## DESAIN OPTIMASI SUDU KIPAS SENTRIFUGAL
Ali Medi 1) , Samsul Rizal 2)
1) 2) Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Sriwijaya Jl. Srijaya Negara Bukit Besar Palembang-30139

## Abstrak
Artikel  ini  membahas  tentang  cara  optimasi  desain  kipas  sentrifugal menggunakan  analisis  elemen  hingga  dengan  menggunakan  Autodesk  Inventor 2013. Dalam analisis kipas sentrifugal  yang digunakan analisis siklus simetri. Ada dua  bahan  yang  digunakan  dalam  optimasi  desain  yaitu;  baja  ringan  dan baja.kekuatan tinggi paduan rendah Harapan desain di bawah 0,5 mm perpindahan dan di atas faktor 1,5 keselamatan. Hasil analisis didapat desain yang baik adalah baja kekuatan tinggi paduan rendah (high strength low alloy steel) dengan ketebalan 4 mm dan 5 mm.
Kata Kunci : sudu, optimasi, baja

## 1. PENDAHULUAN
Kipas  sentrifugal  banyak  digunakan  dalam berbagai bidang teknik, seperti pada sektor industri, pembangkit listrik, farmasi, kimia dan masih banyak lagi. Kipas sentrifugal digunakan sebagai alat untuk mendinginkan suhu ruangan [1] .
Desain  kipas  sentrifugal  biasanya  diberikan  ketika kondisi  :  laju  aliran  volume  aliran,  tekanan  total, media kerja dan densitas (atau suhu medium kerja), dan kadang-kadang ada persyaratan struktural dan persyaratan khusus .
Persyaratan  desain  dari  kipas  sentrifugal besar  adalah  untuk  memenuhi  kondisi  aliran  dan tekanan  yang  dibutuhkan  pada  titik  tertinggi efisiensi, nilai efisiensi maksimum seperti beberapa dari  kurva  efisiensi  datar;  kurva  tekanan  untuk berbagai  stabilitas;  kipas  struktur  sederhana,  baik itu  teknologi,  pilihan  yang  nyaman  bahan  dan aksesoris; memiliki kekuatan yang cukup, kekakuan,  aman  dan  terpercaya;  bekerja  dengan stabil,  kebisingan  rendah,  kinerja  disesuaikan, adaptasi kerja, ukuran fan sekecil mungkin, ringan, operasi  dan  pemeliharaan,  mudah  dalam  bongkar pasangnya.
Beberapa industri yang memproduksi kipas sentrifugal  memikirkan  faktor-faktor  ini,  seperti Halifax  fan  Ltd,  Industri  Barron  dan  perusahaan Atex S Ltd. yang membuat disain kipas sentrifugal. Pada  kipas  sentrifugal  memiliki  lima  bentuk  sudu dasar, dan sejumlah konfigurasi sudu seperti DWDI (Double  Width  Double  Inlet)  atau  SWSI  (Single Width Single  Inlet)  .  Desain  sudu  akan tergantung pada aerodinamis dan kondisi operasi.
Jenis desain sudu kipas sentrifugal
Gambar 1. Jenis sentrifugal Sudu a . Sudu melengkung ke belakang Sebuah  desain  yang  sangat  efisien  impeller  . Kekuatan  yang  melekat  itu  berarti  bahwa  selain penanganan  udara,  dapat  digunakan  dengan  gas yang  mengandung  jumlah  moderat  partikel  erosif dan pada suhu tinggi. Hal ini dapat membawa liners dan permukaan keras, jika diperlukan. b . Sudu datar
Sebuah  bentuk  yang  efisien  dan  kuat,  desain  ini adalah  alternatif  yang  hemat  biaya  untuk  desain melengkung ke belakang tetapi dengan sudu pelat datar bukannya melengkung. Hal ini menghasilkan efisiensi  sedikit  lebih  rendah  ,  dikompensasi  oleh pemasangan lebih mudah liners. c . Sudu melengkung ke depan Juga disebut radial tip sudu , desain ini mengurangi potensi debu build -up di bawah sudu dalam aplikasi dengan jumlah moderat debu gas - ditanggung . d. Sudu aerofoil
Sudu bersudu aerofoil yang paling sering digunakan dalam  aplikasi  penanganan  volume  besar  pada tekanan rendah. Desain yang sangat efisien ini fan
Sudu Lengkung depan Sudu Datar  Sudu lengkung Belakang
digunakan  di  udara  bersih  atau  dengan  gas  yang mengandung sejumlah kecil partikel erosif. . Sudu radial
Gambar 2. Sudu Radial
Membentuk  rotor  pada  dasarnya  adalah  roda dayung besar , ini hasil desain dalam fan relatif tidak efisien  dengan  konsumsi  daya  yang  lebih  tinggi daripada yang menggunakan jauh lebih umum sudu cenderung  mundur  .  Its  kekuatan  mekanik  yang melekat  dan  ketahanan  untuk  memakai  berarti  itu umumnya  digunakan  ketika  jumlah  tinggi  debu abrasif  yang  hadir  dalam  aliran  gas,  atau  ketika suhu gas yang sangat tinggi diharapkan.

## Analisis stress
Pemodelan Finite Element sebagian panduan seni dengan  memvisualisasikan  interaksi  fisik  yang terjadi dalam tubuh . Satu tampaknya mendapatkan teknik  pemodelan  yang  baik  melalui  pengalaman dan  dengan  bekerja  dengan  orang-orang  yang berpengalaman .
Dalam  pemodelan  ,  pengguna  pertama  kali dihadapkan  dengan  tugas  kadang-kadang  sulit untuk  memahami  perilaku  fisik  yang  terjadi  dan memahami perilaku fisik dari berbagai elemen yang tersedia untuk digunakan .
Metode  elemen  hingga  (FEM)  adalah  teknik numerik  matematis  /  berbasis  komputer  untuk menghitung  kekuatan  dan  perilaku  struktur  teknik. Autodesk  Inventor  dan  masih  banyak  software analisis  lainnya  didasarkan  pada  FEM,  di  mana, sederhana,  komponen  dipecah  menjadi  banyak elemen kecil , seperti yang ditunjukkan di bawah ini [2].
Gambar 3. Diskritasi komponen menjadi beberapa tetrahedron elemen hingga
Teknik  numerik  ini  ditunjukkan  sebagai  kerangka ideal  untuk  pemahaman  fisik  kompleksitas,  tiga dimensi  dari  struktur  di  daerah  interaksi  kipas sentrifugal . Selain itu , kontributor berbeda dengan pasukan  goyah  pada  sudu  juga  dibahas  , memberikan  pemahaman  yang  berharga  untuk mengidentifikasi asal-usul fenomena interaksi untuk kedua diagnosis dan kriteria desain ulang geometri sudu .
Sebuah pra - prosesor kompatibel (digunakan untuk mengembangkan  kedua geometri dan  mesh).  The diskritisasi  geometri  dilakukan  menjaga  rasio optimal  antara  waktu  perhitungan  dan  urutan akurasi  simulasi  untuk  struktur  aliran.  Analisis sensitivitas  elemen  (grid),  terutama  difokuskan  di wilayah dekat sudu, dilakukan selama tes awal. Hal ini  dianjurkan  tentang  perbaikan  diikuti  dan pertimbangan  awal  untuk  pilihan  yang  efisien  dari skema  numerik  dan  juga  pengadopsian  untuk menghasilkan  meshing  efisien  dan  menghindari unsur-unsur  yang  sangat  miring,  mesh  terstruktur dipekerjakan di seluruh domain, yang mengarah ke domain diskritisasi  penuh  dengan  sekitar satu  juta sel  prismatik  ,  dalam  berbagai  simulasi  numerik saat ditemukan dalam literatur untuk jenis kipas [3] .
Untuk  itu  diasumsikan  bahwa  perlu  ditentukan perpindahan komponen. Perpindahan ini (kuantitas yang tidak diketahui) bertindak atas setiap elemen dengan cara yang telah ditentukan  dengan jumlah dan jenis elemen dipilih sehingga distribusi secara keseluruhan  melalui  komponen  tersebut  cukup didekati  .  Distribusi  ini  di  setiap  elemen  umumnya disajikan oleh polinomial apakah itu linear, kuadrat, atau  bahkan  kubik.  Penting  untuk  dicatat  bahwa FEM adalah perkiraan komponen yang sebenarnya dan  sifatnya  akan  memiliki  kesalahan  karena diskritisasi  terutama  di  sekitar  batas  melengkung (seperti  yang  ditunjukkan  di  atas)  atau  komponen geometris kompleks .
Kesalahan  ini  karena  diskritisasi  dapat  dikurangi dengan  menentukan  lebih  banyak  unsur  atau menggunakan polinomial orde tinggi untuk mendekati distribusi kuantitas  yang tidak diketahui atas  elemen  -  juga  disebut  fungsi  interpolasi sebagai  polinomial.  Software  elemen  hingga menggunakan  metode  lama,  khususnya  dikenal sebagai  proses  H  -perbaikan,  di  mana  perangkat lunak berjalan melalui proses berulang-ulang untuk mengurangi  jumlah  elemen  pada  setiap  iterasi sampai  hasil  telah  berkumpul.  Metode  terakhir menggunakan  polinomial  orde  tinggi,  disebut proses  P  -perbaikan,  di  mana  perangkat  lunak meningkatkan urutan polinomial pada setiap iterasi mulai  dari  1  (linear)  ke  2    (kuadratik),  3  (circular), dan sebagainya.
Aspek Rasio dan Bentuk Elemen
Aspek  rasio  didefinisikan  sebagai  rasio  dimensi terpanjang  dengan  dimensi  terpendek  elemen segiempat.  .  Diagram  berikut  menggambarkan bahwa salah satu elemen kuadrat sekitar melingkar objek/komponen  90  °  lebih  baik  dari  dua  elemen linear,  sebagai  elemen  kuadrat  mencoba  untuk mencocokkan 90 ° busur lebih dekat dan juga dapat mempengaruhi keakuratan hasilnya .

## Gambar 4. Jenis Element

## Penggunaan Simmetris
Penggunaan  yang  tepat  dari  simetri  akan  sering mempercepat  pemodelan  masalah.  Penggunaan simetri  memungkinkan  kita  mempertimbangkan masalah berkurang bukan masalah yang sebenarnya  .  Dengan  demikian  kita  dapat menggunakan  subdivisi  halus  elemen  dengan tenaga  kerja  dan  komputer  biaya  kurang.  Dalam tugas  akhir  ini  analisis  fan  sentrifugal  kita  akan terbagi  dalam  dua  belas  bagian  dan  panggilan sebagai simetri siklik (circle symmetric)  di Autodesk Inventor. Jadi itu akan menjadi analisis hanya satu dua belas bagian dari kipas sentrifugal [4] .

## Analisis Statis
Dalam  analisys  ini  perangkat  lunak  Autodesk Inventor  akan  digunakan  untuk  menyelesaikan analisis  FEM.  Analisis  statis  adalah  disiplin  teknik yang  menentukan  stres  dalam  bahan  dan  struktur terhadap kekuatan statis atau dinamis atau beban . Tujuan  dari  analisis  biasanya  untuk  menentukan apakah  unsur  atau  kumpulan  elemen-elemen  , biasanya disebut sebagai struktur atau komponen , dengan  aman  dapat  menahan  kekuatan  tertentu dan beban . Hal ini dicapai ketika stres ditentukan dari  gaya  yang  diberikan  (s)  kurang  dari  kekuatan luluh  material  diketahui  mampu  menahan  . Hubungan  tegangan  ini  sering  disebut  sebagai faktor  keamanan  (  FOS  )  dan  digunakan  dalam banyak analisis sebagai indikator keberhasilan atau kegagalan dalam analisis.
MFOS  = (Yield Stres)/(Hitung Stres) = (Ultimate Stres)/(Dihitung Stres)
Faktor keamanan dapat didasarkan pada hasil baik atau  membatasi stres  akhir dari materi .  The FOS pada  kekuatan  yield  bertujuan  untuk  mencegah deformasi  merugikan  dan  FOS  pada  kekuatan ultimate  bertujuan  untuk  mencegah  keruntuhan  , dan  hanya  dapat  dilakukan  oleh  perangkat  lunak analisis  nonlinier  .  Autodesk  Inventor  dapat melakukan analisis linier dan karenanya FOS akan lebih sering didasarkan pada batas yield.
Desain Pemecahan Masalah Dalam  bagian  ini  penulis  menjelaskan  secara singkat desain kipas sentrifugal terutama diameter, ketebalan  dan  jumlah  blade.  Tujuan  utama  dari masalah desain ini adalah:
- Tegangan maksimum dan defleksi sudu kipas
- Faktor keamanan dari desain baru
Flowchart masalah desain : Kriteria  desain  kipas  sentrifugal  yang  akan digunakan dalam tulisan ini adalah sebagai berikut: Sudu kipas sentrifugal dirancang belakang impeller melengkung  dengan  diameter  537  mm,  ketebalan fan  adalah  184  mm  dan  jumlah  sudu  adalah  12 (gambar  1).  Bahan  yang  akan  digunakan  adalah berupa  baja  ringan  atau  baja  kekuatan  tinggi paduan rendah. Faktor keamanan yang dibutuhkan adalah  1,80,  The  lendutan  maksimum  dan ketebalan  blade  maksimum  adalah  0,5  mm  dan  5 mm.  Rotasi  kecepatan  kipas  sentrifugal  adalah 2000 rpm.
Autodesk  Inventor  digunakan  untuk  memecahkan masalah desain sudu kipas sentrifugal.
1. Desain sudu kipas sentrifugal.
Gambar 5. Desain Kipas sentrifugal
2. Kondisi Dasar (Boundary Condition) Pada Kipas sentrifugal
Pada bagian ini kita harus membuka lingkungan di
Autodesk
Inventor untuk Analisis Stres. Karena  sebagian  besar  kipas  memiliki  sudu  yang sama,  sehingga,  bila  dalam  operasi,  defleksi  dan stres  diinduksi  di  sudu  adalah  identik  dan  untuk alasan  ini  hanya  diperlukan  untuk  menganalisis salah satu sudu kipas saja. Pendekatan penyederhanaan  ini  juga  disebut  simetri  siklik  dan itu adalah mengurangi ukuran model, memberikan lebih  banyak  ruang  untuk  mendesain  ulang  dan dianalisis hasilnya efisien. Selain itu dalam langkah selanjutnya, model kipas terpisah yang hanya satu sudu.
Sebagai  awal  desain  kipas  sentrifugal  memiliki  12 sudu, sehingga perpecahan model dengan 30 sudut derajat.
Angle  split  untuk  membuat  sudu  tunggal  = 360/(Jumlah sudu) = 360/12 = 30 derajat
Gambar 6. Meshing Of Kipas Sentrifugal Menerapkan Boundary Kondisi
Sebelum  menerapkan  syarat  batas,  maka putaran  dalam  revolusi per menit harus  dikonversi ke  derajat  putaran/detik,  jadi  jika  kecepatan  kipas adalah 2000 rpm, itu sama 12000 derajat/detik.
1.  Kontrain Tanpa Gesekan
2.  Kontrain Tetap
3.  Gaya
Type gaya Kecepatan Sudut Magnitud 12000.00 deg/s Vektor X 12000.00 deg/s Vektor Y 12000.00 deg/s Percepatan sudut Magnitud 0.00 deg/s 2
Gambar 7. Menerapkan Kondisi Dasar pada Kipas sentrifugal
3. Jalankan Simulasi dan Analisa
Setelah  menjalankan  simulasi  kita  dapat melihat hasilnya:
Von Misses Stres adalah maksimum 248 Mpa
a.  Mesh dari kipas sentrifugal b.  Mesh dari satu sudu dengan ukuran 0.1 c.  Mesh dari satu sudu dengan ukuran 0,0025
Kondisi Aktual Penyesuaian 1 X Gambar 8. Pemindahan pada Kipas sentrifugal
4. Optimasi pada Kipas sentrifugal
Hasil simulasi dan dianalisis tidak membuat kita puas,  jadi  kami  melakukan  langkah  berikutnya yaitu, optimasi untuk memenuhi batas desain yang telah ditetapkan di awal.
Pada  bagian  ini,  kita  akan  membuat  alternatif ketebalan  blade  dari  2  sampai  5  mm  dan  bahan alternatif  pilihan  secara  manual  dari  baja  ringan sampai baja kekuatan tinggi paduan rendah.
Tabel 1. Perbandingan Data Hasil dari Kipas sentrifugal

## KESIMPULAN
Dari hasil dan pembahasan  dengan menggunakan software  Autodek  Inventor    2013  ini  dapat disimpulkan sebagai berikut;
1.  Bahan baja ringan tidak dapat digunakan dalam desain  sudu  kipas  sentrifugal  ,  karena  tidak memenuhi  harapan  desain  .  Sementara kekuatan  tinggi  paduan  rendah  baja  dapat digunakan  untuk  blade  fan  sentrifugal  dengan ketebalan 4 mm dan 5 mm .
2.  Optimasi  desain  semua  bahan  ketebalan  dari 2mm  sampai  5  mm  dari  baja  ringan  memiliki bawah  faktor  keamanan  1.5  ,  sementara kekuatan  tinggi  paduan  rendah  baja  memiliki atas  faktor  keamanan  1.5  dan  di  bawah 0.5displacement untuk 4mm dan 5mm .
3.  Perangkat lunak Autodesk Inventor 2013 dapat dilihat  hasil  dari  Stres  ,  deformasi  dan  faktor keamanan  Elemen  Hingga  Analisis  Analisis Statis.  Dalam  hal  desain  optimasi  dari  kipas sentrifugal  dapat  diterapkan  analisis  lingkar simetris (Cycle Analysis Symmetry).

## REFERENSI
1.  …….,http://centrifugalfanengineering.blogspot. tw/2013/01/basic-design-of-centrifugal- fan.html, diundu 2 Januari, 2014
2. J.M.  Fernández  Oro et.  al,  2013,  Numerical methodology for the assessment of relative and absolute  deterministic  flow  structures  in  the analysis  of  impeller–tongue  interactions  for kipas sentrifugals, Computers & Fluids, journal homepage: www.elsevier.com/locate/compfluid 3.  …….,http//www.processbarron.com/industrial- fans/centrifugal-fans,  retrieved  January  2 nd ,
2014
4.  Daryl L. Logan, 2012, A first Course in the Finite Element  Method,  5 th Edition,  SI,  University  of Wisconsin-Platteville, Cengage Learning, USA
5.  Thom Tremblay, 2012,Autodesk Inventor 2013 And Autodesk Inventor Lt 2013 Essential, John Willy and Sons, Indianapolis, Indiana
6.  ….…,  http//www.halifax-fan.co.uk,  retrieved January 2 nd , 2014