Pengujian Pengaruh Variasi Jumlah dan Jarak Antar Disk Pada Rancang Bangun Turbin Testa dengan Kapasitas Air Konstan

LAMPIRAN

LAMPIRAN I DATA HASIL PENGUJIAN TURBIN TESLA PADA

HEAD 9,41 METER DENGAN MENGGUNAKAN 1 NOSEL

LAMPIRAN II GAMBAR JARINGAN PIPA PADA TURBIN TESLA

DAFTAR PUSTAKA

Allan, Sterling D. 2007. "Tesla Turbine : Engine of the 21st Century" Pure Energy Systems News.

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.

Bryan P. Ho-Yan (2011). “Tesla Turbine for Pico Hydro Applications”, University of Guelph, Guelph, Ontario,N1G 2W1, Canada.

Diestzel F. 1996. Turbin Pompa dan Kompressor. Edisi Kelima. Jakarta : Erlangga.

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.

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.

Krisna, Vencat, Vikram Reddy, & S Rajeshwer. 2011. Design Of Tesla Turbine.

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.

Munson, B., Young, B., Okiishi, T., Fundamentals of Fluid Mechanics, 4th Edition, John Wiley & Sons, New York, 2002, pp. 476-477, 493.

North, R. C., “An Investigation of the Tesla Turbine,” Ph.D. Dissertation, Mechanical Engineering Dept., University of Maryland, College Park, MD, 1969.

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.

Rice,W., “Tesla Turbomachinery,” In E. Logan & R. Roy (Eds.), Handbook of Turbomachinery, Marcel Dekker, New York : 2003, pp. 861–874.

Sularso. 1997. Dasar Perancangan dan Pemilihan Elemen Mesin. Jakarta : PT. Pradnya Paramita.

Suryanto. 1995. Elemen Mesin 1. Bandung : Unit Penerbit Politeknik.

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.

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 parallel 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.

Gambar 3.1. Turbin tesla sebelum dirakit.

3.1.3 Rancang Bangun Instalasi Perpipaan

Uji eksperimental turbin tesla pada head 9,41 meter dengan menggunakan satu nosel dan jumlah piringan (disk) sebanyak 25 disk tebal 2 milimeter dengan jarak/celah (space) 1 milimeter sebanyak 24, 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 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 parallel 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.

Gambar 3.3. Instalasi Pipa untuk Turbin Tesla 3.2 Peralatan Pengujian

3.2.1 Hand Tachometer

Alat ini digunakan untuk mengukur putaran (rpm) poros turbin tesla. Dalam uji eksperimental turbin tesla ini hand tachometer yang digunakan adalah Krisbow KW06-3083 dengan spesifikasi :

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

Range : autorange

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

Gambar 3.4. Hand Tachometer 3.2.2 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).

3.2.3 Pegas Ukur

Alat ini digunakan untuk mengukur pembebanan pada poros turbin.

Gambar 3.6 Pegas Ukur

3.2.4 Pompa Pengumpan

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.

3.3 Pelaksanaan Pengujian

Uji eksperimental turbin tesla pada head 9,41 meter dengan menggunakan 25 disk tebal 2 milimeter dan 24 space berukuran 1 milimeter di Laboratorium Mesin Fluida, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Pengukuran-pengukuran yang dilakukan tehadap penelitian ini meliputi :

1. Pengukuran putaran (rpm) poros turbin tesla dengan menggunakan Hand Tachometer.

2. Pengukuran debit air dengan menggunakan Flow Meter Digital. 3. Pengukuran torsi poros turbin dengan pegas ukur

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

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 pegas ukur sebagai alat untuk pembebanan. 6. 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. Sebelum pompa pengumpan dihidupkan, terlebih dahulu kran pengatur

(gate valve) dibuka supaya umur pemakaian pompa pengumpan lebih

lama.

3. Dilakukan monitoring terhadap ketinggian air di dalam TPA sesuai dengan data pengujian yang dibutuhkan (80 cm).

4. Setelah ketinggian air di TPA dan aliran air pada pipa pengumpan konstan, maka dilakukan pengujian serta pengambilan data terhadap : a. Pengukuran debit (L/s) dengan ember dan gelas ukur.

b. Pengukuran putaran (rpm) pada poros Turbin Tesla dengan Hand Tachometer.

c. Pengukuran torsi (Nm) dengan Pegas Ukur.

5. Pengukuran terhadap beberapa variabel di atas dilakukan terhadap beban masing-masing 1 kg (10 N) sampai poros turbin berhenti (0 rpm). 6. 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 : 1. Debit air (L/s)

2. Putaran poros Turbin Tesla (rpm) 3. Torsi (Nm)

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

3. Efisiensi Turbin Tesla

Setelah pengujian di atas, dilakukan pengujian torsi dengan prosedur sebagai berikut :

1. Katup menuju nosel pada turbin ditutup.

2. Pompa pengumpan dihidupkan dan air dipompakan dari TPB ke TPA, setelah tinggi air mencapai ketinggian pengujian (80 cm), gate valve pompa pengumpan diatur agar ketinggian air di tempat penampung atas stabil.

3. Secara bersamaan, katup menuju nosel Turbin tesla dibuka sesuai dengan variasi bukaan katub yang diinginkan.

4. Segera setelah air menumbuk disk turbin dan turbin berputar maka beban dapat diberikan dimulai dari 0 kg sampai poros turbin berhenti berputar (0 rpm).

5. Dari data yang diperoleh, maka perhitungan torsi pun dapat dilakukan. Dengan cara nilai beban yang diberikan (N) dikalikan dengan jarak poros turbin ke beban yaitu 8,5 mm.

Flow chart Uji eksperimental turbin tesla sebagai turbin air dan analisa perbandingan variasi jumlah disk dan jarak antar disk pada head 9,41

meter dengan menggunakan satu nosel

Survey Tempat Perancangan dan

Pengujian

Perancangan Turbin Tesla

Perancangan Instalasi Perpipaaan

Pengambilan Data Hasil Pengujian

Perhitungan dan Analisa Hasil Pengujian

Penulisan Laporan Hasil Pengujian

Kesimpulan dan Saran Mulai

Selesai Pelaksanaan Pengujian

BAB IV

DATA HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA

4.1 Data Hasil Pengujian

4.1.1 Perhitungan pada Instalasi Pipa A.Kapasitas aktual pada head 9,41 meter

Pengukuran dilakukan dengan menampung air dari instalasi pipa dari head 9,41 meter pada ember dalam waktu 10 detik, diambil sebanyak 3 kali didapat, Q=0,001045 m3/s = 1,045 L/detik

B. Panjang pipa yang digunakan pada head 9,41 meter 1. Panjang Pipa 4 in = 11,05 meter

2. Panjang Pipa 2 in = 0,57 meter

Jadi Panjang Total Pipa yang digunakan adalah 11,62 meter

C. Head losses

1. Head losses mayor

a. Head losses mayor pada pipa 4 inci

Menurut Persamaan Umum Hazen Williams ;

Dimana ;

Q = 0,001045 m3/s

Williams (130) (Lampiran 3) d = Diameter Pipa (0,1016 meter) L = Panjang Pipa (11,05 meter) Sehingga,

meter

b. Head losses mayor pada pipa 2 inci

Menurut Persamaan Umum Hazen Williams :

Dimana ;

L = Panjang Pipa (0,57 meter) d = Diameter Pipa (0,0508)

Sehingga,

2. Head losses minor

a. Head loses minor pada pipa 4 inci

Dimana ;

meter

Tabel 4.1. Head Losses Minor pada Pipa 4 inci

N k ∑k

Elbow 3 0,4 1,2

Tee 1 2,0 2,0

Flow meter 1 7 7

Sisi masuk 1 0,25 0,25

Sisi keluar 1 0,04 0,04

Total 10,49

Jadi harga Koefisien Kerugian pipa 4 inci ( ΣK ) = 10,49 Sehingga,

b. Head loses minor pada pipa 4 inci

Dimana ;

meter

Tabel 4.2. Head Losses Minor pada Pipa 2 inci

N k ∑k

Katup bola 1 0,05 0,05

Sisi masuk 1 0,25 0,25

Sisi keluar 1 0,04 0,04

Total 0,34

Jadi harga Koefisien Kerugian pipa 4 inci ( ΣK ) = 0,34 Sehingga,

c. Head efektif pada instalasi turbin tesla

meter

d. Daya air

W

4.1.2 Perhitungan Pada Turbin Tesla

A. Untuk turbin tesla dengan tebal dan jarak disk yang berbeda (25 Disk Tebal 2 mm dan 24 Celah Jarak 1 mm)

Spesifikasi turbin tesla adalah sebagai berikut :

• Diameter disk, D = 250 mm

• Tebal disk = 2 mm

• 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

Pada pembebanan 60 N menghasilkan putaran sebesar 329 rpm 1. Torsi Turbin

Dimana :

F = Beban (pembebanan diberikan (60 N) r = Jari-jari poros (0,0085 m)

Sehingga :

N.m

2. Daya Poros Turbin

Dimana :

T = Torsi turbin

ω = Kecepatan sudut = (rad/detik)

rad/detik

Sehingga :

3. Efisiensi Turbin

Dimana :

PT = Daya poros turbin

Pa = Daya air

Sehingga :

%

Dengan cara yang sama seperti diatas diberikan pembebanan pada turbin dari 0 N sampai turbin berhenti, maka diperoleh hasil lengkap pada tabel berikut :

Tabel 4.3. 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) Torsi (Nm) Daya turbin (W)

Ƞ turbin (%)

0 400 0 0 0

10 393 0.085 3.496 3.629

20 380.7 0.17 6.774 7.032

30 393.4 0.255 10.5 10.9

40 385 0.34 13.701 14.222

50 368.3 0.425 16.383 17.007

60 329 0.51 17.562 18.231

70 279.1 0.595 17.381 18.043

80 195.5 0.68 13.914 14.444

90 136.9 0.765 10.962 11.379

100 92.1 0.85 8.194 8.506

110 59.3 0.935 5.803 6.024

B. Untuk 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-jari luar, ro = 125 mm = 0,125 m

• Jari-jari dalam, ri = 30 mm = 0,03 m

• Jarak antar disk (celah), b = 2 mm = 0,002 m

• Jumlah disk = 19

• Jumlah celah = 18

Pada pembebanan 60 N menghasilkan putaran sebesar 320 rpm 1. Torsi Turbin

Dimana :

F = Beban (pembebanan diberikan (60 N) r = Jari-jari poros (0,0085 m)

Sehingga :

2. Daya Poros Turbin

Dimana :

T = Torsi turbin

ω = Kecepatan sudut = (rad/detik)

rad/detik

Sehingga :

W

3. Efisiensi Turbin

Dimana :

PT = Daya poros turbin

Pa = Daya air

Sehingga :

%

Dengan cara yang sama seperti diatas diberikan pembebanan pada turbin dari 0 N sampai turbin berhenti, maka diperoleh hasil lengkap pada tabel berikut :

Tabel 4.4. Pengujian dan perhitungan turbin tesla dengan jumlah dan jarak disk yang sama (19 disk 2 mm tebal dan 18 celah 2 mm jarak antar disk)

Beban (N) Putaran Turbin (rpm) Torsi (Nm) Daya turbin (W)

Ƞ turbin (%)

0 420 0 0 0

10 417 0.085 3.710 3.552

20 405 0.170 7.206 6.899

30 383.1 0.255 10.225 9.789

40 362.3 0.340 12.893 12.344

50 340.7 0.425 15.155 14.510

60 320 0.510 17.082 16.354

70 291.2 0.595 18.135 17.362

80 262.6 0.680 18.690 17.893

90 220.9 0.765 17.687 16.934

100 148.7 0.850 13.229 12.665

110 81.3 0.935 7.956 7.617

4.2 Analisa Data

4.2.1 Untuk Turbin Tesla Dengan Tebal Dan Jarak Disk Yang Berbeda (25 Disk Tebal 2 mm Dan 24 Celah Jarak 1 mm)

A. Grafik hubungan putaran vs torsi

Grafik 4.1. Grafik hubungan putaran (rpm) vs torsi (N.m)

Pada grafik 4.1 dijelaskan bahwa semakin tinggi putaran turbin maka torsi yang dihasilkan semakin kecil. Dalam hal ini, pada 0 Beban menghasilkan putaran maksimum turbin yaitu 400 rpm. Karena disini torsi tergantung pada beban maka torsinya adalah 0.

B. Grafik putaran vs daya

Grafik 4.2. Grafik hubungan putaran (rpm) vs daya (W)

Pada grafik 4.2 dijelaskan bahwa daya turbin akan semakin naik jika putaran turbin juga naik. Dalam hal ini, daya maksimum sebesar 17,56 W akan dicapai pada putaran 329 rpm dan beban sebesar 60 N.

C. Grafik putaran vs efisiensi

Grafik 4.3. Grafik hubungan putaran (rpm) vs efisiensi (%)

Pada grafik 4.3 dijelaskan bahwa efisiensi turbin akan semakin naik jika putaran turbin juga naik. Dalam hal ini, efisiensi maksimum sebesar 16,81 % akan dicapai pada putaran 329 rpm dan beban sebesar 60 N.

D. Grafik daya vs efisiensi

Grafik 4.4. Grafik hubungan daya (W) vs efisiensi (%)

Pada grafik 4.4 dijelaskan bahwa dengan meningkatnya efisiensi turbin maka daya turbin juga naik. Dalam hal ini,efisiensi maksimum sebesar 16,81 % akan dicapai pada daya sebesar 17,56 W.

4.2.2 Untuk Turbin Tesla Dengan Tebal Dan Jarak Disk Yang Sama (19 Disk Tebal 2 mm Dan 18 Celah Jarak 2 mm)

A. Grafik hubungan putaran vs torsi

Grafik 4.5. Grafik hubungan putaran (rpm) vs torsi (N.m)

Pada grafik 4.5 dijelaskan bahwa semakin tinggi putaran turbin maka torsi yang dihasilkan semakin kecil. Dalam hal ini, pada 0 Beban menghasilkan putaran maksimum turbin yaitu 420 rpm. Karena disini torsi tergantung pada beban maka torsinya adalah 0.

B. Grafik putaran vs daya

Grafik 4.6. Grafik hubungan putaran (rpm) vs daya (W)

Pada grafik 4.6 dijelaskan bahwa daya turbin akan semakin naik jika putaran turbin juga naik. Dalam hal ini, daya maksimum sebesar 18,69 W akan dicapai pada putaran 262,6 rpm dan beban sebesar 80 N.

C. Grafik putaran vs efisiensi

Grafik 4.7. Grafik hubungan putaran (rpm) vs efisiensi (%)

Pada grafik 4.7 dijelaskan bahwa efisiensi turbin akan semakin naik jika putaran turbin juga naik. Dalam hal ini, efisiensi maksimum sebesar 17,89 % akan dicapai pada putaran 262,6 % dan beban sebesar 80 N.

D. Grafik daya vs efisiensi

Grafik 4.8. Grafik hubungan daya (W) vs efisiensi (%)

Pada grafik 4.8 dijelaskan bahwa dengan meningkatnya efisiensi turbin maka daya turbin juga naik. Dalam hal ini,efisiensi maksimum sebesar 17,89 % akan dicapai pada daya sebesar 18,69 W.

4.2.3 Perbandingan Variasi Jumlah dan Jarak Antar Disk A. Grafik Putaran vs Torsi

Grafik 4.9. Grafik hubungan putaran (rpm) vs torsi (Nm)

Pada grafik 4.9 dijelaskan bahwa semakin tinggi putaran turbin maka torsi yang dihasilkan semakin kecil. Dan turbin dengan jarak disk yang sama menjadi putaran yang tertinggi.

B. Grafik putaran vs daya

Grafik 4.10. Grafik hubungan putaran (rpm) vs daya (W)

Pada grafik 4.10 dijelaskan bahwa daya turbin akan semakin naik jika putaran turbin juga naik. Dan turbin dengan tebal dan jarak disk yang sama menjadi daya dan putaran tertinggi.

C.Grafik putaran vs efisiensi

Grafik 4.11. Grafik hubungan putaran (rpm) vs efisiensi (%)

Pada grafik 4.11 dijelaskan bahwa efisiensi turbin akan semakin naik jika putaran turbin juga naik. Dan turbin dengan tebal dan jarak disk yang sama menjadi efisiensi dan putaran tertinggi.

D.Grafik daya vs efisiensi

Grafik 4.12. Grafik hubungan daya (W) vs efisiensi (%)

Pada grafik 4.12 dijelaskan bahwa dengan meningkatnya efisiensi turbin ma daya turbin juga naik. Dan turbin dengan tebal dan jarak disk yang sama menjadi efisiensi dan daya tertinggi.

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

1. Untuk turbin tesla dengan tebal dan jarak disk yang berbeda (25 disk tebal 2 mm dan 24 celah jarak 1 mm antar disk) menghasilkan efisiensi maksimum sebesar 16,81 %, daya maksimum sebesar 17,56 pada putaran sebesar 329 rpm dengan beban 60 N.

2. Untuk turbin tesla dengan tebal dan jarak disk yang sama (19 disk tebal 2 mm dan 18 celah jarak 2 mm antar disk) menghasilkan efisiensi maksimum sebesar 17,89 %, daya maksimum sebesar 18,69 W pada putaran sebesar 262,6 rpm dengan beban 80 N.

3. Dari perbandingan di atas dapat diketahui bahwa turbin tesla dengan tebal dan jarak disk yang sama (19 disk tebal 2 mm dan 18 celah jarak 2 mm antar disk) lebih besar dari turbin tesla dengan tebal dan jarak disk yang berbeda (25 disk tebal 2 mm dan 24 celah jarak 1 mm antar disk)

4. Dari hasil perhitungan di atas diketahui bahwa efisiensi masih di bawah 60 %, ini berarti efisiensinya masih di bawah yang diharapkan.

5. Daya dan efisiensi turbin tesla tergantung pada torsi dan putaran poros turbin, semakin besar torsi dan putaran turbin maka daya dan efisiensinya semakin besar.

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 daya dan efisiensi yang dihasilkan lebih akurat dari pada pegas ukur.

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 mencapai10.000 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 sebesar 110 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 200Hp.

Gambar 2.1 . Turbin Tesla yang Pertama Dibuat.

(Sumbe

Pada tahun 2006 Turbin Tesla telah dikembangkan oleh Allan Park yang berkebangsaan Amerika menggunakan udara bertekanan yang menggunakan piringan disk 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 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 dua bentuk yaitu :

1. Massa jenis (ρ

)

Perbandingan jumlah massa dengan jumlah volume. Dapat dirumuskan dalam persamaan berikut :

………..(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 :

……….(2) Dimensi dari berat spesifik ini adalah ML-3T-2 dimana nilai air adalah 9,81 x 103N/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.

Viskositas kinematik (ϑ) adalah ratio dari viskositas terhadap massa jenis (ρ) :

…………...…………(3)

Viskositas kinematik juga merupakan ukuran tahanan dalam dari aliran zat cair oleh bobotnya sendiri dengan satuan CentiStoke (cSt). Satu cSt sama dengan 0,01stoke 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 -4kg/m.s.

………(4)

Viskositas dinamik juga merupakan ukuran tahanan dalam aliran zat cair oleh gaya dari luas dengan satuan CentiPoise (cP). Satu CentiPoise sama dengan 0,01 poise atau dalam satuan Sistem Internasional (SI) dinyatakan sebagai 1 milli Pascal-sec (mPa-s).

2.2.2 Aliran Fluida

Bilangan Reynolds adalah bilang tidak berdimensi yang menyatakan perbandingan gaya-gaya inersia terhadap viskositas. Rumus bilangan Reynolds umumnya diberikan sebagai berikut:

…………...…………(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 (demsitas) 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 Turbulent

Sedangkan aliran turbulent 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, aliran disebut transisi antara laminar dan aliran 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 :

Q = Debitaliran air (m3/s) � = 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.

(Sumber :

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 persamaan Bernoulli. Menurut persamaan Bernoulli besar energi aliran adalah :

………...…………(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)

Jika pada aliran tersebut m = 1 kg, maka energi spesifiknya :

( ) …….………(10)

Bila energi spesifik tersebut dibagi dengan gravitasi maka ketinggian :

(m) …………...…………(11)

Dimana :

z Adalah ketinggian dari suatu tempat yang dipakai sebagai standar

Dinamakan Tinggi Tekan

Dinamakan Tinggi Kecepatan

Gambar 2.6. Diagram Bernoulli Untuk Turbin Air

Hal ini sesuai dengan Bunyi Persamaan Bernoulli :

“ 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.”

Persamaan momentum untuk pipa yang dialiri fluida, dimana sifat fluida konstan sebagai berikut :

…...………….….(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.

………...…………(13) Persamaan momentum untuk titik 1 dan 3, diperoleh :

……...…...……(14) Persamaan momentum untuk titik 2 dan 3, diperoleh :

...…….….……(15) Keterangan :

p = Tekanan absolut (N/m2) v = Kecepatan (m/detik) Hl = Head loses pada pipa (m)

Untuk kondisi-kondisi instalasi turbin air di atas dimana :

 Untuk waduk (reservoir titik 1) kecpatan V1≈ 0.

 (pressure grade adalah nol).

Maka,

……...………...(16)

Head losses yang terjadi pada saluran pipa:

1. Mayor Loses yang terjadi akibat gesekan aliran dalam satuan pipa ………...………(17) 2. Minor Loses yang terjadi akibat adanya perlengkapan (equipment) pipa, seperti belokan (elbow), valve, saringan dan peralatan lainnya.

………(18) 2.3 Turbin Tesla

2.3.1 Sejarah Turbin Tesla

Konsep Tesla dibuat pertama kali oleh Nikola Tesla. Nikola Tesla lahirpada tanggal 9 Juli 1856, di Smitjan, Kroasia. Tesla merupakan ilmuan jenius,hampir semua penemuan elektrik berasal dari penemuannya, seperti halnya motorlistrik, 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 system kerja sama dengan turbin, dengan memanfaatkan steam atau uap untuk menggerakkan Turbin Tesla. Saat itu hasil percobaannya menghasilkan daya 200HP (149,2kW), dan mencapai 16.000 rpm.

Gambar 2.8. Pengaplikasian Tesla pada Turbin Uap.

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.

Adapun bagian-bagian dari turbin Tesla adalah sebagai berikut : 1. Piringan (Disk) turbin

Piringan (Disk) turbin pada turbin Tesla merupakan piringan bulat yang disusun bertumpuk pada satu sumbu. 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.

3. Poros

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.

5. Rumah turbin (Casing)

Rumah turbin tesla selain sebagai tempat nosel terpasang, juga berfungsi menangkap dan membelokkan percikan aliran air sehingga baik dsik maupun pancaran tidak terganggu. Ruangan pada rumah turbin dan disk diusahakan dibuat agak sekecil mungkin supaya percikan aliran air tadi dapat mengalir secara teratur.

Gambar 2.14. Rumah turbin (Casing).

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.

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 di inginkan, 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 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:

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.

2.4 Dasar Pemilihan Turbin 2.4.1 Perhitungan Turbin

A. Kecepatan air keluar nosel

………...………...(19) 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

………...……….(20) Dimana :

Q = Kapasitas aliran air (m3/detik) A = Luas penampang nosel (m2)

v = Kecepatan air keluar nosel (m/detik) C. Kecepatan anguler disk turbin

………....…………...……….(21) Dimana :

= Kecepatan anguler disk turbin (rad/detik) d = Diameter disk turbin (m)

n = Putaran poros turbin (rpm) D. Kecepatan tangensial disk turbin

………...………...….(22) atau

………...…………...(23) Dimana :

u = Kecepatan tangensial disk turbin (m/detik) D = Diameter disk turbin (m)

n = Putaran poros turbin (rpm)

ω = Kecepatan anguler disk turbin (rad/detik) r = Jari-jari disk turbin (m)

E. Torsi turbin

………...………(24) Dimana :

T = Torsi turbin (N/m) = Gaya turbin (N)

r = jari-jari poros turbin (m) F. Daya turbin

a. Daya Hidrolis

Dimana :

Pa = Daya air (W)

= Massa jenis air = 1000 kg/m3

g = Percepatan gravitasi bumi = 9,81 m/detik2 = Headturbin (m)

Q = Debit aliran(m3/detik)

b. Daya poros turbin

………...…………...………..(26) Dimana :

PT = Daya poros turbin (W)

T = Torsi turbin (N/m)

= Kecepatan anguler disk turbin (rad/detik)

G. Efisiensi turbin

………...……….(27) Dimana :

ηT = Efisiensi sudu turbin PT = Daya poros turbin (W)

2.4.2 Karakteristik Grafik Turbin

Adapun karateristik grafik turbin dibagi dalam 2 jenis yaitu : 1. Karakteristik Grafik Turbin Untuk Head Tetap

a. Grafik Debit vs Efisiensi Maksimal (Q vs ɳ)

Grafik 2.1. Debit vs Efisiensi (Q vs ɳ)

Pada grafik 2.1 ini dijelaskan bahwa pada nilai efisiensi maksimal terdapat pada Φ = 0,46, setelahnya mengalami penurunan nilai efisiensi.

b. Grafik Daya vs Efisiensi (P vs ɳ)

Grafik 2.2 Daya Air vs Efisiensi (P vs ɳ)

Pada grafik 2.19 dijelaskan bahwa semakin tinggi efisiensi semakin tinggi juga daya yang dihasilkan.

2. Karakteristis Grafik Turbin Untuk Variasi Bukaan Katup a. Grafik Kecepatan Turbin vs Daya Turbin (rpm vs P)

Grafik 2.3. Kecepatan Turbin vs Daya Turbin (rpm vs P)

Pada grafik 2.20 dijelaskan bahwa daya turbin akan semakin naik jika rpm juga naik. Variasi bukaan katub penuh menjadi daya tertinggi dan rpm

tertinggi.

b. Grafik Kecepatan Turbin vs Efisiensi (rpm vs ɳ)

Grafik 2.4. Kecepatan Turbin vs Efisiensi (rpm vs ɳ)

Pada grafik 2.4 dijelaskan bahwa nilai efisiensi turbin akan semakin naik jika rpm juga naik. Dan variasi bukaan katub penuh menjadi daya tertinggi dan rpm tertinggi.

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Perkembangan teknologi semakin pesat menyebabkan kebutuhan terhadap energi meningkat. Pada sisi lain, ketersediaan sumber energi yang tidak dapat diperbaharui semakin menipis. Sumber energi yang terbarukan seperti energi potensial pada air merupakan sumber energi terbarukan menjadi energi alternatif untuk dikembangkan. Indonesia merupakan negara paling potensial terhadap pengembangan energi alternatif tersebut karena memiliki sumber air yang berlimpah. Aliran-aliran sungai besar dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi. Mesin konversi berupa turbin untuk mengubah energi fluida menjadi energi mekanik diperlukan untuk dapat memanfaatkan energi fluida tersebut. Keseluruhan rangkaian penelitian ini dikembangkan dengan tema “

Pengujian

Pengaruh Variasi Jumlah dan Jarak Antara Disk Pada Rancang

Bangun Turbin Tesla Dengan Kapasitas Air Konstan”.

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 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 Tujuan Penelitian

Tujuan dari skripsi ini terdiri dari:

A. Tujuan Umum

Tujuan umum dari penelitian ini adalah untuk mengetahui performansi dari turbi tesla.

B. Tujuan Khusus

Tujuan khusus dari penelitian ini adalah :

1. Untuk mengetahui hubungan antara torsi dengan putaran. 2. Untuk mengetahui hubungan antara daya dengan putaran. 3. Untuk mengetahui hubungan antara efisiensi dengan putaran. 4. Untuk mengetahui hubungan antara daya dengan efisiensi.

1.3 Batasan Masalah

Karena luasnya permasalahan ini, maka pengujian ini dibatasi pada : 1. Pengujian turbin tesla menggunakan 25 disk dengan tebal disk 2

mm dan 24 jarak (celah) 1 mm antar disk.

2. Pengujian turbin tesla menggunakan 19 disk dengan tebal disk 2 mm dan 18 jarak (celah) 2 mm antar disk.

3. Perencanaan poros, bantalan, mur dan baut.

4. Pada analisis perhitungan dibatasi hanya membahas putaran, gaya, momen torsi, daya dan efisiensi yang dihasilkan pada turbin tesla secara pengujian dan mengetahui pengaruh kecenderungan yang terjadi pada turbin tesla.

1.4 Metodologi Penulisan

Metodologi Penulisan terdiri atas :

1. Studi literatur, berupa studi kepustakaan, mengacu dari buku-buku dan tulisan-tulisan yang terkait.

2. Browsing internet, berupa studi artikel-artikel, gambar-gambar dan buku elektronik (e-book).

3. Metode studi lapangan, yaitu dengan mengambil data dari hasil pengujian yang dilakukan di laboratorium motor bakar fakultas teknik. 4. Diskusi, berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing maupun tukar

1.5 Sistematika Penulisan

Skripsi in terdiri atas beberapa bab, dengan garis besar tiap bab adalah sebagai berikut :

1. BAB I PENDAHULUAN

Pada bab ini dijelaskan mengenai latar belakang, maksud dan tujuan, batasan masalah, metodologi penulisan 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 KESIMPULAN DAN SARAN

Pada bab ini dijelaskan mengenai kesimpulan dan saran yang diperoleh.

6. DAFTAR PUSTAKA 7. LAMPIRAN

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 penelitian ini dicoba untuk aplikasi fluida air dengan head ketinggian sebagai tinggi air jatuhnya dan pegas ukur sebagai torsimeter. Penelitian ini melewati tahap studi literatur untuk menghitung secara teoritis maupun pengujian untuk menghasilkan putaran, torsi, daya dan efisiensi turbin tesla. Dari penilitan didapatkan bahwa untuk turbin tesla dengan tebal dan jarak disk yang berbeda menghasilkan efisiensi maksimum sebesar 16,81 %, daya maksimum sebesar 17,56 pada putaran sebesar 329 rpm dengan beban 60 N. Sedangkan untuk turbin tesla dengan tebal dan jarak disk yang sama menghasilkan efisiensi maksimum sebesar 17,89 %, daya maksimum sebesar 18,69 W pada putaran sebesar 262,6 rpm dengan beban 80 N.

PENGUJIAN PENGARUH VARIASI JUMLAH

DAN JARAK ANTAR DISK

PADA RANCANG BANGUN TURBIN TESLA

DENGAN KAPASITAS AIR KONSTAN

SKRIPSI

Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

DIUSULKAN OLEH :

YENI MARSIA SEMBIRING

(120421029)

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

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 penelitian ini dicoba untuk aplikasi fluida air dengan head ketinggian sebagai tinggi air jatuhnya dan pegas ukur sebagai torsimeter. Penelitian ini melewati tahap studi literatur untuk menghitung secara teoritis maupun pengujian untuk menghasilkan putaran, torsi, daya dan efisiensi turbin tesla. Dari penilitan didapatkan bahwa untuk turbin tesla dengan tebal dan jarak disk yang berbeda menghasilkan efisiensi maksimum sebesar 16,81 %, daya maksimum sebesar 17,56 pada putaran sebesar 329 rpm dengan beban 60 N. Sedangkan untuk turbin tesla dengan tebal dan jarak disk yang sama menghasilkan efisiensi maksimum sebesar 17,89 %, daya maksimum sebesar 18,69 W pada putaran sebesar 262,6 rpm dengan beban 80 N.

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas karunia-Nya sehingga penulis dapat menyusun dan menyelesaikan tugas skripsi ini dengan baik.

Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan untuk mancapai gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu PENGUJIAN PENGARUH VARIASI JUMLAH DAN JARAK ANTAR DISK PADA RANCANG BANGUN TURBIN TESLA DENGAN KAPASITAS AIR KONSTAN

.

Penulis berterima kasih kepada banyak pihak yang telah banyak membantu penulis dalam berbagai hal dalam proses penyusunan skripsi ini. Oleh sebab itu, penulis menyampaikan terima kasih kepada :

1. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, M.T, selaku dosen pembimbing yang telah banyak memberikan bimbingan, arahan, dan masukan yang positif kepada penulis selama penyusunan skripsi.

2. Bapak Dr. Ing Ikhwansyah Isranuri, selaku ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.

3. Bapak/Ibu Staff 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 study.

4. Ayahanda Suria Sembiring, Ibunda Suyanti Purba, serta adik-adik tercinta Alberto Monas Sembiring dan Amelia Sri Pamela Sembiring yang telah memberikan doa, semangat, dan dukungan selama proses penyusunan skripsi ini.

5. Keluarga Besar Komunitas Sant’Egidio Medan yang telah memberikan doa, semangat dan dukungan selama proses penyusunan skripsi ini.

6. Untuk Thomas Didimus Josen yang telah memberikan doa, semangat dan dukungan dalam banyak hal.

7. Untuk Herry Wibowo Sucipto, S.T yang telah memberikan semangat dan yang telah banyak membantu dalam banyak hal.

8. Untuk teman seperjuangan saya, Dadi Rizaldi, Saur Malau (Tesla Grup) terima kasih atas bantuan, semangat, masukan dan dorongan yang kalian berikan selama dalam bimbingan.

9. Semua pihak yang telah membantu, angkatan 2011, 2012 dan 2013 yang juga banyak membantu memberikan masukan serta memberi semangat kepada penulis.

Sebagai manusia yang masih belajar, penulis menyadari bahwa penulisan skripsi ini masih memiliki berbagai kekurangan. Untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari berbagai pihak. Penulis juga mengaharapkan skripsi ini dapat menjadi tambahan pengetahuan bagi pembaca dan bermanfaat untuk kita semua.

Medan, November 2015

DAFTAR ISI

ABSTRAK ... i

KATA PENGANTAR ... ii

DAFTAR ISI... iv

DAFTAR TABEL ... vii

DAFTAR GAMBAR ... viii

DAFTAR SIMBOL ... ix

AKSARA YUNANI ... x

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan Penelitian ... 2

1.3 Batasan Masalah ... 3

1.4 Metodologi Penulisan ... 3

1.5 Sistematika Penulisan ... 4

BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Tinjauan Umum Turbin Tesla ... 5

2.2 Hukum Mekanika Fluida ... 7

2.2.1 Sifat Fluida Air ... 7

2.2.2 Aliran Fluida ... 9

2.2.3 Persamaan Aliran Fluida ... 11

2.2.4 Head Turbin ... 12

2.3 Turbin Tesla ... 15

2.3.1 Sejarah Turbin Tesla ... 15

2.3.2 Bagian-Bagian Turbin Tesla ... 17

2.3.3 Cara Kerja Turbin Tesla ... 20

2.3.4 Keunggulan Turbin Tesla ... 22

2.4 Dasar Pemilihan Turbin ... 24

2.4.1 Perhitungan Turbin ... 24

2.4.2 Karakteristik Gambar Turbin ... 27

3.1 Konsep Dasar Perancangan dan Penelitian ... 30

3.1.1 Umum ... 30

3.1.2 Rancang Bangun Turbin Tesla ... 30

3.1.3 Rancang Bangun Instalasi Perpipaan ... 32

3.2 Peralatan Pengujian ... 34

3.2.1 Head Tachometer ... 34

3.2.2 Meteran ... 35

3.2.3 Pegas Ukur ... 36

3.2.4 Pompa Pengumpan ... 36

3.3 Pelaksanaan Pengujian ... 37

BAB IV DATA HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA 4.1 Data Hasil Pengujian ... 41

4.1.1 Pengujian Pada Instalasi Pipa ... 41

4.1.2 Perhitungan Pada Turbin Tesla ... 45

4.2 Analisa Data ... 51

4.2.1 Untuk Turbin Tesla dengan Tebal dan Jarak Disk yang berbeda (25 disk tebal 2 mm dan 24 celah jarak 1mm) ... 51

4.2.2 Untuk Turbin Tesla dengan tebal dan Jarak Disk yang sama (19 disk dengan tebal 2mm dan 18 celah jarak 2 mm) ... 55

4.2.3 Perbandingan Variasi Jumlah dan Jarak antar Disk ... 59

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ... 63

5.2 Saran ... 64 DAFTAR PUSTAKA

DAFTAR TABEL

4.1 Head loses minor pada pipa 4 inci ... 43 4.2 Head loses minor pada pipa 2 inci ... 44 4.3 Pengujian dan perhitungan turbin tesla dengan jumlah

dan jarak disk yang berbeda (25 disk 2mm tebal dan 24 celah

1 mm jarak antar disk. ... 47 4.4 Pengujian dan perhitungan turbin tesla dengan jumlah

dan jarak disk yang sama (19 disk 2mm tebal dan 18 celah

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Turbin Tesla yang Pertama Dibuat... 6

Gambar 2.2 Turbin Tesla Menggunakan Udara Bertekanan ... 6

Gambar 2.3 Aliran Laminar ... 10

Gambar 2.4 Airan Turbulen ... 10

Gambar 2.5 Laju Aliran Massa ... 11

Gambar 2.6 Diagram Bernoullu Untuk Turbin Air ... 13

Gambar 2.7 Nikola Tesla ... 16

Gambar 2.8 Pengaplikasian Tesla pada Turbin Uap ... 16

Gambar 2.9 Bagian-bagian dari Turbin Tesla ... 17

Gambar 2.10 Piringan (Disk) Turbin ... 18

Gambar 2.11 Celah (Space) ... 18

Gambar 2.12 Poros ... 19

Gambar 2.13 Nosel ... 19

Gambar 2.14 Rumah Turbin ... 20

Gambar 2.15 Viskositas Fluida pada Dua Plat ... 21

Gambar 2.16 Laju Aliram Fluida yang Bekerja pada Turbin ... 22

Gambar 2.17 Perbandingan Effisiensi ... 23

Gambar 3.1 Turbin Tesla sebelum dirakit ... 31

Gambar 3.2 Turbin Tesla setelah dirakit ... 31

Gambar 3.3 Instalasi Pipa untuk Turbin Tesla ... 34

Gambar 3.4 Hand Tachometer ... 35

Gambar 3.5 Meteran ... 35

Gambar 3.6 Pegas Ukur ... 36

AKSARA YUNANI

LAMBANG ARTI SATUAN

η Efisiensi turbin %

Ω Kecepatan sudut rpm

ω Kecepatan sudut rad/det

γ (gamma) Berat jenis N/m3

6.

Untuk Thomas Didimus Josen yang telah memberikan doa, semangat dan

dukungan dalam banyak hal.

7.

Untuk Herry Wibowo Sucipto, S.T yang telah memberikan semangat dan

yang telah banyak membantu dalam banyak hal.

8.

Untuk teman seperjuangan saya, Dadi Rizaldi, Saur Malau (Tesla Grup)

terima kasih atas bantuan, semangat, masukan dan dorongan yang kalian

berikan selama dalam bimbingan.

9.

Semua pihak yang telah membantu, angkatan 2011, 2012 dan 2013 yang

juga banyak membantu memberikan masukan serta memberi semangat

kepada penulis.

Sebagai manusia yang masih belajar, penulis menyadari bahwa penulisan

skripsi ini masih memiliki berbagai kekurangan. Untuk itu penulis

mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari berbagai pihak. Penulis

juga mengaharapkan skripsi ini dapat menjadi tambahan pengetahuan bagi

pembaca dan bermanfaat untuk kita semua.

Medan, November 2015

DAFTAR ISI

ABSTRAK ... i

KATA PENGANTAR ... ii

DAFTAR ISI... iv

DAFTAR TABEL ... vii

DAFTAR GAMBAR ... viii

DAFTAR SIMBOL ... ix

AKSARA YUNANI ... x

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan Penelitian ... 2

1.3 Batasan Masalah ... 3

1.4 Metodologi Penulisan ... 3

1.5 Sistematika Penulisan ... 4

BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Tinjauan Umum Turbin Tesla ... 5

2.2 Hukum Mekanika Fluida ... 7

2.2.1 Sifat Fluida Air ... 7

2.2.2 Aliran Fluida ... 9

2.2.3 Persamaan Aliran Fluida ... 11

2.2.4 Head Turbin ... 12

2.3 Turbin Tesla ... 15

2.3.1 Sejarah Turbin Tesla ... 15

2.3.2 Bagian-Bagian Turbin Tesla ... 17

2.3.3 Cara Kerja Turbin Tesla ... 20

2.3.4 Keunggulan Turbin Tesla ... 22

2.4 Dasar Pemilihan Turbin ... 24

2.4.1 Perhitungan Turbin ... 24

2.4.2 Karakteristik Gambar Turbin ... 27

3.1 Konsep Dasar Perancangan dan Penelitian ... 30

3.1.1 Umum ... 30

3.1.2 Rancang Bangun Turbin Tesla ... 30

3.1.3 Rancang Bangun Instalasi Perpipaan ... 32

3.2 Peralatan Pengujian ... 34

3.2.1 Head Tachometer ... 34

3.2.2 Meteran ... 35

3.2.3 Pegas Ukur ... 36

3.2.4 Pompa Pengumpan ... 36

3.3 Pelaksanaan Pengujian ... 37

BAB IV DATA HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA 4.1 Data Hasil Pengujian ... 41

4.1.1 Pengujian Pada Instalasi Pipa ... 41

4.1.2 Perhitungan Pada Turbin Tesla ... 45

4.2 Analisa Data ... 51

4.2.1 Untuk Turbin Tesla dengan Tebal dan Jarak Disk yang berbeda (25 disk tebal 2 mm dan 24 celah jarak 1mm) ... 51

4.2.2 Untuk Turbin Tesla dengan tebal dan Jarak Disk yang sama (19 disk dengan tebal 2mm dan 18 celah jarak 2 mm) ... 55

4.2.3 Perbandingan Variasi Jumlah dan Jarak antar Disk ... 59

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ... 63

5.2 Saran ... 64

DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

DAFTAR TABEL

4.1 Head loses minor pada pipa 4 inci ... 43

4.2 Head loses minor pada pipa 2 inci ... 44

4.3 Pengujian dan perhitungan turbin tesla dengan jumlah

dan jarak disk yang berbeda (25 disk 2mm tebal dan 24 celah

1 mm jarak antar disk. ... 47

4.4 Pengujian dan perhitungan turbin tesla dengan jumlah

dan jarak disk yang sama (19 disk 2mm tebal dan 18 celah

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Turbin Tesla yang Pertama Dibuat... 6

Gambar 2.2 Turbin Tesla Menggunakan Udara Bertekanan ... 6

Gambar 2.3 Aliran Laminar ... 10

Gambar 2.4 Airan Turbulen ... 10

Gambar 2.5 Laju Aliran Massa ... 11

Gambar 2.6 Diagram Bernoullu Untuk Turbin Air ... 13

Gambar 2.7 Nikola Tesla ... 16

Gambar 2.8 Pengaplikasian Tesla pada Turbin Uap ... 16

Gambar 2.9 Bagian-bagian dari Turbin Tesla ... 17

Gambar 2.10 Piringan (Disk) Turbin ... 18

Gambar 2.11 Celah (Space) ... 18

Gambar 2.12 Poros ... 19

Gambar 2.13 Nosel ... 19

Gambar 2.14 Rumah Turbin ... 20

Gambar 2.15 Viskositas Fluida pada Dua Plat ... 21

Gambar 2.16 Laju Aliram Fluida yang Bekerja pada Turbin ... 22

Gambar 2.17 Perbandingan Effisiensi ... 23

Gambar 3.1 Turbin Tesla sebelum dirakit ... 31

Gambar 3.2 Turbin Tesla setelah dirakit ... 31

Gambar 3.3 Instalasi Pipa untuk Turbin Tesla ... 34

Gambar 3.4 Hand Tachometer ... 35

Gambar 3.5 Meteran ... 35

Gambar 3.6 Pegas Ukur ... 36

AKSARA YUNANI

LAMBANG ARTI SATUAN

η Efisiensi turbin %

Ω Kecepatan sudut rpm ω Kecepatan sudut rad/det

γ (gamma) Berat jenis N/m3