Analisis Tegangan Bilah Turbin Angin Komposit Berpenguat Spar Ganda
Ikramullah Ikramullah 1* , Hendrix Noviyanto Firmansyah 2 , Djarot Wahju Santoso 3
1 Jurusan Teknik Mesin dan Industri, Universitas Syiah Kuala, Banda Aceh, Indonesia
2 Jurusan Teknik Mesin, Universitas Negeri Semarang, Semarang, Indonesia
3 Program Studi Teknik Dirgantara, Institut Teknologi Dirgantara Adisutjipto, Yogyakarta, Indonesia * Koresponden email : ikramullah@usk.ac.id
Diterima: 15 Maret 2023 Disetujui: 28 Maret 2023

## Abstract
The  design  of  wind  turbine  blades  requires  structural  design  and  material  selection  that  can  withstand aerodynamic loads. The required structural criteria for wind blades are strong and lightweight. Modeling and analysis of stress values were carried out using MSC Patran/Nastran software. The selected material is an E-Glass fiber composite with epoxy resin matrix and has 8 layers with different fiber directions in each layer with fiber direction arrangement [0°/±45°/90°]. The turbine blade model without a spar is compared with the double spar turbine blade. The results found that the stress of the double spar blade had a lower stress  value  with  a  maximum  tensile  stress  of  8.83  MPa, while  on  the  blade  without  spar the  maximum tensile  stress  was  10.6 MPa,  while  the  maximum  compressive  stress  on  the  double  spar  blade  was  8.68 MPa, the maximum compressive stress on the blade without spar was 11 MPa.
Keywords : stress analysis, double spar, composite, wind turbine, MSC patran/nastran

## Abstrak
Dalam perencanaan bilah tubin angin diperlukan rancangan struktur dan pemilihan material yang mampu menahan  beban  aerodinamik.  Struktur  bilah  angin  harus  kuat  dan  ringan.  Geometri  dimodelkan  dan tegangan  dianalisis  dengan  menggunakan  perangkat  lunak  MSC  Patran/Nastran.  Material  yang  dipilih adalah  komposit  serat  E-Glass  dengan  matriks  resin  epoxy  dan  mempunyai  8  lapisan  dengan  arah  serat berbeda  pada  tiap  lapisan  dengan  susunan  arah  serat  [0°/ ± 45°/90°].  Model  bilah  tanpa  diperkuat  spar dibandingkan  dengan  bilah  berpenguat  spar  ganda.  Hasil  penelitian  menunjukkan  bahwa  tegangan  pada bilah berpenguat spar ganda mempunyai nilai tegangan yang lebih rendah dengan tegangan tarik maksimal 8.83  MPa,  sedangkan  bilah  tanpa  spar  mempunyai  tegangan  tarik  maksimal  10.6  MPa.  Sebaliknya, tegangan  tekan  maksimal  bilah  dengan  berpenguat  spar  ganda  8.68  MPa,  sedangkan  tegangan  tekan maksimal bilah tanpa diperkuat oleh spar sebesar 11 MPa.
Kata Kunci: analisis tegangan, spar ganda, komposit, turbin angin, MSC patran/nastran

## 1. Pendahuluan
Kebutuhan energi dunia meningkat setelah revolusi  industri, krisis energi terus mengancam dunia. Peningkatan  jumlah  penduduk  dunia  merupakan  salah  satu  faktor  peningkatan  kebutuhan  energi  yang signifikan. Setelah revolusi, populasi manusia meningkat pesat menjadi sekitar 1,2 miliar pada tahun 1850 dan  mencapai  2,5  miliar  tahun  1950.  Peningkatan  jumlah  penduduk  ini  menyebabkan  peningkatan kebutuhan energi, namun tidak sejalan dengan ketersediaan energi di alam, terutama energi yang berasal dari  fosil  [1].  Krisis  minyak  pada  tahun  1973  menjadi  peringatan  bagi  banyak  orang,  yang  menyoroti keterbatasan sumber daya bahan bakar fosil. Untuk memastikan pasokan energi yang dapat diandalkan dan berkelanjutan, menjadi semakin penting untuk beralih ke pengembangan sumber energi terbarukan seperti tenaga  surya,  angin,  air,  dan  panas  bumi.  Sumber-sumber  energi  ini  memiliki  potensi  untuk  memenuhi kebutuhan energi dunia dengan tidak merusak lingkungan atau menghabiskan sumber daya yang terbatas [2]. Turbin angin adalah salah satu solusi energi terbarukan yang digunakan sebagai alternatif energi untuk memenuhi kebutuhan energi manusia [3].
Turbin angin adalah sumber energi non-konvensional yang paling berharga dalam krisis energi saat ini.  Di  sisi  lain,  biaya  awal  pembangkit  listrik  tenaga  angin  sangat  tinggi.  Biaya  produksi  untuk memproduksi bilah turbin angin adalah sekitar 15-20% dari total biaya pabrik turbin angin. Oleh karena itu, biaya awal bilah turbin angin perlu dioptimalkan dengan memaksimalkan masa pakainya [4]. Desain bilah  yang  tepat  diperlukan  untuk  mencapai  penampang  yang  diinginkan  dan  menghasilkan  torsi maksimum untuk menggerakkan generator turbin angin.  Bentuk luar bilah turbin angin diperlukan untuk
p-ISSN : 2528-3561 e-ISSN : 2541-1934
menentukan  bahwa  mesin  tenaga  angin  memiliki  gaya  angkat  dan  gaya  pneumatik  yang  cukup,  dan strukturnya  digunakan  untuk  menentukan  bahwa  tenaga  angin  memiliki  kekakuan  dan  stabilitas  yang cukup. Turbin angin menerapkan mekanisme yang mengkonversi energi angin menjadi listrik [5]. Efisiensi turbin  angin  ditentukan  oleh  material  bilah,  bentuk  bilah,  dan  sudut  bilah.  Pada  turbin  angin,  material baling-baling memainkan peran utama [6]. Bahan bilah harus memiliki kepadatan rendah, kekakuan tinggi, dan umur kelelahan yang panjang. Material komposit sebagian besar digunakan untuk pada struktur bilah [7], [8].
Bilah merupakan komponen penggerak utama turbin angin yang menerima beban aerodinamika dan inersia sehingga dibutuhkan rancangan yang bagus supaya bisa bekerja dengan maksimal. Pemilihan bahan yang  tepat  secara  signifikan  berdampak  pada  kinerja  dan  umur  panjang  bilah  turbin  angin.  Pemilihan material yang tepat dapat secara signifikan meningkatkan efisiensi dan daya tahan baling-baling [9]. Bahan komposit merupakan bahan material yang semakin banyak digunakan  saat ini, karena ringan, kaku, kuat, tahan korosi dan biaya produksinya murah [10]. Bilah harus cukup kuat untuk menahan beban lentur akibat hembusan angin dan turbulensi. Selain itu, bilah juga harus cukup kaku untuk menahan beban puntir yang diakibatkan oleh geseran angin. Selanjutnya, bilah turbin angin harus tahan terhadap kondisi lingkungan yang keras, termasuk suhu ekstrem, angin, hujan, dan paparan air asin. [11]. Keandalan bilah turbin angin dapat ditingkatkan dengan penmbahan spar yang berfungsi sebagai untuk membuat bilah lebih kaku.
Luthfi membandingkan beberapa material untuk dipakai pada bilah turbin angin, hasil penelitiannya menunjukkan bahwa material E-glass yang paling bagus digunakan untuk bilah turbin angin berongga [12]. Mushlich juga melaporkan bahwa bilah turbin angin komposit yang  berpenguat foam memeliki kekuatan yang lebih bagus dibandingkan dengan bilah turbin angin tanpa foam [13]. Spar ganda adalah tulangan yang lebih sederhana dan tidak terlalu rumit dibandingkan penampang persegi panjang atau hat spar. Bentuk ini berasal dari bentuk spar kotak, yang dianggap paling optimal di antara alternatif lainnya. Bentuk spar ganda menawarkan proses manufaktur yang lebih sederhana dan mudah [14]. Bentuk spar ini lebih kuat menahan defleksi  lokal  yang  diakibatkan  oleh beban  tekan  dan  bending.  Oleh  karena  itu,  penelitian  ini  bertujuan untuk  memodelkan  bilah  turbin  angin  dengan  software  MSC  Patran/Nastran  untuk  mengetahui  nilai tegangan maksimum pada kulit bilah turbin dengan penguat spar ganda.

## 2. Metode Penelitian
Penelitian dilakukan dengan memodelkan pada perangkat lunak elemen hingga (MSC Patran/Nastran 2005)  dengan  referensi  model  dari  penelitian  tugas  akhir  yang  dilakukan  oleh Benito  [15].  Model  bilah yang digunakan adalah airfoil NACA 4412 setelah discale 3 kali. Sambungan bilah dimodelkan dengan 4 baut.  Model  sambungan  seperti Gambar  1 di  bawah  ini  dibuat  karena  memiliki  bentuk  aerodinamis mengikuti model bilah, supaya tidak terdapat rongga antara sambungan dengan baut. Geometri bilah dapat dilihat pada Gambar 1 .
Gambar 1. Model bilah
Koordinat sumbu x merupakan panjang span dari bilah angin, sumbu y merupakan ketebalan dari bilah  angin  dan  koordinat  sumbu  z  merupakan chord dari  bilah  angin.  Bilah  turbin  angin  ini  tidak mempunyai sudut puntir. Bagian bilah dibagi menjadi 21 section dan 20 segmen. Segmen merupakan luasan diantara  dua section pada  model  dengan  jarak  tiap section adalah  60  mm.  Susunan  komposit  yang digunakan adalah [0/45/-45/90]s. Ketebalan setiap lamina 0,25 mm dan ketebalan kulit model bilah adalah 2  mm.  Untuk  konfigurasi  arah  serat  (+/-)  45  digunakan  untuk  kestabilan  terhadap buckling, dan  s hear . Untuk konfigurasi arah serat 0 ° digunakan untuk beban tarik dan kompresi, sedangkan untuk konfigurasi arah  serat  90°  digunakan  untuk  menerima  beban  arah  transfersal.  Beban  tekan  pada  seluruh  permukaan
bilah merupakan beban aerodinamika. Sedangkan untuk beban inersia merupakan beban putaran sebesar 350 rpm. Sifat mekanik E-glass disajikan pada Tabel 1 .
Tabel 1 . Sifat mekanik E glass Unit E11 43,5 GPa E22 11,5 GPa G12 3,45 GPa σ f (tarik) 400 MPa σ f (kompresi) 390 MPa u 12 0,27 ρ 2x10 -6 Kg/mm 3
Sumber: Sebastian (2011) [15]
Persamaan  linier  hasil  penyederhanaan  distribusi  tekanan  pada  permukaan  atas  dan  bawah  pada bilah merupakan distribusi tekanan yang diaplikasikan pada model. Tumpuan pada model bilah ini dibuat pada bagian lubang baut. Jenis tumpuan yang digunakan adalah fixed atau tetap. Mesh pada model bilah dan kondisi batas disajikan pada Gambar 2 dan Gambar 3 .
Gambar 2. Mesh pada bilah
Gambar 3 . Beban dan tumpuan

## 3. Hasil dan Pembahasan
Plot pola tegangan hasil analisis elemen hingga dengan perangkat lunak MSC Patran/Nastran yang terjadi  pada  permukaan  bilah  angin  ditampilkan  pada Gambar  4 .  Tegangan  yang  terjadi  pada  layer  1 terkonsentrasi pada bagian sekitar baut kiri atas pada ( upper ) sambungan dengan tegangan tarik maksimal sebesar 20.8 MPa. Tegangan tekan maksimal sebesar 22.4 MPa pada bagian sekitar baut kiri bawah ( lower ) sambungan sebagaimana ditampilkan pada Gambar 4 (a). Tegangan tarik maksimal yang terjadi pada layer 1 bilah yang berpenguat spar ganda sebesar 88.3 MPa, sementara itu tegangan tekan maksimal yang terjadi pada bilah dengan penguat spar ganda sebesar 10.6 MPa seperti yang diperlihatkan pada Gambar 4 (b).
Gambar 4. (a) Plot tegangan bilah dan sambungan; (b) tegangan pada bilah
Gambar 5 menampilkan hasil analisis tegangan bilah dengan beban inersia. Tegangan yang terjadi pada layer 1 terkonsentrasi pada bagian sekitar baut kanan bawah pada (lower) sambungan dengan tegangan tarik  maksimal  sebesar  32.5  MPa. Sebaliknya  tegangan  tekan  maksimal  sebesar  22.4  MPa  yang  terlihat pada bagian sekitar baut kiri atas ( upper ) sambungan.
Gambar 5 . Plot tegangan bilah dan sambungan dengan beban inersia

## 3.1. Perbandingan Dengan Bilah Tanpa Spar
Gambar 6 (a) dan (b) menyajikan tampilan plot tegangan yang pada bilah yang berpenguat spar ganda  yang  dibandingkan  dengan  tegangan  pada  bilah  turbin  angin  tanpa  berpenguat  spar  dengan sambungan bilah yang sama, tanpa beban inersia. Tegangan yang terjadi pada layer 1 terkonsentrasi pada bagian sekitar root kanan bawah pada (lower) dekat sambungan dengan tegangan tarik maksimal sebesar 8.68  MPa.  Sedangkan  tegangan  tekan  sebesar  11  MPa  pada  bagian  sekitar root kiri  atas  ( upper )  dekat sambungan  dengan  tegangan  tarik  maksimal  pada  bilah  yang  diperkuat  spar  ganda  8.83  MPa,  tegangan tarik yang terjadi pada bilah tanpa diperkuat spar sebesar 10.6 MPa. Sebaliknya, tegangan tekan maksimal

## (a)
(b)
yang  terjadi  pada  bilah  yang  diperkuat  dengan  spar  ganda  sebesar  8.68  MPa,  dan  tegangan  tekan  yang terjadi pada bilah tanpa berpenguat spar sebesar 11 MPa.
Gambar 6 . (a) Plot tegangan bilah dan sambungan bilah tanpa spar; (b) Plot tegangan bilah dan sambungan bilah spar ganda
Tegangan yang tejadi pada layer 1 upper surface bilah turbin spar ganda dengan model sambungan yang sama, beban yang diaplikasikan adalah beban aerodinamika tanpa beban inersia. Tegangan yang tejadi pada layer 1 upper surface bilah turbin tanpa spar mempunyai tegangan tarik maksimal sebesar 54.1 MPa, dan tegangan tekan maksimal pada bilah tanpa diperkuat spar adalah 46.8 MPa. Sebaliknya, tegangan tarik maksimal yang terjadi pada bilah berpenguat spar ganda sebesar 35.8 MPa, dan tegangan tekan maksimal yang terjadi pada bilah yang berpenguat spar ganda sebesar 10.3 MPa, sebagaimana yang ditampilkan pada Gambar 7 (a) dan (b).
(a)
(b)
Gambar 7. (a) Plot tegangan pada upper surface bilah tanpa spar; (b) tegangan pada upper surface spar ganda

## 3.2. Analisis Fenomena Tegangan
Analisis  fenemona  tegangan  dilakukan  pada  layer  1  bagian  kulit  bilah upper dan lower dengan mengambil titik-titik nodal yang berada pada 50% chord di setiap section sepanjang span bilah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8 .
Gambar 8 . Lokasi nodal kulit upper bilah (a) (b) Section 11
Gambar 9. Tegangan pada upper dan lower surface Sumber: Data peneliti, 2022
Gambar  9 menampilkan  fenomena  tegangan  pada  bilah  turbin  angin  setelah  diberi  beban aerodinamika terjadi dari daerah root kemudian berpindah ke bagian tengah sampai ke daerah tip. Tegangan paling  tinggi  terjadi  di  daerah root dan  tegangan  paling  rendah  terjadi  didaerah tip .  Tegangan  tinggi didaerah tersebut disebabkan oleh pengaruh batas bilah. Analisis fenemona tegangan dilakukan pada layer 1 bagian kulit bilah upper dan lower dengan mengambil titik-titik nodal yang berada pada section 11. Dari grafik yang ditunjukkan pada Gambar 10 , fenomena tegangan pada bilah turbin angin setelah diberi beban aerodinamika,  spar  terletak  pada spanwise 7  dan  15,  sehingga  kita  bisa  melihat  terjadi  penurunan  nilai tegangan yang cukup signifikan pada spanwise 7 dan 15.
Gambar 10 . Fenomena tegangan bilah pada section 11 Sumber: Data peneliti, 2022

## 4. Kesimpulan
Tegangan maksimum pada kulit bilah turbin spar ganda adalah tegangan yang terjadi terkonsentrasi pada bagian sekitar baut kiri atas pada ( upper ) sambungan dengan tegangan tarik maksimal sebesar 20.8 MPa. Sedangkan tegangan tekan maksimal sebesar 22.4 MPa pada bagian sekitar baut kiri bawah ( lower ) sambungan. Dari perbandingan model bilah turbin tanpa spar dengan sambungan yang sama dengan bilah yang berpenguat spar ganda dapat disimpulakan bahwa tegangan tarik maksimal yang terjadi pada bilah yang diperkuat dengan spar ganda adalah 8.83 MPa dan tegangan tarik maksimal pada bilah tanpa diperkuat spar sebesar 10.6 MPa. Sebaliknya, tegangan tekan maksimal yang terjadi pada bilah spar yang berpenguat spar ganda sebesar 8.68 MPa dan tegangan tekan maksimal yang terjadi pada bilah tanpa diperkuat oleh spar sebesar 11 MPa.
-1,20E+04 -1,00E+04 -8,00E+03 -6,00E+03 -4,00E+03 -2,00E+03 0,00E+00 2,00E+03 4,00E+03 6,00E+03 8,00E+03 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 T ega n ga n (K Pa) Tegangan upper Tegangan lower
-8,00E+03 -6,00E+03 -4,00E+03 -2,00E+03 0,00E+00 2,00E+03 4,00E+03 6,00E+03 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 T ega n ga n ( K P a) Tegangan upper Tegangan lower
5. Referensi
[1] A. S. Brandão, A. Gonçalves, and J. M. R. C. A. Santos, “Circular bioeconomy strategies: From scientific research to commercially viable products,” J Clean Prod , vol. 295, p. 126407, 2021.
[2] J. Charles Rajesh Kumar and M. A. Majid, “Renewable energy for sustainable development in India: Current  status,  future  prospects,  challenges,  employment,  and  investment  opportunities,” Energy Sustain Soc , vol. 10, no. 1, pp. 1–36, 2020.
[3] A. Qazi, H. Fayaz, N. A. Rahim, G. Hardeker, D. Alghazzawi, K. Shaban, K. Haruna, “Towards Sustainable Energy: A Systematic Review of Renewable Energy Sources, Technologies, and Public Opinions,” IEEE Access , vol. 7, pp. 63837–63851, 2019.
[4] S. N. Prajapati and M. Kumar, “A Finite Element Structural Analysis Of Wind Turbine Blade,” Int. J. for Res. Trends and Innov. , 2017.
[5] A. A. Nada and A. S. Al-Shahrani, “Shape Optimization of Low Speed Wind Turbine Blades using Flexible Multibody Approach,” Energy Procedia , vol. 134, pp. 577–587, Oct. 2017.
[6] J. Chen, J. Wang, and A. Ni, “A review on rain erosion protection of wind turbine blades,” J Coat Technol Res , vol. 16, no. 1, pp. 15–24, 2019.
[7] J.  Joustra,  B.  Flipsen,  and  R.  Balkenende,  “Structural  reuse  of  high  end  composite  products:  A design case study on wind turbine blades,” Resour Conserv Recycl , vol. 167, p. 105393, 2021.
[8] K. Cox and A. Echtermeyer, “Structural Design and Analysis of a 10MW Wind Turbine Blade,” Energy Procedia , vol. 24, pp. 194–201, 2012.
[9] N. Hoksbergen, R. Akkerman, and I. Baran, “The Springer Model for Lifetime Prediction of Wind Turbine Blade Leading Edge Protection Systems: A Review and Sensitivity Study,” Materials 2022, Vol. 15, Page 1170 , vol. 15, no. 3, p. 1170, 2022.
[10] M.  M.  Schwartz,  “ Composite  Materials:  Processing,  fabrication,  and  applications ,”  1st  ed., California, Pearson Technology Group, 1997.
[11] P.  Kaewniam,  M.  Cao,  N.  F.  Alkayem,  D.  Li,  and  E.  Manoach,  “Recent  advances  in  damage detection  of  wind  turbine  blades:  A  state-of-the-art  review,” Renewable  and  Sustainable  Energy Reviews , vol. 167, p. 112723, 2022.
[12] M.  Luthfi,  “Analisis  Tegangan  Pada  Bilah  Rotor  Turbin  Angin  Akibat  Beban  Aerodinamika,” Institut Teknologi Dirgantara Adisutjipto, Yogyakarta, 2013.
[13] Mushlich, “Analisis Tegangan Pada Bilah Turbin Angin Komposit Sandwich Core Foam,” Institut Teknologi Dirgantara Adisutjipto, Yogyakarta, 2014.
[14] J. L. Tangler, “ The Evolution of Rotor and Blade Design ,” U.S. Department of Energy, Tennessee. 2000.
[15] B.  Sebastian,  “Pemodelan  Dan  Analisis   Sambungan  Mekanik  Pada  Struktur  Komposit   Bilah Turbin Angin Menggunakan Metode  Elemen Hingga,” Tugas Akhir, Institut Teknologi Bandung, Bandung, 2011.