujuan yang ingin dicapai adalah membuat simulasi CFD Turbin Archimedes di dalam pipa L. Agar turbin Archimedes tersebut dapat disimulasikan, boundary atau volume analisisnya perlu dibuat terlebih dahulu. Seperti yang diajarkan oleh senior-senior pada pertemuan sebelumnya mengenai simulasi dengan CFD, saya membuat 2 Komponen agar turbin tersebut dapat disimulasikan.

• Silinder Tempat Turbin
• Pipa L untuk Silinder Turbin

Berikut merupakan gambar dari Assembly agar turbin dapat disimulasikan.

Minggu 5

Untuk Progress minggu ini, kami diminta untuk evaluasi kembali tugas minggu lalu dimana kami ditugaskan untuk membuat simulasi turbin untuk di dalam pipa L. Untuk kali ini kami diminta untuk membuat sistem turbin Archimedes yang external flow dengan mounting, yawing dan sebagainya. Turbinnya sendiri merupakan yang kami gunakan sebelumnya, disesuaikan skalanya sesuai keinginan ukuran kita.

Berikut merupakan desain Mounting yang dibuat untuk sistem baru ini beserta Assembly nya.

Minggu 6

Untuk minggu ini, kami diarahkan untuk melanjutkan progress minggu lalu dimana mounting yang saya buat sudah disimulasikan pada keadaan kerja dan didapatkan beberapa kekurangan seperti stress yang sangat besar terkonsentrasi pada beberapa titik sehingga perlu direvisi kembali.

Berikut merupakan desain mounting setelah direvisi.

Minggu 7

Untuk minggu ini, 3 kelompok yang dibimbing Pak Dai dibuat menjadi 1 kelompok besar yang terbagi atas 3 divisi yaitu, CAD, Analysis, dan Control system. Perubahan ini dibuat agar setiap orang dapat berkontribusi sesuai kapabilitas mereka masing-masing dan terarahkan sehingga kerja bisa terfokus dan lancar. Setiap kelompok memiliki minimal 1 orang yang didivisi masing-masing

Untuk minggu ini, Divisi CAD diarahkan untuk mempelajari kembali desain turbin Archimedes agar dapat fokus untuk proses pembuatan desain CADnya

Minggu 8

Pada pertemuan minggu ini, kami diarahkan untuk mencoba mengaplikasikan airfoil pada Archimedes Wind Turbine (AWT) yang akan dibuat dikarenakan desain sebelumnya masih standar tanpa airfoil. Dengan adanya airfoil ini sendiri dapat meningkatkan efisiensi kerja dari AWT yang akan dibuat.

Untuk divisi CAD sendiri, kami diarahkan untuk mempelajari bagaimana menambahkan airfoil ke AWT tersebut.

Minggu 9

Pertemuan kali ini dilaksanakan di CCIT dimana kami diajarkan bagaimana mengaplikasikan airfoil pada pembuatan AWT oleh salah satu asisten Pak Dai, yaitu Mas Amin. Aplikasi airfoil pada minggu sebelumnya yang masih belum berhasil karena adanya masalah atau error sudah diselesaikan pada pertemuan minggu ini sehingga Divisi CAD sudah mampu membuat desain turbin angin Archimedes dengan Airfoil.

Berikut merupakan desain AWT dengan airfoil

Selain itu, dibuat juga variasi AWT dengan airfoil tersebut untuk 1 dan 2 revolusi dan 2 hingga 7 blade

Minggu 10

Pada pertemuan minggu ini, divisi CAD telah berhasil membuat turbin angin Archimedes dengan airfoil. Akan tetapi, desain tersebut masih bersifat surface sehingga tidak dapat disimulasikan oleh tim analisis. Dengan demikian, kami divisi CAD harus mempelajari cara atau metode baru sehingga dapat menghasilkan turbin AWT yang dapat disimulasikan tanpa masalah oleh tim Analisis.

Berikut merupakan beberapa gambar progress pembelajaran

Minggu 11

Pada pertemuan minggu ini, ada sedikit perubahan dimana ide sebelumnya turbin angin archimedes akan dikerjakan secara external dengan sistem mounting, diubah untuk memanfaatkan energi pada gas buang disuatu pipa.

Untuk minggu ini, divisi CAD mendesain turbin angin Archimedes baru dengan airfoil yang dapat disimulasikan serta membuat rancangan agar AWT tersebut dapat bekerja didalam pipa untuk menerima energi kinetik dari gas buang.

Berikut merupakan gambar progress

Minggu 12

Pada pertemuan minggu ini, setelah membuat rancangan agar AWT dapat dioperasikan dalam pipa, kami divisi CAD diarahkan Pak Dai untuk membuat AWT dengan airfoil NACA untuk masing-masing kelompok. Untuk kelompok 5 sendiri, kami menggunakan airfoil 23012 pada AWT kami. Selain itu, kami dijuga diarahkan untuk membuat mounting yang akan digunakan pada sistem AWT tersebut.

Berikut merupakan gambar progress.

Minggu 13

Pada pertemuan minggu ini, kami merevisi desain mounting untuk AWT agar dapat memanfaatkan energi kinetik gas buang nantinya secara optimal. Kemudian, untuk materi komplementer dari laporan akhir Tugas Merancang, divisi CAD diarahkan untuk membuat hitungan analitik untuk beberapa nilai stress, Torque, Load, dll. pada AWT saat sedang diam ataupun bekerja

Berikut merupakan desain akhir serta kalkulasi bearing load untuk AWT