studi eksperimental pengaruh sudut deflektor pada …€¦ · turbin air savonius merupakan salah...

15
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT DEFLEKTOR PADA SAVONIUS WATER TURBIN WITH HORIZONTAL AXIS TERHADAP POWER OUTPUT PADA ALIRAN AIR DALAM PIPA SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat Untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh : ARI PRASETYO I 1414015 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2017

Upload: others

Post on 30-Jul-2020

7 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT DEFLEKTOR PADA …€¦ · Turbin air Savonius merupakan salah satu turbin yang desainnya sederhana dan murah pembuatannya sehingga sangat menarik

library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT DEFLEKTOR

PADA SAVONIUS WATER TURBIN WITH HORIZONTAL AXIS

TERHADAP POWER OUTPUT PADA ALIRAN AIR DALAM PIPA

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat

Untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

Oleh :

ARI PRASETYO

I 1414015

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

2017

Page 2: STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT DEFLEKTOR PADA …€¦ · Turbin air Savonius merupakan salah satu turbin yang desainnya sederhana dan murah pembuatannya sehingga sangat menarik

library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

ii

MOTTO

“Ilmu itu lebih baik daripada harta, ilmu menjaga engkau dan

engkau menjaga harta. Ilmu itu penghukum (hakim) dan harta

terhukum. Harta itu akan berkurang jika dibelanjakan tetapi ilmu

akan bertambah jika diamalkan” (Ali bin Abi Tholib)

“Kalau ingin melakukan perubahan, Jangan tunduk pada

kenyataan, Asal yakin di jalan yang benar” (K.H. Abdurarman

Wahid)

"Apabila dalam di dalam diri seseorang masih ada rasa malu dan

takut untuk berbuat suatu kebaikan, maka jaminan bagi orang

tersebut adalah tidak akan bertemunya ia dengan kemajuan

selangkah pun" (Ir. Soekarno)

“Semakin besar kita menngkatkan ilmu pengetahuan, maka

semakn besar pulakita mengungkapkan ketidaktahuan”. (J.F.

Kennedy)

"Kalau kita tidak merencanakan masa depan karena kita hidup

pada jaman sekarang, maka kita akan tetap berada di masa lalu"

(Abraham Lincoln)

Page 3: STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT DEFLEKTOR PADA …€¦ · Turbin air Savonius merupakan salah satu turbin yang desainnya sederhana dan murah pembuatannya sehingga sangat menarik

library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

iii

HALAMAN PERSEMBAHAN

Dengan segala kerendahan hati ku persembahkan tulisan ini untuk:

1. Kepada ayah dan ibuku tercinta yang telah memberikan doá restu, serta

dukunganya.

2. Kepada Bapak Teguh Suparno yang selalu memantau perkembangan studi

dan mendo’akan saya.

3. Keluarga besar semua yang telah memberikan banyak do’a dan

dukungannya sehingga dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini.

4. Kepada Staf Dosen dan Karyawan Universitas Sebelas Maret yang tidak bisa

saya sebutkan satu persatu yang telah memberikan ilmunya dan menuntun

saya menjadi sarjana.

5. Kepada team riset Pico Hydro Erry setyawan, Imron Hamzah, Taufan A.

Sanditya, Moh. Sidiq T.P, Alpriza Sakti, Hasnul Khuluqi yang selama ini selalu

memberikan masukan dan saran yang banyak membantu dalam

penyelesaian Tugas Akhir ini.

6. Kepada teman – teman mesin yang selama ini menjadi keluarga kedua saya

di Universitas Sebelas Maret.

Kepada Teman – teman yang tidak dapat saya sebutkan satu persatu yang

telah memberikan do’a dan dukungannya kepada saya.

Page 4: STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT DEFLEKTOR PADA …€¦ · Turbin air Savonius merupakan salah satu turbin yang desainnya sederhana dan murah pembuatannya sehingga sangat menarik

library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

iv

STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT DEFLEKTOR

PADA SAVONIUS WATER TURBIN WITH HORIZONTAL AXIS

TERHADAP POWER OUTPUT PADA ALIRAN AIR DALAM PIPA

Ari Prasetyo

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta

Indonesia

Email : [email protected]

Abstrak

Turbin air Savonius merupakan salah satu turbin yang desainnya sederhana dan

murah pembuatannya sehingga sangat menarik untuk diteliti. Deflektor berfungsi

untuk membuat fokus aliran, sehingga meningkatkan gaya drag pada sudu cekung

turbin. Eksperimen ini bertujuan untuk mendapatkan peforma terbaik dari sudut

deflektor pada setiap variasi debit. Turbin air Savonius single stage sumbu

horizontal didiaplikasikan pada pipa diameter 3 inchi yang sesuai dengan kondisi

nyata. Unjuk kerja deflektor dianalisa dengan power output, TSR, dan coeffisient

power yang dihasilkan oleh turbin. Variasi sudut deflektor yang diuji adalah tanpa

deflektor, 20º, 30º, 40º, dan 50º dengan ratio deflektor 50%. Hasilnya, debit

10,75x10-3 m3/s, turbin tanpa deflektor menghasilkan power output 9,77 Watt, TSR

0,93, dan coeffisient power 0,087. Sementara, pada debit yang sama turbin dengan

sudut deflektor 30º menghasilkan peforma power output 18,04 Watt, TSR 1,12 dan

coeffisient power 0.129. Deflektor meningkatan power output yaitu 84,6%.

Kata kunci : Turbin, Sudut deflektor, Peforma turbin, Picho Hidro.

Page 5: STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT DEFLEKTOR PADA …€¦ · Turbin air Savonius merupakan salah satu turbin yang desainnya sederhana dan murah pembuatannya sehingga sangat menarik

library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

v

The Experimental Study Influence Angle of Deflector on Savonius Water

Turbine with Horizontal Axis To Water Flow Power Generation in Pipe

Ari Prasetyo

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta

Indonesia

Email : [email protected]

Abstract

A Savonius Water Turbine has simple design and easiness in fabrication. This

experimental study aimed to find out best performance of the turbine in various

angle of deflector and flow rate. Single stage of horizontal axis Savonius Water

Turbine was installed to the pipe with diameter of 3 inch which suitable in real

condition.Deflector performance were analyzed by power output, tip speed ratio,

and power coefficient by turbine. The angle of deflector were investigated at

0º(without deflector), 20º, 30º, 40º, and 50º with the deflector ratio of 50%. The

result showed that turbine without deflector generates power output of 9.77 Watt,

tip speed ratio of 0.93 and coefficient power of 0.087 at the flow rate on 10,75x10-

3m3/s,. Futhermore at the same flow rate, the highest result is turbine with deflector

30º that could generate power output of 18.04 Watt, tip speed ratio of 1.12 and

coefficient power of 0.129. The increament power output was 84.6%.

Keyword : Turbine, Angle of deflektor, Peformance turbine, Picho Hidro.

Page 6: STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT DEFLEKTOR PADA …€¦ · Turbin air Savonius merupakan salah satu turbin yang desainnya sederhana dan murah pembuatannya sehingga sangat menarik

library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

vi

KATA PENGANTAR

Syukur Alhamdulillah penulis panjatkan ke hadirat Allah SAW, atas

rahmat, barokah, dan ridho-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan

laporan tugas akhir “STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT

DEFLEKTOR PADA SAVONIUS WATER TURBIN WITH HORIZONTAL

AXIS TERHADAP POWER OUTPUT ALIRAN AIR DALAM PIPA” ini

dengan baik. Penyusunan tugas akhir ini selain merupakan salah satu persyaratan

yang harus dipenuhi untuk menyelesaikan pendidikan tingkat Sarjana pada Fakultas

Teknik Jurusan Mesin Universitas Sebelas Maret juga dimaksudkan untuk

menambah wawasan di bidang pembangkit listrik tenaga air yang dapat

dimanfaatkan untuk mengatasi kebutuhan energi yang sangat besar saat ini.

Dalam Penyelesaian Skripsi ini tidaklah mungkin dapat terselesaikan tanpa

bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung ataupun tidak langsung. Oleh

karena itu pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terimakasih yang

sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan

Skripsi ini, terutama kepada :

1. Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi, S.T., M.T. selaku Ketua Prodi dan dosen

pembimbing I Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret

yang telah membimbing dan memberikan motifasi selama menyelesaikan

Laporan Tugas Akhir ini.

2. Bapak D. Danardono, S.T., M.T., Ph.D. selaku dosen pembimbing II dalam

penyusunan laporan Tugas Akhir yang telah membimbing dan memberikan

masukan sehingga penulis dapat menyempurnakan Laporan Tugas Akhir.

3. Seluruh Dosen, Staf, dan karyawan jurusan teknik mesin fakultas teknik

Universitas Sebelas Maret atas jasa – jasanya selama penulis menuntut ilmu.

4. Ibu yang selama ini menjadi seseorang ibu yang selalu memberikan

semangat dalam pembuatan Laporan Tugas Akhir ini.

5. Bapak yang memberikan motivasi untuk segera menyelesaikan Tugas Akhir

ini.

Page 7: STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT DEFLEKTOR PADA …€¦ · Turbin air Savonius merupakan salah satu turbin yang desainnya sederhana dan murah pembuatannya sehingga sangat menarik

library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

vii

6. Bapak Teguh Suparno yang selalu mendukung dalam bidang apapun

sehingga penulis dapat menyelesaikan study dan Tugas Akhir ini.

7. Teman – teman Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret sebagai keluarga

kedua yang selalu memotifasi untuk segera menyelesaikan Tugas Akhir ini.

8. Semua pihak yang telah banyak memberikan bantuan yang tidak dapat

penulis sebutkan satu persatu sehingga mengantarkan mengatarkan penulis

untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini.

Dalam penyusunan laporan ini tentunya masih banyak terdapat kekurangan,

kesalahan dan kekhilafan karena keterbatasan kemampuan penulis, untuk itu

sebelumnya penulis mohon maaf yang sebesar-besarnya. Penulis juga

mengharapkan kritik dan saran dari semua pihak demi perbaikan yang bersifat

membangun atas laporan ini.

Akhirnya dengan segala kerendahan hati penulis mengucapkan terima kasih

dan semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi penulis maupun kita bersama.

Surakarta, 4 Desember 2016

Penulis

Page 8: STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT DEFLEKTOR PADA …€¦ · Turbin air Savonius merupakan salah satu turbin yang desainnya sederhana dan murah pembuatannya sehingga sangat menarik

library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

viii

DAFTAR ISI

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

MOTTO .......................................................................................................... ii

HALAMAN PERSEMBAHAN ...................................................................... iii

Abstrak ............................................................................................................. iv

Abstract ............................................................................................................ v

KATA PENGANTAR ..................................................................................... vi

DAFTAR ISI .................................................................................................... viii

DAFTAR GAMBAR ....................................................................................... x

DAFTAR PERSAMAAN ................................................................................ xiii

DAFTAR NOTASI .......................................................................................... xiv

DAFTAR LAMPIRAN .................................................................................... xv

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

1.1 Latar Belakang ................................................................................ 1

1.2 Rumusan Masalah ........................................................................... 2

1.3 Batasan Masalah.............................................................................. 3

1.4 Tujuan Penelitian ............................................................................ 3

1.5 Manfaat Penelitian .......................................................................... 3

1.6 Sistematika Penulisan ..................................................................... 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA .................................................................... 5

2.1 Tinjauan Pustaka ............................................................................. 5

2.2 Turbin Air ....................................................................................... 11

2.3 Jenis-Jenis Turbin Air ..................................................................... 12

2.4 Gaya pada Turbin ............................................................................ 15

2.5 Pemilihan Turbin Air ...................................................................... 16

2.6 Persamaan Bernoulli ....................................................................... 17

2.7 Tip speed ratio (TSR) ..................................................................... 18

2.8 Coefficient of Power (Cp) ............................................................... 18

BAB III METODOLOGI PENELITIAN....................................................... 19

3.1 Alat dan Bahan ................................................................................ 19

Page 9: STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT DEFLEKTOR PADA …€¦ · Turbin air Savonius merupakan salah satu turbin yang desainnya sederhana dan murah pembuatannya sehingga sangat menarik

library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

ix

3.2 Spesimen uji .................................................................................... 19

3.3 Desain Turbin .................................................................................. 20

3.4 Apparatus test ................................................................................. 21

3.5 Pra study ......................................................................................... 22

3.6 Prosedur Penelitian.......................................................................... 22

3.7 Skema Rangkaian Listrik ................................................................ 23

3.8 Diagram Alir Penelitian .................................................................. 24

BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN ................................................. 25

4.1 Study Simulasi Kontur Tekanan dan Kecepatan dengan variasi sudut

deflektor pada Sudu Turbin ................................................................... 25

4.2 Data Hasil Pengujian ....................................................................... 28

4.2.1 Debit Aliran Fluida dan Daya Fluida ..................................... 28

4.2.2 Kecepatan Fluida ................................................................... 30

4.2.3 Data Hasil Pengujian Turbin .................................................. 32

4.3 Analisa Pengaruh Sudut Deflektor pada Variasi Debit ................... 33

4.4 Coefficient of Power (CP) dan Tip Speed Ratio (TSR) ................... 36

4.4.1 Coefficient of Power (CP) ...................................................... 36

4.4.2 Tip Speed Ratio (TSR) ........................................................... 37

BAB V PENUTUP ......................................................................................... 40

5.1 Kesimpulan ..................................................................................... 40

5.2 Saran ................................................................................................ 40

DAFTAR PUSTAKA .................................................................................... 41

Page 10: STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT DEFLEKTOR PADA …€¦ · Turbin air Savonius merupakan salah satu turbin yang desainnya sederhana dan murah pembuatannya sehingga sangat menarik

library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

x

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Perbandingan power extracted pada turbin air Savonius dengan

turbin angin Savonius ....................................................................................... 5

Gambar 2.2 Skema RWH system..................................................................... 6

Gambar 2.3 Skema turbin air Savonius dengan satu deflector plate ............... 6

Gambar 2.4 Skema turbin air Savonius dengan dua deflector plate ................ 7

Gambar 2.5 Tiga gambar concentrator ............................................................ 8

Gambar 2.6. Desain tipe blocking .................................................................... 9

Gambar 2.7 Tiga desain pengontrol arah angin El-Askary .............................. 10

Gambar 2.8 Savonius rotor secara konvensional ............................................. 10

Gambar 2. 9. Desain Blade Curvature ............................................................. 11

Gambar 2.10 Turbin Crossflow ........................................................................ 13

Gambar 2.11 Turbin Turgo .............................................................................. 13

Gambar 2.12 Turbin Francis............................................................................ 14

Gambar 2.13 Turbin Kaplan Propeler ............................................................. 15

Gambar 2.14 Turbin Pelton.............................................................................. 15

Gambar 2.15 Perbandingan antara debit dan head pemilihan turbin air .......... 16

Gambar 3.1 Metode Pengukuran sudut deflektor ............................................ 19

Gambar 3.2 Variasi sudut deflektor ................................................................. 20

Gambar 3.3 Desain Turbin Savonius ............................................................... 20

Gambar 3.4 Aparatus test ................................................................................. 21

Gambar 3.5 Gambar Skema Rangkaian Listrik ............................................... 23

Gambar 3.5 Gambar Diagram alir penelitian ................................................... 24

Gambar 4.1 Kontur tekanan pada sudu turbin dengan deflektor 20° ............... 25

Gambar 4.2 Kontur kecepatan pada sudu turbin dengan deflektor 20° ........... 26

Gambar 4.3 Torsi angle of attack simulasi pada variasi sudut deflektor ......... 27

Gambar 4.4 Ilustrasi Aliran fluida pada apparatus test ................................... 28

Gambar 4.5 Grafik hubungan sudut deflektor dengan debit yang dihasilkan .. 29

Gambar 4.6 Grafik hubungan sudut deflektor dengan daya input ................... 30

Gambar 4.7 Luas penampang deflektor ........................................................... 31

Page 11: STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT DEFLEKTOR PADA …€¦ · Turbin air Savonius merupakan salah satu turbin yang desainnya sederhana dan murah pembuatannya sehingga sangat menarik

library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

xi

Gambar 4.8 Kecepatan yang dihasilkan sudut deflektor pada variasi debit .... 32

Gambar 4.9 Hubungan debit dengan rpm turbin .............................................. 33

Gambar 4.10 Grafik hubungan sudut deflektor dengan power output ............. 34

Gambar 4.11 Grafik hubungan TSR dengan Cp ............................................... 38

Page 12: STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT DEFLEKTOR PADA …€¦ · Turbin air Savonius merupakan salah satu turbin yang desainnya sederhana dan murah pembuatannya sehingga sangat menarik

library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

xii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Ukuran dan posisi deflector plate ................................................... 7

Tabel 2.2 Ukuran posisi two deflector plate .................................................... 8

Tabel 4.1 Hasil torsi simulasi pada turbin terhadap sudut deflektor ................ 26

Tabel 4.2 Hasil Perhitungan Cp pada variasi sudut deflektor .......................... 37

Page 13: STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT DEFLEKTOR PADA …€¦ · Turbin air Savonius merupakan salah satu turbin yang desainnya sederhana dan murah pembuatannya sehingga sangat menarik

library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

xiii

DAFTAR PERSAMAAN

Persamaan (2.1) Persamaan Euler ............................................................................ 17

Persamaan (2. 2) Persamaan Bernoulli ..................................................................... 18

Persamaan (2. 3) Tip Speed Ratio (TSR) ................................................................... 18

Persamaan (2. 4) Coefisien Power Cp) ...................................................................... 18

Persamaan (2. 5) Daya Turbin (Pt) .......................................................................... 18

Persamaan (2. 6) Daya Input (Pi)............................................................................. 18

Persamaan (2. 7) Daya Output (Po) ......................................................................... 18

Persamaan (4. 1) Debit Air (Q) ................................................................................ 28

Persamaan (4. 2) Kecepatan Aliran Fluida (U) ......................................................... 31

Persamaan (4. 3) Kecepatan sudut (ω) ..................................................................... 37

Page 14: STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT DEFLEKTOR PADA …€¦ · Turbin air Savonius merupakan salah satu turbin yang desainnya sederhana dan murah pembuatannya sehingga sangat menarik

library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

xiv

DAFTAR NOTASI

Nomenclature

𝐷1 = Luas 1/2 diameter lingkaran pada pipa [m2]

𝐷2 = Diameter rotor [m]

g = Percepatan gravitasi [m/s2]

𝐻f = Head fluida [m]

𝑖 = Electrical current [Ampere]

𝑣 = Voltage [Volt]

𝑃i = Daya input [Watt]

𝑃o = Daya output [Watt]

𝑄f = Aliran fluida masuk [m3]

𝑡 = Waktu yang dibutuhkan air mencapai volume x liter [s]

𝑈 = Kecepatan fluida [m/s]

Parameter tanpa dimensi

𝐶𝑝 = Coefisient power

𝑇𝑆𝑅 = Tip Speed Ratio

Greek Symbol

𝜓 = Blade arc angle [°]

𝜔 = Kecepatan sudut [rad/s]

𝜌 = Massa jenis air [kg/m3]

Page 15: STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT DEFLEKTOR PADA …€¦ · Turbin air Savonius merupakan salah satu turbin yang desainnya sederhana dan murah pembuatannya sehingga sangat menarik

library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

xv

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 Data Hasil Percobaan .................................................................... 43

Lampiran 2 Perhitungan Hasil Percobaan ......................................................... 48

Lampiran 3 Perhitungan Luas Penampang 1/2 Diameter Lingkaran Pipa ........ 50

Lampiran 4 Prony Break ................................................................................... 51

Lampiran 5 Data Hasil Simulasi ....................................................................... 52

Lampiran 6 Physical Properties of Water (SI Units) ........................................ 62