proposal tugas perancangan mesin
TRANSCRIPT
PROPOSAL TUGAS PERANCANGAN MESIN
RANCANG BANGUN TURBIN ULIR SEBAGAI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA PIKOHIDRO
Disusun oleh: Yulianto (111031068) Mochammad Ridwan (111031108) Wawan Edi Santoso (111031171) Aziz Akbar Rifai (111031174)
PROGRAM STUDI STRATA 1
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT SAINS & TEKNOLOGI AKPRIND YOGYAKARTA
2013
i
PROPOSAL TUGAS PERANCANGAN MESIN
RANCANG BANGUN TURBIN ULIR SEBAGAI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA PIKOHIDRO
Disusun oleh: Yulianto (111031068) Mochammad Ridwan (111031108) Wawan Edi Santoso (111031171) Aziz Akbar Rifai (111031174)
PROGRAM STUDI STRATA 1
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT SAINS & TEKNOLOGI AKPRIND YOGYAKARTA
2013
ii
DAFTAR ISI
Halaman Judul
Daftar Isi
Daftar Gambar
Daftar Tabel
A. Pendahuluan
1. Latar Belakang Masalah
2. Rumusan Masalah
3. Batasan Masalah
4. Tujuan Perancangan
5. Manfaat Perancangan
B. Tinjauan Pustaka
C. Landasan Teori
1. Konsep Dasar Sistem Konversi Energi Air
2. Jenis-Jenis Turbin Air
3. Turbin Ulir
4. Paramater-Parameter Turbin Ulir
D. Perancangan
1. Daya Rencana
2. Penentuan Dimensi Rancangan
E. Daftar Pustaka
F. Jadwal Pelaksanaan
G. Rincian Perkiraan Biaya
H. Biodata Penyusun Proposal
i
ii
iii
iv
1
2
2
2
2
3
5
5
6
8
10
10
11
12
13
14
iii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1. Turbin ulir yang dibuat oleh Havendri (2009)
Gambar 1.2. Turbin ulir yang dibuat oleh Hizar (2011)
Gambar 2.1. Rentang head-flow turbin skala kecil (Hizar, 2011)
Gambar 2.2. Ilustrasi sebuah turbin ulir (Hizar, 2011)
Gambar 2.3. Parameter sebuah ulir Archimedes 2 sudu (Rorres, 1998)
Gambar 3.1. Diagram alir proses perancangan trubin ulir
Gambar 3.2. Rancangan turbin ulir yang akan dibuat
Gambar 4.1. Diagram alir jadwal pelaksanan
3
5
6
7
8
9
11
12
iv
DAFTAR TABEL
Tabel 1.1. Hasil pengujian yang dilakukan oleh Hizar (2011)
Tabel 2.1. Perkiraan biaya pembuatan turbin ulir
4
13
1
A. Pendahuluan
1. Latar Belakang Masalah
Peningkatan jumlah penduduk di Indonesia menyebabkan
peningkatan kebutuhan energi listrik karena kemudahannya untuk diubah
lagi ke bentuk energi lain, padahal pemenuhan kebutuhan listrik masih
belum merata kepada segenap lapisan masyarakat sementara
ketergantungan pemakaian bahan bakar fosil masih sangat tinggi untuk
digunakan sebagai pembangkitan energi listrik. Indonesia adalah negara
yang cukup kaya dengan potensi energi terbarukan seperti energi air
(minihidro, mikrohidro, pikohidro), energi biomassa, energi surya, energi
angin, energi panas bumi, energi laut, dan energi nuklir. Khusus untuk
pikohidro, pengembangannya biasanya memanfaatkan potensi aliran air
dengan head (ketinggian) dan debit tertentu yang dikonversi menjadi
energi listrik melalui turbin dan generator.
Dari permasalahan di atas, penyusun tertarik untuk
mengembangkan jenis turbin yang dapat beroperasi optimal pada head
rendah debit tinggi, yaitu turbin ulir. Turbin ini beroperasi dengan putaran
rendah dan masih tergolong baru dikembangkan di Indonesia namun
memiliki beberapa keunggulan di antara jenis turbin head rendah yang lain
sebagai berikut (Havendri, 2010):
1. Tidak memerlukan sistem kontrol khusus karena penggunaan unit
peralatan dan generator yang standar.
2. Mudah dalam konstruksi, instalasi dan perawatan.
3. Ramah lingkungan dan fish-friendly.
4. Tidak membutuhkan draft tube dan trash rack sehingga biaya
konstruksi yang rendah.
5. Mudah dalam pengoperasian dan biaya perawatan yang rendah.
6. Efisiensi turbin yang tinggi untuk kondisi operasi head rendah dan
debit tinggi.
7. Mempunyai umur yang cukup lama, berkisar dari 25 sampai 40
tahun.
2
Kinerja sebuah turbin ulir dipengaruhi oleh parameter-parameter
yang terkait dalam perancangan turbin ulir itu sendiri, antara lain: pitch
atau jarak periode dari sebuah sudu (blade) dan pemasangan turbin atau
kemiringan poros. Berdasarkan uraian tersebut, penulis tertarik
mengembangkan perancangan tentang turbin ulir yang disusun dalam
tugas perancangan mesin yang diberi judul “Rancang Bangun Turbin
Ulir sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Pikohidro”.
2. Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan di atas, terdapat
rumusan masalah yang selanjutnya menjadi bahan kajian bagi penulis,
yaitu:
• Bagaimana rancangan turbin ulir yang optimal untuk digunakan
sebagai pembangkit listrik tenaga pikohidro?
3. Batasan Masalah
Sebagai batasan masalah agar perancangan ini tidak menyimpang,
penulisan dibatasi pada:
1. Rancang bangun turbin ulir 2 blade dengan pitch 2𝑅𝑅𝑜𝑜 .
2. Perhitungan ketebalan blade dan ketebalan poros tidak dibahas
dalam rancang bangun ini.
3. Alat yang digunakan untuk mengubah daya mekanik menjadi daya
listrik adalah generator AC 3 fasa 200 W.
4. Analisis hasil pengujian turbin ulir tidak dibahas.
4. Tujuan Perancangan
Tujuan dari perancangan ini adalah:
• Membuat turbin ulir sebagai pembangkit listrik tenaga pikohidro.
5. Manfaat Perancangan
Manfaat yang diharapkan dari perancangan ini adalah:
1. Mengetahui rancangan turbin ulir yang optimal untuk digunakan
sebagai pembangkit listrik tenaga pikohidro.
3
2. Sebagai referensi dalam pengembangan turbin ulir sebagai
penggerak mula (primer mover engine) pada pembangkit skala
kecil (minihidro, mikrohidro, pikohidro).
B. Tinjauan Pustaka
Penelitian mengenai turbin ulir dewasa ini telah dilakukan oleh
ilmuwan-ilmuwan di berbagai negara, termasuk di Indonesia. Havendri
(2009) telah membuat model prototipe turbin air tipe screw (Archimedean
Turbine) untuk Pembangkit Listrik Tenaga Mikohidro (PLTMh). Dari
hasil perencanaan dan pembuatan model tersebut, didapatkan spesifikasi
rancangan sebagai berikut:
• Daya turbin = 100 W
• Putaran turbin = 45 rpm
• Head turbin = 1 m
• Kapasitas aliran = 0,022 m3/s
• Diameter trubin = 0,167 m
• Material turbin baja karbon ASTM A53
Gambar 1.1. Turbin ulir yang dibuat oleh Havendri (2009)
4
Dari studi eksperimental yang telah dilakukan oleh Hizar (2011)
mengenai pengaruh perbedaan jarak pitch dan kemiringan poros terhadap
kinerja mekanik turbin ulir 2 blade didapatkan data sebagaimana yang
tercantum pada tabel 1.1.
Tabel 1.1. Hasil pengujian yang dilakukan oleh Hizar (2011)
Pitch Kemiringan Poros [⁰]
Putaran Turbin
Daya Teoritis
[W]
Daya Pengujian
[W]
Daya Air [W] [rpm] [rad/s]
2R₀ 25 115 12,04 17,33 15,89 21,82 30 117 12,25 19,23 16,53 24,97 35 135 14,13 22,75 18,51 27,98 40 145 15,18 26,41 14,87 30,78 45 110 11,51 20,95 10,59 33,39
1,6R₀ 25 106 11,09 15,09 14,31 21,82 30 112 11,72 17,35 15,36 24,97 35 127 13,29 20,07 16,62 27,98 40 132 13,82 22,8 14,92 30,78 45 98 10,26 17,64 12,31 33,39
1,2R₀ 25 118 12,35 14,94 15,07 21,82 30 119 12,46 16,32 15,82 24,97 35 122 12,77 17,24 16,6 27,98 40 114 11,93 17,42 14,92 30,78 45 104 10,89 16,65 10,56 33,39
Dari kedua data di atas, penyusun menyimpulkan bahwa desain
turbin ulir 2 blade yang paling optimal akan didapatkan apabila jarak pitch
2Ro dan kemiringan poros 35o.
5
Gambar 1.2. Turbin ulir yang dibuat oleh Hizar (2011)
C. Landasan Teori
1. Kosep Dasar Sistem Konversi Energi Air
Sistem konversi energi air merupakan sistem yang bertujuan untuk
merubah energi potensial air menjadi energi mekanik poros oleh sudu
turbin (Pudjanarsa, 2008). Energi gerak atau energi puntir yang dihasilkan
turbin tersebut ditransmisikan dengan menggunakan sabuk, roda gigi,
maupun poros untuk memutar generator. Selanjutnya generator berperan
mengkonversi energi mekanik tersebut menjadi energi listrik.
Besarnya energi yang ditransfer ke sudu turbin terutama
dipengaruhi oleh besarnya laju aliran air dan keoptimalan rancangan dari
parameter turbin itu sendiri.
2. Jenis-Jenis Turbin Air
Turbin air merupakan mesin penggerak mula (primer mover
engine) di mana air sebagai fluida kerjanya. Air mempunyai sifat alami
mengalir dari tempat yang lebih tinggi menuju ke tempat yang lebih
6
rendah, dalam hal ini air memiliki energi potensial. Proses aliran energi
potensial ini berangsur-angsur berubah menjadi energi kinetik, di dalam
turbin energi kinetis tersebut diubah menjadi energi mekanik yaitu dengan
terputarnya runner turbin. Selanjutnya energi mekanik dari runner turbin
ditransmisikan ke poros generator dan mengubahnya menjadi energi
listrik.
Turbin air dapat diklasifikasikan berdasarkan prinsip kerjanya
sebagai berikut (Dietzel, 1996):
1. Turbin impuls (impulse turbine), yaitu turbin yang digerakkan
oleh sebuah atau beberapa pancaran air (water jet)
berkecepatan tinggi. Jenis-jenis turbin impuls adalah turbin
Pelton, turbin Turgo, dan turbin Crossflow.
Gambar 2.1. Rentang head-flow turbin skala kecil (Hizar, 2011)
2. Tubin reaksi (reaction turbine), yaitu turbin yang digerakkan
oleh gaya tekanan air. Rotor dari turbin reaksi terbenam secara
keseluruhan dalam air dan ditutupi oleh selubung tekan
(pressure casing). Sudu-sudu runner mempunyai bentuk profil
sedemikian rupa sehingga perbedaan tekanan air yang
melewatinya menimbulkan gaya-gaya hidrodinamis yang
selanjutnya gaya-gaya tersebut memutar turbin dengan cepat.
Jenis-jenis turbin reaksi adalah turbin Propeler, turbin Kaplan,
dan turbin Francis.
7
3. Turbin gravitasi (gravity turbine), yaitu turbin yang secara
sederhana digerakkan oleh gaya berat air yang memasuki
bagian atas turbin dan mengalir atau jatuh ke bagian bawah
keluaran (outlet) turbin. Jenis ini merupakan jenis turbin
berkecepatan rendah. Jenis-jenis turbin gravitasi adalah turbin
ulir (Archimedes Screw turbine) dan overshoot waterwheel.
3. Turbin Ulir
Proses perubahan energi pada turbin ulir yaitu energi tekanan
dan kinetik dalam air yang menumbuk blade (sudu ulir) akan
menimbulkan gaya-gaya hidrodinamis pada blade ulir tersebut. Gaya-
gaya tersebut mengakibatkan perubahan tekanan pada blade turbin
ulir. Perubahan tekanan ini akan memutar blade dan poros turbin.
Energi puntir yang terdapat pada poros selanjutnya ditransmisikan
untuk memutar generator. Energi listrik yang dihasilkan oleh
generator selanjutnya didistribusikan ke konsumen setelah melalui
inverter. Turbin ulir merupakan salah satu turbin yang sangat efisien
untuk dioperasikan pada aliran air yang mempunyai head rendah dan
debit tinggi. Turbin ulir bekerja pada kisaran head 1 – 15 m.
Gambar 2.2. Ilustrasi sebuah turbin ulir (Hizar, 2011)
8
4. Parameter-Parameter Turbin Ulir
Geometri dari sebuah ulir Archimedes (Archimedes screw)
ditentukan oleh beberapa parameter eksternal yaitu jari-jari terluar,
panjang ulir, dan kemiringan. Parameter-parameter lain yang
mempengaruhi adalah parameter internal seperti jari-jari dalam, jumlah
blade, dan pitch blade (Rorres, 1998). Parameter-parameter eksternal
tersebut biasanya ditentukan oleh lokasi penempatan ulir Archimedes dan
seberapa banyak air yang akan diangkat.
Sementara parameter-parameter internal adalah bebas ditentukan
sendiri untuk mengoptimalkan performansi atau kinerja dari ulir.
Dalam ulir Archimedes yang modern, jumlah dari blade biasanya
1,2, atau 3. Hal ini karena keterbatasan dalam pembuatan, berat ulir, dan
biaya. Jadi, jumlah blade ditentukan di awal perancangan. Ketebalan blade
diasumsikan mempunyai ketebalan yang dapat diabaikan. Sementara
volume air yang bisa diangkat dalam satu putaran turbin akan relatif
meningkat seiring dengan pertambahan jumlah blade. Jika seandainya
terdapat ketebalan blade yang tidak dapat diabaikan maka mereka akan
mengurangi volume air yang bisa diangkat dalam satu putaran ulir, Dan
jika jumlah mereka meningkat, maka akan menyebabkan tidak ada sama
sekali volume air yang bisa diangkat oleh ulir.
Gambar 2.3. Parameter sebuah ulir Archimedes 2 sudu (Rorres, 1998)
9
D. Perancangan
Tidak
Ya
Gambar 3.1. Diagram alir proses perancangan trubin ulir
Mulai
Studi literatur turbin ulir dan PLTPh
Survey lokasi pemasangan PLTPh
Penentuan head, debit aliran, dan daya keluaran
Sesuai?
Perancangan rotor turbin ulir
• Perancangan poros dan kopling • Pemilihan bantalan dan plummer block • Perancangan casing • Pemilihan baut dan mur • Perhitungan kekuatan sambungan las
Pemilihan generator
Selesai
Pembuatan gambar kerja
10
1. Daya Rencana
Dalam perancangan ini, perhitungan dimulai dengan mencari daya
teoritis turbin (Pt) (Munson, 2005).
• Debit rencana (Q) = 0,01 m3/s
• Head rencana (h) = 1 m
Efisiensi turbin ulir berkisar antara 75 – 90% (Muller, 2009).
Dalam perancangan ini, efisiensi rencana diambil 75 % maka:
𝑃𝑃𝑡𝑡 = 𝜂𝜂. 𝜌𝜌.𝑔𝑔.ℎ.𝑄𝑄
⇔ 𝑃𝑃𝑡𝑡 = 75% �1000 𝑘𝑘𝑔𝑔𝑚𝑚3� � 9,8
𝑚𝑚𝑠𝑠2� (1 𝑚𝑚)�0,01
𝑚𝑚3
𝑠𝑠�
⇔ 𝑃𝑃𝑡𝑡 = 73,5 𝑊𝑊
Daya turbin (Pt) ini dimaksudkan sebagai pedoman batas
maksimum daya poros yang direncanakan. Putaran turbin (N) yang
direncanakan maksimal adalah 200 rpm.
Jika daya turbin, (Pt) adalah daya nominal output sebagai
penggerak, maka faktor keamanan harus digunakan dalam perencanaan.
Jika faktor koreksi adalah fc (Sularso, 1985) di mana fc = 1,2 – 2 (diambil
1,2) maka daya rencana (Pd):
𝑃𝑃𝑑𝑑 = 𝑓𝑓𝑐𝑐 .𝑃𝑃𝑡𝑡
⇔ 𝑃𝑃𝑑𝑑 = 1,2 (73,5 𝑊𝑊)
⇔ 𝑃𝑃𝑑𝑑 = 88,2 𝑊𝑊
2. Penentuan Dimensi Rancangan
• Panjang rotor (L) = 1 m
• Diameter dalam (Di) = 0,152 m
• Jumlah sudu (N) = 2
• Tebal sudu (tb) = 1,2 mm
• Diameter luar (Do) = 0,284 m
• Lebar sudu (w) = 0,066 m
• Pitch (Ʌ) = 2Ro = 0,284 m
• Jumlah putaran ulir (nb) = 3,5
11
Gambar 3.2. Rancangan turbin ulir yang akan dibuat
E. Daftar Pustaka
Dietzel, F., 1996, Turbin, Pompa, dan Kompresor, Erlangga, Jakarta.
Havendri, A. dan Arnif, I., 2010, “Kaji Eksperimental Penentuan Sudut
Ulir Optimum pada Turbin Ulir untuk Data Perancangan Turbin
Ulir pada Pusat Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMh) dengan Head
Rendah”, Prosiding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin
(SNTTM) ke-9.
Havendri, A. dan Lius, H., 2009, “Perancangan dan Realisasi Model
Prototipe Turbin Air Type Screw (Archimedean Turbine) untuk
Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro dengan Head Rendah di
Indonesia”, Jurnal TeknikA, No.31 Vol.2 Thn. XVI April 2009,
ISSN: 0854-8471.
Hizar, Y., 2011, Rancang Bangun dan Studi Eksperimental Pengaruh
Perbedaan Jarak Pitch dan Kemiringan Poros Terhadap Kinerja
Mekanik Model Turbin Ulir 2 Blade Pada Aliran Head Rendah,
Thesis Magister Teknik Sistem Universitas Gadjah Mada,
Yogyakarta.
12
Munson, B. R., Young, D. F., Okiishi, T. H., 2005, Mekanika Fluida Jilid
2, Erlangga, Jakarta.
Pudjanarsa, A. dan Nursuhud, D., 2008, Mesin Konversi Energi, Penerbit
Andi, Yogyakarta.
Rorres, C., 1998, “The Turn of the Screw: Optimal Design of An
Archimedes Screw”, Journal of Hydraulic Engineering, January
2000, hlm 72-80.
Sularso & Suga, K., 1985, Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen
Mesin, Pradnya Paramita, Jakarta.
F. Jadwal Pelaksanaan
Gambar 4.1. Diagram alir jadwal pelaksanan
1 Juli - 4 Agustus 2013
• Studi Literatur• Survey Lokasi Pemasangan PLTPh
5 Agustus - 15 September 2013
• Perancangan Turbin Ulir• Perhitungan Biaya Produksi
16 September -13 Oktober 2013
• Pembuatan Turbin Ulir
14 - 31 Oktober 2013
• Pengujian Turbin Ulir• Revisi Rancangan
1 - 10 November 2013
• Pembuatan Laporan
13
G. Rincian Perkiraan Biaya
Tabel 2.1. Perkiraan biaya pembuatan turbin ulir
Material Plat baja 2 m x 1 m x 1 mm Rp 200.000,00 Plat baja 5 m x 2 m x 4 mm Rp 200.000,00 Pipa baja 2 m Rp 200.000,00 Silinder baja pejal 4 m Rp 300.000,00 Elemen Mesin Bantalan (2 buah) Rp 50.000,00 Kopling Rp 30.000,00 Baut dan mur (20 pasang) Rp 30.000,00 Pelumas Rp 25.000,00 Komponen Listrik Generator AC 3 fase 200 W Rp 450.000,00 Rectifier Rp 15.000,00 Peralatan Mistar baja Rp 5.000,00 Mistar gulung Rp 15.000,00 Jangka sorong Rp 5.000,00 Obeng Rp 15.000,00 Kunci ring Rp 15.000,00 Kunci pass Rp 15.000,00 Tang jepit Rp 15.000,00 Amplas Rp 10.000,00 Cat semprot Rp 100.000,00 Solder dan tenol Rp 25.000,00 Multimeter Rp 35.000,00 Proses Produksi Pemotongan Rp 100.000,00 Pembubutan Rp 150.000,00 Pengerolan Rp 100.000,00 Penekukan Rp 200.000,00 Pengelasan Rp 350.000,00 Total Biaya Rp 2.655.000,00
14
H. Biodata Penyusun Proposal
1. Nama : Yulianto
No. Mahasiswa : 111031068
Tempat, tanggal lahir : Blora, 10 Maret 1993
Alamat asal : Banjarejo, Blora
Alamat di Yogyakarta : PJKA J8, Pengok, Yogyakarta
No. Telepon : 085713414548
Asal SMA/SMK : SMK Muhammadiyah 1 Blora
2. Nama : Mochammad Ridwan
No. Mahasiswa : 111031108
Tempat, tanggal lahir : Surakarta, 13 Oktober 1992
Alamat asal : Cangakan III/18 RT.01/RW.X Nusukan
Surakarta
Alamat di Yogyakarta : Jalan Mutiara 76 RT.37/RW.10 Pengok,
Yogyakarta
No. Telepon : 085725672220
Asal SMA/SMK : SMA Negeri 4 Surakarta
3. Nama : Wawan Edi Santoso
No. Mahasiswa : 111031171
Tempat, tanggal lahir : Sukoharjo, 26 Agustus 1993
Alamat asal : Majasto RT1/RW4 Tawangsari, Sukoharjo
Alamat di Yogyakarta : Purwodiningratan, Yogyakarta
No. Telepon : 087839000180
Asal SMA/SMK : SMK Tunas Bangsa Tawangsari
4. Nama : Aziz Akbar Rifai
No. Mahasiswa : 111031174
Tempat, tanggal lahir : Banjarnegara, 6 September 1993
Alamat asal : Blambangan RT.03/RW.01
Banjarnegara
Alamat di Yogyakarta : Demangan Kidul, Yogyakarta
No. Telepon : 087737769688
Asal SMA/SMK : SMK Panca Bhakti Banjarnegara