## ANALISIS RADIUS AMAN AKIBAT KEGAGALAN STRUKTUR SUDU SKEA 50 KW PADA SAAT BEROPERASI
Sulistyo Atmadi *) , Ahmad Jamaludin Fitroh **)
*) Peneliti Bidang Konversi Energi Dirgantara, LAPAN
**) Peneliti Aerodinamika, LAPAN e-mail: sulistyoa@hotmail.com

## ABSTRACT
Analysis  on  the  safe  radius  of  a  blade  structural  failure  during  operation,  is studied on this paper. The particular blade under analysis is the SKEA 50 kW LAPAN. The  rotor  is installed  at  18  m  height. The  analysis  is  based  on  the  modified straight motion  and   rotational  momentum  formulation.  The  result  showed  that  at  the maximum design rotational speed of 80 rpm, the blade would be thrown out of it centre to  73  m  horizontally,  and 35  m  vertically  above  the  ground.  On  the  other  hand,  the failure at the root of the blade would be thrown and spinned at its centre of  mass at the speed of 145 rpm.
Key words: Radius of safety, Rotating  blade, 50 kW WECS

## ABSTRAK
Telah dilakukan analisa radius aman akibat kegagalan struktur sudu atau sudu patah pada saat beroperasi. Analisis dilakukan pada sudu SKEA 50 kW LAPAN. Rotor dipasang  pada  menara  setinggi  18  m.  Dengan  menggunakan  Modifikasi  dari  Gerak Lurus  Berubah  Beraturan  dan  Momentum  Putar,  hasil  analisa  menunjukkan  bahwa jika  sudu  mengalami  kegagalan  struktur  atau  patah  pada  putaran  rancangan  atau maksimum  80  rpm,  maka  sudu  akan  terlempar  maksimum  sejauh  73  m  ke  samping dan 35 m ke atas dihitung dari permukaan tanah. Akibat patah di pangkal, sudu akan terlempar dan berputar pada titik beratnya dengan putaran 145 rpm.
Kata kunci: Radius aman, Sudu berputar, SKEA 50 kW

## 1 PENDAHULUAN
Turbin  angin  yang  segera  akan dipasang  oleh  LAPAN  adalah  SKEA  50 kW.  Sesuai  dengan  namanya,  maka turbin angin tersebut mempunyai kapasitas  daya  maksimum  50  kW (Ahmad J. Fitroh, 2009; Sulistyo Atmadi & Ahmad J. Fitroh, 2009) .
Faktor  keamanan  adalah  unsur utama  dalam  pengoperasian  Turbin Angin. Faktor keamanan yang dimaksud adalah  apabila  terjadi  kegagalan operasi turbin  angin,  maka  pada  radius  daerah tertentu  dari  turbin  angin  dinyatakan sebagai  daerah  yang  harus  dihindari pada saat pengoperasian turbin angin.
Salah  satu  komponen  utama SKEA  50  kW  yang  dapat  menjadi
penyebab kecelakaan adalah rotor dengan  tiga  buah  sudu.  Penelitian teoritis  menunjukkan  bahwa  dengan sudu  rotor  yang  modern  akan  terjadi kecepatan aerodinamika yang kritis kira- kira tiga kali kecepatan ujung rancangan. Pada  kecepatan  angin  yang  konstan,  ini berarti tiga kali kecepatan rotor (Milborrow,D.J. 1983) . Apabila pada saat pengoperasian terjadi kegagalan struktur sudu,  maka  sudu  akan  terlempar. Dengan  berat  sekitar  230  kg  per  sudu, maka  dampak  yang  akan  diakibatkan apabila  tertimpa  sudu  yang  terlepas atau  patah  tersebut  pasti  sangat  besar. Oleh  karena  itu  perlu  diperhitungan daerah atau radius aman selama pengoperasian  SKEA  50  kW  sehingga
apabila  terjadi  sudu  lepas  atau  patah, maka  dalam  radius  tersebut  tidak  ada korban jiwa maupun harta.

## 1.1 Tujuan
Perhitungan dilakukan untuk mendapatkan radius aman selama pengoperasian  SKEA  50  kW.  Selain  itu perhitungan dilakukan untuk mendapatkan  karakteristik  sentrifugal failure  sudu.  Radius  aman  diperlukan agar tidak terjadi korban jiwa dan harta selama pengoperasian. Karakteristik sentrifugal failure dihitung untuk mengetahui  berapa  kecepatan  putar sudu  terhadap  titik  beratnya  pada  saat terlempar.

## 1.2 Batasan Masalah
SKEA 50 kW yang sedang dikembangkan  oleh  LAPAN  tersebut dirancang  agar  mampu  menghasilkan daya  sebesar  50  kW  pada  kecepatan angin  10  m/det  dan  putaran  80  rpm (Ahmad J. Fitroh, 2009; Sulistyo Atmadi &  Ahmad  J.  Fitroh,  2009).  Dengan  kata lain generator turbin angin yang digunakan mempunyai putaran
maksimum  80  rpm.  Oleh  karena  itu dalam  perhitungan  ini,  putaran  rotor yang dipilih adalah 80 rpm.
Setiap  sudu  mempunyai  berat 230 kg. Sudu tersebut diukur mempunyai titik  berat  pada  posisi  2,407  m  dihitung dari  pangkal  sudu.  Apabila  memper- hitungkan  jarak  antara  pangkal  sudu dan sumbu putar rotor, maka titik berat sudu menjadi 2,907 m.
Rotor  dipasang  di  atas  menara setinggi  18  m.  Dengan  demikian  titik pusat perhitungan berada pada ketinggian  18  m  di  atas  permukaan tanah.
Pada saat sudu terlempar, terjadi gesekan antara permukaan sudu dengan udara. Analisis teoritis mengenai perhitungan  panjang  lintasan  dengan mempertimbangkan  gaya  angkat  dan hambat aerodinamika menghasilkan
bahwa  suatu  koefisien  hambat  udara rata-rata  c D =  0,25  (Sorensen,  J.N., 1980).  Selain  itu  terjadi  gaya  hambat lainnya yang bekerja pada sudu sehingga  dalam  penelitian  ini  koefisien gaya  hambat  sudu,  c D diasumsikan sebesar  0,6.  Asumsi  tersebut  dipilih karena pada gerakan yang terdiri banyak  manuver,  harga  c D menjadi cukup  besar  (Anderson,  John  D.,  Jr, 1985; Mc. Cormick, Barnes W., 1995).
Penampang sudu berbentuk airfoil.  Untuk  menghitung  distribusi massa sudu, maka distribusi luas airfoil perlu  dihitung  terlebih  dahulu.  Untuk mempermudah perhitungan, maka perhitungan  luas  airfoil  diasumsikan sama  dengan  perhitungan  luas  belah ketupat,  yaitu  hanya  memperhitungkan chord dan tebal airfoil.

## 2 DASAR TEORI DAN METODE
Dalam  perhitungan  radius  aman akibat  kegagalan  rotor,  titik  berat  sudu disajikan  sebagai  acuan.  Sketsa  turbin angin  beserta  sudunya  disajikan  dalam Gambar 2-1 dan 2-2 sebagai berikut:
Gambar 2-1: Sketsa SKEA 50 kW tampak depan
Gambar 2-2: Sketsa  vektor  kecepatan pada sudu
Gambar  2-2  menjelaskan  vektor kecepatan  pada  sudu  untuk  tiga  posisi, yaitu posisi 0, 120, dan 240 derajat. V tan merupakan  kecepatan  tangensial  yang mana  merupakan  fungsi  dari  putaran dan  posisi  titik  berat  terhadap  sumbu putar  rotor,  sebagaimana  dituliskan sebagai berikut:
R V   tan
(2-1)
dengan ω = putaran (rad/det) R = posisi titik berat (m)
Untuk  menentukan  jangkauan perpindahan  sudu  dalam  arah  horisontal dan  vertikal  akibat  patah  pada  saat operasional,  maka  kecepatan  tangensial tersebut  juga  harus  diuraikan  dalam arah  horisontal  dan  vertikal  sebagai berikut:
 cos * tan V V x  (2-2a)  sin * tan V V y  (2-2b)
dengan
V x = kecepatan  tangensial  dalam  arah horisontal (m/det)
V y = kecepatan  tangensial  dalam  arah vertikal (m/det)
θ = posisi sudu (derajat)
Pada saat terlempar, sudu akan mendapatkan gaya hambat udara. Besar gaya  hambat  tersebut  secara  langsung dipengaruhi  oleh  koefisien  gaya  hambat itu  sendiri  dan  kecepatan,  seperti  pada persamaan (2-3) di bawah ini (Anderson, John D., Jr, 1985; Mc. Cormick, Barnes W., 1995).
D c A V d 2
2 1   (2-3)
dengan ρ dan A masing – masing adalah kerapatan udara dan luas sudu. Kerapatan  udara  disesuaikan  dengan kondisi  pengujian.  Luas  sudu  yang digunakan adalah luas permukaan sudu. Dalam pengerjaan ini luas permukaan sudu disederhanakan menjadi
  b c c
A t r   2 1 (2-4)
dengan
c r = chord di pangkal (root) c t = chord di ujung (tip) b   = panjang sudu
Notasi V dalam persamaan (2-3) merupakan  kecepatan  translasi  sudu pada  saat  terlempar.  Harga  V  diperoleh dari persamaan (2-2).
Selain  dalam  bentuk  satuan  sudut, posisi  sudu  pada  saat  patah  juga  dapat disajikan dalam bentuk ketinggian. Rotor dipasang pada menara setinggi 18 m sehingga posisi sudu yang sebenarnya merupakan penjumlahan dari ketinggian menara  dan  posisi  sudu  pada  saat berputar. Posisi tersebut dapat dituliskan sebagai berikut:
 cos * R h h m   (2-5)
dengan
h  = ketinggian sudu dihitung dari permukaan  tanah (m)
h m = tinggi menara (m)
Metode  yang  digunakan  untuk  meng- hitung  ketinggian  dan  jarak  terlempar
maksimum  sudu  setelah  patah  adalah persamaan Gerak Lurus
Berubah
Beraturan  (GLBB).  Persamaan  tersebut diaplikasikan  dalam  arah  vertikal  dan mendatar sebagai berikut:
2 2 1 t m D mg g t V h y y y             (2-6)
2 2 1 t m D t V x x x   (2-7)
dengan
y  = ketinggian maksimum (m) x  = perpindahan ke samping maksimum
(m)
t  = waktu yang diperlukan
untuk
mencapai ketinggian maksimum (det) g  = percepatan gravitasi bumi (m/det 2 ) D y = gaya hambat dalam arah vertikal (N) D x = gaya  hambat  dalam  arah  mendatar
(N)
Harga  y  dan  x  di  atas  berlaku  untuk setiap  harga  θ  pada  saat  sudu  patah. Dengan  memvariasikan  harga  θ,  maka akan diperoleh radius maksimum untuk daerah aman pada saat pengujian sudu. Akibat  adanya distribusi kecepatan tangensial  di  sepanjang  sudu  sesaat setelah  sudu  patah  pada  pangkalnya, akan  membentuk  momentum  putar pada  sudu.  Adanya  momentum  putar tersebut  menyebabkan  sudu  berputar terhadap titik beratnya sendiri pada saat terlempar.  Sketsa  distribusi  kecepatan tangensial  tersebut  disajikan  dalam Gambar 2-3.
Momentum  putar  per  elemen  sudu dipengaruhi oleh distribusi massa, kecepatan tangensial,  dan  posisi elemen terhadap  titik  berat  sudu.  Perumusan momentum putar per elemen sudu dapat dituliskan sebagai berikut:
x V dm dM * * tan  (2-8)
dengan
dM  = momentum putar per elemen dm  = massa per elemen
x = jarak antara elemen ke c.g.
Harga  x  pada  persamaan  (2-8)  di  atas dapat  berharga  positif  maupun  negatif, tergantung dari arah referensinya. Momentum  putar  sudu  diperoleh  dari penjumlahan momentum putar per elemennya sebagai berikut:
  dM M (2-9)

## Gambar 2-3: Sketsa distribusi kecepatan
tangensial

## 3 HASIL ANALISA DAN PEMBAHASAN

## 3.1 Radius Aman
Dalam  analisa  ini  posisi  sudut sudu  divariasikan  dari  0  hingga  330 derajat  dengan  kelipatan  15  derajat. Hasil proses perhitungan untuk mendapatkan  radius  aman  disajikan dalam Gambar 3-1 berikut ini:
Gambar 3-1a: Hasil  perhitungan  kecepat- an awal terlempar
Sudu SKEA 50 kW ; 80 rpm -30 -20 -10 0 10 20 30 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 Posisi (derajat) (m/det) Vx Vy
Gambar 3-1b: Hasil  perhitungan  gaya hambat
Gambar 3-1c: Jarak lontar
Gambar 3-1d: Trayektori sudu terlempar
Gambar  3-1a  menyajikan  hasil perhitungan kecepatan awal sudu terlempar.  Harga  positif  dan  negatif untuk  V x hanya  merupakan  perbedaan gerak  ke  kanan  dan  kiri.  Demikian  juga pada  harga  V y ,  harga  positif  dan  negatif hanya menunjukkan perbedaan gerak ke atas  dan  ke  bawah  pada  saat  pangkal sudu patah.
Dari  hasil  tersebut  dapat  dilihat bahwa misalnya sudu patah saat berada pada  posisi  0  derajat  yaitu  tepat  pada posisi  vertikal  ke atas,  maka sudu akan mempunyai kecepatan awal terlempar ke arah  kanan  atau  mendatar  sebesar  24 m/det.
Gambar  3-1b  menyajikan  hasil perhitungan  gaya  hambat  sudu  pada
saat terlempar. Dari hasil tersebut dapat dilihat bahwa misalnya sudu patah saat berada pada posisi 90 derajat yaitu tepat pada  posisi  mendatar  ke  kanan,  maka sudu  hanya  mendapatkan  gaya  hambat dalam arah vertikal saja sebesar 206 N.
Gambar  3-1c  menyajikan  hasil perhitungan jarak lontar sudu pada saat terlempar.  Dari  hasil  tersebut  dapat dilihat bahwa misalnya sudu patah saat berada  pada  posisi  180  derajat  yaitu tepat  pada  posisi  vertikal  ke  bawah, maka sudu akan terlontar ke kiri sejauh 41  m.  Harga  15  m  pada  kolom  y  (arah vertikal)  bukan  berarti  sudu  terlontar sejauh  15  m  ke  atas,  namun  angka tersebut merupakan posisi sudu terhadap tanah  mengingat  rotor  dipasang  pada menara setinggi 18 m.
Posisi  sudu  pada  saat  terjadi kerusakan/patah,  mempengaruhi  jarak sudu  terlempar.  Dengan  menggunakan prinsip balistik sederhana, dapat diketahui bahwa posisi sudu patah pada posisi  315 0 akan  menghasilkan  jarak lempar yang terjauh (Erich Hau, 2006).
Gambar 3-1d memperlihatkan
bahwa jarak lempar dalam arah mendatar  maksimal  sebesar  73  m  ke kanan pada posisi 315 derajat saat sudu patah. Dengan demikian dapat disimpulkan  bahwa  radius  aman  SKEA 50 kW pada putaran desain rotor 80 rpm adalah  sebesar  73  m  dan  hal  tersebut terjadi  jika  sudu  patah  pada  posisi  315 derajat sesuai dengan prediksi.
Radius aman sejauh 73 m sebenarnya  tergolong  kecil.  Hal  tersebut disebabkan  oleh  putaran  rotor  yang kecil.  Jika  sebuah  turbin  angin  tidak menggunakan sistem roda gigi (gear box) sebagai  penghubung  antara  rotor  dan generator maka semakin besar kapasitas turbin  angin  tersebut,  semakin  besar diameter  rotor  yang  diperlukan.  Dengan adanya  batasan  harga  Tip  Speed  Ratio maka  semakin  besar  diameter  rotor, semakin  lambat  putarannya  (David  M. Eggleston  &  Forrest  S.  Stoddard,  1987; Erich  Hau,  2006;  Tony  Burton,  et  al., 2001).  Dengan  kata  lain  semakin  besar
Sudu SKEA 50 kW ; 80 rpm 0 50 100 150 200 250 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 Posisi (derajat) (N) Dx Dy Sudu SKEA 50 kW ; 80 rpm -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 Posisi (derajat) (m) x y
kapasitas  turbin  angin,  maka  semakin kecil  radius  aman  yang  diperlukan. Namun yang perlu diingat bahwa semakin  besar  kapasitas  turbin  angin, biasanya sudu yang digunakan semakin berat  sehingga  momentum  yang  dibawa oleh setiap sudu juga menjadi besar.

## 3.2 Putaran Sudu Saat Terlempar
Sudu  SKEA  50  kW  secara  umum mempunyai data geometri:
 Diameter rotor     = 17,00 m
 Chord di pangkal   =  0,70 m
 Chord di ujung      =  0,35 m
Hasil perhitungan luas airfoil persegmen dan distribusi volumenya disajikan dalam Gambar 3-2 berikut ini.
Gambar 3-2a: Distribusi
penampang sudu
Gambar 3-2b: Distribusi volume sudu
Dengan  menjumlahkan  distribusi volume di sepanjang sudu, maka diperoleh  volume sudu  sebesar  0,287  m 3 .
Dengan  menggunakan  data  berat  sudu 230 kg, maka diperoleh rapat jenis sudu sebesar  802  kg/m 3 .  Dengan  meng- asumsikan  rapat  jenis  sudu  konstan  di sepanjang  sudu,  maka  distribusi  berat sudu  menjadi  seperti  pada  Gambar  3-3 berikut ini:
Gambar 3-3: Distribusi massa
Pada  paragraf  sebelumnya  telah diasumsikan  bahwa  rapat  jenis  sudu konstan di sepanjang sudu. Oleh karena itu  distribusi  massa  pada  Gambar  3-3 akan sebanding dengan distribusi volume pada Gambar 3-2b.
Pada  kondisi  putaran  konstan, kecepatan  tangensial  di  setiap  segmen hanya  bergantung  pada  posisi  nodal segmen  terhadap  sumbu  putar  rotor. Distribusi kecepatan tangensial di setiap segmen  disajikan  dalam  Gambar  3-4  di bawah ini.
Gambar 3-4: Distribusi kecepatan tangensial
Pada  Sub  Bab  Batasan  Masalah telah disebutkan bahwa titik berat sudu berada  pada  posisi  2,907  m  dihitung dari sumbu putar rotor. Dengan demikian  jarak  antara  nodal  setiap segmen terhadap titik berat sudu adalah sebagai berikut:
Gambar 3-5: Jarak  nodal  ke  titik  berat sudu

## Distribusi Penampang
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Posisi (m) (m2) Distribusi Volume 0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Nodal (m) (m3)
Distribusi Massa 0 5 10 15 20 25 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Nodal (m) (kg) Distribusi Tangensial 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Nodal (m) (m/det) Jarak Nodal ke c.g. -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Nodal (m) x (m)
Jarak  nodal  ke  titik  berat  sudu pada  Gambar  3-5  di  atas  ada  yang berharga  positif  dan  negatif.  Perbedaan tanda harga tersebut nantinya berpengaruh pada arah momentum putar.
Perumusan momentum putar yang  digunakan  dalam  Persamaan  (2-8) merupakan fungsi dari distribusi massa, kecepatan  tangensial,  dan  jarak  antara nodal  ke  titik  berat  sudu.  Ketiga parameter tersebut telah disajikan masing-masing dalam Gambar 3-3, Gambar  3-4,  dan  Gambar  3-5.  Dengan memasukkan  ketiga  parameter  tersebut dalam  Persamaan  (2-8),  maka  diperoleh distribusi momentum putar seperti pada Gambar 3-6 di bawah ini.
Gambar 3-6:Distribusi momentum putar
Sesuai  dengan  kondisi  operasional sistem turbin angin maka apabila dilihat dari  arah  depan,  rotor  akan  berputar searah jarum jam (David M. Eggleston & Forrest  S.  Stoddard,  1987;  Erich  Hau, 2006; Tony Burton, et al., 2001). Distribusi momentum  putar  pada  Gambar  3-6 menunjukkan bahwa pada daerah pangkal sebelum  titik  berat  sudu,  momentum putarnya  berharga  negatif.  Hal  tersebut menandakan bahwa pada daerah tersebut  setiap  elemen  sudu  memaksa sudu  untuk  berputar  berlawanan  arah jarum  jam,  demikian  juga  sebaliknya. Dengan menjumlahkan distribusi momentum putar tersebut maka diperoleh momentum putar untuk setiap sudu pada saat patah di pangkal sebesar 13.633  kg.(m/det).m.  Harga  tersebut bersesuaian dengan putaran sudu terhadap  titik  beratnya  sendiri  searah jarum jam sebesar 145 rpm.

## 4 KESIMPULAN
Kesimpulan  yang  dapat  ditarik dari  analisa  ini  adalah  bahwa  radius
aman  untuk  pengujian  SKEA  50  kW cukup  kecil,  yaitu  hanya  sekitar  73  m. Selain itu kecepatan jatuhnya sudu juga tidak  terlalu  besar  karena  putaran  rotor yang  kecil.  Namun  tetap  perlu  diingat bahwa  sudu  rotor  SKEA  50  kW  sangat berat  sehingga  dampak  yang  diakibatkan jika  menabrak  sesuatu  dapat  berakibat fatal.
Selain radius aman, juga dihitung putaran  sudu  pada  saat  terlempar akibat  patah  pada  pangkalnya.  Hasil perhitungan  menunjukkan  bahwa  sudu berputar  terhadap  titik  beratnya  sendiri sebesar 145 rpm.

## DAFTAR RUJUKAN
Ahmad  J.  Fitroh,  2009.  Perancangan dan  Analisis  Aerodinamika  Sudu SKEA 50 kW, LAPAN, Bogor.
Anderson,
John D., Jr, 1985.
Fundamentals  of  Aerodynamics, Mc. Graw Hill company, Singapore. David  M.  Eggleston  &  Forrest  S.
Stoddard,  1987.  Wind  Turbine Engineering  Design,  Van  Nostrand Reinhold, New York.
Erich Hau, 2006. Wind Turbine Fundamentals, Technologies, Application, and Economics, Springer, Berlin. Mc. Cormick, Barnes W., 1995. Aerodynamics,  Aeronautics,  and Flight  Performance,  John  Wiley  & Sons, Canada.
Milborrow,  D.J.  1983.  Wind  Turbine Runaway  Speed,  5.  BWEA  Wind Energy Conference, Reading, U.K.
Sorensen,  J.N.,  1980.  Calculation  of Trajectories of Detached Wind Turbine  Blades  and  Prediction  of Side  Risk  Levels  Associated  with Failures  of  HAWT’S,  IEA-Expert- Meeting, Munich.
Sulistyo  Atmadi  &  Ahmad  J.  Fitroh,
2009.  Efek  Penambahan  Sudut Pitch  Terhadap  Kurva  Daya  SKEA 50 kW, LAPAN, Bogor.
Tony  Burton,  et  al.,  2001.  Wind  Energy
Hand Book, John Wiley & Sons.
Distribusi Momentum Putar -400 0 400 800 1200 1600 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Nodal (m) d M ( k g (m /d e t) m )