Top Banner
ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL VERTICAL AXIS OCEAN CURRENT TURBINE (VAOCT) TESIS ME09-2350 Oleh: Adi Wirawan Husodo (4108204005) Dosen pembimbing: Dr. I Made Ariana, ST, MT, Mar.Sc Prof. Ir. I Ketut Aria Pria Utama, M.Sc, Ph.D
44

ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Aug 25, 2018

Download

Documents

hoangthuan
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL VERTICAL AXIS OCEAN CURRENT TURBINE (VAOCT)

TESIS ME09-2350Oleh:Adi Wirawan Husodo (4108204005)

Dosen pembimbing:Dr. I Made Ariana, ST, MT, Mar.ScProf. Ir. I Ketut Aria Pria Utama, M.Sc, Ph.D

Page 2: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Kerangka Presentasi

Pendahuluan (Ltr. Belakang & Tujuan)

Kajian pustaka & dasar teori

Metode penelitian

Hasil & Pembahasan

Kesimpulan & Saran

Page 3: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Pendahuluan – Ltr. Belakang

Inovasi sumber alternatif karena berkurangnya energi fosil (oil & gas) renewable energy issue

Ocean Energy penghasil tenaga listrik abundant. Meliputi: ocean thermal energy, wave energy, offshore wind energy, tidal energy, ocean current energy (Zwieten, 2005)

Indonesia mempunyai potensi energi laut yang besar

Vertical Axis Turbine (VAT) sistem yang paling sesuai untukpemanfaatan energi arus laut dibanding dengan yang jenishorisontal (Khan, 2009). Desain lebih sederhana

Lebih murah

Page 4: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

6 jenis VAT: SC-Darrieus(Straight Blade), H-Darrieus(Straight Blade), Darrieus(Curved Blade), Gorlov (Helical Blade) dan Savonius(Straight/Skewed)

Studi tentang pemanfaatanVAT masih sangat terbatas

Aspek penting pada VAT : GETARAN (berputar & menggantung)

Page 5: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Pendahuluan - Tujuan

1. Membuat diagram benda bebas (free body diagram) dari sistemVAOCT.

2. Membuat model persamaan matematis dari sistem VAOCT.

3. Menghitung besarnya frekuensi natural sistem VAOCT, dan melihatseberapa jauh kemungkinan resonansi terjadi.

4. Mongkonversi fluktuasi gaya hidrodinamika akibat arus lautmenjadi eksitor getaran (lateral dan torsional) pada sistem VAOCT.

5. Menghitung besarnya respon getaran sistem VAOCT terhadapvariasi gaya eksitasi (lateral dan torsional) yang timbul.

6. Menganalisa pengaruh kecepatan arus terhadap gaya eksitasi danrespon getaran (lateral dan torsional) yang terjadi.

Page 6: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Kajian Pustaka

Huang (2007) meneliti karakteristik getaran torsional pada porosyang tidak setimbang (unbalanced) dengan simulasi numerik.

Behzad, dkk (2004) meneliti pengaruh gaya sentrifugal terhadapnilai frekwensi natural getaran lateral pada poros yang berputar.

Ouyang, dkk (2007) membuat model dinamis suatu balok berputar(rotating Thimosenko beam) yang dikenai beban-beban aksial yang bergerak.

Wu (Wu, J.J., 2007) menganalisa karakteristik gerakan torsional padasistem poros (tapered shaft).

Hsieh, dkk (2008) menggunakan transfer matrik yang telahdimodifikasi sedemikian rupa untuk menyelesaikan permasalahangetaran (lateral dan torsional) pada sistem rotor-bearing yang tidaksimetris.

Page 7: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Dasar Teori

Getaran (vibration) fluktuasi dari suatu sistem mekanik ataustruktur terhadap posisi kesetimbangannya (equilibrium).

Getaran terjadi ketika elemen inersia sistem berpindah dari posisikesetimbangannya, akibat besaran energi yang bekerja pada sistem.

Getaran ada 2 jenis: free vibration dan forced vibration (Rao, 1995).

Degree of Freedom: jumlah variabel-variabel bebas yang secarakinematis diperlukan untuk menggambarkan secara lengkapgerakan setiap partikel di dalam sistem (Kelly, 2004)

1 dof (kiri atas), 2 dof (kiri bawah),3 dof (kanan)

Page 8: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Dasar Teori

Single Degree of Freedom-SDOF

Getaran Torsional

Sistem massa pegas tanpa redaman

Page 9: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Dasar Teori

Multi Degree of Freedom-MDOF dibutuhkan sejumlah koordinat untuk menggambarkan gerakan suatu sistem

derajat kebebasan

tersusun atas n persamaan diferensial yang berpasangan (coupled) danmempunyai n frekuensi natural

Bentuk Matriks

Page 10: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Dasar Teori

Getaran Tereksitasi Harmonik

Suatu sistem dikatakan mengalami getaranpaksa (forced vibration) apabila ada energiluar bekerja pada sistem ketika getaranterjadi (Rao, 1995).

Energi luar tersebut ”disupply” ke sistemmelalui suatu eksitasi gaya ataupun eksitasisimpangan.

Eksitasi harmonic, non harmonic, periodic, non periodic ataupun acak (random)

Eksitasi harmonic harmonic response.

Page 11: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Metode Penelitian

MULAIKAJIAN PUSTAKA & DASAR TEORI

PEMODELAN MATEMATIS

PARAMETER SISTEM

FREKUENSI NATURAL

RESONANSI ?

EKSITASI GETARAN

RESPON GETARAN

TIDAK

RE-DESIGNYA

ANALISA SELESAI

Page 12: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Hasil & Pembahasan

Model VAOCT 3 (tiga) buah blade, alumunimum

Foil blade: NACA0018, chord 0,1 meter (100 mm) dan tinggi/span 1 meter

Poros baja pejal, panjangkeseluruhan 2,24 meter & diameter 0,0445 meter (44,5 mm)

Page 13: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Parameter Sistem

Page 14: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Pemodelan Matematis 2 derajat kebebasan arah lateral

2 derajat kebebasan arahtorsional

Page 15: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Fluktuasi Gaya

Page 16: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon
Page 17: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Fluktuasi Momen Puntir

Page 18: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon
Page 19: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Eksitor Getaran Dicari dengan menggunakan deret Fourier

Eksitasi gaya

Page 20: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Eksitasi Momen Puntir

Page 21: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Frekuensi Natural

TIDAK ADA RESONANSI frekuensi natural frekuensi eksitasi

Page 22: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Respon Getaran Dicari dengan menggunakan transformasi Laplace

Matrik impedansi (persamaan umum)

Getaran Lateral

Page 23: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Getaran Torsional

Eksitasi (bentuk Laplace)

Page 24: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Respon Getaran Lateral (u=0.5 m/s)

defleksi statis =0.1125e-003 m (ml-1) & 0.5438e-003 m (ml-2).

Simpangan 0.0678e-003 m 0.0853e-003 m (ml-1) & 0.2768e-003 m 0.3485e-003 m (ml-2).

Amplitudo simpangan 0,00875e-003 m (ml-1) & 0,03585e-003 m (ml-2).

Page 25: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Respon Getaran Lateral (u=1.0 m/s)

defleksi statis =0.4323e-003 m(ml-1) & 2.1e-003 m (ml-2).

Simpangan 0.2678e-003 0.3442e-003 m (ml-1) & 1.1e-003 1.4e-003 m (ml-2).

Amplitudo simpangan 0,0382e-003 m (ml-1) & 0.15e-003 m (ml-2).

Page 26: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Respon Getaran Lateral (u=1.5 m/s)

defleksi statis =0.9600e-003 m (ml-1) & 4.7e-003 m (ml-2).

Simpangan 0.6006e-003 0.7547e003 m (ml-1) & 2.5e-003 3.1e-003 m (ml-2).

Amplitudo simpangan 0.07705e-003 m (ml-1) & 0.3e-003 m (ml-2).

Page 27: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Respon Getaran Lateral (u=2.0 m/s)

defleksi statis =1.7e-003 m (ml-1) & 8.2e-003 m (ml-2).

Simpangan 1.1e-003 1.4e-003 m (ml-1) & 4.3e-003 5.6e-003 m (ml-2).

Amplitudo simpangan 0.2e-003 m (ml-1) & 0.7e-003 m (ml-2).

Page 28: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Respon Getaran Lateral (u=2.5 m/s)

defleksi statis = 2.6e-003 m (ml-1) & 12.7e-003 m (ml-2).

Simpangan = 1.6e-003 2.1e-003 (ml-1) & 6.7e-003 8.7e-003 m (ml-2).

Amplitudo simpangan 0.3e-003 m (ml-1) & 1.0e-003 (ml-2).

Page 29: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Respon Getaran Lateral (u=3.0 m/s)

defleksi statis = 3.7e-003 m (ml-1) & 18.1e-003 m (ml-2).

Simpangan = 2.43e-003 3.0e-003 (ml-1), 9.6e-003 12.5e-003 m (ml-2).

Amplitudo simpangan 0.3e-003 m (ml-1) & 1.5e-003 (ml-2).

Page 30: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Perbandingan defleksi statis

Page 31: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Perbandingan Respon GetaranLateral

Page 32: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Respon Getaran Torsional (u=0.5 m/s)

puntiran statis = 0.5633e-003 rad (ml-1) & 1.1e-003 rad (ml-2).

Simpangan = 0.5042e-003 ~ 0.6385e-003 rad (ml-1), 0.9622e-003 ~ 1.230e-003 rad (ml-2).

Amplitudo simpangan 0.1339e-003 rad (ml-1) & 0.0672e-003 rad (ml-2).

Page 33: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Respon Getaran Torsional (u=1.0 m/s)

puntiran statis = 2.1e-003 rad (ml-1) & 4.0e-003 rad (ml-2).

Simpangan = 2.0e-003 ~ 2.6e-003 rad (ml-1), 3.8e-003 ~ 5.0e-003 rad(ml-2).

Amplitudo simpangan 0.3e-003 rad (ml-1) & 0.6e-003 rad (ml-2).

Page 34: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Respon Getaran Torsional (u=1.5 m/s)

puntiran statis = 4.6e-003 rad (ml-1) & 8.9e-003 rad (ml-2).

Simpangan = 4.5e-003 ~ 5.8e-003 rad (ml-1), 8.6e-003 ~ 11.1e-003 rad(ml-2).

Amplitudo simpangan 0.7e-003 rad (ml-1) & 1.3e-003 rad (ml-2).

Page 35: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Respon Getaran Torsional (u=2.0 m/s)

puntiran statis = 8.2e-003 rad (ml-1) & 15.7e-003 rad (ml-2).

Simpangan = 8.0e-003 ~ 10.3e-003 rad (ml-1), 15.3e-003 ~ 19.7e-003 rad(ml-2).

Amplitudo simpangan 1.2e-003 rad (ml-1) & 2.2e-003 rad (ml-2).

Page 36: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Respon Getaran Torsional (u=2.5 m/s)

puntiran statis = 12.6e-003 rad (ml-1) & 24.1e-003 rad (ml-2).

Simpangan = 12.7e-003 ~ 16.0e-003 rad (ml-1), 23.7e-003 ~ 30.6e-003 rad(ml-2).

Amplitudo simpangan 1.7e-003 rad (ml-1) & 3.5e-003 rad (ml-2).

Page 37: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Respon Getaran Torsional (u=3.0 m/s)

puntiran statis = 17.9e-003 rad (ml-1) & 34.4e-003 rad (ml-2).

Simpangan = 17.8e-003 ~ 22.9e-003 rad (ml-1), 34.1e-003 43.9e-003 rad (ml-2).

Amplitudo simpangan 2.6e-003 rad (ml-1) & 4.9e-003 rad (ml-2).

Page 38: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Perbandingan puntiran statis

Page 39: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Perbandingan Respon GetaranTorsional

Page 40: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Kesimpulan

sistem VAOCT dimodelkan ke dalam 2 derajat kebebasan arahlateral dan 2 (dua) derajat kebebasan arah torsional.

Sistem VAOCT tersusun atas 4 persamaan diferensial orde-2, 2 (dua) persamaan menggambarkan gerakan arah lateral dan 2 (dua) persamaan menggambarkan arah gerakan torsional.

Sistem VAOCT mempunyai 4 nilai frekuensi natural, 135 rad/sec dan398 rad/sec (lateral) dan 9163 rad/sec 23239 rad/sec. Dari ke-empatnilai tersebut tidak ada satupun yang besarnya sama denganfrekuensi eksitasi gaya ataupun frekuensi eksitasi momen puntir. Sehingga bisa disimpulkan bahwa pada sistem VAOCT kemungkinan terjadinya resonansi menjadi tidak ada.

Pada getaran lateral terjadi defleksi statis terlebih dahulusebelumnya terjadi getaran. Respon yang terjadi diawali denganrespon transien kemudian menjadi respon steady. Sedangkan padagetaran torsional terjadi puntiran statis kemudian responnya steady.

Page 41: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Kesimpulan

sistem VAOCT dimodelkan ke dalam 2 derajat kebebasan arahlateral dan 2 (dua) derajat kebebasan arah torsional.

Sistem VAOCT tersusun atas 4 persamaan diferensial orde-2, 2 (dua) persamaan menggambarkan gerakan arah lateral dan 2 (dua) persamaan menggambarkan arah gerakan torsional.

Sistem VAOCT mempunyai 4 nilai frekuensi natural, 135 rad/sec dan398 rad/sec (lateral) dan 9163 rad/sec 23239 rad/sec. Dari ke-empatnilai tersebut tidak ada satupun yang besarnya sama denganfrekuensi eksitasi gaya ataupun frekuensi eksitasi momen puntir. Sehingga bisa disimpulkan bahwa pada sistem VAOCT kemungkinan terjadinya resonansi menjadi tidak ada.

Pada getaran lateral terjadi defleksi statis terlebih dahulusebelumnya terjadi getaran. Respon yang terjadi diawali denganrespon transien kemudian menjadi respon steady. Sedangkan padagetaran torsional terjadi puntiran statis kemudian responnya steady.

Page 42: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Kesimpulan

Semakin besar kecepatan arus, semakin besarnya simpangan lateral sistem dan nilai amplitudo simpangannya. Demikian juga semakinbesar simpangan sudut serta amplitudo simpangan sudutnya.

Desain sistem VAOCT yang telah dibuat mempunyai respon getaranyang sangat baik. Sehingga tahapan penelitiannya dapat dilanjutkanuntuk membuktikan apakah desain tersebut dapat menghasilkanenergi listrik sesuai yang diharapkan; sebagaimana tujuan utamadari pemanfaatan VAOCT ini.

Page 43: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Saran

Perlu adanya kajian berbasis eksperimen terutama untukmeyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respongetaran yang dihasilkan.

Penentuan besarnya koefisien redaman pada penelitian ini dilakukandengan menggunakan nilai rasio redaman poros yang telahdilakukan peneliti lain. Sehingga perlu eksperimen tersendiri untukmengetahui besarnya rasio redaman atau redaman itu sendiri.

Page 44: ANALISA RESPON GETARAN PADA MODEL … · Single Degree of Freedom-SDOF ... Multi Degree of Freedom-MDOF ... meyakinkan apakah ada perbedaan yang siknifikan dari respon

Alhamdulillah…..

Terima kasih & mohon saran