Rancang Bangun Dan Pengujian Turbin Pelton Mini Bertekanan 7 Bar Dengan Diameter Roda Turbin 68 Mm Dan Jumlah Sudu 16

LAMPIRAN

3.3 PERALATAN PENGUJIAN

Peralatan ukur yang digunakan dalam pengujian turbin pelton ini adalah :

3.2.1 Regulator

Regulator berfungsi untuk mengalirkan udara yang berada pada tabung pengisian udara ke tabung pengisian air dengan tekanan tertentu. Tekanan yang digunakan sebesar 8 bar hingga 7 bar. Spesifikasi dari regulator adalah :

• Tipe/merk : YAMATO

• Tekanan maksimum : 3000 Bar

3.2.2 Hand Tachometer

Hand Tachometer digunakan untuk mengukur putaran (rpm) poros turbin pelton dan poros generator. Spesifikasi hand tachometer yang digunakan adalah :

• Tipe/Merk : Krisbow KW06-303 • Ketelitian (akurasi) : ± 0,05% + 1 digit • Range : automatic

• Sampling time : 1 s (over 60 rpm)

Gambar 2. Hand Tachometer

3.2.3 Multimeter

Multimeter digunakan untuk mengukur besarnya tegangan listrik (volt) yang dibangkitkan oleh generator. Multimeter yang digunakan adalah tipe Sanwa CD8002 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

3.2.4 Jangka Sorong

Jangka sorong digunakan untuk mengukur diameter puli penggerak dan puli yang digerakkan serta ukuran-ukuran sudu.

Gambar 4. Jangka sorong

3.2.5 Meteran

Meteran digunakan untuk mengukur panjang perancangan turbin pelton panjang selang dari tabung berisi udara ke tabung berisi air, dan selang dari tabung berisi air ke nosel.

2. TABEL

Tabel 1. Data spesifikasi bantalan (Sumber : Sularso, 1994 : 143)

Tabel 2. Faktor-faktor V, X, Y dan Xo, Yo

4. ESTIMASI BIAYA PEMBUATAN TURBIN

No Nama Bahan Harga (Rupiah) 1 Tabung freon ( @2 ) Rp. 100.000,00 2 Selang ( 2mtr)` Rp. 30.000,00 3 Pressure gauge ( @3) Rp. 150.000,00

4 Governor Rp. 100.000,00

5 Kran ( @2 ) Rp. 20.000,00 6 Dinamo sepeda Rp. 100.000,00 7 Puli ( @4) Rp. 350.000,00

8 Poros Rp. 50.000,00

9 Rumah Turbin Rp. 100.000,00 10 Sudu turbin (@2) Rp. 200.000,00

11 Nozel Rp. 50.000,00

12 Sabuk Rp. 20.000,00

13 Dudukan turbin Rp. 100.000,00 14 Dudukan Generator Rp. 35.000,00

15 Kabel Rp. 5.000,00

16 Lampu Rp. 5.000,00

17 Dudukan tabung (@2) Rp. 70.000,00 18 Dudukan Galvanometer Rp. 20.000,00 19 Pipa besi output air Rp. 50.000,00

DAFTAR PUSTAKA

1. Dandekar, M.M. dan Sharma K.N. 1991. Pembangkit Listrik Tenaga Air Jakarta: Universitas Indonesia.

2. Gupta V.P, Alam Singh dan Manish Gupta.1999. Edisi Ketiga Fluid Mechanics, Fluids Machines and Hydraulics. New Dehli: CBS Pulishers & Distributors.

3. L. V. Steeter dan Wylie B. 1993. Mekanika Fluida. Edisi Kedelapan. Jakarta: Erlangga. 4. MSME, Sularso. 2004. Cetakan ke Sebelas. Dasar Perencanaan dan Pemilihan Eleman

Mesin. Jakarta: P.T. Pradnya Paramita.

5. Nigel, Smith. 1994. Motors as Generators for Micro-Hydro Power. London: ITDG Publishing.

6. Rajput R.K. dan Chand S. 1998. A Textbook of Hydraulic Machines. New Dehli: S. Chand & Company LTD.

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

8.

9.

10.

11.

BAB III

METODOLOGI PERANCANGAN DAN PENGUJIAN

3.1 KONSEP DASAR PERENCANAAN

Parameter-parameter dalam menentukan perencanaan saluran air dan pemilihan turbin pelton mini adalah sebagai berikut :

Tekanan udara, p = 7 bar Massa jenis air, ρ = 1000 kg/m3 Percepatan gravitasi bumi, g = 9,81 m/detik2 Penggunaan jumlah sudu, z = 16

Diameter roda turbin, D = 68 mm = 0,068 m

Kapasitas aliran air, Q = 6,96 L/menit = 1,16 . 10-4 m3/detik

Head turbin, � = _��

. � �= 7 . 10

5

1000 . 9,81 = 71,35 �

3.1.1 Perencanaan Saluran Udara dan Air

3.1.1.1 Wadah Penyimpanan Udara dan Air

Wadah penyimpanan udara dan air menggunakan tabung gas Freon R-22 dengan spesifikasi sebagai berikut :

• Net weight : 30 lb = 13,6 kg • Kapasitas maksimum udara : 125 Psi = 8,68 bar • Kapasitas maksimum air : 12,375 Liter

(a) (b) Gambar 3.1. (a) Tabung pengisian untuk udara

(b) Tabung pengisian untuk air

3.1.1.2 Selang Saluran Udara dan Air

Selang saluran untuk udara menggunakan selang kompresor yang berdiameter 6 mm dengan panjang selang 1 m. Sedangkan, selang saluran untuk air menggunakan selang kompresor yang berdiameter 9 mm dengan panjang selang 1 m.

(a) (b)

Gambar 3.2. (a) Selang saluran untuk udara (b) Selang saluran untuk air

3.1.2 Perencanaan Nosel

� = 0,54 ��

� = 0,54 _�1,16. 10

−4 �71,35

� = 0,54 �1,386 = 0,002 �

Gambar 3.3. Ukuran diameter nosel

3.1.3 Perencanaan Turbin

3.1.3.1 Kecepatan Air Keluar Nosel

� = �_��2.�.�...(Rajput & S. Scand, 1979 ; 1061)

� = 0,98 �2 . 9,81 . 71,35

� = 0,98 _√1373,4 = 36,32 �_{������}

3.1.3.2 Kecepatan Keliling Roda Turbin

� = ∅�2.�.�… … …(Gupta and Alam Singh.1999 ;887)

� = 0,45 �2 . 9,81 . 71,35

�= 0,45 �1373,4 = 16,83 ��_����

3.1.3.3 Putaran Teoritis Turbin

� = 60 �

�.� ...(Gupta and Alam Singh.1999 ;887) � = 60 . 16,83

� . 0,068

� =1000,8

3.1.3.4 Ukuran Sudu

7. Lebar sudu (b)

�= (4 �.� 5) � ... (Modi & Seith, 1979 ; 976)

�= 4 . 2 = 8 ��

8. Tinggi sudu (h)

ℎ= (2,1 �.� 2,7) �... (Modi & Seith, 1979 ; 976)

ℎ= 2,1 . 2 = 5,4 ��

9. Kedalaman sudu (t)

�= (0,81 �.� 1,05) �... (Modi & Seith, 1979 ; 976)

�= 0,81 . 2 = 1,62 ��

10. Lebar celah sudu (m)

�= (1,1 �.� 1,25) � ... (Modi & Seith, 1979 ; 976)

�= 1,1 . 2 = 2,2 ��

11. Sudut pancaran air masuk sudu (β1)

�1 = 5o− 8o ... (Modi & Seith, 1979 ; 976)

12. Sudut pancaran air keluar sudu (β2)

�2 = 160o− 170o ... (Modi & Seith, 1979 ; 976)

3.1.3.5 Gaya Pancar Air Terhadap Sudu

� = � .� (� − �)(1− �����₂) .…(Finnemore dan Franzini, 2006)

� = 1000 . 1,16. 10−4 (36,32−16,83) (1−0,8 cos 170o)

� = 1000 . 1,16. 10−4 (36,32−16,83) [1−0,8(−0,985)]

� = 0, 116 . 19,64 . 1,788 = 4 �

Gambar 3.5. Diagram vektor kecepatan pada sisi masuk dan sisi keluar sudu

3.1.3.6 Daya

2. Daya hidrolis Pa= ρ . g . Ht . Q

Pa = 1000 . 9,81 . 71,35 . 1,16.10-4 = 81,19 W

3. Daya kinetik pancaran air

�� =

1

2 � .� .�

3

�� =

1

2 . 1000 .

�

4 . 0,002

2_{. 36,32}3

�� = 75,22 �

4. Daya poros turbin

��= � .�

3.1.3.7 Putaran Spesifik

�

�

=

�√�_�5 4

�

...(M.M. Dandekar & K.N.Sharma. 1991 ;397)

�

�

=

4765₇₀√0,067325

4

�

.

��= 6,0789 rpm

3.1.3.8 Efisiensi

3. Efiisiensi sudu turbin

�� = �_��

� . 100 %

�� = 67,32_75,22 . 100 %

�� = 0,8949 . 100 % = 89,49 %

4. Efisiensi turbin

�� = �_��

� . 100 %

�� =

67,32

81,19 . 100 %

�� = 0,8291 . 100 % = 82,91 %

3.1.4 Perencanaan Poros

1. Daya rencana poros

�� = �� . � ……….(Sularso, 2004 : 7) �� = 1,4 . 67,32

�� = 94,24 � = 0,09424 �W

�= 9,74 � 105 �_�� ……….(Sularso, 2004 : 7)

�= 9,74 � 105�0,09424 3849 �

�= 23,6 ��.��

3. Tegangan geser ijin bahan

�� = _����

1���2

……….……….(Sularso,2004: 8)

Kekuatan tarik untuk bahan St 37, �_� = 37 ��/��2, faktor keamanan puntir untuk bahan St 37 dipilih sebesar 6,0 dan faktor keamanan akibat pengaruh konsentrasi tegangan dipilih 1,7. Maka, tegangan geser ijin bahan adalah :

�� =

37

6 � 1,7= 3,63 ��/��

2

4. Diameter poros

�� = [ 5,1_�� �(�� .�)2 + (�� .�)2]

1/3

……….(Sularso,2004: 18)

Akibat gaya tangensial terjadi tumbukan dari fluida kerja yang mengenai sudu pada poros turbin. Karena terdapat beban pada poros yaitu sebesar 3,92 N = 0,4 kg, maka diperoleh :

(+) F

(-) A B

a b

RA 35 mm 50 mm RB

• _Σ�� = 0

−�� . (�+�) + ����� . (�) = 0 �� = �����

. (�) (�+�)

�� = _{(35 + 50)}0,4 .35 �� = 0,16 ��

• _Σ�� = 0

��(�+�) − ����� . �= 0 �� = �����

. � (�+�)

�� =

0,4 . 50 (35 + 50)

�� = 0,23 ��

Harga momen lentur untuk vertikal : • _�� = �_� (�+�)

�� = 0,23 (35 + 50) �� = 19,55 ��.��

Faktor koreksi untuk kemungkinan terjadinya beban lentur dipilih sebesar 2,0. Faktor koreksi terhadap momen puntir dipilih 1,5 dan momen puntir poros telah dihitung sebelumnya yaitu sebesar 19,55 kg.mm. Maka, diameter poros turbin adalah :

�� = [ _3,635,1 �(2 . 19,55)2 + (1,5 . 23,7)2]1/3 �� = 10 ��

Gambar 3.7. Perencanaan poros

5. Tegangan geser pada poros

�� = _�16 _{. �}�_�3 ...(Sularso,2004: 7)

�� =

16 . 23,6

� . 103 = 0,12 ��/��2

Menurut hasil yang diperoleh dari perhitungan di atas, terlihat bahwa tegangan geser yang terjadi lebih kecil daripada tegangan geser yang diijinkan τp < τa

(τa = 3,63 kg/mm2). Dengan hasil ini maka dapat disimpulkan bahwa poros ini aman

untuk digunakan pada turbin yang dirancang untuk memindahkan daya dan putaran yang telah ditentukan.

6. Gaya tangensial poros

�� =�_��

�/2�... (Sularso,2004: 25)

�� =�

23,7

10/2�= 4,6 ��

3.1.5 Perencanaan Bantalan

Direncanakan jenis bantalan poros adalah bantalan gelinding jenis bantalan bola untuk diameter lubang sebesar 10 mm yang terdapat pada tabel 2.2 bab 2, yaitu :

• Nomor bantalan : 6000 • Diameter lubang (d) : 10 mm

• Diameter luar (D) : 26 mm • Lebar bantalan (B) : 8 mm • Radius (r) : 0,5 mm

• Kapasitas nominal spesifik dinamis spesifik (c) : 360 • Kapasitas nominal spesifik statis spesifik (co) : 196

5. Beban Ekuivalen Dinamis

P = X . V. Fr + Fa .Y.. ...(Sularso,2004: 135)

Gaya radial yang timbul adalah gaya akibat berat puli yaitu sebesar Fpuli =

Fr = 3,92 N. Sedangkan untuk gaya aksial yang timbul akibat tumbukan

dari fluida kerja yang mengenai sudu yaitu sebesar Fa = 4 N. Pada tabel 2.3

bab 2, diperoleh :

V = 1, X = 0,56, Y = 1,9, Xo = 0,6, dan Yo = 0,5

Maka :

P = 0,56 . 1 . 3,92 + 4 . 1,9 P = 2,19 + 7,6

P = 9,79 N 6. Faktor Kecepatan (fn)

�� = �33,3_� �

1 3

...(Sularso,2004: 136)

Untuk putaran turbin n = 2353 rpm. Maka, faktor kecepatan (fn) adalah :

�� = �

33,3 2353�

1 3

= 0,242

�ℎ = �� _��... ...(Sularso,2004: 136)

Pada putaran maksimum turbin (karena adanya beban puli) n = 2353 rpm. Maka, faktor umur (fh) adalah :

�ℎ = 0,242 �

360

9,79� = 8,9

8. Umur Bantalan (Lh)

�ℎ = 500 �ℎ3...(Sularso,2004: 136)

Pada putaran maksimum turbin (karena adanya beban puli) n = 4445 rpm. Maka, umur bantalan (Lh) adalah :

�ℎ = 500 . 8,93 �ℎ = 353346 ���

3.1.6 Perencanaan Sekrup

1. Tegangan geser ijin bahan

�� = �_�� �

Kekuatan tarik untuk bahan St 37, �_� = 37 ��/��2 = 362,97 N/mm2 dan faktor keamanan baut direncanakan sebesar 6,0. Maka, tegangan geser ijin bahan adalah :

�� =

362,97

6 = 60,49 �/��

2

2. Diameter ulir (dc)

�� =�

2 �

��

Beban aksial pada sekrup sama dengan gaya aksial yang dipancarkan air ke sudu turbin sebesar W = 4 N, sehingga diameter batang ulir sebesar :

�� =�

2 . 4 60,49

�� =�0,132 = 0,363 ��

3. Diameter luar batang sekrup (d)

� = 1,25 �_�

� = 1,25 . 0,363 = 0,454 ��

Dari tabel 2.4 bab 2, penggunaan sekrup dapat dilihat untuk d = 0,454 mm diambil M 0,6 dengan diameter luarnya 0,6 mm.

Gambar 3.9 . Sekrup

3.1.7 Perencanaan Puli dan Sabuk

3.1.7.1 Untuk Diameter Puli Berukuran 12 mm (Dp1 = 12 mm)

Gambar 3.10. Diameter puli berukuran 12 mm 5. Torsi puli

�� =� .��₂�� �� = 3,92 .�12₂� �� = 23,52 �.��

6. Tarikan efektif rem

�� = _��

�/ 2

�� =

23,7

7. Koefisien gesek

�= ln�� −ln(�� − �)

����

�= ln 3,95−ln(3,95− 3,92)

���� �= 0,373

8. Koefisien gaya terhadap gaya gesek

�= � . �_� . �_� . �_�

�= 0,383 . 71,04 .�

4 (0,012)

2_{. 0,005}

�= 1,538 . 10−5�

3.1.7.2 Untuk Diameter Puli Berukuran 34 mm (Dp2 = 34 mm)

Gambar 3.11. Diameter puli berukuran 34 mm 1. Torsi puli

�� =� .��₂�� �� = 3,92 .�

34

2�= 66,64 �.��

2. Tarikan efektif rem

�� = _��

� / 2

�� =

23,7

3. Koefisien gesek

�= ln�� −ln(�� − �)

����

�= ln 1,39−ln(1,39− 3,92)

���� �= 0,089

4. Koefisien gaya terhadap gaya gesek

�= � . �_� . �_� . �_�

�= 0,089 . 71,04 .�

4 (0,034)

2_{. 0,005}

� = 2,869 . 10−5�

3.1.7.3 Untuk Diameter Puli Berukuran 54 mm (Dp1 = 54 mm)

Gambar 3.12. Diameter puli berukuran 51 mm 1. Torsi puli

�� =� . (�₂�)

�� = 3,92 .�51₂�= 99,96 �.��

2. Tarikan efektif rem

�� = _��

�/ 2

�� =

23,7

51/2= 0,93 �

�= ln�� −ln(�� − �)

����

�= ln 0,93−ln(0,93− 3,92)

���� �= 0,019

4. Koefisien gaya terhadap gaya gesek

�= � . �_� . �_� . �_�

�= 0,019 . 71,04 .�

4 (0,051)

2_{. 0,005}

� = 1,378 . 10−5�

3.1.7.4 Transmisi Puli dan Sabuk

1. Rasio kecepatan

�= �_�1

2

………...(Sularso, 1991 : 166)

Diambil putaran tinggi pada hasil pengujian yaitu : n1 = 2353 rpm dan n2 =

4830 rpm, sehingga rasio kecepatannya adalah :

�= 2353

4830= 0,487

2. Kecepatan sabuk

�= ��1 . �1

60 . 1000 ………..……...(Sularso, 1991 : 166)

Diambil diameter puli penggerak sebesar Dp1 = 34 mm dan putaran puli

penggerak n1 = 2353 rpm, sehingga kecepatan sabuk sebesar : �= ��1 . �1

60 . 1000

�= 0,034 . 2353 60 . 1000

�= 80,002 60000

�= 0,0013 �/����� = 0,08 m/menit

3. Koefisien gesek antara puli dan sabuk

�= 0,45− 42,6 152,6 +�

�= 0,45− 42,6

152,6 + 0,08= 0,171

Gambar 3.13. Sabuk yang digunakan adalah sabuk gilir (timing belt)

4. Panjang sabuk

�=�

2(�1+ �2) + 2�+

(_�1−�2)2

4� …………...(Sularso, 1991 : 170)

�=�

2(34 + 12 ) + 2 . 150 +

(34− 12)2

4 . 150

�= 72,22 + 300 + 0,8 = 373 ��

3.1.8 Perencanaan Generator

Spesifikasi dari generator (dinamo) adalah sebagai berikut : Tipe/Merk : Elephant

Tegangan : 6 – 12 Volt Daya : 6 Watt Arus : 0,5 Ampere

3.2 PELAKSANAAN PERANCANGAN DAN PENGUJIAN 3.2.1 Waktu dan Tempat

Perancangan dan pengujian turbin pelton dilakukan pada bulan Januari 2012 di Bengkel Teknik Mesin Politeknik Negeri Medan, Universitas Sumatera Utara.

3.2.2 Pengamatan dan Tahap Pengujian.

Adapun data – data yang diambil (dicatat) adalah :

1. Tegangan listrik yang dihasilkan generator (volt) 2. Putaran poros pada turbin dan generator (rpm) 3. Intensitas cahaya (Terang, Redup, dan Mati)

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

1. Pemeriksaan tekanan udara di tabung I (tabung berisi udara). 2. Pemeriksaan volume air di tabung II (tabung berisi air).

3. Pemeriksaan selang penghubung antara Tabung I dan tabung II dan selang ke nozel.

4. Pemeriksaan semua katup (tabung I, tabung II dan nozel). 5. Pemeriksaan instalasi lampu sebagai beban.

6. Pemeriksaan V-Belt dan sistem tranmisi puli. 7. Pemeriksaan generator.

Setelah prosedur pemeriksaan terhadap beberapa instalasi dan peralatan di atas selesai dilakukan maka prosedur pengujian pun dapat dimulai. Adapun prosedur pengujian Turbin Pelton dengan jumlah sudu 16 pada tekanan 7 bar dengan variasi diameter puli adalah:

1. Pasang puli yang berdiameter 12 mm pada poros turbin dan poros generator (perbandingan 12 mm : 12 mm), setelah itu hubungkan poros turbin dan generator dengan menggunakan sabuk.

2. Tabung I (tabung berisi udara) yang telah dipasang pressure gauge diisi udara dengan menggunakan kompresor sampai pada tekanan 7 bar. Tabung II diisi penuh dengan air. Pasangkan nozel dengan selang lalu pasangkan ke tabung II.

4. Katup pada tabung I yang berisi udara dengan tekanan 7 bar dibuka penuh demikian juga katup pada nozel dibuka penuh. Tekanan pada tabung I sama dengan tekanan pada tabung II. Buka katup pada tabung udara kemudian buka katup pada nosel. Air yang yang keluar dari nosel akan mendorong sudu-sudu turbin sehingga memutar poros turbin.

5. Mencatat hasil pengujian.

6. Lakukan pencataan untuk pengujian ke 2 sampai dengan ke 7 dengan perbandingan puli 12 mm : 34 mm, 12 mm : 51 mm, 34 mm : 12 mm, 34 mm : 51 mm, 51 mm : 12 mm, 51 mm : 34 mm)

3.3 DIAGRAM ALIR PENGUJIAN

Flowchart rancangan dan pengujian Turbin Pelton mini bertekanan 7 bar dengan diameter roda turbin 68 mm dan jumlah sudu 16

Survey tempat pengujian akan dilakukan

Rancang bangun dan pengujian Turbin Pelton mini bertekanan udara 7 bar dengan

diameter roda turbin 68 mm dan jumlah sudu 16

Pengambilan data hasil pengujian Pelaksanaan pengujian

Perhitungan dan analisa hasil

pengujian

Penulisan laporan hasil pengujian

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1

. PERFORMANSI TURBIN

Tabel. 4.1. Data Hasil Pengujian. Percobaa

n

Tekana n (Bar)

Diameter Puli (mm) Putaran (rpm) _Tegangan (Volt) Arus (Amper e) Daya Listrik (Watt) Intensitas Cahaya Turbin Generator Turbin Generator

1 7 12 12 2855 2780 7,64 0,5 3,82 terang

2 7 12 34 3560 1734 5,65 0,5 2,83 redup

3 7 12 51 4445 1668 5,41 0,5 2,71 redup

4 7 34 12 2353 4830 12 0,5 6 terang

5 7 34 51 3118 2079 6,73 0,5 3,37 terang

6 7 51 12 1720 3570 10,11 0,5 5,055 terang

7 7 51 34 1505 2258 7,02 0,5 3,51 terang

Nb. Intensitas cahaya menyatakan terang/redupnya cahaya (3 Watt ≥ terang ≤ 6 Watt / Redup < 3 Watt)

Tabel. 4.2. Data Hasil Perhitungan. Diameter Puli (mm) Putaran (rpm)

Tegangan (Volt) Arus (Ampere) Daya Listrik (Watt) Daya Turbin, Pt (Watt) Eff. (%) Turbin Generator Turbin Generator

12 51 4445 1668 5,41 0,5 2,71 6,82 8,5

12 34 3560 1734 5,65 0,5 2,83 6,13 7,6

34 51 3118 2079 6,73 0,5 3,37 5,31 6,6

51 34 1505 2258 7,02 0,5 3,51 12,46 15,64

12 12 2855 2780 7,64 0,5 3,82 5,97 7,4

51 12 1720 3570 10,11 0,5 5,055 69,89 87,7

4.1.1. Daya hidrolis

Pa= ρ . g . Ht . Q

Pa = 1000 . 9,81 . 71,35 . 1,116.10-4

Pa = 79,66 W

4.1.2. Daya listrik

PL = V . I = 7,64 . 0.5 = 3,82 watt

4.1.3. Daya Turbin

Pt

=

��

�� . �_{� . cos �} Dimana :

�� = 0,8 �� =

�1_� 2

� ��2

��1

� �� = 2855 2780 � 12 12 � = 1 cos� = 0,8

PT =

3,82 0,8 .1 .0,8

= 5,96 watt

4.1.4. Efisiensi Turbin

��= �_��

��=

5,96

79,66 . 100 %

��= 0,074 . 100 % = 7,4 %

4.2. ANALISA MOMEN TORSI PULI 4.2.1.Daya rencana (Pd)

�� = �� .�� �� = 1,4 .5,97

�� = 8,3 � = 0,0083 ��

4.2.2 Momen Rencana

�1 = 9,74 . 105 .� �� �1� �2 = 9,74 . 105 .�

�� �2�

Dimana :

T1 = Momen torsi puli penggerak (N.m)

T2 = Momen torsi puli yang digerakkan (N.m)

Pd = Daya rencana (kW)

n1 = Putaran poros penggerak (rpm)

n2 = Putaran poros yang digerakkan (rpm)

4.2.3 Momen Torsi Pada Puli Penggerak

�1 = 9,74 . 105 .� �� �1�

Putaran pada putaran puli penggerak (putaran turbin) sebesar 2855 rpm, sehingga momen torsi pada puli penggerak adalah :

. �₁ = 9,74 . 105 .�0,0083

�₁ = 2,83 ��.��

4.2.4 Momen Torsi Pada Puli Yang Digerakkan

Putaran pada puli yang digerakkan (putaran generator) sebesar 2780 rpm, sehingga momen torsi pada puli yang digerakakkan adalah :

�2 = 9,74 . 105 .� �� �2� �2 = 9,74 . 105 .�

0,0083 2780 �

�2 = 2,91 ��.��

Menghitung momen torsi puli penggerak dan puli yang digerakkan untuk putaran generator selanjutnya berdasarkan ukuran perbandingan puli dapat dilihat pada tabel di bawah ini ;

Tabel 4.3. Data hasil perhitungan untuk momen torsi puli

Percobaan

Diameter Puli (mm) Putaran (rpm)

Daya Turbin, Pt (Watt) Daya Rencana, Pd (kW)

Momen Torsi Puli (kg.mm)

Turbin Generator Turbin Generator

Puli Penggerak

Puli yang Digerakkan

1 12 12 2855 2780 5,97 0,008 2,83 2,91

2 12 34 3560 1734 6,13 0,009 2,35 4,83

3 12 51 4445 1668 6,82 0,009 2,08 5,55

4 34 12 2353 4830 55,15 0,078 31,95 15,56

5 34 51 3118 2079 5,31 0,007 2,31 3,7

6 51 12 1720 3570 69,89 0,098 55,38 26,68

4.3 GRAFIK HASIL PENGUJIAN

4.3.1 Hubungan Antara Putaran Generator dan Tegangan

Grafik 4.1. Hubungan antara putaran generator dan tegangan

Dari grafik di atas dapat disimpulkan bahwa semakin tinggi poros putaran generator maka semakin tinggi tegangan yang dihasilkan generator dan daya yang dihasilkan semakin besar pula. Ini disebabkan karena diameter puli penggerak lebih besar dari puli yang digerakkan sehingga putaran poros generator lebih besar dari putaran poros turbin (Dp1> Dp2 maka n1 < n2). Sebaliknya, semakin rendah putaran

poros generator maka semakin rendah tegangan yang dihasilkan generator dan daya yang dihasilkan semakin kecil pula. Ini disebabkan karena diameter puli penggerak lebih kecil dari puli yang digerakkan sehingga putaran poros generator lebih kecil dari putaran poros turbin (Dp1 < Dp2 maka n1 > n2)

0 2 4 6 8 10 12 14

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

T e g an g an ( v ol t)

Putaran generator (rpm)

4.3.2 Hubungan antara Putaran Generator dan Effisiensi Turbin

Grafik 4.2. Hubungan antara putaran generator dan effisiensi turbin

Dari grafik di atas dapat disimpulkan bahwa effsiensi tergantung pada putaran generator. Dimana pada putaran generator (n = 2079 rpm) diperoleh effisiensi minimum sebesar 6,6 %. Untuk putaran generator minimum diperoleh effisiensi sebesar 8,5 %. Sedangkan pada putaran generator (n = 3570 rpm) diperoleh effisiensi maksimum sebesar 87,7 %. Untuk putaran generator maksimum (n = 4830 rpm) diperoleh effisiensi sebesar 69,2 %.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

E

ff

is

ien

si

(

%

)

Putaran (rpm)

4.3.3 Hubungan antara Putaran dan Momen Torsi Puli

Garfik 4.3. Hubungan antara putaran dan momen torsi puli

Dari grafik di atas dapat disimpulkan bahwa momen torsi puli penggerak tergantung pada putaran turbin. Dimana pada putaran turbin minimum (n = 1505 rpm) diperoleh momen torsi puli penggerak sebesar 31,95 kg.mm. Untuk putaran turbin maksimum (n = 4445 rpm) diperoleh momen torsi puli penggerak sebesar 2,86 kg.mm. Sedangkan pada putaran generator minimum (n = 1668 rpm) diperoleh momen torsi puli yang digerakkan sebesar 2,94 kg.mm. Untuk putaran generator maksimum (n = 4830 rpm) diperoleh momen torsi puli yang digerakkan sebesar 7,5 kg.mm.

-10 0 10 20 30 40 50 60

0 2000 4000 6000

Mo m en T o rs i P u li ( k g .m m ) Putaran (rpm)

Putaran VS Momen Torsi Puli

Putaran Turbin VS Momen Torsi Penggerak

Putaran Generator VS Momen Torsi Puli Yang Digerakkan

4.3.4 Hubungan antara Intensitas Lampu dan Daya Listrik

Grafik 4.4. Hubungan antara intensitas cahaya dan daya listrik

Dari grafik di atas dapat disimpulkan bahwa semakin tinggi daya listrik semakin tinggi kualitas lampu atau semakin terang lampu yang dihasilkan. Sebaliknya, semakin rendah daya listrik lampu yang dihasilkan semakin redup.

0 20 40 60 80 100

0 1 2 3 4 5 6 7

Int

e

nsi

ta

s C

a

ha

y

a

(

%)

Daya Listrik (Watt)

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 KESIMPULAN

5.1.1 PERHITUNGAN PERANCANGAN TURBIN PELTON

1. Head Turbin, � = 71,35 �

2. Diameter Nosel, � = 0,002 �

3. Kecepatan Air Keluar Nosel, �= 36,32 m/detik 4. Kecepatan Keliling Roda Turbin, � = 16,68 m/detik 5. Putaran Teoritis Turbin, N = 4765 rpm

6. Putaran Spesifik Turbin Ns = 6,07 rpm

7. Ukuran Sudu :

a. Lebar sudu, �= 8 ��

b. Tinggi sudu, ℎ= 5,4 ��

c. Kedalaman sudu, � = 1,62 ��

d. Lebar celah sudu, �= 2,2 ��

e. Sudut pancaran air masuk sudu, �₁ = 10o

f. Sudut pancaran air keluar sudu, �₂ = 170o

8. Gaya Pancar Air Terhadap Sudu, � = 4 �

9. Daya :

a. Daya hidrolis, Pa = 81,19 W

b. Daya kinetik pancaran air, �_� = 75,22 �

10. Efisiensi :

a. Efiisiensi sudu turbin, �_� = 89,49 %

b. Efisiensi turbin, �_� = 82,91 %

11. Perencanaan Poros :

a. Daya rencana poros, �_� = 0,09424 �W b. Momen puntir poros, �= 23,6 ��.��

c. Tegangan geser ijin bahan, �_� = 3,63 ��/��2

d. Diameter poros, �_� = 10 ��

e. Tegangan geser, �_� = 0,12 ��/��2

f. Gaya tangensial poros, �_� = 4,6 ��

12. Perencanaan Bantalan :

a. Beban ekuivalen dinamis, P = 9,79 N b. Faktor kecepatan, �_� = 0,242

c. Faktor umur, �_ℎ = 8,9

d. Umur bantalan, �_ℎ = 353346 ���

13. Perencanaan Sekrup :

a. Tegangan geser ijin bahan, �_� = 60,49 �/��2

b. Diameter ulir, �_� = 0,363 ��

c. Diameter luar batang sekrup, � = 0,454 ��

14. Perencanaan Puli dan Sabuk : a. Rasio kecepatan, �= 0,487

b. Kecepatan sabuk, � = 0,08 �/�����

5.1.2 ANALISA HASIL PENGUJIAN

1. Dari hasil pengujian yang dilakukan pada Turbin Pelton mini dengan tekanan 7 bar, menggunakan satu buah nosel dan jumlah sudu 16 didapat daya maksimum sebesar 6 Watt dengan putaran maksimum 4830 rpm. Hal ini terjadi jika putaran generator naik maka tegangan akan naik sehingga daya pun naik dengan tekanan tetap 7 bar.

2. Dari hasil pengujian yang dilakukan pada Turbin Pelton mini dengan tekanan 7 bar, menggunakan satu buah nosel dan jumlah sudu 16 mnggunakan variasi diameter ukuran puli maka didapat;

• Putaran turbin sama dengan putaran generator jika puli di turbin sama dengan

puli di generator (nT = nG, DpT = DpG)

• Putaran turbin lebih besar dari putaran generator, jika puli di turbin lebih

kecil dari puli di generator (nT > nG, DpT < DpG)

• Putaran turbin lebih kecil dari putaran generator, jika puli di turbin lebih

besar dari puli di generator (nT < nG, DpT > DpG)

3. Semakin tinggi putaran generator semakin tinggi daya listrik yang dihasilkan sehingga kualitas lampu semakin terang.

5.2 SARAN

1. Pada percobaan berikutnya sebaiknya menggunakan jumlah sudu lebih dari 16 sudu.

2. Seharusnya diameter roda turbin diperbesar 2 atau 3 kali sehingga dapat menggunakan generator dengan tegangan yang lebih besar.

3. Seharusnya lubang diameter nosel diperbesar sehingga kapasitas alirannya menjadi besar.

4. Seharusnya menggunakan tabung gas dengan kapasitas maksimum lebih dari 8 bar sehingga waktu pengujian yang digunakan dapat lebih lama.

5. Seharusnya tabung air diperbesar 5 atau 6 kali agar waktu untuk pengujian bisa lebih lama dan data yang didapatkan lebih akurat.

6. Bagi para peneliti diharuskan menguasai alat – alat ukur yang digunakan sehingga data yang didapat lebih akurat.

7. Pada keluaran nozel udara tidak bercampur dengan air, yang menendang sudu turbin hanyalah air saja.

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 TINJAUAN UMUM TURBIN AIR

Tenaga air mulai digunakan oleh manusia sudah sekitar 2000 tahun yang lalu yaitu ketika bangsa Yunani dan Romawi sudah mengenal kincir air, yang mana mereka meletakkan kincir air itu secara horizontal (arah poros kincir horizontal) di aliran sungai yang panjang. Kincir air ini digunakan tenaganya untuk menggiling jagung dengan menggunakan roda gigi. Tenaga air yang ditimbulkan oleh adanya energi potensial dan energi kinetik yang dimiliki oleh arus sungai yang mengalir tersebut yang akan memutar kincir air itu, oleh karena itu beroperasi penggilingan. Penggilingan menjadi tugas yang utama dilakukan dengan tenaga air kemudian pada perkembangannya kincir ini kemudian dikembangkan oleh bangsa-bangsa di Asia dan Eropa Timur pada masa setelah itu yaitu sekitar abad ke 4.

Gambar 2.1. Kincir Air

Karena kincir air sudah terkenal di berbagai tempat di dunia pada waktu itu, maka manusia mulai memikirkan tentang bagaimana cara meningkatkan kegunaan dari tenaga air tersebut. Manusia mulai mengubah bentuk kincir air dari keadaan yang sebelumnya, hal ini merupakan suatu langkah yang penting bagi perkembangan teknologi kincir air pada waktu

itu. Bentuk kincir pun mulai bervariasi ada yang dipasang secara horisontal dengan arah putaran roda dari kiri ke kanan. Pada awalnya, kincir air dipasang sedemikian sehingga pusat dari kincir tersebut berada di atas permukaan air dan arus air akan menggerakkan bagian bawah dari kincir tersebut sehingga kincir air dapat berputar. Kemudian, mereka akan mencelupkan kincir di bawah permukaan air yang melebihi dari orientasi yang sebelumnya. Pada abad ke 18, John Smeaton menguji kedua-duanya orientasi di atas dan menemukan bahwa kincir yang bekerja mendapatkan efisiensi yang lebih tinggi.

Pada abad sesudahnya para insinyur telah dapat menyempurnakan kincir air menemukan dua peningkatan, diantaranya adalah sudu dari kincir air yang dibengkokkan dapat bekerja lebih baik ,dan yang kedua adalah dapat diketahui posisi yang lebih tepat dari roda sehingga dihasilkan kincir air yang efisien. Pengembangan ini membantu orang-orang dalam penggunaan dari kincir air yang sudah mempunyai tenaga yang lebih dari sebelumnya. Tenaga yang lebih tersebut tidak hanya untuk menggiling hasil panen seperti jagung dan gandum, tetapi juga dapat digunakan sebagai tenaga untuk menggerakkan konveyor, sehingga masalah pengangkutan di dalam suatu pengilingan dapat diatasi dengan penggunaan tenaga kincir air. Pada abad ke 19, turbin air telah ditemukan, dan lambat laun mulai menggeser penggunaan dari kincir air. Manusia mulai meninggalkan kincir air karena melihat bahwa turbin air jauh lebih efisien dibanding dengan kincir air. Bagaimanapun, kincir air masih tersisa di seluruh dunia sampai hari ini.

2.2 KLASIFIKASI TURBIN AIR

2.2.1 Turbin Reaksi

Turbin reaksi adalah turbin air yang cara kerjanya dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir dalam bentuk putaran. Sudu pada turbin reaksi

mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Dilihat dari konstruksinya, turbin reaksi ada dua jenis :

1. Turbin Francis

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

Gambar 2.2. Turbin Francis

2. Turbin Kaplan.

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 listrk tenaga air sungai, karena turbin ini mempunyai kelebihan dapat menyesuaikan head yang berubah-ubah sepanjang tahun. Turbin Kaplan dapat

beroperasi pada kecepatan tinggi sehingga ukuran roda turbin lebih kecil dan dapat dikopel langsung dengan generator. Pada kondisi pada beban tidak penuh turbin kaplan mempunyai efisiensi paling tinggi, hal ini dikarenakan sudu-sudu turbin kaplan dapat diatur menyesuaikan dengan beban yang ada.

Gambar 2.3. Turbin Kaplan dengan sudu jalan yang dapat diatur

2.2.2 Turbin Impuls

Turbin impuls adalah turbin air yang cara kerjanya dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan energi puntir dalam bentuk putaran poros. Atau dengan kata lain, energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nosel.

1. Turbin Pelton.

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

Gambar 2.4. Turbin Pelton

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

2.3 PERBANDINGAN KARAKTERISTIK TURBIN

Perbandingan karakteristik turbin dapat dilihat pada grafik head (m) vs flow (m3/s) di bawah ini.

Gambar 2.5. Perbandingan karakteristik turbin

Pemilihan turbin kebanyakan didasarkan pada head air yang didapatkan dan kurang lebih pada rata-rata alirannya. Umumnya, turbin impuls digunakan untuk tempat dengan head tinggi, dan turbin reaksi digunakan untuk tempat dengan head rendah. Pada gambar 2.5 terlihat bahwa turbin pelton adalah turbin yang beroperasi pada head yang menengah hingga tinggi dengan kapasitas aliran air yang menengah, atau bahkan beroperasi pada kapasitas yang sangat rendah.

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

1. Turbin Kaplan : 0 < H < 25 meter. 2. Turbin Francis : 25 < H < 50 meter. 3. Turbin Pelton : 30 < H < 300 meter. 4. Turbin Banki : 2 < H < 200 meter.

Untuk arah aliran turbin dapat diuraikan sebagai aliran radial, aksial, dan tangensial berkenan dengan roda. Apabila aliran tidak ada yang sejajar, maupun tegak lurus poros, tetapi pada umumnya dalam arah bersiku berkenan dengan poros, aliran tersebut dapat disebut sebagai aliran diagonal. Pada tabel di bawah adalah ringkasan dari aliran yang umumnya terjadi pada turbin yang biasa dipergunakan.

Tabel. 2.1. Penggolongan Berdasarkan Arah Aliran (Sumber : M.M. Dandekar & K.N. Sharma, 1991 : 398)

Jenis turbin Arah aliran Francis Radial atau gabungan

Pelton Tangensial

Kaplan Aksial

2.4 TEKANAN KERJA

Tekanan fluida dipancarkan dengan kekuatan yang sama ke semua arah dan bekerja tegak lurus pada suatu bidang. Dalam bidang datar yang sama kekuatan tekanan dalam suatu cairan sama. Pengukuran suatu tekanan dilakukan dengan menggunakan berbagai bentuk meteran.

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

�2

γ + �22

2� +�2 = �1

γ + �12

2� +�1+ � ... (2.1)

�2

γ − �1

γ =

�12 2� −

�22

2� +�1− �2 + �

Dimana, �22

2� −

�12

2� dan γ konstan

Gambar 2.6. Perbedaan tekanan pada dua titik pengukuran

Berdasarkan gambar 2.6, perbedaan tekanan antara dua titik pada ketinggian berbeda dalam suatu cairan dinyatakan oleh pada gambar, diasumsikan perbedaan ketinggian z diubah menjadi h sehingga didapat persamaan :

�2− �1 = � .� (ℎ1 − ℎ2) ... (2.2)

�₂− �₁ = Perbedaan tekan (Pa) � .� = Satuan berat cairan (N/m3)

(ℎ1− ℎ2) = Perbedaan ketinggian (m)

Jika titik 1 berada di permukaan bebas cairan dan h positif ke arah bawah, persamaan di atas menjadi :

p

=

ρ

.

g

.

h

... (2.3) Dimana :

p = Tekanan (Pa)

ρ = Massa jenis (kg/m3)

g = Percepatan gravitasi (m/detik2) h = Ketinggian (m)

Persamaan-persamaan tersebut dapat digunakan selama besarnya p tetap atau berubah sedikit sekali bersama h sehingga tidak mengakibatkan kesalahan yang cukup berarti dalam hasil perhitungan.

Head (h) menyatakan tinggi suatu kolom fluida homogen yang akan menghasilkan suatu kekuatan tekanan tertentu, maka :

ℎ

=

�

2.5 DASAR PEMILIHAN TURBIN 2.5.1 Perencanaan Saluran Udara dan Air

2.5.1.1 Selang Saluran Udara

Selang saluran udara yang digunakan adalah selang komproser yang berdiameter 6 mm dengan bahan dari karet. Selang ini digunakan untuk mengalirkan udara dari tabung udara ke tabung air dengan perantaraan regulator.

Gambar 2.7. Selang saluran udara

2.5.1.2Selang Saluran Air

Selang saluran air yang digunakan adalah selang kompresor yang berdiameter 9 mm. Selang ini digunakan untuk mengalirkan air dari tabung udara ke nosel kemudian tembakan air diteruskan ke sudu turbin.

2.5.2 Perencanaan Nosel

Nosel adalah alat untuk mengekspansikan fluida sehingga kecepatannya bertambah. Nosel pada Turbin Pelton mempunyai peranan dalam mengatur kecepatan aliran fluida ketika menabrak runner. Untuk memudahkan pengaturan kecepatan fluida yang melalui nosel tersebut biasanya pada nosel dipasang sebuah guide vane (kran) yang berfungsi sebagai katub atau valve yang mengatur besar kecilnya lubang pada nosel yang akan dilalui fluida.

Gambar 2.9. Nosel

Persamaan untuk menentukan diameter nosel adalah sebagai berikut :

�= 0,54 ��

√� ... (2.5) Dimana :

d = Diameter nosel (m)

Q = Kapasitas aliran air (m3/detik) H = Head turbin (m)

2.5.3 Perencanaan Turbin

2.5.3.1 Kecepatan Air Keluar Nosel

� = �_��2.�.� ... (2.6) Dimana :

v = Kecepatan air keluar nosel (m/detik) Cv = Koefisien kecepatan = 0,97 s.d 0,99

H = Head Turbin (m)

2.5.3.2 Kecepatan Keliling Roda Turbin

�= ∅�2.�.� ... (2.7) Dimana :

u = Kecepatan keliling roda turbin (m/detik) ∅ = Speed ratio = 0,43 s.d 0,47

g = Percepatan gravitasi bumi = 9,81 (m/detik2) H = Head Turbin (m)

2.5.3.3 Putaran Teoritis Turbin

�

=

60 �

��

... (2.8)

Dimana :

N = Putaran poros turbin (rpm) D = Diameter roda jalan (m)

u = Kecepatan keliling roda turbin (m/detik)

Gambar 2.10. Rumah turbin pelton

2.5.3.4 Ukuran Sudu

1. Lebar sudu (b)

2. Tinggi sudu (h)

ℎ = (2,1 �.� 2,7) � ...(2.10) 3. Kedalaman sudu (t)

� = (0,81 �.� 1,05) � ...(2.11) 4. Lebar celah sudu (m)

� = (1,1 �.� 1,25) � ...(2.12) 5. Sudut pancaran air masuk sudu (β1)

�1 = 5o �.� 8o ...(2.13)

6. Sudut pancaran air keluar sudu (β2)

�2 = 160o�.� 170o ...(2.14)

Gambar 2.11. Sudu turbin

2.5.3.5 Gaya Pancar Air Terhadap Sudu

�= � .� (� − �)(1− �����₂) ... (2.15) Dimana :

F = Gaya pancar air terhadap sudu (N)

ρ = Massa jenis air = 1000 (kg/m3) Q = Kapasitas aliaran air (m3/detik) v = kecepatan air keluar nosel (m/detik) u = Kecepatan keliling roda turbin (m/detik) k = Faktor gesek permukaan sudu = 0,8 – 0,9

Gambar 2.12. Diagram vektor kecepatan pada sisi masuk dan sisi keluar sudu

2.5.3.6 Daya

1. Daya Hidrolis

Pa= ρ . g . Ht . Q ... (2.16)

Dimana :

Pa = Daya hidrolis air (W)

ρ = Massa jenis air = 1000 (kg/m3)

g = Percepatan gravitasi bumi = 9,81 (m/detik2) �� = Head turbin (m)

Q = Kapasitas air keluar nosel (m3/detik)

2. Daya Kinetik Pancaran Air

�� = 1₂ � .� .�3 ... (2.17)

Dimana :

Pk = Daya kinetik pancaran air (W) ρ = Massa jenis air = 1000 (kg/m3) A = Luas penampang nosel (m2)

= �

4 �

v = Kecepatan aliran air (m2/detik) 3. Daya Poros Turbin

��= � .� ... (2.18)

Dimana :

PT = Daya poros turbin (W)

F = Gaya pancar air terhadap sudu (N) u = Kecepatan keliling roda turbin (m/detik)

2.5.3.7. Putaran Spesifik

Kecepatan spesifik setiap turbin mempunyai kisaran (range) tertentu berdasarkan data eksperimen. Kisaran kecepatan spesifik beberapa turbin air adalah sebagai berikut:

Tabel 2.2. Putaran Spesifik Turbin

(Sumber : M.M. Dandekar & K.N. Sharma, 1991 : 398)

Penggerak Kecepatan khusus (putaran dalam semenit, rpm)

Lambat Sedang Cepat

Pelton 4 – 15 16 – 30 31 – 70

Francis 60 – 150 151 – 250 251 – 400 Kaplan 300 – 450 451 – 700 701 – 1100

Dengan mengetahui kecepatan spesifik turbin, maka perencanaan dan pemilihan jenis turbin akan menjadi lebih mudah, bahkan dimensi dasar turbin dapat diestimasi (diperkirakan).

�

_�

=

�√�

�5�4

. ... (2.19)

dimana:

Ns = putaran spesifik (rpm) N = putaran turbin (rpm) P = daya (kW)

H = Head (m)

2.5.3.8 Efisiensi

1. Efiisiensi Sudu Turbin

�� = �_��_� . 100 % ... (2.20)

Dimana :

ηR = Effisiensi sudu turbin

PT = Daya poros turbin (W)

Pk = Daya kinetik pancaran air (W)

2. Efisiensi Turbin

�� = �_��_� . 100 % ... (2.21)

Dimana :

ηT = Effisiensi sudu turbin

PT = Daya poros turbin (W)

Pa = Daya hidrolis air (W)

2.5.4 Perencanaan Poros

Poros merupakan salah satu bagian yang terpenting dari setiap mesin. Hampir semua mesin meneruskan daya bersama-sama dengan putaran. Peranan utama dalam mentransmisikan putaran dan daya seperti itu dipegang oleh poros.

Gambar 2.13. Poros turbin

2.5.4.1 Macam-macam Poros

Poros untuk meneruskan daya diklasifikasikan menurut pembebanannya, sebagai berikut :

1. Poros Transmisi

Poros transmisi mendapatkan beban puntir saja atau puntir dan lentur dan pengaplikasiannya, tetapi ada juga poros transmisi yang mengalami pembebanan berupa puntir, lentur, dan aksial. Poros seperti itu biasanya terdapat pada turbin dimana gaya aksial terjadi karena tumbukan dari fluida kerja yang mengenai sudu. 2. Poros Spindel

Spindel adalah poros yang ukurannya lebih pendek dari poros transmisi. Fungsinya untuk meneruskan putaran sehingga mendapatkan pembebanan puntir. Poros ini harus memiliki kekakuan yang tinggi, karena ditempatkan pada daerah yang kritis. Pengaplikasiannya seperti pada mesin perkakas atau pada poros motor penggerak. Poros spindel dianggap menerima puntiran saja.

3. Poros Gandar

Pada poros jenis ini pembebanan yang terjadi adalah lentur murni, dimana tidak mendapat beban puntir, kadang-kadang tidak boleh berputar. Gandar hanya

mendapat beban lentur, kecuali jika digerakkan oleh penggerak mula dimana akan mengalami beban puntir juga.

Menurut bentuknya, gandar dapat digolongkan atas poros lurus umum, poros engkol, poros luwes untuk transmisi daya kecil, dan lain-lain. Karena poros gandar tidak boleh berputar sehingga dianggap hanya menerima beban lentur saja.

2.5.4.2 Hal-hal Penting Dalam Perencanaan Poros

Untuk merencanakan sebuah poros hal-hal sebagai berikut perlu diperhatikan : a. Kekuatan Poros

b. Kekakuan Poros c. Putaran Kritis d. Korosi

e. Bahan Poros

Untuk menentukan diameter poros harus ditentukan terlebih dahulu hal-hal berikut :

1. Daya Rencana Poros

Untuk menghitung diameter poros yang diperlukan, maka harus dihitung terlebih dahulu daya rencana yaitu dengan persamaan berikut ini :

�� = �� .� ... (2.22)

Dimana :

Pd = Daya rencana (kW)

fc = Faktor koreksi

Faktor koreksi yang diperlukan untuk menghitung daya rencana yang diperlukan terdapat pada tabel....

Tabel 2.3. Faktor-faktor koreksi daya (fc)

(Sularso, 1994 : 7)

Daya yang ditransmisikan Faktor koreksi (fc)

Daya rata-rata yang diperlukan 1,2 – 2,0 Daya maksimum yang diperlukan 0,8 – 1,2

Daya normal 1,0 – 1,5

2. Momen Puntir Poros

Setelah melakukan perhitungan besar daya rencana, maka momen puntir dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut :

�= 9,74 . 105 ��

� ... (2.23)

Dimana :

T = Momen puntir (kg.mm) Pd = Daya rencana turbin (kW)

n = Putaran turbin (rpm)

3. Tegangan Geser Ijin Bahan

Untuk menghitung tegangan geser ijin bahan, maka perlu diketahui terlebih dahulu kekuatan tarik bahan poros. Persamaan untuk menghitung tegangan geser ijin bahan adalah sebagai berikut :

�� = _����

1 . ��2

Dimana :

�� = Tegangan geser ijin bahan (kg/mm2)

�� = Kekuatan tarik bahan (kg/mm2)

��1 = Faktor keamanan puntir

��2 = Faktor keamanan akibat pengaruh konsentrasi tegangan

dengan harga antara 1,3 – 3,0 4. Diameter Poros

Dalam perencanaan poros ini diperkirakan akan terjadi beban lentur maka akan dipertimbangkan pemakaian faktor Km yang harganya antara 1,2 sampai 2,3 dan

harga Kt harus diperhatikan yang harganya antara 1,5 sampai 3,0 serta Momen puntir

dan beban aksial akibat tumbukan dari fluida kerja yang mengenai sudu, sehingga diameter poros dihitung dengan persamaan :

�� = [ 5,1_�

� �(�� .�

2_{) + (�} � .�2)]

1/3

...(2.25) Dimana :

ds = Diameter poros (mm)

�� = Tegangan geser yang diijinkan (kg/mm2)

M = Momen lentur (kg.mm) T = Momen puntir (kg.mm)

�� = Faktor koreksi untuk kemungkinan terjadinya beban

lentur yang harganya 1,2 – 2,3

�� = Faktor koreksi terhadap momen puntir yang besarnya :

1,0 jika beban dikenakan halus

1,0 – 1,5 jika terjadi sedikit kejutan atau tumbukan 1,5 – 3,0 jika beban dikenakan kejutan atau tumbukan

2.5.4.3 Pemeriksaan Kekuatan Poros

Hasil diameter poros yang dirancang harus diuji kekuatannya. Pemeriksaan dapat dilakukan dengan memeriksa tegangan geser yang terjadi akibat tegangan puntir yang dialami poros. Jika tegangan geser lebih besar dari tegangan geser ijin dari bahan tersebut, maka perancangan akan dikatakan gagal.

1. Tegangan Geser Pada Poros

Bila momen puntir T (kg.mm) dibebankan pada suatu diameter poros maka tegangan geser �_� (kg/mm2) yang terjadi dihitung dengan persamaan berikut :

�� = _�16 _{. �}�_�3 ... (2.26) Dimana :

τp = Tegangan geser akibat momen puntir (kg/mm2)

T = Momen puntir yang ditransmisikan (kg.mm) ds = Diameter poros (mm)

2. Gaya Tangensial Poros

Gaya tangensial poros dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut :

�� =�_{�� .} �_��

2�

... (2.27) Dimana :

Fp = Gaya tangensial poros (kg)

T = Momen puntir (kg.mm) ds = Diameter poros (mm)

��2 = Faktor keamanan akibat pengaruh konsentrasi tegangan

dengan harga antara 1,3 – 3,0

2.5.5 Perencanaan Bantalan

Bantalan adalah elemen mesin yang menumpu poros berbeban, sehingga putaran atau gerak bolak-balik dapat bekerja dengan aman, halus dan panjang umur. Bantalan harus kokoh untuk memungkinkan poros atau elemen mesin lainnya dapat bekerja dengan baik. Jika bantalan tidak bekerja dengan baik, maka prestasi kerja seluruh sistem akan menurun atau tidak dapat bekerja semestinya. Jadi, jika disamakan pada gedung, maka bantalan dalam permesinan dapat disamakan dengan pondasi pada suatu gedung.

2.5.5.1 Klasifikasi Bantalan

Berdasarkan dasar gerakan bantalan terhadap poros, maka bantalan dapat diklasifikasikan sebagai berikut :

1. Bantalan luncur

Bantalan luncur mampu menumpu poros berputaran tinggi dengan beban yang besar. Bantalan ini memiliki konstruksi yang sederhana dan dapat dibuat dan dipasang dengan mudah. Bantalan luncur memerlukan momen awal yang besar karena gesekannya yang besar pada waktu mulai jalan. Pelumasan pada bantalan ini tidak begitu sederhana, gesekan yang besar antara poros dengan bantalan menimbulkan efek panas sehingga memerlukan suatu pendinginan khusus.

Lapisan pelumas pada bantalan ini dapat meredam tumbukan dan getaran sehingga hampir tidak bersuara. Tingkat ketelitian yang diperlukan tidak setinggi bantalan gelinding sehingga harganya lebih murah. Adapun macam-macam dari bantalan luncur adalah sebagai berikut :

a. Bantalan radial b. Bantalan aksial c. Bantalan khusus 2. Bantalan gelinding

Pada bantalan ini terjadi gesekan gelinding antara bagian yang berputar dengan yang diam melalui elemen gelinding seperti bola (peluru), rol jarum dan rol bulat. Bantalan gelinding pada umumnya cocok untuk beban kecil daripada bantalan luncur, tergantung pada bentuk elemen gelindingnya. Putaran pada bantalan ini dibatasi oleh gaya sentrifugal yang timbul pada elemen gelinding tersebut. Bantalan gelinding hanya dibuat oleh pabrik-pabrik tertentu saja karena konstruksinya yang sukar dan ketelitiannya yang tinggi. Harganya pun pada umumnya relatif lebih mahal jika dibandingkan dengan bantalan luncur.

Bantalan gelinding diproduksi menurut standar dalam berbagai ukuran dan bentuk, hal ini dilakukan agar biaya produksi menjadi lebih efektif serta memudahkan dalam pemakaian bantalan tersebut. Keunggulan dari bantalan gelinding yaitu, gesekan yang terjadi pada saat berputar sangat rendah. Pelumasannya pun sangat sederhana, yaitu cukup dengan gemuk, bahkan pada jenis bantalan gelinding yang memakai seal sendiri tidak perlu pelumasan lagi. Meskipun ketelitiannya sangat tinggi, namun karena adanya gerakan elemen gelinding dan sangkar, pada putaran yang tinggi bantalan ini agak gaduh jika dibandingkan dengan bantalan luncur.

Jenis bantalan yang digunakan sesuai dengan diameter poros terdapat pada tabel 2.2 di bawah ini.

Gambar 2.15. Macam-macam bantalan peluru

2.5.5.2 Rumus Perhitungan Bantalan

Rumus perhitungan bantalan gelinding antara lain mengenai (Sularso, 2004) 1. Beban Ekuivalen Dinamis

P = X . V. Fr + Fa .Y ... (2.28) Dimana :

P = Beban ekuivalen dinamis (kg) Fr = Beban radial (kg)

Fa = Beban aksial (kg)

X,V,Y = Faktor-faktor yang mempengaruhi perhitungan beban ekuivalen dinamis terdapat pada tabel 2 pada lampiran.

2. Faktor Kecepatan (fn)

3 / 1

3 , 3 3

    =

n f n

... (2.29) Dimana :

fn = Faktor kecepatan

n = Kecepatan poros (rpm) 3. Faktor Umur (fh)

P c fn

fh=

... (2.30) Dimana :

fh = Faktor umur

fn = Faktor kecepatan

C = Kapasitas nominal dinamis spesifik (kg) P = Beban ekuivalen dinamis (kg)

4. Umur Bantalan (Lh)

Lh = 500

3

fh _{... (2.31)} Dimana :

Lh = Umur bantalan (jam)

fh = Faktor umur

2.5.6 Perencanaan Sekrup

Sekrup merupakan salah satu alat pengikat yang sering digunakan. Untuk mencegah kecelakaan atau kerusakan pada mesin, pemilihan sekrup sebagai alat pengikat harus dilakukan dengan kebutuhan rangkaian.

Sekrup mempunyai diameter sampai 8 mm dan untuk pemakaian khusus tidak ada beban besar. Kepalanya mempunyai alur lurus atau silang untuk dapat dikuatkan dengan obeng. Adapun macam-macam sekrup, yaitu :

a. Kepala bulat alur silang b. Kepala bulat beralur lurus

c. Macam panci

d. Kepala rata alur bersilang e. Kepala benam lonjong

Gambar 2.16. Sekrup dengan bermacam–macam bentuk kepala serta teknik pemutarnya

Sekrup penetap digunakan untuk menetepkan naff pada porosnya, sedang bentuk ujungnya disesuaikan dengan penggunaannya.

Gambar 2.17. Sekrup penetap Keterangan :

1. Beralur 5. Ujung rata

2. Lekuk (soket) segienam 6. Ujung kerucut 3. Kepala bujur sangkar 7. Ujung berleher

4. Ujung mangkok 8. Ujung bulat

Penggunaan baut-mur dan sekrup yang sesuai dengan diameter ulirnya terlihat pada tabel 3 yang terdapat pada lampiran.

Untuk menentukan ukuran mur-baut dan sekrup, berbagai faktor harus diperhatikan seperti sifat gaya yang bekerja, syarat kerja, kekuatan bahan dan kelas ketelitian. Adapun gaya-gaya yang bekerja pada mur-baut dan sekrup berupa:

a. Beban statis aksial murni

b. Beban aksial bersama dengan beban puntir c. Beban geser

d. Beban aksial tumbukan

Persamaan-persamaan yang digunakan untuk menentukan diameter ulir pada perencanaan mur-baut dan sekrup sebagai berikut :

�� ≥ �_���4 _�� _0,64 ... (2.32)

Atau

�� ≥ �2 _��_� ... (2.33)

Dan, �_� = 0,8 � ... (2.34)

Sehingga, � = 1,25 �_� ... (2.35) Dimana :

dc = Diameter batang ulir (mm)

d = Diameter luar ulir (mm)

W = Beban tarik aksial pada baut (kg)

�� = Tegangan geser yang diijinkan (kg/mm2)

Harga �_� tergantung dari macam bahan, yaitu SS, SC atau SF. Jika ditulis tinggi faktor keamanan dapat diambil sebesar 6-8 dan jika difinis biasa besarnya antara 8-10. Untuk baja

liat yang mempunyai kadar karbon 0,2 – 0,3 (%), tegangan yang diijinkan �_� umumnya adalah sebesar 6 kg/mm2 jika difinis tinggi dan 4,86 kg/mm2 jika difinis biasa.

2.5.7 Perencanaan Puli dan Sabuk 2.5.7.1 Puli (Pulley)

Puli biasanya digunakan untuk mentransmisikan atau memindahkan tenaga dari poros yang satu ke poros yang lainnya dengan bantuan belt atau sabuk. Bahan puli biasanya terbuat dari besi tuang, baja tuang atau baja press, aluminium, kayu dan kertas. Puli yang terbuat dari baja dicetak atau di-press mempunyai koefisien yang rendah dan membutuhkan pengerjaan yang rumit.

Gambar 2.18. Variasi diamter ukuran puli

Secara teoritis, persamaan-persamaan dalam perencanaan puli adalah sebagai berikut :

1. Torsi Puli

�� =� .��₂�� ... (2.36)

Dimana :

Tp = Torsi puli (N.mm)

F = Beban puli (N) Dp = Diameter puli (mm)

�� = _���_{/ 2} ... (2.37)

Dimana :

Fe = Tarikan efektif rem (N)

T = Momen torsi poros (N.mm) Dp = Diameter puli (mm)

3. Koefisien Gesek �= ln��−ln (��−�)

���� ... (2.38)

Dimana :

µ = Koefisien gesek

θ = Sudut kontak = 90o

4. Koefisien Gaya Terhadap Gaya Gesek

�= � . �_� . �_� . �_� ... (2.39)

Dimana : F = Gaya gesek (N)

µ = Koefisien gesek PT = Daya poros turbin (W)

Ap = Luas penampang puli (m2)

ls = Lebar sabuk (m)

2.5.7.2 Sabuk (Belt)

Sabuk atau belt biasanya digunakan untuk memindahkan daya dari poros yang satu ke poros yang lainnya dengan bantuan puli dimana puli berputar dengan kecepatan yang sama atau pada kecepatan yang berbeda. Jumlah daya yang dipindahkan tergantung pada beberapa faktor, yaitu :

a. Kecepatan sabuk

b. Tegangan di bawah sabuk dimana sabuk diletakkan di atas puli c. Sudut kotak antara sabuk dan puli yang lebih kecil

Material yang digunakan untuk bahan belt harus kuat, fleksibel dan mempunyai daya tahan yang lama. Material belt juga harus menggunakan koefisien yang tinggi terhadap gesekan. Bahan belt yang biasa digunakan adalah :

a. Leather belt

b. Cotton or pabric belt c. Rubber belt

d. Balata belt

Sabuk yang digunakan pada rancang bangun ini adalah sabuk gilir ( tipe J) yang terlihat pada gambar 2.20.

2.5.7.3 Sistem Transmisi Puli dan Sabuk

1. Rasio Kecepatan

Rasio kecepatan adalah rasio antara kecepatan puli penggerak (driver) dan puli yang digerakkan (driven). Dinyatakan secara matematis :

Panjang sabuk yang melewati driver dalam 1 menit :

L1 = π d1 n1 ... (2.40)

Panjang sabuk yang melewati driven dalam 1 menit :

L2 = π d2 n2 ... (2.41)

Karena panjang sabuk yang melewati driver dalam 1 menit adalah sama dengan panjang sabuk yang melewati driven dalam 1 menit, sehingga :

π d

1

n

1

= π d

2

n

2 ... (2.42) Sehingga kecepatan rasio adalah :

�2

�1

=

�1

�2

... (2.43)

Ketika ketebalan sabuk dianggap (t), maka rasio kecepatan menjadi :

�2

�1

=

�1+ �

�2+ �

... (2.44)

Perbandingan putaran :

�

=

�1 �2

... (2.45)

Dimana :

d1 = Diameter driver (mm)

d2 = Diameter driven (mm)

n1 = Kecepatan driver (rpm)

n2 = Kecepatan driven/pengikut (rpm) 2. Kecepatan Sabuk

�

=

�� . �1

60 .1000 ... (2.46)

Dimana :

V = Kecepatan sabuk (m/detik) Dp = Diameter puli penggerak (mm)

n1 = Putaran poros penggerak (rpm)

3. Koefisien Gesek Antara Puli dan Sabuk

�

= 0,45

−

42,6

152,6+� ... (2.47)

Dimana :

μ = Koefisien gesekan antara puli dan sabuk. V = Kecepatan sabuk (m/menit)

4. Analisa Momen Torsi (T1,T2)

�1 = 9,74 . 105��_��

1 �

... (2.48) �2 = 9,74 . 105 .�

��

�2 � ... (2.49) Dimana :

T1 = Momen torsi puli penggerak (kg.mm)

T2 = Momen torsi puli yang digerakkan (kg.mm)

Pd = Daya rencana (kW)

n1 = Putaran poros penggerak (rpm)

5. Panjang Sabuk

�=�

2(�1+ �2) + 2�+

(�1−�2)2

4� ... (2.50)

Gambar 2.21. Transmisi puli dan sabuk

2.5.8 Perencanaan Generator 2.5.8.1 Pengertian Generator

Dinamo (Generator) atau pembangkit listrik yang sederhana dapat ditemukan pada sepeda. Pada sepeda, biasanya dinamo digunakan untuk menyalakan lampu. Caranya ialah bagian atas dinamo (bagian yang dapat berputar) dihubungkan ke roda sepeda. Pada proses itulah terjadi perubahan energi gerak menjadi energi listrik. Generator (dinamo) merupakan alat yang prinsip kerjanya berdasarkan induksi elektromagnetik. Alat ini pertama kali ditemukan oleh Michael Faraday.

Berkebalikan dengan motor listrik, generator adalah mesin yang mengubah energi kinetik menjadi energi listrik. Energi kinetik pada generator dapat juga diperoleh dari angin atau air terjun. Berdasarkan arus yang dihasilkan. Generator dapat dibedakan menjadi dua rnacam, yaitu generator AC dan generator DC. Generator AC menghasilkan arus bolak-balik (AC) dan generator DC menghasilkan arus searah (DC). Baik arus bolak-balik maupun searah dapat digunakan untuk penerangan dan alat-alat pemanas.

2.5.8.2 Cara Kerja Dinamo

Prinsip kerja dinamo sama dengan generator yaitu memutar kumparan di dalam medan magnet atau memutar magnet di dalam kumparan. Bagian dinamo yang berputar disebut rotor. Bagian dinamo yang tidak bergerak disebut stator. antara dinamo DC dengan dinamo AC terletak pada cincin yang digunakan. Pada dinamo arus searah menggunakan satu cincin yang dibelah menjadi dua yang disebut cincin belah (komutator). Cincin ini memungkinkan arus listrik yang dihasilkan pada rangkaian luar Dinamo berupa arus searah walaupun di dalam dinamo sendiri menghasilkan arus bolak-balik. Adapun, pada dinamo arus bolak-balik menggunakan cincin ganda (dua cincin). Alat pembangkit listrik arus bolak balik yang paling sederhana adalah dinamo sepeda. Tenaga yang digunakan untuk memutar rotor adalah roda sepeda. Jika roda berputar, kumparan atau magnet ikut berputar. Akibatnya, timbul GGL induksi pada ujung-ujung kumparan dan arus listrik mengalir. Makin cepat gerakan roda sepeda, makin cepat magnet atau kumparan berputar. Makin besar pula GGL induksi dan arus listrik yang dihasilkan. Jika dihubungkan dengan lampu, nyala lampu makin terang. GGL induksi pada dinamo dapat diperbesar dengan cara putaran roda dipercepat, menggunakan magnet yang kuat (besar), jumlah lilitan diperbanyak, dan menggunakan inti besi lunak di dalam kumparan.

2.5.8.3 Macam-macam Generator

Adapun macam-macam dari generator adalah sebagai berikut : 1. Generator DC

Prinsip kerja generator (dinamo) DC sama dengan generator AC. Namun, pada generator DC arah arus induksinya tidak berubah. Hal ini disebabkan cincin yang digunakan pada generator DC berupa cincin belah (komutator).

2. Generator AC

Gambar 2.23. Generator AC

Bagian utama generator AC terdiri atas magnet permanen (tetap), kumparan (solenoida). cincin geser, dan sikat. Pada generator. perubahan garis gaya magnet diperoleh dengan cara memutar kumparan di dalam medan magnet permanen. Karena dihubungkan dengan cincin geser, perputaran kumparan menimbulkan GGL induksi AC. OIeh karena itu, arus induksi yang ditimbulkan berupa arus AC. Adanya arus AC ini ditunjukkan oleh menyalanya lampu pijar yang disusun seri dengan kedua sikat. Sebagaimana percobaan Faraday, GGL induksi yang ditimbulkan oleh generator AC dapat diperbesar dengan cara :

a. Memperbanyak lilitan kumparan,

b. Menggunakan magnet permanen yang lebih kuat.

c. Mempercepat perputaran kumparan, dan menyisipkan inti besi lunak ke dalam kumparan.

Contoh generator AC yang sering kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari adalah dinamo sepeda. Bagian utama dinamo sepeda adalah sebuah magnet tetap dan kumparan yang disisipi besi lunak. Jika magnet tetap diputar,perputaran tersebut menimbulkan GGL induksi pada kumparan. Jika sebuah lampu pijar (lampu sepeda)

dipasang pada kabel yang menghubungkan kedua ujung kumparan. lampu tersebut akan dilalui arus induksi AC. Akibatnya, lampu tersebut menyala. Nyala lampu akan makin terang jika perputaran magnet tetap makin cepat (laju sepeda makin kencang).

2.5.8.4 Pemilihan GeneratorPada Turbin

Dinamo sepeda merupakan generator kecil yang dapat menghasilkan arus listrik yang kecil pula. Pada dinamo sepeda prinsip kerjanya yaitu energi gerak dari poros turbin diubah menjadi energi potensial listrik melalui transmisi puli dan sabuk. Besarnya tegangan listrik yang dihasilkan dinamo sepeda ini ditentukan oleh cepatnya roda turbin yang berputar melalui perantaraan poros. Semakin cepat putaran poros turbin semakin cepat putaran dinamo dan arus listrik yang dihasilkan semakin besar pula, biasanya dinamo dapat menghasilakan tegangan 6 sampai 12 Volt. Dinamo sepeda intinya adalah sebuah magnet yang dapat berputar dan sebuah kumparan tetap.

Gambar 2.24. Dinamo sepeda

Hubungan antara kecepatan, flux medan dan tegangan dinamo ditunjukkan dalam persamaan sebagai berikut :

E = K . Φ . N... (2.51) Dan

Persamaan K dimasukkan ke persamaan E menjadi :

�

=

�

� . �_�

�

.

�

... (2.53)

Sehingga momen torsi dinamo adalah :

�

=

� . ��

� ... (2.54)

Dimana :

E = Gaya elektromagnetik yang dikembangkan pada terminal dinamo/tegangan dinamo (Volt)

Φ = Flux medan yang berbanding lurus dengan arus medan n = Kecepatan poros dinamo (rpm)

T = Torsi elektromagnetik (N.m) Ia = Arus dinamo (Ampere) K = Konstanta persamaan.

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANG

Dalam kemajuan teknologi sekarang ini banyak dibuat peralatan- peralatan yang inovatif dan tepat guna. Salah satu contoh dalam bidang teknik mesin terutama dalam bidang konversi energi dan pemanfaatan alam sebagai sumber energi. Diantaranya adalah pemanfaatan air yang bisa digunakan untuk menghasilkan tenaga listrik. Listrik, sebuah kata yang hampir tidak bisa dihilangkan dalam kehidupan masyarakat saat ini. Hampir semua aktivitas manusia zaman sekarang membutuhkan listrik. Hal ini terbukti dengan banyaknya keluhan kepada pihak PLN jika terjadinya pemadaman listrik. Namun hal ini terlihat ironis dengan kenyataan bahwa ternyata di zaman listrik saat ini masih banyak masyarakat yang belum menikmatinya, terutama mereka yang bertempat tinggal di daerah pedesaan yg belum terjangkau oleh PLN. Walaupun bisa memperoleh listrik maka harus membayar dengan harga yang mahal. Kenyataan yang ada saat ini masyarakat pedesaan lebih memilih menggunakan genset (generator set) untuk memenuhi kebutuhan mereka akan listrik. Padahal sebenarnya disekitar mereka ada sumber daya alam yang potensial untuk dijadikan sebagai sumber pembangkit listrik yaitu air.

Sumber-sumber air yang melimpah di daerah pedesaan dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi listrik. Penggunaan air sebagai sumber energi listrik lebih menguntungkan daripada menggunakan genset. Dengan menggunakan PLTMH, hanya memerlukan modal untuk investasi awal saja, selanjutnya akan mendapatkan listrik secara gratis selama 24 jam non-stop. Selain itu penggunaan PLTMH di wilayah pedesaan secara tidak langsung juga akan membuat masyarakat aktif untuk menjaga hutan, karena jika hutan tidak terjaga maka sumber air akan mengering sehingga tidak bisa memperoleh listrik.

PLTMH adalah singkatan dari Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, yaitu pembangkit listrik skala kecil (kurang dari 200 kW), yang memanfaatkan tenaga air sebagai sumber penghasil energi. PLTMH termasuk sumber energi terbarukan dan layak disebut clean energy karena ramah lingkungan. Dari segi teknologi PLTMH dipilih karena konstruksinya sederhana, mudah dioperasikan, serta mudah dalam perawatan dan penyediaan suku cadang. Secara ekonomi biaya operasi dan perawatannya relative murah, sedangkan biaya investasinya cukup bersaing dengan pembangkit listrik lainnya. Secara sosial, PLTMH mudah diterima masyarakat luas ( bandingkan dengan PLT Nuklir ). PLTMH biasanya dibuat dalam skala desa di daerah-daerah terpencil yang belum mendapatkan listrik dari PLN. Tenaga air yang digunakan dapat berupa aliran air pada sistem irigasi, sungai yang dibendung atau air terjun.

Keuntungan dari pengembangan PLTM dan PLTMH bagi masyarakat pedesaan dan desa terpencil antara lain:

1. Lokasi sumber daya air untuk PLTM dan PLTMH pada umumnya berada di wilayah pedesaan dan desa terpencil yang belum terjangkau jaringan listrik.

2. Penggunaan energi konvensional, seperti batu bara untuk pembangkit tenaga listrik di wilayah ini akan memerlukan biaya yang tinggi karena adanya tambahan biaya transportasi bahan bakar.

3. Mengurangi ketergantungan pada penggunaan bahan bakar fosil.

4. Meningkatkan kegiatan perekonomian, sehingga diharapkan dapat menambah penghasilan masyarakat.

Di Sumatera Utara contohnya, sudah dibangun dua buah pembangkit listrik tenaga mikro hidro (PLTMH), masing-masing berlokasi di Asahan dan Tapanuli Tengah, yang dibangun pada tahun 2005 dan 2006. Dua pembangkit listrik tenaga mikro hidro (PLTMH) akan dibangun lagi di wilayah Pakpak Bharat dan Humbang Hasundutan, Sumatera Utara.

Pembangunan pembangkit listrik tenaga air tersebut merupakan realisasi pemerintah untuk mengurangi jumlah rumah tangga (RT) yang belum memperoleh sambungan listrik dari PLN, yang besarnya sekitar 500.000 rumah tangga. Pembangkit listrik tenaga mikro hidro tersebut akan menghasilkan listrik dengan kapasitas sebesar 30 hingga 40 kilowatt. Sebenarnya masih banyak daerah di Sumatera Utara yang berpotensi untuk dibangun pembangkit listrik tenaga mikro hidro, tetapi terkendala oleh teknologi dan biaya.

Fakta di atas menunjukkan bahwa pembangkit listrik tenaga mikro hidro sangat sesuai digunakan di Indonesia. Potensi ini sangat banyak dan tidak digunakan dengan maksimal. Oleh karena itu, untuk mendapatkan manfaat dari sumber energi yang terbuang ini sangat dibutuhkan pengembangan teknologi PLTM dan PLTMH. Karena melihat potensi yang ada pengembangan teknologi ini bisa menjadi salah satu terobosan dalam memenuhi kebutuhan listrik di pedesaan dan desa terpencil sehingga ini melatarbelakangi skripsi ini.

1.2 MAKSUD DAN TUJUAN PERANCANGAN

Maksud dari perancangan adalah untuk memenuhi syarat kelulusan untuk mendapatkan gelar sarjana. Adapun tujuan dari perancangan ini dalah:

1. Merancang bangun Turbin Pelton mini bertekanan 7 bar dengan diameter roda turbin 68 mm pada jumlah sudu 16.

2. Menganalisa performance Turbin Pelton dengan menggunakan variasi diamater puli. 3. Menganalisa Turbin Pelton dengan menggunakan beban lampu (daya 6 Watt dan

1.3 BATASAN MASALAH

Karena luasnya permasalahan ini, maka pengujian ini dibatasi pada:

1. Merancang bangun Turbin Pelton mini bertekanan 7 bar dengan diameter roda turbin 68 mm pada jumlah sudu 16.

2. Menganalisis perhitungan pengaruh putaran generator terhadap momen torsi puli dengan menggunakan variasi diameter puli : 12 mm, 34 mm, dan 51 mm.

3. Pengujian perilaku Turbin Pelton dengan parameter putaran turbin (rpm), tegangan listrik (volt), dan kuat arus (ampere) terhadap pembebanan bola lampu 6 watt.

1.4 SISTEMATIKA PENULISAN

Laporan ini adalah buku skripsi yang terdiri atas beberapa bab, yaitu: 1. BAB I : Pendahuluan yang meliputi latar belakang penulisan,

maksud dan tujuan perancangan, batasan masalah, dan sistematika penulisan.

2. BAB II : Tinjauan pustaka yang berisi teori dasar turbin air, Turbin Pelton. 3. BAB III : Metodologi penelitian dan alat penelitian berisi sistematika atau alur

(flow) proses pengujian dilakukan. 4. BAB IV : Hasil pengujian dan analisa. 5. BAB V : Kesimpulan dan saran. 6. DAFTAR PUSTAKA

RANCANG BANGUN DAN PENGUJIAN TURBIN PELTON MINI

BERTEKANAN 7 BAR DENGAN DIAMETER RODA TURBIN 68 MM

DAN JUMLAH SUDU 16

SKRIPSI

Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

OKTO BONARIS SILALAHI (090421009)

PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

ABSTRAK

Pada era globalisasi saat ini, setiap negara maju dan berkembang sangat bergantung pada energi listrik berbahan bakar fosil seperti minyak bumi, gas alam dan batu bara yang terbatas jumlahnya ( sumber daya alam yang tidak dapat diperbarukan ) yang mana sumber daya alam tersebut yang lama kelamaan akan habis tetapi permintaan sumber energi listrik dari tahun ke tahun terus mengalami peningkatan. Oleh karena itu sudah saatnya untuk memamfaatkan sumber energi listrik yang terbarukan dan yang ramah lingkungan ( tidak menimbulkan polusi ) sebagai sumber energi alternatif.

Berdasarkan pemikiran tersebut maka dilakukan rancang bangun Turbin Pelton mini bertekanan 7 bar dengan diameter roda turbin 68 mm dan jumlah sudu 16. Turbin ini diuji dengan variasi diameter puli (12 mm, 34 mm, dan 51 mm) dengan beban lampu 6 watt pada tegangan 12 V. Udara yang bertekanan digunakan sebagai pengganti tinggi jatuh air (head = 70 m) yang mendorong air dimana udara tidak bercampur dengan air, tetapi udara hanya memberikan tekanan pada air sehingga air bertekanan mendorong sudu – sudu turbin dan pada akhirnya akan menghasilkan listrik setelah dihubungkan ke generator.

Adapun tujuan dari rancangan adalah untuk mengetahui dimensi rancangan Turbin Pelton yang menghasilkan energi listrik. Dari hasil pengujian, bahwa daya maksimum yang dihasilkan adalah 6 watt pada tegangan 12 V dengan putaran di turbin 2353 dan di generator 4830 dan ukuran diameter puli pada turbin 34 mm dan pada generator 12 mm.

BAB III METODOLOGI PERANCANGAN DAN PENGUJIAN

3.1 Konsep Dasar Perencanaan...49

3.1.1 Perencanaan Saluran Udara dan Air...49

3.1.2 Perencanaan Nosel...51

3.1.3 Perencanaan Turbin...51

3.1.4 Perencanaan Poros...55

3.1.5 Perencanaan Bantalan...58

3.1.6 Perencanaan Sekrup...61

3.1.7 Perencanaan Puli dan Sabuk...62

3.1.8 Perencanaan Generator...67

3.2 Pelaksanaan Perancangan Dan Pengujian...68

3.2.1 Waktu dan Tempat...68

3.2.2 Pengamatan dan Tahap Pengujian...68

3.3 Diagram Alir Pengujian...70

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 PerformansiTurbin...71

4.1.1 Daya hidrolis...73

4.1.2 Daya listrik...73

4.1.3 Daya Turbin...73

4.1.4 Effisiensi Turbin...73

4.2 Analisa Momen Torsi...74

4.2.1 Daya Rencana...74

4.2.2 Momen Rencana...74

4.2.3 Momen Torsi pada Puli Penggerak...74

4.2.4 Momen Torsi pada Puli yang Digerakkan...75

4.3 Grafik Hasil Pengujian...77

4.3.1 Hubungan antara Putaran Generator dan Tegangan...77

4.3.2 Hubungan antara Putaran Generator dan Effisiensi Turbin...78

4.3.3 Hubungan antara Putaran dan Momen Torsi

Puli...79

4.3.4 Hubungan antara Daya Listrik dan dan Intensitas Cahaya...80

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan...81

5.1.1 Perhitungan Perancangan Turbin Pelton...81

5.1.2 Analisa Hasil Pengujian...83

5.2 Saran...83 DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

DAFTAR TABEL DAN GRAFIK

Hal.

A.

TABEL

Tabel 2.1 Penggolongan Berdasarkan Arah Aliran ...13

Tabel 2.2 Putaran Spesifik Turbin ...21

Tabel 2.3 Faktor-faktor Koreksi Daya (fc) ...25

Tabel 4.1 Data hasil Pengujian ...71

Tabel 4.2 Data hasil Perhitungan ...72

Tabel 4.3. Data hasil perhitungan untuk momen torsi puli ...76

B.

GRAFIK Grafik 4.1 Hubungan Antara Putaran Generator dan Tegangan ...77

Grafik 4.2 Hubungan Antara Putaran Generator dan Effisiensi Turbin ...78

Garfik 4.3 Hubungan Antara Putaran dan Momen Torsi Puli ...79

DAFTAR GAMBAR

Hal.

Gambar 2.1 Kincir Air ...6

Gambar 2.2 Turbin Francis ...9

Gambar 2.3 Turbin Kaplan dengan sudu jalan yang dapat diatur ...10

Gambar 2.4 Turbin Pelton ...11

Gambar 2.5 Perbandingan karakteristik turbin ...12

Gambar 2.6 Perbedaan tekanan pada dua titik pengukuran ...14

Gambar 2.7 Selang saluran udara ...16

Gambar 2.8 Selang saluran air ...16

Gambar 2.9 Nosel ...17

Gambar 2.10 Rumah turbin pelton ...18

Gambar 2.11 Sudu turbin ...19

Gambar 2.12 Diagram vektor kecepatan pada sisi masuk dan sisi keluar ...20

Gambar 2.13 Poros turbin ...23

Gambar 2.14 Pelumasan bantalan luncur ...30

Gambar 2.15 Macam-macam bantalan peluru ...31

Gambar 2.16 Sekrup dengan bermacam–macam bentuk kepala serta teknik pemutarnya...33

Gambar 2.17 Sekrup penetap ...34

Gambar 2.18 Variasi diameter ukuran puli ...36

Gambar 2.19 Berbagai macam sabuk transmisi daya ...39

Gambar 2.20 Tipe, ukuran dan pemakaian pada sabuk gilir ...40

Gambar 2.21 Transmisi puli dan sabuk ...43

Gambar 2.22 Generator DC ...45

Gambar 2.23 Generator AC ...45

Gambar 2.24 Dinamo sepeda ...47

Gambar 3.1 (a) Tabung pengisian untuk udara ...50

(b) Tabung pengisian untuk air ...50

Gambar 3.2 (a) Selang saluran untuk udara ...50

(b) Selang saluran untuk air ...50

Gambar 3.3 Ukuran diameter nosel ...51

Gambar 3.4 Dimensi sudu ...53

Gambar 3.5 Diagram vektor kecepatan pada sisi masuk dan sisi keluar sudu...53

Gambar 3.6 Diagram benda bebas momen lentur ...56

Gambar 3.7 Perencanaan poros ...57

Gambar 3.8 Komponen bantalan gelinding ...60

Gambar 3.9 Sekrup ...62

Gambar 3.10 Diameter puli berukuran 12 mm ...62

Gambar 3.11 Diameter puli berukuran 34 mm ...63

Gambar 3.12 Diameter puli berukuran 51 mm ...64

Gambar 3.13 Sabuk yang digunakan adalah sabuk gilir (timing belt) ...66

Gambar 3.14 Transmisi puli dan sabuk ...67

Gambar 3.15 Dinamo sepeda adalah generator yang digunakan pada pengujian ...67

DAFTAR SIMBOL

SIMBOL ARTI SATUAN

Q Kapasitas Aliran/Debit Air m3/detik

A Luas Penampang m2

D Diameter m

P Tekanan bar

h Head m

F Gaya Newton

v Kecepatan m/detik

g Percepatan Gravitasi m/detik2

I Kuat Arus ampere

n Putaran rpm

Pt Daya Turbin Watt

Pa Daya Air Watt

V Tegangan Listrik Volt

η

Efisiensi %

ρ

Massa Jenis kg/m3