Rancang Bangun Turbin Tesla Sebagai Turbin Air Dan Analisa Perbandingan Variasi Jumlah Disk dan Jarak Antar Disk
LAMPIRAN
LAMPIRAN I DATA HASIL PENGUJIAN TURBIN TESLA PADA HEAD 9,41 METER DENGAN MENGGUNAKAN 1 NOSEL
(2)
(3)
PENGUJIAN DAN PERHITUNGAN TURBIN TESLA DENGAN JUMLAH DAN JARAK DISK YANG BERBEDA
(25 DISK 2 MM TEBAL DAN 24 CELAH 1 MM JARAK ANTAR DISK) Beban
(N)
Putaran Turbin (rpm)
Ωro2
(m2/detik)
Ωri2
(m2/detik)
Torsi (Nm)
Ƞ turbin (%)
Daya turbin (W)
0 400 0.654 0.038 0.644 27.96 7.541 10 393 0.643 0.037 0.633 26.99 7.027 20 380.7 0.623 0.036 0.613 25.33 6.188 30 393.4 0.643 0.037 0.634 27.04 7.056 40 385 0.630 0.036 0.620 25.90 6.472 50 368.3 0.602 0.035 0.593 23.70 5.420 60 329 0.538 0.031 0.530 18.91 3.451 70 279.1 0.456 0.026 0.450 13.61 1.787 80 195.5 0.320 0.018 0.315 6.68 0.430 90 136.9 0.224 0.013 0.220 3.28 0.103 100 92.1 0.151 0.009 0.148 1.48 0.021 110 59.3 0.097 0.006 0.096 0.61 0.004
120 0 0 0 0 0 0
PENGUJIAN DAN PERHITUNGAN TURBIN TESLA DENGAN JUMLAH DAN JARAK DISK YANG BERBEDA
(19 DISK 2 MM TEBAL DAN 18 CELAH 2 MM JARAK ANTAR DISK) Beban
(N)
Putaran Turbin (rpm)
Ωro2
(m2/detik)
Ωri2
(m2/detik)
Torsi (Nm)
Ƞ turbin (%)
Daya turbin (W)
0 420 0.687 0.040 0.676 30.83 9.166 10 417 0.682 0.039 0.672 30.39 8.907 20 405 0.662 0.038 0.652 28.66 7.925 30 383.1 0.627 0.036 0.617 25.65 6.345 40 362.3 0.593 0.034 0.584 22.94 5.075 50 340.7 0.557 0.032 0.549 20.28 3.969 60 320 0.523 0.030 0.515 17.89 3.089 70 291.2 0.476 0.027 0.469 14.82 2.118 80 262.6 0.429 0.025 0.423 12.05 1.401 90 220.9 0.361 0.021 0.356 8.53 0.701 100 148.7 0.243 0.014 0.239 3.86 0.144 110 81.3 0.133 0.008 0.131 1.16 0.013
120 0 0 0 0 0 0
Medan, 16 November 2015 Asisten Laboratorium Andriyan
(4)
(5)
(6)
DAFTAR PUSTAKA
1. Allan, Sterling D. 2007. "Tesla Turbine : Engine of the 21st Century" Pure Energy Systems News.
2. Boyd, K. E.and Rice, W., “Laminar Flow of an Incompressible Fluid Between Rotating Disks with Full Peripheral Admission,”ASME Transactions : Journal of Applied Science, Vol. 35, No. 2, Jun. 1968, pp. 229-237.
3. Bryan P. Ho-Yan (2011). “Tesla Turbine for Pico Hydro Applications”, University of Guelph, Guelph, Ontario,N1G 2W1, Canada.
4. Diestzel F. 1996. Turbin Pompa dan Kompressor. Edisi Kelima. Jakarta : Erlangga.
5. Guha, A. and Smiley, B, “Experiment and Analysis for an Improved Design of the Inlet and Nozzle in Tesla Disc Turbines,”Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A : Journal of Power and Energy, Vol. 224, Sep. 2009, pp. 261–277.
6. Hoya, G. P., and Guha, A., “The Design of a Test Rig and Study of the Performance and Efficiency of a Tesla Disc Turbine,” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A : Journal of Power and Energy, Vol. 223, Dec. 2008, pp. 451–465.
7. Krisna, Vencat, Vikram Reddy, & S Rajeshwer. 2011. Design Of Tesla Turbine.
(7)
8. Lawn, M. J. and Rice, W., “Calculated Design Data for the Multiple-disk Turbine Using Incompressible Fluid,” ASME Transactions : Journal of Fluids Engineering, Vol. 96, No. 3, Sep. 1974, pp. 252-258.
9. Munson, B., Young, B., Okiishi, T., Fundamentals of Fluid Mechanics, 4th Edition, John Wiley & Sons, New York, 2002, pp. 476-477, 493.
10. North, R. C., “An Investigation of the Tesla Turbine,” Ph.D. Dissertation, Mechanical Engineering Dept., University of Maryland, College Park, MD, 1969.
11. Rice, W., “An Analytical and Experimental Investigation of Multiple-disk Turbines,” ASME Transactions : Journal of Engineering for Power, Vol. 87, No. 1, Jan. 1965, pp. 29–36.
12. Rice,W., “Tesla Turbomachinery,” In E. Logan & R. Roy (Eds.), Handbook of Turbomachinery, Marcel Dekker, New York : 2003, pp. 861–874.
13. Sularso. 1997. Dasar Perancangan dan Pemilihan Elemen Mesin. Jakarta : PT. Pradnya Paramita.
14. Suryanto. 1995. Elemen Mesin 1. Bandung : Unit Penerbit Politeknik. 15. Tesla, N., United States Patent “Turbine,” No. 1061206, May 6, 1913. 16. Williams, A.A., Upadhyay, D. R., Demetriades, G. M., Smith, N.P.A.,
“Low Head Pico Hydropower: A Review of Available Turbine Technologies,” 6th World Renewable Energy Congress, Pergamon, Amsterdam, NL, 2000, pp. 1475-1480.
(8)
BAB III
METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN
3.1 KONSEP DASAR PERANCANGAN DAN PENGUJIAN
3.1.1 UMUM
Turbin tesla merupakan salah satu turbin yang memanfaatkan energi fluida dan viskositas fluida untuk menggerakkan turbin. Pada uji eksperimen turbin tesla, prinsip kerja turbin tesla, yaitu diberi jatuhan air dari ketinggian (head) tertentu untuk mumukul kumpulan piringan (disk) yang disusun secara paralel sehingga poros yang tersambung dengan piringan berputar.
3.1.2 RANCANG BANGUN TURBIN TESLA
Dalam uji eksperimental turbin tesla ini, dibuat turbin tesla, adapun beberapa pekerjaan yang dilakukan adalah :
• Pembuatan piringan (disk) dari bahan plat besi. • Pembuatan celah (space) dari bahan plat besi. • Pembuatan poros dari bahan stell 42.
(9)
Gambar 3.1. Turbin tesla sebelum dirakit
Gambar 3.2. Turbin tesla setelah dirakit
(10)
Uji eksperimental turbin tesla pada head 9,41 meter dengan menggunakan satu nosel dan analisa perbandingan variasi jumlah disk dan jarak antar disk, dilakukan di Laboratorium Mesin Fluida, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara sebagai simulasi atau pengkondisian dari air terjun yang berada di alam.
Rancang bangun instalasi pemipaan uji eksperimental turbin tesla terdapat pada lantai tiga. Ketinggian instalasi yang terdapat pada lantai lantai tiga adalah 9,41 meter (diukur dari lubang keluaran tempat penampungan atas (TPA) ke poros mulut nosel . Panjang pipa, diukur dari lantai tiga adalah sepanjang 11,62 meter. Adapun tujuan rancang bangun instalasi pipa adalah sebagai bentuk simulasi dari suatu aliran sungai atau aliran air terjun dengan ketinggian H.
Beberapa instalasi yang telah ada pada lantai tiga laboratorium dengan ketinggian 9,41 meter. Adapun penambahan beberapa instalasi yang dilakukan adalah:
• Instalasi saluran perpipaan untuk lantai tiga. • Instalasi nosel.
• Instalasi dudukan pengujian Turbin Tesla. • Instalasi saluran buangan air pada Turbin Tesla.
Aliran air yang digunakan berasal dari tempat penampungan bawah (TPB) - terletak di lantai satu laboratorium - dipompakan ke tempat penampungan atas (TPA) oleh satu unit pompa pengumpan. Kapasitas aliran (debit) air yang akan diumpankan dapat diatur melalui sebuah katup pengatur (gate valve) sesuai dengan kebutuhan. Gaya gravitasi
(11)
menyebabkan fluida cair mengalir dari satu tempat yang relatif tinggi menuju tempat yang relatif lebih rendah. Aliran air yang jatuh dari TPA melalui pipa pesat (penstock) memiliki energi potensial sehingga akan menimbulkan daya air yang diberikan kepada turbin tesla sebagai energi input. Kemudian daya air ini akan masuk melalui nosel pada Turbin Tesla menabrak piringan dan berputar secara periode melalui celah-celah piringan. Maka zat cair mendorong piringan-piringan agar dapat berputar sehingga daya diberikan untuk memutar poros turbin tesla. Zat cair yang keluar setelah menabrak piringan dan berputar melalui celah-celah dan rumah turbin akan disalurkan keluar Turbin Tesla melalui lubang-lubang tiap piringan yang disusun secara paralel kemudian keluar dari lubang yang ada pada rumah turbin (casing).
Dari uraian di atas, jelas bahwa penggunaan turbin tesla dapat mengubah energi potensial menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros.
(12)
Gambar 3.3. Instalasi pipa untuk turbin tesla
3.2 PERALATAN PENGUJIAN
3.4.1 Hand Tachometer
Alat ini digunakan untuk mengukur putaran (rpm) poros turbin tesla. Dalam uji eksperimental turbin tesla ini hand tachometer yang digunakan adalah Krisbow KW06-303 dengan spesifikasi :
(13)
Ketelitian (akurasi) : ± 0,05% + 1 digit Range : autorange
Sampling time : 0,8 s (over 60 rpm)
Gambar 3.4. Hand Tachometer
3.4.2 Meteran
Meteran pada uji eksperimental turbin tesla ini digunakan untuk mengukur panjang dalam instalasi pipa, instalasi dudukan turbin tesla dan mengukur tinggi permukaan air pada tempat penampungan atas (TPA) dan tempat penampungan bawah (TPB).
Gambar 3.5. Meteran
(14)
Pompa ini digunakan untuk mengumpankan air dari tempat penampungan bawah (TPB) ke tempat penampungan atas (TPA). Dalam uji eksperimental turbin tesla ini, pompa pengumpan yang digunakan adalah pompa sentrifugal 6 (enam) inchi dengan daya motor penggerak (P) 5,5 kW, putaran (n) 1440 rpm dan dihubungkan secara direct drive.
Gambar 3.7. Pompa Pengumpan
3.3 PELAKSANAAN PENGUJIAN
Uji eksperimental turbin tesla pada head 9,41 meter dan analisa perbandingan jumlah disk dan jarak antar disk di Laboratorium Mesin Fluida, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Pengukuran-pengukuran yang dilakukan tehadap penelitian ini meliputi pengukuran putaran (rpm) poros turbin tesla dengan menggunakan Hand Tachometer selanjutnya secara teoritis dihitung kapasitas, torsi, daya dan efisiensi turbin.
Sebelum dilakukan pengujian turbin tesla dan pengambilan data, terlebih dahulu dilakukan pemeriksaan (checking) terhadap beberapa instalasi dan peralatan, yang meliputi :
(15)
1. Pemeriksaan debit air di dalam tempat penampungan bawah (TPB) dan debit air di dalam tempat penampungan atas (TPA).
2. Pemeriksaan pipa penghubung antara TPB dan TPA, serta membuka keran pengatur (gate valve) kapasitas air pada pompa pengumpan. 3. Pemeriksaan katup (valve) untuk pengujian lantai dua atau lantai tiga. 4. Pemeriksaan katup pada turbin tesla.
5. Pemeriksaan poros turbin tesla.
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 tesla ini adalah sebagai berikut : 1. Katup pada sisi masuk nosel dibuka 100 %.
2. Pengujian pertama dilakukan untuk jumlah disk dan jarak antar disk yang berbeda (24 disk tebal 2 mm dan 24 celah jarak 1 mm antar disk). 3. Sebelum pompa pengumpan dihidupkan, terlebih dahulu keran pengatur
(gate valve) dibuka supaya umur pemakaian pompa pengumpan lebih lama.
4. Dilakukan monitoring terhadap ketinggian air di dalam TPA sesuai dengan data pengujian yang dibutuhkan (80 cm).
5. Setelah ketinggian air di TPA dan aliran air pada pipa pengumpan konstan, maka dilakukan pengujian serta pengambilan data terhadap pengukuran putaran (rpm) pada poros turbin tesla dengan Hand Tachometer.
(16)
6. Pengujian kedua dilakukan untuk jumlah disk dan jarak antar disk yang sama (19 disk tebal 2 mm dan 18 celah jarak 2 mm antar disk).
7. Melakukan kembali pengukuran seperti prosedur pengujian sebelumnya berulang-ulang sebanyak tiga kali untuk mendapatkan data pengujian yang lebih akurat.
Besaran-besaran yang diukur dan dicatat meliputi putaran poros turbin tesla (rpm).
Dari putaran di atas dan dari spesifikasi turbin yang telah ditentukan secara teoritis melalui rumus dapat dihitung besaran turunan lainnya seperti :
1. Kecepatan air keluar nosel 2. Kapasitas air
3. Torsi turbin
4. Efisiensi Turbin Tesla 5. Daya Turbin Tesla
(17)
Flow chart Uji eksperimental turbin tesla sebagai turbin air dan anilsa perbandingan variasi jumlah disk dan jarak antar disk pada head 9,41
meter dengan menggunakan satu nosel
```
Survey Tempat Perancangan dan
Perancangan Turbin Tesla
1. Perancangan Instalasi Pemipaan 2. Perencanaan Turbin
3. Perencanaan Poros 4. Perencanaan Bantalan 5. Perencanaan Mur dan Baut
Pelaksanaan Pengujian
Pengambilan Data Hasil
Pengujian
Perhitungan dan Analisa Hasil
Pengujian
Penulisan Laporan Hasil
Pengujian
Kesimpulan dan Saran Mulai
(18)
BAB IV
DATA HASIL PENELITIAN DAN ANALISA
4.1 DATA HASIL PERHITUNGAN
4.1.1 PERHITUNGAN PADA INSTALASI PIPA
A. Kecepatan air keluar nosel pada Head 9,41 meter
� = ���2.�.�
� = 0,98�2 . 9,81 . 9,41 � = 0,98√184
� = 13,316 �/�����
B. Kapasitas air pada Head 9,41 meter
� = � .� � =�
4�
2.�
� = � 40,01
2. 13,316
� = 0,001045 �3/����� = 1,045 �/�����
4.1.2 PERHITUNGAN PADA TURBIN TESLA
A. Turbin tesla dengan tebal dan jarak disk yang berbeda (25 disk tebal 2 mm dan 24 celah jarak 1 mm antar disk)
Spesifikasi turbin tesla adalah sebagai berikut : • Diameter disk, D = 250 mm
(19)
• Jari-jari luar, ro = 125 mm = 0,125 m
• Jari-jari dalam, ri = 30 mm = 0,03 m
• Jarak antar disk (celah), b = 1 mm = 0,001 m • Jumlah disk = 25
• Jumlah celah = 24
Pada putaran poros turbin, Ω = 400 rpm 1. Kecepatan tangensial disk turbin tesla
a. Kecepatan tangensial luar, vo
�� =� . ��
�� =
2�� 400
60 0,125 = 5,233 �/�����
b. Kecepatan tangen sial dalam, vi �� =� . ��
�� =
2�� 400
60 0,03 = 1,256 �/�����
2. Torsi turbin
�= −(�� . �� − �� . ��) �� atau �= (�� . ��− �� . ��) ��
�
= [(5,233 � 0,125)
−(1,256 � 0,03)] 0,001045 � 1000 = (0,654−0,0377) 1,045
(20)
= 0,616 � 1,045 = 0,644 �.m
3. Efisiensi turbin
� = ��
����
� = 0,644 � 41,867
1000 � 9,81 � 9,41 � 0,001045 � = 26,962
96,661 = 0,2789
4. Daya turbin
� = ���
� = 0,2789 � 0,644 � 41,867 � = 7,519 �
B. Turbin tesla dengan tebal dan jarak disk yang sama (19 disk tebal 2 mm dan 18 celah jarak 2 mm antar disk)
Spesifikasi turbin tesla adalah sebagai berikut : • Diameter disk, D = 250 mm
• Tebal disk = 2 mm
• Jari-jariluar, ro = 125 mm = 0,125 m
• Jari-jaridalam, ri = 30 mm = 0,03 m
• Jarakantar disk (celah), b = 2 mm = 0,002 m • Jumlah disk = 19
(21)
Pada putaran poros turbin, Ω = 420 rpm 1. Kecepatan tangensial disk turbin tesla
a. Kecepatan tangensial luar, vo
�� =� . ��
�� =
2�� 420
60 0,125 = 5,495 �/�����
b. Kecepatan tangensial dalam, vi �� =� . ��
�� =
2�� 420
60 0,03 = 1,319 �/�����
2. Torsi turbin
�= −(�� . �� − �� . ��) �� atau �= (�� . ��− �� . ��) ��
�
= [(5,495 � 0,125)
−(1,319 � 0,03)] 0,001045 � 1000 = (0,687−0,0396) 1,045
= 0,647 � 1,045 = 0,676 �.m
3. Efisiensi turbin
� = ��
(22)
� = 0,676 � 41,867
1000 � 9,81 � 9,41 � 0,001045 � = 29,717
96,661 = 0,3074
4. Daya turbin
� = ���
� = 0,3074 � 0,676 � 41,867 � = 9,148 �
4.1.3 PERHITUNGAN PADA POROS
A. Daya rencana poros
�� = �� . �
Daya untuk 1 disk turbin adalah 7,519. Untuk 25 disk turbin, maka dayanya adalah :
P = jumlah disk x PT
P = 25 x 7,519 = 187,975 W P = 0,187975 kW
Dari tabel 2.1 diambil faktor koreksi pada daya normal yaitu 1,4 maka, daya rencana poros adalah :
�� = 1,4 � 0,187975
�� = 0,263165 kW
(23)
�= 9,74 � 105�� �
Momen puntir poros pada putaran 400 rpm :
�= 9,74 � 105 0,263165 400
�= 640,807 kg.mm
C. Tegangan geser ijin bahan
�� = ����
1 . ��2
Bahan poros turbin tesla adalah bahan ST37, sehingga : • Kekuatan tarik, ��= 37 kg/mm2
• Faktor keamanan puntir, Sf1 = 6,0
• Faktor keamanan akibat pengaruh konsentrasi tegangan, Sf2 =
3,0
Maka, tegangan geser ijin bahan adalah :
�� = 6 37� 3 = 2,05 kg/mm2
D. Diameter poros
�� = ( 5,1�
� �� . �� . � ) 1 3
(24)
• Faktor koreksi terjadinya beban lentur, Cb = 1,5
• Faktor koreksi terhadap momen puntir, Kt = 2,0
Maka, diameter minimal poros turbin adalah :
�� =�2,055,1 1,5 � 2,0 � 640,807�
1 3
�� = (4782,608)
1 3
�� = 16,85 mm
Gambar 4.1. Poros.
E. Pemeriksaan kekuatan poros 1. Tegangan geser pada poros
�� =
16 � � . ��3 �� = 16 ��� 640,807 16,853
�� =10252 ,91215022 ,055
�� = 0,6825 kg/mm2
Menurut hasil yang diperoleh dari perhitungan di atas, terlihat bahwa tegangan geser yang terjadi lebih kecil dari tegangan geser yang
(25)
diijinkan, ��<��. Dengan hasil ini maka dapat disimpulkan bahwa poros ini aman untuk digunakan pada turbin yang dirancang untuk memindahkan daya dan putaran yang telah ditentukan.
2. Gaya tangensial poros
�� =��� . ��
�2�
�� =�16,85 640,807� 3�
�� = 12,676 kg
4.1.4 PERHITUNGAN PADA BANTALAN
Direncanakan jenis bantalan poros adalah bantalan gelinding jenis bantalan bola untuk diameter lubang sebesar 17 mm yang terdapat pada tabel 2.2 bab 2, yaitu :
• Nomor bantalan : 6203ZZ • Diameter lubang (d) : 17 mm • Diameter luar (D) : 40 mm • Lebar bantalan (B) : 12 mm • Radius (r) : 1 mm
• Kapasitas nominal spesifik dinamis (C) : 750 kg • Kapasitas nominal spesifik statis (Co) : 460 kg
1. Beban ekuivalen dinamis P = X . V. Fr + Fa .Y
(26)
Gaya radial adalah gaya yang tegak lurus garis singgung, gaya ini menuju titik pusat poros.
�� = ��
�� = 640,80716,85/2 = 76,06 kg
Gaya aksial adalah gaya yang bekerja sejajar dengan poros.
�� =��
�� =640,80775 = 8,54kg
Pada tabel 2.3 bab 2, diperoleh :
V = 1 X = 0,56 Y =1,9 Xo = 0,6 Yo = 0,5
Maka, beban ekuivalen dinamis adalah : P = (0,56 x 1 x 76,06) + (8,54 x 1,9) P = 42,5936 + 16,226
P = 58,82 kg
2. Faktor kecepatan (fn)
�� =�33,3� �
1 3
Untuk putaran 400 rpm. Maka, faktor kecepatan (fn) adalah :
�� =�33,3400�
1 3
(27)
3. Faktor umur (fh)
�ℎ = ����
Untuk putaran 400 rpm. Maka, faktor umur (fh) adalah :
�ℎ = 0,436 58,82750 = 5,56
4. Umur bantalan (Lh)
�ℎ = 500 �ℎ3
Untuk putaran 400 rpm. Maka, umur bantalan (Lh) adalah :
�ℎ = 500 � 5,563 = 85.909 jam
Gambar 4.2. Komponen bantalan gelinding.
4.1.5 PERHITUNGAN PADA MUR DAN BAUT
1. Tegangan geser ijin bahan
(28)
Kekuatan tarik untuk bahan ST37, ��= 37 kg/mm2. Faktor keamanan baut direncanakan sebesar 6,0. Maka, tegangan geser ijin bahan adalah :
�� = 376 = 6,16 kg/mm2
2. Diameter ulir (dc)
�� =�2 ���
Beban aksial pada baut sama dengan gaya aksial yang ditimbulkan oleh poros turbin yaitu sebesar 8,54 kg, sehingga diameter batang ulir adalah :
�� =�2 �6,16 8,54
�� =√2,72 = 1,665 mm
3. Diameter luar batang baut (d)
� = 1,25 ��
� = 1,25 . 1,665 = 2,08 mm
Dari tabel 2.4 bab 2, penggunaan mur dan ulir dapat dilihat untuk d = 2,08 mm diambil M 2 dengan diameter luarnya 2,0 mm.
4.2 ANALISA DATA
A. Tabel hasil pengujian dan perhitungan
1. Turbin tesla dengan tebal dan jarak disk yang berbeda (25 disk tebal 2 mm dan 24 celah jarak1 mm)
Tabel 4.1. Tabel pengujian dan perhitungan turbin tesla dengan tebal dan jarak disk yang berbeda.
Beban (N)
Putaran turbin (rpm)
Ω . ro2
(m2/detik)
Ω . ri2
(m2/detik)
Torsi (Nm)
� turbin (%)
Daya turbin (W)
(29)
0 400 0.654 0.038 0.644 27.96 7.541 10 393 0.643 0.037 0.633 26.99 7.027 20 380.7 0.623 0.036 0.613 25.33 6.188 30 393.4 0.643 0.037 0.634 27.04 7.056 40 385 0.630 0.036 0.620 25.90 6.472 50 368.3 0.602 0.035 0.593 23.70 5.420 60 329 0.538 0.031 0.530 18.91 3.451 70 279.1 0.456 0.026 0.450 13.61 1.787 80 195.5 0.320 0.018 0.315 6.68 0.430 90 136.9 0.224 0.013 0.220 3.28 0.103 100 92.1 0.151 0.009 0.148 1.48 0.021 110 59.3 0.097 0.006 0.096 0.61 0.004
120 0 0 0 0 0 0
2. Turbin tesla dengan tebal dan jarak disk yang sama (19 disk tebal 2 mm dan 18 celah jarak 2 mm)
Tabel 4.2. Tabel pengujian dan perhitungan turbin tesla dengan tebal dan jarak disk yang sama.
Beban (N)
Putaran turbin (rpm)
Ω . ro2
(m2/detik)
Ω . ri2
(m2/detik)
Torsi (Nm)
� turbin (%)
Daya turbin (W)
0 420 0.687 0.040 0.676 30.83 9.166 10 417 0.682 0.039 0.672 30.39 8.907 20 405 0.662 0.038 0.652 28.66 7.925 30 383.1 0.627 0.036 0.617 25.65 6.345 40 362.3 0.593 0.034 0.584 22.94 5.075 50 340.7 0.557 0.032 0.549 20.28 3.969 60 320 0.523 0.030 0.515 17.89 3.089 70 291.2 0.476 0.027 0.469 14.82 2.118 80 262.6 0.429 0.025 0.423 12.05 1.401 90 220.9 0.361 0.021 0.356 8.53 0.701 100 148.7 0.243 0.014 0.239 3.86 0.144 110 81.3 0.133 0.008 0.131 1.16 0.013
120 0 0 0 0 0 0
B. Grafik hasil pengujian dan perhitungan 1. Grafik hubungan putaran vs torsi
(30)
akan semakin naik jika putaran juga naik. Dan turbin tesla dengan jumlah dan jarak disk yang sama mempunyai putaran dan torsi tertinggi.
Gambar 4.3. Grafik hubungan putaran vs torsi
2. Grafik hubungan putaran vs efisiensi
Pada gambar gambar 4.4 menjelaskan bahwa nilai efisiensi turbin akan semakin naik jika putaran juga naik. Dan turbin tesla dengan jumlah dan jarak disk yang sama mempunyai putaran dan efisiensi tertinggi.
-0,1 6E-16 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
T o rs i (N m ) Putaran (rpm) PENGUJIAN DAN PERHITUNGAN TURBIN TESLA DENGAN JUMLAH DAN JARAK DISK YANG BERBEDA
PENGUJIAN DAN PERHITUNGAN TURBIN TESLA DENGAN JUMLAH DAN JARAK DISK YANG SAMA
(31)
Gambar 4.4. Grafik hubungan putaran vs efisiensi
3. Grafik hubungan putaran vs daya
Pada gambar gambar 4.5 menjelaskan bahwa nilai daya turbin akan semakin naik jika putaran juga naik. Dan turbin tesla dengan jumlah dan jarak disk yang sama mempunyai putaran dan daya tertinggi.
Gambar 4.5. Grafik hubungan putaran vs daya
0 5 10 15 20 25 30 35
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
E fi si e n si ( % ) Putaran (rpm) PENGUJIAN DAN PERHITUNGAN TURBIN TESLA DENGAN JUMLAH DAN JARAK DISK YANG BERBEDA
PENGUJIAN DAN PERHITUNGAN TURBIN TESLA DENGAN JUMLAH DAN JARAK DISK YANG SAMA 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
D a y a ( W ) Putaran (rpm) PENGUJIAN DAN PERHITUNGAN TURBIN TESLA DENGAN JUMLAH DAN JARAK DISK YANG BERBEDA
PENGUJIAN DAN PERHITUNGAN TURBIN TESLA DENGAN JUMLAH DAN JARAK DISK YANG SAMA
(32)
4. Grafik hubungan daya vs efisiensi
Pada gambar gambar 4.6 menjelaskan bahwa nilai efisiensi turbin akan semakin naik jika putaran juga naik. Dan turbin tesla dengan jumlah dan jarak disk yang sama mempunyai daya dan efisiensi tertinggi.
Gambar 4.6.Grafik hubungan daya vs efisiensi
0 5 10 15 20 25 30 35
0 2 4 6 8 10
E fi si e n si ( % ) Daya (W) PENGUJIAN DAN PERHITUNGAN TURBIN TESLA DENGAN JUMLAH DAN JARAK DISK YANG BERBEDA
PENGUJIAN DAN PERHITUNGAN TURBIN TESLA DENGAN JUMLAH DAN JARAK DISK YANG SAMA
(33)
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 KESIMPULAN
1. Perancangan instalasi pemipaan
a. Kecepatan air keluar nosel, V = 13,316 m/detik b. Kapasitas air, Q = 1,045 L/detik
2. Perencanaan turbin
a. Turbin tesla dengan tebal dan jarak disk yang berbeda (25 disk tebal 2 mm dan 24 celah jarak 1 mm antar disk) menghasilkan : • Putaran turbin, Ω = 400 rpm
• Torsi, T = 0,644 Nm • Daya, P = 7,519 W • Efisiensi, � = 27,89 %
b. Untuk turbin tesla dengan tebal dan jarak disk yang sama (19 disk tebal 2 mm dan 18 celah jarak 2 mm antar disk) menghasilkan : • Putaran turbin, Ω = 420 rpm
• Torsi, T = 0,676 Nm • Daya, P = 9,148 W • Efisiensi, � = 30,74 %
3. Perencanaan poros
(34)
b. Momen puntir poros, T = 640,8 kg.mm c. Tegangan geser ijin bahan, �� = 2,05 kg/mm2 d. Diameter poros, ds = 16,85 mm
e. Tegangan geser pada poros, �� = 0,682 kg/mm2 f. Gaya tangensial poros, Fp = 12,676 kg
4. Perencanaan bantalan
a. Beban ekuivalen dinamis, P = 58,82 kg b. Faktor kecepatan, fn = 0,436
c. Faktor umu, fn = 5,56
d. Umur bantalan, Lh = 85.909 jam
5. Perencanaan mur dan ulir
a. Tegangan geser ijin bahan, �� = 6,16 kg/mm2 b. Diameter ulir, dc = 1,665 mm
c. Diameter luar ulir, d = 2,08 mm
5.2 SARAN
1. Untuk meningkatkan efisiensi perlu dilakukan penelitian lebih lanjut yaitu dengan merubah diameter serta mengurangi beban dari disk turbin.
2. Perlu dilakukan pengujian dengan menggunakan alat-alat penelitian seperti alternator atau generator listrik sehingga dapat diperoleh daya yang lebih akurat.
(35)
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 TINJAUAN UMUM TURBIN TESLA
Turbin Tesla merupakan salah satu turbin yang memanfaatkan energi fluida dan viskositas fluida untuk menggerakkan turbin. Konsep turbin tesla ditemukan pertama kali oleh Nikola Tesla. Nikola Tesla lahir pada tanggal 9 Juli 1856, di Smitjan, Kroasia.
Turbin tesla pertama kali dibuat pada tahun 1906 oleh Julius C. Czito, menggunakan 8 buah piringan yang berdiameter 15,2 cm dengan berat kurang dari 4,5 kg dapat membangkitkan daya sebesar 30 Hp dengan putaran maksimum mencapai 35.000 rpm. Pada tahun 1910 Czito dan Tesla membuat model yang lebih besar dengan piringan berdiameter 30,5 cm. Putarannya hanya mencapai 10.000 rpm dan menghasilkan daya sebesar 100 Hp. Lalu pada tahun 1911 mereka membuat model dengan diameter piringan sebesar 24,8 cm, putarannya berkurang menjadi 9.000 rpm tetapi daya yang dihasilkan malah semakin besar yakni sebesar110 Hp.
Dengan kesuksesan tersebut, Tesla berhasil membuat unit ganda yang lebih besar dan dicoba untuk diterapkan menggunakan uap sebagai penggeraknya, dengan diameter piringan sebesar 45,7 cm. Selama masa percobaan Turbin Tesla tersebut mampu mencapai putaran 9.000 rpm dan menghasilkan daya sebesar 200 Hp.
(36)
Gambar 2.1. Turbin tesla yang pertama dibuat.
(Sumber :
Pada tahun 2006 Turbin tesla telah dikembangkan oleh Allan Park yang berkebangsaan Amerika menggunakan udara bertekanan yang menggunakan piringan harddisk berjumlah 11 keping dengan celah sebesar 0,05 inchi mampu mencapai putaran 15.000 rpm dengan torsi rendah.
Gambar 2.2. Turbin tesla menggunakan udara bertekanan.
(Sumber :
Tenaga penggerak turbin tesla selama ini hanya menggunakan fluida gas dan udara bertekanan. Belum ada penelitian yang mengembangkan turbin tesla sebagai turbin air. Padahal air memiliki
(37)
potensi yang jauh lebih besar dari uap atau udara karena massa jenis air adalah 1.000 kali dari massa jenis udara. Selain itu sumber daya air sangat potensial dan lebih banyak digunakan oleh masyarakat.
2.2 HUKUM MEKANIKA FLUIDA
2.2.1 Sifat Fluida Air
Fluida merupakan suatu zat yang mempunyai kemampuan berubah secara kontinyu apabila mengalami geseran, atau mempunyai reaksi terhadap tegangan geser sekecil apapun. Dalam keadaan diam atau dalam keadaan seimbang, fluida tidak mampu menahan gaya geser yang bekerja padanya, oleh sebab itu fluida mudah berubah bentuk tanpa terjadi pemisahan massa.
Fluida dibagi atas dua jenis yaitu, gas yang tidak mempunyai permukaan bebas, dan massanya selalu berkembang mengisi seluruh volume ruangan, serta dapat dimampatkan. Sedangkan cairan mempunyai permukaan bebas, dan massanya akan mengisi ruangan sesuai dengan volumenya, serta tidak termampatkan.
A. Massa Jenis
Density atau massa jenis adalah suatu ukuran dari konsentrasi massa dan dinyatakan dalam bentuk massa tiap satuan volume. Massa jenis dapat dinyatakan dalam tiga bentuk yaitu :
(38)
1. Massa jenis (ρ
)
Perbandingan jumlah massa dengan jumlah volume. Dapat dirumuskan dalam persamaan berikut :
�= ����������������� =�� ����3� ………..(1)
Dimensi dari densitas ini adalah ML-3. Harga standar pada tekanan p = 1,013 x 106 N/m2 dan temperature T = 288,15 K untuk air adalah 1000 kg/m3.
2. Berat spesifik
Berat spesifik adalah nilai densitas massa dikalikan dengan gravitasi, dapat dirumuskan dengan persamaan :
� =� .� ���3� ……….(2)
Dimensi dari berat spesifik ini adalah ML-3T-2 dimana nilai air adalah 9,81 x 103 N/m3.
B. Viskositas
Viskositas merupakan ukuran kekentalan suatu fluida. Makin besar viskositas suatu fluida maka makin sulit fluida mengalir dan makin sulit suatu benda bergerak di dalam fluida tersebut. Di dalam zat cair dihasilkan oleh gaya kohesi antara molekul zat cair. Viskositas tergantung pada temperatur, untuk cairan semakin tinggi temperatur maka semakin rendah viskositas cairan tersebut.
(39)
Viskositas kinematik (�) adalah ratio dari viskositas terhadap massa jenis (ρ) :
�=�� = �� �.�.��
�3
=��2 =���������(�) (�)
………(3)
Viskositas kinematik juga merupakan ukuran tahanan dalam dari aliran zat cair oleh bobotnya sendiri dengan satuan Centi Stoke (cSt). Satu cSt sama dengan 0,01 stoke atau dalam satuan Sistem Internaional (SI) dinyatakan dalam 1 mm2/s.
Viskositas dinamik (µ) adalah perbandingan tegangan geser dengan laju perubahannya, besarnya nilai viskositas dinamik air pada temperatur standar lingkungan (27o C) adalah 8,6 x 10 -4 kg/m.s.
�= ��� �� = � �2 � ��� =�.�
�2 =
��
�.� ………(4)
Viskositas dinamik juga merupakan ukuran tahanan dalam aliran zat cair oleh gaya dari luas dengan satuan Centi Poise (cP). Satu Centi Poise sama dengan 0,01 poise atau dalam satuan Sistem Internasional (SI) dinyatakan sebagai 1 milli Pascal-sec (mPa-s).
2.2.2 Alir an Fluida
Bilangan Reynolds adalah bilang tidak berdimensi yang menyatakan perbandingan gaya-gaya inersia terhadap viskositas. Rumus bilangan Reynolds umumnya diberikan sebagai berikut:
(40)
�� = �����=��� =��������������������� ………(5)
Dimana :
Re = Bilangan Reynolds
vs = Kecepatan fluida (m/s)
L = Panjang karakteristik (m)
μ = Viskositas absolut fluida dinamis (kg/m.s)
� = Viskositas kinematik fluida = μ / ρ
ρ = Kerapatan (densitas) fluida (kg/m3)
Aliran fluida air terbagi akibat perbedaan kecepatan, debit dan massa jenisnya. Aliran fluida dapat dikategorikan :
1. Aliran laminar
Aliran laminar adalah aliran dimana tidak terjadinya percampuran antara satu lapisan aliran dengan lapisan yang lain pada suatu fluida saat fluida tersebut dialirkan, oleh karena itu kecepatan aliran ini lambat sehingga kerugian berbanding lurus dengan kecepatan rata-rata.
Gambar 2.3. Aliran laminar.
(Sumber :
2. Aliran turbulen
(41)
Aliran turbulen adalah aliran dimana lapisan-lapisan batas aliran telah bercampur saat fluida tersebut mengalir. Kecepatan aliran ini lebih tinggi dari aliran laminar karena kerugian yang ditimbulkan sebanding dengan kuadrat kecepatan.
Gambar 2.4. Aliran turbulen.
(Sumber :
3. Aliran transisi
Aliran transisi merupakan aliran peralihan dari aliran laminar ke aliran turbulen. Hasil perhitungan berdasarkan eksperimen didapatkan ketentuan bahwa untuk bilangan Reynold diasumsikan bahwa :
- 0 > Re≤ 2300, aliran disebut laminar
- 2300 >Re≤ 4000, disebut aliran transisi antara laminar dan turbulen
- Re > 4000, aliran turbulen.
2.2.3 Persamaan Aliran Fluida
Debit merupakan besaran yang menyatakan volume fluida yang mengalir melalui suatu penampang dengan ukuran tertentu per satuan waktu.
�= � . �………..(6) Dimana :
(42)
� = Kecepatan (m/s) A = Luas penampang (m2)
Massa fluida yang bergerak tidak berubah ketika mengalir. Fakta ini membawa pada hubungan kuantitatif penting yang disebut persamaan kontinuitas.
Gambar 2.5. Laju aliran massa
(Sumber :
Pada gambar 2.5 menjelaskan bahwa volume fluida yang mengalir selang rentang waktu pada luasan A1 akan memiliki jumlah luasan
yang sama dengan volume yang mengalir pada A2. Dengan demikian : �1�1�1 =�2�2�2 ………...(7)
Karena massa jenis flluida sama maka persamaan bisa ditulis :
�1�1 =�2�2 ………..(8)
2.2.4 Head Turbin
Head turbin dapat juga disebut sebagai tinggi jatuh air dan sering dinotasikan sebagai H. Head turbin dapat ditentukan berdasarkan
(43)
persamaan Bernoulli. Menurut persamaan Bernoulli besar energi aliran adalah :
� =��� +��� +��2
2 ………...(9)
Dimana :
W = Energi Aliran (Nm) m = Massa (kg)
z = Selisih ketinggian (m)
(tinggi air atas – tinggi air bawah) h = Ketinggian(m)
p = Tekanan (Pa) c = Kecepatan (m/detik)
Jika pada aliran tersebut m = 1 kg, maka energi spesifiknya :
�= ��+ �� + �2 2 (�
�
��) …….………(10)
Bila energi spesifik tersebut dibagi dengan gravitasi maka ketinggian :
� =�+ ��� + 2��2 =�������(m) ………(11)
Dimana :
z Adalah ketinggian dari suatu tempat yang dipakai sebagai standar
�
�� Dinamakan tinggi tekanan �2
(44)
Gambar 2.6. Diagram Bernoulli untuk turbin air
(Sumber :
Pada gambar 2.6 menjelaskan bahwa pada tiap saat dan tiap posisi yang ditinjau dari suatu aliran di dalam pipa tanpa gesekan yang tidak bergerak, akan mempunyai jumlah energi ketinggian tempat, tekanan dan kecepatan yang sama besarnya. Hal ini sesuai dengan Bunyi Persamaan Bernoulli.
Persamaan momentum untuk pipa yang dialiri fluida, dimana sifat fluida konstan sebagai berikut :
�1
γ +
�12
2� +�1 = �2
γ +
�22
2� +�2+ �� ……….….(12)
Saat head loses akibat gesekan tidak diperhitungkan, maka persamaan momentum akan berubah menjadi persamaan Bernoulli. Persamaan ini ditemukan pada aliran fluida yang tidak mengalami gesekan.
�1
γ +
�12
2� +�1 = �2
γ +
�22
2� +�2 ………(13)
(45)
�1
γ +
�12
2� +�1 = �3
γ +
�32
2� +�3+ ���� ……...………(14)
Persamaan momentum untuk titik 2 dan 3, diperoleh :
�2
γ +
�22
2� +�2 = �3
γ +
�32
2� +�3+ ���� …….….……(15)
Keterangan :
p = Tekanan absolut (N/m2) v = Kecepatan (m/detik) Hl = Head loses pada pipa (m)
Heff = Head efektif (m)
Untuk kondisi-kondisi instalasi turbin air di atas dimana :
• Untuk waduk (reservoir titik 1) kecpatan V1≈ 0.
• �1
γ −
�3
γ = 0, (pressure grade adalah nol).
Maka,
���� = (�1− �2)− �22
2� − �� (1−2) ………...(16)
Head losses yang terjadi pada saluran pipa :
1. Mayor losses yang terjadi akibat gesekan aliran dalam satuan pipa
ℎ� = 10,666 .�
1,85
�1,85 .�4,85 �………...(17)
2. Minor losses yang terjadi akibat adanya perlengkapan (equipment) pipa, seperti belokan (elbow), valve, saringan dan peralatan lainnya.
ℎ� =∑ �× �2
2
(46)
2.3 TURBIN TESLA
2.3.1 Sejarah Turbin Tesla
Konsep Tesla dibuat pertama kali oleh Nikola Tesla. Nikola Tesla lahir pada tanggal 9 Juli 1856, di Smitjan, Kroasia. Tesla merupakan ilmuan jenius, hampir semua penemuan elektrik berasal dari penemuannya, seperti halnya motor listrik, arus AC, dan Tesla coil.
Gambar 2.7. Nikola Tesla.
(Sumber :
Awalnya Tesla merupakan generator listrik. Tesla dibuat sebagai pembangkit listrik seperti halnya altenator atau generator. Pada tahun 1909, Nikola Tesla memanfaatkan dari konsep tersebut diaplikasikan dengan sistem kerja sama dengan turbin, dengan memanfaatkan steam atau uap untuk menggerakkan turbin tesla. Saat itu hasil percobaannya menghasilkan daya 200 HP (149,2 kW) dan mencapai 16.000 rpm.
(47)
Gambar 2.8. Pengaplikasian Tesla pada turbin uap.
(Sumber :
Pada pemanfaatannya turbin tesla dengan menggunakan fluida berupa uap panas dapat mencapai efisiensi hingga 95 %.
2.3.2 Bagian-Bagian Turbin Tesla
Gambar 2.9. Bagian-bagian dari tubin tesla.
(48)
1. Piringan (disk) turbin
Piringan (disk) turbin pada turbin tesla merupakan piringan bulat yang disusun bertumpuk pada satu sumbu poros. Pada satu disk terdapat lubang tempat keluarnya fluida saat turbin beroperasi. Jumlah dan bentuknya lubang bermacam-macam sesuai keinginan atau kebutuhan sehingga jika fluidanya berupa air keluarannya menjadi teratur. Kendala yang dihadapi dalam pembuatan disk turbin tesla adalah bagaimana membuat blade yang benar-benar bulat dan presisi serta bahannya yang tidak dapat ditentukan jenisnya, hal inilah yang menyebabkan biaya produksinya tinggi.
Gambar 2.10. Piringan (disk) turbin.
2. Celah (space)
Celah (space) merupakan jarak antar disk dari turbin. Pada turbin tesla biasanya besar celah dibuat sekecil mungkin sehingga susunan disk dibuat serapat mungkin. Celah ini merupakan tempat lajunya air sehingga disk dan poros turbin berputar.
(49)
Gambar 2.11. Celah (space).
3. Poros (shaft)
Poros turbin tesla merupakan inti dari rangkaian turbin tesla yang tersusun dari berberapa disk dan celah, ukurannya disesuaikan pada pusat disk dan celah. Kekuatan poros turbin harus lebih besar dari beratnya jumlah disk dan celah sehingga pemakaiannya dapat bertahan lama.
Gambar 2.12. Poros.
4. Nosel
Nosel merupakan tempat keluarnya fluida berupa cair maupun uap atau gas dari pompa atau kompresor. Pada turbin tesla nosel biasanya terdapat pada casing yang merupakan inlet atau tempat masuknya fluida ke turbin.
(50)
Gambar 2.13. Nosel.
5. Rumah turbin (casing)
Rumah turbin tesla selain sebagai tempat nosel terpasang juga berfungsi menangkap dan membelokkan percikan aliran air sehingga baik disk maupun pancaran tidak terganggu. Ruangan pada rumah turbin dan disk diusahakan dibuat agak sekecil mungkin supaya percikan aliran air tadi dapat mengalir secara teratur.
(51)
2.3.3 Cara Kerja Turbin Tesla
Turbin tesla dapat disebut juga dengan turbin bladeness karena pada turbin tesla menggunakan piringan yang polos tidak seperti turbin pada umumnya yang menggunakan sudu pada turbin agar fluida memberikan tekanan pada sudu hingga memutarkan rotor. Tetapi turbin tesla memanfaatkan efek dari fluida yang menghambat pada celah antar piringan akibat dari viskositas, sehingga memanfaatkan efek boundary layer yaitu efek lapisan batas interaksi antara media fluida terhadap blade atau piringan.
Gambar 2.15. Viskositas fluida pada dua plat.
(sumber :
Fluida bertekanan masuk pada tiap piringan, kemudian akibat adanya tekanan adhesi dan viskositas pada fluida terhadap permukaan piringan membuat laju fluida terhambat sehingga memberi gaya pada tiap piringan, dan piringan berputar. Piringan tersusun secara paralel dengan pembatas dari piringan tersebut berupa ring poros.
(52)
Gambar 2.16. Laju aliran fluida yang bekerja pada turbin.
(Sumber :
Media fluida akan melewati piringan blade tesla membentuk lingkaran spiral menuju pusat piringan blade tesla dan kemudian akan keluar pada lubang exhaust yang terletak di bawah box turbin.
Kecepatan putar dan daya yang dihasilkan pada turbin berdasarkan dari masukan input, diameter piringan blade tesla, dan jarak antar piringan blade tesla. Untuk input-an fluida dapat diatur sesuai yang diinginkan, namun untuk diameter piringan dan jarak antar piringan harus sesuai untuk menghasilkan output yang optimum. Jarak antar piringan tergantung media fluida yang akan digunakan.
2.3.4 Keunggulan Turbin Tesla
Salah satu keunggulan dari tesla dibandingkan dengan turbin yang lain yaitu dapat digunakan dengan media fluida cair ataupun dengan media fluida udara karena dengan bentuk blade yang tipis seperti piringan
(53)
compact disk, dapat dilalui oleh fluida apapun. Media yang digunakan mempengaruhi celah antar blade. Tetapi dalam pengembangannya sebagai bentuk prototype-nya turbin tesla menggunakan gas sebagai medianya. Dengan gas sebagai media lebih praktis dan mudah, karena udara cocok untuk percobaan prototype yang sederhana dan kecil, dan tidak membutuhkan tempat keluaran dari turbin berbeda jika menggunakan media cair yang membutuhkan tempat keluaran.
Gambar 2.17. Perbandingan efisiensi.
(Sumber :
Pada gambar 2.17 menjelaskan bahwa jenis mesin bladed turbine efisiensinya hanya mencapai 22 %. Untuk gas piston efisiensinya mencapai 32 %, mesin diesel 42 %, fuel cell 50 % dan turbin tesla 60 %. Ini membuktikan bahwa jenis tesla mempunyai efisiensi lebih besar daripada jenis mesin atau turbin lainnya.
(54)
Perkembangan tesla pada zamannya mempunyai tingkatan efisiensi yang tinggi dari pada turbin yang lain yaitu sekitar 60% hingga 95 %, namun dalam turbin tesla efisiensi yang dihasilkan tidak selalu mencapai 60%. Hal ini disebabkan input yang berupa gas bertekanan tidak sebanding dengan daya yang dihasilkan kecil. Sebaliknya dengan input yang lebih besar dan generator yang besar maka efisiensi yang dihasilkan pun menjadi besar.
2.3.5 Metode Perhitungan
Waren Rice (1965) telah menulis pada Experimental and Analytical Investigation of Tesla Turbines. Analisis jumlah data yang terlibat ekstensif mengakibatkan kumpulan data yang tidak lengkap dipublikasikan. Program menggunakan Mathlab diciptakan untuk menerapkan karyanya ke desain ini. Program ini divalidasi dengan membandingkan hasil di lapangan.
Analisis model sifat aliran antara 2 co-rotating disk, kemudian diperpanjang untuk beberapa jarak disk. Beberapa idealisasi dianggap : - Aliran gesekan terjadi melalui nosel ke disk dalam celah.
- Cairan Uniform diberikan pada jari-jari luar disk.
- Secara aksial simetris, arus 2 dimensi terjadi di pesawat dari disk. - Seluruh volume antara disk diisi dengan air.
- Kehalusan disk secara paralel berputar dengan sudut kecepatan konstan. - Rumah rotor tidak membatasi gerak dan bebas dari kebocor analiran
(55)
Persamaan Rice (1965) diawali gerak aliran fluida antara disk berdasarkan unsur cairan yang dibatasi oleh spasi disk yang solid, dengan jari-jari luar ro, dan ketebalan b. Gaya dianggap sebagai tekanan dan gaya
tegangan geser dengan gaya body diabaikan untuk menyederhanakan analisis. Persamaan gerak non-berdimesi adalah sebagai berikut :
��
�� +
�
�−
����
4���� ��
���� − �� �1 +�
2�� ��2�
� � �
2���
���� − �� 2
��
1 2
= 0 …….(19)
1
��2�
�2
���
�� − �
� 2�� ��2�� �
1 �3� − �
��
����
2
���2� −��� 4� �
� 2�� ��2��
2 �1
�2� �1 +
�2�� ��2�
� �
2
�2���
���� − �� 2
�
1 2
= 0...………(20)
Gambar 2.18. Sistem kordinat yang digunakan di seluruh analisis.
Pada gambar 2.18 menjelaskan sistem kordinat dari disk turbin tesla dimana y adalah rasio kecepatan tangensial, x adalah kordinat radial berdimensi, Ω adalah kecepatan sudut, vo adalah kecepatan tangensial luar.
Pada persamaan Q adalah debit aliran disk spasi tunggal dan pr adalah
(56)
dari aliran melalui turbin dan Persamaan (20) menjelaskan perubahan tekanan radial.
Dalam persamaan di atas, parameter turbin berdimensi termasuk juga :
- Faktor Gesekan, f - Aspek rasio, ��
�
- Rasio kecepatan, ���
��
- Parameter debit aliran, �
���3
Dalam analisis Rice kombinasi yang berbeda dari nilai-nilai untuk parameter turbin di atas digunakan untuk analisis. Solusi untuk setiap kombinasi telah ditemukan. Program Mathlab digunakan untuk menyelesaikan persamaan diferensial biasa di atas, nilai-nilai kecepatan berdimensi y dan perubahan tekanan dalam arah radial Δpr ditentukan untuk
diberikan nilai-nilai kordinat non-dimensi x.
Jumlah perubahan tekanan Δpt melalui turbin ditentukan dengan
menambah Δpr dengan nilai perubahan tekanan akibat nosel Δpn. Persamaan
umum dalam bentuk berdimensi diperoleh dari :
∆��
��2�
�2= −
1 2�� �� ���� 2 +� �
2�� ��2��
2
� ……….(21)
∆��
��2�
�2= ∆��
��2�
�2+
∆��
��2�
�2 ………...……...(22)
Berikut ini nilai-nilai energi berdimensi W ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut :
(57)
� �2�
�2 =� ��
����(1− ��) ……….(23)
Efisiensi η sebagai rasio energi berdimensi terhadap perubahan total tekanan, dihitung :
� = � �2��2
Δp�
� �2��2
………(24)
Untuk mengkarakterisasi aliran melalui turbin bilangan Reynolds Re dihitung dengan menerapkan kerapatan ρ, viskositas dinamis μ, kecepatan luar vo, dan diameter hidrolik = 2b, sesuai untuk aliran melalui
lebar saluran persegi panjang (Munson, etal, 2002).
�� = ����2� ………(25)
Rice (1965) telah mengamati bahwa dengan menurunnya
Q/Ωro3, efisiensi menurun. Perlu dicatat bahwa torsi T dan daya P juga
fungsi dari parameter laju aliran sebagai berikut :
�= − (���� − ����)�� ……….(26)
Secara teori analisis Rice (1965) maka daya turbin tesla adalah :
� =���………..(27)
2.4 DASAR PEMILIHAN TURBIN
2.4.1 Perencanaan Turbin
(58)
� = ���2.�.� ………...(28) Dimana :
V = Kecepatan air keluar nosel (m/detik) Cv = Koefisien kecepatan = 0,97 s.d 0,99
g = Percepatan gravitasi bumi = 9,81 m/detik2 H = Head ketinggian air jatuh (m)
B. Debit aliran air
� = � .� ……….(29)
Dimana :
Q = Kapasitas aliran air (m3/detik) A = Luas penampang nosel (m2)
=
�4
�
2V = Kecepatan air keluar nosel (m/detik)
C. Kecepatan anguler disk turbin
� =2�Ω
60 ………....(30)
Dimana :
� = Kecepatan anguler disk turbin (rad/detik) d = Diameter disk turbin (m)
(59)
D. Kecepatan tangensial disk turbin
�= ��Ω
60 ……….(31)
atau
�= � .� ………...(32) Dimana :
v = Kecepatan tangensial disk turbin (m/detik) D = Diameter disk turbin (m)
Ω = Putaran poros turbin (rpm)
ω = Kecepatan anguler disk turbin (rad/detik) r = Jari-jari disk turbin (m)
Pada turbin tesla kecepatan tangensial yang terjadi adalah : 1. Kecepatan tangensial luar
�� =���
Dimana :
vo = Kecepatan tangensial luar (m/detik) ω = Kecepatan anguler disk turbin (rad/detik) ro = Jari-jari luar (rpm)
2. Kecepatan tangensial dalam
�� =���
Dimana :
(60)
ω = Kecepatan anguler disk turbin (rad/detik) ri = Jari-jari dalam (rpm)
E. Torsi turbin
�= − (���� − ����) ��= (���� − ����) ��
………...…...33) Dimana :
T = Torsi turbin (Nm)
vo = Kecepatan tangensial luar (m/detik)
ro = Jari-jari luar (m)
vi = Kecepatan tangensial dalam (m/detik)
ri = Jari-jari dalam (m)
Q = Debit aliran air (m3/detik)
� = Massa jenis air = 1000 kg/m3
F. Efisiensi turbin
� = � �2��2
Δp�
� �2��2
= � ��
� ���(1−��) Δp�
� �2��2
= ��
����
……….(35)
Dimana :
(61)
T = Torsi turbin (Nm)
Ω = Putaran poros turbin (rpm)
� = Massa jenis air = 1000 kg/m3
g = Percepatan gravitasi bumi = 9,81 m/detik2 H = Head ketinggian air jatuh (m)
Q = Kapasitas aliran air (m3/detik)
G. Daya turbin
� =���
………...……….(34) Dimana :
P = Daya turbin
� = Efisiensi turbin T = Torsi turbin (Nm)
Ω = Putaran poros turbin (rpm)
2.4.2 Perencanaan Poros
Poros merupakan salah satu bagian yang terpenting dari setiap mesin. Hampir semua mesin meneruskan daya bersama-sama dengan putaran. Peranan utama dalam mentransmisikan putaran dan daya seperti itu dipegang oleh poros.
(62)
Poros untuk meneruskan daya diklasifikasikan menurut pembebanannya, sebagai berikut :
1. Poros Transmisi
Poros transmisi mendapatkan beban puntir saja atau puntir dan lentur dan pengaplikasiannya, tetapi ada juga poros transmisi yang mengalami pembebanan berupa puntir, lentur, dan aksial. Poros seperti itu biasanya terdapat pada turbin dimana gaya aksial terjadi karena tumbukan dari fluida kerja yang mengenai sudu.
2. Poros Spindel
Spindel adalah poros yang ukurannya lebih pendek dari poros transmisi. Fungsinya untuk meneruskan putaran sehingga mendapatkan pembebanan puntir. Poros ini harus memiliki kekakuan yang tinggi, karena ditempatkan pada daerah yang kritis. Pengaplikasiannya seperti pada mesin perkakas atau pada poros motor penggerak. Poros spindel dianggap menerima puntiran saja.
3. Poros Gandar
Pada poros jenis ini pembebanan yang terjadi adalah lentur murni, dimana tidak mendapat beban puntir, kadang-kadang tidak boleh berputar. Gandar hanya mendapat beban lentur, kecuali jika digerakkan oleh penggerak mula dimana akan mengalami beban puntir juga.
Menurut bentuknya, gandar dapat digolongkan atas poros lurus umum, poros engkol, poros luwes untuk transmisi daya kecil, dan lain-lain.
(63)
Karena poros gandar tidak boleh berputar sehingga dianggap hanya menerima beban lentur saja.
B. Hal-hal Penting Dalam Perencanaan Poros
Untuk merencanakan sebuah poros hal-hal sebagai berikut perlu diperhatikan:
1. Kekuatan Poros 2. Kekakuan Poros 3. Putaran Kritis 4. Korosi
5. Bahan Poros
Untuk menentukan diameter poros harus ditentukan terlebih dahulu hal-hal berikut :
1. Daya Rencana Poros
Untuk menghitung diameter poros yang diperlukan, maka harus dihitung terlebih dahulu daya rencana yaitu dengan persamaan berikut ini :
�� = �� .� ………(36)
Dimana :
Pd = Daya rencana (kW)
fc = Faktor koreksi
P = Daya alternator (kW)
Faktor koreksi yang diperlukan untuk menghitung daya rencana yang diperlukan terdapat pada tabel 2.1 berikut ini.
(64)
Tabel 2.1. Faktor-faktor koreksi daya (fc)
(Sumber : Sularso, 1994 : 7)
Daya yang ditransmisikan Faktor koreksi (fc) Daya rata-rata yang diperlukan 1,2 – 2,0
Daya maksimum yang diperlukan 0,8 – 1,2
Daya normal 1,0 – 1,5
2. Momen Puntir Poros
Setelah melakukan perhitungan besar daya rencana, maka momen puntir dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut :
�= 9,74 . 105��
� ………..(37)
Dimana :
T = Momen puntir (kg.mm) Pd = Daya rencana turbin (kW)
n = Putaran turbin (rpm)
3. Tegangan Geser Ijin Bahan
Untuk menghitung tegangan geser ijin bahan, maka perlu diketahui terlebih dahulu kekuatan tarik bahan poros. Persamaan untuk menghitung tegangan geser ijin bahan adalah sebagai berikut :
�� = ����
1. ��2
………...(38) Dimana :
(65)
�� = Tegangan geser ijin bahan (kg/mm2) �� = Kekuatan tarik bahan (kg/mm2) ��1 = Faktor keamanan puntir
��2 = Faktor keamanan akibat pengaruh konsentrasi
tegangan dengan harga antara 1,3 – 3,0
4. Diameter Poros
Dalam perencanaan poros ini diperkirakan akan terjadi beban lentur maka akan dipertimbangkan pemakaian faktor Cb yang harganya
antara 1,2 sampai 2,3 dan harga Kt harus diperhatikan yang harganya antara
1,5 sampai 3,0 serta Momen puntir dan beban aksial akibat tumbukan dari fluida kerja yang mengenai blade, sehingga diameter poros dihitung dengan persamaan :
�� = ( 5,1�� �� . �� . � )
1
3 ………....…………...……….(39) Dimana :
ds = Diameter poros (mm)
�� = Tegangan geser yang diijinkan (kg/mm2)
�� = Faktor koreksi untuk kemungkinan terjadinya beban
lentur yang harganya 1,2 – 2,3
�� = Faktor koreksi terhadap momen puntir yang besarnya :
1,0 jika beban dikenakan halus
1,0 – 1,5 jika terjadi sedikit kejutan atau tumbukan 1,5 – 3,0 jika beban dikenakan kejutan atau tumbukan T = Momen puntir (kg.mm)
(66)
C. Pemeriksaan Kekuatan Poros
Hasil diameter poros yang dirancang harus diuji kekuatannya. Pemeriksaan dapat dilakukan dengan memeriksa tegangan geser yang terjadi akibat tegangan puntir yang dialami poros. Jika tegangan geser lebih besar dari tegangan geser ijin dari bahan tersebut, maka perancangan akan dikatakan gagal.
Beberapa hal dalam pemeriksan kekuatan poros adalah sebagai berikut :
1. Tegangan Geser Pada Poros
Bila momen puntir T (kg.mm) dibebankan pada suatu diameter poros maka tegangan geser ��(kg/mm2) yang terjadi dihitung dengan persamaan berikut :
�� = �16 . ���3 ………...(40) Dimana :
τp = Tegangan geser akibat momen puntir (kg/mm2)
T = Momen puntir yang ditransmisikan (kg.mm) ds = Diameter poros (mm)
2. Gaya Tangensial Poros
Gaya tangensial poros dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut :
�� =��� . ���
2�
(67)
Dimana :
Fp = Gaya tangensial poros (kg)
T = Momen puntir (kg.mm) ds = Diameter poros (mm)
��2 = Faktor keamanan akibat pengaruh konsentrasi tegangan
dengan harga antara 1,3 – 3,0
2.4.3 Perencanaan Bantalan
Bantalan adalah elemen mesin yang menumpu poros berbeban, sehingga putaran atau gerak bolak-balik dapat bekerja dengan aman, halus dan panjang umur. Bantalan harus kokoh untuk memungkinkan poros atau elemen mesin lainnya dapat bekerja dengan baik. Jika bantalan tidak bekerja dengan baik, maka prestasi kerja seluruh sistem akan menurun atau tidak dapat bekerja semestinya. Jadi, jika disamakan pada gedung, maka bantalan dalam permesinan dapat disamakan dengan pondasi pada suatu gedung.
A. Klasifikasi Bantalan
Berdasarkan dasar gerakan bantalan terhadap poros, maka bantalan dapat diklasifikasikan sebagai berikut :
1. Bantalan luncur
Bantalan luncur mampu menumpu poros berputaran tinggi dengan beban yang besar. Bantalan ini memiliki konstruksi yang sederhana dan dapat dibuat dan dipasang dengan mudah. Bantalan luncur memerlukan momen awal yang besar karena gesekannya yang besar pada waktu mulai
(68)
jalan. Pelumasan pada bantalan ini tidak begitu sederhana, gesekan yang besar antara poros dengan bantalan menimbulkan efek panas sehingga memerlukan suatu pendinginan khusus.
Gambar 2.19. Pelumasan bantalan luncur.
Lapisan pelumas pada bantalan ini dapat meredam tumbukan dan getaran sehingga hampir tidak bersuara. Tingkat ketelitian yang diperlukan tidak setinggi bantalan gelinding sehingga harganya lebih murah. Adapun macam-macam dari bantalan luncur adalah sebagai berikut :
a. Bantalan radial b. Bantalan aksial c. Bantalan khusus
2. Bantalan gelinding
Pada bantalan ini terjadi gesekan gelinding antara bagian yang berputar dengan yang diam melalui elemen gelinding seperti bola (peluru), rol jarum dan rol bulat. Bantalan gelinding pada umumnya cocok untuk beban kecil daripada bantalan luncur, tergantung pada bentuk elemen gelindingnya. Putaran pada bantalan ini dibatasi oleh gaya sentrifugal yang timbul pada elemen gelinding tersebut. Bantalan gelinding hanya dibuat
(69)
oleh pabrik-pabrik tertentu saja karena konstruksinya yang sukar dan ketelitiannya yang tinggi. Harganya pun pada umumnya relatif lebih mahal jika dibandingkan dengan bantalan luncur.
Jenis bantalan yang digunakan sesuai dengan diameter poros terdapat pada tabel 2.2 di bawah ini.
Tabel 2.2. Data spesifikasi bantalan (Sumber : Sularso, 1994 : 143)
(70)
Gambar 2.20. Macam-macam bantalan gelinding.
(Sumber : Sularso, 1994 : 129)
B. Rumus Perhitungan Bantalan
Rumus perhitungan bantalan gelinding antara lain mengenai : 1. Beban ekuivalen dinamis
(71)
Dimana :
P = Beban ekuivalen dinamis (kg) Fr = Beban radial (kg)
Fa = Beban aksial (kg)
Tabel 2.3. Faktor-faktor V, X, Y dan Xo, Yo (Sumber : Sularso, 1994 : 135)
X,V,Y = Faktor-faktor yang mempengaruhi perhitungan beban ekuivalen dinamis terdapat pada tabel 2.4
2. Faktor kecepatan (fn)
3 / 1
3 , 3 3
=
n
(72)
Dimana :
fn = Faktor kecepatan
n = Kecepatan poros (rpm)
3. Faktor umur (fh)
P c fn
fh= ……….………(44)
Dimana :
fh = Faktor umur
fn = Faktor kecepatan
c = Kapasitas nominal dinamis spesifik (kg) P = Beban ekuivalen dinamis (kg)
4. Umur bantalan (Lh)
Lh = 500 3
fh
………(45) Dimana :Lh = Umur bantalan (jam)
fh = Faktor umur
2.4.4 Perencanaan Mur dan Baut
Mur dan Baut merupakan salah satu alat pengikat yang sering digunakan. Untuk mencegah kecelakaan atau kerusakan pada mesin, pemilihan mur dan baut sebagai alat pengikat harus dilakukan dengan kebutuhan rangkaian.
(73)
Menurut pemakaiannya, baut dapat dibedakan menjadi : 1. Baut Jepit
Baut jepit dapat berbentuk :
a. Baut tembus : Untuk menjepit dua bagian melalui lubang tembus, dimana jepitnya diletakkan pada mur.
b. Baut Tap : Untuk menjepit dua bagian, dimana jepitan diletakkan dengan ulir ditapkan pada salah satu bagian.
c. Baut Tanam : Merupakan baut tanpa kepala dan berulur pada kedua ujungnya. Untuk dapat menjepit bagian baut ditanam pada salah satu bagian yang mempunyai lubang bentuk, dan jepitan diletakkan dengan mur.
Gambar 2.21. Baut penjepit.
(Sumber : Sularso, 1994 : 293)
Pada gambar 2.17 di bawah ini diperlihatkan macam-macam kerusakan yang terdapat pada baut.
(74)
Gambar 2.22. Jenis-jenis kerusakan pada baut.
(Sumber : Sularso, 1994 : 296)
2. Mur
Pada umumnya mur mempunyai bentuk segi enam. Tetapi untuk pemakaian khusus dapat dipakai mur sebagai berikut :
Gambar 2.23. Macam-macam mur.
(Sumber : Sularso, 1994 : 295)
Penggunaan mur dan baut yang sesuai dengan diameter ulirnya terlihat pada tabel 2.5.
(75)
Tabel 2.4. Ukuran standar ulir kasar metris (JIS B 0205) (Sumber : Sularso, 1994 : 289)
Untuk menentukan ukuran Mur dan Baut, berbagai faktor harus diperhatikan seperti sifat gaya yang bekerja, syarat kerja, kekuatan bahan dan kelas ketelitian. Adapun gaya-gaya yang bekerja pada Mur dan Baut berupa :
(76)
a. Beban statis aksial murni
b. Beban aksial bersama dengan beban puntir c. Beban geser
d. Beban aksial tumbukan
Persamaan-persamaan yang digunakan untuk menentukan diameter ulir pada perencanaan Mur dan Baut sebagai berikut :
�� ≥ ����4 �� 0,64 ……….(46)
Atau
�� ≥ �2 ��� ……….(47)
Dan, �� = 0,8 � ………...(48)
Sehingga, � = 1,25 �� .………..(49) Dimana :
dc = Diameter batang ulir (mm)
d = Diameter luar ulir (mm)
W = Beban tarik aksial pada baut (kg)
�� = Tegangan geser yang diijinkan (kg/mm2)
Harga �� tergantung dari macam bahan, yaitu SS, SC atau SF. Jika ditulis tinggi faktor keamanan dapat diambil sebesar 6-8 dan jika difinis biasa besarnya antara 8-10. Untuk baja liat yang mempunyai kadar karbon 0,2 – 0,3 (%), tegangan yang diijinkan �� umumnya adalah sebesar 6 kg/mm2 jika difinis tinggi dan 4,86 kg/mm2 jika difinis biasa.
(77)
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Perkembangan teknologi semakin pesat, hal ini menandakan kebutuhan energi semakin banyak. Ketersediaan dari sumber energi yang tidak dapat diperbaharui semakin menipis sedangkan permintaan semakin besar. Sumber energi yang terbarukan seperti energi potensial pada air merupakan sumber energi terbarukan yang bisa dimanfaatkan. Di Indonesia, sumber air sangatlah melimpah, banyak sekali aliran-aliran sungai besar yang bisa dimanfaatkan sebagai sumber energi. Untuk memanfaatkan energi fluida tersebut memerlukan mesin konversi berupa turbin untuk mengubah energi fluida menjadi energi mekanik, sehingga pada penelitian kali ini dicoba untuk membuat skripsi yang berjudul “
RANCANG BANGUN
TURBIN TESLA SEBAGAI TURBIN AIR DAN ANALISA
PERBANDINGAN VARIASI JUMLAH DISK DAN
JARAK
”.Turbin Tesla merupakan suatu mesin yang merubah energi fluida menjadi energi mekanik dengan menggunakan blade yang berupa piringan bulat yang disusun bertumpuk pada satu sumbu poros dengan besar celah tertentu. Menurut penelitian yang telah dilakukan, turbin Tesla memiliki nilai efisiensi sebesar 60% (Allan, Sterling D. 2007). Selama ini turbin tesla banyak diterapkan pada turbin uap yang digunakan sebagai
(78)
penggerak generator. Kendala yang dihadapi dalam pembuatan turbin tesla adalah bagaimana membuat blade yang benar-benar bulat dan presisi, hal inilah yang menyebabkan biaya produksinya tinggi. Selain itu, penentuan besar celah sangat penting terhadap besarnya gaya putar yang bisa dihasilkan dengan melihat kondisi viskositas air.
Turbin Tesla ini telah diangkat sebagai judul skripsi dengan menggunakan ketinggian air jatuh sebagai fluida penggeraknya.
Pengembangan turbin tesla menggunakan fluida air diharapkan dapat diaplikasikan sebagai pembangkit energi yang terbarukan dan ramah lingkungan serta dapat menjadi bahan pembelajaran dan penelitian lebih lanjut.
1.2 MAKSUD DAN TUJUAN PERANCANGAN
Maksud dan tujuan dari skripsi ini adalah merancang dan membangun serta mengetahui kinerja/performansi dari turbin tesla.
1.3 BATASAN MASALAH
Karena luasnya permasalahan ini, maka perancangan dan pengujian ini dibatasi pada :
1. Pengujian turbin tesla menggunakan 25 disk dengan tebal disk 2 mm dan 24 celah jarak 1 mm antar disk.
2. Pengujian turbin tesla menggunakan 19 disk dengan tebal disk 2 mm dan 18 celah jarak 2 mm antar disk.
(79)
4. Pada analisis perhitungan dibatasi hanya membahas putaran, momen torsi, daya dan efisiensi yang dihasilkan pada turbin tesla secara teoritis dan kecenderungan yang terjadi pada turbin tesla.
1.4 SISTEMATIKA PENULISAN
Laporan ini adalah buku skripsi yang terdiri atas beberapa bab, yaitu :
1. BAB I PENDAHULUAN
Pada bab ini dijelaskan mengenai latar belakang, maksud dan tujuan, batasan masalah, serta sistematika penulisan.
2. BAB II LANDASAN TEORI
Pada bab ini dijelaskan mengenai tinjauan umum turbin tesla, hukum mekanika fluida, pengertian turbin tesla, dan dasar pemilihan turbin. 3. BAB III METODOLOGI PERANCANGAN DAN PENGUJIAN
Pada bab ini dijelaskan mengenai konsep dasar perancangan, peralatan pengujian, dan pelaksanaan pengujian.
4. BAB IV DATA HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA
Pada bab ini dijelaskan mengenai data hasil pengujian turbin tesla dan analisa data serta grafik hasil pengujian.
5. BAB V PENUTUP
Pada bab ini dijelaskan mengenai kesimpulan dan saran. 6. DAFTAR PUSTAKA
(80)
ABSTRAK
Turbin tesla merupakan turbin yang memiliki bentuk yang unik dan sifat yang khusus. Adapun sifat yang dimiliki oleh Turbin Tesla adalah mempunyai putaran yang sangat tinggi dalam bentuk yang kecil serta fluida yang beragam dengan memanfaatkan viskositas dan laju aliran fluida dalam gesekan ruang tertentu menjadikan kelebihan turbin tesla, tetapi turbin tesla mempunyai kelemahan yaitu torsi yang rendah. Umumnya turbin tesla menggunakan uap atau udara bertekanan sebagai media penggeraknya, namun pada rancang bangun ini dicoba untuk aplikasi fluida air dengan head ketinggian sebagai tinggi air jatuhnya. Penelitian ini melewati tahap studi literatur untuk menghitung secara teoritis, tahap perancangan turbin, perancangan poros, perancangan bantalan, perancangan mur dan baut serta performansi turbin tesla yang meliputi putaran, torsi, daya dan efisiensi turbin tesla. Hasil perhitungan secara teoritis didapatkan bahwa untuk turbin tesla dengan tebal dan jarak disk yang berbeda menghasilkan putaran 400 rpm dan daya sebesar 7,519 W serta efisiensi 27,89 %. Sedangkan untuk turbin tesla dengan tebal dan jarak disk yang sama menghasilkan putaran 420 rpm dan daya sebesar 9,418 W serta efisiensi 30,74 %.
(81)
RANCANG BANGUN TURBIN TESLA SEBAGAI TURBIN
AIR DAN ANALISA PERBANDINGAN VARIASI
JUMLAH DISK DAN JARAK ANTAR DISK
SKRIPSI
Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
OLEH :
DADI RIZALDI
(060401024)
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
(82)
(83)
(84)
(85)
(86)
(87)
(88)
(89)
(90)
ABSTRAK
Turbin tesla merupakan turbin yang memiliki bentuk yang unik dan sifat yang khusus. Adapun sifat yang dimiliki oleh Turbin Tesla adalah mempunyai putaran yang sangat tinggi dalam bentuk yang kecil serta fluida yang beragam dengan memanfaatkan viskositas dan laju aliran fluida dalam gesekan ruang tertentu menjadikan kelebihan turbin tesla, tetapi turbin tesla mempunyai kelemahan yaitu torsi yang rendah. Umumnya turbin tesla menggunakan uap atau udara bertekanan sebagai media penggeraknya, namun pada rancang bangun ini dicoba untuk aplikasi fluida air dengan head ketinggian sebagai tinggi air jatuhnya. Penelitian ini melewati tahap studi literatur untuk menghitung secara teoritis, tahap perancangan turbin, perancangan poros, perancangan bantalan, perancangan mur dan baut serta performansi turbin tesla yang meliputi putaran, torsi, daya dan efisiensi turbin tesla. Hasil perhitungan secara teoritis didapatkan bahwa untuk turbin tesla dengan tebal dan jarak disk yang berbeda menghasilkan putaran 400 rpm dan daya sebesar 7,519 W serta efisiensi 27,89 %. Sedangkan untuk turbin tesla dengan tebal dan jarak disk yang sama menghasilkan putaran 420 rpm dan daya sebesar 9,418 W serta efisiensi 30,74 %.
(91)
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah, segala puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT karena atas berkat rahmat-NYA penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Shalawat dan salam penulis ucapkan kepada Nabi Muhammad SAW sebagai pemimpin dari suri tauladan dalam hidup. Skripsi ini berjudul “Rancang Bangun Turbin Tesla Sebagai Turbin Air Dan Analisa Perbandingan Variasi Jumlah Disk dan Jarak Antar Disk”.
Penulis juga tidak lupa mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah memberikan dukungan, bantuan, bimbingan, serta saran selama penulis menyelesaikan skripsi ini. Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada :
1. Ayahanda Hardja Suhardja, Ibunda Sri Widari, Kakanda Sari Dewi Sundari serta Abangda Yadi Suhendro yang tak pernah putus memberikan kasih sayang, dukungan, doa dan semangat serta moral dan materil bagi penulis. 2. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, M.T, selaku dosen pemimbing. Terima kasih
untuk semua hal yang telah Bapak berikan selama membimbing saya. Terima kasih juga untuk saran, komentar, dukungan, perhatian, kesabaran, dan waktu yang Bapak curahkan kepada saya.
3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Terima kasih atas kesempatan yang diberikan kepada saya sehingga saya dapat melanjutkan skripsi saya ini.
(92)
4. Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME selaku dekan Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Terima kasih juga kepada Bapak sehingga saya dapat aktif kembali sebagai mahasiswa di Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
5. Seluruh staf pengajar, Asisten Laboratorium dan pegawai administrasi pada Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara yang telah memberikan bekal pengetahuan kepada saya hingga akhir masa studi. 6. Buat teman seperjuangan saya, Yeni Sembiring, Saur Malau (Tesla Grup)
serta Heri Wibowo, terima kasih atas bantuan, semangat, masukan dan dorongan yang kalian berikan selama dalam bimbingan.
7. Bang Andriyan selaku Asisten Laboratorium Mesin Fluida serta Kak Enny selaku staf di Laboratorium Mesin Fluida, terima kasih atas bantuan, masukan dan dukungannya selama penulis berada di Laboratorium Mesin Fluida. 8. Semua pihak yang telah membantu dalam penyelesaian skripsi ini yang tidak
bias penulis sebutkan namanya satu per satu.
Sebagai manusia yang masih belajar, penulis menyadari bahwa dalam penulisan skripsi ini masih banyak kekurangan. Oleh Karena itu, penulis mohon maaf bila terdapat kesalahan dan kekurangan dalam perancangan dan penelitian serta perhitungan dalam skripsi ini. Semoga skripsi ini bermanfaat bagi berbagai pihak yang berkepentingan dan kemajuan ilmu pengetahuan.
Medan, November 2015 Penulis
(93)
DAFTAR ISI
ABSTRAK ……… i
KATA PENGANTAR ………. ii
DAFTAR ISI ………. iv
DAFTAR TABEL ……… vii
DAFTAR GAMBAR ……… viii
DAFTAR SIMBOL ……….. x
AKSARA YUNANI ……….. xi
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ……… 1
1.2 Maksud dan Tujuan Perancangan ………... 2
1.3 Batasan Masalah ………. 2
1.4 Sistematika Penulisan ………. 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Tinjauan Umum Turbin Tesla ……… 4
2.2 Hukum Mekanika Fluida ……… 6
2.2.1 Sifat Fluida Air ………. 6
2.2.2 Aliran Fluida ………. 8
2.2.3 Persamaan Aliran Fluida ……….. 10
(94)
2.3 Turbin Tesla ……… 14
2.3.1 Sejarah Turbin Tesla ………. 14
2.3.2 Bagian-Bagian Turbin Tesla ………... 16
2.3.3 Cara Kerja Turbin Tesla ……… 19
2.3.4 Keunggulan Turbin Tesla ………... 21
2.3.5 Metode Perhitungan ……….. 22
2.4 Dasar Pemilihan Turbin……… 26
2.4.1 Perencanaan Turbin ……….. 26
2.4.2 Perencanaan Poros ……… 29
2.4.3 Perencanaan Bantalan ………... 35
2.4.4 Perencanaan Mur danBaut ………... 40
BAB III METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN 3.1 Konsep Dasar Perancangan Dan Penelitian ……… 46
3.1.1 Umum ……… 46
3.1.2 Rancang Bangun Turbin Tesla ……….. 46
3.1.3 Rancang Bangun Instalasi Perpipaan ………… 48
3.2 Peralatan Pengujian ………. 50
3.2.1 Hand Tachometer ……….. 50
3.2.2 Meteran ……….. 51
3.2.3 Pompa Pengumpan ……… 52
(95)
BAB IV DATA HASIL PENELITIAN DAN ANALISA
4.1 Data Hasil Perhitungan ……… 56
4.1.1 Perhitungan Pada Instalasi Pipa ……… 56
4.1.2 Perhitungan Pada Turbin Tesla ……… 56
4.1.3 Perhitungan Pada Poros ……… 60
4.1.4 Perhitungan Pada Bantalan ………... 63
4.1.5 Perhitungan Pada Mur Dan Baut ……….. 65
4.2 Analisa Data ……….. 66
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ……….. 70
5.2 Saran ……… 70
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
(96)
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Faktor-faktor koreksi daya (fc) ……… 33
Tabel 2.2. Data spesifikas bantalan ……….. 38 Tabel 2.3. Faktor-faktor V, X, Y dan Xo, Yo ………... 40 Tabel 2.4. Dimensi Ukuran standar ulir kasar metris (JIS B 0205) ……… 44 Tabel 4.1. Tabel pengujian dan perhitungan turbin tesla dengan tebal dan
jarak disk yang berbeda ……….………. 66 Tabel 4.2. Tabel pengujian dan perhitungan turbin tesla dengan tebal dan
(97)
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Turbin tesla yang pertama dibuat……….…………. 5
Gambar 2.2. Turbin tesla menggunakan udara bertekanan….………….. 5
Gambar 2.3. Aliran laminar……….. 9
Gambar 2.4. Aliran turbulen………... 9
Gambar 2.5. Lajualiran massa ……….……….... 11
Gambar 2.6. Diagram bernoulli untuk turbin air...……… 12
Gambar 2.7. Nikola Tesla ………. 15
Gambar 2.8. Pengaplikasian tesla pada turbin uap ..……… 15
Gambar 2.9. Bagian-bagian dari tubin tesla ………. 16
Gambar 2.10. Piringan (disk) turbin ………... 17
Gambar 2.11. Celah (space) ………... 17
Gambar 2.12. Poros (shaft) ……… 18
Gambar 2.13. Nosel ………... 18
Gambar 2.14. Rumah turbin (casing)………. 19
Gambar 2.15. Viskositas fluida pada dua plat ………..………. 20
Gambar 2.16. Laju aliran fluida yang bekerja pada turbin ……..……….. 21
Gambar 2.17. Perbandingan efisiensi……….. 22
Gambar 2.18. Sistem kordinat yang digunakan di seluruh analisis ……... 24
Gambar 2.19. Pelumasan bantalan luncur ……….. 37
Gambar 2.20. Macam-macam bantalan gelinding ……… 39
Gambar 2.21. Baut penjepit ……… 42
(98)
Gambar 2.23. Macam-macam mur ……… 43
Gambar 3.1. Turbin tesla sebelum dirakit ……… 47
Gambar 3.2. Turbin tesla setelah dirakit ………. 47
Gambar 3.3. Instalasi pipa untuk turbin tesla ………. 50
Gambar 3.4. Hand Tachometer ………... 51
Gambar 3.5. Meteran ……….. 51
Gambar 3.6. Pompa Pengumpan ………. 57
Gambar 4.1. Poros ………... 61
Gambar 4.2. Komponen bantalan gelinding ……… 64
Gambar 4.3. Grafik hubungan putaran vs torsi ……… 67
Gambar 4.4. Grafik hubungan putaran vs efisiensi ………. 67
Gambar 4.5. Grafik hubungan putaran vs daya …..………. 68
(1)
BAB IV DATA HASIL PENELITIAN DAN ANALISA
4.1 Data Hasil Perhitungan ……… 56
4.1.1 Perhitungan Pada Instalasi Pipa ……… 56
4.1.2 Perhitungan Pada Turbin Tesla ……… 56
4.1.3 Perhitungan Pada Poros ……… 60
4.1.4 Perhitungan Pada Bantalan ………... 63
4.1.5 Perhitungan Pada Mur Dan Baut ……….. 65
4.2 Analisa Data ……….. 66
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ……….. 70
5.2 Saran ……… 70
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
(2)
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Faktor-faktor koreksi daya (fc) ……… 33 Tabel 2.2. Data spesifikas bantalan ……….. 38 Tabel 2.3. Faktor-faktor V, X, Y dan Xo, Yo ………... 40 Tabel 2.4. Dimensi Ukuran standar ulir kasar metris (JIS B 0205) ……… 44 Tabel 4.1. Tabel pengujian dan perhitungan turbin tesla dengan tebal dan
jarak disk yang berbeda ……….………. 66 Tabel 4.2. Tabel pengujian dan perhitungan turbin tesla dengan tebal dan
(3)
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Turbin tesla yang pertama dibuat……….…………. 5
Gambar 2.2. Turbin tesla menggunakan udara bertekanan….………….. 5
Gambar 2.3. Aliran laminar……….. 9
Gambar 2.4. Aliran turbulen………... 9
Gambar 2.5. Lajualiran massa ……….……….... 11
Gambar 2.6. Diagram bernoulli untuk turbin air...……… 12
Gambar 2.7. Nikola Tesla ………. 15
Gambar 2.8. Pengaplikasian tesla pada turbin uap ..……… 15
Gambar 2.9. Bagian-bagian dari tubin tesla ………. 16
Gambar 2.10. Piringan (disk) turbin ………... 17
Gambar 2.11. Celah (space) ………... 17
Gambar 2.12. Poros (shaft) ……… 18
Gambar 2.13. Nosel ………... 18
Gambar 2.14. Rumah turbin (casing)………. 19
Gambar 2.15. Viskositas fluida pada dua plat ………..………. 20
Gambar 2.16. Laju aliran fluida yang bekerja pada turbin ……..……….. 21
Gambar 2.17. Perbandingan efisiensi……….. 22
Gambar 2.18. Sistem kordinat yang digunakan di seluruh analisis ……... 24
Gambar 2.19. Pelumasan bantalan luncur ……….. 37
Gambar 2.20. Macam-macam bantalan gelinding ……… 39
Gambar 2.21. Baut penjepit ……… 42
(4)
Gambar 2.23. Macam-macam mur ……… 43
Gambar 3.1. Turbin tesla sebelum dirakit ……… 47
Gambar 3.2. Turbin tesla setelah dirakit ………. 47
Gambar 3.3. Instalasi pipa untuk turbin tesla ………. 50
Gambar 3.4. Hand Tachometer ………... 51
Gambar 3.5. Meteran ……….. 51
Gambar 3.6. Pompa Pengumpan ………. 57
Gambar 4.1. Poros ………... 61
Gambar 4.2. Komponen bantalan gelinding ……… 64
Gambar 4.3. Grafik hubungan putaran vs torsi ……… 67
Gambar 4.4. Grafik hubungan putaran vs efisiensi ………. 67
Gambar 4.5. Grafik hubungan putaran vs daya …..………. 68
(5)
DAFTAR SIMBOL
SIMBOL ARTI SATUAN
m Massa kg
g Kecepatan gravitasi bumi = 9,81 m/detik
z Selisih ketinggian m
p Tekanan absolut N/m2
v Kecepatan m/detik
Hl Head loses pada pipa m
Heff Head efektif m
Q Debit aliran m3/detik
v Kecepatan aliran m/detik
A Luas penampang pipa m2
n Kecepatan turbin rpm
P Daya turbin kW
H Tinggi air jatuh m
d Diameter pancaran air nosel m
u Kecepatan tangensial m/detik
b Tebal disk m
C Koefisien kerugian pipa -
ℎ� Head losses mayor m
ℎ� Head losses minor m
(6)
AKSARA YUNANI
LAMBANG ARTI SATUAN
� Efisiensi turbin %
Ω Kecepatan sudut rpm
ω Kecepatan sudut rad/detik
γ (gamma) Berat Jenis N/m3