Thareq Wibisono

Rangkuman Artikel The aerodynamic Method of Archimedes Wind Turbine

Turbin Archimedes adalah turbin yang mempunyai bentuk yang sangat aneh dan tidak seperti turbin kebanyakan. Desain turbin Archimedes , atau lebih spesifik membahas rotor Archimedes, terbentuk dari ruang 2-dimensi, berbentuk lingkaran, menjadi bentuk spatial atau 3-dimensi yang mengikuti pola konikal (Lihat Gambar dibawah).

Sebelum masuk mengenai turbin Archimedes, ada baiknya kita membahas tentang tipe-tipe turbin angina. Turbin angina dibagi menjadi dua tipe yaitu tipe resistance dan tipe lift. Tipe resistance biasanya terbentuk dari profil datar dan memiliki tip speed ratio lebih kecil dari 1. Dimana,

TSR = (Kecepatan di ujung bilah rotor) / (kecepatan angin)

Tipe resistance mendapatkan energi langsung dari angin sehingga kecepatan rotor lebih pelan dibandingkan kecepatan angin. Contoh tipe resistance adalah savonius wind turbine, turby, and American turbine

Dilain sisi, turbin lift adalah turbin angin yang bergerak mengikuti prinsip lift dan memiliki tip speed ratio lebih besar dari 1. Sehingga rotor dapat berputar lebih cepat dibandingkan angin. Akan tetapi, tipe ini memiliki kekurangan yaitu sangat bising pada saat berputar dan sangat berat.

Turbin Archimedes memiliki karakteristik dari kedua tipe turbin angin. Turbin tersebut mempunyai kesalahan margin yang besar, ringan dan memproduksi suara yang kecil (<40db). Selain itu, turbin ini juga mempunyai kapabilitas untuk mendapatkan 52% energi dari angin sehingga effisiensi yang ditawarkan cukup besar.

Dalam praktiknya, bentuk bilah dari rotor Archimedes memastikan bilahnya untuk berputar ke arah angin yang optimum sehingga yawing system yang digunakan sangat simple.

Generator listrik yang digunakan oleh system turbin ini juga harus mempertimbangkan effiesiensi dan copper losses sehingga untuk kasus ini, generator mempunyai kapasistas sebesar 400v.

Untuk memastikan oprasional yang aman, turbin ini dipasangkan dengan safety system dimana pada saat angin berkecepatan melebihi batas prosedur, maka system rem yang terdapat di generator akan berkerja untuk melambatkan kecepatan putar rotor.

---

Parameter yang Bersangkutan dengan Permodelan Design Turbine

Desain turbin memiliki bentuk yang komplek dan sangat rumit jika kita perhatikan dengan seksama. Akan tetapi beberapa parameter bisa menjadi faktor dalam menentukan geometri dan dimensi akan sebuah turbin. Parameter pertama yang paling penting dalam permodelan turbin adalah velocity triangle yang menghubungkan kecepatan absolute sebuah fluid V, kecepatan relative W dan kecepatan putar turbin U. Hubungan antara ketiga parameter tersebut dapat di nyatakan pada rumus dibawah ini

Untuk sebuah turbin, Velocity triangle untuk inlet dan outlet dapat di gambarkan pada gambar dibawah. Jika diperhatikan, kecepatan absolute inlet tangensial (V1) dari fluid memiliki nilai 0 atau kecepatan inlet hanya berfokus pada komponen axial. Akan tetapi, setelah melewati turbine terdapat komponen axial dan tangensial untuk kecepatan absolut fluid yang berlawanan arah dengan gerakan turbin. Berdasarkan hukum newton ke-3, jika ada aksi maka akan ada reaksi yang dihasilkan dengan nilai yang sama. Reaksi inilah yang membuat turbine bergerak.

The aforementioned parameter also applied in the analysis of the Archimedes wind turbine. The detailed view of the Archimedes win turbine's velocity triangle can be seen below

lll

From the velocity triangle above, the tangential absolute velocity have an opposite direction relative to the direction of the turbines. Thus from the previous statement we can conclude that the system is indeed a turbines

Another term that need to be considered is the direction of the torque produced by the wind and the direction of the angular velocity. The formula for calculating the power is

Power = Torque x angular velocity

For turbines, the power have a negative sign indicating that the system extracting the energy from the fluid or in this case the wind. This negative sign comes from the fact that the direction of the torque is opposite from those of the angular velocity. To confirm the theory with the system, a simulation is needed to be conducted. This simulation result will be presented later in this report.

The parameter of the Archimedes wind turbine's design is derived from the aforementioned theory which is a little bit different because the theory of momentum and mass equilibrium play a handy role to calculating the torque and the power. Before proceeding to the derivation of the equation, a few assumption is made in regards to the analysis of the wind turbine. These assumption include:

1. Incompressible and steady flow

2. The fluid move to the control volume parallel to the rotating axis of the wind turbines.

3. The quantities of the mass flow in the three outlet boundaries are the same

There are several parameter that are used for the sake of analyzing the design of the Archimedes turbines. Which are:

L1 : The distance between the back-end of the spiral shape to the x point located perpendicular to the tip of the outer blade.

L2 : The distance between the back-end of the spiral shape to the x point located perpendicular to the tip of the inner blade

R1 : The length from the rotating axis to the outer blade

R2 : The length from the rotating axis to the inner blade

Gamma : The angle between the outer blade relative to the rotational axis

S1 : The total length of the turbine relative to the rotational axis.

The above nomenclature can be clearly seen in the picture below

iii

The parameter above is essential to find the torque in which later crucial to find the power through the equation mentioned before. The equation of the torque is presented below (the derivation of the equation is not mentioned in this report in regard to the reference)

iii

From the equation, the shape parameter which are R1, R2, L1, and L2 can be found by trial and error to find the best geometry. The problem is how to find the tangential absolute velocity. Because it is not known and depended on the absolute velocity itself which are presented in the equation below

iii

The absolute velocity of the wind is depended on the relative and rotational velocity of the turbine which can be found using the relation below

iii

The rotational velocity is the product of the angular velocity of the turbine and the overall radius of the turbine.The angular velocity can be found using simulation and the radius is based on the shape requirements. The relative velocity in the other hand can be found using the equation below:

iii

Thus from the equation above we can find the tangential absolute velocity which later essential to find the torque

Progress Turbin Archimedes Semester 2

---

Tanggal 25 April 2020

Desain dan proses manufaktur turbin

Pada semester ini saya ditugaskan untuk membuat komponen turbin dari turbin Archimedes dengan menggunakan metode 3d printing sehingga turbin tersebut dapat muat dalam pipa. Pipa yang dipilih berukuran 4 inc. Desain dan dimensi sudah dibuat terlebih dahulu oleh Andrew. Tetapi perlu penyesuaian ukuran dikarenakan ukuran turbin yang dibuat Andrew lebih besar dari pipa. Setelah melakukan scaling dengan menggunakan software solidworks, turbin sekarang memiliki panjang 238 mm dan diameter maximum 41.4 mm. Gambar turbin setelah di scaling dapat ditunjukan pada gambar dibawah

Untuk memudahkan proses 3d printing, turbin dibagi menjadi 2 bagian yaitu bagian atas dan bagian bawah. Hal ini dikarenakan jika proses 3d printing dilakukan untuk satu keutuhan turbin, maka akan banyak terjadi failure printing yang sangat memakan waktu dan biaya. Proses penyambungan kedua komponen tersebut dilakukan dengan menggunaan super glue. Untuk memudahkan penyambungan, sebuah sistem coupling dibutuhkan untuk memudahkan lem mengering. Komponen turbin dan sistem coupling-nya dapat dilihat pada gambar dibawah.

Setelah desain dari turbin selesai, file turbin saya ubah menjadi format STL untuk dikirim ke vendor 3d printing. Proses 3d printing dilakukan dengan keakuratan (layer height) sebesar 0.2 mm. Lama pengerjaan 3d printing adalah 6 hari dekarenakan terjadi 2 kali kegagalan dalam proses printing. Hasil 3d printing sangat mulus dan hanya terdapat cacat sedikit. Gambar dibawah memperlihatkan turbin yang selesai di 3d print

Proses assembly turbin

Setelah proses desain selesai dilakukan oleh masing-masing teman yang mengerjakan mounting turbin. Semua komponen kami list beserta vendor pembeliannya. gambar dibawah menunjukan list komponen komponen yang harus di 3d print maupun yang harus dibeli.

iii

Butuh waktu sekitar 1-2 minggu agar semua komponen terkumpul dikarenakan faktor logistik dan kegagalan 3d printing. Setelah semua komponen terkumpul, semua komponen dikirim ke rumah saya untuk proses assembly. Proses assembly sampai tanggal ini baru selesai pada pemasangan kedua komponen turbin (bagian atas dan bawah) dengan menggunakan super glue dan penyambungan turbin tersebut ke mountingnya beserta bearingnya. Hasil assembly untuk saat ini dapat ditampilkan pada gambar dibawah.

iii