Uji Performansi Turbin Vortex Menggunakan Variasi Dimensi Sudu 2 Dan 3 Dan Luas Saluran Buang Serta Ketinggian Dari Dasar Casing

UJI PERFORMANSI TURBIN VORTEX MENGGUNAKAN VARIASI

DIMENSI SUDU 2 DAN 3 DAN

LUAS SALURAN BUANG SERTA KETINGGIAN DARI DASAR

CASING

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

FERDY J. MARPAUNG

NIM. 080401096

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

ABSTRAK

Turbin vortex adalah turbin yang memanfaatkan pusaran air sebagai penggerak sudu turbin dengan head yang rendah dan bisa digunakan pada aliran sungai.Pada

penelitian ini digunakan 2 dimensi sudu yang berbeda dengan bentuk casing lingkaran dan memiliki 3 variasi saluran buang dan ketinggian poros dari dasar casing.Penelitian ini dilakukan dengan memanfaatkan pompa sebagai sirkulator air dan menggunakan talang sebagai saluran masuk rumah turbin.Langkah-langkah yang dilakukan dalam penelitian ini meliputi perancangan, pembuatan turbin vortex, dan pengujian torsi turbin.Hasil penelitian menunjukkan bahwa sudu 3,yaitu dengan dimensi tinggi 78,3 cm dan lebar 13,5 cm memiliki efisiensi lebih tinggi dibandingkan dengan sudu yang lainnya dengan menggunakan diameter saluran buang 7cm ketinggian 0,1 cm dari dasar casing.

Kata kunci : Turbin vortex,variasi dimensi sudu,variasi saluran buang,variasi ketinggian dari dasar casing

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kehadiran Tuhan Yang Maha Esa karena atas berkat dan karunia-Nya penulis akhirnya dapat menyelesaikan skripsi ini dengan judul

“

UJI PERFORMANSI TURBIN VORTEX MENGGUNAKAN VARIASI

DIMENSI SUDU 2 DAN 3 DAN LUAS SALURAN BUANG SERTA

KETINGGIAN DARI DASAR CASING

”.

Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan pendidikan Strata-1 ( S1 ) pada Departemen Teknik Mesin,Fakultas Teknik,Universitas Sumatera Utara.

Dalam menyelesaikan skripsi ini dipenuhi kisah-kisah yang penuh perjuangan, semangat dan duka yang membuat penulis terkadang merasa stress.Namun berkat dorongan semangat,bantuan,dan doa akhirnya penulis dapat menyeleaikan skripsi ini.Oleh karena itu dengan penuh ketulusan hati penulis mengucapkan terima kasih kepada :

1. Bapak M.Syahril Gultom MT selaku dosen pembimbing,yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.

2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

3. Bapak Ir.A.Halim Nasution,MSc selaku dosen pembanding yang memberikan masukan untuk kesempurnaan skripsi ini.

4. Bapak Drs.A.Zulkifli Lubis,MSc selaku dosen pembanding yang memberikan masukan untuk kesempurnaan skripsi ini.

5. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin yang telah berjasa membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama kuliah. 6. Ibunda dan nenek tercinta yang selalu sabar memberi dukungan kepada penulis

dengan penuh kasih sayang.

7. Namboru dan amangboru saya yang memberikan dukungan tak terhingga kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan skripsi ini.

mencintai penulis sehingga dapat menyelesaikan skripsi ini.

9. Richo Ronald marpaung,dessy merryani marpaung,paul clinton marpaung dan jupendri surya marpaung selaku saudara penulis yang selalu memberikan dukungan semangat.

10. Rekan satu tim kerja penulis, Saudara vey sihombing,Faisal hajj dan Irham yang telah bersama-sama berjuang untuk menyelesaikan skripsi ini.

11. Teman-teman seperjuangan stambuk 08,yang sudah atau belum sarjana dan adik junior yang telah membantu dan mendukung pelaksanaan skripsi ini. Penulis menyadari bahwa mungkin ada beberapa kesalahan dan kekeliruan dalam penulisan skripsi ini.Oleh karena itu penulis akan sangat berterima kasih dan dengan senang hati menerima kritik dan saran yang membangun untuk memperbaiki skripsi ini.Semoga skripsi ini dapat memberi manfaat kepada pembaca.Akhir kata penulis mengucapkan banyak terimakasih.

Medan, September 2013

DAFTAR ISI

ABSTRAK...i

KATA PENGANTAR...ii

DAFTAR ISI...iv

DAFTAR TABEL...ix

DAFTAR GAMBAR...xi

DAFTAR SIMBOL...xiii

AKSARA YUNANI...xiv

BAB I PENDAHULUAN...1

1.1. Latar Belakang...1

1.2. Tujuan Penelitian...2

1.3. Manfaat Penelitian...2

1.4. Batasan Masalah...2

1.5. Metodologi Penelitian...3

1.6. Sistematika Penulisan...3

BABII TINJAUAN PUSTAKA...5

2.1. Fluida...5

2.2. Hukum Bernoulli...7

2.2.1. Aliran tak termampatkan...7

2.2.2.Aliran termampatkan...8

2.3. Aliran Vortex...8

2.3.1.Aliran vortex Bebas...11

2.3.2. Aliran Vortex Paksa...13

2.3.3. Aliran Vortex kombinasi...14

2.4. Turbin Air...15

2.4.1. Turbin Reaksi...15

2.4.2. Turbin Impuls...17

2.5.1. Berdasarkan Tinggi Tekan ( head )...19

2.5.2. Berdasarkan Kecepatan Spesifik...20

2.6. Performansi dan Efisiensi Turbin...20

BAB III METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN...22

3.1 Umum...22

3.2 Rancang Bangun Instalasi...23

3.3 Pengujian Turbin Vortex...26

3.4 Peralatan Pengujian...27

3.4.1. Hand Tachometer...27

3.4.2. Timbangan Pegas...28

3.4.3. Pulley...29

3.4.4. Flow Meter...29

3.4.5. Pompa Pengumpan...30

3.5. Pelaksanaan Pengujian...31

BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA...34

4.1 Perhitungan efisiensi turbin vortex dengan menggunakan sudu 2 pada diameter saluran buang 5,5 cm (bukaan katup 30°, 60°, dan 90°) dengan ketinggian 0,1 cm dari dasar casing...34

4.1.1. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 30°...35

4.1.2. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 60°...36

4.1.3. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 90°...37

4.2 Perhitungan efisiensi turbin vortex dengan menggunakan sudu 2 pada diameter saluran buang 6 cm (bukaan katup 30°, 60°, dan 90°) dengan ketinggian 0,1 cm dari dasar casing...39

4.2.1. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 30°...39

4.2.2. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 60°...40

4.2.3. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 90°...41

4.3. Perhitungan efisiensi turbin vortex dengan menggunakan sudu 2 pada diameter saluran buang 7 cm (bukaan katup 30°, 60°, dan 90°) dengan ketinggian 0,1 cm dari dasar casing...42

4.3.1. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 30°...42

4.3.2. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 60°...43

4.3.3. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 90°...44

4.4 Perhitungan efisiensi turbin vortex dengan menggunakan sudu 3 pada diameter saluran buang 5,5 cm (bukaan katup 30°, 60°, dan 90°) dengan ketinggian 0,1 cm dari dasar casing...45

4.4.1. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 30°...45

4.4.2. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 6046 4.4.3. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 90°...47

4.5 Perhitungan efisiensi turbin vortex dengan menggunakan sudu 3 pada diameter saluran buang 6 cm (bukaan katup 30°, 60°, dan 90°) dengan ketinggian 0,1 cm dari dasar casing...48

4.5.1. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 30°...48

4.5.2. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 60°...49

4.5.3. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 90°...50

4.6. Perhitungan efisiensi turbin vortex dengan menggunakan sudu 3 pada diameter saluran buang 7 cm (bukaan katup 30°, 60°, dan 90°) dengan ketinggian 0,1 cm dari dasar casing...51

4.6.1. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 30°...51

4.6.2. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 60°...52

4.6.3. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 90°...53

4.7 Segitiga kecepatan pada turbin vortex...54

4.8 Grafik perbandingan hasil pengujian turbin vortex menggunakan sudu 2, saluran buang 5,5 cm pada bukaan katup 30°, 60° dan 90° dengan ketinggian 0,1 cm dari dasar casing...59

4.8.1.Perbandingan efisiensi turbin dengan torsi...59

4.8.2. Perbandingan putaran turbin dengan torsi...60

4.8.3. Perbandingan putaran dengan daya turbin...61

4.9 Grafik perbandingan hasil pengujian turbin vortex menggunakan sudu 2, saluran buang 6 cm pada bukaan katup 30°, 60° dan 90° dengan ketinggian 0,1 cm dari dasar casing...62

4.9.1.Perbandingan efisiensi turbin dengan torsi...62

4.9.2. Perbandingan putaran turbin dengan torsi...63

4.9.3. Perbandingan putaran dengan daya turbin...64

4.10 Grafik perbandingan hasil pengujian turbin vortex menggunakan sudu 2, saluran buang 7 cm pada bukaan katup 30°, 60° dan 90° dengan ketinggian 0,1 cm dari dasar casing...65

4.10.1.Perbandingan efisiensi turbin dengan torsi...65

4.10.2. Perbandingan putaran turbin dengan torsi...66

4.10.3. Perbandingan putaran dengan daya turbin...67

4.11 Grafik perbandingan hasil pengujian turbin vortex menggunakan sudu 3, saluran buang 5,5 cm pada bukaan katup 30°, 60° dan 90° dengan ketinggian 0,1 cm dari dasar casing...68

4.11.1.Perbandingan efisiensi turbin dengan torsi...68

4.11.2. Perbandingan putaran turbin dengan torsi...69

4.11.3. Perbandingan putaran dengan daya turbin...70

4.12 Grafik perbandingan hasil pengujian turbin vortex menggunakan sudu 3, saluran buang 6 cm pada bukaan katup 30°, 60° dan 90° dengan ketinggian 0,1 cm dari dasar casing...71

4.12.1.Perbandingan efisiensi turbin dengan torsi...71

4.12.2. Perbandingan putaran turbin dengan torsi...72

4.12.3. Perbandingan putaran dengan daya turbin...73

4.13 Grafik perbandingan hasil pengujian turbin vortex menggunakan sudu 3, saluran buang 7 cm pada bukaan katup 30°, 60° dan 90° dengan ketinggian 0,1 cm dari dasar casing...74

4.13.1.Perbandingan efisiensi turbin dengan torsi...74

4.13.2. Perbandingan putaran turbin dengan torsi...75

4.13.3. Perbandingan putaran dengan daya turbin...76

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN...77

5.1. Kesimpulan...77

DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Jenis Turbin Berdasarkan Kecepatan Spesifik...20 Tabel 4.1 Nilai debit air dan kecepatan air pada bukaan katup 30°,60°, dan 90°...35 Tabel 4.2 Nilai laju aliran massa pada bukaan katup 30°, 60°, dan 90°...35 Tabel 4.3 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 2 pada bukaan 30° ,diameter

saluran buang 5,5 cm,dan ketinggian 0,1 cm…...36

Tabel 4.4 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 2 pada bukaan 60° , diameter saluran buang 5,5 cm,dan ketinggian 0,1 cm…………...37 Tabel 4.5 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 2 pada bukaan 90° , diameter

saluran buang 5,5 cm,dan ketinggian 0,1 cm...38 Tabel 4.6 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 2 pada bukaan 30°, diameter

saluran buang 6 cm, dan ketinggian 0,1 cm...39 Tabel 4.7 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 2 pada bukaan 60°, diameter

saluran buang 6 cm, dan ketinggian 0,1 cm...40 Tabel 4.8 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 2 pada bukaan 90°, diameter

saluran buang 6 cm, dan ketinggian 0,1 cm…...41 Tabel 4.9 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 2 pada bukaan 30°,diameter

saluran buang 7 cm, dan ketinggian 0,1 cm...43 Tabel 4.10 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 2 pada bukaan 60°,diameter

saluran buang 7 cm, dan ketinggian 0,1 cm...44 Tabel 4.11 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 2 pada bukaan 90°,

diameter saluran buang 7 cm, dan ketinggian 0,1 cm...45 Tabel 4.12 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 3 pada bukaan 30°,diameter

saluran buang 5,5 cm dan ketinggian 0,1 cm.…………...….46 Tabel 4.13 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 3 pada bukaan 60°,diameter

saluran buang 5,5 cm dan ketinggian 0,1 cm...47 Tabel 4.14 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 3 pada bukaan 90°,diameter

saluran buang 5,5 cm dan ketinggian 0,1 cm...48 Tabel 4.15 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 3 pada bukaan 30°,diameter

saluran buang 6 cm dan ketinggian 0,1 cm...49 Tabel 4.16 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 3 pada bukaan 60°,diameter

Tabel 4.17 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 3 pada bukaan 90°,diameter saluran buang 6 cm dan ketinggian 0,1 cm...51 Tabel 4.18 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 3 pada bukaan 30°,diameter

saluran buang 7 cm dan ketinggian 0,1 cm...52 Tabel 4.19 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 3 pada bukaan 60°,diameter

saluran buang 7 cm dan ketinggian 0,1 cm...53 Tabel 4.20 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 3 pada bukaan 90°,diameter

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Pusaran air...9

Gambar 2.2 Pola garis arus untuk sebuah vortex...10

Gambar 2.3 Gerakan elemen fluida dari A ke B : vortex bebas...11

Gambar 2.4 Gerakan elemen fluida dari A ke B : Vortex paksa...13

Gambar 2.5 Turbin Francis...16

Gambar 2.6 Turbin Kaplan...16

Gambar 2.7 Turbin Vortex...17

Gambar 2.8 Turbin Pelton...18

Gambar 2.9 Turbin Crossflow...19

Gambar 3.1 Poros turbin...23

Gambar 3.2 Sudu turbin...24

Gambar 3.3 Dudukan turbin...24

Gambar 3.4 Rumah turbin...25

Gambar 3.5 Saluran buang...25

Gambar 3.6 Instalasi Turbin Vortex...26

Gambar 3.7 Sudu dan poros turbin vortex sebelum dirakit...27

Gambar 3.8 Turbin vortex setelah dirakit...27

Gambar 3.9 Hand Tachometer...28

Gambar 3.10 Timbangan Pegas...28

Gambar 3.11 Pulley...29

Gambar 3.12 Flow meter...30

Gambar 3.13 Pompa Pengumpan...30

Gambar 4.1 Segitiga kecepatan turbin vortex...54

Gambar 4.2 Segitiga kecepatan pada sisi keluar...57

Gambar 4.3 Grafik Efisiensi vs Torsi menggunakan sudu 2 pada bukaan 30°, 60° dan 90° saluran buang 5,5 cm dengan ketinggian 0,1 cm...59

Gambar 4.4 Grafik Putaran vs Torsi menggunakan sudu 2 pada bukaan 30°, 60° dan 90° saluran buang 5,5 cm dengan ketinggian 0,1 cm...60

Gambar 4.5 Grafik Putaran Turbin vs Daya Turbin menggunakan sudu 2 pada bukaan 30°, 60° dan 90° saluran buang 5,5 cm dengan ketinggian 0,1 cm...61 Gambar 4.6 Grafik Efisiensi vs Torsi menggunakan sudu 2 pada bukaan 30°, 60°

dan 90° saluran buang 6 cm dengan ketinggian 0,1 cm...62 Gambar 4.7 Grafik Putaran vs Torsi menggunakan sudu 2 pada bukaan 30°, 60° dan 90°

saluran buang 6 cm dengan ketinggian 0,1 cm...63 Gambar 4.8 Grafik Putaran Turbin vs Daya Turbin menggunakan sudu 2 pada

bukaan 30°, 60° dan 90° saluran buang 6 cm dengan ketinggian 0,1 cm...64 Gambar 4.9 Grafik Efisiensi vs Torsi menggunakan sudu 2 pada bukaan 30°, 60° dan 90°

saluran buang 7 cm dengan ketinggian 0,1 cm...65 Gambar 4.10 Grafik Putaran vs Torsi menggunakan sudu 2 pada bukaan 30°, 60° dan 90°

saluran buang 7 cm dengan ketinggian 0,1 cm...66 Gambar 4.11 Grafik Putaran Turbin vs Daya Turbin menggunakan sudu 2 pada bukaan

30°, 60° dan 90° saluran buang 7 cm dengan ketinggian 0,1 cm...67 Gambar 4.12 Grafik Efisiensi vs Torsi menggunakan sudu 3 pada bukaan 30°, 60°

dan 90° saluran buang 5,5 cm dengan ketinggian 0,1 cm...68 Gambar 4.13 Grafik Putaran vs Torsi menggunakan sudu 3 pada bukaan 30°, 60°

dan 90° saluran buang 5,5 cm dengan ketinggian 0,1 cm...69 Gambar 4.14 Grafik Putaran Turbin vs Daya Turbin menggunakan sudu 3 pada bukaan

30°, 60° dan 90° saluran buang 5,5 cm dengan ketinggian 0,1 cm...70 Gambar 4.15 Grafik Efisiensi vs Torsi menggunakan sudu 3 pada bukaan 30°, 60°

dan 90° saluran buang 6 cm dengan ketinggian 0,1 cm...71 Gambar 4.16 Grafik Putaran vs Torsi menggunakan sudu 3 pada bukaan 30°, 60°

dan 90° saluran buang 6 cm dengan ketinggian 0,1 cm...72 Gambar 4.17 Grafik Putaran Turbin vs Daya Turbin menggunakan sudu 3 pada bukaan

30°, 60° dan 90° saluran buang 6 cm dengan ketinggian 0,1 cm...73 Gambar 4.18 Grafik Efisiensi vs Torsi menggunakan sudu 3 pada bukaan 30°, 60°

dan 90° saluran buang 7 cm dengan ketinggian 0,1 cm...74 Gambar 4.19 Grafik Putaran vs Torsi menggunakan sudu 3 pada bukaan 30°, 60°

dan 90° saluran buang 7 cm dengan ketinggian 0,1 cm...75 Gambar 4.20 Grafik Putaran Turbin vs Daya Turbin menggunakan sudu 3 pada bukaan

DAFTAR SIMBOL

SIMBOL

ARTI

SATUAN

m Massa kg

g Gravitasi

v Kecepatan

Q Debit aliran

A Luas penampang m³

ṁ Laju aliran massa

n Putaran turbin rpm l Panjang lengan m

Daya turbin watt

Daya air watt

T Torsi Nm

r Jari – jari partikel fluida m h Tinggi air jatuh m

AKSARA YUNANI

LAMBANG ARTI

SATUAN

Efisiensi turbin

%

ρ Massa jenis air

Kecepatan sudut rad/s

ABSTRAK

Turbin vortex adalah turbin yang memanfaatkan pusaran air sebagai penggerak sudu turbin dengan head yang rendah dan bisa digunakan pada aliran sungai.Pada

penelitian ini digunakan 2 dimensi sudu yang berbeda dengan bentuk casing lingkaran dan memiliki 3 variasi saluran buang dan ketinggian poros dari dasar casing.Penelitian ini dilakukan dengan memanfaatkan pompa sebagai sirkulator air dan menggunakan talang sebagai saluran masuk rumah turbin.Langkah-langkah yang dilakukan dalam penelitian ini meliputi perancangan, pembuatan turbin vortex, dan pengujian torsi turbin.Hasil penelitian menunjukkan bahwa sudu 3,yaitu dengan dimensi tinggi 78,3 cm dan lebar 13,5 cm memiliki efisiensi lebih tinggi dibandingkan dengan sudu yang lainnya dengan menggunakan diameter saluran buang 7cm ketinggian 0,1 cm dari dasar casing.

Kata kunci : Turbin vortex,variasi dimensi sudu,variasi saluran buang,variasi ketinggian dari dasar casing

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Saat ini penggunaan energi yang paling banyak digunakan di dunia adalah sumber energi fosil. Penggunaan energi tersebut secara terus menerus yang mengarah pada krisis energi membuat banyak orang untuk mencari sumber energi alternatif. Salah satu sumber energi yang saat ini sedang banyak dilakukan penelitian adalah arus air. Alih fungsi turbin angin menjadi turbin air perlu dilakukan studi lebih lanjut tentangnya. Massa jenis air yang hampir 1000 kali lipat massa jenis udara menyebabkan gaya dan torsi yang mempengaruhi turbin semakin besar.

Pembangkit listrik tenaga air saat ini menjadi salah satu pilihan dalam memanfaatkan sumber energi terbarukan. Namun pemanfaatan yang ada masih menggunakan teknologi yang sedehana. Pembangkit Listrik jenis ini dalam proses pembuatannya sangat ekonomis namun masih dalam skala kecil. Artinya pembangkit-pembangkit ini hanya mampu mencukupi pemakaian energi listrik untuk sejumlah rumah saja. Jenis Pembangkit Listrik Tenaga Air ini sering disebut Microhydro atau sering juga disebut Picohydro tergantung keluaran daya listrik yang dihasilkan.

Microhydro ataupun Picohydro yang dibuat biasanya memanfaatkan air terjun dengan head jatuh yang besar. Sedangkan untuk aliran sungai dengan head jatuh yang kecil belum termanfaatkan dengan optimal. Hal ini menjadi referensi untuk memanfaatkan aliran sungai dengan mengubahnya menjadi aliran vortex.

Seorang Peneliti dari Jerman Viktor Schauberger mengembangkan teknologi aliran vortex (pusaran) untuk diterapkan pada pemodelan turbin air. Aliran vortex yang juga dikenal sebagai aliran pulsating atau pusaran dapat terjadi pada suatu fluida yang mengalir dalam suatu saluran yang mengalami perubahan mendadak. Fenomena aliran vortex sering kali dijumpai pada pemodelan sayap pesawat, aliran vortex cenderung dianggap sebagai suatu kerugian dalam suatu aliran fluida. Dalam penelitiannya Viktor Schauberger, memanfaatkan aliran irigasi yang kemudian diubah menjadi aliran vortex (pusaran), yang kemudian dimanfaatkan untuk menggerakkan sudu turbin. Dari penelitian ini didapatkan efisiensi sebesar 75 % dengan tinggi air jatuh 0,7 m. Namun pada penelitiannya Viktor Schauberger tidak menjelaskan pengaruh luas sudu turbin. Bertolak dari kondisi tersebut di atas maka

penyusun melakukan penelitian untuk melihat pengaruh luas sudu turbin terhadap performansi turbin.

1.2. Tujuan Penelitian

Tujuan dari pelaksanaan dan penulisan laporan tugas akhir ini adalah untuk mengetahui pengaruh luas sudu, luas saluran buang dan ketinggian poros dari dasar casing terhadap:

1. Torsi dan putaran poros maksimum yang dihasilkan turbin. 2. Daya optimal turbin yang dihasilkan.

3. Efisiensi turbin.

1.3. Manfaat Penelitian

Adapun manfaat dari penelitian ini adalah :

1. Mengetahui bahwa turbin vortex dapat dioperasikan pada sungai dengan head yang rendah.

2. Mengetahui bahwa pembuatan turbin vortex lebih sederhana dibandingkan dengan turbin reaksi lainnya.

1.4. Batasan Masalah

Dalam penulisan laporan tugas akhir ini ada beberapa batasan masalah yang diberikan agar penelitian ini lebih terarah, yaitu:

1. Pengamatan kinerja turbin dianalisa terhadap aliran vortex. 2. Tipe sudu yang digunakan adalah lengkung.

3. Penentuan dimensi sudu turbin,yaitu sudu 2 memiliki tinggi 78,3 cm dan lebar 23,2 cm sedangkan sudu 3 memiliki tinggi 78,3 cm dan lebar 13,5 cm. 4. Jumlah blade yang digunakan adalah 4 buah.

5. Saluran buang yang digunakan adalah berdiameter 5,5 cm,6 cm dan 7 cm. 6. Ketinggian poros dari dasar casing adalah 0,1 cm, 1,1 cm, 2,1 cm dan 3,1 cm.

1.5. Metodologi Penelitian

Adapun metode pengumpulan data dalam skripsi ini adalah sebagai berikut: 1. Perancangan variasi perbandingan

Penggunaan variasi dimensi sudu,yaitu sudu 1,2 dan 3.

Sudu 1 memiliki tinggi 78,3 cm dan lebar 27,5 cm.Adapun dasar penentuan dimensi sudu 1 adalah penyesuaian antara jarak dari titik tengah poros terhadap aliran air masuk,diambil jarak yang maksimal dan dijadikan sebagai lebar sudu.Sudu 2 memiliki tinggi 78,3 cm dan lebar 23,2 cm.Adapun dasar penentuan dimensi sudu 2 adalah penyesuaian terhadap dimensi sudu 1 dan 3.Sedangkan sudu 3 memiliki tinggi 78,3 cm dan lebar 13,5 cm.Adapun dasar penentuan dimensi sudu 3 adalah penyesuaian terhadap ukuran pusaran air terbesar.

Penggunaan variasi saluran buang berdiameter 5,5 cm, 6 cm dan 7 cm didasarkan pada tinggi fluida dalam rumah turbin.Penggunaan saluran buang berdiameter lebih kecil dan lebih besar dari variabel di atas mengakibatkan ketidaksesuaian antara aliran masuk dan keluar yang mengakibatkan kerugian dalam percobaan.

Penggunaan variasi ketinggian 0,1cm, 1,1cm, 2,1cm dan 3,1cm dari dasar casing didasarkan pada titik terendah poros sebelum mengenai dasar casing,yaitu 0,1 cm dan kemudian diambil 3 ukuran berikutnya untuk mengetahui pengaruhnya terhadap prestasi turbin.

Penggunaan bukaan katup 30˚, 60˚ dan 90˚ didasarkan pada perbandingan

kapasitas tiap bukaan terhadap kecepatan aliran yang mempengaruhi prestasi turbin. 2. Pengujian

Pengujian dilakukan untuk memperoleh data yang dibutuhkan untuk diolah,sehingga didapat hasil dan kesimpulan untuk prestasi turbin.

3. Studi Pustaka

a. Membaca dan mempelajari buku-buku literatur untuk dapat mengetahui dasar teori yang berhubungan dengan permasalahan yang dibahas.

b. Melakukan diskusi dengan dosen pembimbing dan sesama mahasiswa. 1.6. Sistematika Penulisan

Agar penyusunan skripsi ini dapat tersusun secara sistematis dan mempermudah pembaca memahami tulisan ini, maka skripsi ini dibagi dalam beberapa bagian, yaitu:

BAB I : PENDAHULUAN

Bab ini menjelaskan pendahuluan tentang studi kasus dan pemecahan masalah yang berisi antara lain : latar belakang, tujuan penelitian, manfaat penelitian, batasan masalah dan sistematika penulisan.

BAB II : TINJAUAN PUSTAKA

Bab ini berisi tentang dasar teori dari topik yang dikaji dan digunakan sebagai landasan dalam memecahkan masalah dan menganalisis permasalahan tersebut meliputi penjelasan mengenai Fluida, Hukum Bernoulli, Aliran vortex, Turbin air, Klasifikasi Turbin air dan performansi dan efisiensi.

BAB III : METODOLOGI PENELITIAN

Bab ini berisi tentang beberapa tahapan persiapan sebelum pengujian, prosedur pengujian, dan diagram alir pengujian.

BAB IV : PENGOLAHAN DATA DAN ANALISA DATA

Bab ini berisi tentang pembahasan dari data-data yang diperoleh yakni analisa torsi turbin, daya turbin dan efisiensi turbin.

BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN

Bab ini berisi tentang kesimpulan dari hasil analisa dan saran untuk penyempurnaan hasil penelitian untuk penelitian berikutnya.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Fluida

Fluida diartikan sebagai suatu zat yang dapat mengalir. Istilah fluida mencakup zat cair dan gas karena zat cair seperti air atau zat gas seperti udara dapat mengalir. Semua zat cair itu dapat dikelompokan ke dalam fluida karena sifatnya yang dapat mengalir dari satu tempat ke tempat yang lain. Selain zat cair, zat gas juga termasuk fluida. Zat gas juga dapat mengalir dari satu tempat ke tempat lain. Hembusan angin merupakan contoh udara yang berpindah dari satu tempat ke tempat lain.

Fluida dibagi menjadi dua bagian yakni fluida statis (fluida diam) dan fluida dinamis (fluida bergerak). Fluida statis ditinjau ketika fluida yang sedang diam atau berada dalam keadaan setimbang. Fluida dinamis ditinjau ketika fluida sedang dalam keadaan bergerak. Fluida statis erat kaitannya dengan hidraustatika dan tekanan. Hidraustatika merupakan ilmu yang mempelajari tentang gaya maupun tekanan di dalam zat cair yang diam. Sedangkan tekanan didefinisikan sebagai gaya normal per satuan luas permukaan. Setiap fluida selalu memberikan tekanan pada semua benda yang bersentuhan dengannya. Air yang dimasukan ke dalam gelas akan memberikan tekanan pada dinding gelas. Demikian juga seseorang yang mandi dalam kolam renang atau air laut, air kolam atau air laut tersebut juga memberikan tekanan pada seluruh tubuh orang tersebut. Tekanan total air pada kedalaman tertentu, misalnya tekanan air laut pada kedalaman 200 meter merupakan jumlah tekanan atmosfer yang menekan permukaan air laut dan tekanan terukur pada kedalaman 200 meter. Jadi, selain lapisan bagian atas air menekan lapisan air yang ada di bawahnya, terdapat juga atmosfer (udara) yang menekan permukaan air laut tersebut. Tekanan yang ditimbulkan oleh lapisan fluida yang ada di atas dapat dikatakan sebagai tekanan dalam karena tekanan itu sendiri berasal dari dalam fluida sedangkan tekanan atmosfer dapat kita katakan tekanan luar karena atmosfer terpisah dari fluida. Tekanan atmosfer (dalam kasus ini merupakan tekanan luar) bekerja pada seluruh permukaan fluida dan tekanan tersebut disalurkan pada seluruh bagian fluida. Oleh karena itu, tekanan total fluida pada kedalaman tertentu selain disebabkan oleh tekanan lapisan fluida pada bagian atas, juga dipengaruhi oleh tekanan luar.

Air yang mengalir memiliki energi kinetik,yang berhubungan dengan massa dan kecepatan aliran.Sehingga energi kinetik air dapat dihitung dengan rumus.

E. Kinetik air =

( Sumber : Ir.Marthen Kanginan,2002 ) Dimana :

m = Massa air ( kg ) v = Kecepatan air ( m/s )

Karena laju aliran massa air dapat dihitung dengan rumus : ṁ = ρ . Q

( Sumber : Coulson,1986 ) Dimana :

ṁ = Laju aliran massa ( kg/s )

ρ = Rapat massa fluida ( kg/m³ ) Q = Kapasitas aliran ( m³/s )

Maka energi kinetik air bisa dirumuskan menjadi: =

Dimana :

ρ = Massa jenis air ( kg/ m3 ₎

Q = Debit air ( m3 _{/s )}

v = Kecepatan aliran air ( m/s )

2.2. Hukum Bernoulli

Prinsip Bernoulli adalah sebuah istilah di dalam mekanika fluida yang menyatakan bahwa pada suatu aliran fluida, peningkatan pada kecepatan fluida akan menimbulkan penurunan tekanan pada aliran tersebut. Prinsip ini sebenarnya merupakan penyederhanaan dari Persamaan Bernoulli yang menyatakan bahwa jumlah energi pada suatu titik di dalam suatu aliran tertutup sama besarnya dengan jumlah energi di titik lain pada jalur aliran yang sama.

Persamaan Kontinuitas : Q = V . A

Dimana :

Q = Debit aliran ( m³/s ) V = Kecepatan aliran ( m/s ) A = Luas penampang pipa ( m² )

Dalam bentuknya yang sudah disederhanakan, secara umum terdapat dua bentuk persamaan Bernoulli, yang pertama berlaku untuk aliran tak-termampatkan (incompressible flow), dan yang lain adalah untuk fluida termampatkan (compressible flow).

2.2.1 Aliran tak termampatkan

Aliran tak-termampatkan adalah aliran fluida yang dicirikan dengan tidak berubahnya besaran kerapatan massa (densitas) dari fluida di sepanjang aliran tersebut. Contoh fluida tak-termampatkan adalah: air, berbagai jenis minyak, emulsi, dll. Bentuk Persamaan Bernoulli untuk aliran tak-termampatkan adalah sebagai berikut:

( Sumber : Bruce Munson,2005 ) Di mana :

v = kecepatan fluida

g = percepatan gravitasi bumi

h = ketinggian relatif terhadap suatu referensi P = tekanan fluida

ρ = densitas fluida

Persamaan di atas berlaku untuk aliran tak termampatkan dengan asumsi-asumsi sebagai berikut:

a. Aliran bersifat tunak (steady state) b. Tidak terdapat gesekan (inviscid)

Dalam bentuk lain, Persamaan Bernoulli dapat dituliskan sebagai berikut:

2.2.2 Aliran Termampatkan

Aliran termampatkan adalah aliran fluida yang dicirikan dengan berubahnya besaran kerapatan massa (densitas) dari fluida di sepanjang aliran tersebut. Contoh fluida termampatkan adalah: udara, gas alam dan lain lain. Persamaan Bernoulli untuk aliran termampatkan adalah sebagai berikut:

( Sumber : Bruce Munson,2005 ) di mana:

Ø = energi potensial gravitasi per satuan massa; jika gravitasi konstan maka Ø = g.h

= entalpi fluida per satuan massa 2.3 Aliran Vortex

Vortex adalah massa fluida yang partikel-partikelnya bergerak berputar dengan garis arus (streamline) membentuk lingkaran konsentris. Gerakan vortex berputar disebabkan oleh adanya perbedaan kecepatan antar lapisan fluida yang berdekatan. Dapat diartikan juga sebagai gerak fluida yang diakibatkan oleh parameter kecepatan dan tekanan. Vortex sebagai pusaran yang merupakan efek dari putaran rotasional dimana viskositas berpengaruh di dalamnya.

Sifat-sifat dari pusaran air:

1. Tekanan air di dalam pusaran yang paling kecil adalah di pusat

pusaran dan semakin meningkat seiring dengan semakin besarnya jarak pusaran dari pusat.

Hal ini sesuai dengan prinsip Bernoulli, dimana tekanan berbanding terbalik dengan kecepatan.

2. Pusat dari setiap pusaran dapat dianggap mengandung garis pusaran dan setiap partikel air dalam pusaran dapat dianggap berotasi di garis pusaran.

3. Dua atau lebih pusaran yang kira-kira sejajar dan berotasi/berputar dalam arah yang sama akan bergabung untuk membentuk sebuah pusaran tunggal.

4. Gerakan rotasi pada pusaran menimbulkan energi yang cukup besar.Apabila suatu benda diletakkan di sekitar pusaran, maka pusaran air seolah-olah menyedot benda tersebut,

berputar-putar menuju inti.

Pergerakan aliran fluida dapat dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu: 1. Translasi murni atau translasi irrotasional

2. Rotasi murni atau translasi rotasional

3. Distorsi atau deformasi murni, baik angular ataupun linier

Aliran irrotasional terjadi apabila elemen fluida di setiap titik tidak mempunyai kecepatan sudut netto terhadap titik tersebut.Sebaliknya aliran rotasional terjadi apabila elemen fluida mempunyai kecepatan sudut netto. Gerak vortex dapat dikategorikan sebagai dalam aliran rotasional.Vortex digambarkan sebagai aliran yang bergerak dan berputar terhadap sumbu vertikal sehingga terjadi perbedaan tekanan antara bagian sumbu dan sekelilingnya.

Gambar 2.2 Pola garis arus untuk sebuah vortex

Berdasarkan klasifikasi aliran berputar yang terjadi dalam kehidupan sehari-hari maka aliran vortex dapat dibedakan menjadi tiga bagian, yaitu :

2.3.1 Aliran vortex Bebas

Aliran vortex terjadi walaupun tidak adanya gaya yang dilakukan pada fluida tersebut. Karateristik dari vortex bebas adalah kecepatan tangensial dari partikel fluida yang berputar pada jarak tertentu dari pusat vortex. Hubungan kecepatan partikel fluida v terhadap jaraknya dari pusat putaran r dapat dilihat pada persamaan ini:

( Sumber : Munson,2003 )

Dimana:

V = kecepatan tangensial fluida (m/s)

r = jari-jari putaran partikel fluida dari titik pusat (m) = Sirkulasi

Gambar 2.3 Gerakan elemen fluida dari A ke B : vortex bebas Pada aliran vortex bebas dengan menganggap elemen air memiliki :

l = panjang elemen air dr = ketebalan elemen air v = kecepatan tangensial

dP = beda tekanan dari elemen air

dan aliran bebas mempunyai gaya, tekanan yang sebanding dengan aksi gaya sentrifugal air.

Dan diketahui energi keseluruhan elemen air :

Didefenisikan maka:

Dalam vortex bebas, tidak ada perubahan energi melintas pada aliran lurus, jadi persamaan diatas sama dengan nol.

Setelah diintegralkan persamaan diatas menjadi: vr = C (identik dengan teori kinematik fluida) Jika digeneralisasikan, maka:

( Sumber : Munson,2003 )

Jika C sama dengan konstan maka dapat diketahui kekuatan dari vortex, nampak jelas bahwa kecepatan partikel berbanding terbalik dengan jarak dari pusat vortex.

2.3.2 Aliran Vortex Paksa

Apabila suatu gaya diberikan pada suatu fluida dengan maksud membuat aliran fluida berputar. Hubungan kecepatan partikel fluida v terhadap jaraknya dari pusat putaran r dapat dilihat pada persamaan berikut:

( Sumber : Munson,2003 ) Dimana:

= kecepatan sudut ( rad/s ) r = jari-jari putaran (m)

Air dalam tabung diputar dengan gaya torsi, partikel P pada permukaan air, berjarak r pada sumbu putaran, bekerja gaya-gaya:

1. Berat partikel, arah ke bawah (m)

2. Gaya sentrifugal dengan arah menjauhi pusat putaran (Fc) 3. Gaya reaksi zat cair yang mendesak partikel (R)

Bekerjanya gaya selain gaya gravitasi pada air menghasilkan gaya vortex yang dikenal sebagai aliran vortex paksa. Dalam putaran, N dan kecepatan sudut , partikel P mempunyai sudut tangen , berat partikel m dan gaya sentrifugal Fc.

Gaya sentrifugal didefenisikan sebagai berikut :

( Sumber : Ridwan dan Siswantara,2002) Dimana:

= kecepatan sudut (rad/s) m = berat partikel (kg) g = gaya gravitasi (m/s2) r = jarak dari sumbu (m)

2.3.3 Aliran Vortex kombinasi

Aliran Vortex Kombinasi adalah vortex dengan vortex paksa pada inti pusatnya dan distribusi kecepatan yang sesuai dengan vortex bebas pada luar intinya. Jadi untuk sebuah votex kombinasi dapat dilihat pada persamaan berikut.

dan

( Sumber : Munson,2003 )

dimana K dan adalah konstanta dan adalah jari-jari inti pusat.

Sebuah konsep matematika yang biasanya berhubungan dengan gerakan vortex adalah sirkulasi. Sirkulasi didefenisikan sebagai sebuah integral garis dari komponen tangensial kecepatan yang diambil dari sekeliling kurva tertutup di medan aliran. Konsep sirkulasi sering digunakan untuk mengevaluasi gaya-gaya pada terbentuk pada benda-benda yang terendam dalam fluida yang bergerak.

2.4 Turbin Air

Turbin air adalah sebuah mesin berputar yang mengambil energi kinetik dari arus air. Fungsi utamanya adalah mengubah energi air menjadi energi listrik. Turbin air dapat digolongkan menjadi dua jenis yaitu turbin reaksi dan turbin impuls, dimana secara garis besarnya dapat dijelaskan sebagai berikut:

2.4.1 Turbin Reaksi

Pada turbin reaksi, energi yang tersedia pada saluran masuk hanya sebagian saja yang dirubah menjadi energi kinetik sedangkan sisanya tetap dalam bentuk energi tekan. Ketika air mengalir melalui roda gerak / runner terjadi perubahan energi tekan menjadi energi kinetik secara berangsur-angsur. Tekanan pada sisi masuk roda gerak lebih tinggi dibandingkan tekanan pada sisi keluar roda gerak turbin, dimana tekanan tersebut bervariasi terhadap laju aliran fluida yang melalui turbin. Selanjutnya agar perubahan tekanan ini dapat terjadi, maka roda gerak / runner dalam hal ini harus tertutup dari udara luar dan seluruhnya terisi air selama turbin beroperasi.

Beberapa contoh dari Turbin Reaksi adalah: 1. Turbin Francis

Turbin ini dipasang diantara sumber tekanan air 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.

2. Turbin Kaplan

Turbin Kaplan merupakan turbin reaksi aliran aksial. Turbin ini terususun dari propeller seperti pada perahu. Propeller tersebut biasanya mempunyai tiga hingga enam sudu.

Gambar 2.6 Turbin Kaplan 3. Turbin Vortex

Turbin Vortex merupakan turbin reaksi aliran radial.Turbin ini mempunyai head rendah yaitu antara 0,7 m sampai 3 m.Turbin ini mempunyai efisiensi mencapai 75 %.

2.4.2. Turbin Impuls

Pada turbin impuls energi potensial air dirubah menjadi energi kinetik pada nosel. Air keluar nosel yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu turbin arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impuls). 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.

Beberapa contoh dari turbin impuls adalah: 1. Turbin Pelton

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

Gambar 2.8 Turbin Pelton 2. Turbin Crossflow

Turbin Crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 liter / det hingga 10m3 / det dan head antara 1 s/d 200m. Turbin Crossflow menggunakan nosel persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner. Pancaran air masuk turbin dan mengenai sudu sehingga terjadi konversi energi kinetis menjadi energi mekanis. Air mengalir keluar membentur sudu dan memberikan energinya ( lebih rendah dibanding saat masuk) kemudian meninggalkan turbin.Jadi perubahan energi aliran air menjadi energi mekanik putar terjadi dua kali yaitu pada waktu air masuk silinder dan air ke luar silinder. Energi yang diperoleh dari tahap kedua

adalah 20% nya dari tahap pertama. Runner turbin dibuat dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel.

Gambar 2.9 Turbin Crossflow 2.5 Klasifikasi Turbin Air

2.5.1 Berdasarkan Tinggi Tekan ( head )

Berdasarkan tinggi tekan ( head ) turbin dapat diklasifikasikan menjadi: 1.Turbin Tinggi Tekan ( head ) rendah

Adalah turbin yang dapat bekerja pada head 0,7 - 15 m.

Turbin Vortex dan turbin kaplan adalah contoh turbin yang dipergunakan untuk head rendah.

2.Turbin Tinggi Tekan ( head ) menengah

Adalah turbin yang dapat bekerja pada head 16-70 m. Turbin Francis adalah contoh turbin yang dipergunakan untuk head menengah.

3.Turbin Tinggi Tekan ( head ) tinggi

Adalah turbin yang dapat bekerja pada head 71-500 m. Turbin Pelton adalah contoh turbin yang dipergunakan untuk head tinggi.

4.Turbin Tinggi Tekan ( head ) sangat tinggi

Adalah turbin yang dapat bekerja pada head >500 m. Turbin Pelton dengan berbagai macam penyesuaian adalah contoh turbin yang

2.5.2 Berdasarkan Kecepatan Spesifik

Jenis Turbin Kecepatan spesifik

( Ns ) Turbin Impuls : a. Satu jet ( Turbin pelton )

b. Banyak jet ( Turbin doble )

4 – 30 30 – 70 Turbin Reaksi : a. Turbin Francis

Ns rendah Ns normal Ns tinggi

Ns Ekspress

50 – 125 125 -200 200 – 350

350 - 500 b. Propeler

Sudu tetap ( Turbin nagler )

Sudu dapat diatur ( Turbin Kaplan )

400 – 800 500 - 1000 Tabel 2.1 Jenis Turbin Berdasarkan Kecepatan Spesifik 2.6 Performansi dan Efisiensi Turbin

Performansi pada turbin merupakan daya mekanik yang dihasilkan dari sebuah turbin. Untuk mendapatkan nilai tersebut maka data yang diperlukan adalah kecepatan sudut ( ) dan torsi (T).

( Sumber : W. Paryatmo, 2007 ) Dimana :

P = Daya turbin ( Watt ) T = Torsi ( Nm )

= Kecepatan sudut ( rad /s )

Untuk menghitung Torsi ( T ) adalah :

( Sumber : J.B. Winther,1975 ) F = m . g

( Sumber : Coulson,1986 ) Dimana :

l = panjang lengan ( m ) m = massa/beban ( kg ) g = gravitasi

Untuk menghitung kecepatan sudut adalah : = 2

( Sumber : Streeter Victor,1979 ) Dimana :

= kecepatan sudut (rad/s) n = putaran turbin (rpm )

Untuk efisiensi turbin dapat dihitung dengan menggunakan rumus : ɳ = x 100%

( Sumber : W. Paryatmo, 2007 ) Dimana :

= Daya turbin ( Watt ) = Daya air ( Watt )

BAB III

METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN

3.1 Umum

Turbin vortex merupakan turbin yang memanfaatkan pusaran air sebagai media perantara energi terhadap sumbu vertikal sehingga terjadi perbedaan tekanan antara bagian sumbu dan sekelilingnya. Turbin vortex ini dioperasikan pada daerah yang memiliki head yang rendah dan memanfaatkan pusaran gravitasi air sehingga akan menimbulkan perbedaan tekanan air dengan bagian sumbu.

Turbin vortex merupakan salah satu turbin yang sangat spesial, karena dapat beroperasi pada daerah yang memiliki head yang sangat rendah. Turbin vortex bekerja pada head rendah dengan ketinggian air jatuh antara 0,7 m– 3 m. Sebagai simulasi atau pengkondisian dari air mengalir yang berada di alam. Dalam uji eksperimental turbin vortex ini, dibuat turbin vortex, adapun beberapa pekerjaan yang dilakukan adalah:

1. Pembuatan sudu dari bahan besi plat. 2. Pembuatan poros dari bahan steell 42.

3. Pembuatan dudukan turbin dari bahan besi siku. 4. Pembuatan rumah turbin (casing) dari bahan batako. 5. Pembuatan saluran buang dari baja

Ditambah beberapa instalasi yang mendukung turbin vortex. Adapun penambahan beberapa instalasi yang dilakukan adalah:

1. Instalasi saluran perpipaan untuk air masuk. 2. Instalasi dudukan talang.

3. Instalasi dudukan pengujian Turbin vortex. 4. Instalasi saluran buangan air pada Turbin vortex.

Aliran air yang digunakan berasal dari tempat penampungan bawah yang terletak di bawah bak kemudian dipompakan ke talang oleh satu unit pompa pengumpan. Kapasitas aliran (debit) air yang akan diumpankan dapat diatur melalui sebuah katup pengatur (gate valve) sesuai dengan kebutuhan. Aliran air yang mengalir melalui talang memiliki energi potensial sehingga akan membentuk pusaran yang akan menggerakkan sudu turbin vortex

sebagai energi input. Zat cair yang keluar setelah menabrak sudu akan keluar tepat dibawah turbin vortex melalui saluran buangan dari rumah turbin (casing).

3.2 Rancang Bangun Instalasi

Rancang bangun instalasi uji eksperimental Turbin Vortex dilakukan di rooftop lantai empat Teknik Mesin USU.

Adapun elemen yang meliputi perancangan turbin vortex adalah : 1. Poros turbin

Poros yang digunakan terbuat dari bahan besi steel 42.Dengan diameter 2 cm dan tinggi poros 1,3 m.

Gambar 3.1 Poros turbin 2. Sudu turbin ( blade )

Sudu turbin terbuat dari besi plat datar 4 mm yang dilengkungkan dengan menggunakan rolling dengan r = 15.Sudu turbin ada 4 buah dengan 2 variasi dimensi.Sudu 2 memiliki tinggi 78,3 cm dan lebar 23,2 cm.Sedangkan sudu 3 memiliki tinggi 78,3 cm dan lebar 13,5 cm.

Gambar 3.2 Sudu turbin 3. Bantalan ( bearing )

Bantalan yang digunakan adalah P204 dengan jumlah 2 buah dan bantalan ini dibautkan di dudukan turbin.

4. Dudukan turbin

Dudukan turbin terbuat dari besi siku yang sudah dilas,dengan panjang menyerupai rumah turbin,yaitu 1 m dan lebar 0,5 m.

Gambar 3.3 Dudukan turbin 5. Rumah turbin ( casing )

Rumah turbin berbentuk lingkaran yang terbuat dari beton dengan diameter luar 1 m , diameter dalam 0,8 m dan tingginya 0,97 m dan memiliki lubang saluran buang pada dasar bak.

Gambar 3.4 Rumah turbin 6. Saluran buang

Saluran buang terbuat dari baja dan diletakkan di bagian tengah dasar rumah turbin.Saluran buang yang digunakan ada 3 jenis dengan diameter yang berbeda,yaitu 5,5 cm , 6 cm dan 7 cm.

Gambar 3.5 Saluran buang 7. Talang

Talang yang digunakan terbuat dari plastik dengan panjang 80 inchi dengan lebar 12,9 cm.

Pipa yang digunakan adalah pipa 2 inchi dengan panjang keseluruhan 6,7 m.Elbow yang digunakan ada 4 buah dan katup pengatur bola 1 buah.Pompa yang digunakan 1 buah dengan kapasitas Omaks 800 L/min.

Gambar 3.6 Instalasi Turbin Vortex

3.3 Pengujian Turbin Vortex

Turbin Vortex yang digunakan dalam uji eksperimental turbin vortex adalah sudu 2 dan sudu 3 yang memiliki 4 buah blade.

Sudu 2 memiliki tinggi 78,3 cm dan lebar 23,2 cm.Sudu 3 memiliki tinggi 78,3 cm dan lebar 13,5 cm.Variasi saluran buang yang digunakan adalah 5,5 cm, 6 cm dan 7 cm.Ketinggian poros dari dasar casing adalah 0,1 cm, 1,1 cm, 2,1 cm dan 3,1 cm.

Diameter dalam rumah turbin ( casing ) adalah 0,8 m dan diameter luar nya 1 m.Dengan tinggi jatuh air ( h ) = 0,8 m.

Gambar 3.7 Sudu dan poros turbin vortex sebelum dirakit.

Gambar 3.8 Turbin vortex setelah dirakit. 3.4.

Peralatan Pengujian

3.4.1. Hand Tachometer

Alat ini digunakan untuk mengukur putaran (rpm) poros turbin vortex. Dalam uji eksperimental turbin vortex pada bukaan 30˚, 60˚ dan 90˚ hand tachometer yang digunakan adalah Krisbow KW06-303 dengan spesifikasi:

Ketelitian (akurasi) : ± 0,05% + 1 digit

Range : autorange

Gambar 3.9 Hand Tachometer. 3.4.2 Timbangan Pegas

Timbangan pegas digunakan untuk mengukur besarnya beban (kilogram) sebagai data untuk menghitung momen puntir.Timbangan dihubungkan ke pulley melalui tali yang diikatkan ke ujung masing-masing.Dalam uji eksperimental turbin vortex, timbangan pegas yang digunakan adalah PROHEX dengan skala 0-25 kilogram.

3.4.3 Pulley

Pulley digunakan sebagai penerus daya dan putaran dari poros.Dalam uji eksperimental turbin vortex pulley yang digunakan memiliki diameter 18 cm.

Gambar 3.11 Pulley. 3.4.4 Flow Meter

Flow meter adalah alat untuk mengukur jumlah atau laju aliran dari suatu fluida yang mengalir dalam pipa atau sambungan terbuka. Alat ini terdiri dari primary device, yang disebut sebagai alat utama dan secondary device (alat bantu sekunder). Flow meter umumnya terdiri dari dua bagian, yaitu alat utama dan alat bantu skunder. Alat utama menghasilkan suatu sinyal yang yang merespon terhadap aliran karena laju aliran tersebut telah terganggu. Alat utamanya merupakan sebuah orifis yang mengganggu laju aliran, yaitu menyebabkan terjadinya penurunan tekanan. Alat bantu skunder menerima sinyal dari alat utama lalu menampilkan, merekam, dan mentranmisikannya sebagai hasil pengukuran dari laju aliran.

Gambar 3.12 Flow meter. 3.4.5 Pompa Pengumpan

Pompa ini digunakan untuk mengumpankan air dari tempat penampungan bawah ke talang. Dalam uji eksperimental turbin vortex, pompa pengumpan yang digunakan adalah pompa sentrifugal 2 (dua) inchi dengan daya motor penggerak (P) 0,75 kW, keluaran air maksimal (Omaks) 800 L/min dan dihubungkan secara direct drive.

3.5 Pelaksanaan Pengujian

Uji eksperimental turbin vortex dilakukan di rooftop lantai empat, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Pengukuran-pengukuran yang dilakukan tehadap penelitian ini meliputi:

1. Pengukuran putaran (rpm) poros turbin vortex dengan menggunakan Hand Tachometer. 2. Pengukuran beban (kilogram) dengan menggunakan Timbangan Pegas.

3. Pengukuran debit air dengan menggunakan flowmeter

Sebelum dilakukan pengujian turbin vortex dan pengambilan data, terlebih dahulu dilakukan pemeriksaan (checking) terhadap beberapa instalasi dan peralatan, yang meliputi:

1. Pemeriksaan debit air di dalam tempat penampungan bawah.

2. Pemeriksaan pipa penghubung antara pompa pengumpan dan talang. 3. Pemeriksaan katup (valve).

4. Pemeriksaan poros turbin vortex serta pemberian pelumas pada bearing. 5. Pemeriksaan tali dan pulley.

6. Pemeriksaan pompa pengumpan.

Setelah prosedur pemeriksaan terhadap beberapa instalasi dan peralatan di atas selesai dilakukan dan pemeriksaan dipastikan dalam kondisi standby, maka prosedur pengujian pun dapat dimulai. Adapun prosedur pengujian uji eksperimental turbin vortex adalah sebagai berikut:

1. Pengujian pertama dilakukan dengan menggunakan sudu 2 dengan ketinggian 0,1 cm dari dasar casing dan saluran buang 5,5 cm.

2. Katup pada sisi masuk talang dibuka 30°. 3. Hidupkan pompa pengumpan.

4. Dilakukan monitoring terhadap ketinggian air di dalam tempat penampungan bawah. 5. Setelah ketinggian air di bak konstan, maka dilakukan pengujian serta pengambilan

data terhadap:

a. Pengukuran putaran (rpm) pada poros turbin vortex dengan menggunakan hand tachometer.

b. Pengukuran beban dilakukan dengan menggunakan timbangan pegas.

6. Setelah data didapat,ketinggian poros dari dasar casing dinaikkan menjadi 1,1 cm sampai dengan 3,1 cm.

7. Pergantian saluran buang menggunakan 6 cm dan 7 cm.

8. Pengukuran terhadap beberapa variabel di atas dilakukan terhadap debit bukaan 30°, debit bukaan 60° dan debit bukaan 90° .

9. Setiap pengambilan data dilakukan sebanyak sepuluh kali untuk mendapatkan data pengujian yang lebih akurat.

10. Setelah pengujian pada turbin vortex selesai, maka dilakukan pergantian dengan menggunakan sudu 3.Kemudian dilakukan pengujian kembali seperti prosedur diatas dengan variabel yang sama.

Besaran-besaran yang diukur dan dicatat meliputi: a. Putaran poros ( rpm )

b. Beban yang diberikan ( kilogram ) c. Debit air masuk ( m³/s )

Dari besaran-besaran di atas dapat dihitung besaran turunan lainnya seperti: 1. Daya Air

2. Daya Turbin Vortex 3. Efisiensi Turbin Vortex

Setelah pengujian di atas, dilakukan pengujian debit air dengan prosedur sebagai berikut:

1. Katup air dibuka.

2. Pompa pengumpan dihidupkan dan air dipompakan dari tempat penampungan bawah ke talang.

Flowchart Uji eksperimental Turbin vortex

Survey tempat pengujian akan dilakukan

Rancang bangun instalasi Uji eksperimental turbin

vortex

Pengambilan data hasil pengujian

Pelaksanaan pengujian

Perhitungan dan analisa hasil

pengujian

Penulisan laporan hasil pengujian

Kesimpulan dan saran

BAB IV

HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA

4.1 Perhitungan efisiensi turbin vortex dengan menggunakan sudu 2 pada diameter saluran buang 5,5 cm (bukaan katup 30°, 60°, dan 90°) dengan ketinggian 0,1 cm dari dasar casing

Kapasitas Aktual uji performansi turbin vortex dengan variasi bukaan katup 30°, 60°, dan 90° adalah :

a. Bukaan katup 30° Q = 0,0035 b. Bukaan katup 60° Q = 0,0044 c. Bukaan katup 90° Q = 0,0053

Untuk menghitung kecepatan aliran air digunakan rumus :

A = 0,002 m²

Misalkan pada bukaan katup 30° :

Dengan cara yang sama didapatkan nilai kecepatan aliran dengan variasi bukaan katup 30°, 60°, dan 90° seperti tabel 4.1.

Tabel 4.1 Nilai debit air dan kecepatan air pada bukaan katup 30°,60°, dan 90°.

Bukaan katup Q (m3_{/s) V(m/s)}

30° 0,0035 1,75

60° 0,0044 2,2

90° 0,0053 2,65

Untuk menghitung laju aliran massa ( ṁ ), digunakan rumus :

ṁ = ρ . Q

Misalkan pada bukaan katup 30°: ṁ = ρ . Q

= 3,5 kg/s

Dengan cara yang sama didapatkan nilai laju aliran massa dengan variasi bukaan katup 30°, 60°, dan 90° seperti tabel 4.2

Tabel 4.2 Nilai laju aliran massa pada bukaan katup 30°, 60°, dan 90°.

4.1.1. Efisiensi turbin vortex pada bukaan katup 30°

= 5,359375 watt

Misalkan pada torsi 0,355613Nm = 2

Bukaan katup Q (m3/s) ṁ ( kg/s )

30° 0,0035 3,5

60° 0,0044 4,4

= 2

= 1,276933 rad/s Maka daya turbin;

PT = T .

=0,355613 Nm . 1,276933 rad/s = 0,454093 watt

Sehingga Efisiensi Turbin adalah

= x 100 %

= 8,472881%

Tabel 4.3 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 2 pada bukaan 30° ,diameter saluran buang 5,5 cm,dan ketinggian 0,1 cm.

Putaran ( rpm )

Ω

( rad/s )

Torsi ( Nm )

P air ( watt )

P turbin ( watt )

Efisiensi ( % ) 60.4 6.321867 0.007112 5.359375 0.044963 0.838954 12.2 1.276933 0.355613 5.359375 0.454093 8.472881 1.7 0.177933 0.640103 5.359375 0.113896 2.125165

4.1.2. Efisiensi turbin vortex pada bukaan katup 60°

= 10,648 watt

Misalkan pada torsi 0,355613 Nm = 2

= 2

= 6,070667 rad/s maka daya turbin; PT = T .

= 0,355613 Nm . 6,070667 rad/s = 2,158805 watt

Sehingga Efisiensi Turbin adalah

= x 100 %

= 20,27428 %

Tabel 4.4 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 2 pada bukaan 60° ,diameter saluran buang 5,5 cm,dan ketinggian 0,1 cm.

Putaran ( rpm )

Ω

( rad/s )

Torsi ( Nm )

P air ( watt )

P turbin ( watt )

Efisiensi ( % ) 72.8 7.619733 0.014225 10.648 0.108387 1.017908

58 6.070667 0.355613 10.648 2.158805 20.27428 20.6 2.156133 0.711225 10.648 1.533496 14.40173 1.6 0.167467 1.244644 10.648 0.208436 1.957516

4.1.3. Efisiensi turbin vortex pada bukaan katup 90°

= 18,609625 watt

Misalkan pada torsi 0,355613 Nm = 2

= 2

= 6,332333 rad/s maka daya turbin; PT = T .

= 0,355613 Nm . 6,332333 rad/s = 2,028532 watt

Sehingga Efisiensi Turbin adalah

= x 100 %

= 12,1005 %

Tabel 4.5 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 2 pada bukaan 90° ,diameter saluran buang 5,5 cm,dan ketinggian 0,1 cm.

Putaran

( rpm ) ( rad/s )

Torsi ( Nm )

P air ( watt )

P turbin ( watt )

Efisiensi ( % ) 74.6 7.808133 0.021337 18.60963 0.1666 0.895237 60.5 6.332333 0.355613 18.60963 2.251857 12.1005 22.2 2.3236 0.711225 18.60963 1.652602 8.880364

2.2 0.230267 1.315766 18.60963 0.302977 1.628067

4.2. Perhitungan efisiensi turbin vortex dengan menggunakan sudu 2 pada diameter saluran buang 6 cm (bukaan katup 30°, 60°, dan 90°) dengan ketinggian 0,1 cm dari dasar casing

4.2.1. Efisiensi turbin vortex pada bukaan katup 30°

= 5,359375 watt

Misalkan pada torsi 0,355613 Nm = 2

= 2

= 1,486267 rad/s maka daya turbin;

=0,355613 Nm . 1,486267 rad/s = 0,528535 watt

Sehingga Efisiensi Turbin adalah

= x 100 %

= 9,861878 %

Tabel 4.6 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 2 pada bukaan 30°, diameter saluran buang 6 cm, dan ketinggian 0,1 cm.

Putaran

( rpm ) ( rad/s )

Torsi ( Nm )

P air ( watt )

P turbin ( watt )

Efisiensi ( % ) 63.5 6.646333 0.003556 5.359375 0.023635 0.441007 14.2 1.486267 0.355613 5.359375 0.528535 9.861878 1.8 0.1884 0.711225 5.359375 0.133995 2.500194 4.2.2 Efisiensi turbin vortex pada bukaan katup 60°

= 10,648 watt

Misalkan pada torsi 0,355613 Nm = 2

= 2

= 5,829933 rad/s maka daya turbin; PT = T .

= 0,355613 Nm . 5,829933 rad/s = 2,073197 watt

Sehingga Efisiensi Turbin adalah

= 19,4703 %

Dengan cara yang sama maka di dapat data sebagai berikut :

Tabel 4.7 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 2 pada bukaan 60°, diameter saluran buang 6 cm, dan ketinggian 0,1 cm.

Putaran

( rpm ) ( rad/s )

Torsi ( Nm )

P air ( watt )

P turbin ( watt )

Efisiensi ( % ) 73.6 7.703467 0.004267 10.648 0.032873 0.308728 55.7 5.829933 0.355613 10.648 2.073197 19.4703

3.1 0.324467 0.817909 10.648 0.265384 2.492338

4.2.3 Efisiensi turbin vortex pada bukaan katup 90°

= 18,609625 watt

Misalkan pada torsi 0,355613 Nm = 2

= 2

= 6,457933 rad/s maka daya turbin; PT = T .

= 0,355613 Nm . 6,457933 rad/s = 2,296522 watt

Sehingga Efisiensi Turbin adalah

= x 100 %

Tabel 4.8 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 2 pada bukaan 90°, diameter saluran buang 6 cm, dan ketinggian 0,1 cm.

Putaran

( rpm ) ( rad/s )

Torsi ( Nm )

P air ( watt )

P turbin ( watt )

Efisiensi ( % ) 75.2 7.870933 0.004979 18.60963 0.039186 0.210569 61.7 6.457933 0.355613 18.60963 2.296522 12.34051 22.2 2.3236 0.711225 18.60963 1.652602 8.880364 1.2 0.1256 1.066838 18.60963 0.133995 0.72003

4.3 Perhitungan efisiensi turbin vortex dengan menggunakan sudu 2 pada diameter saluran buang 7 cm (bukaan katup 30°, 60°, dan 90°) dengan ketinggian 0,1 cm dari dasar casing

4.3.1. Efisiensi turbin vortex pada bukaan katup 30°

= 5,359375 watt

Misalkan pada torsi 0,355613 Nm = 2

= 2

= 1,486267 rad/s

maka daya turbin; PT = T .

= 0,355613 Nm . 1,486267 rad/s = 0,528535 watt

Sehingga Efisiensi Turbin adalah : = x 100 %

= 9,861878 %

Tabel 4.9 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 2 pada bukaan 30°,diameter saluran buang 7 cm, dan ketinggian 0,1 cm.

Putaran

( rpm ) ( rad/s )

Torsi ( Nm )

P air ( watt )

P turbin ( watt )

Efisiensi ( % ) 63.5 6.646333 0.003556 5.359375 0.023635 0.441007 14.2 1.486267 0.355613 5.359375 0.528535 9.861878 1.8 0.1884 0.711225 5.359375 0.133995 2.500194

4.3.2. Efisiensi turbin vortex pada bukaan katup 60°

= 10,648 watt

Misalkan pada torsi 0.355613Nm = 2

= 2

= 5,966 rad/s maka daya turbin; PT = T .

= 0,355613Nm . 5,966 rad/s = 2,121584 watt

Sehingga Efisiensi Turbin adalah = x 100 %

= 19,92472 %

Tabel 4.10 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 2 pada bukaan 60°,diameter saluran buang 7 cm, dan ketinggian 0,1 cm.

Putaran

( rpm ) ( rad/s )

Torsi ( Nm )

P air ( watt )

P turbin ( watt )

Efisiensi ( % ) 75.5 7.902333 0.004979 10.648 0.039342 0.369481

57 5.966 0.355613 10.648 2.121584 19.92472 20.6 2.156133 0.711225 10.648 1.533496 14.40173 1.2 0.1256 1.066838 10.648 0.133995 1.258403

4.3.3. Efisiensi turbin vortex pada bukaan katup 90°

= 18,609625 watt

Misalkan pada torsi 0,355613 Nm = 2

= 2

= 6,751 rad/s maka daya turbin; PT = T .

= 0,355613 Nm . 6,751 rad/s = 2,40074 watt

Sehingga Efisiensi Turbin adalah = x 100 %

Tabel 4.11 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 2 pada bukaan 90°,diameter saluran buang 7 cm, dan ketinggian 0,1 cm.

Putaran

( rpm ) ( rad/s )

Torsi ( Nm )

P air ( watt )

P turbin ( watt )

Efisiensi ( % ) 77.5 8.111667 0.00569 18.60963 0.046154 0.24801 64.5 6.751 0.355613 18.60963 2.40074 12.90053 23.7 2.4806 0.711225 18.60963 1.764265 9.480388 1.9 0.198867 1.066838 18.60963 0.212158 1.140047

4.4 Perhitungan efisiensi turbin vortex dengan menggunakan sudu 3 pada diameter saluran buang 5,5 cm (bukaan katup 30°, 60°, dan 90°) dengan ketinggian 0,1 cm dari dasar casing

4.4.1. Efisiensi turbin vortex pada bukaan katup 30°

= 5,359375 watt Misalkan pada torsi 0,28449 Nm

= 2 = 2

= 3,081387 rad/s Maka daya turbin;

PT = T .

= 0,28449 Nm. 3,081387 rad/s = 0,876623693 watt

Sehingga Efisiensi Turbin adalah :

= 16.35683%

Tabel 4.12 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 3 pada bukaan 30°,diameter saluran buang 5,5 cm dan ketinggian 0,1 cm.

Putaran

(rpm) (rad/s)

Torsi (Nm)

P air (watt)

P turbin (watt)

Efisiensi (%) 122 12.76933 0.007112 5.359375 0.090818691 1.694576 29.44 3.081387 0.28449 5.359375 0.876623693 16.35683 1 0.104667 0.320051 5.359375 0.033498698 0.625049

4.4.2 Efisiensi turbin vortex pada bukaan katup 60°

= 10,648 watt Misalkan pada torsi 0,355613Nm

= 2 = 2

= 12,28787 rad/s maka daya turbin;

PT = T .

= 0,355613Nm . 12,28787 rad/s = 4,369718985 watt

Sehingga Efisiensi Turbin adalah

= x 100 %

Tabel 4.13 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 3 pada bukaan 60°,diameter saluran buang 5,5 cm dan ketinggian 0,1 cm.

Putaran

(rpm) (rad/s)

Torsi (Nm)

P air (watt)

P turbin (watt)

Efisiensi (%) 135 14.13 0.021337 10.648 0.301488278 2.831408 117.4 12.28787 0.355613 10.648 4.369718985 41.03793 1.8 0.1884 0.711225 10.648 0.13399479 1.258403

4.4.3. Efisiensi turbin vortex pada bukaan katup 90°

= 18,609625 watt Misalkan pada torsi 0,355613Nm

= 2 = 2

= 12,56 rad/s maka daya turbin; PT = T .

= 0,355613Nm . 12,56 rad/s = 4,369718985 watt

Sehingga Efisiensi Turbin adalah

= x 100 %

Tabel 4.14 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 3 pada bukaan 90°,diameter saluran buang 5,5 cm dan ketinggian 0,1 cm.

Putaran

(rpm) (rad/s)

Torsi (Nm) P air (watt) P turbin (watt) Efisiensi (%) 135.9 14.2242 0.035561 18.609625 0.505830332 2.718111

120 12.56 0.355613 18.609625 4.466493 24.00098 2.4 0.2512 0.85347 18.609625 0.214391664 1.152047

4.5 Perhitungan efisiensi turbin vortex dengan menggunakan sudu 3 pada diameter saluran buang 6 cm (bukaan katup 30°, 60°, dan 90°) dengan ketinggian 0,1 cm dari dasar casing

4.5.1. Efisiensi turbin vortex pada bukaan katup 30°

= 5,359375 watt Misalkan pada torsi 0,177806 Nm

= 2 = 2

= 3,715667 rad/s maka daya turbin;

PT = T .

= 0,177806 Nm . 3,715667 rad/s = 0,660668756 watt

Sehingga Efisiensi Turbin adalah = x 100 % = 12,32735 %

Tabel 4.15 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 3 pada bukaan 30°,diameter saluran buang 6 cm dan ketinggian 0,1 cm.

Putaran

(rpm) (rad/s)

Torsi (Nm)

P air (watt)

P turbin (watt)

Efisiensi (%) 131.5 13.76367 0.014225 5.359375 0.195781277 3.653062

35.5 3.715667 0.177806 5.359375 0.660668756 12.32735 1.5 0.157 0.334276 5.359375 0.052481293 0.979243

4.5.2. Efisiensi turbin vortex pada bukaan katup 60°

= 10,648 watt Misalkan pada torsi 0,355613 Nm = 2

= 2

= 12,89493 rad/s maka daya turbin; PT = T .

= 0,355613 Nm . 12,89493 rad/s = 4,58559948 watt

Sehingga Efisiensi Turbin adalah : = x 100 %

Tabel 4.16 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 3 pada bukaan 60°,diameter saluran buang 6 cm dan ketinggian 0,1 cm.

Putaran

(rpm) (rad/s)

Torsi (Nm)

P air (watt)

P turbin (watt)

Efisiensi (%) 139.2 14.5696 0.021337 10.648 0.310867913 2.919496 123.2 12.89493 0.355613 10.648 4.58559948 43.06536 4.7 0.491933 0.711225 10.648 0.349875285 3.285831

4.5.3 Efisiensi turbin vortex pada bukaan katup 90°

= 18,609625 watt Misalkan pada torsi 0,355613Nm = 2

= 2

= 13,345 rad/s maka daya turbin; PT = T .

= 0,355613Nm . 13,345 rad/s = 4,745648813 watt

Sehingga Efisiensi Turbin adalah

= x 100 %

Tabel 4.17 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 3 pada bukaan 90°,diameter saluran buang 6 cm dan ketinggian 0,1 cm.

Putaran

(rpm) (rad/s)

Torsi (Nm) P air (watt) P turbin (watt) Efisiensi (%) 140.1 14.6638 0.042674 18.609625 0.625755669 3.362538 127.5 13.345 0.355613 18.609625 4.745648813 25.50104 8.1 0.8478 0.711225 18.609625 0.602976555 3.240133

4.6. Perhitungan efisiensi turbin vortex dengan menggunakan sudu 3 pada diameter saluran buang 7 cm (bukaan katup 30°, 60°, dan 90°) dengan ketinggian 0,1 cm dari dasar casing

4.6.1 Efisiensi turbin vortex pada bukaan katup 30°

= 5,359375 watt Misalkan pada torsi 0,199143 Nm

= 2 = 2

= 4,197133 rad/s maka daya turbin; PT = T .

= 0,199143 Nm . 4,197133 rad/s = 0,835829723 watt

Sehingga Efisiensi Turbin adalah :

= 15,59566 %

Tabel 4.18 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 3 pada bukaan 30°,diameter saluran buang 7 cm dan ketinggian 0,1 cm.

Putaran

(rpm) (rad/s)

Torsi (Nm)

P air (watt)

P turbin (watt)

Efisiensi (%) 139.8 14.6324 0.031937 5.359375 0.467314959 8.719579

40.1 4.197133 0.199143 5.359375 0.835829723 15.59566 1.7 0.177933 0.398286 5.359375 0.070868356 1.322325

4.6.2 Efisiensi turbin vortex pada bukaan katup 60°

= 10,648 watt

Misalkan pada torsi 0,355613 Nm = 2

= 2

= 13,24033 rad/s maka daya turbin : PT = T .

= 0,355613 Nm . 13,24033 rad/s = 4,708428038 watt

Sehingga Efisiensi Turbin adalah :

= x 100 %

Tabel 4.19 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 3 pada bukaan 60°,diameter saluran buang 7 cm dan ketinggian 0,1 cm.

Putaran

(rpm) (rad/s)

Torsi (Nm)

P air (watt)

P turbin (watt)

Efisiensi (%) 146.4 15.3232 0.035729 10.648 0.547485677 5.141676 126.5 13.24033 0.355613 10.648 4.708428038 44.2189

7.9 0.826867 0.711225 10.648 0.588088245 5.522993

4.6.3 Efisiensi turbin vortex pada bukaan katup 90°

= 18,609625 watt Misalkan pada torsi 0,355613Nm = 2

= 2

= 13,6904 rad/s maka daya turbin;

PT = T .

= 0,355613Nm . 13,6904 rad/s = 4,86847737 watt

Sehingga Efisiensi Turbin adalah

= x 100 %

Tabel 4.20 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 3 pada bukaan 90°,diameter saluran buang 7 cm dan ketinggian 0,1 cm.

Putaran

(rpm) (rad/s)

Torsi (Nm)

P air (watt)

P turbin (watt)

Efisiensi (%) 148.6 15.55347 0.041927 18.609625 0.652110197 3.504155 130.8 13.6904 0.355613 18.609625 4.86847737 26.16107 8.4 0.8792 0.711225 18.609625 0.62530902 3.360138

0 0 1.066838 18.609625 0 0

4.7 Segitiga kecepatan pada turbin vortex

Sesudah menumbuk sudu,kecepatan air pada sudu turbin vortex akan mengalami perbedaan.Kecepatan pada masing-masing vektor dapat diuraikan pada segitiga kecepatan.

Gambar 4.1 Segitiga kecepatan turbin vortex

Dimana Pada segitiga aliran masuk:

AC = V = kecepatan absolut air memasuki sudu BC = Vr = kecepatan relatif air memasuki sudu EC = Vf = kecepatan aliran memasuki sudu bergerak

AB = v = kecepatan linier sudu yang bergerak

AE = Vw = kecepatan pusar pada sisi masuk sudu yang bergerak

α = sudut antara air dan sudu yang memasuki sudu β = sudut antara kecepatan relatif dengan sudu Pada segitiga aliran keluar :

HF = Vr1

HG = V1

HD = Vf1

θ,ɸ = sudut yang sama pada sisi keluar

Pada sudu 3,bukaan 60°,saluran buang 7 cm dan ketinggian 0,1 cm dari dasar casing. Dik : Dturbin = 0,289 m

Pair = 10,6 watt

n = 126,5 rpm

Kecepatan aliran masuk (V) = 2,2 m/s

α = 49° Dari segitiga masuk : sin 49 ° =

0,75 =

Vf = 2,2 . 0,75

Vf = 1,66 m/s

tan 49 ° = Vw =

=

= 1,91 m/s

sin β =

=

sin β = 0,869

β = 60,4 °

Dari segitiga keluar : Vr = Vr1

Lengkung sudu = 31°

sehingga ɸ = 59°

sehingga dapat digambarkan segitiga keluar nya:

Gambar 4.2 Segitiga kecepatan pada sisi keluar

Dari segitiga keluar : Vr = Vr1 = 1,91 m/s

sin 59° =

Vf1 = 1,63 m/s

tan 59° =

Dari analisa segitiga kecepatan keluar dan masuk didapat gaya yang terjadi pada sudu. Dari segitiga masuk :

 Pada saat air memasuki sudu V = 2,2 m/s F = m . V

= 4,4 . 2,2 = 9,68 N

Energi air yang diberikan terhadap sudu :

= 10,6 joule = 10,6 watt Daya yang dihasilkan turbin = 4,7 watt Dari segitiga keluar :

 Pada saat air meninggalkan sudu V1 = 0,97 m/s

Energi air yang keluar :

4.8 Grafik perbandingan hasil pengujian turbin vortex menggunakan sudu 2, saluran buang 5,5 cm pada bukaan katup 30°, 60° dan 90° dengan ketinggian 0,1 cm dari dasar casing

4.8.1 Perbandingan Efisiensi Turbin dengan Torsi

Gambar 4.3 Grafik Efisiensi vs Torsi menggunakan sudu 2 pada bukaan 30°, 60° dan 90° saluran buang 5,5 cm dengan ketinggian 0,1 cm.

Dari gambar 4.3 Efisiensi Turbin vs Torsi di dapat perbandingan antara efisiensi dengan torsi pada bukaan 30°, 60° dan 90°. Dari grafik di atas di dapat data bahwa efisiensi maksimum pada percobaan turbin vortex mengunakan sudu 2, saluran buang 5,5 cm dengan ketinggian 0,1 cm terdapat pada bukaan 60° yaitu sebesar 20,27428%.

4.8.2 Perbandingan Putaran Turbin dengan torsi

Gambar 4.4 Grafik Putaran vs Torsi menggunakan sudu 2 pada bukaan 30°, 60° dan 90° saluran buang 5,5 cm dengan ketinggian 0,1 cm.

Dari gambar 4.4 Putaran Turbin vs Torsi di dapat hubungan antara putaran turbin dengan torsi pada bukaan 30°, 60° dan 90°. Sehingga di dapat hasil dari grafik di atas adalah semakin besar torsi yang di gunakan semakin kecil putaran turbin yang di peroleh.Torsi dan putaran maksimal didapat pada bukaan 90°.

4.8.3 Perbandingan Putaran dengan Daya Turbin

Gambar 4.5 Grafik Putaran Turbin vs Daya Turbin menggunakan sudu 2 pada bukaan 30°, 60° dan 90° saluran buang 5,5 cm dengan ketinggian 0,1 cm.

Dari grafik 4.5 putaran turbin vs daya turbin di dapat hubungan antara putaran turbin dengan daya turbin pada bukaan katub bukaan 30°, 60° dan 90°. Dari grafik di atas di dapat data bahwa daya turbin maksimum di dapat pada bukaan 90° putaran 60,5 rpm dengan daya sebesar 2,251857 watt.

4.9 Grafik perbandingan hasil pengujian turbin vortex menggunakan sudu 2, saluran buang 6 cm pada bukaan katup 30°, 60° dan 90° dengan ketinggian 0,1 cm dari dasar casing

4.9.1 Perbandingan Efisiensi Turbin dengan Torsi

Gambar 4.6 Grafik Efisiensi vs Torsi menggunakan sudu 2 pada bukaan 30°, 60° dan 90° saluran buang 6 cm dengan ketinggian 0,1 cm.

Dari gambar 4.6 Efisiensi Turbin vs Torsi di dapat perbandingan antara efisiensi dengan torsi pada bukaan 30°, 60° dan 90°. Dari grafik di atas di dapat data bahwa efisiensi maksimum pada percobaan turbin vortex mengunakan sudu 2, saluran buang 6 cm dengan ketinggian 0,1 cm terdapat pada bukaan 60° sebesar 19,4703%.

Sudu 3 Bukaan 30° Ketinggian 3 Lubang Buang 7 cm Putaran (rpm) ω rad/s Torsi(Nm) P air(watt) P turbin(watt) Efisiensi(%)

135.6 14.1928 0.031937 5.359375 0.453275454 8.457618

35.2 3.684267 0.177806 5.359375 0.65508564 12.22317

1.3 0.136067 0.384062 5.359375 0.052257968 0.975076

Sudu 3 Bukaan 60° Ketinggian 3 Lubang Buang 7 cm

Putaran (rpm) ω rad/s Torsi(Nm) P air(watt) P turbin(watt) Efisiensi(%)

137 14.33933 0.035729 10.648 0.512332909 4.811541

120.1 12.57047 0.355613 10.648 4.470215078 41.98173

4.5 0.471 0.711225 10.648 0.334986975 3.146008

Sudu 3 Bukaan 90° Ketinggian 3 Lubang Buang 7 cm

Putaran (rpm) ω rad/s Torsi(Nm) P air(watt) P turbin(watt) Efisiensi(%)

144.8 15.15573 0.041927 18.609625 0.635434431 3.414547

121 12.66467 0.355613 18.609625 4.503713775 24.20099

4.1 0.429133 0.711225 18.609625 0.305210355 1.640067

Sudu 2 Bukaan 30 ° Ketinggian 1 Lubang Buang 5,5 cm

Putaran (rpm) ω rad/s Torsi(Nm) P air(watt) P turbin(watt) Efisiensi(%)

59.2 6.196267 0.007112 5.359375 0.044069 0.822286

11.5 1.203667 0.355613 5.359375 0.428039 7.986732

1.5 0.157 0.640103 5.359375 0.100496 1.875146

Sudu 2 Bukaan 60 ° Ketinggian 1 Lubang Buang 5,5 cm

Putaran (rpm) ω rad/s Torsi(Nm) P air(watt) P turbin(watt) Efisiensi(%)

71.8 7.515067 0.014225 10.648 0.106898 1.003926

57 5.966 0.355613 10.648 2.121584 19.92472

19.5 2.041 0.711225 10.648 1.45161 13.6327

1.5 0.157 1.237532 10.648 0.194292 1.824685

Sudu 2 Bukaan 90 ° Ketinggian 1 Lubang Buang 5,5 cm

Putaran (rpm) ω rad/s Torsi(Nm) P air(watt) P turbin(watt) Efisiensi(%)

74 7.745333 0.021337 18.60963 0.16526 0.888036

59.7 6.2486 0.355613 18.60963 2.22208 11.94049

21.8 2.281733 0.711225 18.60963 1.622826 8.720357

Sudu 2 Bukaan 30 ° Ketinggian 2 Lubang Buang 5,5 cm Putaran (rpm) ω rad/s Torsi(Nm) P air(watt) P turbin(watt) Efisiensi(%)

58.5 6.123 0.007112 5.359375 0.043548 0.812563

11 1.151333 0.355613 5.359375 0.409429 7.639483

1.4 0.146533 0.640103 5.359375 0.093796 1.750136

Sudu 2 Bukaan 60 ° Ketinggian 2 Lubang Buang 5,5 cm

Putaran (rpm) ω rad/s Torsi(Nm) P air(watt) P turbin(watt) Efisiensi(%)

71 7.431333 0.014225 10.648 0.105707 0.99274

56.3 5.892733 0.355613 10.648 2.09553 19.68003

18.4 1.925867 0.711225 10.648 1.369725 12.86368

1.3 0.136067 1.230419 10.648 0.167419 1.572305

0 0 1.265981 10.648 0 0

Sudu 2 Bukaan 90 ° Ketinggian 2 Lubang Buang 5,5 cm

Putaran (rpm) ω rad/s Torsi(Nm) P air(watt) P turbin(watt) Efisiensi(%)

72.9 7.6302 0.021337 18.60963 0.162804 0.874836

58.2 6.0916 0.355613 18.60963 2.166249 11.64048

21.1 2.208467 0.711225 18.60963 1.570717 8.440346

1.9 0.198867 1.308654 18.60963 0.260248 1.398457

Sudu 2 Bukaan 30 ° Ketinggian 3 Lubang Buang 5,5 cm

Putaran (rpm) ω rad/s Torsi(Nm) P air(watt) P turbin(watt) Efisiensi(%)

58 6.070667 0.007112 5.359375 0.043176 0.805618

10.5 1.099 0.355613 5.359375 0.390818 7.292233

1.3 0.136067 0.640103 5.359375 0.087097 1.625126

Sudu 2 Bukaan 60 ° Ketinggian 3 Lubang Buang 5,5 cm

Putaran (rpm) ω rad/s Torsi(Nm) P air(watt) P turbin(watt) Efisiensi(%)

70.7 7.399933 0.014225 10.648 0.10526 0.988546

55.4 5.798533 0.355613 10.648 2.062031 19.36543

17.7 1.8526 0.711225 10.648 1.317615 12.3743

1.2 0.1256 1.216195 10.648 0.152754 1.43458

Sudu 2 Bukaan 90 ° Ketinggian 3 Lubang Buang 5,5 cm

Putaran (rpm) ω rad/s Torsi(Nm) P air(watt) P turbin(watt) Efisiensi(%)

72 7.536 0.021337 18.60963 0.160794 0.864035

57.6 6.0288 0.355613 18.60963 2.143917 11.52047

20.6 2.156133 0.711225 18.60963 1.533496 8.240338

Sudu 2 Bukaan 30° Ketinggian 1 Lubang Buang 6 cm Putaran (rpm) ω rad/s Torsi(Nm) P air(watt) P turbin(watt) Efisiensi(%)

63 6.594 0.003556 5.359375 0.023449 0.437534

13.8 1.4444 0.355613 5.359375 0.513647 9.584078

1.7 0.177933 0.711225 5.359375 0.126551 2.361295

Sudu 2 Bukaan 60° Ketinggian 1 Lubang Buang 6 cm

Putaran (rpm) ω rad/s Torsi(Nm) P air(watt) P turbin(watt) Efisiensi(%)

73.1 7.651133 0.004267 10.648 0.03265 0.306631

54.8 5.735733 0.355613 10.648 2.039698 19.1557

2.9 0.303533 0.810797 10.648 0.246104 2.311268

Sudu 2 Bukaan 90° Ketinggian 1 Lubang Buang 6 cm

Putaran (rpm) ω rad/s Torsi(Nm) P air(watt) P turbin(watt) Efisiensi(%)

74.2 7.766267 0.004979 18.60963 0.038665 0.207769

61 6.384667 0.355613 18.60963 2.270467 12.2005

21.6 2.2608 0.711225 18.60963 1.607937 8.640354

1.1 0.115133 1.066838 18.60963 0.122829 0.660027

Sudu 2 Bukaan 30° Ketinggian 2 Lubang Buang 6 cm

Putaran (rpm) ω rad/s Torsi(Nm) P air(watt) P turbin(watt) Efisiensi(%)

62 6.489333 0.003556 5.359375 0.023077 0.430589

13 1.360667 0.355613 5.359375 0.48387 9.02848

1.5 0.157 0.711225 5.359375 0.111662 2.083495

0 0 0.803684 5.359375 0 0

Sudu 2 Bukaan 60° Ketinggian 2 Lubang Buang 6 cm

Putaran (rpm) ω rad/s Torsi(Nm) P air(watt) P turbin(watt) Efisiensi(%)

72.5 7.588333 0.004267 10.648 0.032382 0.304114

53.8 5.631067 0.355613 10.648 2.002478 18.80614

2.6 0.272133 0.803684 10.648 0.218709 2.053994

0 0 0.945929 10.648 0 0

Sudu 2 Bukaan 90° Ketinggian 2 Lubang Buang 6 cm

Putaran (rpm) ω rad/s Torsi(Nm) P air(watt) P turbin(watt) Efisiensi(%)

72.9 7.6302 0.004979 18.60963 0.037988 0.204128

60 6.28 0.355613 18.60963 2.233247 12.00049

20.5 2.145667 0.711225 18.60963 1.526052 8.200336

Sudu 2 Bukaan 30° Ketinggian 3 Lubang Buang 6 cm Putaran (rpm) ω rad/s Torsi(Nm) P air(watt) P turbin(watt) Efisiensi(%)

61.5 6.437 0.003556 5.359375 0.022891 0.427117

12.5 1.308333 0.355613 5.359375 0.46526 8.68123

1.2 0.1256 0.711225 5.359375 0.08933 1.666796

Sudu 2 Bukaan 60° Ketinggian 3 Lubang Buang 6 cm

Putaran (rpm) ω rad/s Torsi(Nm) P air(watt) P turbin(watt) Efisiensi(%)

71.8 7.515067 0.004267 10.648 0.032069 0.301178

51.2 5.358933 0.355613 10.648 1.905704 17.89729

2.4 0.2512 0.78946 10.648 0.198312 1.862437

Sudu 2 Bukaan 90° Ketinggian 3 Lubang Buang 6 cm

Putaran (rpm) ω rad/s Torsi(Nm) P air(watt) P turbin(watt) Efisiensi(%)

71.8 7.515067 0.004979 18.60963 0.037414 0.201048

58.7 6.143933 0.355613 18.60963 2.184859 11.74048

19.8 2.0724 0.711225 18.60963 1.473943 7.920325

1 0.104667 1.066838 18.60963 0.111662 0.600025

Sudu 2 Bukaan 30 ° Ketinggian 1 Lubang Buang 7 cm

Putaran (rpm) ω rad/s Torsi(Nm) P air(watt) P turbin(watt) Efisiensi(%)

66 6.908 0.004267 5.359375 0.029479 0.550043

14.8 1.549067 0.355613 5.359375 0.550867 10.27858

1 0.104667 0.782348 5.359375 0.081886 1.527897

Sudu 2 Bukaan 60 ° Ketinggian 1 Lubang Buang 7 cm

Putaran (rpm) ω rad/s Torsi(Nm) P air(watt) P turbin(watt) Efisiensi(%)

75 7.85 0.004979 10.648 0.039082 0.367034

56.4 5.9032 0.355613 10.648 2.099252 19.71499

20 2.093333 0.711225 10.648 1.488831 13.98226

1.2 0.1256 1.066838 10.648 0.133995 1.258403

Sudu 2 Bukaan 90 ° Ketinggian 1 Lubang Buang 7 cm

Putaran (rpm) ω rad/s Torsi(Nm) P air(watt) P turbin(watt) Efisiensi(%)

77 8.059333 0.00569 18.60963 0.045856 0.24641

64 6.698667 0.355613 18.60963 2.38213 12.80052

23.1 2.4178 0.711225 18.60963 1.7196 9.240379

Sudu 2 Bukaan 30 ° Ketinggian 2 Lubang Buang 7 cm Putaran (rpm) ω rad/s Torsi(Nm) P air(watt) P turbin(watt) Efisiensi(%)

65.2 6.824267 0.004267 5.359375 0.029122 0.543376

14 1.465333 0.355613 5.359375 0.521091 9.722978

1 0.104667 0.782348 5.359375 0.081886 1.527897

Sudu 2 Bukaan 60 ° Ketinggian 2 Lubang Buang 7 cm

Putaran (rpm) ω rad/s Torsi(Nm) P air(watt) P turbin(watt) Efisiensi(%)

74.1 7.7558 0.004979 10.648 0.038613 0.36263

55.4 5.798533 0.355613 10.648 2.062031 19.36543

19.2 2.0096 0.711225 10.648 1.429278 13.42297

1.1 0.115133 1.066838 10.648 0.122829 1.153536

Sudu 2 Bukaan 90 ° Ketinggian 2 Lubang Buang 7 cm

Putaran (rpm) ω rad/s Torsi(Nm) P air(watt) P turbin(watt) Efisiensi(%)

76.2 7.9756 0.00569 18.60963 0.04538 0.24385

63.2 6.614933 0.355613 18.60963 2.352353 12.64052

22.4 2.344533 0.711225 18.60963 1.667491 8.960367

1.6 0.167467 1.066838 18.60963 0.17866 0.960039

Sudu 2 Bukaan 30 ° Ketinggian 3 Lubang Buang 7 cm

Putaran (rpm) ω rad/s Torsi(Nm) P air(watt) P turbin(watt) Efisiensi(%)

64 6.698667 0.004267 5.359375 0.028586 0.533375

12.9 1.3502 0.355613 5.359375 0.480148 8.95903

1 0.104667 0.782348 5.359375 0.081886 1.527897

Sudu 2 Bukaan 60 ° Ketinggian 3 Lubang Buang 7 cm

Putaran (rpm) ω rad/s Torsi(Nm) P air(watt) P turbin(watt) Efisiensi(%)

73.1 7.651133 0.004979 10.648 0.038092 0.357736

54.1 5.662467 0.355613 10.648 2.013644 18.91101

18.2 1.904933 0.711225 10.648 1.354836 12.72386

1 0.104667 1.066838 10.648 0.111662 1.048669

Sudu 2 Bukaan 90 ° Ketinggian 3 Lubang Buang 7 cm

Putaran (rpm) ω rad/s Torsi(Nm) P air(watt) P turbin(watt) Efisiensi(%)

75 7.85 0.00569 18.60963 0.044665 0.24001

62.1 6.4998 0.355613 18.60963 2.31141 12.42051

21.3 2.2294 0.711225 18.60963 1.585605 8.520349

LAMPIRAN II