Studi Eksperimental Dan Simulasi Numerik Getaran Pada Turbin Vertikal Aksis Pembangkit Energi Arus Laut

Hantoro, Ridho (2011) Studi Eksperimental Dan Simulasi Numerik Getaran Pada Turbin Vertikal Aksis Pembangkit Energi Arus Laut. Doctoral thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Text 4107301001-Phd Thesis.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only Download (7MB)

Abstract

Salah satu teknologi konversi energi terbarukan yang berasal dari laut adalah turbin arus laut jenis vertikal aksis. Beberapa aspek penelitian dan pengembangan pada turbin jenis ini meliputi dinamika aliran, pemilihan model pitch, dan beban hidrodinamika yang menyertai turbin selama berotasi. Salah satu permasalahan yang muncul akibat fluktuasi beban hidrodinamika adalah getaran pada poros turbin sebagai komponen utama transmisi energi, sehingga berpotensi menurunkan performansi dan bahkan terjadi kegagalan sistem. Penelitian yang dilakukan dalam desertasi ini bertujuan untuk memahami lebih jauh mengenai fluktuasi gaya dan respon getaran pada poros turbin vertikal aksis arus laut. Simulasi numerik CFD digunakan untuk mendapatkan fluktuasi gaya dalam variasi U (m/s) sebagai input fungsi gaya F(t) pada pemodelan getaran dengan metode finite element. Variasi model matrik massa konsisten dan tergumpal diimplementasikan untuk mengetahui karakteristik respon getaran yang dihasilkan. Penyelidikan terhadap fluktuasi Fx dan Fy menunjukkan pola yang periodik dan meningkat seiring dengan bertambahnya U. Pergeseran pola Fx dan Fy pada sebuah foil yang dihasilkan oleh pemakaian tipe passive variable pitch mengikuti kebebasan sudut 100 yang diberikan. Perubahan pola gaya tersebut terjadi pada daerah azimuth rotasi 200<θ<400, dan berkontribusi menghindari terjadinya stall, serta memperbaiki kemampuan self-start pada turbin vertikal aksis. Vektor F-res sebagai resultan Fx dan Fy pada turbin tipe fixed pitch yang bekerja pada poros menghasilkan arah yang berfluktuasi pada daerah diagram kuadran sudut -150<β<200, sedangkan vektor F-res pada tipe passive variable pitch menghasilkan arah yang berfluktuasi pada -50<β<200. Perbandingan daerah sudut vektor F-res pada model passive variable pitch terhadap model fixed pitch menunjukkan pengurangan sudut β sebesar ± 100 sesuai sudut kebebasan pitch. Getaran pada poros turbin vertikal aksis yang ditinjau secara lateral terjadi sebagai akibat dari kombinasi fluktuasi gaya yang berbeda yang dihasilkan oleh ketiga foil pada posisi azimuth (θ) yang terpisah dengan jarak antar foil sebesar θ=1200. Periodisasi fluktuasi gaya sebesar θ tersebut memiliki ketergantungan terhadap jumlah foil dan jarak antar foil, sedangkan fluktuasi respon getaran memiliki beberapa karakteristik pola dan periodisasi yang berbeda. Pemakaian matrik CM dan LM menghasilkan pola respon getaran yang sama dengan nilai simpangan yang berbeda. Pemakaian matrik LM menghasilkan simpangan yang lebih besar apabila dibandingkan pada matrik CM. Simpangan pada ketiga node terjadi pada θ dan γ yang sama dengan nilai D-res yang berbeda. Kecenderungan respon getaran Dx terhadap variasi tipe pitch adalahiv meningkatnya kesebandingan rata-rata simpangan terhadap rata-rata gaya turbin akibat dominasi pengaruh gaya oleh aliran pada arah x. Sedangkan pada Dy memiliki kecenderungan memberikan kesebandingan yang menurun sebagai akibat dominasi kecepatan rotasi turbin yang menyebabkan fluktuasi nilai gaya yang lebih cepat. Validasi hasil simulasi respon getaran Dx dan Dy dengan matrik LM terhadap pengujian memiliki nilai rata-rata kesalahan sebesar 11% dan 9% dan lebih kecil apabila dibandingkan pada matrik CM. Sudut kritis posisi azimuth rotasi turbin (θcr) yang berpotensi mengganggu atau merusak kinerja turbin vertikal aksis didapatkan dengan melakukan identifikasi antara besarnya γ dan perubahan D-res dengan nilai yang besar. Identifikasi terhadap interval terjadinya sudut kritis dalam satu rotasi turbin memberikan nilai yang bervariasi. Interval sudut kritis dengan perbedaan nilai yang signifikan (∆θ>±20) terhadap nilai periodisasi gaya (θ=1200) memiliki potensi untuk membengkok dan patah, sedangkan interval sudut kritis yang sama atau mendekati nilai periodisasi gaya akan berpotensi membengkok.
============================================================================================================================
Vertical axis ocean current turbine is one of renewable energy conversion technologies. Many aspects of research and development in this type of turbine including the study flow dynamics, selection of pitch models, and hydrodynamic loads which accompany during turbine rotation. Problem that arises due to fluctuations in hydrodynamic load cycle on the turbine shaft as main component of energy transmission is vibration, thereby potentially reducing performance and system failure. Research conducted in this dissertation aims to understand more the fluctuations of forces and vibration response on the shaft of vertical axis ocean currents turbine. CFD is used to obtain the force fluctuations in variation of U (m/s) as a input of force function F(t) in vibration modeling using finite element method. Variations of consistent and lumped mass matrix model implemented to characterize the resulting vibration response. Investigation of Fx and Fy fluctuations showed periodic pattern and increases with U. Shifting patterns of Fx and Fy on a foil produced with the use of passive variable pitch following the angle of freedom 100 given. Changes in pattern of force occurred in the area of azimuth rotation of 200<θ<400, and contributes to avoiding the occurrence of stall, as well as improve the ability to self-start on the vertical axis turbine. The resulted fluctuating direction of F-res vector as a resultant of Fx and Fy in the use of fixed pitch turbine in quadrant system is -150<β<200, while the Fres vector on passive variable pitch produces a fluctuating direction of -50<β<200. According to the pitch angle of freedom, comparison of angle F-res vector area of passive variable pitch to pitch fixed type showed a reduction of β of ±100. Lateral vibration on the vertical axis turbine shaft occur as a result of a combination of different force fluctuations generated by the three foil, and are separated by the distance between the foil at θ = 1200 at the azimuth (θ) position. Periodization of force fluctuation in θ has a dependency on the number and foil spacing, while the fluctuation of vibration response has some characteristics of different periodization patterns. The use of the CM and LM matrix produce the same patterns of vibration response with different of displacement values. LM matrix provides greater displacement compared with the CM matrix. Displacement at all three nodes (node-1, 3, and 10) occurs in the same θ and γ with different value of D-res. The tendency of Dx in pitch type variation is the increasing of proportionality of the average displacement toward the average of turbine force due to the dominance influence of the fluid force in x-direction. While Dy has tendency of proportionality decreased as result of rotational speed domination which bringingvi faster fluctuations in force value. Validation of Dx and Dy from simulated vibration response with the use of LM matrix has an average value of error of 11% and 9%, and smaller if compared to CM matrix. Critical angle of turbine azimuth position (θcr) which is potentially disrupt or damage the performance of vertical axis turbine was obtained by identification between the magnitude of γ and the change in high value of D-res. Identification of critical angle interval within one rotation of turbine provides variety of values. Interval of critical angle with significant difference value (Δθ> ±20) to the periodization of force value (θ = 1200) has potency to bend and fracture, whereas the same or close interval of critical angle to the periodization of force value will potentially bent

Item Type:	Thesis (Doctoral)
Uncontrolled Keywords:	turbin vertikal aksis, tipe pitch, fluktuasi gaya, getaran, poros
Subjects:	V Naval Science > VM Naval architecture. Shipbuilding. Marine engineering > VM740 Marine turbines
Divisions:	Faculty of Marine Technology (MARTECH) > Marine Engineering > 36001-(S3) PhD Theses
Depositing User:	Mr. Tondo Indra Nyata
Date Deposited:	08 Mar 2023 08:17
Last Modified:	08 Mar 2023 08:17
URI:	http://repository.its.ac.id/id/eprint/97698

Actions (login required)

View Item