RANCANG BANGUN TURBIN AIR HELIKS ALIRAN DATAR

UNTUK SISTEM PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA PIKOHIDRO

Prosiding seminar nasional penelitian & pkm sains,teknologi dan kesehatannovrinaldi, aidil haryanto, umi hanifah

DISUSUN OLEH :

Nama : Benny Styawan

NIM : 111.03.1055

Jurusan : Teknik Mesin (S-1)

Fakultas Teknologi Industri

Institut Sains & Teknologi AKPRIND Yogyakarta

2014

KATA PENGANTAR

Segala puji dan syukur atas kehadirat alloh SWT yang telah melimpahkan

rahmad serta hidayahnya , sehingga dapat menyelesaikan tugas makalah ini untuk

memenuhi tugas mata kulyah turbin uap, air, dan angin.

Sangat disadari tanpa bantuan dan uluran tangan dari berbagai pihak makalah

ini tidak akan terwujud. Tanpa disadari sepenuhnya bahwa makalah ini masih jauh

dari kesempurnaan, maka dari itu semoga tulisan yang sederhana ini dapat

memberikan manfaat bagi kemajuan proses belajar mengajar di lapangan maupun

dalam proses akademik.

Yogyakarta November 2014

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL …………………………………………………….

KATA PENGANTAR ……………………………………………………

DAFTAR ISI ……………………………………………………………..

DAFTAR GAMBAR ……………………………………………………

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang ……………………………………………….

1.2 Maksud dan Tujuan Penulisan ……………………………….

1.3 Manfaat Penulisan ……………………………………………

1.4 Batasan Masalah ……………………………………………...

BAB II DASAR TEORI

2.1 Teori Dasar Turbin Air ………………………………………

2.1.1 Prinsip Kerja Turbin Air …………………………………

2.2 Klasifikasi Turbin Air ……………………………………….

2.2.1 Turbin Impuls …………………………………………….

2.2.1.1 Turbin Crossflow …………………………………….

2.2.2 Turbin Reaksi ……………………………………………

2.3 Tinjauan Pustaka ……………………………………………

2.4 Turbin Heliks ………………………………………………..

2.5 Model matematik untuk perhitungan daya turbin heliks

BAB III Metode Penelitian

3.1 Waktu dan Tempat …………………………………………….

3.2 Material Turbin ………………………………………………...

BAB IV PEMBAHASAN

4.1 Airfoil ………………………………………………………….

4.2 Generator ………………………………………………………

4.3 Perancangan Turbin Heliks ……………………………………

BAB V PENUTUP

5.1 Kesimpulan ……………………………………………………

5.2 Saran …………………………………………………………..

DAFTAR PUSTAKA

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Jenis turbin dan efisiensiya

Gambar 2.2 Prototipe turbin heliks

Gambar 2.3 Turbin heliks 2 sudu

Gambar 4.1 Bagian bagian Airfoil

Gambar 4.2 Aliran Gaya pada Airfoil

Gambar 4.3 Profil NACA 0020

Gambar 4.4 Model/Desain Turbin Heliks

Gambar 4.5 Blade Turbin

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

PT. PLN (Persero) mencatat konsumsi listrik Indonesia tumbuh 10,17%

sepanjang tahun 2012 atau tertinggi dalam 14 tahun terakhir. Pada tahun lalu,

penjualan listrik PLN mencapai 173 TWh. Ini merupakan pencapaian tertinggi

sejak krisis ekonomi yang pernah melanda Indonesia pada tahun 1998. Kenaikan

konsumsi listrik mulai terlihat signifikan pada tahun 2010 sekitar 9,4%. Berarti

kebutuhan listrik merupakan kebutuhan yang sangat vital dan terus tumbuh

setiap tahunnya namun secara umum belum diimbangi dengan ketersediaan

listrik yang cukup untuk skala nasional dan skala local. Hal ini karena belum

maksimalnya pemanfaatan sumber energi terbarukan dan keterbatasannya

sumber energi fosil yang mengakibatkan kurang terpenuhinya kebutuhan listrik

nasional. Pembangkit listrik tenaga pikohidro (PLTPH) sangat cocok untuk

dikembangkan di daerah pedesaaan terpencil yang jauh dari jangkauan listrik

PLN terutama yang memiliki aliran sungai, selama ini PLTPH yang dibangun

merupakan pemanfaatan sumber aliran air yang memiliki tinggi jatuh air (head)

sedangkan untuk daerah yang memiliki aliran sungai tetapi tidak memiliki

tingggi jatuh air (head) masih banyak belum dimanfaatkan padahal memiliki

potensi hidrokinetik berupa arus air yang mampu menggerakkan turbin.

Dengan meningkatnya dan semakin mahal minyak dunia diperlukan

pengembangan lebih lanjut sumber energy alternatif. Kebutuhan akan energy

yang ramah lingkungan pun ikut berperan dalam pengembangan energy

alternative ini, karena seperti diketahui bersama energy yang berasal dari bahan

bakar fosil dapat merusak lingkungan. Hasil dari pembakaran bahan bakar fosil

berupa gas karbon dioksida akan menyebabkan terjadinya pemanasan global

yang dapat mengancam kehidupan manusia. Di Indonesia, sebenarnya cukup

banyak sumber-sumber energy alternatif yang tersedia akan tetapi energy air

yang memiliki potensi untuk pengembangan yang lebih baik dan juga energy air

yang ada di alam sangat melimpah khususnya di Indonesia.

1.2 Maksud dan Tujuan Penulisan

a. Dalam hal ini penulisan dimaksudkan untuk mengetahui unjuk kerja dari

turbin air tipe heliks

b. Tujuan penulisan ini adalah untuk merancang turbin air tipe heliks dan

mengetahui seberapa besar daya yang di hasilkan dari turbin air tipe heliks

ini.

1.3 Manfaat Penulisan

a. Dengan adanya makalah ilmiah ini dapat digunakan sebagai acuan untuk

meneliti atau merancang atau pengembangan tentang turbin air tipe heliks

atau gorlov ini .

b. Kincir air ini dapat dipergunakan sebagai salah satu pemanfaatan energi

terbarukan.

1.4 Batasan Masalah

a. Turbin ini digunakan untuk pembangkit listrik tenaga pikohidro.

b. daya yang dihasilkan oleh turbin maksimal 500 watt.

c. pengujian dilakukan pada saluran irigasi dengan lebar saluran irigasi 1 meter.

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Teori Dasar Turbin Air

Turbin air adalah suatu alat untuk mengubah energy air menjadi energy punter.

Energi air yang meliputi energy potensial termasuk komponen tekanan dan kecepatan

aliran yang terkandung didalamnya merubah listrik melalui generator. Dalam proses

perubahan energy, pemanfaatan beda elevansi antara dua permukaan air yang

dinamakan tinggi terjun atau head umumnya juga di gunakan khususnya pada daerah

ketinggian hal ini sangat berperan dalam meningkatkan efisiensi turbin. Untuk

menghasilkan energy secara umum komponen turbin terdiri dari poros dan sudu-sudu

serta sudu tetap yang tidak ikut berputar, berfungsi hanya untuk mengarahkan aliran

fluida sedangkan sudu putar mengubah arah dan kecepatan fluida sehingga

menimbulkan gaya untuk memutarkan poros.

Dalam upaya pemanfaatan energy arus dan pasang surut telah dikembangkan

berbagai jenis turbin dan efisiensi kerja yang dihasilkan. Dikenal dengan dua macam

turbin yaitu, propeller turbin dan crossflow turbin. Propeler turbin yang sifatnya non-

reversible sangat sulit untuk berputar terhadap perubahan arah aliran (pasang-surut)

atau pada kawasan terbatas namun sebaliknya pada jenis cross flow turbine dapat

menyesuaikan kondisi tersebut dengan cepat, disamping itu turbin aliran silang

memiliki efisiensi yang lebih baik disbanding propeller turbin. Turbin jenis aliran

silangterdapat dua type yaitu, darrieus turbin dan gorlov (helical) turbin, turbine tipe

darrieus pada saat operasi memiliki beberapa kelemahan dibanding gorlov turbin saat

operasi memiliki denyutan dan dalam banyak kasus turbin tidak dapat memulai

putarannya sendiri disamping itu gorlov mempunyai efisiensi yang tinggi 11.5% lebih

besar yang dihasilkan darrieus turbin.

2.1.1 Prinsip Kerja Turbin Air

Turbin air mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. Energi

mekanis diubah dengan generator listrik menjadi tenaga listrik. Berdasarkan prinsip

kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis

Gambar 2.1 Jenis turbin air dan efisiensi

2.2 Klasifikasi Turbin Air

2.2.1 . Turbin Impuls

Turbin impuls merupakan turbin air yang memiliki tekanan sama pada setiap

sudu geraknya (runner). Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada

nosel. Air keluar nosel yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin.

Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan

momentum (impuls). Akibatnya roda turbin akan berputar. Jenis dari turbin impuls

adalah turbin Pelton, turbin turgo dan turbin crossflow.

2.2.1.1 Turbin Crossflow

Salah satu jenis turbin impuls ini juga dikenal dengan nama Turbin Michell-

Banki yang merupakan penemunya. Selain itu juga disebut Turbin Osberger yang

merupakan perusahaan yang memproduksi turbin crossflow. Turbin crossflow dapat

dioperasikan pada debit 20 litres/sec hingga 10 m3/sec dan head antara 1 s/d 200 m.

Turbin Zcrossflow menggunakan nozle persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan

lebar runner. Pancaran air masuk turbin dan mengenai sudu sehingga terjadi konversi

energi kinetik menjadi energi mekanis. Air mengalir keluar membentur sudu dan

memberikan energinya (lebih rendah dibanding saat masuk) kemudian meninggalkan

turbin. Runner turbin dibuat dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang

piringan paralel.

2.2.2 Turbin Reaksi

Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya

penurunan tekanan air selama melalui sudu. Perbedaan tekanan ini memberikan gaya

pada sudu sehingga runner (bagian turbin yang berputar) dapat berputar. Turbin

reaksi bekerja dengan secara langsung mengubah energi kinetik juga energi tekanan

secara bersamaan menjadi energi mekanik. Jenis dari turbin ini adalah turbin Francis

dan turbin Kaplan.

2.3 Tinjauan Pustaka

Perkembangan teknologi tenaga air di Indonesia dirintis oleh Novriandi, dkk

telah dilakukan penelitian Perancangan Turbin Air Aliran Datar tipe L C500 di balai

besar pengembangan teknologi tepat guna – LIPI Subang. Dalam penelitian ini

bertujuan untuk mengembangkan turbin air aliran datar tipe heliks dengan

memanfaatkan arus aliran sungai atau saluran irigasi perancangan turbin air aliran

datar ini mengacu pada turbin heliks yang sudah dikembangkan yakni turbin gorlov

yang memanfaatkan arus pasang surut laut sebagai sumber energy penggerak runner

turbin . Turbin gorlov yang sudah dikembangkan menggunakan profil sudu berupa

hydrofoil simetri NACA 0015 yang bekerja berdasarkan gaya lift. Turbin heliks yang

akan dibuat memliki tinggi total 2610 mm lebar 2279,66 mm. Turbin terdiri dari

komponen utama yakni rangka dengan panjang 2279,66 mm, lebar 1600 mm dan

tinggi 2000 mm yang terbuat dari baja ST 42, panjang chord 500 mm, tinggi 1250

mm dan diameter 1000 mm dengan sudut punter sebesar 63 derajat dan terbuat dari

fiberglass sebanyak 3 buah blade.

Gambar 2.2 Prototipe turbin heliks

2.4 Turbin Helik

Turbin helik adalah turbin yang digunakan untuk memanfaatkan energi

kinetik dan tenaga air pada head yang rendah. Turbin helik bekerja dengan

memanfaatkan aliran air yang akan melewati airfoil (sudu turbin helik) karena

bentuk sudu airfoil terpilin memungkinkan jika dilewati aliran air akan

mengakibatkan putaran.

Gambar 2.3 Turbin heliks 2 sudu

2.5 Model Matematik untuk Perhitungan Daya Turbin Helik

Gaya aerodinamis yang dihasilkan adalah gaya lifl (L) dan gaya drag (D),

dimana gaya lift dan gaya drag dapat dihitung menggunakan persamaan sebagai

berikut:

D=1/2 . Cd . ρ. W². A

L= ½ . C1. ρ. W². A

Dimana:

Cl adalah koefisian lift

Cd adalah koefisien drag

W adalah resultan vektor kecepatan (m/s)

ρ adalah massa jenis air (kg/m3)

A adalah luas penampang sudu (m2)

Dengan memproyeksikan gaya lift dan drag sebagai gaya yang tegak lurus terhadap

lengan (jari-jari), maka selanjutnya dapat diketahui nilai torsi (T) dengan

menggunakan persamaan sebagai berikut:

T= F x R

Dimana:

T adalah torsi (Nm)

F adalah gaya tegak lurus terhadap lengan (N)

R adalah jari-jari turbin (m)

Daya air / daya hidro dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan

Pw= 0,5 x ρ x Q x V²

Dimana: Pw adalah daya air / daya hidro ( Watt)

Ρ adalah kerapatan massa fluida (1000 kg/m3)

Q adalah debit air

V adalah kecepatan aliran air ( m/s)

Daya turbin / daya poros dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan

P turbin =ώT

Dimana :

Pt adalah daya poros (Watt)

T adalah torsi (Nm)

ω adalah kecepatan sudut turbin, (rad / sec)

Efisiensi turbin diperoleh dengan menggunakan persamaan

η = (Pt / Pw ) x 100%

Dimana:

Pt adalah daya poros (Watt)

Pw adalah daya hidro (Watt)

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 Waktu dan Tempat

Penelitian ini dilaksanakan pada tahun 2011 di balai besar pengembangan

teknologi tepat guna – LIPI Subang Jawa Barat. Survey potensi aliran air dilakukan di

saluran irigasi tarum timur BTT 33 sampai BTT 40 (kec. Purwodadi dan kec. Cikaum

Kabupaten Subang ).

3.2 Material Turbin

Bahan yang digunakan dalam pembuatan turbin heliks ini meliputi bahan

rekayasa dan bahan pendukung. Baham rekayasa terdiri dari campuran mat fiber

glass, resin, epoxy, cat, Hardener, polyuretan, (bahan pembuat blade), ST42 ,bahan

as, flens dll, sedangkan bahan pendukung meliputi kawat elektroda , piringan ,

gerindra potong, baut dan mur, bearing dan sejenisnya.

3.3 Metode Penelitian

Metode yang digunakan ini adalah sebagai berikut :

1. Studi kepustakaan , Untuk mengetahui informasi yang berkaitan dengan

turbin heliks / gorlov.

2. Studi Lapangan , Melakukan survey dan observasi secara langsung terhadap

potensi aliran untuk mengetahui kecepatan dan kedalaman air yang digunakan

sebagai salah satu dasar perancangan turbin.

3. Metode Perancangan, melakukan perhitungan yang terkait dengan

perancangan, pemilihan bahan yang digunakan secara detail.

4. Metode Pembuatan, Pelaksanaan pembuatan turbin meliputi proses

manufacturing (pengecoran blade, Pembuatan rangka), pemotongan,

pengeboran, dan lainnya.

BAB IV

PEMBAHASAN

4.1 Airfoil

Airfoil adalah merupakan suatu struktur dengan bentuk geometri spesifik yang

digunakan untuk menghasilkan gaya mekanis karena gerakan relatif dari airfoil

tersebut dan juga fluida sekitarnya.

Gambar 4.1 Bagian-bagian airfoil

Untuk airfoil NACA telah dikeluarkan standar data beserta karakteristik

aerodinamikanya yang dinyatakan dalam bentuk serial number yang terdiri dari 4

digit, yang mana setiap digitnya mempunyai arti sebagai berikut:

a. Angka pertama: menunjukkan harga maksimum chamber dalam persentase

terhadap chord.

b. Angka kedua: menunjukkan lokasi dari maksimum chamber dalam persepuluh

chord.

c. Dua angka terakhir: menunjukkan maksimum thickness dalam persentase

chord.

Gambar 4.2 aliran gaya pada airfoil

Dimana:

D adalah gaya drag

L adalah gaya lift

W adalah kecepatan relatif

v adalah kecepatan keliling sudu

u adalah kecepatan aliran fluida

α adalah sudut serang terhadap sudu

4.2 Generator

Generator listrik adalah sebuah alat yang memproduksi energi listrik dari

sumber energi mekanik, biasanya dengan menggunakan induksi elektromagnetik.

Proses ini dikenal sebagai pembangkit listrik. Walau generator dan motor punya

banyakkesamaan, tapi motor adalah alat yang mengubah energi listrik menjadi

energi mekanik. Generator mendorong muatan listrik untuk bergerak melalui

sebuah sirkuit listrik eksternal, tapi generator tidak menciptakan listrik yang sudah

ada di dalam kabel lilitannya. Hal ini bisa dianalogikan dengan sebuah pompa air,

yang menciptakan aliran air tapi tidak menciptakan air di dalamnya. Sumber enegi

mekanik bisa berupa resiprokat maupun turbin mesin uap, air yang jatuh melakui

sebuah turbin maupun kincir air, mesin pembakaran dalam, turbin angin, engkol

tangan, energi surya atau matahari, udara yang dimampatkan, atau apa pun sumber

energi mekanik yang lain.

Turbin heliks/gorlov dirancang untuk pemenuhan kebutuhan listrik daerah yang

belum teraliri listrik.. Turbin tipe heliks ini merupakan pembangkit listrik tenaga

pikohidro (PLTPH) dengan kapasitas 500 watt. Pada aliran datar yang tidak

memerlukan head tinggi akan tetapi memiliki kecepatan air minimal 0,6 m/s.

4.3 Perancangan turbin heliks

1. Blade Turbin

Blade turbin terbuat dari bahan camuran mat fiberglass, resin ,epoxy, cat,

hardener, Polyuretan, turbin ini memilika 3 buah blade ,tinggi 1250 mm dan

profilnya menggunakan naca 0020 dengan panjang chord 500 mm

Gambar 4.3 Profil NACA 0020

Berdasarkan data dari survey lapangan, kecepatan air (v) 0,6 m/s, kecepatan sudut

4,8 rad/s, dari data itu diameter poros harus 40 mm

Daya air / daya hidro dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan

Pw = 0,5 x ρ x Q x V²

= 0,5 . 1000 .4,05 x 0,6²

= 729 Watt

T = F x R

= 236 N x 0,43 m

= 101,48 Nm

Daya turbin / daya poros dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan

P turbin =ώT

= 4,3 x 101,48

= 436,36 Watt

Efisiensi turbin diperoleh dengan menggunakan persamaan

η = (Pt / Pw ) x 100%

= 436,36 / 729 x 100%

= 59,85 %

Gambar 4.4 model/desain turbin heliks

Gambar 4.5 Blade turbin

BAB V

PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Telah di rancang sebuah turbin aliran datar dengan spesifikasi diameter turbin

1000 mm, tinggi turbin 1250 mm, jumlah blade 3 buah, bentuk blade dengan profil

NACA 0020 panjang cord 500 mm. turbin ini dirancang untuk menghasilkan daya

436,36 watt pada kecepatan arus sebesar 1,2 m/s dengan efisiensi 35,91 %.

5.2 Saran

Untuk Perancangan turbin air tipe heliks ini, masih perlu diadakan

pengembangan lebih lanjut. Untuk itu disarankan :

1. Proses pencarian data antara teori yang terdapat dalam buku atau referensi lain

dengan kenyataan komponen yang tersedia dipasaran harus diperhatikan.

2. Untuk mendapatkan keluaran daya listrik yang dapat dimanfaatkan perlu

dipilih generator dengan putaran rendah, mengingat turbin air tipe heliks ini

dipasang pada debit pasang surut.

3. Perawatan rutin pada bantalan sebaiknya juga diadakan pengecekan dan

pelumasan karena ada kemungkinan setelah beroperasi dalam jangka waktu

yang lama akan mengalami keausan dan berkarat sehingga putarannya tidak

presisi lagi yang akan mengakibatkan kerja mesin terganggu.

Daftar Pustaka

Gorlov, A.M. 2010. Helical Turbine and Fish Safety.25 Februari 2013. http://www.mainetidalpower.com/files/gorlovrevised. pdf.html.

Wicaksono, P.E. 2013. Konsumsi Listrik RI Tumbuh Tertinggi dalam 14 Tahun Terakhir. 21 Februari 2013. http://bisnis. liputan 6.com/read /505850/ konsumsi listrik-ri-tumbuh-tertinggi-dalam-14tahun-terakhir.html.

Kancee Ayep. 2013. Adopsi Kincir Angin Belanda. 19 Februari 2013. http://www..radarlampung.co.id/read/bandarlampung/56700-adopsi-kincir-angin belanda.html.