Rancangan Nosel Dengan Katup Pengaturan Debit Air Penggerak Turbin Ossberger. Daya Turbin = 2,6 kW. Head = 12 meter

(1)

RANCANGAN NOSEL DENGAN KATUP PENGATURAN DEBIT AIR PENGGERAK TURBIN OSSBEGER

DAYA TURBIN = 2,6 KW HEAD = 12 METER

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana

H E R D Y NIM : 050401060

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

RANCANGAN NOSEL DENGAN KATUP PENGATURAN DEBIT AIR PENGGERAK TURBIN OSSBEGER

DAYA TURBIN = 2,6 KW HEAD = 12 METER

H E R D Y NIM : 050401060

Diketahui / Disahkan: Disetujui:

Departemen Teknik Mesin Dosen Pembimbing,

Fakultas Teknik USU Ketua,

Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri Ir. Isril Amir

NIP. 196412241992111001 NIP.

(3)

RANCANGAN NOSEL DENGAN KATUP PENGATURAN DEBIT AIR PENGGERAK TURBIN OSSBEGER

DAYA TURBIN = 2,6 KW HEAD = 12 METER

H E R D Y NIM. 050401060

Telah Disetujui Dari Hasil Seminar Tugas Akhir Periode ke-569, pada Tanggal 20 Maret 2010

Pembanding I :

Ir.Mulfi Hazwi, Msc NIP. 194910121981031002

Pembanding II :

Ir. A. Halim Nasution, Msc NIP. 195403201981022001

(4)

RANCANGAN NOSEL DENGAN KATUP PENGATURAN DEBIT AIR PENGGERAK TURBIN OSSBEGER

DAYA TURBIN = 2,6 KW HEAD = 12 METER

H E R D Y NIM. 050401060

Telah Diketahui Oleh: Pembimbing/Penguji

Ir. Isril Amir

NIP. 194510271974121001

Diketahui Oleh:

Ketua Departemen Teknik Mesin

Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri NIP.1964 1224 1992 111001 Pembanding I

Ir.Mulfi Hazwi, Msc NIP. 194910121981031002

Pembanding II

Ir. A. Halim Nasution, Msc NIP. 195403201981022001

(5)

TUGAS SARJANA

NAMA : HERDY

NIM : 05 0401 060

MATA PELAJARAN : MESIN FLUIDA

SPESIFIKASI : Rancangan nosel dengan katup pengaturan debit air penggerak turbin ossberger. Daya Turbin = 2,6 kW. Head = 12 meter.

DIBERIKAN TANGGAL : 14 / November / 2009 SELESAI TANGGAL : 05/ Maret / 2010

MEDAN, 14 November 2009 KETUA DEPT. TEKNIK MESIN DOSEN PEMBIMBING,

Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri Ir. Isril Amir

(6)

KARTU BIMBINGAN

TUGAS SARJANA MAHASISWA

No : 915/ TS/ 2007

Sub. Program Studi : Konversi Energi. Bidang Tugas : Mesin Fluida.

Judul Tugas : Rancangan nosel dengan katup pengaturan debit air penggerak turbin ossberger. Daya Turbin = 2 kW, head = 12 meter.

Diberikan Tanggal : 14 November 2009 Selesai Tanggal : 5 Maret 2010 Dosen Pembimbing : Ir.Isril Amir Nama Mahasiswa : HERDY NIM : 05 0401 060

CATATAN : diketahui,

1. Kartu ini harus diperlihatkan kepada dosen Ketua Departemen Teknik Mesin pembimbing setiap asistensi. F.T U.S.U

2. Kartu ini harus dijaga bersih dan rapi. 3. Kartu ini harus dikembalikan kejurusan,

bila kegiatan asistensi telah selesai, Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri NIP. 196412241992111001

(7)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan anugrah-Nya yang telah diberikan kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini tepat pada waktunya.

Tugas sarjana ini merupakan salah satu persyaratan guna menyelesaikan pendidikan pada Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Adapun judul Tugas Sarjana ini adalah “Rancangan nosel

dengan katup pengaturan debit air penggerak turbin ossberger ; Daya Turbin = 2,6 kW, head = 12 meter.”

Dalam mengerjakan tugas sarjana ini, penulis mendapat bantuan dan dukungan berupa materil dan spiritual yang diberikan oleh berbagai pihak, oleh karena itu pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih setulus – tulusnya kepada :

1. Orang tuaku yang menjadi teladan dan panutanku, yang selalu memotivasi dan memberi semangat bagi penulis.

2. Bapak Ir. Isril Amir, selaku Dosen Pembimbing Tugas Sarjana yang telah banyak memberikan arahan, bimbingan, dan nasehat serta telah banyak meluangkan waktunya membimbing penulis dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini.

3. Bapak Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

(8)

4. Bapak Ir. Tulus B Sitorus, ST, MT, selaku Sekretaris Jurusan Departemen Teknik Mesin-Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

5. Bapak / Ibu Staf Pengajar pada Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

6. Seluruh Pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara yang telah memberikan pelayanan terbaik dalam akademis ataupun non-akademis (Bu Is, Kak Sonta, Bang Syawal, Bang Fauzi, dan semua yang turut membantu saya).

7. Seluruh Asisten Laboratorium Pada Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

8. Mbak Melani, Mbak Ari dan Bang Sidik atas kemurahan hatinya selalu siap membantu penulis dalam penyelesaian tugas akhir ini di gedung S2 Teknik Mesin USU.

9. Rekan-rekan saya mahasiswa Mesin USU khususnys stambuk 2005. 10.Buat semua pihak yang ikut membantu penulis dalam menyelesaikan

turbin air yang tidak dapat disebutkan oleh penulis satu persatu.

Terimakasih saya ucapkan atas perhatian dan dukungan dari semua pihak sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini.

Medan, 14 November 2009 Penulis,

HERDY NIM.05 0401 060

(9)

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL………..………i

LEMBAR PENGESAHAN………..……….ii

LEMBAR PERSETUJUAN SEMINAR……….iii

SPESIFIKASI TUGAS...v

LEMBAR EVALUASI…………...vi

KATA PENGANTAR...x

DAFTAR ISI ...xii

DAFTAR GAMBAR ...xv

DAFTAR GRAFIK………....xvii

DAFTAR SIMBOL...xviii

AKSARA YUNANI...xx

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang...1

1.2 Tujuan Perencanaan...2

1.3 Batasan Masalah...3

1.4 Metodologi Penulisan...4

1.5 Sistematika Penulisan...4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Tinjauan Umum...5

2.2 Klasifikasi Turbin Air ...8

2.2.1 Turbin Impuls ...8

(10)

2.3 Perbandingan Karakteristik Turbin...15

2.4 Kecepatan Spesifik Turbin...17

2.5 Pemeliharaan (Maintenance)...19

2.6 Pengaruh Pada Lingkungan...19

2.7 Turbin Aliran Silang...20

2.8 Pengertian Nosel dan Diffuser...22

2.9 Posisi Penyemburan Terhadap Sumbu Roda Jalan....23

2.10 Katup...25

2.11 Lengkung Masuk...26

2.12 Diameter Dan Lebar Raner...29

BAB III METODOLOGI PERANCANGAN 3.1 Tempat Dan Waktu...33

3.2 Bahan Dan Alat...34

3.3 Pengamatan Dan Pengujian...35

BAB IV PERHITUNGAN KOMPONEN – KOMPONEN UTAMA TURBIN AIR 4.1 Pipa penstock...40

4.2 Daya Turbin...40

4.3 Putaran Spesifik Turbin...41

4.4 Generator...42

4.5 Diameter Luar Raner...43

4.6 Kecepatan Relatif Pada Sisi Masuk...44

4.7 Kecepatan Relatif Pada Sisi Keluar...44

(11)

4.9 Sudut Kecepatan Mutlak Sisi Keluar ...45

4.10 Kecepatan Absolut Fluida Pada Sisi Keluar...45

BAB V PERHITUNGAN NOSEL 5.1 Panjang Busur pemasukan dan lebar pipa pancar...47

5.2 Segitiga Kecepatan...49

5.3 Energi pada sudu – sudu raner turbin...51

BAB VI KESIMPULAN 6.1 Turbin Air...53

6.2 Generator...54

6.3 Pipa Penstock ...54

6.4 Sudu Jalan (Raner)...54

6.5 Perhitungan Nosel...54

DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

(12)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Instalasi secara keseluruhan………..….….3

Gambar 2.1 Sketsa tinggi head...6

Gambar 2.2 Turbin Pelton………..9

Gambar 2.3 Turbin Pelton dengan banyak nozle………9

Gambar 2.4 Sudu turbin turgo dan nozzle……….10

Gambar 2.5 Konstruksi turbin ossberger atau turbin crossflow……….11

Gambar 2.6 Aliran masuk turbin ossberger atau turbin crossflow………….12

Gambar 2.7 Turbin Francis...13

Gambar 2.8 Turbin Kaplan dengan sudu jalan yang dapat diatur…………..14

Gambar 2.9 Diagram klasifikasi turbin air……….15

Gambar 2.10 Perbandingan bentuk sudu turbin berdasarkan kec. Spesifik...18

Gambar 2.11 Turbin Aliran Silang Jenis Vertical...21

Gambar 2.12 Turbin Aliran Silang Jenis Horizontal...22

Gambar 2.13 Posisi Penyemburan Vertical...24

Gambar 2.14 Posisi Penyemburan Horizontal...24

Gambar 2.15 Posisi Penyemburan Miring...25

Gambar 2.16 Posisi katup pada nosel turbin air aliran silang……….25

Gambar 2.17 Aneka Penampang Aliran Di Sisi Masuk Turbin...26

Gambar 2.18 Pola Aliran Masuk Turbin...27

Gambar 2.19 Lengkung Pemasukan Ideal Bersudut Konstan...28

Gambar 2.20 Rancangan Spiral Logaritmik Pemasukan Geometri Sudu…...29

(13)

Gambar 3.1 Pressure Gauge...35

Gambar 3.2 Tachometer...36

Gambar 3.3 Tangmeter...36

Gambar 3.4 Sketsa instalasi turbin aliran silang……..………..37

Gambar 3.5 Resevoar bawah...38

Gambar 3.6 Resevoar atas...38

Gambar 3.7 Rumah Turbin...39

Gambar 5.1 Penampang samping dari nosel………...47

Gambar 5.2 Luasan pemancaran air pada nosel turbin air aliran silang…….47

Gambar 5.3 Segitiga kecepatan dan rumus turbin aliran silang………..49

(14)

DAFTAR GRAFIK

(15)

DAFTAR SIMBOL

Simbol

Arti

Satuan

A

: Luas penampang

m

D

: Diameter

mm

D

(1,2)

: Diameter pada roda jalan

mm

D

pen

: Diameter penstock

mm

a

: Lebar sudu

mm

f

: Frekuensi

Hz

g

: Percepatan gravitasi

m/s

H

: Tinggi air jatuh

m

L

: - Panjang busur pemasukan

m

t

: Jarak antar sudu

mm

n

: Putaran operasi

rpm

n

generator

: Putaran generator

rpm

n

: Putaran spesifik

rpm

n

: Putaran turbin

rpm

P

: Daya

Watt

P

: Daya turbin

Watt

P

: Daya generator

Watt

p

: Jumlah kutub generator

(16)

t

: Tebal sudu

mm

u

: Kecepatan keliling / tangensial

m/s

c

: Kecepatan absolut

m/s

w

: Kec. relatif fluida terhadap roda jalan

m/s

(17)

AKSARA YUNANI

LAMBANG

Arti

Satuan

(alpha)

Sudut kecepatan mutlak

(derajat)

(betta)

Sudut sudu

(derajat)

Efisiensi

(gamma)

Berat jenis

N/m

(phi)

Sudut busur pemasukan

(derajat)

(phi)

Koefisien generator

(18)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Sekarang ini konsumsi energi berhubungan langsung dengan tingkat kehidupan penduduk serta derajat industrisasi suatu negara. Salah satu bentuk energi yang paling banyak digunakan manusia dalam kehidupan sehari-hari adalah energi listrik, sebab energi ini dapat dengan mudah dan efisien dikonversikan menjadi bentuk energi yang lain.

Turbin air dikembangkan pada abad ke-19 dan digunakan secara luas untuk tenaga industri untuk jaringan listrik. Sekarang lebih umum dipakai untuk generator listrik. Turbin kini dimanfaatkan secara luas dan merupakan sumber energi yang dapat diperbarui. Kata ‘Turbin’ diambil dari terjemahan bahasa latin dari kata ‘Whirling’ (putaran) atau ‘vortex’ (pusaran air). Perbedaan dasar antara turbin air dengan kincir air adalah komponen putaran air yang memberikan energi pada poros yang berputar. Komponen tambahan ini memungkinkan turbin dapat memberikan daya yang lebih besar dengan komponen yang lebih kecil. Turbin dapat memanfaatkan air dengan putaran lebih cepat dan dapat memanfaatkan head yang lebih tinggi.

Pada umumnya turbin air dioperasikan secara kontinu dalam jangka waktu yang lama. Masalah – masalah pada turbin air yang akan berujung pada berkurangnya efisiensi dan performasi harus bisa di deteksi dan di monitor selama beroperasi. Performansi dari turbin dipengaruhi oleh berbagai faktor yaitu : komponen – komponen dari turbin air dan sistem kontrol atau instrumen yang

(19)

bekerja selama turbin air itu beroperasi. Turbin air akan mengubah energi kinetik air menjadi energi mekanik, yaitu : putaran roda turbin (sudu). Pada kondisi aktual, tidak semua energi potensial air dapat diubah menjadi energi mekanik pada turbin, pasti dalam proses perubahan terdapat kerugian – kerugian. Dari hal tersebut dapat didefinisikan efisiensi dari turbin yaitu : perbandingan daya pada turbin dengan daya air pada reservoir. Air dari reservoir akan mengalir dengan kapasitas tertentu dalam saluran pipa yang menuju turbin. Pada turbin air terdapat pengaturan kapasitas untuk memvariasikan kapasitas aliran. Pengaturan kapasitas aliran masuk ke turbin dimaksudkan untuk merespon beban.

1.2. Tujuan Perencanaan

Tujuan dari perancangan ini adalah untuk memenuhi syarat memperoleh gelar Strata 1 dari Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara. Sedangkan tujuan umum perancangan ini adalah :

a. Untuk lebih mengetahui dan memahami aplikasi ilmu yang diperoleh di bangku kuliah terutama mata kuliah Mekanika Fluida dan Mesin Fluida. b. Untuk merancang luasan pemancaran air pada nosel dari suatu jaringan

pembangkit listrik dengan tenaga air, dimana air dipompakan dari reservoir satu ke reservoir lain dengan head statis 12 meter.

c. Untuk membuat rancang bangun sistem aliran air terjun buatan. Adapun gambar instalasi sistem aliran air terjun buatan yang dirancang dapat dilihat pada gambar dibawah ini.

(20)

Gambar 1.1 instalasi secara keseluruhan.

1.3. Batasan Masalah

Untuk mendapatkan suatu hasil perencanaan yang baik, maka dalam hal ini akan dibuat suatu batasan masalah karena semakin spesifik suatu perencanaan maka hasilnya juga akan lebih baik. Pada perancangan ini akan dibahas megenai perancangan luas pancaran aliran air dari nosel dengan katup pengaturan debit air penggerak turbin air aliran silang ; Daya Turbin = 2,6 kW, Head = 12 meter.

(21)

Dimana data – data lain yang diperlukan didapat dari hasil survey langsung di lapangan.

1.4. Metodologi penulisan

Adapun Metode yang digunakan dalam penulisan Tugas Sarjana ini adalah sebagai berikut :

(1) Survey lapangan, berupa peninjauan langsung ke tempat tujuan perencanaan yang dilakukan, dalam hal ini survey dilakukan pada laboratorium departemen teknik mesin USU.

(2) Studi literature, berupa studi kepustakaan, kajian-kajian dari buku (teks book) dan tulisan yang terkait dengan perencanaan ini.

(3) Diskusi, berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing yang telah ditunjuk oleh Departemen Teknik Mesin, mengenai masalah-masalah yang timbul selama penyusunan Tugas Sarjana.

1.5. Sistematika Penulisan

Adapun sistematika penulisan dalam tugas sarjana ini adalah : Bab I yang memuat latar belakang, tujuan perencanaan, batasan masalah, metodologi penulisan dan sistematika penulisan.tugas sarjana ini. Pada bab II memuat tentang landasan teori yang memuat konsep dasar tentang turbin air dan nosel. Bab III memuat tentang metodologi perancangan. Bab IV memuat tentang perhitungan komponen – komponen utama turbin air. Bab V memuat tentang perhitungan nosel. Bab VI memuat tentang kesimpulan.

(22)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Tinjauan Umum

Air merupakan sumber energi yang murah dan relatif mudah didapat, karena pada air tersimpan energi potensial (pada air jatuh) dan energi kinetik (pada air mengalir). Tenaga air (Hydropower) adalah energi yang diperoleh dari air yang mengalir. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam wujud energi mekanis maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air banyak dilakukan dengan menggunakan kincir air atau turbin air yang memanfaatkan adanya suatu air terjun atau aliran air di sungai. Sejak awal abad 18 kincir air banyak dimanfaatkan sebagai penggerak penggilingan gandum, penggergajian kayu dan mesin tekstil. Memasuki abad 19 turbin air mulai dikembangkan.

Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada besarnya head dan debit air. Dalam hubungan dengan reservoir air maka head adalah beda ketinggian antara muka air pada reservoir dengan muka air keluar dari kincir air/turbin air.

(23)

Gambar 2.1 Sketsa tinggi head.

Total energi yang tersedia dari suatu reservoir air adalah merupakan energi potensial air yaitu :

mgh

E

=

………(2.1)

dengan

m adalah massa air

h adalah head (m)

g adalah percepatan gravitasi













s

m

Daya merupakan energi tiap satuan waktu













t

E

, sehingga persamaan (2.1) dapat

dinyatakan sebagai :

(24)

gh t m t E

= (literatur 9)

Dengan mensubsitusikan P terhadap













t

E

dan mensubsitusikan

ρ

Q

terhadap













t

m

maka :

Qgh

P

=

ρ

………(2.2)

dengan

P adalah daya (watt)

Q adalah kapasitas aliran









s

m

ρ

adalah massa jenis air













m

kg

Selain memanfaatkan air jatuh hydropower dapat diperoleh dari aliran air datar. Dalam hal ini energi yang tersedia merupakan energi kinetik yaitu :

2

1 mv

E

=

………(2.3)

dengan

v adalah kecepatan aliran air













s

m

Daya air yang tersedia dinyatakan sebagai berikut :

2

1 Qv

P

=

ρ

………(2.4)

(25)

2

1 Av

P

=

ρ

………(2.5)

dengan

A adalah luas penampang aliran air

( )

m

2 2.2 Klasifikasi 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, turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin impuls dan turbin reaksi.

2.2.1 Turbin Impuls

Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nozle. Air keluar nozle yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse). Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan. Adapun jenis – jenis turbin impuls adalah sebagai berikut :

1) Turbin Pelton.

Turbin pelton merupakan turbin impuls. Turbin Pelton terdiri dari satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari satu atau lebih alat yang disebut nosel. Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang

(26)

paling efisien. Turbin Pelton adalah turbin yang cocok digunakan untuk head tinggi.

Gambar 2.2 Turbin Pelton.

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

Bentuk sudu turbin terdiri dari dua bagian yang simetris. Sudu dibentuk sedemikian sehingga pancaran air akan mengenai tengah-tengah sudu dan pancaran air tersebut akan berbelok ke kedua arah sehinga bisa membalikkan pancaran air dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya-gaya samping. Untuk turbin dengan daya yang besar, sistem penyemprotan airnya dibagi lewat beberapa nosel. Dengan demikian diameter pancaran air bisa diperkecil dan ember sudu lebih kecil.

Gambar 2.3 Turbin Pelton dengan banyak nozle.

Sumber.

Turbin Pelton untuk pembangkit skala besar membutuhkan head lebih kurang 150 meter tetapi untuk skala mikro head 20 meter sudah mencukupi.

(27)

2) Turbin Turgo.

Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 s/d 300 m. Seperti turbin pelton turbin turgo merupakan turbin impulse, tetapi sudunya berbeda. Pancaran air dari nozle membentur sudu pada sudut 20 o. Kecepatan putar turbin turgo lebih besar dari turbin Pelton. Akibatnya dimungkinkan transmisi langsung dari turbin ke generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus menurunkan biaya perawatan.

Gambar 2.4 Sudu turbin turgo dan nozzle.

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

3) Turbin Ossberger Atau Turbin Crossflow (Turbin Michell-Banki).

Pada turbin impuls pelton beroperasi pada head relatif tinggi, sehingga pada head yang rendah operasinya kurang efektif atau efisiensinya rendah. Karena alasan tersebut, turbin pelton jarang dipakai secara luas untuk pembangkit listrik skala kecil. Sebagai alternatif turbin jenis impuls yang dapat beroperasi pada head rendah adalah turbin crossflow atau turbin impuls aliran ossberger. Turbin crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 litres/sec hingga 10 m3/sec dan head antara 1 s/d 200 m. Komponen – komponen utama konstruksi turbin crossflow adalah sebagai berikut :

(28)

1. Rumah Turbin.

2. Alat Pengarah (distributor). 3. Roda Jalan.

4. Penutup. 5. Katup Udara. 6. Pipa Hisap. 7. Bagian Peralihan.

Aliran air dilewatkan melalui sudu sudu jalan yang berbentuk silinder, kemudian aliran air dari dalam silinder ke luar melalui sudu-sudu. Jadi perubahan energi aliran air menjadi energi mekanik putar terjadi dua kali yaitu pada waktu air masuk silinder dan air keluar silinder. Energi yang diperoleh dari tahap kedua adalah 20%nya dari tahap pertama.

Gambar 2.5 Konstruksi turbin ossberger atau turbin crossflow.

Sumber:

Air yang masuk sudu diarahkan oleh alat pengarah yang sekaligus berfungsi sebagai nosel seperti pada turbin pelton. Prinsip perubahan energi adalah sama dengan turbin impuls pelton yaitu energi kinetik dari pengarah dikenakan pada sudu-sudu pada tekanan yang sama. Turbin crossflow menggunakan nozle persegi

(29)

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.

Gambar 2.6 Aliran masuk turbin ossberger atau turbin crossflow.

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

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 yang bekerja berdasarkan prinsip ini dikelompokkan sebagai turbin reaksi. Proses ekspansi fluida kerja pada turbin reaksi terjadi pada sudu tetap dan sudu geraknya. Air mengalir memasuki roda turbin melalui sudu - sudu pengarah dengan tekanan yang tinggi. Pada saat air yang bertekanan tersebut mengalir kesekeliling sudu - sudu, runner turbin akan berputar penuh. Energi yang ada pada air akan berkurang ketika meninggalkan sudu. Energi yang hilang

(30)

tersebut telah diubah menjadi energi mekanis oleh roda turbin. Dilihat dari konstruksinya, turbin reaksi ada dua jenis:

1. Turbin Francis.

Turbin francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin dipasang diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di bagian keluar. Turbin Francis menggunakan sudu pengarah. Sudu pengarah mengarahkan air masuk secara tangensial. Sudu pengarah pada turbin francis dapat merupakan suatu sudu pengarah yang tetap ataupun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya. Untuk penggunaan pada berbagai kondisi aliran air penggunaan sudu pengarah yang dapat diatur merupakan pilihan yang tepat.

Gambar 2.7 Turbin Francis

Sumber.

2. Turbin Kaplan.

Tidak berbeda dengan turbin francis, turbin kaplan cara kerjanya menggunakan prinsip reaksi. Turbin ini mempunyai roda jalan yang mirip dengan baling-baling pesawat terbang. Bila baling-baling pesawat terbang berfungsi untuk menghasilkan gaya dorong, roda jalan pada kaplan berfungsi untuk mendapatkan gaya F yaitu gaya putar yang dapat menghasilkan torsi pada poros

(31)

turbin. Berbeda dengan roda jalan pada francis, sudu-sudu pada roda jalan kaplan dapat diputar posisinya untuk menyesuaikan kondisi beban turbin. Turbin kaplan banyak dipakai pada instalasi pembangkit listrk tenaga air sungai, karena turbin ini mempunyai kelebihan dapat menyesuaikan head yang berubah-ubah sepanjang tahun. Turbin Kaplan dapat beroperasi pada kecepatan tinggi sehingga ukuran roda turbin lebih kecil dan dapat dikopel langsung dengan generator. Pada kondisi pada beban tidak penuh turbin kaplan mempunyai efisiensi paling tinggi, hal ini dikarenakan sudu-sudu turbin kaplan dapat diatur menyesuaikan dengan beban yang ada.

Gambar 2.8 Turbin Kaplan dengan sudu jalan yang dapat diatur.

(32)

Diagram klasifikasi turbin air dapat dilihat pada gambar dibawah ini.

Gambar 2.9 Diagram klasifikasi turbin air.

2.3 Perbandingan Karakteristik Turbin

Perbandingan karakteristik turbin dapat kita lihat pada grafik head (m) vs

flow (m3/s) di bawah ini.

Grafik 2.1 Perbandingan karakteristik Turbin.

Sumber :

Turbin Air

Turbin impuls

Turbin reaksi

Turbin pelton

Turbin turgo

Turbin ossberger

Turbin francis

(33)

Dapat dilihat pada grafik 2.1 turbin kaplan adalah turbin yang beroperasi pada head yang rendah dengan kapasitas aliran yang tinggi atau bahkan beroperasi pada kapasitas yang sangat rendah. Hal ini karena sudu – sudu turbin kaplan dapat diatur secara manual atau otomatis untuk merspon perubahan kapasitas.

Berkebalikan dengan turbin kaplan, turbin pelton adalah turbin yang beroperasi pada head tinggi dengan kapasitas yang rendah. Untuk turbin francis mempunyai karakteristik yang berbeda dengan yang lainnya yaitu turbin francis dapat beroperasi pada head yang rendah atau beroperasi pada head yang tinggi.

Pemilihan turbin kebanyakan didasarkan pada head air yang didapatkan dan kurang lebih pada rata-rata alirannya. Umumnya, turbin impuls digunakan untuk tempat dengan head tinggi, dan turbin reaksi digunakan untuk tempat dengan head rendah. Turbin Kaplan baik digunakan untuk semua jenis debit dan head, efisiiensinya baik dalam segala kondisi aliran.

Turbin kecil (umumnya dibawah 10 MW) mempunyai poros horisontal, dan kadang dipakai juga pada kapasitas turbin mencapai 100 MW. Turbin Francis dan Kaplan besar biasanya mempunyai poros / sudu vertikal karena ini menjadi penggunaan paling baik untuk head yang didapatkan, dan membuat instalasi generator lebih ekonomis. Poros Pelton bisa vertikal maupun horisontal karena ukuran turbin lebih kecil dari head yang di dapat atau tersedia. Beberapa turbin impuls menggunakan beberapa semburan air tiap semburan untuk meningkatkan kecepatan spesifik dan keseimbangan gaya poros.

Aplikasi penggunaan turbin berdasarkan tinggi head yang didapatkan adalah sebagai berikut ini :

(34)

2) Turbin Francis : 5 < H < 500 meter 3) Turbin Pelton : H < 30 meter 4) Turbin Banki : 2 < H < 200 meter

2.4 Kecepatan spesifik turbin

Kecepatan spesifik (ns), menunjukkan bentuk dari turbin itu dan tidak berhubungan dengan ukurannya. Hal ini menyebabkan desain turbin baru yang diubah skalanya dari desain yang sudah ada, dengan performa yang sudah diketahui. Kecepatan spesifik merupakan kriteria utama yang menunjukkan pemilihan jenis turbin yang tepat berdasarkan karakteristik sumber air.

Kecepatan spesifik dari sebuah turbin juga dapat diartikan sebagai kecepatan ideal, persamaan geometris turbin, yang menghasilkan satu satuan daya tiap satu satuan head.

Kecepatan spesifik turbin dapat diartikan sebagai titik efisiensi maksimum. Perhitungan tepat ini menghasilkan performa turbin dalam jangkauan head dan debit tertentu.

Kecepatan spesifik juga merupakan titik awal dari analisis desain dari sebuah turbin baru. Setelah kecepatan spesifik yang diinginkan diketahui, dimensi dasar dari bagian - bagian turbin dapat dihitung dengan mudah.

Keluaran turbin dapat diperkirakan berdasarkan dari test permodelan. Replika miniatur dari desain yang diusulkan, diameter sekitar satu kaki (0,3 m), dapat diuji dan hasil pengukuran laboratorium dapat digunakan sebagai kesimpulan dengan tingkat keakuratan yang tinggi.

(35)

Debit yang melalui turbin dikendalikan dengan katub yang besar atau pintu gerbang yang disusun diluar sekeliling pengarah turbin. Perubahan head dan debit dapat dilakukan dengan variasi bukaan pintu, akan menujukkan efisiensi turbin dengan kondisi yang berubah-ubah.

Kecepatan spesifik dapat dihitung dengan menggunakan rumus :

4 3

. 65 , 3

H Q n

ns = t (literatur 6)

Dengan : nt = putaran turbin (rpm)

Q = kapasitas aliran (m3/s) H = tinggi air jatuh (m)

g = percepatan graviatsi (m/s2)

Perbandingan bentuk sudu turbin terhadap kecepatan spesifik turbin adalah sebagai berikut ini :

Gambar 2.10 Perbandingan bentuk sudu turbin berdasarkan kecepatan spesifik.

Sumber : European Community's Layman's Guidebook (on how to develop a small hydro site)

(36)

sebesar 56,61 rpm, maka berdasarkan gambar 2.10 bentuk sudu turbin yang dipilih adalah bentuk pertama.

2.5 Pemeliharaan (maintenance)

Turbin didesain untuk bekerja dalam jangka waktu puluhan tahun dengan sangat sedikit pemeliharaan pada elemen utamanya, interval pemeriksaan total (overhaul) dilakukan dalam jangka waktu beberapa tahun. Pemeliharaan dilakukan pada sudu, pengarah dan part lain yang bersentuhan dengan air termasuk pembersihan, pemeriksaan dan perbaikan part yang rusak.

Keausan umumnya terjadi pada lubang akibat kavitasi, retakan dan pengikisan dari benda padat yang tercampur dalam air. Elemen baja diperbaiki dengan pengelasan, umumnya dengan las stainless steel. Area yang berbahaya dipotong atau digerinda, kemudian dilas sesuai dengan bentuk aslinya atau dengan profil yang diperkuat. Sudu turbin tua mungkin akan mempunyai banyak tambahan stainless steel hingga akhir penggunaannya. Prosedur pengelasan yang rumit mungkin digunakan untuk mendapatkan kualitas perbaikan terbaik.

Elemen lainnya yang membutuhkan pemeriksaan dan perbaikan selama pemeriksaan total yaitu : bantalan, kotak paking dan poros, motor servo, sistem pendingin untuk bantalan dan lilitan generator, cincin seal, elemen sambungan gerbang dan semua permukaan.

2.6 Pengaruh pada lingkungan

Turbin air mempunyai pengaruh positif dan negatif bagi lingkungan. Adapun pengaruh positif yaitu :

(37)

1) Turbin adalah salah satu penghasil tenaga terbersih, menggantikan pembakaran bahan bakar fosil dan menghapuskan limbah nuklir.

2) Turbin menggunakan energi yang dapat diperbarui dan didesain untuk beroperasi dalam jangka waktu puluhan tahun.

3) Turbin memproduksi sumber energi listrik dunia dengan jumlah yang besar. Adapun pengaruh negatif dari pembangunan turbin adalah : putaran sudu atau gerbang pengarah dari turbin air dapat mengganggu ekologi natural sungai, membunuh ikan, menghentikan migrasi dan menggangu mata pencaharian manusia. Contohnya : suku Indian Amerika di Northwest Pasific mempunyai mata pencaharian memancing ikan salmon, tapi pembangunan dam secara agresif menghancurkan jalan hidupnya.

2.7 Turbin Aliran Silang

Turbin aliran silang yang pertama disebut turbin banki, ini berbentuk skripsi yaitu tahun 1949 oleh State University di Oregon. Sedangkan publikasi mengenai rancangan bangunan baru dimulai tahun 1967 oleh suatu badan yang diberi nama VITA. Namun demikian, jauh sebelumnya turbin jenis ini telah diproduksi oleh suatu pabrik yakni Ossberger di Jerman. Konstruksi Turbin

Ossberger mirip dengan separuh pompa keong. Disini air masuk menuju roda

turbin vertical terhadap lantai pondasi. Menurut propagadis turbin ini bereffisiensi 74% - 84% dan menjamin operasinya 80%. Apabila diperhatikan dengan cermat bagian – bagian dan rakitan turbinnya masih terlalu rumit untuk memperoleh daya yang kecil.

(38)

Turbin aliran silang ini akhirnya lebih akrab kepada masyarakat pedesaan dengan segala aspek kesederhanaannya. Hal ini telah dibuktikan oleh beberapa badan kerja sama SKAT – Switzerland/BYS Nepal, GATE Jerman/BEW – Nepal, GATE Jerman/CITA Equador dan ATD – Pakistan, semenjak tahun 1975 lebih dari 500 unit telah dipasang dinegara ketiga tersebut.

Turbin aliran silang yang direncanakan ini dirancang dengan menggunakan rumah turbin yang sedemikian rupa dalam bentuk yang sederhana sehingga mudah diangkut dan dipasang. Pada turbin ini digunakan sebuah katup (valve) yang berbentuk khusus yang berfungsi untuk mengatur arah dan kapasitas aliran air. Menurut arah aliran airnya turbin ini dapat dibedakan atas dua jenis yaitu :

1) Turbin aliran silang jenis vertical

Dimana air dialirkan melaului pipa pesat dengan posisi vertical terhadap rumah turbin dan mendorong karangan sudu hingga roda jalan turbin berputar dan ini berlangsung secara kontinu.

Gambar 2.11 Turbin Aliran Silang Jenis Vertical. 2) Turbin aliran silang jenis horizontal

Dimana aliran air dialirkan melalui pipa pesat dalam posisi horizontal terhadap rumah turbin dan menyembur / mendorong karang sudu hingga roda jalan turbin berputar.

(39)

Gambar 2.12 Turbin Aliran Silang Jenis Horizontal

2.8 Pengertian nosel dan diffuser

Nosel dan difuser pada umumnya digunakan pada mesin jet, roket, pesawat udara dan lain-lain. Nosel adalah alat untuk meningkatkan kecepatan fluida dan menurunkan tekanan. Difuser adalah kebalikan dari nosel yaitu sebuah alat untuk menaikkan tekanan dan menurunkan kecepatan fluida. Luas penampang nosel mengecil dengan arah aliran dan sebaliknya luas penampang difuser membesar dengan arah aliran fluida. Nosel dan difuser di atas adalah untuk fluida dengan kecepatan subsonik, jika untuk kecepatan supersonik maka bentuknya merupakan kebalikannya.

Hal-hal penting yang berhubungan dengan persamaan energi untuk nosel dan difuser adalah sebagai berikut :

1) Q ≅ 0._{Rate perpindahan panas antara fluida yang melalui nosel dan difuser}

dengan lingkungan pada umumnya sangat kecil, bahkan meskipun alat tersebut tidak diisolasi. Hal tersebut disebabkan karena kecepatan fluida yang relatif cepat.

2) W = 0. Kerja untuk nosel dan difuser tidak ada, karena bentuknya hanya

(40)

3) ∆ke ≠ 0. Kecepatan yang terjadi dalam nosel dan difuser adalah sangat besar, sehingga perubahan energi kinetik tidak bisa diabaikan.

4) ∆pe ≅ 0. Pada umumnya perbedaan ketinggian ketika fluida mengalir melalui nosel dan difuser adalah kecil, sehingga perubahan energi potensial dapat diabaikan.

2.9 Posisi Penyemburan Terhadap Sumbu Roda Jalan

Telah diuraikan bahwa energi potensial air telah dirubah melalui penyembur menjadi energi kinetik pada sudu atau tenaga putar roda jalan. Daya keluaran ini sangat dipengaruhi oleh komponen – komponen kecepatan memasuki sudu – sudu, juga telah dinyatakan c1 = 2(u1/cosα1) untuk α1 = 150 harga ini tidak

jauh berubah c1 = 2,07u1 hal ini berarti saat berikutnya c1 kembali memasuki sudu

yang lain berlawanan arah, keluar dari sisi masuk kali ini sebagai w1.

Disatu sisi keadaan ini menguntungkan yaitu dapat memanfaatkan secara maksimal energi air. Disisi lain akan merugikan karena kecepatan c1

menimbulkan arus putar balik (tahanan) yang seharusnya menuju pipa lepas. Kajian ini untuk menetapkan posisi terbaik dari penyembur terhadap sumbu poros.

Posisi penyemburan terhadap sumbu roda jalan dapat dibedakan atas tiga jenis yaitu :

1) Posisi vertikal.

Sisi masuk vertikal membentuk sudut 900 dengan lantai. Dilukiskan kecepatan aliran keluar roda jalan sebagai keadaan penuh pada keadaan normal dan garis terputus – putus untuk kecepatan lebih. Kedua garis ini membentuk arus

(41)

pusar pada posisi setengah (1/2) belahan roda jalan (u1 = ½ c1). Arus pusar ini

merupakan tahanan geser antara lapisan tangensial dan sebagian lainnya menumbuk dinding setelah terbuang ke pipa lepas.

Gambar 2.13 Posisi Penyemburan Vertical 2) Posisi Horizontal.

Dari segi pengaruh komponen keceptan dari roda jalan meskipun persis berada diatas pipa lepas tetapi masih terjadi arus pusar pada dinding belakang. Pada kecepatan arus normal terjadi pula arus perlawanan dari sisi depan poros dengan meniadakan letak pipa. Di lapangan sisi masuk tertentu lebih banyak digunakan.

Gambar 2.14 Posisi Penyemburan Horizontal 3) Posisi miring.

Bedasarkan kedua kasus diatas diantara sudut miring antara 00 – 900 lukisan lapis kecepatan pada sisi masuk normal maupun pada kecepatan lebih,

(42)

kedudukan terbaik adalah membentuk 300. Pada sisi ini komponen kecepatan c1

berubah menjadi w1 dan w2. Pusaran liar tetap ada, tetapi kedudukan lapis telah

menjauhi roda turbin atau jatuh ke pipa lepas dengan tambahan gaya berat sendiri. Lebih besar dari 300 kecendrungan terjadinya arus pusar diantara roda jalan dan dinding mulai terlihat.

Gambar 2.15 Posisi Penyemburan Miring

2.10 Katup

Adapun posisi katup pada nosel turbin air aliran silang dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

(43)

2.11 Lengkung Masuk

Air aliran masuk turbin melalui pipa pesat berpenampang bulat dan adaptor, tempat perubahan penampang lingkaran menjadi persegi panjang, menjelang masuk rumah turbin. Sebelum mencapai raner turbin, sekali lagi aliran disesuaikan agar masing – masing memenuhi dengan tepat persyaratan spesifik seperti :

1) Kecepatan masuk mutlak, c0 yang benar

2) Sudut masuk mutlak, α0 yang benar

Pada gambar 2.17 terlihat penampang aliran yang berbeda – beda di sepanjang lintasannya dari pipa pesat sampai rumah turbin. Sisi pemasukan turbin melayani penyesuaian aliran aliran di akhir adaptor persegi menjadi pola aliran yang optimal di luasan masuk raner.

(44)

Gambar 2.18 Pola Aliran Masuk Turbin

Gambar 2.18 memperlihatkan pola aliran yang dimaui, dimana semua garis arus di sembarang jari – jari mempunyai kecepatan dan sudut masuk yang tepat sedemikian sehingga, berlaku ketentuan :

r cu = konstan (Literatur 6 hal 20)

Apabila ketentuan ini terpenuhi, semua garis arus akan memasuki raner di R1

dengan komponen kecepatan di arah keliling, cuo yang sama.Dan bila di akhir sisi

masuk seluruh energi tekanan telah diubah menjadi energi kinetis, maka kecepatan mutlak, c0 masing – masing garis arus menjelang R1 menyerupai

kecepatan pancar bebas.

C0 = (2gH)1/2 (Literatur 6 hal 20)

Bila cu dan c berharga tetap di sepanjang busur pemasukan dengan jari – jari R1,

maka sudut kecepatan mutlak, α0 di sisi masuk turbin juga konstan. Karena itu

lengkung garis arus idealnya berupa garis yang membentuk sudut yang konstan, antara garis singgung suatu titik pada lengkung pemasukan dengan vektor jari – jarinya ke pusat lengkung tersbut. (Gambar 2.19)

(45)

Gambar 2.19 Lengkung Pemasukan Ideal Bersudut Konstan

Satu–satunya lengkung yang mempunyai sifat istimewa seperti yang dimaksudkan adalah spiral logaritmik. Spiral logaritmik dinyatakan dengan rumus: r_φ =ekφ

k = cot k (Literatur 6 hal 20)

(k > 0) dimana :

r = jarak suatu titik pada spiral dari pusatnya e = bilangan logaritma alami = 2,7183

k = kotangen sudut antara garis singgung terhadap spiral logaritmik dengan vektor jari – jari ke pusat spiral

(46)

Gambar 2.20 Rancangan Spiral Logaritmik Pemasukan Geometri Sudu

2.12 Diameter Dan Lebar Raner

Luas pemasukan aliran adalah hasil kali lebar raner, b0, dengan panjang

busur pemasukan, L. (Gambar 2.21)

A = b0 . L (Literatur 6 hal 21)

dimana :

A = Luas penampang pipa pancar (m2) b0 = Lebar pipa pancar (m)

L = Panjang busur pemasukan (m)

L ditentukan oleh busur pemasukan, φ (0), dan diameter raner, D1 = 2.R1

° ° =

360 . . . 2R1πφ

L (Literatur 6 hal 21)

Dengan tinggi terjun tertentu, luas pemasukan tergantung kepada kebuthan debit aliran.

(47)

dimana:

Q = Debit air atau laju aliran (m3/dtk) A = Luas penampang pipa pancar (m2)

v = kecepatan aliran (m/dtk), tegak lurus terhadap luasan pemasukan Komponen kecepatan yang berarah tegak lurus terhadap luasan pemasukan adalah komponen kecepatan mutlak di arah bujur, cm. Sehingga dengan demikian maka :

Q = A . cm (Literatur 6 hal 21)

Komponen kecepatan di arah bujur ini dapat dinyatakan sebagai : cm= c . sin α (Literatur 6 hal 21)

dimana :

Q = Debit air atau laju aliran (m3/dtk) A = Luas penampang pipa pancar (m2)

cm = Komponen kecepatan mutlak di arah bujur

c = Kecepatan mutlak

α = Sudut kecepatan mutlak

Bila kecepatan pancar bebas, dengan mengabaikan kerugian tinggi terjun akibat gesekan aliran, menggantikan kecepatan mutlak, maka :

H g

c= 2. . (Literatur 7 hal 52)

dimana:

c = Kecepatan mutlak

g = Percepatan gravitasi (m/dtk2) H = Tinggi air jatuh (m)

(48)

Menggunakan hubungan tersebut diatas, debit air masuk turbin dapat dinyatakan dengan :

C A Q= .

C L b Q= ₀. .

° ° = 360 . . . 2 . 1

0 R C

Q πφ (Literatur 7 hal 52)

° ° = 360 . . . 2 . ₁

0 R C

Q πφ

° ° = 360 . . 2 . . . 2 . 1

0 R gH

Q πφ

Persamaan diatas ini memuat semua besaran yang berpengaruh terhadap debit aliran masuk turbin, yaitu :

b0 = Lebar pemasukan

R1 = Jari –jari lingakaran luar raner

φ = Sudut busur pemasukan H 1/2 = akar tinggi air jatuh netto

Juga menjadi jelas bahwa baik lebar pemasukan maupun jari – jari raner berpengaruh secara linear terhadap besar debit aliran. Dengan kata lain, suatu turbin dengan lebar pemasukan, b0 = 300 mm dan diameter raner, D = 400 mm,

mempunyai debit yang sama besar dengan turbin berdiameter, D = 300 mm dengan lebar pemasukan b0 = 400 mm. Ini menyebabkan kedua turbin bekerja

dengan tinggi terjun dan busur pemasukan bersih yang sama. Walaupun kecepatan keliling kedua turbin sama, akan tetapi karena berbeda diameter maka kecepatan masing – masing tidak sama.

(49)

(50)

BAB III

METODOLOGI PERANCANGAN

3.1 Tempat dan waktu

Perancangan turbin air ini dilakukan di Laboratorium Konversi Energi Departemen Teknik Mesin USU selama 3 bulan dan pengujian serta pengambilan data Turbin air jenis aliran silang dilaksanakan di Laboratorium Konversi Energi Departemen Teknik Mesin USU selama 1 minggu. (Des 2009 s/d Feb 2010).

Adapun perancangan yang dilakukan di laboratorium konversi energi departemen teknik mesin USU adalah sebagai berikut :

1. Mengukur dimensi dari peralatan yang akan dirancang sehingga dapat meletakkan rancangan tersebut sesuai dengan tempat yang diinginkan. 2. Melepaskan peralatan yang akan dirancang sehingga terpisah satu persatu. 3. Menggeser peralatan yang akan dirancang ke tempat yang diinginkan. 4. Menyesuaikan tata letak peralatan yang akan dirancang sehingga dapat

melakukan instalasi pipa dengan mudah.

5. Membuat pondasi pada reservoar bawah dan pompa. 6. Merancang reservoar atas yang akan menampung air.

7. Menginstalasi pemipaan yang akan digunakan pada perancangan ini. 8. Memasang alat ukur pressure gage.

(51)

Diagram Alir pengujian Turbin Air jenis aliran silang.

3.2 Bahan Dan Alat

Bahan – bahan yang digunakan dalam perancangan ini adalah : air. Adapun alat – alat yang digunakan dalam perancangan ini adalah : 1) 1 (satu) unit turbin air jenis aliran silang (cross flow)

2) 1(satu) unit generator

3) 1 (satu) unit pompa air dengan daya 5,5 kW

4) 1 (satu) unit tachometer, alat untuk mengukur putaran turbin dan generator

• Mencatat tekanan air masuk turbin air dengan Pressure Gage

• Mencatat putaran poros turbin air dengan Tachometer

• Mencatat putaran poros generator dengan Tachometer

• Mencatat tegangan keluaran generator dengan Tangmeter Menganalisa data hasil pembacaan alat ukur kemudian disesuaikan dengan perhitungan yang telah dibuat.

Mengulangi pengujian dengan cara yang sama Mulai

• Volume reservoar bawah = a m3

• Volume reservoar atas = b m3

• Tekanan udara = 1 bar

• Kecepatan aliran masuk = d m/s

• Kapasitas aliran = e m3/s

• Putaran Turbin = c rpm

• Putaran Generator = c rpm

• Tegangan = v Volt

• Beban = p Watt

(52)

5) 1 (satu) unit tangmeter, alat untuk mengukur arus dan tegangan yang dihasilkan

6) 2 (dua) unit pressure gauge, alat untuk mengukur tekanan air pada saat keluar pompa dan pada saat masuk ke turbin

7) Alat – alat bantu perbengkelan seperti : kunci pas, kunci inggris, kunci ring, kunci L, tang, obeng dsb.

3.3 Pengamatan dan Tahap Pengujian

Pada pengujian ini yang akan diamati adalah :

1) Tekanan air masuk pada turbin air, tekanan air keluar pompa.

2) Putaran poros pada turbin air, diukur dengan menggunakan alat Tachometer. 3) Putaran poros pada generator, diukur dengan menggunakan alat Tachometer. 4) Tegangan yang dihasilkan generator, diukur dengan menggunakan alat

Voltmeter

(53)

Gambar 3.2 Tachometer

(54)

Gambar 3.4 Sketsa instalasi turbin air aliran silang.

(55)

Gambar 3.5 Resevoar bawah

(56)

(57)

BAB IV

Perhitungan komponen – komponen utama turbin

4.1 Pipa Penstock

Adapun kapasitas aliran air jatuh dari reservoar atas didapat dari pengujian yaitu sebesar 0,04 m3/s. Sehingga pemilihan diameter pipa penstock dapat dilihat berdasarkan perhitungan dibawah ini.

eff

v gH

C1 = 2. . Q= A.C1

=0,3 2.9,81.12

6 , 4 040 , 0 1 = = C Q A

=4,6 m/s =0,0087 m2 Maka :

( )

4 Dpen

A=π

π π 0087 , 0 . 4 . 4 = = A Dpen

=0,1053 m = 4,15 inci (dipilih 4 inci )

4.2 Daya Turbin

Turbin adalah alat yang berfungsi mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. Daya turbin dapat dihitung berdasarkan persamaan :

t g HQ

P =ρ. . . .η (literatur 3 hal 92)

Dimana :

Q = Kapasitas Air (m3/dtk)

ρ = Massa jenis air = 1000 kg/m3 G = Percepatan gravitasi = 9,81 m/s2

(58)

H = Head efektif turbin

η = Efisiensi turbin = 0,55 (nilai yang diasumsikan) (literatur 7) Maka :

η ρ.g.H.Q.

Pt =

=1000.9,81.12.0,040.0,55 =2.589,84 W = 2,6 kW

4.3 Putaran Spesifik Turbin

Putaran spesifik adalah putaran yang diperlukan untuk menganalisa hubungan antara putaran yang dihasilkan oleh daya turbin terhadap besarnya energi potensial yang diberikan. Putaran operasi turbin = putaran operasi generator karena perbandingan pully antara turbin dengan generator = 3 :1. (literature 7 hal 71)

p f ngenerator 60 . = dimana :

f = Frekuensi (untuk Indonesia = 50)

p = Jumlah kutub = 2 (literatur 7 hal 71)

maka : 2 60 . 50 = n

=1500rpm

sehingga putaran operasi turbin menjadi :

generator t n n 3 1 =

(59)

= .1500 3 1

=500rpm

Maka putaran spesifik turbin dapat dihitung dengan mengunakan persamaan :

4 3 . 65 , 3 H Q n n_s =

4 3 12 040 , 0 500 . 65 , 3 =

=56,61 rpm

4.4 Generator

Generator berfungsi sebagai alat pengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Generator dipilih berdasarkan standarisasi yang sudah ditetapkan. Generator yang digunakan memiliki jumlah kutub 2 pasang dan putaran 1500 rpm. Pada perancangan ini daya dan putaran dari poros turbin dikopel langsung ke putaran generator, sehingga putaran turbin sama dengan putaran generator. Generator yang digunakan mempunyai faktor daya (cos ϕ) sebesar 0,85. Besarnya daya yang dihasilkan generator berdasarkan persamaan :

tr g t

g P

N = .η .η (literatur 7 hal 73) dimana :

NG = Daya generator (kVA)

Pt = Daya turbin (W)

ηG = Efisiensi generator = 0,96 ηtr = Efisiensi turbin = 0,95

(60)

maka : 95 , 0 . 96 , 0 . 6 , 2 = G N

=2,371 kVA

Jadi besar daya generator dalam satuan kW adalah dari persamaan :

=2,371.0,85 =2,016 kW

4.5 Diameter Luar Runner

Runner adalah salah satu komponen utama sebuah turbin air yang berperan dalam menghasilkan daya dari debit dan tinggi jatuh air yang bekerja padanya, dimana runner memiliki fungsi sebagai penerima kerja dari fluida dan energi yang dikandung fluida dikonversikan menjadi energi pada poros. Diameter luar runner dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

t n U D . . 60 ₁ 1 π = Dimana :

U1 = kecepatan tangensial pada sisi masuk α1 = 160 (sudut pancaran fluida masuk)

2 cos . ₁ 1 1 α C U =

Dimana C1 diperoleh dari perhitungan di atas adalah : 4,6 m/s

sehingga U1 dapat dihitung sebagai berikut :

2 16 cos . 6 , 4 1 ° = U 1

(61)

Maka diameter luar roda runner (D1) 500 . 211 , 2 . 60 1 π = D

D1 = 0,085 m = 85 mm

4.6 Kecepatan Relative Pada Sisi Masuk

Kecepatan relative pada sisi masuk dapat dihitung dari persamaan:

1 1 1 2 1 2 1

1 C U 2.U .C .cosα

W = + −

Dimana :

C1 = kecepatan absolute fluida pada sisi masuk / kecepatan fluida keluar α1 = 160(sudut pancaran fluida masuk)

U1 = kecepatan tangensial pada sisi masuk

maka :

° −

= 4,62 2,2112 2.4,6.2,211.cos16

1 W 549 , 2 1 =

W m/s

4.7 Kecepatan Relative Pada Sisi Keluar

Kecepatan relative pada sisi keluar dapat dihitung dari persamaan:

1 2

1 1

2 sinβ

    = R R W W Dimana:

R1 = jari – jari lingkaran luar runner

R2 = jari - jari lingkaran dalam runner β1 = sudut sudu sisi masuk (300)

Dari hasil yang didapat oleh teman yang megerjakan perhitungan jari – jari lingkaran dalam runner diperoleh R2 = 0,0561 m.

(62)

Maka : °      

= sin30 0561 , 0 085 , 0 549 , 2 2 W 931 , 1 2 =

W m/s

4.8Kecepatan Tangensial Pada Sisi Keluar

Kecepatan tangensial pada sisi keluar dapat dihitung dengan persamaan:

1 1 2 2 xU R R U = Maka: 211 , 2 085 , 0 0561 , 0 2 x U = 46 , 1 2 =

U m/s

4.9 Sudut Kecepatan Mutlak Sisi Keluar

Sudut kecepatan mutlak sisi keluar dapat dihitung dengan persamaan:

1 2 2 tan W W = α Maka: 549 , 2 931 , 1 tanα₂ =

758 , 0 tanα₂ =

° = ° =37,146 37,2

2 α

4.10 Kecepatan Absolut Fluida Pada Sisi Keluar

Kecepatan absolut fluida pada sisi keluar dapat dihitung dengan persamaan:

(63)

2 2 2

cosα

C =

Maka :

° =

2 , 37 cos

46 , 1

2 C

83 , 1

2 =

(64)

BAB V

PERHITUNGAN NOSEL

Nosel adalah alat untuk meningkatkan kecepatan fluida dimana luas penampang nosel mengecil sesuai dengan arah aliran. Adapun penampang samping dari nosel itu sendiri dapat di lihat pada gambar 4.1 dibawah ini.

Gambar 5.1 Penampang samping dari nosel.

Perhitungan nosel itu sendiri meliputi luasan pemancaran air yang terdiri dari : panjang busur pemasukan (L) dan lebar pipa pancar (b0). Adapun luasan

dari pemancaran air tersebut dapat dilihat dari gambar dibawah ini.

Gambar 5.2 Luasan pemancaran air pada nosel turbin air aliran silang.

5.1 Panjang Busur Pemasukan (L) dan Lebar Pipa Pancar (b0)

Panjang busur pemasukan (L) ditentukan oleh busur pemasukan, φ (0), dan diameter runner, D1 = 2.R1. Dimana dari hasil yang didapat oleh teman yang

(65)

° ° = 360 . . . 2R₁πφ L ° ° = 360 2 , 13 . . 0425 , 0 . 2 π

=0,0098 m

Lebar pipa pancar dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

° ° = 360 sin . . . 2 . . . 2 . 1

0 R πφ gH α

b Q

α φ

π. . 2. . .sin . 2 360 . 1 0 H g R Q

b = °

12 . 81 , 9 . 2 2 , 13 . . 0425 , 0 . 2 360 . 037 , 0 ° ° = π

(66)

5.2 Segitiga Kecepatan

(67)

Data – data yang diperlukan untuk menggambar segitiga kecepatan yang terjadi pada sudu – sudu turbin akibat pancaran aliran air dari nosel dapat dilihat dibawah ini. Dari data yang telah dihitung pada bab iv diperoleh :

U = 2,211 m/s

α1 = 160

549 , 2

1 =

W m/s

46 , 1

3 =U =

U m/s

83 , 1

3 =C =

C m/s

° = ° =

= 2 37,146 37,2

3 α

° = = ₂ 90

3 β β 931 , 1 2

3 =W =

W m/s

211 . 2

4 =U =

U m/s

549 , 2

4 =W =

W m/s

° =90

4 α

4 0,276C

C = 211 , 2 276 , 0 4 x C = 61 , 0 4 =

(68)

Gambar 5.4 Segitiga kecepatan.

5.3 Energi Pada Sudu – Sudu Raner Turbin

Energi yang terjadi pada sudu raner turbin akibat adanya gaya dorong dari nosel dapat dihitung sebagai berikut :

U F

Emek = u. (literatur 7 hal 86)

) (

)

( 3 ₃ ₄

2 1 1 u u u u

mek C C

g U C C g U

E = − + −

Dimana :

1 1

1 C .cosα

C_u =

16 cos . 6 , 4

1u =

422 , 4

1u =

C m/s

2 2

2 C .cosα

C u =

2 , 37 cos . 83 , 1

2u =

458 , 1

2u =

C m/s

3 3

3 C .cosα

C _u =

2 , 37 cos . 83 , 1

3u =

α2 β2

β2

C2 W2 U2 W1

U1 C1

(69)

458 , 1

3u =

C m/s

4 4

4 C .cosα

C u =

° =0,61.cos90

4u C

4u =

C m/s

Sehingga :

(

)

(

)

      ₋ ₊ ₋

= 1,458 0

81 , 9 46 , 1 458 , 1 422 , 4 81 , 9 211 , 2 2 mek E 77 , 1 = mek

(70)

BAB VI

KESIMPULAN

Pembangkit listrik tenaga air sangat tepat dikembangkan di Indonesia mengingat potensi tenaga air yang sangat besar dan masi dimanfaatkan secara maksimal.

Energi potensial air adalah merupakan salah satu energi alternatif untuk menggantikan energi konvensional (bahan bakar fosil) dan sangat bersahabat dengan lingkungan. Masalah yang menjadi hambatan dalam pembangunan sistem pembangkit listrik tenaga air adalah investasi awal yang sangat besar, sehingga investasi per kilowatt lebih tinggi dibandingkan dengan sistem pembangkit listrik yang lain. Namun apabila dibandingkan ke masa yang akan datang, pembangkit listrik tenaga air sangat mengguntungkan karena biaya operasi dan perawatan relatif kecil.

Dari hasil perhitungan yang dilakukan dalam perancangan ini dapat ditampilkan yaitu sebagai berikut:

6.1Turbin Air

• Jumlah : 1

• Jenis turbin : Turbin aliran silang (cross flow)

• Daya turbin : 2,6 kW

• Putaran operasi turbin : 500 rpm

• Putaran spesifik turbin : 56,61 rpm

• Tinggi jatuh air : 12 m

• Kapasitas aliran turbin : 0,040 m3/dtk

(71)

• Jenis rumah turbin : Tipe tertutup

6.2Generator

• Daya generator : 2,371 kVA

• Putaran generator : 500 rpm

• Frekuensi : 50 Hz

• Jumlah kutup : 2 pasang

• Cosφ : 0,85

6.3Pipa penstock

• Panjang : 12 m

• Diameter : 0,1016 m

6.4Sudu jalan (raner)

• Diameter dalam roda runner : 0,0561 m

• Diameter luar roda runner : 0,085 m

6.5Perhitungan Nosel

• Panjang Busur Pemasukan : 0,0098 m

(72)

DAFTAR PUSTAKA

1) Steeter LV dan Wylie B,”Mekanika Fluida”, edisi ke-8, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1993.

2) Sularso.K.Suga,”Elemen Mesin”, PT Pradya Parahita, Jakarta, 1983.

3) Victor, L.Steeter and Benjamin Wylie,”Mekanika Fluida”, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1993.

4) Warnick, C.C,”Hydropower Engineering”, Prentice Hall, Inc, New York, 1984.

5) M. Edy Sunarto, Alex Arter, Ueli Meler, “Pedoman Rekayasa Tenaga Air”, Jakarta, 1991.

6) Ir. Sularso,”Pompa Dan Kompressor”, Cetakan ketiga, PT. Pradya Paramita, Jakarta, 1987.

7) Dietzel Fritz, “Turbin Pompa dan Kompresor”, Cetakan Ke-Lima, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1996.

8) http://www.google.co.id/url?sa=t&source=web&ct=res&cd=1&ved=0CAYQF jAA&url=http%3A%2F%2Fagungchynta.files.wordpress.com%2F2007%2F0

3%2Fpemanfaatan-tenaga-air.doc&rct=j&q=pemanfaatan+tenaga+air&ei=gMapS6WNG8qxrAe07Mj7A Q&usg=AFQjCNF5DnQnzg5PwxfbKdcqRLIQkWPvMA

(73)

(74)

(1)

458 , 1

3u =

C m/s

4 4

4 C .cosα

C u =

° =0,61.cos90

C 0

4u =

C m/s

Sehingga :

(

)

(

)

      ₋ ₊ ₋

= 1,458 0

81 , 9 46 , 1 458 , 1 422 , 4 81 , 9 211 , 2 2 mek E 77 , 1 = mek

(2)

BAB VI

KESIMPULAN

Pembangkit listrik tenaga air sangat tepat dikembangkan di Indonesia mengingat potensi tenaga air yang sangat besar dan masi dimanfaatkan secara maksimal.

Dari hasil perhitungan yang dilakukan dalam perancangan ini dapat ditampilkan yaitu sebagai berikut:

6.1Turbin Air

• Jumlah : 1

• Jenis turbin : Turbin aliran silang (cross flow) • Daya turbin : 2,6 kW

(3)

• Jenis rumah turbin : Tipe tertutup

6.2Generator

• Daya generator : 2,371 kVA • Putaran generator : 500 rpm • Frekuensi : 50 Hz • Jumlah kutup : 2 pasang • Cosφ : 0,85

6.3Pipa penstock

• Panjang : 12 m

• Diameter : 0,1016 m

6.4Sudu jalan (raner)

• Diameter dalam roda runner : 0,0561 m • Diameter luar roda runner : 0,085 m

6.5Perhitungan Nosel

• Panjang Busur Pemasukan : 0,0098 m • Lebar Pipa Pancar : 0,246 m