plagiat merupakan tindakan tidak terpuji1].pdf · bapak, ibu, dan kedua adik saya felix wigit yan...

i

i

TURBIN ALIRAN SILANG

DENGAN PERBANDINGAN L/D 1,25

DAN BUSUR SUDU 90°

TUGAS AKHIR

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Program Studi Teknik Mesin

Oleh :

Dedy Subastian

NIM : 055214072

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2012

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJIPLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

ii

ii

THE CROSSFLOW TURBINE

WITH 1.25 RATIO OF L/D

AND 90° OF CENTRAL ANGLE

FINAL PAPER

Presented as Fulfillment of the Requirements

For the Degree of Sarjana Teknik

In Mechanical Engineering Study Programme

By :

Dedy Subastian

Student Number : 055214072

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAMME

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2012


iii

iii

T U G A S A K H I R



DAN BUSUR SUDU 90°

Oleh:

Dedy Subastian

NIM: 055214072

Telah disetujui oleh:

Pembimbing

Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T. tanggal 28 Mei 2012


iv

iv

LEMBAR PENGESAHAN



DAN BUSUR SUDU 90°

Dipersiapkan dan ditulis oleh

Dedy Subastian

NIM: 055214072

Telah dipertahankan di depan Panitia Penguji

pada tanggal : 15 Juni 2012

dan dinyatakan telah memenuhi syarat

SUSUNAN PANITIA PENGUJI

Ketua : Budi Sugiharto, S.T.,M.T. …………….

Sekretaris : Ir. Rines, M.T. ....…………..

Pembimbing : Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T. .…………….

Yogyakarta, 15 Juni 2012

Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma

Dekan,

Paulina Heruningsih Prima Rosa, S.Si., M.Sc.


v

v

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa tugas akhir yang saya tulis ini

tidak memuat karya atau bagian dari karya orang lain, kecuali yang telah

disebutkan dalam kutipan dan daftar pustaka sebagaimana layaknya karya ilmiah.

Yogyakarta, 21 juni 2012

Penulis,

Dedy Subastian


vi

vi

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN

PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma:

Nama : Dedy Subastian

Nomor Mahasiswa : 055214072

Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan

Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul:

TURBIN ALIRAN SILANG DENGAN PERBANDINGAN L/D 1,25 DAN

BUSUR SUDU 90°

Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata

Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain,

mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas dan

mempublikasikannya di internet atau media lain untuk kepentingan akademis

tanpa perlu meminta izin dari saya maupun memberikan royalti kepada saya

selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis.

Demikian pernyataan saya buat dengan sebenarnya.

Dibuat di Yogyakarta,

Pada tanggal, 21 Juni 2012

Yang menyatakan,

(Dedy Subastian)


vii

vii

KATA PENGANTAR

Puji syukur kepada Tuhan Yesus Kristus atas rahmat dan karunia-Nya,

sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini.

Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat untuk mencapai derajat

Sarjana (S1) pada Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi,

Universitas Sanata Dharma. Isi Tugas Akhir ini adalah mengenai unjuk kerja

sebuah turbin aliran silang yang menggunakan sudu dari belah pipa dengan

jumlah sudu 18 buah.

Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini tidak lepas dari doa dan

dukungan dari banyak orang. Tanpa bantuan mereka tidak mungkin penulis dapat

menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan baik. Atas segala saran, bimbingan,

dukungan, dan bantuan, pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih

kepada:

1. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T. ketua program studi Teknik Mesin

Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

2. Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T. Dosen Pembimbing Tugas Akhir.

3. I Gusti Ketut Puja, S.T., M.T. Dosen Pembimbing Akademik.

4. Seluruh dosen dan staf Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains dan

Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta yang telah memberikan

berbagai ilmu dan membantu selama proses belajar di Jurusan Teknik

Mesin.

5. Bapak, Ibu, dan kedua adik saya Felix Wigit Yan Sukmawan dan Tomas

Yolius Putranto serta seluruh keluarga yang telah memberi dukungan baik

moril maupun materiil.

6. Para sahabat dan kekasihku Theodora Retno Sis Utami yang selalu

memberi motivasi dan semangat.

7. Seluruh teman-teman mahasiswa angkatan 2004, 2005 dan 2006 yang

telah memberi dukungan dan bantuan baik pikiran maupun tenaga.

8. Kepada keluarga Ignatius Joko Pitoyo, S.T. yang telah memberi dukungan

dan membantu selama pembuatan Tugas Akhir.


viii

viii

9. Kepada keluarga Andreas Agus Prasetya Wibowo yang telah memberi

dukungan dan membantu selama pembuatan Tugas Akhir.

Penulis menyadari sepenuhnya bahwa penulisan Tugas Akhir ini

masih jauh dari sempurna. Maka dari itu dengan kerendahan hati penulis

menerima segala kritik dan saran yang membangun. Akhirnya penulis

mengucapkan terima kasih dan semoga Tugas Akhir tentang perancangan turbin

aliran silang ini dapat bermanfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan.

Yogyakarta, 21 Juni 2012

Penulis


ix

ix

INTISARI

Turbin aliran silang banyak digunakan untuk pembangkit listrik tenaga

mikrohidro. Pada umumnya turbin aliran silang menggunakan sudu terbuat dari

plat yang dilengkungkan. Peneliti melihat bahwa sudu turbit dari plat yang

dilengkungkan merupakan cara yang kurang efisien karena plat mempunyai sifat

yang sulit dilengkungkan.

Peralatan yang digunakan adalah sebuah turbin aliran silang. Sudu turbin

dibuat dari pipa dengan diameter 2 inch. Diameter runner adalah 156 mm dengan

panjang runner 196 mm, dengan perbandingan L/D 1,25. Jumlah sudu pada runner

18 buah dan busur sudu 90°. Penelitian dilakukan dengan memvariasikan debit

yaitu 6,8 L/s, 7,6 L/s, dan 8,1 L/s dan tinggi nosel 7 mm, 10 mm, 14 mm dan head

3 m. Untuk menghasilkan listrik, turbin dihubungkan dengan motor listrik.

Pengukuran daya yang dihasilkan turbin dilakukan dengan mengukur tegangan

dan arus yang dihasilkan generator pada kondisi generator diberi variasi

pembebanan dari 20 watt, 30 watt, 40 watt, 50 watt, 60 watt, sampai dengan 200

watt. Pada setiap pembeban, putaran turbin diukur dengan tachometer.

Turbin Aliran Silang dengan busur sudu 90o dan jumlah sudu 18 mampu

menghasilkan daya maksimum sebesar 20 watt dan memiliki efisiensi 10 %. Hasil

tersebut didapat pada variasi tinggi nosel 7 mm.

Kata kunci : turbin aliran silang, bilah pipa.


x

x

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL .................................................................................. i

HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ....................................... iii

HALAMAN PENGESAHAN ..................................................................... iv

HALAMAN PERNYATAAN ..................................................................... v

HALAMAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ............................................ vi

KATA PENGANTAR ................................................................................. vii

INTISARI .................................................................................................... ix

DAFTAR ISI ................................................................................................ x

DAFTAR TABEL ....................................................................................... xiii

DAFTAR GAMBAR ................................................................................... xiv

DAFTAR GRAFIK……………………………………………………….. xv

DAFTAR LAMBANG ................................................................................ xvi

BAB I. PENDAHULUAN ..................................................................... 1

1.1 LATAR BELAKANG ......................................................... 1

1.2 RUMUSAN MASALAH .................................................... 3

1.3 TUJUAN DAN MANFAAT ............................................... 3

1.3.1 TUJUAN ..................................................................... 3

1.3.2 MANFAAT ................................................................ 4

BAB II. DASAR TEORI........................................................................ 5

2.1 TINJAUAN PUSTAKA ................................................. 5

2.2 TURBIN AIR .................................................................. 8

2.2.1 Definisi Turbin Air .............................................. 8

2.2.2 Jenis-Jenis Turbin Air ......................................... 8

2.3 TURBIN ALIRAN SILANG .......................................... 9

2.3.1 Bagian Turbin Aliran Silang ............................... 10

2.4 PERGERAKAN AIR TURBIN ALIRAN SILANG ....... 13

2.5 PERANCANGAN TURBIN ALIRAN SILANG ........... 15


xi

xi

2.5.1 Segitiga Kecepatan .............................................. 15

2.5.2 Perhitungan Dimensi Turbin ............................... 17

BAB III. METODE PENELITIAN........................................................ 25

3.1 DIAGRAM ALIR PENELITIAN ................................... 25

3.2 BAHAN DAN PERALATAN PENELITIAN ................ 25

3.2.1 Bahan Penelitian.................................................. 25

3.2.2 Alat Penelitian ..................................................... 26

3.3 LANGKAH-LANGKAH PENELITIAN ALAT ............ 26

3.3.1 Persiapan Alat ..................................................... 26

3.3.2 Variabel yang Diukur .......................................... 28

3.3.3 Variabel yang Divariasi....................................... 29

3.3.4 Pengambilan Data ............................................... 29

3.3.5 Pengolahan dan Analisis Data ............................. 30

3.4 PEMBUATAN ALAT .................................................... 30

3.4.1 Desain Alat .......................................................... 30

3.4.2 Rancangan Turbin Aliran Silang ......................... 31

3.4.3 Pembuatan Turbin ............................................... 37

3.4.3.1 Pembuatan Rumah Turbin.................... 37

3.4.3.2 Pembuatan Roda Jalan (runner) ........... 38

3.4.3.3 Perakitan Turbin Aliran Silang ............ 40

3.4.3.4 Langkah-Langkah Pemasangan

Turbin Aliran Silang ............................ 40

BAB IV. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ...................... 41

4.1 DATA PENELITIAN ..................................................... 41

4.2 HASIL PENELITIAN ..................................................... 42

4.2.1 Grafik Hubungan Putaran Turbin dan

Daya Output Motor DC ....................................... 45

4.2.2 Grafik Hubungan Putaran Turbin dan

Efisiensi Total ..................................................... 47

4.3 PEMBAHASAN ............................................................. 50


xii

xii

BAB V. PENUTUP ................................................................................ 53

5.1 KESIMPULAN ................................................................... 53

5.2 SARAN ................................................................................ 53

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN


xiii

xiii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Pengelompokan Turbin 9

Tabel 4.1 Data penelitian dengan debit 6,8 L/s (tinggi nosel 7 mm)

dan head 3 m 41


dan head 3 m 41


dan head 3 m 42

Tabel 4.4 Hasil perhitungan data dengan debit 6 ,8 L/s (tinggi nosel 7 mm)

dan head 3 m 43

Tabel 4.5 Hasil perhitungan data dengan debit 7,8 L/s (tinggi nosel 10 mm)

dan head 3 m 44

Tabel 4.6 Hasil perhitungan dengan debit 8,1 L/s (tinggi nosel 14 mm)

dan head 3 m 44


xiv

xiv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Grafik hubungan putaran turbin dengan efisiensi 7

Gambar 2.2 Grafik hubungan putaran turbin dengan daya 7

Gambar 2.3 Turbin Crossflow 9

Gambar 2.4 Runner 11

Gambar 2.5 Alat Pengarah 11

Gambar 2.6 Rumah Turbin 12

Gambar 2.7 Bagian-bagian motor induksi 13

Gambar 2.8 Aliran pergerakan air pada turbin crossflow 15

Gambar 2.9 Defleksi pada pergerakan air pada turbin crossflow 15

Gambar 2.10 Segitiga kecepatan pada turbin crossflow 16

Gambar 2.11 Gabungan segitiga kecepatan pada turbin aliran silang 17

Gambar 2.12 Kelengkungan sudu 19

Gambar 2.13 Jarak antar sudu 20

Gambar 2.14 Alur pancaran air 21

Gambar 3.1 Skema alat penelitian 27

Gambar 3.2 Rangkaian listrik 27


xv

xv

DAFTAR GRAFIK

Gambar 4.1 Grafik hubungan putaran turbin dan daya output motor dc

untuk debit 6,8 L/s (tinggi nosel 7 mm) dan head 3 m 45


untuk debit 7,6 L/s ( tinggi nosel 10 mm) dan head 3m 45


untuk debit 8,1 L/s (tinggi nosel14 mm) dan head 3 m 46

Gambar 4.4 Grafik hubungan putaran turbin dan daya output motor dc 46

Gambar 4.5 Grafik hubungan putaran turbin dan efisiensi total






Gambar 4.8 Grafik hubungan putaran turbin dan efisiensi total 49


xvi

xvi

DAFTAR LAMBANG

H = Head (m)

Q = Debit (m3/detik)

η = Efisiensi turbin (%)

D1 = Diameter turbin (m)

L = Panjang turbin (m)

ρ = Jari-jari kelengkungan sudu turbin (m)

α = Sudut masuk (°)

β1 = Sudut keluar (°)

σA = Tegangan geser yang diijinkan (kg/mm2)

σB = Kekuatan tarik bahan (kg/mm2)

s1 = Jarak antar sudu pancaran air masuk (m)

s2 = Jarak antar sudu pancaran air keluar (m)

t = Jarak antar sudu (m)

n = Jumlah sudu (buah)

y1 = Jarak pancaran dari poros (m)

y2 = Jarak pancaran dari keliling dalam (m)

A = Penampang nosel (m)

s0 = Tinggi pancaran air nosel (m)

N = Kecepatan putar (rpm)

∆ = Sudut pusat sudu jalan (°)

Pin = Daya yang tersedia (W)

Pout = Daya yang dihasilkan generator (W)

ds = Diameter minimal poros (mm)


1

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANG

Setelah pulih dari krisis moneter pada tahun 1998, Indonesia mengalami

lonjakan hebat dalam konsumsi energi. Dari tahun 2000 hingga tahun 2004

konsumsi energi primer Indonesia meningkat sebesar 5,2 % per tahunnya.

Peningkatan ini cukup signifikan apabila dibandingkan dengan peningkatan

kebutuhan energi pada tahun 1995 hingga tahun 2000, yakni sebesar 2,9 %

pertahun. Dengan keadaan yang seperti ini, diperkirakan kebutuhan listrik

indonesia akan terus bertambah sebesar 4,6 % setiap tahunnya, hingga diperkirakan

mencapai tiga kali lipat pada tahun 2030.

Hal ini sangat mengkhawatirkan manusia karena ketersediaan sumber

energi yang tidak dapat diperbarui akhir-akhir ini mulai menipis dan mahalnya

energi bahan bakar fosil dan efek buruk hasil pembakaran dari bahan bakar fosil

berupa polutan yang berpotensi merusak ozon dan potensi pemanasan global.

Untuk mengatasi hal itu maka dikembangkan berbagai bentuk energi alternatif

dengan memanfatkan energi alam berupa energi surya, air, dan angin.

Air merupakan salah satu sumber daya alam yang tidak terbatas

jumlahnya. Air juga memiliki potensi yang sangat besar dan dapat digunakan

sebagai sumber energi yang dapat menggantikan penggunaan energi fosil. Air

merupakan sumber energi yang bersih karena tidak menghasilkan polutan, selain

itu air juga tidak mempunyai potensi merusak ozon maupun potensi pemanasan

global.


2

2

Dari data yang dikeluarkan oleh Departemen Energi dan Sumber Daya

Mineral Republik Indonesia, pemanfaatan energi air di Indonesia masih sangat

kecil, baru sekitar 25 % dari potensi yang bisa mencapai 75000 MW. Di Indonesia

terdapat 1315 kawasan yang berpotensi menjadi sumber energi tenaga air, dan

daerah-daerah tersebut tersebar di seluruh kepulauan Indonesia. Daerah-daerah

yang diprediksi memiliki potensi tersebut, antara lain : Papua 22371 MW,

Kalimantan 21611 MW, Sumatera 15804 MW, Sulawesi 10203 MW, Jawa 4531

MW, Nusa Tenggara (Bali, NTB dan NTT) 674 MW dan Maluku 430 MW. Data-

data di atas merupakan sumber pembangkit tenaga air dengan kapasitas besar,

belum termasuk sumber-sumber pembangkit tenaga air dengan kapasitas kecil.

Untuk memanfaatkan potensi tersebut diperlukan suatu teknologi terapan agar

masyarakat kecil dapat menyediakan energi listrik secara swadaya.

Pembangkit listrik tenaga air menggunakan turbin sebagai alat untuk

mengkonversi potensi energi air menjadi energi mekanik untuk memutar generator

listrik. Untuk daya yang kecil (microhydro/picohydro), turbin aliran silang

(crossflow) banyak digunakan. Sudu turbin crossflow biasanya dibuat dari plat

yang dilengkungkan. Pembuatan sudu tersebut tentu saja tidak mudah, apalagi bagi

masyarakat. Geometri sudu turbin crossflow sebenarnya sama dengan geometri

pipa yang dibelah dengan besar sudut busur tertentu. Oleh karena itu, sudu turbin

dapat dibuat dari pipa yang dibelah, sehingga pembuatannya lebih mudah.

Pembuatan runner yang mudah akan membuat biaya yang dikeluarkan menjadi

lebih murah. Masyarakat akan dapat membuat sendiri sehingga masyarakat dapat

berswadaya energi listrik. Sampai sekarang ini pemanfaatan pipa dibelah sebagai

sudu turbin crossflow tidak banyak dilakukan sehingga


3

informasi mengenai unjuk kerjanya kurang diketahui.

Unjuk kerja sebuah turbin crossflow sangat dipengaruhi oleh banyak

parameter antara lain adalah jumlah sudu, sudut pancaran air masuk, sudut keluar,

posisi pancaran air masuk, lintasan aliran air di dalam turbin, rasio lebar dan

diameter turbin, rasio diameter dan diameter luar serta manufaktur runner maupun

nosel.

1.2 RUMUSAN MASALAH

Informasi tentang unjuk kerja turbin crossflow dengan sudu dibuat dari

pipa yang dibelah tidak diketahui. Pada penelitian ini akan dibuat turbin crossflow

dengan sudu dari pipa yang dibelah. Turbin aliran silang dengan perbandingan L/D

1,25 dan busur sudu 90o dirancang untuk memanfaatkan tenaga air yang memiliki

head 3 meter. Untuk beban generatornya adalah 20 W, 30W, 40W, sampai 200W.

Sudu turbin dibuat dari pipa yang berdiameter 2 inch dan dibelah dengan sudut 90o

dan jumlah sudu 18 buah.

1.3 TUJUAN DAN MANFAAT

1.3.1 Tujuan

a. Membuat turbin crossflow dengan menggunakan sudu dari pipa

yang dibelah untuk pembangkit listrik agar mudah dibuat oleh

masyarakat.

b. Untuk mengetahui daya dan efesiensi turbin crossflow yang besar

busur sudunya 90º dan jumlah sudu 18 buah.


4

4

1.3.2 Manfaat

a. Menambah kepustakaan teknologi pembangkit listrik tenaga air

mikrohidro.

b. Diterapkan di masyarakat yang berada dekat sumber air dan belum

mendapat pasokan listrik sehingga dapat menyediakan energi listrik

secara swadaya.

c. Mengurangi ketergantungan terhadap minyak bumi yang semakin

menipis dan mahal.

d. Mengurangi polusi dan pemanasan global.

e. Membangun kepedulian masyarakat terhadap upaya konservasi air.


5

BAB II

DASAR TEORI

2.1 TINJAUAN PUSTAKA

Penelitian tentang turbin crossflow banyak dilakukan untuk sudu yang

dibuat dari plat yang dilengkung. Turbin crossflow yang dilengkapi dengan saluran

pengarah di dalam runner-nya pernah dibuat dan diuji (Olgun, 2000). Saluran

pengarah dibuat dengan tujuan untuk mengumpulkan dan mengarahkan air yang

keluar dari sudu atas agar dapat menuju sudu bawah dengan lebih baik. Tiga

bentuk saluran telah dibuat dan diuji dengan berbagai variasi posisi saluran

pengarah serta variasi bukaan nosel. Penambahan saluran di dalam runner ternyata

tidak menaikkan efisiensi tetapi justru menurunkan efisiensi turbin crossflow

sebesar 5%.

Penelitian terhadap pengaruh perbandingan diameter dalam dan

diameter luar runner juga telah dilakukan (Olgun, 1998). Dalam penelitian ini

digunakan 4 buah runner. Runner yang diuji mempunyai jumlah sudu 28 buah,

diameter luar 170 mm, dan lebar 114 mm. Perbandingan diameter dalam dan

diameter luar untuk tiap runner dibuat berbeda. Perbandingan diameter dalam dan

diameter luar yang digunakan adalah 0,75, 0,65, 0,58 dan 0,54. Sudut masuk

pancaran air dipilih sebesar 16o. Hasil penelitian menunjukkan bahwa efisiensi

tertinggi dicapai pada perbandingan 0,75 dan terendah pada perbandingan 0,54

dengan perbedaan sebesar 3%. Efisiensi yang biasa dicapai adalah sebesar 72%.

Penelitian terhadap pengaruh sudut nosel menunjukkan bahwa efisiensi

akan semakin besar jika sudut nosel semakin besar (Khosrowpanah, 1988).


6

6

Penelitian ini menggunakan 3 buah runner dengan jumlah sudu 20, 15, dan 10 serta

1 buah runner dengan diameter setengah dari diameter runner yang lain, sedangkan

jumlah sudunya 20. Dari penelitian ini juga didapatkan bahwa efisiensi tertinggi

dari tiap runner dicapai pada kecepatan spesifik yang sama. Semakin banyak

jumlah sudu akan memberikan efisiensi yang semakin tinggi, namun jumlah sudu

tersebut ada batasnya. Untuk sudut nosel tertentu efisiensi maksimum dicapai pada

jumlah sudu tertentu. Ada jumlah sudu optimum untuk sudut nosel tertentu (Joshi,

1995).

Pada penelitian Mockmore dan Fred Merryfield dengan head 16 feet

(4,87 m), debit 3 cfs (85 L/s), sudut pancaran air masuk (α) 16o, dan jumlah sudu

18 buah menghasilkan daya 2,75 HP dan efisiensi 68%. Dari grafik hubungan

putaran turbin dengan efisiensi terlihat bahwa semakin besaran putaran turbin

aliran silang, maka efisiensi yang dihasilkan akan semakin besar hingga mencapai

titik tertentu dimana tercapai efisiensi maksimum kemudian efisiensi akan turun

kembali walaupun turbin aliran silang terus naik.


7

Gambar 2.1 Grafik hubungan putaran turbin dengan efisiensi

(Sumber : Mockmore, 1949)

Gambar 2.2 Grafik hubungan putaran turbin dengan daya

(Sumber : Mockmore, 1949:)


8

8

2.2 TURBIN AIR

2.2.1 Definisi Turbin Air

Turbin air adalah suatu mesin berputar yang mengkonversi energi dari

suatu gerakan aliran air menjadi energi mekanis. Energi mekanis ini kemudian

ditransfer melalui suatu poros untuk mengoperasikan generator. Turbin air

digunakan pada Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) untuk mengubah energi

mekanik menjadi energi listrik, dengan memanfaatkan aliran dan tinggi air jatuh.

Air di bawah tekanan tinggi di dalam dam dilepaskan ke dalam suatu saluran

dimana akan menggerakkan impeler turbin sehingga menyebabkan putaran yang

cepat. Daya mekanis ini kemudian ditransfer ke generator oleh suatu poros dan

kemudian akan menghasilkan energi listrik. Pemilihan suatu turbin tergantung pada

karakteristik lokasi, karena ditentukan tinggi air jatuh dan kapasitas air. Selain itu

pemilihan turbin juga tergantung dari kecepatan putar yang diminta oleh generator.

2.2.2 Jenis-Jenis Turbin Air

Terdapat berbagai jenis turbin air yang digunakan untuk penyediaan

kebutuhan energi listrik. Turbin air biasanya dikelompokkan berdasarkan kegunaan

tertentu, kapasitas aliran, dan tinggi air jatuh. Oleh karena itu, turbin air

diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara. Secara umum turbin air

dikelompokkan menurut tinggi air jatuh (head) dan juga prinsip kerja turbin

tersebut merubah energi air menjadi energi puntir. Berdasarkan klasifikasi ini

turbin air dibagi menjadi :


9

Tabel 2.1 Pengelompokan Turbin

Head Tinggi Head Sedang Head Rendah

Turbin Impuls Turbin Pelton

Turbin Turgo

Turbin Crossflow

Turbin Pelton

Multi Jet

Turbin Turgo

Turbin Crossflow

Turbin Reaksi Turbin Francis Turbin Kaplan

2.3 TURBIN ALIRAN SILANG

Gambar 2.3 Turbin Crossflow

(Sumber : http://europa.eu.int/en/com/dg17/hydro/layman2.pdf)

Turbin aliran silang (crossflow) dikembangkan oleh Michell (Australia)

dan Bangki (Honggaria), sehingga turbin ini disebut juga turbin Michell-Bangki.

Turbin aliran silang disebut juga turbin ossberger, yaitu arah aliran masuk air ke

sudu turbin secara radial. Air dialirkan melewati sudu-sudu jalan yang berbentuk

silinder, pertama-tama air dari luar masuk melalui sudu-sudu silinder dan kemudian

dari dalam keluar melalui sudu-sudu. Aliran air yang melewati sudu ada dua

tingkatan. Tingkatan pertama, air masuk melalui sudu atas. Daya yang dihasilkan


http://europa.eu.int/en/com/dg17/hydro/layman2.pdf

10

10

lebih besar dari tingkat pertama yaitu 72 % dari tingkat kedua. Tingkat kedua, air

keluar melalui sudu bagian bawah. Daya yang dihasilkan kurang lebih

28% dari daya yang dihasilkan pada tingkat pertama.

Turbin aliran silang (crossflow) sangat baik digunakan untuk pusat

tenaga air yang kecil dengan daya yang dihasilkan ± 750 KW. Ketinggian head

yang bisa digunakan yaitu diatas 1 m sampai dengan 200 m. Kapasitas aliran air

0,02 m3/s sampai dengan 7 m

3/s. Kecepatan putaran turbin aliran silang antara 60

rpm sampai 200 rpm. Hal ini dipengarui oleh diameter roda jalan. Aliran turbin

aliran silang sangat besar yaitu mencapai 87 %. Dengan daerah daya turbin yang

disebut di atas, turbin aliran silang cocok digunakan untuk menggerakan

penggilingan, penggergaji kayu, generator listrik kecil, pompa-pompa.

2.3.1 Bagian Turbin Aliran Silang

Pada dasarnya turbin aliran silang terdiri dari tiga bagian utama, yaitu:

1. Roda Jalan

Bagian utama dari turbin crossflow adalah runner yang terdiri dari sudu

yang terbuat dari pipa yang dibelah, dua disk/piringan, dan poros yang

dirangkai menjadi satu kesatuan.


11

Gambar 2.4 Runner

2. Alat Pengarah

Alat pengarah pada turbin sering disebut dengan nosel. Nosel pada turbin

aliran silang berbentuk persegi panjang. Ukuran nosel disesuaikan dengan

ukuran runner turbin.

Gambar 2.5 Alat Pengarah

(Sumber : Tugas Akhir Ignatius Joko Pitoyo)

3. Rumah Turbin

Rumah turbin digunakan untuk memasang turbin agar dapat berputar.

Rumah turbin dilengkapi dengan bantalan agar poros turbin dapat berputar

tanpa adanya gesekan dan berputar pada posisi yang sama.


12

12

Gambar 2.6 Rumah Turbin

(Sumber : Tugas Akhir Ignatius Joko Pitoyo)

Turbin aliran silang dapat digunakan untuk menggerakkan generator

listrik kecil. Untuk itu perlu adanya komponen tambahan yang disebut generator

asinkron (motor induksi). Generator asinkron berfungsi mengubah energi mekanis

menjadi energi listrik arus bolak-balik.

Generator asinkron memiliki 3 bagian yang penting, yaitu :

a. Rotor

Rotor merupakan bagian yang berputar pada motor induksi. Generator

asinkron (motor induksi) mempunyai 2 jenis rotor yaitu :

Rotor sangkar tupai terdiri dari batang penghantar tebal yang

dilekatkan dalam petak-petak slots paralel. Batang-batang tersebut

diberi hubungan pendek pada kedua ujungnya dengan alat cincin

hubungan pendek.

Lingkaran rotor yang memiliki gulungan tiga fase yaitu : lapisan

ganda dan terdistribusi.


13

HQgPin

b. Stator

Stator dibuat dari sejumlah stampings dengan slots untuk membawa

gulungan tiga fase. Gulungan ini dilingkarkan untuk sejumlah kutub yang

tertentu.

Gambar 2.7 Bagian-bagian motor induksi

(Sumber : Tugas Akhir Julianto)

Prinsip generator asinkron adalah medan magnet yang dari stator

bergerak dengan kecepatan sinkron disekitar rotor. Arus rotor menghasilkan medan

magnet kedua yang berusaha melawan medan magnet stator sehingga

menyebabkan rotor berputar.

2.4 PERGERAKAN AIR TURBIN ALIRAN SILANG

Dari kapasitas air dan tinggi air jatuh dapat diperoleh potensi daya air

yang tersedia yaitu (Dietzel, 1996, hal. 2) :

....................................................................................................2.1

dengan :


14

14

21

1 2 HgCV

Pin : Daya yang tersedia (W).

ρ : Massa jenis air (kg/m3)

g : Percepatan gravitasi (m/s2)

Q : Debit air (m3/s)

H : Tinggi air jatuh (m)

Pada Gambar 2.6 diasumsikan bahwa pancaran air dari nosel masuk ke

dalam runner pada titik A dengan membentuk sudut α terhadap kecepatan

kelilingnya. Kecepatan air memasuki runner (V1) dihitung dengan (Mockmore,

1949, hal 6) :

...............................................................................................2.2

dengan :

V1 = Kecepatan absolut.

C = Koefisien berdasarkan nosel

α adalah sudut antara kecepatan absolut dengan kecepatan keliling

lingkaran runner dan β adalah sudut antara kecepatan relatif dengan kecepatan

keliling lingkaran runner. Dengan indek 1 menandakan kecepatan masuk dan indek

2 menandakan kecepatan keluar sudu jalan turbin.


15

Gambar 2.8 Aliran pergerakan air pada Turbin Crossflow

(Sumber : Mockmore, 1949, hal. 6)

Alur pergerakan air pada kenyataannya tidak seperti yang terdapat

dalam (Gambar 2.6) karena terdapat defleksi sebesar θ seperti dalam (Gambar 2.7).

Gambar 2.9 Defleksi pada pergerakan air pada Turbin Crossflow


2.5 PERANCANGAN TURBIN ALIRAN SILANG

2.5.1 Segitiga Kecepatan

Sudut β1 ditentukan oleh nilai α1, V1, dan u1.


16

16

Gambar 2.10 Segitiga kecepatan pada Turbin Crossflow


Jika,

u1 = ½ V1 cos α1 ....................................................................................................2.3

maka,

tan β2 = 2 tan α1 .....................................................................................................2.4

Jika α1 = 16o, maka β1 = 29

o, 30

o atau 50

o atau nilai pendekatan.

(Mockmore, 1949, hal 10).

Β2’ adalah sudut sudu keluar sisi atas pada keliling dalam runner.

Dengan asumsi v1 = v2 dan α1 = α2, untuk membuat aliran pancaran air radial maka

besarnya β2’ = 90o.


17

Gambar 2.11 Gabungan Segitiga Kecepatan Pada Turbin Aliran Silang


2.5.2 Perhitungan Dimensi Turbin

a. Diameter Luar Runner (D1)

N

HD

21

1

862 (Mockmore, 1949, hal 14) .........................................2.5

dengan :

H = Head ketinggian (inch)

N = Putaran turbin (rpm)

b. Panjang Turbin (L)

21

21

2862

144

HgkCH

NQL

(Mockmore, 1949, hal 15).........…2.6

dengan :

L = Panjang turbin crossflow (inch)

Q = Debit aliran air (cfs).


18

18

C = Koefisien nosel.

= 0,98

K = Faktor koreksi.

= 0,087

c. Perbandingan panjang dan diameter turbin

211

6,210

H

QDL

(Mockmore, 1949, hal 17)......................................2.7

d. Jari-jari kelengkungan sudu (ρ)

1326,0 r (Mockmore, 1949, hal 15) ............................................2.8

dengan :

r1 = jari-jari luar runner (inch)

e. Lebar velk radial (a )

117,0 Da (Mockmore, 1949, hal 12) ..............................................2.9


19

Gambar 2.12 Kelengkungan sudu


f. Jarak antar sudu (t)

Jarak antar sudu meliputi jarak antar sudu pancaran air masuk (s1), jarak

sudu pancaran air keluar (s2) dan jarak antar sudu (t) (gambar 2.10)

11 Dks (Mockmore, 1949, hal 14)................................................2.10

1

22

r

rts (Mockmore, 1949, hal 11) .............................................2.11

1

1

sin

st (Mockmore, 1949, hal 10) ...............................................2.12


20

20

Gambar 2.13 Jarak antar sudu


g. Jumlah sudu (n)

t

Dn 1 (Mockmore, 1949, hal 17) .......... ................................. 2.13

h. Jarak pancaran dari poros (y1) (gambar 2.11)

2

945,01986,0

1

1

d

D

ky

(Mockmore Banki, 1949, hal 14) ......2.14


21

i. Jarak pancaran dari keliling dalam (y2 ) (gambar 2.11)

12 945,01314,0 Dky (Mockmore, 1949, hal 14) .................2.15

Gambar 2.14 Alur pancaran air


j. Efisiensi turbin

Jika, 111 cos2

1 Vu

maka, tan β1 = 2 tan α1

= Koefisien empiris yang nilainya sekitar (0,98). (Mockmore,

1949, hal 9).

1

11

1

12 cos)1(2V

u

V

uCT (Mockmore, 1949, hal 8) ...........2.16


22

22

k. Nosel

Meliputi penampang nosel (A) dan tinggi pancaran air nosel (so)

1V

QA (Mockmore, 1949, hal 17)..............................................2.17

L

Aso (Mockmore, 1949, hal 17) ............................................2.18

l. Sudu pusat sudu jalan (gambar 2.13)

1

21

1

sin

cos

2

1

rr

Tan

................................................................2.19

m. Perhitungan poros

Parameter-parameter yang digunakan dalam perhitungan poros sebagai

berikut :

Pd = fc × P (kW) ..............................................................................2.20

dengan :

Pd = Daya rencana (W)

P = Daya yang ditransmisikan (W)

fc = Faktor koreksi (Sularso, 2004, hal. 7)

n = Putaran poros (rpm)

T =

…………….................................................2.21

dengan :

T = Momen puntir rencana (kg.mm)


23

n = Putaran poros (rpm)

21 SfSf

Ba

(kg/mm2) ............................................................2.22

dengan :

σA = Tegangan geser yang diizinkan (kg/mm2)

σB = Kekuatan tarik bahan (kg/mm2)

Sf1 dan Sf2 = Faktor keamanan

3

1

1,5

TCbKtd

a

s

…..............................................................2.23

dengan :

ds = diameter minimal poros (mm)

Cb = Faktor Cb nilainya 1,2 sampai 2,3. Jika diperkirakan tidak terjadi

pembebanan lentur maka Cb = 1.

Kt = Faktor Kt dipilih 1,0 jika beban dikenakan secara halus; 1,0-1,5

jika dikenakan sedikit beban kejutan atau tumbukan; dan 1,5-3,0

jika beban kejutan atau tumbukan besar.

n. Perhitungan Daya Keluaran (Pout)

Pout = V x I ........................................................................................2.24

dengan :

V = Tegangan (volt)

I = Arus (ampere)


24

24

o. Perhitungan Torsi Guna Turbin (T)

n

PT out 51074,9 .........................................................................2.25

p. Perhitungan Efisiensi Total (η)

%100in

out

P

P ................................................................................2.26


25

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 DIAGRAM ALIR PENELITIAN

3.2 BAHAN DAN PERALATAN PENELITIAN

3.2.1 Bahan Penelitian

Bahan-bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah:

a. pipa hitam diameter 2 inch , panjang 1m

b. plat dengan tebal 1 mm, panjang 1 m, dan lebar 1 m

c. besi siku yang berlubang 15 batang x 3 m

d. besi poros diameter 30 mm x 300 mm

START

STUDI PUSTAKA

PERANCANGAN TURBIN ALIRAN SILANG

PEMBUATAN TURBIN ALIRAN SILANG

PENELITIAN TURBIN ALIRAN SILANG

PENGAMBILAN DATA

PENGOLAHAN DATA

SELESAI


26

26

3.2.2 Alat Penelitian

Peralatan yang digunakan dalam penelitian adalah:

a. Microhydro Test Bed

b. Alat ukur (roll meter, jangka sorong, tachometer, multimeter)

c. Kunci ring dan kunci pas

3.3 LANGKAH-LANGKAH PENELITIAN ALAT

3.3.1 Persiapan Alat

Peralatan yang digunakan

a. Runner turbin crossflow yang sudunya dibuat dari pipa besi yang

dibelah. Diameter pipa untuk sudu adalah 2 inch. Diameter runner

adalah 156 mm dengan lebar runner adalah 196 mm. Runner

mempunyai busur sudu sebesar 90o.

b. Tiga buah nosel berbentuk persegi panjang dengan ukuran

penampang 196 x 7 mm2, 196 x 10 mm

2, dan 196 x 14 mm

2.

c. Pompa air berkapasitas 10 L/s (2 unit) beserta katup Bypas untuk

suplai kebutuhan air.

d. Motor DC sebagai generator untuk membangkitkan listrik beserta

lampu sebagai beban.

e. Transmisi sabuk dan pully dengan angka transmisi 1 : 4.

f. Kapasitor 12 µF dan 25 µF.

g. Bak penampung air 2 buah beserta konstruksi pendukung.

h. Pipa PVC berdiameter 2 inch sebagai penstock dan saluran air.

i. Multimeter 2 unit.


27

j. Tachometer.

Gambar 3.1 Skema alat penelitian

Gambar 3.2 Rangkaian listrik

Kapasitor

Volt meter Ampere meter

Stop kontak

Lampu

Transmisi

sabuk Turbin Nozle

Penstock

Saluran

air

Katup

Bypass

Pompa

Motor dc

Bak air bawah

Bak air atas

Konektor generator


28

28

Turbin aliran silang akan bekerja jika ada aliran air yang memiliki

ketinggian head seperti aliran sungai atau air terjun. Pada penelitian ini, aliran

sungai akan diganti dengan pompa listrik yang berkapasitas 10 l/s (2 unit) dan

head 3 m.

Turbin aliran silang yang digunakan dalam penelitian ini menggunakan

sistem aliran tertutup. Air yang melewati turbin akan digunakan kembali dalam

proses selanjutnya. Pompa akan megalirkan air yang ditampung bak

penampungan air bawah dengan kapasitas 20 L/s. Air dari bak penampung air

bawah akan dipompa menuju ke bak penampungan air atas. Air dari bak

penampungan air atas akan dialirkan ke nosel melalui pipa PVC dan selang yang

berdiameter 2 inch (penstock). Untuk menvariasikan debitnya, tiga buah nosel

yang berukuran 196 x 7 mm2, 196 x 10 mm

2, dan 196 x 14 mm

2 dipasang secara

bergantian.

Air yang masuk ke nosel akan menyembur mengenai sudu-sudu turbin

sehingga memutar runner dan akan kembali dalam bak penampungan air bawah.

Runner yang berputar akan menggerakan pully turbin dan selanjutnya akan

menggerakkan pully motor dc. Motor dc yang berputar akan menyebabkan

terjadinya perbedaan medan magnet sehingga menghasilkan listrik. Arus listrik

akan disalurkan ke lampu yang berfungsi sebagai beban dan lampu akan menyala

jika tegangan yang dihasilkan motor dc mencukupi.

3.3.2 Variabel yang Diukur

a. Debit air

b. Putaran turbin.


29

c. Tegangan yang dihasilkan motor dc.

d. Arus yang dihasilkan motor dc.

3.3.3 Variabel yang Divariasi

a. Debit air : 6,8 L/s, 7,6 L/s, dan 8,1L/s.

b. Beban motor dc : 20 watt, 30 watt, 40 watt, 50 watt, 60 watt, sampai

dengan 200 watt.

3.3.4 Pengambilan Data

Langkah-langkah pengambilan data yang harus dilakukan :

a. Atur pemasangan kabel-kabel yang menghubungkan kapasitor,

motor dc, beban, dan multimeter dan siapkan rangkaian lampu 20,

30, 40, 50, 60, sampai 200 watt untuk beban motor dc.

b. Pasang runner busur sudu 90o dan jumlah sudu 18 buah pada rumah

turbin.

c. Pasang nosel dengan ukuran penampang 196 x 7 mm2.

d. Arahkan nosel pada pada sudut 16o.

e. Hidupkan pompa air dan atur katup bypass agar muka air di bak atas

stabil.

f. Ukur debit air.

g. Ukur putaran turbin tanpa beban.

h. Pasang beban 20 watt.

i. Ukur dan catat putaran turbin.

j. Ukur dan catat tegangan dan arus listrik yang dihasilkan motor dc.


30

30

k. Ulangi langkah (i) sampai dengan (j) untuk beban seterusnya.

l. Matikan pompa air.

m. Ulangi langkah (c) sampai dengan (m) untuk nosel ukuran 196 x 10

mm2, dan 196 x 14 mm

2.

3.3.5 Pengolahan dan Analisis Data

Setelah pengambilan data dilakukan, maka dilakukan pengolahan data

sebagai berikut :

a. Hitung potensi daya air untuk tiap variasi debit.

b. Hitung daya yang dihasilkan motor dc untuk tiap variasi beban motor

dc dan debit.

c. Hitung efisiensi total untuk tiap variasi beban motor dc dan debit.

d. Analisis dilakukan dengan membuat grafik hubungan putaran turbin

dengan daya dan grafik hubungan putaran turbin dengan efisiensi total

untuk tiap variasi beban dan debit.

3.4 PEMBUATAN ALAT

3.4.1. Desain Alat

Pada tahapan ini, gambar kerja dibuat. Sebelum membuat gambar

kerja, terlebih dahulu dibuat sketsa alat dan menentukan ukuran alat yang akan

dibuat. Penelitian akan dilaksanakan dengan membuat runner, nosel, dan base

frame. Sedangkan komponen-komponen pendukung lainnya seperti bearing,

rumah bearing, pully, dan motor listrik induksi dibeli dari toko. Penelitian ini

tidak dilakukan di lapangan, melainkan disimulasikan dengan menggunakan


31

peralatan-peralatan yang telah direncanakan dan dipersiapkan oleh kelompok

studi Rekayasa Tenaga Air. Untuk menggantikan laju aliran sungai digunakan

pompa berkapasitas 10 liter/detik (2 unit) dan head 3 m.

Pompa mengalirkan air yang ditampung pada sebuah bak penampung

air bawah kapasitas 240 liter ke bak atas yang diletakkan pada tower air setinggi 3

m. Kemudian air tersebut dialirkan menuju ke nosel melalui pipa penstock

berdiameter 2 inch. Air yang masuk ke nosel akan digunakan untuk memutar

runner di dalam rumah runner, kemudian masuk kembali ke dalam bak

penampung air bawah untuk disirkulasikan. Poros runner dihubungkan ke poros

generator menggunakan transmisi sabuk dan pully. Motor dc berfungsi mengubah

energi mekanis menjadi tenaga listrik arus bolak-balik. Besarnya arus yang

dihasilkan oleh motor dc tergantung pada besarnya putaran motor dc dan kekuatan

medan magnet. Listrik yang dihasilkan oleh motor dc kemudian diukur saat

pengambilan data.

3.4.2 Rancangan Turbin Aliran Silang

Dalam merancang sebuah Turbin Aliran Silang diperlukan parameter

yang diketahui sebagai dasar perancangan. Dalam perancangan ini terdapat

parameter yang diketahui yaitu :

Head (H) = 3 meter

= 9,84 ft

Debit (Q) = 20 L/s

= 0,7063 cfs

Diameter pipa untuk sudu (d1) = 2 inch


32

32

Koefisien nosel (C) = 0,98

Faktor koreksi (k) = 0,087

Sudut masuk (α1) = 16º

Sudut keluar (β2') = 90°

Percepatan gravitasi = 32,18 ft/s2

Perhitungan :

Perancangan Turbin Aliran Silang dengan sudu jalan yang terbuat dari

pipa berdiameter 2 inch (0,167 ft).

a. Kecepatan pancaran nosel (V)

√

√

= 7,51 m/s

b. Radius sudu (ρ)

ρ

ρ = 25,4 mm

c. Diameter runner (D1)

= 155,7 mm = 156 mm

1326,0 r


33

d. Panjang dan diameter runner (LD1)

Debit : 6,8 L/s (0,286 cfs)

2/1184,9

7063,0210.

DL

L.D1 = 47,3 inch2

e. Panjang runner (L)

= 196 mm

f. Kecepatan putar runner (N)

g. Lebar nosel (so)


34

34

= 2601 mm2

= 13 mm

h. Jarak antar sudu pada runner (s1, t)

= 13,5 mm

β

= 27 mm

i. Jumlah sudu (n)

L

Aso

11 Dks


35

j. Lebar sudu (a)

= 26 mm

k. Diameter dalam runner (D2)

= 103 mm

l. Jarak pancaran air dari pusat poros (y1)

y1 = (0,1986 – 0,945 x k) x D1

=(0,1986 – 0,945 x 0,087) x 6,13

= 0,713 inch = 18 mm

m. Daya yang tersedia (Pin)

n. Daya turbin maksimum (Pturbin, Pd)

η

aDD 212


36

36

o. Perhitungan Poros

a) Daya rencana :

Pd = fc × Pturbin

Pd = 1 × 0,242

Pd = 0,242 kW

b) Torsi :

c) Bahan poros :

B 10 kg/mm2

833,0a kg/mm

2

d) Diameter poros:

ds≥3

1

1,5

TCK bt

a

21 SfSf

Ba

43

10

a


37

≥3

1

53415,1833,0

1,5

≥ 16,4 mm

Berdasarkan kekakuan puntiran, maka diameter poros (ds) dipilih 25 mm.

p. Geometri Turbin Aliran Silang dalam Pembuatan

Diameter pipa untuk sudu (D1) = 2 inch = 50,8 mm

Jari-jari kelengkungan sudu = 1 inch = 25,4 mm

Diameter luar turbin (D1) = 6,13 inch = 156 mm

Panjang turbin (L) = 7,716 inch = 196 mm

Radial rim width (a) = 1,04 inch = 26 mm

Diameter dalam (D2) = 4,05 inch = 103 mm

Jarak sudu pada piringan (t) = 1,06 inch = 27 mm

Diameter poros minimal = 0,95 inch = 25 mm

Jumlah sudu (n) = 18 buah

Sudut busur sudu (δ) = 740(aktual = 90

0)

Sudut masuk pancaran air (α) = 160

Perbandingan = L/D 1,25

3.4.3 Pembuatan Turbin

3.4.3.1 Pembuatan Rumah Turbin

Rumah turbin dibuat setelah pembuatan turbin aliran silang selesai.

Hal ini dilakukan supaya lebih mudah mencari posisi turbin aliran silang dan

motor listrik. Rumah turbin digunakan untuk menempatkan motor dc, pully, dan

unit turbin aliran silang. Proses pembuatan rumah turbin aliran silang meliputi :


38

38

a. Mengukur dimensi motor listrik dan turbin aliran silang.

b. Membuat sketsa rumah turbin

c. Membeli bahan yang diperlukan, besi L dan plat besi.

d. Memotong bahan sesuai dengan ukuran yang dibutuhkan.

e. Membuat lubang untuk baut dengan mesin bor.

f. Semua potongan dilas dan dibentuk sesuai dengan sketsa.

g. Pengecatan rumah turbin aliran silang.

3.4.3.2 Pembuatan Roda Jalan (runner)

a. Pembuatan Sudu

Sudu turbin dibuat dari pipa yang dibelah. Pipa yang digunakan

berdiameter 2 inch, panjang pipa untuk sudu 196 mm, dan tebal 2 mm.

Pipa yang akan dibelah diberi mal dan digaris, dan pada bagian dalam pipa

diberi tambahan kayu yang sudah dibubut sesuai diameter pipa. Tujuannya

untuk memudahkan dalam pembelahan. Pipa dibelah dengan

menggunakan mesin sekrap. Pipa dibelah menjadi 4 bagian dengan besar

busur sudu 900. Jumlah sudu yang digunakan dalam pembuatan turbin 18

buah.

b. Pembuatan Piringan

Piringan runner dibuat dari plat baja dengan diameter 160 mm dan

tebal 15 mm dan berjumlah 2 buah. Piringan digunakan sebagai tempat

menempelnya sudu-sudu dan poros turbin. Piringan dibuat alur sebagai


39

tempat menempelnya sudu-sudu turbin. Untuk mendapatkan alur sudu-

sudu turbin yang presisi, pembuatan memakai mesin CNC.

c. Pembuatan Poros

Poros dibuat dari baja dengan panjang 300 mm dan diameter 30 mm.

Pembuatan poros menggunakan mesin bubut. Bagian tengah poros yang

digunakan dalam penelitian kali ini dibuat kecil dengan diameter 11 mm.

Hal ini bertujuan untuk menghindari terjadinya pancaran air terhambat

oleh poros.

d. Pembuatan Alur Sudu Pada Piringan

Alur sudu pada piringan digunakan untuk memudahkan pemasangan

sudu pada kedua piringan pada saat pengelasan. Selain itu, pembuatan alur

pada piringan bertujuan agar sudu yang dipasang pada kedua piringan

dapat presisi. Alur sudu dibuat dengan menggunakan mesin CNC supaya

lebih presisi.

e. Perakitan Roda Jalan (runner)

Komponen runner yang sudah dibuat kemudian dilas. Pertama poros

dan piringan dilas dengan menggunakan las listrik. Piringan dipasang

berhadapan dengan jarak 186 mm. Pengelasan harus dilakukan dengan

benar dan teliti agar hasilnya simetris dan tidak oleng. Kemudian piringan

yang sudah diberi alur dipasangi sudu satu persatu dengan cara dilas

dengan kuningan.


40

40

3.4.3.3 Perakitan Turbin Aliran Silang

Tahap terakhir sebelum pengujian alat dilakukan yaitu perakitan

turbin. Pemasangan turbin yang tepat dapat menghindari :

a. Ketidaklurusan bahkan pergeseran antara poros turbin dan poros pully

turbin dan juga antara poros pully motor dc.

b. Mengurangi rugi-rugi.

3.4.3.4 Langkah-langkah pemasangan turbin aliran silang :

a. Pemasangan unit turbin dan unit pulley turbin

Rumah turbin dipasang pada kerangka dan dudukan yang telah

ditetapkan. Rumah turbin dipasang tepat diatas bak penampungan

air.Kemudian runner turbin, bearing dan rumah bearing dan pully

dipasang. Pemasangan pully harus lurus dengan poros turbin agar

putaran turbin dapat maksimal.

b. Pemasangan unit motor listrik (motor dc) dan unit pulley

Pemasangan pertama yang dilakukan yaitu pemasangan pully

motor listrik (motor dc). Pully motor dc harus dipasang simetris

dengan pully turbin, dan pully motor dc diatur agar sabuk tidak

kendur. Tujuannya agar pada saat pully berputar sabuk tidak lepas.


41

BAB IV

HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

4.1. DATA PENELITIAN

Data yang dihasilkan oleh alat uji turbin aliran silang dengan variasi

debit adalah sebagai berikut :

Tabel 4.1 Data penelitian dengan tinggi nosel 7 mm (debit 6,8 L/s) dan head 3 m.

No. Beban (Watt) Putaran (rpm) Tegangan (Volt) Arus (ampere)

1 0 2048 20.11 0

2 20 1872 16.55 0.77

3 40 1720 13 1.25

4 60 1680 11.8 1.64

5 80 1636 10.5 1.9

6 100 1572 9.6 2.04

7 120 1528 8.8 2.15

8 140 1488 7.3 2.5

9 160 1452 7.1 2.55

10 180 1388 6.2 2.5

11 180 1340 5.2 2.6

Tabel 4.2 Data penelitian dengan tinggi nosel 10 mm (debit 7,6 L/s) dan head 3

m.

No. Beban (Watt) Putaran (rpm) Tegangan (Volt) Arus (Ampere)

1 0 1664 16.8 0

2 20 1496 13.62 0.68

3 40 1404 10.8 1.05

4 60 1336 9 1.39

5 80 1268 7.9 1.6

6 100 1228 7.2 1.7

7 120 1196 6.5 1.83

8 140 1184 6.1 1.93

9 160 1168 5.6 2

10 180 1148 5.3 2.07

11 200 1132 4.9 2.1


42

42

Tabel 4.3 Data penelitian dengan tinggi nosel 14 mm (debit 8,1 L/s) dan head 3

m.

No. Beban (Watt) Putaran (rpm) Tegangan (Volt) Arus (Ampere)

1 0 1580 16.14 0

2 20 1480 11.12 0.38

3 40 1400 9.75 0.68

4 60 1272 8.53 0.91

5 80 1072 7.65 1.12

6 100 1056 6.74 1.26

7 120 1024 5.86 1.39

8 140 1020 5.42 1.5

9 160 1008 4.8 1.59

10 180 968 4.32 1.74

11 200 948 4 1.8

4.2 HASIL PENELITIAN

Berdasarkan data hasil penelitian, kemudian dilakukan perhitungan

daya yang tersedia, daya yang dihasilkan dan efisiensi total turbin. Berikut

disajikan contoh perhitungan data dengan debit 8,1 L/s (tinggi nosel 14 mm) dan

head 3 m, dengan beban 20 Watt.

Hasil perhitungan selengkapnya dalam tabel 4.4, 4.5, dan 4.6.

Head (H) = 3 m

Debit (Q) = 8,1 L/s

= 0,0081 m3/s

Daya tersedia (Pin) = ρ x g x Q x H

= 1000 x 9,81 x 0,0081 x 3

= 238,38 Watt

Daya yang dihasilkan turbin (Pout)


43

Arus pengukuran (I) = 0,38 A

Tegangan terukur (V) = 11,12 Volt

Daya (Pout) = V x I

= 11,12 x 0,38

= 4,225 Watt

Efisiensi total (η) = %100in

out

P

P

= %10038,238

4,225

= 1,772 %

Hasil perhitungan untuk beban yang lain dapat dilihat pada tabel berikut :

Tabel 4.4 Hasil perhitungan data dengan tinggi nosel 7 mm (debit 6,8 L/s)

dan head 3 m.

No.

Beban

(Watt)

Putaran

(rpm)

Daya (Pin)

(watt)

Daya(Pout)

(watt) Efisiensi (%)

1 0 2048 200.124 0.0 0.0

2 20 1872 200.124 12.7 6.4

3 40 1720 200.124 16.3 8.1

4 60 1680 200.124 19.4 9.7

5 80 1636 200.124 20.0 10.0

6 100 1572 200.124 19.6 9.8

7 120 1528 200.124 18.9 9.5

8 140 1488 200.124 18.3 9.1

9 160 1452 200.124 18.1 9.0

10 180 1388 200.124 15.5 7.7

11 180 1340 200.124 13.5 6.8


44

44


dan head 3m.

No.

Beban

(Watt)

Putaran

(rpm)

Daya (Pin)

(watt)

Daya (Pout)


1 0 1664 223.668 0.0 0.0

2 20 1496 223.668 9.3 4.1

3 40 1404 223.668 11.3 5.1

4 60 1336 223.668 12.5 5.6

5 80 1268 223.668 12.6 5.7

6 100 1228 223.668 12.2 5.5

7 120 1196 223.668 11.9 5.3

8 140 1184 223.668 11.8 5.3

9 160 1168 223.668 11.2 5.0

10 180 1148 223.668 11.0 4.9

11 200 1132 223.668 10.3 4.6


dan head 3 m.

No.

Beban

(Watt)

Putaran

(rpm)

Daya(Pin)

(watt)

Daya (Pout)


1 0 1580 238.383 0.0 0.0

2 20 1480 238.383 4.2 1.8

3 40 1400 238.383 6.6 2.8

4 60 1272 238.383 7.8 3.3

5 80 1072 238.383 8.6 3.6

6 100 1056 238.383 8.5 3.6

7 120 1024 238.383 8.1 3.4

8 140 1020 238.383 8.1 3.4

9 160 1008 238.383 7.6 3.2

10 180 968 238.383 7.5 3.2

11 200 948 238.383 7.2 3.0


45

4.2.1 Grafik Hubungan Putaran Turbin dan Daya Output Motor Dc

Dari data-data hasil perhitungan diatas dapat dibuat grafik seperti dibawah ini :

Gambar 4.1 Grafik hubungan putaran turbin dan daya output motor dc untuk

tinggi nosel 7 mm (debit 6,8 L/s) dan head 3 m



0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

0 500 1000 1500 2000 2500

day

a ge

ne

rato

r (w

att)

putaran (rpm)

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

0 500 1000 1500 2000

day

a ge

ne

rato

r (w

att)

putaran (rpm)


46

46




Berdasarkan Gambar 4.1 untuk variasi debit 6,8 L/s dan tinggi nosel 7

mm didapatkan daya maksimum sebesar 20 Watt pada putaran 1636 rpm. Dari

Gambar 4.2 untuk variasi debit 7,6 L/s dan tinggi nosel 10 mm, didapatkan daya

maksimum yang dicapai adalah 12,6 Watt pada putaran 1268 rpm.

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

10,0

0 500 1000 1500 2000

day

a ge

ne

rato

r (w

att)

putaran (rpm)

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

0 500 1000 1500 2000 2500

day

a ge

ne

rato

r (w

att)

putaran (rpm)

Q= 6,8 l/s

Q= 7,6 l/s

Q= 8,1 l/s


47

Sedangkan dari Gambar 4.3 untuk variasi debit 8,1 L/s dan tinggi nosel

14 mm, daya maksimum yang dicapai adalah 8,6 Watt pada putaran 1072 rpm.

Perubahan pada tinggi nosel 7 mm ke tinggi nosel 10 mm menaikan daya sebesar

58,7 %, sedangkan dari tinggi nosel 10 mm ke tinggi nosel 14 mm sebesar 46,5%.

4.2.2 Grafik Hubungan Putaran Turbin dan Efisiensi Total

Gambar 4.5 Grafik hubungan putaran turbin dan efisiensi total untuk tinggi nosel

7 mm (debit

6,8 L/s) dan head 3 m

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

0 500 1000 1500 2000 2500

efi

sen

sito

tal (

%)

putaran (rpm)


48

48


10 mm (debit



14 mm

(debit


0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

0 500 1000 1500 2000

efi

sie

nsi

to

tal (

%)

putaran (rpm)

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

0 500 1000 1500 2000

efi

sie

nsi

to

tal (

%)

putaran (rpm)


49


Berdasarkan Gambar 4.5 didapatkan efisiensi total maksimum untuk

variasi debit 6,8 L/s dan tinggi nosel 7 mm adalah sebesar 10 % dan dicapai

pada putaran turbin 1636 rpm. Pada Gambar 4.6. untuk variasi debit 7,6 L/s dan

tinggi nosel 10 mm, efisiensi total maksimumnya adalah sebesar 5,7 % dan

dicapai pada putaran 1268 rpm. Pada Gambar 4.7 untuk variasi debit 8,1 L/s dan

tebal nosel 14 mm, efisiensi total maksimumnya adalah 3.6 % dan dicapai pada

putaran1072 rpm. Perubahan prosentase kenaikan pada tinggi nozzel 7 mm ke

tinggi nosel 10 mm sebesar 75,4%, sedangkan dari tinggi nosel 10 mm ke tinggi

nosel 14 mm sebesar 58,3 %.

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

0 500 1000 1500 2000 2500

day

a ge

ne

rato

r (w

att)

putaran (rpm)

Q= 6,8 l/s

Q= 7,6 l/s

Q= 8,1 l/s


50

50

4.3 PEMBAHASAN

Berdasarkan Gambar 4.4 dan Gambar 4.8 dapat diketahui bahwa

semakin besar putaran turbin aliran silang, maka daya output motor dc dan

efisiensi total akan semakin besar hingga mencapai titik tertentu dimana tercapai

daya output motor dc dan efisiensi total maksimum kemudian akan turun

kembali walaupun putaran turbin terus naik.

Dari data hasil penelitian dan perhitungan dapat kita lihat bahwa daya

yang dihasilkan turbin aliran silang yang dibuat oleh peneliti masih relatif kecil.

Rendahnya efisiensi turbin dipengaruhi oleh berbagai faktor, antara lain :

a. Keterbatasan alat sehingga tidak dapat diperoleh kondisi yang dapat

menghasilkan kinerja maksimal pada turbin.

b. Rugi-rugi pada runner yang disebabkan putaran turbin yang tidak stabil

sehingga daya yang dihasilkan motor dc juga tidak stabil. Hal ini

disebabkan pembuatan runner yang kurang baik terutama pemasangan

sudu-sudunya kurang presisi.

c. Rugi-rugi pada penstock yaitu rugi-rugi gesekan antara air dengan

permukan pipa, sambungan antara pipa dengan pipa yang disebabkan

adanya perbedaan diameter dari pipa, dan pada saluran air yang berbelok.

Rugi-rugi ini dapat diabaikan karena nilainya sangat kecil.

d. Ada pengaruh dari motor dc yang disebabkan oleh faktor-faktor sebagai

berikut :

Umur motor dc, motor dc baru mempunyai efisiensi yang lebih

tinggi dibanding motor dc lama.


51

Kecepatan motor dc, motor listrik akan lebih efisien apabila

putarannya diatas kecepatan sinkron.

Adanya perubahan penampang yang mendadak antara penstock

dengan nosel sehingga mengakibatkan nilai koefisien nosel lebih

kecil dari nilai koefisien nosel perancangan (0,98). Perbedaan nilai

koefisien nosel ini mengakibatkan debit air yang keluar dari nosel

lebih kecil.

Nilai koefisien nosel untuk ukuran penampang nosel 196 mm × 7

mm :

Q = 6,8 L/s = 0,007 m3/s

A = 1372 mm2 = 0,001372 m

2

A

QV

001372,0

007,0V

V = 5,1 m/s = 17 ft/s

Hg

VC

..2

2,27

17C = 0,62

Nilai koefisien nosel untuk ukuran penampang nosel

196 mm × 10 mm :

Q = 7,6 L/s = 0,0076 m3/s

A = 1960 mm2 = 0,00196 m

2


52

52

A

QV

00196,0

0076,0V

V = 3,9 m/s = 13 ft/s

Hg

VC

..2

2,27

13C = 0,48

Nilai koefisien nosel untuk ukuran penampang nosel

196 mm × 14 mm :

Q = 8,1 L/s = 0,0081 m3/s

A = 2744 mm2 = 0,002744 m

2

A

QV

002744,0

0081,0V

V = 3 m/s = 10 ft/s

Hg

VC

..2

2,27

10C = 0,37

Meskipun turbin dioprasikan pada debit yang lebih besar namun

daya outputnya tidak selalu menjadi lebih besar,hal ini dipengaruhi kecepatan

pancar air masuk ke sudu (kecepatan air keluar dari nosel). Jika kecepatan

pancaran airnya turun maka daya yang yang dihasilkan juga akan turun.


53

BAB V

PENUTUP

5.1 KESIMPULAN

Berdasarkan data-data hasil penelitian dan hasil analisa data yang telah

dilakukan dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:

1. Turbin aliran silang dengan perbandingan L/D 1,25 dan busur sudu 90o

menggunakan sudu dari pipa yang dibelah telah dapat dibuat dan

dioprasikan.

2. Turbin aliran silang dengan busur sudu 90o dan jumlah sudu 18 buah,

menghasilkan daya paling tinggi sebesar 20 watt dan efisiensi paling tinggi

10% terjadi pada tinggi nosel sebesar 7 mm (debit sebesar 6,8 L/s) dan

head 3 m.

5.2 SARAN

Beberapa saran untuk penelitian pada bidang sejenis dengan penelitian

ini atau untuk pengembanagan penelitian ini:

1. Dalam pembuatan runner kerapian, ketelitian dan harus presisi, agar

runner dapat bekerja secara maksimal.

2. Mengurangi belokan pada pipa penstock untuk mengurangi rugi rugi yang

besar.

3. Untuk pembuatan runner, diusahakan piringan dibuat tidak terlalu tebal

supaya runner tidak terlalu berat.

4. Untuk mengukur debit sebaiknya digunakan flowmeter.


54

54

DAFTAR PUSTAKA

Anonim, 2009, Pembangkit Listrik Masa Depan Indonesia,

http://www.konversi.wordpress.com/pembangkit-listrik-masa-depan-

indonesia.

Anonim, 2005, Pedoman Efisiensi Energi Untuk Industri di Asia,

http://www.energyefficiencyasia.org/docs/ee_modules/indo/pdf.

Dietzel, 1996, Turbin Pompa dan Kompresor, Jakarta : Erlangga.

Mockmore, C.A., dan Merryfielld, Fred. 1949. The Banki Water Turbine,

Corvallis: Oregan State College.

Olgun, H, 1998, Investigation of the performance of a cross-flow turbine,

International Journal of Energy Research, Volume 22 Issue 11, Pages 935

- 964.

Olgun, H, 2000, Effect of interior guide tubes in cross-flow turbine runner on

turbine performance, International Journal of Energy Research, Volume 24

Issue 11, September 2000, Pages 935 – 964.

Suga, Kiyokatsu, dan Sularso. 2004. Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen

Mesin, Jakarta : PT. Pradnya Paramita.

Kurniawan, 2009, Turbin Aliran Silang dengan Busur Sudu 100o yang Dibuat

Dari Pipa Dibelah, Tugas Akhir, Yogyakarta : Fakultas Sains dan

Teknologi, Universitas Sanata Dharma.

Pitoyo, Joko, 2009, Turbin Aliran Silang menggunakan Sudu dari Bilah Pipa

dengan Jumlah Sudu 22, Tugas Akhir, Yogyakarta : Fakultas Sains dan

Teknologi, Universitas Sanata Dharma.

Julianto, 2010, Turbin Aliran Silang dengan Perbandingan L/D 1,25 dan Busur

Sudu 74o, Tugas Akhir, Yogyakarta : Fakultas Sains dan Teknologi,

Universitas Sanata Dharma.


http://www.konversi.wordpress.com/pembangkit-listrik-masa-depan-indonesia

http://www.konversi.wordpress.com/pembangkit-listrik-masa-depan-indonesia

http://www.energyefficiencyasia.org/docs/ee_modules/indo/pdf

55

LAMPIRAN


56

56


57


58

58


59


60

60

Gambar : Kurva Karakteristik Turbin Banki Untuk Head Dibawah 16

ft


61

Dokumentasi kegiatan

Pemotongan Pipa

Hasil Pemotongan Pipa

Template untuk pembelahan pipa

Pipa yang sudah dibelah

Piringan turbin sebelum dialur

Pembubutan piringan turbin


62

62

Piringan runner setelah dialur

Poros runner

Proses pengelasan sudu

Runner Turbin Crossflow


plagiat merupakan tindakan tidak terpuji1].pdf · bapak, ibu, dan kedua adik saya felix wigit yan...

Documents