Uji Eksperimental Turbin Kaplan Analisa Perbandingan Variasi Jumlah Sudu Pada Sudut Guide Vane 45

(1)

UJI EKSPERIMENTAL TURBIN KAPLAN

ANALISA PERBANDINGAN VARIASI JUMLAH

SUDU PADA SUDUT GUIDE VANE 45

SKRIPSI

Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

DAVID PERMADI NAINGGOLAN NIM. 090401071

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

ABSTRAK

Tingginya pertumbuhan permintaan akan tenaga listrik tidak dapat diimbangi oleh pertumbuhan penyediaan tenaga listrik dan telah menyebabkan timbulnya kondisi krisis penyediaan tenaga listrik di beberapa daerah, yang hal ini menyebabkan terhambatnya perkembangan ekonomi daerah tersebut dan nasional. Untuk mengimbangi pertumbuhan penyediaan tenaga listrik maka dibangun pembangkit listrik dengan skala mikro hidro

Berdasarkan pemikiran tersebut, maka dilakukan pengujian pada turbin kaplan skala mikro hidro dengan memanfaatkan sumber energi yang terbarukan. Tujuan pengujian ini untuk mengetahui kapasitas daya listrik yang dihasilkan oleh turbin kaplan dengan memanfaatkan aliran air dari reservoir yang dialirkan oleh pompa dengan kapasitas air (Q) sebesar 0,0528 m3/menit dan head instalasi (H) sebesar 1 meter. Runner blade merupakan salah satu komponen utama dalam instalasi pegujian turbin kaplan, diameter luar runner blade yang akan digunakan dalam pengujian ini sebesar 16 cm. Pada pengujian ini variasi jumlah sudu yang akan diuji pada sudut guide vane 450 adalah berjumlah 4, 5 dan 6. Dari pengujian turbin kaplan ini diperoleh daya listrik yang dihasilkan oleh alternator tanpa beban pada sudu 4 sebesar 3,024 Watt, pada sudu 5 sebesar 4,532 Watt, dan pada sudu 6 sebesar 4,3068 Watt.

(3)

ABSTRACT

The high growth in demand for electricity can not be offset by growth in electricity supply has led to a crisis of electricity supply in some regions, this led to delays in the area of economic development and national levels. To compensate for the growth of the electric power supply then built power plants with micro-scale hydro

Based on the idea, then be tested on kaplan water turbine micro hydro with utilize renewable energy sources. Purpose of this test for know capacity electric power generated by kaplan turbine with utilize water flow from reservoir which flowed by the pump with water capacity (Q) by 0.0528 m3/minute and installation head (H) by 1 meter. Runner blade is one main component in instalation testing the kaplan turbine, outer diameter runner blade which used in this testing by 16 cm. In this testing variation number of blade at angle guide vane 450 to be tested is 4, 5 and 6. from testing Kaplan turbine is obtained power generated by the altenator without a load at an blade of 4 by 3,024 Watts, at an blade of 5by 4,532 Watts, and at an blade of 6 by 4,3068 Watts.

(4)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas segala limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul “Uji Eksperimental Turbin Kaplan Analisa Perbandingan Variasi Jumlah Sudu Pada Sudut Guide Vane 450”

Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan pendidikan Strata-1 (S1) Fakultas Teknik Departemen Teknik Mesin di Universitas Sumatera Utara pada sub bidang Energi Air.

Dalam menyelesaikan skripsi ini penulis banyak menerima bimbingan dan dorongan berupa pemikiran, tenaga, semangat, motivasi serta waktu dari berbagai pihak. Untuk itu penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada:

1. Kedua orang tua penulis, Ir. B. Nainggolan dan E. R. Sinaga Amd. yang selalu memberikan dukungan dan semangat, baik berupa materi, doa, serta motivasi demi terselesainya penulisan skripsi ini.

2. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT selaku dosen pembimbing yang telah banyak memberikan bimbingannya kepada penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.

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

4. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin yang telah membantu keperluan penulis selama kuliah hingga selesainya penulisan skripsi ini.

(5)

5. Kakak – kakak tercinta, Santi Erwina Nainggolan SE, dr. Dina Sartika Nainggolan, Nova Yanti Nainggolan ST, yang telah memberikan dukungan dan motivasi serta doa kepada penulis.

6. Rekan-rekan penulis, David Harold Manurung, Jan Simalungun Purba dan Jannes Tampubolon yang selalu memberikan motivasi hingga skripsi ini dapat terselesaikan.

7. Anita Ribca Sihombing, seorang spesial bagi penulis yang telah banyak memberikan dukungan, doa dan motivasi selama penyusunan skripsi ini. 8. Rekan-rekan mahasiswa Teknik Mesin khususnya stambuk 2009 yang

telah banyak memberikan bantuan, baik berupa jasa dan waktunya hingga penyelesaian skripsi ini.

Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam penyusunan skripsi ini. Oleh karena itu penulis mengharapkan saran dan kritik yang sifatnya membangun demi kesempurnaan skripsi ini.

Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih dan semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi yang membacanya.

Medan, Desember 2014

David Permadi Nainggolan

(6)

DAFTAR ISI

ABSTRAK... i

KATA PENGANTAR... iii

DAFTAR ISI... v

DAFTAR NOTASI... ix

DAFTAR GAMBAR... xi

DAFTAR TABEL... xiii

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang... 1

1.2 Tujuan Penelitian... 5

1.3 Batasan Masalah... 5

1.4 Metodologi Penelitian... 6

1.5 Manfaat Penelitian... 6

1.6 Keluaran Skripsi... 7

1.7 Sistematika Penulisan... 7

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1Potensi Tenaga Air... 9

2.2Sejarah Turbin Air... 11

2.3Klasifikasi Turbin Air... 13

2.3.1 Turbin Impuls... 13

2.3.1.1 Turbin Pelton... 14

2.3.1.2 Turbin Turgo... 14

(7)

2.3.2 Turbin Reaksi... 16

2.3.2.1 Turbin Francis... 16

2.3.2.2 Turbin Kaplan... 17

2.3.2.2.1 Prinsip Kerja Turbin Kaplan... 18

2.3.2.2.2 Komponen Utama Turbin Kaplan... 19

2.3.2.2.3 Dimensi Dasar Turbin Kaplan... 22

2.3.2.2.4 Dimensi Dasar Runner Blade... 24

2.4Karakteristik Turbin... 25

2.5Seleksi Awal Jenis Turbin... 26

2.6Altenator... 29

2.7Sabuk Dan Puli... 31

2.7.1 Jenis Gerakan Pada Sabuk... 31

2.7.2 Perbandingan Kecepatan Puli... 33

2.7.3 Efisiensi Puli... 34

2.8Daya Listrik... 34

BAB III METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN 3.1 Umum... 36

3.2 Spesifikasi Turbin Kaplan... 38

3.3 Rancang Bangun Instalasi... 38

3.4 Peralatan Pengujian... 39

3.4.1 Hand Tachometer... 39

3.4.2 Clamp Meter... 41

3.4.3 Mulitimeter... 42

(8)

3.4.5 Instalasi Rangkaian Lampu... 44

3.4.6 Pompa... 45

3.5 Pelaksanaan Pengujian... 46

BAB IV ANALISA DATA DAN HASIL PENGUJIAN 4.1 Perhitungan Dimensi Dasar Turbin Kaplan... 51

4.1.1 Kapasitas Aktual dan Head Efektif Instalasi... 51

4.1.2 Dimensi Dasar Turbin Kaplan………... 52

4.1.3 Dimensi Runner Blade……....………... 54

4.2 Perhitungan Efisiensi Turbin Kaplan Dengan 4 Runner Blade Dan Sudut Guide Vane Sebesar 45o…... 56

4.2.1 Arus, tegangan, dan putaran... 56

4.2.2 Analisa daya dan putaran altenator pemberian beban.... 57

4.2.3 Pengujian Torsi – Putaran Berbeban... 60

4.2.4 Efisiensi daya turbin dan efisiensi daya altenator... 62

4.2.5 Efisiensi puli... 63

4.3 Perhitungan Efisiensi Turbin Kaplan Dengan 5 Runner Blade Dan Sudut Guide Vane Sebesar 45o …... 64

4.3.1 Arus, tegangan, dan putaran... 64

4.3.2 Analisa daya dan putaran altenator pemberian beban... 65

4.3.3 Pengujian Torsi – Putaran Berbeban... 68

4.3.4 Efisiensi daya turbin dan efisiensi daya altenator... 69

4.3.5 Efisiensi puli... 71

4.4 Perhitungan Efisiensi Turbin Kaplan Dengan 6 Runner Blade Dan Sudut Guide Vane Sebesar 45o... 72

(9)

4.4.1 Arus, tegangan, dan putaran... 72 4.4.2 Analisa daya dan putaran altenator pemberian beban... 73 4.4.3 Pengujian Torsi – Putaran Berbeban... 76 4.4.4 Efisiensi daya turbin dan efisiensi daya altenator... 77 4.4.5. Efisiensi puli... 79 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan... 80 5.2 Saran... 81 DAFTAR PUSTAKA... xiv

(10)

DAFTAR NOTASI

SIMBOL ARTI SATUAN

A Luas Penampang m2

B Tinggi Guide Vane m

�� Sudut sudu pada area fluida masuk ( 0 )

�� Sudut sudu pada area fluida keluar ( 0 )

D Diameter Luar m

Db Diameter Dalam m

Dturbin Diameter Puli Turbin m

Dalt Diameter Puli Altenator m

Ep Energi Potensial joule

Ek Energi Kinetik joule

g Percepatan Gravitasi m/s2

H Head m

I Kuat Arus ampere

m Massa kg

N Putaran rpm

ηp Efisiensi Puli %

η Efisiensi Turbin %

Ns Putaran Spesifik rpm

Pair Daya Air watt

Pturbin Daya Turbin watt

(11)

Q Kapasitas Aliran/Debit Air m3/s

T Torsi Nm

t Waktu s

Ub Kecepatan tepi diameter boss m/s

U Kecepatan tepi diameter luar m/s

Uwb Kecepatan pusaran air diameter boss m/s

Uw Kecepatan pusaran air diameter luar m/s

V Tegangan Listrik volt

Vf Kecepatan Aliran Air m/s

(12)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Turbin Pelton... 14

Gambar 2.2 Turbin Turgo... 15

Gambar 2.3 Turbin Ossberger Atau Turbin Crossflow (Turbin Michell-Banki).. 16

Gambar 2.4 Turbin Francis... 17

Gambar 2.5 Turbin Kaplan... 18

Gambar 2.6 Rumah Turbin... 19

Gambar 2.7 Guide vane... 20

Gambar 2.8 Runner blade... 21

Gambar 2.9 Draft tube... 22

Gambar 2.10 Elemen dasar turbin Kaplan... 23

Gambar 2.11 Segitiga Kecepatan Masuk dan Keluar Runner Blade…... 24

Gambar 2.12 Grafik Perbandingan Karakteristik Turbin... 26

Gambar 2.13.Alternator... 29

Gambar 2.14 Sabuk terbuka………... 32

Gambar 2.15 Gerakan Membelit atau Melingkar Pada Sabuk... 32

Gambar 2.16 Gerakan Dengan Puli Pengarah…... 33

Gambar 3.1 Instalasi turbin Kaplan... 39

Gambar 3.2 Hand Tachometer... 40

Gambar 3.3 Clamp Meter... 41

Gambar 3.4 Multimeter... 43

Gambar 3.5 Altenator ………... 44

(13)

Gambar 3.7 Pompa... 46 Gambar 4.1 Instalasi Pipa………... 52 Gambar 4.2 Segitiga Kecepatan Masuk dan Keluar Runner Blade……... 56 Gambar 4.3 Grafik Perubahan daya pada Alternator terhadap penambahan beban

pada 4 runner blade………... 59 Gambar 4.4 Grafik Perubahan putaran altenator terhadap penambahan beban

lampu pada 4 runner blade………... 77 Gambar 4.5 Grafik torsi vs putaran pada 4 runner blade .……… 61 Gambar 4.6 Grafik Perubahan daya pada Alternator terhadap penambahan beban

pada 5 runner blade ………... 67 Gambar 4.7 Grafik Perubahan putaran altenator terhadap penambahan beban

lampu pada 5 runner blade ……… 68 Gambar 4.8 Grafik torsi vs putaran pada 5 runner blade ..…….……….. 69 Gambar 4.9 Grafik Perubahan daya pada alternator terhadap penambahan beban

pada 6 runner blade ….………. 75 Gambar 4.10 Grafik Perubahan putaran altenator terhadap penambahan beban

lampu pada 6 runner blade………. 76 Gambar 4.11 Grafik torsi vs putaran pada 6 runner blade……… 77

(14)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Jenis-jenis turbin air dan kisaran kecepatan spesifiknya (Ns)... 27

Tabel 2.2 Perbedaan altenator dengan generator... 30

Tabel 3.1 Jangkauan dan akurasi Clamp meter... 41

Tabel 4.1 Hasil Pengukuran Kapasitas Aktualisasi... 51

Tabel 4.2 Hasil percobaan dan daya yang dihasilkan alternator pada 4 runner blade……….….. 59

Tabel 4.3 Hasil pengujian torsi dan putaran berbeban pada 4 runner blade ….. 61

Tabel 4.4 Hasil percobaan dan daya yang dihasilkan alternator pada 5 runner blade………... 66

Tabel 4.5 Hasil pengujian torsi dan putaran berbeban pada 5 runner blade... 69

Tabel 4.6 Hasil percobaan dan daya yang dihasilkan alternator pada 6 runner blade ……….... 74

(15)

ABSTRAK

(16)

ABSTRACT

(17)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANG

Dalam menjalankan aktivitasnya sehari-hari, manusia selalu menggunakan tenaga listrik untuk berbagai keperluan. Listrik merupakan energi yang sangat vital bagi kehidupan manusia. Energi listrik yang digunakan dapat diperoleh dari berbagai macam pemanfaatan. Diantaranya adalah pemanfaatan air yang bisa digunakan untuk menghasilkan tenaga listrik.

Seiring dengan makin besarnya pertumbuhan penduduk di Negara ini dan perkembangan teknologi yang semakin canggih maka pasokan listrik untuk tiap daerah juga akan semakin tinggi. Namun masih ada kita jumpai daerah pedesaan yang belum mendapat pasokan listrik dari PLN. Ketidakmerataan pasokan listrik tersebut membuat pertumbuhan ekonomi tidak merata dan membuat masyarakat pedesaan sulit untuk melakukan aktivitasnya. Tingginya pertumbuhan permintaan akan tenaga listrik tidak dapat diimbangi oleh pertumbuhan penyedian tenaga listrik menyebakan krisis penyediaan listrik dibeberapa daerah dan menghambat perkembangan perekonomian bebearapa daerah.

Indonesia adalah Negara kepulauan dengan jumlah pulau yang mencapai ribuan. Dari sekian banyak pulau tersebut belum semua pulau yang dihuni manusia dapat menikmati listrik. Akibat sulitnya lokasi yang tidak dapat dijangkau oleh jaringan listrik PLN, secara sosial lingkungan timbul kesenjangan perekonomian, pendidikan, dan kesehatan.

Kemajuan teknologi sekarang banyak dibuat peralatan-peralatan yang inovatif dan tepat guna. Salah satu contoh dalam bidang teknik mesin terutama

(18)

dalam bidang konversi energi dan pemanfaatan alam sebagai sumber energi. Diantaranya adalah pemanfaatan air yang bisa digunakan untuk menghasilkan listrik.

Sebagai upaya untuk memenuhi kebutuhan akan tenaga listrik sekaligus penanggulangan kondisi krisis penyediaan tenaga listrik di beberapa daerah. Indonesia dengan wilayahnya yang beriklim tropis dengan curah hujan yang tinggi dan kondisi topografi yang bergunung-gunung dengan aliran sungai yang berpotensi untuk dikembangkan sebagai pembangkit tenaga listrik. Potensi ini sebagian besar tersebar didaerah pedesaan, sementara diperkirakan masih banyak penduduk desa yang belum menikmati energi listrik sehingga sangat tepat untuk mengembangkan pembangkit tenaga listrik.

Tenaga air adalah energi yang diperoleh dari air yang mengalir. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam wujud energi mekanis maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air banyak digunakan dengan menggunakan kincir air dan turbin air yang memanfaatkan adanya suatu air terjun atau aliran air disungai.

Salah satu opsi dalam pengembangan sektor energi adalah pemanfaatan Pembangkit Listrik Tenaga Mini Hidro (PLTM) dan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) untuk daerah terpencil yang tidak terjangkau oleh jaringan listrik PLN. Pembangunan PLTM dan PLTMH tidak memerlukan relokasi tempat tinggal masyarakat setempat akibat pembuatan bendungan atau waduk. Lebih jauh, pemanfaatan PLTM dan PLTMH diharapkan dapat menyediakan tenaga listrik yang murah dan ramah lingkungan serta dapat berdampak pada kesadaran masyarakat untuk melestarikan hutan sebagai penjaga kelestarian sumber daya air.

(19)

Mikrohidro merupakan pembangkit listrik skala kecil, sehingga mudah untuk diterapkan pada masyarakat, peralatan yang digunakan sederhana, serta kecilnya areal tanah yang digunakan untuk pengoperasian mikrohidro. Hal ini merupakan salah satu keunggulan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro, yaitu tidak menimbulkan kerusakan lingkungan. Mengingat masih besarnya potensi tenaga air yang belum termanfaatkan, maka saat ini rekayasa mikrohidro masih sangat dibutuhkan khususnya dalam pemanfaatan potensi pembangkit tenaga listrik.

Mikrohidro adalah istilah yang digunakan untuk instalasi pembangkit listrik yang mengunakan energi air. Kondisi air yang bisa dimanfaatkan sebagai sumber daya (resources) penghasil listrik adalah memiliki kapasitas aliran dan ketinggian tertentu dari instalasi. Semakin besar kapasitas aliran maupun ketinggiannya dari instalasi maka semakin besar energi yang bisa dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik.

Biasanya Mikrohidro dibangun berdasarkan kenyataan bahwa adanya air yang mengalir di suatu daerah dengan kapasitas dan ketinggian yang memadai. Istilah kapasitas mengacu kepada jumlah volume aliran air persatuan waktu (flow capacity) sedangan beda ketinggian daerah aliran sampai ke instalasi dikenal

dengan istilah head. Mikrohidro juga dikenal sebagai white resources dengan terjemahan bebas bisa dikatakan "energi putih". Dikatakan demikian karena instalasi pembangkit listrik seperti ini mengunakan sumber daya yang telah disediakan oleh alam dan ramah lingkungan. Suatu kenyataan bahwa alam memiliki air terjun atau jenis lainnya yang menjadi tempat air mengalir. Dengan teknologi sekarang maka energi aliran air beserta energi perbedaan ketinggiannya

(20)

dengan daerah tertentu (tempat instalasi akan dibangun) dapat diubah menjadi energi listrik.

Seperti dikatakan di atas, Mikrohidro hanyalah sebuah istilah. Mikro artinya kecil sedangkan hidro artinya air. Dalam, prakteknya istilah ini tidak merupakan sesuatu yang baku namun bisa dibayangkan bahwa Mikrohidro, pasti mengunakan air sebagai sumber energinya. Yang membedakan antara istilah Mikrohidro dengan Minihidro adalah output daya yang dihasilkan. Mikrohidro menghasilkan daya lebih rendah dari 1 MW, sedangkan untuk minihidro daya keluarannya berkisar antara 1 sampai 5 MW. Secara teknis, Mikrohidro memiliki tiga komponen utama yaitu air (sumber energi), turbin dan generator. Air yang mengalir dengan kapasitas tertentu disalurkan dari ketinggian tertentu menuju rumah instalasi (rumah turbin / power house ). Di rumah instalasi, air tersebut akan menumbuk turbin dimana turbin sendiri dipastikan akan menerima energi air tersebut dan mengubahnya menjadi energi mekanik berupa berputarnya poros turbin. Poros yang berputar tersebut kemudian ditransmisikan ke generator dengan mengunakan kopling. Dari generator akan dihasilkan energi listrik yang akan masuk ke sistem kontrol arus listrik sebelum dialirkan ke rumah-rumah atau keperluan lainnya (beban).

Kebanyakan PLTMH dibangun dengan sistim run off river, tidak dengan kolam tando ( reservoir ) dimana air sungai dialihkan dengan menggunakan dam yang dibangun memotong aliran sungai, sehingga daya yang dibangkitkan tergantung dari debit air sungai. Akan tetapi biaya pembangunan run off river lebih ekonomis dibandingkan dengan sistim reservoir yang memerlukan bedungan yang besar dan area genangan yang luas.

(21)

1.2 TUJUAN PENELITIAN

Tujuan penelitian ini dibagi menjadi atas tujuan umum dan tujuan khusus : 1.2.1 Tujuan Umum

Tujuan umum penelitian ini adalah untuk lebih mengetahui dan memahami aplikasi ilmu yang diperoleh dari bangku kuliah terutama dari mata kuliah energi air.

1.2.2 Tujuan Khusus

Secara khusus tujuan penelitian ini adalah : 1. Untuk menghitung daya air.

2. Untuk menghitung putaran poros turbin. 3. Untuk menghitung torsi pada poros turbin.

4. Untuk mengetahui kapasitas daya listrik yang dihasilkan.

5. Untuk menghitung daya dan efisiensi turbin dengan variasi jumlah sudu runner.

1.3 BATASAN MASALAH

Untuk memberikan gambaran yang lebih jelas mengenai masalah yang dikaji dalam penulisan skripsi, maka perlu kiranya diberikan batasan masalah sebagai berikut :

1) Jenis turbin air yang diuji adalah jenis Propeller atau Kaplan.

2) Jumlah variasi sudu runner = 4, 5 dan 6 dengan kapasitas aliran 0,0528 m3/menit.

3) Sudut guide vane yang digunakan adalah sebesar 45o.

(22)

5) Transmisi menggunakan sabuk dan puli dengan gerakan sabuk terbuka. 6) Perancangan tidak termasuk pemilihan material.

1.4 METODOLOGI PENELITIAN 1) Studi Literatur

Berupa studi kepustakaan dengan mempelajari buku-buku, jurnal-jurnal, artikel maupun karya-karya ilmiah yang terkait, baik yang bersumber dari media cetak, elektronik maupun dari internet.

2) Diskusi Interaktif

Melakukan diskusi dalam bentuk tanya-jawab antara mahasiswa dan dosen pembimbing menyangkut hal-hal yang berkaitan dengan rancang bangun instalasi ini serta memecahkan permasalahan yang dihadapi secara bersama.

3) Rancang Bangun Instalasi Dan Alat Penelitian

Perancangan serta pembuatan turbin Kaplan dimana turbin ini akan di uji untuk di analisa data hasil dari pengujian tersebut.

1.5 MANFAAT PENELITIAN

Manfaat dari penelitian ini adalah :

a. Bagi peneliti, dapat menambah wawasan dan pengetahuan serta pengalaman dalam proses pengujian performansi dan efisiensi pada turbin kaplan.

(23)

b. Bagi akademik, penelitian ini dapat dijadikan sebagai referensi tambahan dalam melakukan riset pada mesin fluida khususnya turbin kaplan.

1.6 KELUARAN SKRIPSI

Keluaran skripsi ini diharapkan akan menghasilkan:

1) Alat pengujian Turbin Kaplan yang dapat dioperasikan dengan pengunaan kinerja satu unit pompa, pengunaan tiga buah variasi jumlah sudu (4, 5 dan 6 runner blade), dan pengunaan sudut guide vane sebesar 45o.

2) Buku skripsi akan digunakan sebagai salah satu syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik dari Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

1.7 SISTEMATIKA PENULISAN

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

BAB I : PENDAHULUAN

Pada bab ini akan dibahas mengenai latar belakang dari judul skripsi yang telah ditetapkan, tujuan, manfaat, batasan masalah, sistematika penulisan, dan metodologi penulisan skripsi.

BAB II : STUDI LITERATUR

Pada bab ini akan dibahas mengenai teori-teori yang berhubungan dengan penulisan skripsi. Dasar teori didapatkan dari berbagai sumber, diantaranya

(24)

berasal dari : buku - buku pedoman, jurnal, paper, tugas akhir, e-mail, e-book, dan e-news.

BAB III: METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN

Pada bab ini akan dibahas mengenai metode dan alat penelitian yang akan digunakan untuk menyelesaikan penulisan skripsi. Pada bab ini juga akan dibahas mengenai langkah-langkah perancangan, instalasi dan analisa data yang akan digunakan untuk menyelesaikan permasalahan dari topik yang diangkat.

BAB IV: ANALISA DATA DAN HASIL PENGUJIAN

Pada bab ini akan dianalisa dan dibahas mengenai data-data yang telah diperoleh dari pengujian yang telah dilakukan.

BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN

Pada bab ini berisi kesimpulan dari penulisan tugas akhir dan saran-saran. DAFTAR PUSTAKA

(25)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

Dalam suatu sistem PLTA dan PLTMH, turbin air merupakan salah satu peralatan utama selain generator. Turbin air adalah alat untuk mengubah energi air menjadi energi puntir. Energi puntir ini kemudian diubah menjadi energi listrik oleh generator.

2.1 POTENSI TENAGA AIR

Air merupakan sumber energi yang murah dan relatif mudah didapat, karena pada air tersimpan energi potensial (pada air jatuh) dan energi kinetik (pada air mengalir). Tenaga air (Hydropower) adalah energi yang diperoleh dari air yang mengalir. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam wujud energi mekanis maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air banyak dilakukan dengan menggunakan kincir air atau turbin air yang memanfaatkan adanya suatu air terjun atau aliran air di sungai.

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

�� =��ℎ ...(2.1) Dengan :

Ep = energi potensial air (Joule) m = massa air (kg)

(26)

h = head [m]

g = percepatan gravitasi [m/ s2 ]

Daya merupakan energi tiap satuan waktu ��

�� sehingga persamaan (2.1) dapat

dinyatakan sebagai :

� � =

� � �ℎ

Dengan mensubsitusikan P terhadap ��

�� dan mensubstitusikan ρQ terhadap �

� ��

maka :

P = ρ.Q.g.H...(2.2) Dengan:

P = daya [watt]

Q = kapasitas aliran [m3/s]

ρ = densitas air [kg/m3]

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

�k=

1 2��

2_...(2.3) Dengan :

v = kecepatan aliran air [m/s]

Daya air yang tersedia dinyatakan sebagai berikut: � = 1

2�Q�

2_...(2.4) atau dengan menggunakan persamaan kontinuitas

Q

=

Av

maka

� = 1

2�A�

3_...(2.5) A = luas penampang aliran air [m2]

(27)

Ján Andrej Segner mengembangkan turbin air reaksi pada pertengahan tahun 1700. turbin ini mempunyai sumbu horizontal dan merupakan awal mula dari turbin air modern. Turbin ini merupakan mesin yang simpel yang masih diproduksi saat ini untuk pembangkit tenaga listrik skala kecil. Segner bekerja dengan Euler dalam membuat teori matematis awal untuk desain turbin.

Pada tahun 1820, Jean-Victor Poncelet mengembangkan turbin aliran kedalam. Pada tahun 1826, Benoit Fourneyon mengembangkan turbin aliran keluar. Turbin ini sangan efisien (80%) yang mengalirkan air melalui saluran dengan sudu lengkung satu dimensi. Saluran keluaran juga mempunyai lengkungan pengarah. Pada tahun 1844, Uriah A. Boyden mengembangkan turbin aliran keluar yang meningkatkan performa dari turbin Fourneyon. Bentuk sudunya mirip dengan turbin Francis. Pada tahun 1849, James B. Francis meningkatkan efisiensi turbin reaksi aliran kedalam hingga lebih dari 90%. Dia memberikan test yang memuaskan dan mengembangkan metode engineering untuk desain turbin air. Turbin Francis dinamakan sesuai dengan namanya, yang merupakan turbin air modern pertama. Turbin ini masih digunakan secara luas di dunia saat ini.

Turbin air aliran kedalam mempunyai susunan mekanis yang lebih baik dan semua turbin reaksi modern menggunakan desain ini. Putaran massa air berputar hingga putaran yang semakin cepat, air berusaha menambah kecepatan untuk membangkitkan energi. Energi tadi dibangkitkan pada sudu dengan memanfaatkan berat jatuh air dan pusarannya. Tekanan air berkurang sampai nol sampai air keluar melalui sirip turbin dan memberikan energi. Sekitar tahun 1890, bantalan fluida modern ditemukan, sekarang umumnya digunakan untuk mendukung pusaran turbin air yang berat. Hingga tahun 2002, bantalan fluida

(28)

terlihat mempunyai arti selama lebih dari 1300 tahun. Sekitar tahun 1913, Victor Kaplan membuat turbin Kaplan, sebuah tipe mesin baling-baling. Ini merupakan evolusi dari turbin Francis tetapi dikembangkan dengan kemampuan sumber air yang mempunyai head kecil.

Pada umumnya semua turbin air hingga akhir abad 19 (termasuk kincir air) merupakan mesin reaksi; tekanan air yang berperan pada mesin dan menghasilkan kerja. Sebuah turbin reaksi membutuhkan air yang penuh dalam proses transfer energi.

Pada tahun 1866, tukang pembuat gilingan di California, Samuel Knight menemukan sebuah mesin yang mengerjakan tuntas sebuah konsep yang berbeda jauh. Terinspirasi dari system jet tekanan tinggi yang digunakan dalam lapangan pengeboran emas hidrolik, Knight mengembangkan ceruk kincir yang dapat menangkap energi dari semburan jet, yang ditimbulkan dari energi kinetik air pada sumber yang cukup tinggi (ratusan kaki) yang dialirkan melalui sebuah pipa saluran. Turbin ini disebut turbin impuls atau turbin tangensial. Aliran air mendorong ceruk disekeliling kincir turbin pada kecepatan maksimum dan jatuh keluar sudu dengan tanpa kecepatan.

Pada tahun 1879, Lester Pelton, melakukan percobaan dengan kincir Knight, dikembangkanlah desain ceruk ganda yang membuang air kesamping, menghilangkan beberapa energi yang hilang pada kincir Knight yang membuang sebagian air kembali melawan kincir. Sekitar tahun 1895, William Doble mengembangkan ceruk setengah silinder milik Pelton menjadi ceruk berbentuk bulat memanjang, termasuk sebuah potongan didalamnya yang memungkinkan semburan untuk membersihkan masukan ceruk. Turbin ini merupakan bentuk

(29)

modern dari turbin Pelton yang saat ini dapat memberikan efisiensi hingga 92%. Pelton telah memprakarsai desain yang efektif, kemudian Doble mengambil alih perusahaan Pelton dan tidak mengganti namanya menjadi Doble karena nama Pelton sudah dikenal. Turgo dan turbin aliran silang merupakan desain turbin impuls selanjutnya.

Turbin air terdapat dalam suatu pembangkit listrik berfungsi untuk mengubah energi potensial yang dimiliki air menjadi energi kinetik. Selanjutnya energi kinetik ini akan dirubah menjadi energi elektrik melalui generator. Hal ini menyebabkan setiap pembahasan tentang turbin hidrolik akan mengikutsertakan generator sebagai pembangkit listrik.

2.3 KLASIFIKASI TURBIN AIR

Turbin air dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara, namun yang paling utama adalah klasifikasi turbin air berdasarkan cara turbin air tersebut merubah energi menjadi energi puntir. Berdasarkan klasifikasi ini, maka turbin air dibagi menjadi dua yaitu:

1. Turbin impuls, dan 2. Turbin reaksi. 2.3.1 Turbin Impuls

Turbin Impuls adalah turbin yang bekerja karena aliran air. Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nosel. Air keluar nosel yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse). Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin impuls adalah turbin tekanan sama

(30)

karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan.

2.3.1.1 Turbin Pelton.

Turbin Pelton merupakan turbin impuls. Turbin Pelton terdiri dari satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari satu atau lebih alat yang disebut nosel. Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien. Turbin Pelton adalah turbin yang cocok digunakan untuk head tinggi.

Gambar 2.1 Turbin Pelton

2.3.1.2 Turbin Turgo

Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 s/d 300 m. Seperti turbin Pelton, turbin Turgo merupakan turbin impuls, tetapi sudunya berbeda. Pancaran air dari nozzle membentur sudu pada sudut 20o. Kecepatan putar turbin Turgo lebih besar dari turbin Pelton. Akibatnya dimungkinkan transmisi langsung dari

(31)

turbin ke generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus menurunkan biaya perawatan

Gambar 2.2 Turbin Turgo

2.3.1.3 Turbin Ossberger Atau Turbin Crossflow

Tipe turbin impuls lainnya dalah turbin Crossflow (Stapenhorst, 1978) yang biasa disebut sebagai turbin banki atau turbin Mitchell. Turbin cross flow merupakan turbin impuls yang berporos horizontal bekerja dengan cara tekanan air dikonversikan menjadi energi kinetic di inlet adaptor. Aliran air yang menyebabkan berputarnya runner setelah berbenturan pertama dengan sudu turbin, kemudian menyilang (cross flow) mendorong sudu tingkat kedua.

Nosel Runner

(32)

Gambar 2.3 Turbin Ossberger Atau Turbin Crossflow (Turbin Michell-Banki)

2.3.2 Turbin Reaksi

Yang dimaksud dengan turbin reaksi adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir. Turbin air reaksi dibagi menjadi dua jenis yaitu:

2.3.2.1. Turbin Francis

Diciptakan oleh James Francis Bichens dari Inggris. Termasuk jenis turbin reaksi dengan arah aliran aksial-radial. Turbin ini beroperasi pada head (tinggi jatuh) 10 – 650 meter, dapat menghasilkan daya 10 – 750 MW dengan Ns (spesific speed) 83 – 1000 rpm. Pada umumnya turbin ini di desain dengan posisi poros vertikal untuk menjaga agar air tidak mengenai rumah generator dan peralatan bantu lainnya.

Turbin dipasang diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan

rendah di bagian keluar. Sudu pengarah pada turbin Francis merupakan suatu sudu

(33)

Gambar 2.4 Turbin Francis

2.3.2.2. Turbin Kaplan

Turbin Kaplan termasuk kelompok turbin air reaksi jenis baling-baling (propeller). Keistimewaannya adalah sudut sudu geraknya (runner) bisa diatur

(adjustable blade) untuk menyesuaikan dengan kondisi aliran saat itu yaitu

perubahan debit air. Turbin ini beroperasi pada head (tinggi jatuh) 10 – 70 meter, dapat menghasilkan daya 5 – 120 MW dengan Ns (spesific speed) 79 – 429 rpm. Pada pemilihan turbin didasarkan pada kecepatan spesifiknya. Turbin Kaplan ini memiliki kecepatan spesifik tinggi (high spesific speed). Turbin kaplan bekerja pada kondisi head rendah dengan debit besar.

(34)

Gambar 2.5 Turbin Kaplan

2.3.2.2.1. Prinsip Kerja Turbin Kaplan

Tidak berbeda dengan turbin Francis, turbin Kaplan cara kerjanya menggunakan prinsip reaksi. Turbin ini mempunyai roda jalan yang mirip dengan baling-baling pesawat terbang. Bila baling-baling pesawat terbang berfungsi untuk menghasilkan gaya dorong, roda jalan pada Kaplan berfungsi untuk mendapatkan gaya F yaitu gaya putar yang dapat menghasilkan torsi pada poros turbin. Berbeda dengan roda jalan pada Francis, sudu-sudu pada roda jalan Kaplan dapat diputar posisinya untuk menyesuaikan kondisi beban turbin. Turbin Kaplan banyak dipakai pada instalasi pembangkit listrik tenaga air sungai, karena turbin ini mempunyai kelebihan dapat menyesuaikan head yang berubah-ubah sepanjang tahun. Turbin Kaplan dapat beroperasi pada kecepatan tinggi sehingga ukuran roda turbin lebih kecil dan dapat dikopel langsung dengan generator. Pada kondisi

(35)

pada beban tidak penuh turbin kaplan mempunyai efisiensi paling tinggi, hal ini dikarenakan sudu-sudu turbin Kaplan dapat diatur menyesuaikan dengan beban yang ada.

2.3.2.2.2 Komponen Utama Turbin Kaplan

Komponen-komponen utama turbin Kaplan adalah: 1. Rumah turbin

Air dari saluran pipa didistribusikan di sekeliling cincin rumah turbin. Rumah turbin didesain sedemikian sehingga luas penampang melintangnya berkurang secara seragam. Luas penampang melintangnya maksimum pada sisi masuk dan minimum pada ujung.

(36)

Rumah turbin akan mendistribusikan air secara merata kepada guide vane. Untuk mencapai aliran seragam pada runner blade, maka aliran air harus seragam masuk ke dalam guide vane.

2. Mekanisme pengarah (guide vane)

Sudu pengarah (guide vane) terpasang tetap diantara dua cincin dalam bentuk roda. Roda ini dipasang tetap pada rumah turbin. Sudu pengarah didesain untuk:

 Supaya air masuk ke runner tanpa kejut.

 Supaya air mengalir tanpa membentuk arus Eddy.  Supaya sejumlah air bisa memasuki turbin.

Sudu pengarah bisa dibuka dan ditutup dengan memutar poros pengatur, sehingga jumlah air bisa diatur sesuai keperluan. Poros pengatur dioperasikan dengan menggunakan governor, yang fungsinya mengatur turbin (yaitu menjaga kecepatan turbin konstan pada beban yang bervariasi).

(37)

Turbin Kaplan adalah salah satu jenis dari turbin reaksi aliran ke dalam (inward), yakni turbin reaksi dimana air memasuki roda pada bagian lingkaran luar dan mengalir menuju kedalam melalui sudu (yaitu menuju pusat roda). Turbin reaksi ini terdiri dari sudu pengarah tetap, yang mengarahkan air ke roda bergerak dengan sudut yang benar. Air ketika mengalir pada sudu/vane, menghasilkan gaya ke roda. Gaya ini menyebabkan roda berputar.

3. Runner blade

Runner blade terdiri dari sudu yang terpasang tetap pada poros atau cincin. Sudu didesain supaya air masuk dan meninggalkan turbin tanpa kejut. Runner blade terpasang pada poros. Jika porosnya vertikal, disebut turbin vertikal, dan jika poros horisontal maka disebut turbin horisontal. Untuk head rendah, runner blade bisa dibuat dari besi tuang, tetapi untuk head tinggi, runner blade dibuat dari baja atau paduan. Jika air secara kimia tidak murni, runner dibuat dari paduan spesial.

(38)

4. Draft tube

Air setelah melewati runner, mengalir turun melalui pipa yang disebut draft tube. Draft tube mempunyai fungsi antara lain:

 Meningkatkan head air sebesar tinggi runner dari permukaan air.  Meningkatkan efisiensi turbin.

Gambar 2.9 Draft tube

2.3.2.2.3 Dimensi Dasar Turbin Kaplan

Dimensi dasar turbin Kaplan bergantung pada diameter luar runner (D), tinggi guide vane (B), jarak vertikal runner terhadap sisi dalam guide vane (λ), dan diameter boss (Dd) dapat dilihat pada gambar 2.10

(39)

Gambar 2.10 Elemen dasar turbin Kaplan

Persamaan dasar untuk mencari diameter luar runner (D) : � = (66,76 + 0,136 ��)√�eff

� ...(2.6)

Dengan

Ns = putaran spesifik [rpm]

N = putaran turbin [rpm]

Persamaan dasar untuk mencari tinggi guide vane (B) : �= �0,45−31,80

�� ...(2.7)

Dan persamaan untuk mencari diameter dalam (Db) :

� =�

4(� 2 _{− �}

�2)��...(2.8)

2.3.2.2.4 Dimensi Dasar Runner Blade

Segitiga kecepatan masuk pada runner blade dapat dilihat pada gambar 2.11 dibawah ini.

(40)

Gambar 2.11 Segitiga kecepatan masuk dan keluar runner blade

Dimana,

Vf = Kecepatan aliran air

Ub = Kecepatan tepi (rim) diameter boss

U = Kecepatan tepi (rim) diameter luar

Uwb = Kecepatan pusaran air (whirl) diameter boss

Uw = Kecepatan pusaran air (whirl) diameter luar

�� = Sudut sudu (blade) pada area fluida masuk (inlet)

�� = Sudut sudu (blade) pada area fluida keluar (outlet)

Persamaan untuk mencari kecepatan aliran air (Vf) adalah: Vf = �2gH ...(2.9)

Persamaan untuk mencari Kecepatan tepi (rim) diameter boss dan diameter dalam (�_��) adalah:

(41)

�_� = �.��.�

60 ...(2.10) �= �.�.�

60 ...(2.11)

Persamaan untuk mencari Kecepatan pusaran air (whirl) diameter boss dan diameter dalam adalah :

�� = _{100 .}��.�._��_�...(2.12)

�� = _{100 .}��.�.�_�...(2.13)

Persamaan untuk mencari Sudut sudu (blade) pada area fluida masuk (inlet) adalah :

tan (�_�) = _��

�...(2.14)

Persamaan untuk mencari Sudut sudu (blade) pada area fluida keluar (outlet) adalah :

tan (�_�) = ��

��...(2.15)

2.4 KARAKTERISTIK TURBIN

Perbandingan karakteristik turbin dapat kita lihat pada grafik head (m) vs flow (m3/s) dibawah ini.

(42)

Gambar 2.12 Grafik perbandingan karakteristik turbin

Dapat dilihat pada gambar 2.12 turbin Kaplan adalah turbin yang beroperasi pada head yang rendah dengan kapasitas aliran yang tinggi. Hal ini karena sudu-sudu turbin dapat diatur secara manual atau otomatis untuk merespon perubahan kapasitas.

2.5 SELEKSI AWAL JENIS TURBIN

Seleksi awal dari jenis turbin yang cocok untuk suatu keperluan paling tepat dilakukan dengan kecepatan spesifik (Ns). Dalam tabel 2.1 disajikan nilai kecepatan spesifik (Ns) untuk berbagai jenis turbin. Tabel 2.1 dapat digunakan sebagai panduan awal dalam pemilihan jenis turbin yang tepat untuk nilai Ns tertentu. Nilai Ns yang tercantum dalam tabel 2.1 bukan nilai eksak.

(43)

Untuk setiap jenis turbin terdapat suatu nilai kisaran tinggi terjun dan kecepatan spesifik yang sesuai. Korelasi empiris antara terjun (H) dan kecepatan spesifik (Ns) disajikan dibawah ini.

Untuk turbin Francis, Moody memperoleh korelasi sebagai berikut:

�� =_�6803

+9,75+ 84 ...(2.16)

Sedangkan untuk turbin propeller atau Kaplan, Moody memperoleh korelasi sebagai berikut:

�� =_�9431

+9,75+ 155...(2.17)

Dengan H adalah tinggi terjun netto (m) dan Ns adalah kecepatan spesifik metrik.

Tabel 2.1 Jenis-jenis turbin air dan kisaran kecepatan spesifiknya (Ns)

Jenis Turbin Ns (metrik)

1. Turbin Impuls a. Satu jet (Turbin Pelton) 4-30 b. Banyak jet (turbin Doble) 30-70 2. Turbin Reaksi a. Francis

Ns rendah 50-125

Ns normal 125-200

Ns tinggi 200-350

Ns exspress 350-500

b. Propeller

Sudu tetap (Turbin Nagler) 400-800 Sudu dapat diatur (Turbin Kaplan) 500-1000

(44)

Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Air selalu diusahakan agar generator dikopel langsung dengan turbin. Atau dengan kata lain putaran turbin terbatas pemilihannya agar dapat dikopel dengan generator. Putaran turbin berhubungan dengan spesifik sebagaimana persamaan 2.22 di atas, atau menurut referensi yang lain :

�

=

�√� �54

...(2.18) dimana :

Ns = putaran spesifik [rpm]

N = putaran turbin [rpm]

P = daya air [kW]

H = tinggi terjun efektif [m]

Dari nilai spesifik ini dapat ditentukan jenis turbin yang digunakan yang dapat dijelaskan sebagai berikut :

Ns = 8 - 50 jenis turbin Pelton

Ns = 50 - 149 jenis turbin Perancis

Ns = 150 - 1000 jenis turbin Kaplan atau Propeler

Pemilihan putaran spesifik ini sangat berhubungan dengan dimensi peralatannya, yang berarti juga mempengaruhi konstruksi dan harga. Pemilihan turbin kebanyakan didasarkan juga pada head air yang didapatkan dan kurang lebih pada rata-rata alirannya. Umumnya, turbin impuls digunakan untuk tempat dengan head tinggi, dan turbin reaksi digunakan untuk tempat dengan head rendah. Turbin Kaplan baik digunakan untuk semua jenis debit dan head, efisiensinya baik dalam segala kondisi aliran.

(45)

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

2.6 ALTERNATOR

Bila sejumlah kawat email dililitkan ke paku, lalu kawat dialiri arus listrik, gulungan itu menimbulkan medan magnet, dan menyebabkan paku tersebut menjadi magnet. Kuatnya magnet ditentukan oleh berapa banyak gulungan kawat dan berapa besar arus listriknya. Magnet jenis ini lazim disebut sebagai elektromagnet.

(46)

Alternator (alternate = selang-seling; artinya listrik yang dihasilkan adalah AC) menggunakan teknik yang sama seperti diatas untuk menghasilkan listrik. Ketika rotor (as) diberi arus maka rotor itu menjadi magnet. Dan ketika diputar, magnet yang ada di as menciptakan medan magnet lagi. Medan magnet ini lalu bersinggungan memotong kumpulan koil/ kumparan yang ada disekelilingnya sehingga terciptalah arus listrik. Karena magnet terdiri dari 2 kutub, maka arus listriknya menjadi selang seling, atau lazim disebut sebagai arus bolak-balik.

Adapun perbedaan antara altenator dan generator, yakni dapat dilihat pada tabel 2.2 sebagai berikut:

Tabel 2.2 Perbedaan altenator dengan generator Kumparan

pembangkit

Altenator Generator

Kumparan medan • Diam • Berputar

Penyearah • Berputar • Diam

Produksi arus • Dioda

• Tidak perlu

diregulasi

• Komutator • Perlu diregulasi

Keuntungan • Pada putaran

rendah tegangan cukup

• Tidak perlu tempat

• Jika hubung singkat generator aman

(47)

yang luas

Kerugian • Bila hubung singkat altenator rusak

• Pada putaran rendah tegangan kecil

• Perlu tempat yang luas

2.7 SABUK DATAR DAN PULI

Belt (sabuk) digunakan untuk mentransmisikan daya dari poros yang satu ke poros yang lainnya melalui roda (pulley) yang berputar dengan kecepatan sama atau berbeda.

Sabuk umumnya dipakai pada puli, sabuk ini lebih tenang dan efisien pada kecepatan tinggi, dan juga mampu mentransmisikan sejumlah daya yang besar pada jarak pusat pulley yang panjang.

2.7.1 Jenis Gerakan Pada Sabuk

Energi dari suatu puli ditransmisikan kemanapun. Berikut jenis gerakan pada sabuk:

1. Gerakan sabuk terbuka

Gerakan sabuk terbuka ditunjukkan di dalam gambar 2.19, jenis ini digunakan diporos. Berputar dan paralel yang diatur ke arah yang sama. Ketika memusat jarak antara kedua poros besar, kemudian sisi yang ketat sabuk harus lebih rendah.

(48)

Gambar 2.14 Sabuk terbuka

2. Gerakan membelit atau melingkar pada sabuk

Gerakan membelit atau melingkar ditunjukkan di dalam gambar 2.20, digunakan poros pengatur berputar dan paralel di dalam arah kebalikannya. Tegangan yang kecil akan menunjukkan bahwa pada suatu titik silang sabuk, hal ini akan menggosok melawan terhadap satu sama lain dan di sana akan terjadi kerusakan disebabkan gesekan berlebih dalam rangka menghindari ini, poros harus ditempatkan pada suatu jarak yang maksimum 20 b, dimana b menjadikan sabuk melebar dan kecepatan sabuk harus kurang dari 15m/sec.

(49)

3. Gerakan dengan puli pengarah

Gerakan sabuk dengan puli pengarah ditunjukkan didalam gambar 2.16, dengan menggunakan poros yang digunakan untuk pengaturan paralel dan ketika sabuk terbuka tidak adapat digunakan dalam sudut yang kecil dan penghubung pada puli kecil. Pengarah jenis ini disajikan untuk memperoleh perbandingan percepatan tinggi dan ketika tegangan sabuk yang diperlukan tidak bisa diperoleh oleh alat-alat lain. Ketika itu diinginkan untuk mentransmisikan gerakan dari satu poros ke beberapa poros, semua diatur didalam paralel, suatu sabuk menggerakan dengan banyak puli.

Gambar 2.16 Gerakan dengan puli pengarah

2.7.2 Perbandingan KecepatanPuli

Karena kecepatan linier pada kedua puli sama, maka:

��1�1 = ��2�2...(2.24) Dan perbandingan putaran kedua puli menjadi:

�2 �1

=

�1

�2...(2.25) Dimana,

(50)

N1 = Putaran penggerak [rpm]

N2 = Putaran yang digerakkan [rpm]

D1 =Diameter puli penggerak [m]

D2 = Diameter puli yang digerakkan [m]

2.7.3 Efisiensi Puli

Untuk mencari efisiensi puli menggunakan rumus sebagai berikut: �p= �

2�2

�1�1 � 100%

...(2.26) Dimana :

ηp = Efisiensi puli

2.8 DAYA LISTRIK

Daya listrik adalah banyaknya energi tiap satuan waktu dimana pekerjaan sedang berlangsung atau kerja yang dilakukan persatuan waktu. Dari definisi ini, maka daya listrik (Pl) dapat dirumuskan:

��= ��_{��}………..(2.27) � = �

�

� = �._��.�

P = V.I...(2.28)

Dimana:

P = Daya listrik (Watt) V = Tegangan (Volt) I = Arus (Ampere)

(51)

BAB III

METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN

3. 1 UMUM

Turbin Kaplan atau propeller merupakan turbin reaksi aliran aksial. Turbin ini tersusun dari propeller seperti pada pesawat terbang. Propeller tersebut biasanya mempunyai 3 hingga 6 sudu yang disebut dengan runner blade. Runner blade mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui runner blade. Perbedaan tekanan ini memberikan gaya pada runner blade sehingga dapat berputar. Bila untuk pesawat terbang maksudnya adalah supaya dari gaya dorong yang ada bisa didapatkan gaya ke atas, dengan tahanan yang sedikit mungkin. Tetapi pada turbin Kaplan maksudnya adalah untuk mendapatkan gaya tangensial yang bisa menghasilkan torsi pada pada poros. Putaran poros ini yang akan diteruskan dengan sistem transmisi sabuk dan puli untuk memutar altenator. Putaran altenator menghasilkan listrik tegangan AC.

Uji eksperimental turbin Kaplan analisa perbandingan variasi jumlah sudu dilakukan di Laboratorium Teknologi Mekanik, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Dalam uji eksperimental turbin Kaplan digunakan kinerja pompa sebagai pengkondisian kapasitas aliran air di alam ditambah beberapa instalasi, yakni sebagai berikut:

 Instalasi reservoir (dalam hal ini digunakan satu unit tong)  Instalasi saluran perpipaan

 Instalasi dudukan rumah turbin Kaplan  Instalasi altenator

(52)

Dalam uji eksperimental turbin Kaplan ini dibuat turbin Kaplan, adapun beberapa pekerjaan yang dilakukan adalah:

 Pembuatan runner blade dengan jumlah runner adalah 4, 5 dan 6 sudu dari bahan plat besi 2 mm.

 Pembuatan poros dari bahan steel – 42.

 Pembuatan dudukan turbin dari bahan besi siku

 Pembuatan rumah turbin, guide vane, dan draft tube dengan pengerjaan plat.

Aliran air yang digunakan berasal dari resevoir yang telah diisi oleh air kemudian dipompa oleh satu unit pompa sentrifugal menuju rumah turbin dan jatuh kembali ke resevoir melalui draft tube secara siklus. Kapasitas aliran (debit) air yang akan dipompa dapat diatur melalui sebuah katup pengatur (ball valve) sesuai dengan kebutuhan. Rumah turbin dimana memiliki geometri variabel yang dapat membuat operasi efisien untuk aliran air. Rumah turbin juga berfungsi untuk memberikan gaya sentripetal agar runner blade dapat bergerak melingkar yakni gaya yang selalu membelokkannya menuju pusat lintasan lingkaran draft tube. Gerak melingkar runner blade inilah yang akan dikonversikan untuk memutar poros altenator dan menghasilkan arus listrik. Dengan kata lain energi kinetik yang terdapat dari aliran air masuk ke rumah turbin akan dimanfaatkan menjadi energi mekanik untuk memutar runner blade.

Dari uraian di atas, jelas bahwa penggunaan turbin Kaplan dapat mengubah energi kinetik fluida menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Selanjutnya daya poros ini akan dikopel atau ditransmisikan ke altenator dan diubah menjadi energi listrik.

(53)

3.2 SPESIFIKASI TURBIN KAPLAN

Spesifikasi turbin Kaplan dalam Uji eksperimental turbin Kaplan dan analisa perbandingan variasi jumlah sudu (yakni dengan sudu yang berjumlah 4,5 dan 6 sudu) adalah sebagai berikut:

Jumlah runner blade = 4, 5 dan 6 Diameter luar runner (D) = 16 cm Tinggi guide vane (B) = 4,4 cm Jarak vertikal runner (λ) = 1 cm Sudut guide vane (α) = 45o Diameter boss = 6,5 cm

3.3 RANCANG BANGUN INSTALASI

Rancang bangun instalasi pemipaan pada uji eksperimental turbin Kaplan menggunakan single line installation yakni memompa atau mensirkulasikan air dari reservoir ke rumah turbin dengan pompa tunggal. Dengan dimeter pipa sebesar 5,08 cm dari bahan PVC. Instalasi pipa ini terdiri dari 1 buah elbow atau belokan untuk meminimalisir head losses instalasi. Adapun tujuan rancang bangun instalasi pipa adalah sebagai bentuk simulasi dari suatu aliran sungai dengan kapasitas memenuhi karakteristik pemilihan turbin Kaplan.

(54)

Gambar 3.1 Instalasi turbin Kaplan

3.4 PERALATAN PENGUJIAN 3.4.1 Hand Tachometer

Alat ini digunakan untuk mengukur putaran (rpm) poros Turbin Kaplan yang digunakan dalam uji eksperimental turbin Kaplan analisa variasi jumlah sudu pada sudut guide vane 45o ini, hand tachometer yang digunakan adalah Krisbow KW06-303 dengan spesifikasi:

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

(55)

Sampling time : 0,8 s (over 60 rpm)

Gambar 3.2 Hand Tachometer

3.4.2 Clamp Meter

Clamp Meter digunakan untuk mengukur besarnya arus listrik (ampere) yang dihasilkan melalui rangkaian listrik (beban) dengan cara dihubungkan seri pada rangkaian listrik. Dalam uji eksperimental turbin Kaplan dengan 4, 5 dan 6 runner blade pada sudut guide vane 45o ini, clamp meter yang digunakan adalah Krisbow KW06-286 dengan spesifikasi:

(56)

Gambar 3.3 Clamp Meter

Tabel 3.1 Jangkauan dan akurasi Clamp meter

Fungsi Jangkauan Akurasi

Arus AC

2000 AAC

± (2.5 % + 10 digits)

20.00 AAC ± (2.5 % + 4

digits) 200.0 AAC

400 AAC

± (3.0 % + 4 digits)

Tegangan DC

200.0 mVDC

± (0.5 % + 5 digits)

2.000 VDC ± (1.2 % + 3

digits) 20.00 VDC

(57)

200.0 VDC

600 VDC

± (1.5 % + 3 digits)

Tegangan AC

200.0 mVAC

± (1.5 % + 30 digits)

2.000 VDC

± (1.5 % + 3 digits)

20.00 VDC 200.0 VDC

600 VDC

± (2.0 % + 4 digits)

Resistansi

200 Ω

± (1.0 % + 4 digits)

2 kΩ

± (1.5 % + 2 digits)

20 kΩ 200 kΩ

2 MΩ

± (2.0 % + 3 digits)

20 MΩ

± (3.0 % + 5 digits)

3.4.3 Multimeter

Multimeter digunakan untuk mengukur besarnya tegangan listrik (volt) yang dibangkitkan oleh dynamo dengan cara dihubungkan paralel pada rangkaian listrik. Dalam uji eksperimental turbin Kaplan dengan 4, 5 dan 6 runner blade

(58)

pada sudut guide vane 45o ini, multimeter yang gunakan adalah tipe fluke 15B digital multimeter dengan spesifikasi:

Range : DC voltage : 0, 0.2, 2, 20, 200, 1000 V AC voltage : 0, 200, 750 V

DC current : 0 µA, 200 µA, 2 mA, 20 mA, 200 mA Resistance : 200 Ω, 2 kΩ, 20 kΩ, 200 kΩ, 2000 kΩ

Gambar 3.4 Multimeter

3.4.4 Alternator

Alternator listrik adalah sebuah alat yang memproduksi energi listrik dari sumber energi mekanik berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik

(59)

Gambar 3.5 Alternator

3.4.5 Instalasi Rangkaian Lampu

Pada instalasi ini mengunakan rangkaian paralel yang terdiri dari lampu LED 3 dan 4 watt masing-masing sebanyak 1 buah. Pada masing-masing lampu dipasang sakelar yang berfungsi untuk menghubungkan dan memutuskan aliran listrik ke lampu.

(60)

Gambar 3.6 Rangkaian lampu

3.4.6 Pompa

Pompa ini digunakan untuk memompakan air dari resevoir ke rumah turbin sebagai simulasi aliran air di alam. Dalam uji eksperimental turbin Kaplan dengan 4, 5 dan 6 runner blade pada sudut guide vane 45o ini, spesifikasi pompa yang digunakan adalah:

Pabrikan/Merk : Kyomizu

Voltase : 220 V/240 V

Kapasitas maksimum : 80 L/menit Head tekan maksimum : 22 m Head isap maksimum : 8 m

(61)

Gambar 3.7 Pompa

3.5 PELAKSANAAN PENGUJIAN

Uji eksperimental turbin Kaplan dengan 4, 5 dan 6 runner blade pada sudut guide vane 45o ini dilakukan di Laboratorium Teknologi Mekanik, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Pengukuran-pengukuran yang dilakukan terhadap penelitian ini meliputi:

1. Pengukuran debit air dengan menggunakan stopwatch.

2. Pengukuran putaran (rpm) poros turbin Kaplan dan poros alternator dengan menggunakan Hand Tachometer.

3. Pengukuran torsi (Nm) pada poros turbin dengan menggunakan neraca pegas.

4. Pengukuran tegangan listrik (volt) dengan menggunakan Multimeter.

(62)

5. Pengukuran arus listrik (ampere) dengan menggunakan Clamp Meter.

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

1. Pemeriksaan sambungan pipa di instalasi tidak terjadi kebocoran 2. Pemeriksaan pipa penghubung air masuk ke rumah turbin sudah

terikat kuat dengan tidak ada celah air keluar.

3. Pemeriksaan pada jarak vertikal runner blade sejajar dengan posisi bawah guide vane.

4. Pemeriksaan pada guide vane dengan sudut 45o. 5. Pemeriksaan runner blade tidak menyentuh draft tube. 6. Pemeriksaan kesesuaian jarak puli dan sabuk.

7. Permeriksaan puli dapat berputar dengan baik. 8. Pemeriksaan instalasi lampu sebagai beban.

9. Pemeriksaan poros turbin Kaplan dan poros generator serta pemberian pelumas pada bearing.

10. Pemeriksaan alternator.

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 Kaplan dengan 4, 5 dan 6 runner blade pada sudut guide vane 45o ini adalah sebagai berikut:

(63)

1. Pengujian pertama dilakukan dengan sudu berjumlah 4 buah. 2. Hidupkan motor listrik penggerak pompa agar air mengalir menuju

turbin.

3. Dilakukan monitoring runner blade tidak menyentuh draft tube dan guide vane dan poros dalam keadaan stabil.

4. Setelah aliran air pada pipa penghubung dan putaran turbin konstan, maka dilakukan :

a. Pengukuran putaran pada poros turbin Kaplan dan poros generator dengan Hand Tachometer.

b. Pengukuran torsi pada poros turbin dengan neraca pegas. c. Pengukuran tegangan listrik (volt) dengan Multimeter d. Pengukuran arus listrik (ampere) dengan Clamp Meter 5. Setelah pengambilan data selesai dilakukan, pompa dimatikan. 6. Setelah pengukuran pada turbin Kaplan dengan menggunakan sudu

4 selesai, maka dilakukan penggantian dengan sudu 5 dan 6. Kemudian dilakukan pengujian kembali seperti prosedur-prosedur diatas.

Besaran-besaran yang diukur dan dicatat meliputi: 1. Putaran poros turbin Kaplan (rpm)

2. Putaran poros alternator (rpm) 3. Torsi pada poros turbin (Nm)

4. Tegangan listrik yang dihasilkan generator (V) 5. Arus listrik yang melalui rangkaian (A)

(64)

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

2. Daya Turbin Kaplan 3. Daya Alternator

(65)

Survei Data

Perhitungan Kecepatan Spesifik

Flowchart Uji eksperimental turbin Kaplan dan analisa perbandingan variasi

jumlah sudu (dengan 4, 5 dan 6 buah sudu)

Tinjauan Pustaka

Head dan Debit

Penentuan Jenis Turbin

Rancang Bangun Instalasi Turbin Kaplan Dengan 4,

5 dan 6 Runner Blade

Pengujian Turbin Kaplan Dengan Variasi Jumlah Sudu

4, 5 dan 6 Sudu

Kesimpulan dan Saran

Selesai

Tidak Mulai

Buku-buku pedoman, Jurnal-jurnal pendukung, dan sebagainya.

(66)

BAB IV

ANALISA DATA DAN HASIL PENGUJIAN

4. 1 PERHITUNGAN DIMENSI DASAR TURBIN KAPLAN 4.1.1 Kapasitas aktual dan head efektif intalasi

 Kapasitas aktual instalasi

Pengukuran di lakukan dengan menampung air dari instalasi pipa pada ember dengan kapasitas 1,5 L, di ambil sebanyak 3 kali.

Tabel 4.1 Hasil pengukuran kapasitas aktual instalasi

Pengukuran Waktu (detik) Kapasitas (liter)

I 1,8 1,5

II 1,5 1,5

III 1,8 1,5

� = 1,5

1,7

��

Q = 0,88 liter/detik = 0,00088 m3/detik

(67)

Gambar 4.1 Instalasi pipa

4.1.2 Dimensi dasar turbin Kaplan  Daya air teoritis

Secara teoritis daya air yang dapat dihasilkan pada ketinggian air (H) = 1 meter adalah:

�� = � .�.�.�

�� = 998,2_��3. 9,81

�

�2. 1 � . 0,88

� �

�� = 8,617 ��

 Daya turbin teoritis

Tinggi air = 50 cm 80 cm

Elbow 90o

Runner Blade Altenator

Resevoir

(68)

Secara teoritis daya air yang dapat dihasilkan adalah: Asumsi : �_{0 = 70 %}

�_�_{= 80 %} �� = �0 . �_�� = 0,7 . 8,617

�� = 6,0319 ��

�� ≈ 0,0060319 ��

 Kecepatan aliran air masuk turbin

Vf = �2gH =√2 × 9,81 × 1

Vf = 4,429 m/s

 Kecepatan spesifik

Dengan melihat kecepatan spesifik maka pemilihan turbin dapat ditentukan. Diperancangan diambil putaran rencana turbin sebesar 800 rpm. Berikut adalah perhitungan kecepatan spesifik :

�� = �√�turbin �54

�� = 800 √0,0060319

5 4

�� = 182,06 ��

Kecepatan spesifik adalah sebesar 182,06 rpm maka memenuhi dalam perancangan turbin Kaplan atau propeller.

(69)

� = (66,76 + 0,136 �_�)√�

�

� = (66,76 + (0,136 � 182,06)) √1

800

D = 0,1567825 m = 16 cm

 Tinggi guide vane (B) :

� = �0,45−31,80

��

� = �0,45− 31,80

182,06�0,16 B = 0,044 m = 4,4 cm

 Diameter dalam runner (Db) :

� = �

4(� 2_{− �}

�2)��

=� 4�0,16

2_{− �}

�2� 4,429

�� =�0, 162−_0,785×4,4290,00088

= _√0,004212

= 0,06489 � ≈0,065 �

4.1.3 Dimensi dasar runner blade

 Analisa segitiga kecepatan masuk runner blade a. Kecepatan tepi (rim) diameter boss dan diameter dalam :

�� = �.�₆₀�.�

�� = � . 0,065 . 350₆₀

�� = 1,1905 �/�

�= �.�.�

�= � . 0,16 . 350

(70)

�= 2,9306 �/�

b. Kecepatan pusaran air (whirl) diameter boss dan diameter dalam : �� = ��_�.�_�.�

�� = 0,8 . 9,81 . 1_1,1905

�� = 6,5921 �/�

�� = ��_�.�.�

�� = 0,8 . 9,81 .1_2,9306

�� = 2,6779 �/�

c. sudut sudu (blade) pada area fluida masuk (inlet) :

tan (�_�) = _��

�

tan(�_�) = 4,429

2,6779 tan(�_�) = 1,653

�_� = ��tan 1,653

�_� = 58,82°

d. Sudut sudu (blade) pada area fluida keluar (outlet) :

tan (�_�) = _��

��

tan (�_�) = 4,429

6,5921 tan(�_�) = 0,6718

�_� = ��tan 0,6718

�� = 33,89°

(71)

4.2 PERHITUNGAN EFISIENSI TURBIN KAPLAN DENGAN 4 RUNNER BLADE DAN SUDUT GUIDE VANE SEBESAR 45o

4.2.1 Arus, tegangan, dan putaran

Dari hasil pengukuran dengan alat ukur clamp meter, multimeter dan tachometer diperoleh data sebagai berikut:

a. Untuk tanpa pembebanan lampu, diperoleh :

1) Arus yang dihasilkan alternator (I0) : 42 mA

2) Tegangan yang dihasilkan alternator (V0) : 72 Volt

3) Putaran poros turbin Kaplan (N10) : 160 rpm

4) Putaran poros altenator (N20) : 920 rpm

b. Untuk pembebanan dengan 1 lampu (3 Watt), diperoleh:

1) Arus yang dihasilkan alternator (I3) : 35,5 mA

2) Tegangan yang dihasilkan alternator (V3) : 49 Volt

3) Putaran poros turbin Kaplan (N13) : 123 rpm

4) Putaran poros altenator (N23) : 707 rpm

c. Untuk pembebanan dengan 1 lampu (4 Watt), diperoleh:

1) Arus yang dihasilkan alternator (I4) : 35,3 mA

2) Tegangan yang dihasilkan alternator (V4) : 48 Volt

3) Putaran poros turbin Kaplan (N14) : 109 rpm

4) Putaran poros altenator (N24) : 626 rpm

d. Untuk pembebanan dengan 2 lampu (7 Watt), diperoleh:

1) Arus yang dihasilkan alternator (I7) : 34,6 mA

(72)

3) Putaran poros turbin Kaplan (N17) : 97 rpm

4) Putaran poros altenator (N27) : 557 rpm

4.2.2 Analisa daya dan putaran altenator pemberian beban

Dari data yang telah diperoleh dari hasil pengujian, dapat diketahui bahwa tegangan dan besar arus yang dihasilkan alternator menggunakan alat ukur tergantung pada besar beban (lampu) yang digunakan, sehingga dapat dihitung besar daya dengan menggunakan rumus:

P = V.I

Maka daya alternator yang dihasilkan adalah sebagai berikut: a. Untuk tanpa pembebanan lampu, diperoleh:

P0 = V0 . I0

P0 = 72 . (42 x 10-3)

P0 = 3,024 Watt

b. Untuk pembebanan 1 lampu (3 Watt), diperoleh: P3 = V3 . I3

P3 = 49. (35,5 x 10-3)

P3 = 1,7395 Watt

c. Untuk pembebanan 1 lampu (4 Watt), diperoleh: P4 = V4 . I4

P4= 48. (35,3 x 10-3)

P4 = 1,6944 Watt

d. Untuk pembebanan 2 lampu (7 Watt), diperoleh: P7 = V7 . I7

(73)

P7 = 43. (34,6 x 10-3)

P7 = 1,4878 Watt

Dari perhitungan data diatas dapat ditampilkan dalam bentuk tabel yakni sebagai berikut:

Tabel 4.2 Hasil percobaan dan daya yang dihasilkan alternator pada 4 runner blade

Beban Lampu

(Watt)

Arus (mA)

Tegangan (Volt)

Putaran Turbin

(rpm)

Putaran Altenator

(rpm)

Daya Alternator

(Watt)

0 42 72 160 920 3,024

3 35,5 49 123 707 1,7395

4 35,3 48 109 626 1,6944

7 34,6 43 97 557 1,4878

Dari tabel 4.2 diatas dapat ditampilkan kedalam bentuk grafik untuk mengetahui lebih jelas fenomena pada perubahan daya pada alternator terhadap penambahan beban lampu yang digunakan.

(74)

Gambar 4.3 Grafik Perubahan daya pada alternator terhadap penambahan beban pada 4 runner blade

Dengan melihat grafik diatas, dapat dianalisa semakin besar penambahan beban maka semakin kecil daya pada alternator dan hanya dapat diberi pembebanan 2 lampu (7 Watt). Selanjutnya hubungan antara perubahan putaran di poros altenator terhadap penambahan beban lampu dapat dilihat gambar 4.4. Dari gambar 4.4, dapat dianalisa semakin besar penambahan beban maka semakin kecil putaran poros altenator. Dimana putaran poros alternator tanpa beban lampu adalah 920 rpm dan ketika diberi beban lampu paling besar (7 Watt) putaran altenator menjadi 557 rpm.

3.024 1.7395 1.6944 1.4878 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

0 1 2 3 4 5 6 7 8

D a y a A lt e rn a tor ( W a tt )

(75)

Gambar 4.4 Grafik Perubahan putaran altenator terhadap penambahan beban lampu pada 4 runner blade

4.2.3 Pengujian Torsi - Putaran Berbeban

Data pengujian didapat dari pengukuran yang dilakukan dalam waktu yang bersamaan (sekaligus). Dalam kasus ini, pengujian membutuhkan waktu yang cukup lama untuk menentukan pembebanan yang tepat sebelum poros berhenti berputar. Pembebanan ini dilakukan menggunakan gesekan tali yang dikaitkan pada 2 neraca pegas. Waktu pengujian sampel sepanjang 20 detik, dibutuhkan lebih dari 15 x pengujian (sampel) untuk setiap perubahan variasi. Pengukuran putaran dilakukan dalam kondisi poros terbeban hampir berhenti.

Tabel 4.3 Hasil pengujian torsi dan putaran berbeban pada 4 runner blade

Pengujian Torsi (Nm)

Beban Lampu (Watt) Torsi (Nm) Putaran (rad/s)

0 0.2 16.74

920 707 626 557 0 200 400 600 800 1000

0 1 2 3 4 5 6 7 8

P u tar an A lt e rn a tor ( rp m)

(76)

3 0.15 12.87

4 0.14 11.4

7 0.12 10.15

Gambar 4.5 Grafik torsi vs putaran pada 4 runner blade

4.2.4. Efisiensi daya turbin dan efisiensi daya altenator

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).

Untuk menghitung daya turbin, digunakan persamaan :

�

=

�

.

�

Dimana :

0.2

0.15

0.14

0.12

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

16.74 12.87 11.4 10.15

Putaran (rad/s)

rsi

(Nm

(77)

� =�� (��)

�= �� ≈0,2 ��

�=�� (��)

Untuk menghitung kecepatan sudut adalah :

ω = 2�₆₀�

Dimana :

�= �� (��_� )

�= 160 ��

� = 2� �

� = 2� 160

� = 16,74 ��/�

Daya Turbin Aktual : � =� .� � = 0,2 . 16,74

� = 3,348 ��

Untuk efisiensi turbin dapat dihitung dengan menggunakan rumus : � = ��_�

�� 100% Dimana :

�� = 3,348 ��

�_�� = 8,617 ��

� = 3,348

(78)

� = 38,85 %

4.2.5 Efisiensi puli

Untuk mengetahui efisiensi puli dapat mengunakan rumus sebagai berikut: �� = _�_{��}�� . _.��_�_{��} � 100%

Maka efisiensi puli saat pengujian tanpa pembebanan adalah: �� = 0,035 . 920_{0,23 . 160} � 100%

�_�� = 87,5 %

Dimana :

�_�� =�� (0,035 �)

�_{��} =�� (0,23 �)

4.3 PERHITUNGAN EFISIENSI TURBIN KAPLAN DENGAN 5 RUNNER BLADE DAN SUDUT GUIDE VANE SEBESAR 45o

4.3.1 Arus, tegangan, dan putaran

Dari hasil pengukuran dengan alat ukur clamp meter, multimeter dan tachometer diperoleh data sebagai berikut:

e. Untuk tanpa pembebanan lampu, diperoleh :

5) Arus yang dihasilkan alternator (I0) : 44 mA

6) Tegangan yang dihasilkan alternator (V0) : 103 Volt

7) Putaran poros turbin Kaplan (N10) : 186 rpm

8) Putaran poros altenator (N20) : 1069 rpm

(79)

5) Arus yang dihasilkan alternator (I3) : 35,6 mA

6) Tegangan yang dihasilkan alternator (V3) : 51 Volt

7) Putaran poros turbin Kaplan (N13) : 182 rpm

8) Putaran poros altenator (N23) : 1046 rpm

g. Untuk pembebanan dengan 1 lampu (4 Watt), diperoleh:

5) Arus yang dihasilkan alternator (I4) : 35,5 mA

6) Tegangan yang dihasilkan alternator (V4) : 49 Volt

7) Putaran poros turbin Kaplan (N14) : 156 rpm

8) Putaran poros altenator (N24) : 897 rpm

h. Untuk pembebanan dengan 2 lampu (7 Watt), diperoleh:

5) Arus yang dihasilkan alternator (I7) : 33,9 mA

6) Tegangan yang dihasilkan alternator (V7) : 44 Volt

7) Putaran poros turbin Kaplan (N17) : 149 rpm

8) Putaran poros altenator (N27) : 856 rpm

4.3.2 Analisa daya dan putaran altenator pemberian beban

P = V.I

Maka daya alternator yang dihasilkan adalah sebagai berikut: e. Untuk tanpa pembebanan lampu, diperoleh:

(80)

P0 = 103 . (44 x 10-3)

P0 = 4,532 Watt

f. Untuk pembebanan 1 lampu (3 Watt), diperoleh: P3 = V3 . I3

P3 = 51. (35,6 x 10-3)

P3 = 1,8156 Watt

g. Untuk pembebanan 1 lampu (4 Watt), diperoleh: P4 = V4 . I4

P4= 49. (35,5 x 10-3)

P4 = 1,7395 Watt

h. Untuk pembebanan 2 lampu (7 Watt), diperoleh: P7 = V7 . I7

P7 = 44. (33,9 x 10-3)

P7 = 1,4916 Watt

Dari perhitungan data diatas dapat ditampilkan dalam bentuk tabel yakni sebagai berikut:

Tabel 4.4 Hasil percobaan dan daya yang dihasilkan alternator pada 5 runner blade Beban Lampu (Watt) Arus (mA) Tegangan (Volt) Putaran Turbin (rpm) Putaran Altenator (rpm) Daya Alternator (Watt)

(81)

3 35.6 51 182 1046 1.8156

4 35.5 49 156 897 1.7395

7 33.9 44 149 856 1.4916

Dari tabel 4.4 diatas dapat ditampilkan kedalam bentuk grafik untuk mengetahui lebih jelas fenomena pada perubahan daya pada alternator terhadap penambahan beban lampu yang digunakan.

Gambar 4.6 Grafik Perubahan daya pada Alternator terhadap penambahan beban pada 5 runner blade

Dengan melihat grafik diatas, dapat dianalisa semakin besar penambahan beban maka semakin kecil daya pada alternator dan hanya dapat diberi pembebanan 2 lampu (7 Watt). Selanjutnya hubungan antara perubahan putaran di poros altenator terhadap penambahan beban lampu dapat dilihat gambar 4.6. Dari gambar 4.6, dapat dianalisa semakin besar penambahan beban maka semakin kecil putaran poros altenator. Dimana putaran poros alternator tanpa

4.532 1.8156 1.7395 1.4916 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

0 1 2 3 4 5 6 7 8

D a y a A lt e rn a tor ( W a tt )

(82)

beban lampu adalah 1069 rpm dan ketika diberi beban lampu paling besar (7 Watt) putaran altenator menjadi 856 rpm.

Gambar 4.7 Grafik Perubahan putaran altenator terhadap penambahan beban lampu pada 5 runner blade

4.3.3 Pengujian Torsi - Putaran Berbeban

1069 ₁₀₄₆ 897 856 0 200 400 600 800 1000 1200

0 1 2 3 4 5 6 7 8

P u tar an A lt e rn a tor ( rp m)

(83)

Tabel 4.5 Hasil pengujian torsi dan putaran berbeban pada 5 runner blade

Pengujian Torsi (Nm)

Beban Lampu (Watt) Torsi (Nm) Putaran (rad/s)

0 0.25 19.468

3 0.24 19.049333

4 0.18 16.328

7 0.17 15.595333

Gambar 4.8 Grafik torsi vs putaran pada 5 runner blade

4.3.4. Efisiensi daya turbin dan efisiensi daya altenator

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).

0.25

0.24

0.18 _0.17

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

19.468 19.04933333 16.328 15.59533333

Putaran (rad/s)

rsi

(Nm

(84)

Untuk menghitung daya turbin, digunakan persamaan :

�

=

�

.

�

Dimana :

� =�� (��)

�= �� ≈0,25 ��

�=�� (��)

Untuk menghitung kecepatan sudut adalah :

ω = 2�₆₀�

Dimana :

�= �� (��

� )

�= 186 ��

� = 2� �

� = 2� 186

� = 19,468 ��/�

Daya Turbin Aktual : � =� .�

� = 0,25 . 19,468

� = 4,867 ��

(85)

� = ��

�� 100% Dimana :

�� = 4,867 ��

�_�� = 8,617 ��

� = 4,867

8,617 � 100% � = 56,48 %

4.3.5 Efisiensi puli

Untuk mengetahui efisiensi puli dapat mengunakan rumus sebagai berikut: �� = _� �� . ��

�� . �_{��} � 100%

Maka efisiensi puli saat pengujian tanpa pembebanan adalah: �� = 0,035 . 1069_{0,23 . 186} � 100%

�_�� = 87,45 %

Dimana :

�_�� =�� (0,035 �)

�_{��} =�� (0,23 �)

4.4 PERHITUNGAN EFISIENSI TURBIN KAPLAN DENGAN 6 RUNNER BLADE DAN SUDUT GUIDE VANE SEBESAR 45o

4.4.1 Arus, tegangan, dan putaran

Dari hasil pengukuran dengan alat ukur clamp meter, multimeter dan tachometer diperoleh data sebagai berikut:

(1)

Gambar 4.11 Grafik torsi vs putaran pada 6 runner blade

4.4.4. Efisiensi daya turbin dan efisiensi daya altenator

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).

Untuk menghitung daya turbin, digunakan persamaan :

�

=

�

.

�

Dimana :

� =�� (��)

�= �� ≈0,24 ��

�= �� (��)

Untuk menghitung kecepatan sudut adalah :

ω = 2�₆₀� Dimana :

�= �� (��_� )

�= 182 ��

� = 2� � 60

� = 2� 182 60

(2)

Daya Turbin Aktual : � =� .�

� = 0,24 . 19,0493

� = 4,571 ��

Untuk efisiensi turbin dapat dihitung dengan menggunakan rumus : � = ��_�

�� 100%

Dimana :

�� = 4,571 �� _�� = 8,617 ��

� = 4,571

8,617 � 100%

� = 53,04 %

4.4.5 Efisiensi puli

Untuk mengetahui efisiensi puli dapat mengunakan rumus sebagai berikut: �� = _� �� . ��

�� . �_{��} � 100%

Maka efisiensi puli saat pengujian tanpa pembebanan adalah: �� = 0,035 . 1046_{0,23 . 182} � 100%

�_�� = 87,45 % Dimana :

�_�� =�� (0,035 �)

(3)

Dari pengujian diatas didapat data efisiensi sebagai berikut

Tabel 4.8 Hasil perbandingan jumlah sudu terhadap efisiensi Jumlah sudu Efisiensi (%)

4 38.85

5 56.48

6 53.04

Gambar 4.12 Grafik efisiensi vs jumlah sudu

38.85

56.48

53.04

0 10 20 30 40 50 60

3 4 5 6 7

Jumlah Sudu Jumlah Sudu

(

(4)

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 KESIMPULAN

Dari hasil pengujian turbin Kaplan dengan 4, 5 dan 6 runner blade pada sudut guide vane 45o dapat ditarik kesimpulan, yakni:

1. Daya air yang didapat sebesar 8,617 Watt

2. Putaran maksimum poros turbin dan altenator terdapat pada 5 runner bladetanpa beban lampu yakni 186 rpm dan 1069 rpm.

3. Torsi maksimum pada poros turbin terdapat pada 5 runner blade tanpa beban lampu yakni 0,25 Nm.

4. Daya listrik yang dihasilkan altenator yang digerakkan oleh turbin Kaplan dengan 4 runner blade tanpa beban lampu pada sudut 45o adalah sebesar 3,024 Watt, pada 5 runner blade sebesar 4,532 Watt, dan pada 6 runner blade sebesar 4,3068 Watt.

5. Daya dan efisiensi maksimum turbin terdapat pada 5 runner blade yaitu 4,867 Watt dan 56, 48%

5.2 SARAN

Dari hasil pengujian turbin Kaplan dengan 4, 5 dan 6 runner blade pada sudut guide vane 45o dapat diberikan saran, yakni:

1. Dilakukan peninjauan terhadap diameter pulley yang efisien untuk digunakan dan rancangan instalasi pipa yang paling efisien untuk meminimalisir losses aliran fluida pada pipa.

(5)

2. Debit air melebihi 0,00088 m3/menit agar putaran poros dapat lebih maksimum.

3. Lebih teliti dalam perancangan rumah turbin dan draft tube karena lebih berpengaruh terhadap putaran turbin daripada komponen lainnya.

(6)

1. A. Pudjanarsa dan Djati N.2006. Mesin Konversi Energi. Cetakan Pertama. Yogjakarta: Penerbit Andi.

2. Dietzel, Fritz. 1993. Turbin, Pompa dan Kompresor. Cetakan Keempat. Jakarta: Erlangga.

3. H.K Barrows. 1934. Water Power Engineering. New York. McGraw-Hill Book Company.

4. Jaakko Mattilla. 2007. Design of Runner Blade of Kaplan Turbine for Small Hydroelectric Powerplant. Jerman.: Tampere.

5. Kiyokatsu Suga. 1978. Elemen Mesin. Cetakan Kedua. Jakarta: Permas.

6. L. V.Steeterdan Wylie B. 1993. Mekanika Fluida. Edisi Kedelapan. Jakarta: Erlangga.

7. M. M. Dakekar dan K. N Sharma.1998. Pembangkit Listrik Tenaga Air. Jakarta: Erlangga.

8. R. S. Khurmi. 1970.Hydraulics, Fluid Mechanics And Hydraulic Machines. New Delhi: S.Chand & Company LTD.

9. R. K. Rajput.1998. A Textbook Of Hydraulic Machines. Edisi Kedua. New Delhi: S.Chand & Company LTD.

10. Sularso, Ir. 1987. Pompa Dan Kompresor. Cetakan Ketiga. Jakarta: PT. Pradya Paramita.

11. Warnick, C.C. 1984.Hydropower Engineering. New York: Prentice Hall, Inc. 12.

13.

Uji Eksperimental Turbin Kaplan Analisa Perbandingan Variasi Jumlah Sudu Pada Sudut Guide Vane 45