Uji Eksperimental Turbin Kaplan Dengan 5 Runner Blade Dan Analisa Perbandingan Variasi Sudut Guide Vane.

(1)

UJI EKSPERIMENTAL TURBIN KAPLAN DENGAN 5

RUNNER BLADE DAN ANALISA PERBANDINGAN

VARIASI SUDUT GUIDE VANE

SKRIPSI

Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

JAN SIMALUNGUN PURBA NIM. 090401038

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

ABSTRACK

The power plant micro hydro scale is a installation power plant which has a small capacity and contruction instalation required budget funds relative small than with budget construction a PLTA. The power plant micro hidro scale very efficient used for demand electricity in a household cause budget funds a relatively small. Finally be expected that efficiency from kaplan water turbine used will increase and all problem electrical energy crisis can overcome so that all people can get compliance of the requerement electrical energy. Based on the idea, then be tested on kaplan water turbine micro hydro with utilize renewable energy sources. In this testing be used generator for producing electric to turn on the bulb circuit. Purpose of this test for know capacity electric power generated by kaplan turbine with utilize water flow from reservoir which flowed by the pump with capasity 0,0528 m3/minute as simulation of the flow of the river.Runner blade is one main component in instalation testing the kaplan turbine, outer diameter runner blade which used in this testing by 16 cm. In this testingguide vane tobe tested is the angle 300, 450 dan 600. Of the kaplan turbine testing obtained by electric current produced by alternator with power 1,850 Watt in the angle steguring bllade water (guide vane) 300, in the angle steguring bllade water (guide vane) 450 of 4,532 watt and in the angle steguring bllade water(guide vane) 600 of 3,969Watt.

(3)

ABSTRAK

Pembangkit listrik skala mikrohidro merupakan sebuah instalasi pembangkit listrik yang memiliki kapasitas kecil dan dalam pembangunan instalasinya dibutuhkan anggaran dana yang relatif kecil dibandingkan dengan anggaran pembangunan sebuah PLTA. Pembangkit listrik dengan skala mikro hidro sangat efisien digunakan untuk kebutuhan listrik dalam sebuah rumah tangga karena anggaran dana yang relative kecil. Pada akhirnya diharapkan bahwa efisiensi dari turbin kaplan yang digunakan akan semakin meningkat dan semua masalah krisis energi listrik dapat diatasi sehingga semua orang bisa mendapatkan pemenuhan atas kebutuhan energi listrik. Berdasarkan pemikiran tersebut, maka dilakukan pengujian pada turbin kaplan skala mikro hidro dengan memanfaatkan sumber energi yang terbarukan. Pada pengujian ini digunakan generator sebagai penghasil listrik untuk menghidupkan rangkaian bola lampu. Tujuan pengujian ini untuk mengetahui kapasitas daya listrik yang dihasilkan oleh turbin kaplan dengan memanfaatkan aliran air dari reservoir yang di alirkan oleh pompa dengan kapasitas 0,0528 m3/menit sebagai simulasi dari aliran sungai. Runner blade merupakan salah satu komponen utama dalam instalasi pegujian turbin kaplan, diameter luar runner blade yang akan digunakan dalam pengujian ini sebesar 16 cm. Pada pengujian ini sudu pengarah air (guide vane )yang akan di uji adalah dengan sudut 300, 450 dan 600. Dari pengujian turbin kaplan ini diperoleh arus listrik yang dihasilkan oleh generator dengan daya sebesar 1,850 Watt pada sudut guide vane 300, pada sudut guide vane 450 sebesar 4,532 Watt dan pada sudut guide vane 600 sebesar 3,969 Watt.

(4)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas segala limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul “Uji Eksperimental Turbin Kaplan Dengan 5 Runner Blade Dan Analisa Perbandingan Variasi Sudut Guide Vane”

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

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

1. Kedua orang tua penulis, I. Purba dan B. Saragih. yang selalu memberikan dukungan dan semangat, baik berupa materi, doa, serta motivasi demi terselesainya penulisan skripsi ini.

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

3. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST, MT selaku dosen penguji 1 yang telah banyak memberikan ilmu dan meluangkan waktunya dalam membimbing penulis selama masa penyelesaian skripsi ini.

4. Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus, ST, MT selaku dosen penguji 2 yang telah banyak memberikan ilmu dan meluangkan waktunya dalam membimbing penulis selama masa penyelesaian skripsi ini

(5)

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

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

7. Rekan-rekan penulis, David Harold Manurung, David Permadi Nainggolan dan Jannes Tampubolon yang selalu memberikan motivasi hingga skripsi ini dapat terselesaikan.

8. Rekan-rekan mahasiswa Teknik Mesin khususnya stambuk 2009 yang telah banyak memberikan bantuan, baik berupa jasa dan waktunya hingga penyelesaian skripsi ini.

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

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

Medan, Januari 2015

Jan Simalungun Purba

(6)

DAFTAR ISI

ABSTRAK... i

KATA PENGANTAR... iii

DAFTAR ISI... v

DAFTAR GAMBAR... ix

DAFTAR TABEL... xii

DAFTAR SIMBOL... xiii

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang... 1

1.2 Tujuan Penelitian... 3

1.3 Manfaat Penelitian... 3

1.4 Batasan Masalah... 3

1.5 Metodologi Penelitian... 4

1.6 Keluaran Skripsi... 5

1.7 Sistematika Penulisan... 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1Potensi Tenaga Air... 7

2.2Sejarah Turbin Air... 8

2.3Klasifikasi Turbin Air... 9

(7)

2.3.1.1 Turbin Pelton... 10

2.3.1.2 Turbin Turgo... 11

2.3.1.3 Turbin Ossberger Atau Turbin Crossflow... 12

2.3.2 Turbin Reaksi... 13

2.3.2.1 Turbin Francis... 13

2.3.2.2 Turbin Kaplan... 14

2.3.2.2.1 Prinsip Kerja Turbin Kaplan... 15

2.3.2.2.2 Komponen Utama Turbin Kaplan... 16

2.3.2.2.3 Dimensi Dasar Turbin Kaplan... 19

2.3.2.2.4 Dimensi Dasar Runner Blade... 21

2.4Karakteristik Turbin... 23

2.5Seleksi Awal Jenis Turbin... 24

2.6Generator Listrik... 27

2.7Sabuk Dan Puli... 27

2.7.1 Jenis Gerakan Pada Sabuk... 28

2.7.2 Perbandingan Kecepatan Puli... 30

2.7.3 Efisiensi Puli... 31

2.8Daya Listrik... 31

BAB III METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN 3.1 Umum... 32

3.2 Waktu dan Tempat Penelitian... 34

3.3 Peralatan Pengujian... 34

(8)

3.3.2 Pompa... 34

3.3.3 Hand Tachometer... 35

3.3.4 Clamp Meter... 36

3.3.5 Multimeter... 38

3.3.6 Instalasi Rangkaian Lampu... 38

3.4 Spesifikasi dan Perlengkapan Turbin Kaplan... 39

3.5 Rancang Bangun Instalasi... 42

3.6 Pelaksanaan Pengujian... 42

3.7 Flowchart Uji Ekperimental... 45

BAB IV ANALISA DATA DAN HASIL PENGUJIAN 4.1 Perhitungan Dimensi Dasar Turbin Kaplan... 46

4.1.1 Kapasitas Aktual dan Head Efektif Instalasi... 46

4.1.2 Dimensi Dasar Turbin Kaplan………... 47

4.2 Data Hasil Pengujian Turbin Kaplan Dengan 5 Runner Blade Dan Sudut Guide Vane Sebesar 30o…... 52

4.2.1 Arus, tegangan, dan putaran... 52

(9)

4.2.3 Pengujian torsi putaran berbeban... 56

4.2.4 Efisiensi daya turbin dan efisiensi daya alternator... 57

4.2.5 Efisiensi Puli... 59

4.3 Data Hasil pengujian Turbin Kaplan Dengan 5 Runner Blade Dan Sudut Guide Vane Sebesar 45o …... 59

4.3.1 Arus, tegangan, dan putaran... 59

4.3.2 Analisa daya dan putaran altenator... 60

4.3.3 Pengujian torsi putaran berbeban... 63

4.3.4 Efisiensi daya turbin dan efisiensi daya altenator... 64

4.3.5 Efisiensi puli... 66

4.4 Data Hasil Pengujian Turbin Kaplan Dengan 6 Runner Blade Dan Sudut Guide Vane Sebesar 60o... 67

4.4.1 Arus, tegangan, dan putaran... 67

4.4.2 Analisa daya dan putaran altenator... 68

4.4.3 Pengujian torsi putaran berbeban... 71

4.4.4 Efisiensi daya turbin dan efisiensi daya altenator... 72

4.4.5. Efisiensi puli... 74

(10)

5.1 Kesimpulan... 75

5.2 Saran... 76

(11)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Turbin pelton... 11

Gambar 2.2 Turbin Turgo... 12

Gambar 2.3 Turbin Osberger... 13

Gambar 2.4 Turbin Francis... 14

Gambar 2.5 Turbin kaplan... 15

Gambar 2.6 Rumah Turbin... 16

Gambar 2.7 Guide Vane ... 17

Gambar 2.8 Runner Blade ... 18

Gambar 2.9 Draft Tube ... 19

Gambar 2.10 Elemen dasar turbin Kaplan... 20

Gambar 2.11 Segitiga kecepatan... 21

Gambar 2.12 Grafik perbandingan karakteristik turbin... 23

Gambar 2.13 Generator Listrik... 27

Gambar 2.14 Sabuk terbuka... 28

Gambar 2.15 Gerakan membelit atau melingkar pada sabuk... 29

Gambar 2.16 Gerakan dengan puli pengarah... 30

(12)

Gambar 3.2 Pompa ... 35

Gambar 3.3 Hand Tachometer... 36

Gambar 3.4 Clamp Meter... 36

Gambar 3.5 Multimeter... 38

Gambar 3.6 Rangkaian Lampu... 39

Gambar 3.7 Runner Blade... 39

Gambar 3.8 Poros... 40

Gambar 3.9 Sabuk... 41

Gambar 3.10 Puli... 41

Gambar 3.11 Turbin kaplan setelah siap instalasi... 42

Gambar 4.1 Instalasi pipa... 47

Gambar 4.2 Segitiga Kecepatan... 51

Gambar 4.3 Grafik perubahan daya Alternator terhadap penambahan beban lampu pada sudut guide vane 300... 55

Gambar 4.4 Grafik perubahan putaran altenator terhadap penambahan beban lampu pada sudut guide vane 300... 55

Gambar 4.5 Grafik torsi vs putaran... 57

Gambar 4.6 Grafik perubahan daya Alternator terhadap penambahan beban lampu pada sudut guide vane 450... 62

(13)

Gambar 4.7 Grafik perubahan putaran altenator terhadap penambahan beban lampu pada sudut guide vane 450... 63

Gambar 4.8 Grafik torsi vs putaran... 64

Gambar 4.9 Grafik perubahan daya Alternator terhadap penambahan beban lampu pada sudut guide vane 600... 69

Gambar 4.10 Grafik perubahan putaran altenator terhadap penambahan beban lampu pada sudut guide vane 600... 70

Gambar 4.11 Grafik torsi vs putaran... 72

(14)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Jenis-jenis turbin air dan kisaran kecepatan spesifiknya ... 25 Tabel 3.1 Jangkauan dan akurasi clamp meter... 37 Tabel 4.1 Hasil pengukuran kapasitas aktual instalasi ... 46 Tabel 4.2 Hasil percobaan dan daya yang dihasilkan alternator pada sudut guide vane 300... 54 Tabel 4.3 Hasil pengujian torsi dan putaran berbeban... 56 Tabel 4.4 Hasil percobaan dan daya yang dihasilkan alternator pada sudut guide vane 450... 61 Tabel 4.5 Hasil pengujian torsi dan putaran berbeban... 64 Tabel 4.6 Hasil percobaan dan daya yang dihasilkan alternator pada sudut guide vane 600... 69 Tabel 4.7 Hasil pengujian torsi dan putaran berbeban... 71

(15)

DAFTAR SIMBOL

SIMBOL ARTI SATUAN

Q Kapasitas Aliran/Debit Air m3/s

A Luas Penampang m2

D Diameter m

m Massa kg

E Energi Kinetik joule

P Daya watt

Ns Kecepatan Spesifik rpm

v Kecepatan m/s

K Koefisien Kerugian Pipa -

g Percepatan Gravitasi m/s2

Hd Head discharge m

Hs Head suction m

Heff Head Effektif m

hf Head Loses Mayor m

hm Head Loses Minor m

(16)

λ Jarak Vertikal Runner m

d Diameter Hub m

mpt Massa Turbin kg

malt Massa Altenator kg

Dpt Diameter Poros Turbin m

Dalt Diameter Poros Altenator m

T Waktu s

n Putaran rpm

I Kuat Arus ampere

L Panjang Pipa m

n Putaran rpm

Pair Daya Air watt

PA Daya Altenator Hasil Pengujian watt

V Tegangan Listrik volt

(17)

ABSTRACK

(18)

ABSTRAK

(19)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1Latar Belakang

Dengan perkembangan zaman yang terus meningkat, maka kebutuhan akan energi juga akan semakin meningkat, sehingga energi merupakan suatu kebutuhan yang sangat penting bagi suatu negara atau daerah. Oleh karenanya pemakaian energi secara tepat guna tidak lepas dalam perkembangan zaman.

Mengingat sumber energi yang digunakan untuk pembangkit energi listrik sebagian besar berasal dari bahan bakar fosil seperti minyak, gas ,dan batu bara, maka ketergantungan terhadap bahan bakar fosil mengakibatkan menipisnya cadangan sumber energi tersebut, kenaikan atau ketidak stabilan harga akibat laju permintaan yang lebih besar, polusi gas buang, serta efek rumah kaca (terutama CO2) disebabkan pembakaran bahan bakar fosil. Oleh karena itu, pemanfaatan energi pada masa sekarang ini sudah diarahkan pada sumber energi yang terbarukan yang ada di alam seperti energi air, energi angin, energi matahari, panas bumi dan nuklir. Hal ini karena energi terbarukan ini mudah di temukan dan dapat di daur ulang kembali dibanding dengan energi fosil seperti minyak bumi dan batu bara.

Pada umumnya energi yang paling banyak digunakan di setiap negara khususnya negara Indonesia adalah energi air, hampir setiap saat energi ini digunakan dalam kehidupan sehari-hari.Indonesia dengan wilayah yang beriklim tropis dan curah hujan yang tinggi sangat mendukung pemamfaatan energi air sebagai sumber untuk menghasilkan energi listrik.

(20)

Sehingga pemamfaatan energi air perlu dijaga dan diterapkan secara menyeluruh untuk menunjang perkembangan suatu negara atau daerah.

Sehubungan dengan peningkatan kebutuhan energi listrik serta keterbatasan pemerintah (PLN) dalam penyediaan energi listrik, sesungguhnya Indonesia dan khususnya di Sumatera Utara memiliki potensi sumber energi terbarukan dalam jumlah yang banyak. Sumber energi ini berupa terjunan air di wilayah pemukiman daerah pegunungan dimana salah satunya adalah potensi dari Sungai Asahan. Pemanfaatan sungai asahan untuk menghasilkan listrik dapat memenuhi pengguna energi listrik secara meluas di sumatera utara.

Seperti diketahui bahwa turbin air adalah suatu mesin yang menghasilkan energi mekanik berupa putaran poros dengan memanfaatkan energi potensial air. Energi ini selanjutnya diubah menjadi bentuk energi lain seperti energi listrik. Pada perancangan turbin, jenis dan dimensi sangat tergantung dari kondisi head dan kapasitas yang tersedia. Sehingga agar diperoleh efisiensi optimum, maka Turbin air yang beroperasi pada suatu lokasi tertentu akan mempunyai design yang spesifik (tipe maupun dimensi) dan berbeda dengan lokasi lain. Melihat kondisi diatas maka akan sangat bermanfaat bila dilakukan suatu penelitian yang dapat memberikan informasi rancang bangun beberapa tipe instalasi pembangkit listrik tenaga mikro hidro serta membuat suatu model instalasi pembangkit listrik yang dapat digunakan sebagai pusat pelatihan operasional dan perawatan bagi operator lapangan. Pemanfaatan pembangkit listrik dengan mikrohidro sangat efisien karena tidak menggunakan lahan yang luas dan tidak mengakibatkan kerusakan pada lingkungan.

(21)

1.2Tujuan Penelitian

Adapun yang menjadi tujuan penelitian ini adalah:

1. Untuk lebih mengetahui dan memahami aplikasi ilmu yang diperoleh di bangku kuliah terutama mata kuliah Energi Air .

2. Untuk mengetahui daya listrik dan efisiensi yang dihasilkan dari turbin kaplan dengan skala mikro hidro dengan sudu pengarah air 300, 450 , 600 dan 5 (lima) runner blade yang memanfaatkan aliran air dengan debit 0,528 m3/ menit.

1.3 Manfaat Penelitian

Adapun yang menjadi manfaat penelitian turbin kaplan dengan instalasi mikro hidro adalah sebagai berikut:

1. Menciptakan teknologi yang memanfaatkan energi terbarukan untuk menghasilkan energi listrik.

2. Bahan referensi pengembangan penelitian di bidang konversi energi khususnya dalam bidang turbin air.

3. Menambah wacana dan literatur bagi mahasiswa mengenai turbin air skala mikro hidro yang digunakan menggerakkan alternator untuk menghidupkan bola lampu.

1.4Batasan Masalah

Dalam penulisan skripsi dibatasi perencanaan data yang di ambil. Untuk pengambilan data tersebut berasal dari data hasil pengujian dan pengamatan.

(22)

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

1. Jenis turbin air yang dirancang adalah jenis propeller atau Kaplan dengan skala mikro hidro.

2. Jumlah runner blade = 5 dan variasi sudut guide vane(α) = 300, 450 , 600 3. Aliran fluida dalam steady flow.

4. Perancangan tidak termasuk pemilihan material.

5. Transmisi menggunakan sabuk dan puli dengan gerakan sabuk terbuka. 6. Pengujian interkoneksi jaringan listrik.

1.5 Metodologi Penelitian

1) Studi Literatur

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

2) Diskusi Interaktif

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

3) Rancang Bangun Instalasi Dan Alat Penelitian

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

(23)

1.6 Keluaran Skripsi

Keluaran skripsi ini diharapkan akan menghasilkan:

1) Alat pengujian Turbin Kaplan yang dapat dioperasikan dengan pengunaan kinerja satu unit pompa, penggunaan tiga buah variasi sudut guide vane (30o, 45o,dan 60o), dan pengunaan pada 5 runner blade.

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

1.7Sistematika Penulisan

Agar penyusunan skripsi ini dapat tersusun secara sistematis dan mempermudah pembaca memahai tulisan ini, maka skripsi disusun dalam lima bab:

BAB I PENDAHULUAN

Berisikan latarbelakang, tujuan penulisan, manfaat penulisan, metodologi penulisan, batasan masalah serta sistematika penulisan.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Berisikan landasan teori yang berisikan pembahasan teori serta klasifikasi turbin.

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

Berisikan metode yang akan digunakan untuk menyelesaikan penulisan skripsi dan perlengkapan yang digunakan untuk pengujian.

(24)

BAB IV ANALISA DATA DAN HASIL PENGUJIAN

Berisikan tentang data yang diperoleh dari hasil pengujian langsung, daya listrik dan efisiensi turbin propeler atau turbin kaplan.

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

Berisikan tentang kesimpulan dari hasil pengujian dan saran untuk memperbaiki kekurangan desain sebelumnya dan mencegah kesalahan desain optimasi.

(25)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Potensi Tenaga Air

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

Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada besarnya head dan debit air. Dalam hubungan dengan reservoir air maka head adalah beda ketinggian antara permukaan air pada reservoir dengan air keluar dari turbin air. Total energi yang tersedia dari suatu reservoir air adalah

merupakan energi potensial air yaitu :

� = ��ℎ ... (2.1) Dimana :

m = massa air h = head (m)

g = percepatan gravitasi (m/ s2 )

Daya merupakan energi tiap satuan waktu��

��sehingga persamaan (2.1) dapat dinyatakan sebagai :

� � =

�

� �ℎ ...(2.2) Dengan mensubsitusikan P terhadap ��

��dan mensubstitusikan ρQ terhadap �

� �� maka :

P = ρ.Q.g.H ... ... .(2.3) Dimana:

P = daya [watt]

Q = kapasitas aliran [m3/s] ρ = densitas air [kg/m3]

(26)

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

� = 1

2��

2_{... (2.4)} Dimana :

v = kecepatan aliran air [m/s]

Daya air yang tersedia dinyatakan sebagai berikut: � = 1

2ρQ�

2_{... (2.5)} atau dengan menggunakan persamaan kontinuitas

Q

=

Av

maka

� = 1

2ρA�

3_{... (2.6)} Dimana :

A = luas penampang aliran air (m2)

2.2 Sejarah Turbin Air

Kata "turbine" ditemukan oleh seorang insinyur Perancis yang bernama “Claude Bourdin” pada awal abad 19, yang diambil dari terjemahan bahasa Latin dari kata "whirling" (putaran) atau "vortex" (pusaran air). Perbedaan dasar antara turbin air dengan kincir air adalah komponen putaran air yang memberikan energi pada poros yang berputar. Komponen tambahan ini memungkinkan turbin dapat memberikan daya yang lebih besar dengan komponen yang lebih kecil. Turbin dapat memanfaatkan air dengan putaran lebih cepat dan dapat memanfaatkan head yang lebih tinggi. Untuk selanjutnya dikembangkan turbin impuls yang tidak membutuhkan putaran air.

Sejarah di temukanya turbin yaitu bermula dari di temukanya kincir air yang sudah sejak lama digunakan untuk tenaga industri. Pada mulanya yang dipertimbangkan adalah ukuran kincirnya, yang membatasi debit dan head yang dapat dimanfaatkan. Perkembangan kincir air menjadi turbin modern membutuhkan jangka waktu yang cukup lama. Perkembangan yang dilakukan dalam waktu revolusi industri menggunakan metode dan prinsip ilmiah. Mereka juga mengembangkan teknologi material dan metode produksi baru pada saat itu.

“Ján Andrej Segner” mengembangkan turbin air reaksi pada pertengahan tahun 1700. turbin ini mempunyai sumbu horizontal dan merupakan awal mula

(27)

dari turbin air modern. Turbin ini merupakan mesin yang simpel yang masih diproduksi saat ini untuk pembangkit tenaga listrik skala kecil. “Segner” bekerja dengan “Euler” dalam membuat teori matematis awal untuk desain turbin. Pada tahun 1820, “Jean-Victor Poncelet” mengembangkan turbin aliran kedalam.

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

Turbin air aliran kedalam mempunyai susunan mekanis yang lebih baik dan semua turbin reaksi modern menggunakan desain ini. Putaran massa air berputar hingga putaran yang semakin cepat, air berusaha menambah kecepatan untuk membangkitkan energi. Energi tadi dibangkitkan pada sudu dengan memanfaatkan berat jatuh air dan pusarannya. Tekanan air berkurang sampai nol sampai air keluar melalui sirip turbin dan memberikan energi.

Sekitar tahun 1890, bantalan fluida modern ditemukan, sekarang umumnya digunakan untuk mendukung pusaran turbin air yang berat. Hingga tahun 2002, bantalan fluida terlihat mempunyai arti selama lebih dari 1300 tahun. Sekitar tahun 1913, Victor Kaplan membuat turbin Kaplan, sebuah tipe mesin baling-baling. Ini merupakan evolusi dari turbin Francis tetapi dikembangkan dengan kemampuan sumber air yang mempunyai head kecil.

2.3 Klasifikasi Turbin Air

Turbin air dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara, namun yang paling utama adalah klasifikasi turbin air berdasarkan cara turbin air tersebut

(28)

merubah energi menjadi energi puntir. Berdasarkan klasifikasi ini, maka turbin air dibagi menjadi dua yaitu:

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

Turbin Impuls adalah turbin yang bekerja karena aliran air. Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nosel. Air keluar nosel yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse). Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan.

2.3.1.1 Turbin Pelton.

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

(29)

Gambar 2.1 Turbin pelton

(Sumber: http//turbin-pelton.blogspot.com)

2.3.1.2 Turbin Turgo

Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 s/d 300 m. Seperti turbin Pelton, turbin Turgo merupakan turbin impuls, tetapi sudunya berbeda. Pancaran air dari nozzle membentur sudu pada sudut 20o. Kecepatan putar turbin Turgo lebih besar dari turbin Pelton. Akibatnya dimungkinkan transmisi langsung dari turbin ke generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus menurunkan biaya perawatan

(30)

Gambar 2.2 Turbin turgo

(Sumber:https://wiki.thayer.dartmouth.edu/Turgo)

2.3.1.3 Turbin Ossberger Atau Turbin Crossflow

Turbin Cross-Flow adalah salah satu turbin air dari jenis turbin aksi (impuls turbine). Prinsip kerja turbin ini mula-mula ditemukan oleh seorang insinyur Australia yang bernama “A.G.M. Michell” pada tahun 1903. Kemudian turbin ini dikembangkan dan dipatenkan di Jerman Barat oleh “Prof. Donat Banki” sehingga turbin ini diberi nama Turbin Banki kadang disebut juga Turbin Michell-Ossberger (Haimerl, L.A., 1960).

Pemakaian jenis Turbin Cross-Flow lebih menguntungkan dibanding dengan pengunaan kincir air maupun jenis turbin mikro hidro lainnya. Penggunaan turbin ini untuk daya yang sama dapat menghemat biaya pembuatan penggerak mula sampai 50 % dari penggunaan kincir air dengan bahan yang sama. Penghematan ini dapat dicapai karena ukuran Turbin Cross-Flow lebih kecil dan lebih kompak dibanding kincir air.

Diameter kincir air yakni runnernya biasanya 2 meter ke atas, tetapi diameter Turbin Cross-Flow dapat dibuat hanya 20 cm saja sehingga bahan-bahan yang dibutuhkan jauh lebih sedikit, itulah sebabnya bisa lebih murah. Demikian juga daya guna atau effisiensi rata-rata turbin ini lebih tinggi dari pada daya guna kincir air. Hasil pengujian laboratorium yang dilakukan oleh pabrik turbin Ossberger Jerman Barat yang menyimpulkan bahwa daya guna kincir air dari jenis yang paling unggul sekalipun hanya mencapai 70 % sedangkan effisiensi turbin Cross-Flow mencapai 82 % (Haimerl, L.A., 1960).

(31)

Gambar 2.3 Turbin ossberger (Sumber:https://rimoo.wordpress.com)

2.3.2 Turbin Reaksi

Turbin reaksi adalah turbin yang memanfaatkan energi potensial untuk menghasikan energi gerak. Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Perbedaan tekanan ini memberikan gaya pada sudu sehingga runner (bagian turbin yang berputar) dapat berputar. Turbin yang bekerja berdasarkan prinsip ini dikelompokkan sebagai turbin reaksi. Runner turbin reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah turbin.

Jenis-jenis turbin reaksi yakni:

2.3.2.1. Turbin Francis

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

(32)

air bertekanan rendah di bagian keluar. Sudu pengarah pada turbin Francis merupakan suatu sudu pengarah yang tetap ataupun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya.

Gambar 2.4Turbin prancis ( Sumber:https semayangboy.com)

2.3.2.2. Turbin Kaplan

Turbin Kaplan termasuk kelompok turbin air reaksi jenis baling-baling (propeller). Keistimewaannya adalah sudut sudu geraknya (runner) bisa diatur (adjustable blade) untuk menyesuaikan dengan kondisi aliran saat itu yaitu perubahan debit air. Turbin ini beroperasi pada head (tinggi jatuh) 10 – 70 meter, dapat menghasilkan daya 5 – 120 MW dengan Ns (spesific speed) 79 – 429 rpm. Pada pemilihan turbin didasarkan pada kecepatan spesifiknya. Turbin Kaplan ini memiliki kecepatan spesifik tinggi (high spesific speed). Turbin kaplan bekerja pada kondisi head rendah dengan debit besar.

(33)

Gambar 2.5 Turbin kaplan

(Sumber: http//turbin-kaplan.blogspot.com)

2.3.2.2.1. Prinsip Kerja Turbin Kaplan

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

(34)

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.

2.3.2.2.2 Komponen Utama Turbin Kaplan

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

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

(35)

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

2. Mekanisme pengarah (guide vane)

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

 Supaya air masuk ke runner tanpa kejut.

 Supaya air mengalir tanpa membentuk arus Eddy.

 Supaya sejumlah air bisa memasuki turbin.

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

Gambar 2.7 Guide vane

Turbin Kaplan adalah salah satu jenis dari turbin reaksi aliran ke dalam (inward), yakni turbin reaksi dimana air memasuki roda pada bagian lingkaran luar dan mengalir menuju kedalam melalui sudu (yaitu menuju pusat roda). Turbin reaksi ini terdiri dari sudu pengarah tetap, yang mengarahkan air ke roda

(36)

bergerak dengan sudut yang benar. Air ketika mengalir pada sudu/vane, menghasilkan gaya ke roda. Gaya ini menyebabkan roda berputar.

3. Runner blade

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

Gambar 2.8 Runner blade

4. Draft tube

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

(37)

 Meningkatkan head air sebesar tinggi runner dari permukaan air.

 Meningkatkan efisiensi turbin.

Gambar 2.9 Draft tube

2.3.2.2.3 Dimensi Dasar Turbin Kaplan

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

(38)

Gambar 2.10 Elemen dasar turbin Kaplan

(Sumber : http://jerryjerrseyy.blogspot.com/2013/12/jenis-turbin-hidrolik.html) Persamaan dasar untuk mencari diameter luar runner (D) :

� = (66,76 + 0,136 ��)√�eff

� ... ... (2.7) Dengan

ns = putaran spesifik [rpm] n = putaran turbin [rpm]

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

�� ... ... (2.8) Sedangkan persamaan dasar untuk mencari jarak vertikal runner terhadap sisi dalam guide vane (λ):

λ =0,25.D ... ... (2.9) Dan persamaan untuk mencari diameter hub (d) :

�

(39)

2.3.2.2.4 Dimensi Dasar Runner Blade

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

Gambar 2.11 Segitiga kecepatan

Dimana,

Vf = Kecepatan aliran air

Ub = Kecepatan tepi (rim) diameter boss U = Kecepatan tepi (rim) diameter luar

Uwb = Kecepatan pusaran air (whirl) diameter boss Uw = Kecepatan pusaran air (whirl) diameter luar �� = Sudut sudu (blade) pada area fluida masuk (inlet) �� = Sudut sudu (blade) pada area fluida keluar (outlet)

v v vf 58,62˚ u

u vf vf

v vf

33,89˚ 146,11 Arah Putaran

(40)

Persamaan untuk mencari kecepatan aliran air (Vf) adalah:

V_f = �2gH ...(2.11)

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

�_� = �.��.�

60 ...(2.12) �= �.�.�

60 ...(2.13)

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

�� = ��.�.�

100 . ��...(2.14) �� = ��.�.�

100 . �...(2.15)

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

tan (��) = ��

��...(2.16)

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

tan (�_�) = _��

(41)

2.4 KARAKTERISTIK TURBIN

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

Gambar 2.12 Grafik perbandingan karakteristik turbin

(Sumber : https://rahmanta13.wordpress.com/2011/05/20/turbin-air/) Dapat dilihat pada gambar 2.12 turbin Kaplan adalah turbin yang beroperasi pada head yang rendah dengan kapasitas aliran yang tinggi. Hal ini karena sudu-sudu turbin dapat diatur secara manual atau otomatis untuk merespon perubahan kapasitas.

(42)

2.5 SELEKSI AWAL JENIS TURBIN

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

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

Untuk turbin Francis, Moody memperoleh korelasi sebagai berikut:

�� = 6803

�+9,75+ 84 ...(2.18) Sedangkan untuk turbin propeller atau Kaplan, Moody memperoleh korelasi sebagai berikut:

�� = 9431

�+9,75+ 155...(2.19) Dengan H adalah tinggi terjun netto (m) dan Ns adalah kecepatan spesifik metrik.

(43)

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

Jenis Turbin Ns (metrik)

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

Ns rendah 50-125

Ns normal 125-200

Ns tinggi 200-350

Ns exspress 350-500

b. Propeller

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

Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Air selalu diusahakan agar generator dikopel langsung dengan turbin. Atau dengan kata lain putaran turbin terbatas pemilihannya agar dapat dikopel dengan generator. Putaran turbin berhubungan dengan spesifik sebagaimana persamaan 2.17 di atas, atau menurut referensi yang lain :

�

=

�√� �54

...(2.20)

dimana :

Ns = putaran spesifik [rpm]

N = putaran turbin [rpm] P = daya air [kW]

(44)

H = tinggi terjun efektif [m]

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

Ns= 8 - 50 jenis turbin Pelton

Ns= 50 - 149 jenis turbin Perancis

Ns= 150 - 1000 jenis turbin Kaplan atau Propeler

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

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

(45)

2. 6 GENERATOR LISTRIK

Generator listrik adalah sebuah alat yang memproduksi energi listrik dari sumber energi mekanik berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik 5 runner blade dan analisa perbandingan sudut guide vane (300, 450 dan 600) , yakni:

Gambar 2.13 Generator

2.7 SABUK DATAR DAN PULI

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

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

(46)

2.7.1 Jenis Gerakan Pada Sabuk

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

1. Gerakan sabuk terbuka

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

Gambar 2.14 Sabuk terbuka 2. Gerakan membelit atau melingkar pada sabuk

Gerakan membelit atau melingkar ditunjukkan di dalam gambar 2.20, digunakan poros pengatur berputar dan paralel di dalam arah kebalikannya. Tegangan yang kecil akan menunjukkan bahwa pada suatu titik silang sabuk, hal ini akan menggosok melawan terhadap satu sama lain dan di sana akan terjadi kerusakan disebabkan gesekan berlebih dalam rangka menghindari ini, poros

(47)

harus ditempatkan pada suatu jarak yang maksimum 20 b, dimana b menjadikan sabuk melebar dan kecepatan sabuk harus kurang dari 15m/sec.

Gambar 2.15 Gerakan membelit atau melingkar pada sabuk 3. Gerakan dengan puli pengarah

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

(48)

Gambar 2.16 Gerakan dengan puli pengarah

2.7.2 Perbandingan KecepatanPuli

Karena kecepatan linier pada kedua puli sama, maka:

��1�1 = ��2�2...(2.21) Dan perbandingan putaran kedua puli menjadi:

�2

�1

=

�1

�2

...(2.22) Dimana,

N1 = Putaran penggerak [rpm] N2 = Putaran yang digerakkan [rpm] D1 =Diameter puli penggerak [m]

(49)

2.7.3 Efisiensi Puli

Untuk mencari efisiensi puli menggunakan rumus sebagai berikut: �p= �2�2

�1�1 � 100%

...(2.23)

Dimana :

ηp = Efisiensi puli

2.8 DAYA LISTRIK

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

��= ��

��………...(2.24) � = �_�

� = �.�.�

�

P = V.I...(2.25) Dimana:

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

(50)

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3. 1 Umum

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

Uji eksperimental turbin Kaplan dengan 5 runner blade dan analisa perbandingan variasi sudut guide vanedilakukan di lantai 4 rooftop , Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Dalam uji eksperimental turbin Kaplan digunakan kinerja pompa sebagai pengkondisian kapasitas aliran air di alam ditambah beberapa instalasi, yakni sebagai berikut:

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

 Instalasi saluran perpipaan

 Instalasi dudukan rumah turbin Kaplan

(51)

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

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

 Pembuatan poros dari bahan pipa besi.

 Pembuatan dudukan turbin dari bahan besi siku

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

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

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

(52)

3.2 Waktu Dan Tempat Penelitian

Uji eksperimental turbin kaplan dilakukan dengan menggunakan instalasi turbin kaplan yang dilakukan di rooftop lantai empat, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

3.3 Peralatan Pengujian

Adapun alat yang digunakan selama pengujian yakni : 3.3.1. Generator Listrik

Gambar 3.1 Generator

3.3.2 Pompa

Pompa ini digunakan untuk memompakan air dari resevoir ke rumah turbin sebagai simulasi aliran air di alam. Dalam uji eksperimental turbin Kaplan

(53)

dengan 3 runner blade dan analisa perbandingan sudut guide vane (300, 450 dan 600) ini, spesifikasi pompa yang digunakan adalah:

Pabrikan/Merk : Kyomizu Voltase : 220 V/240 V Kapasitas maximum : 88 L/menit Head tekan maximum : 22 m Head isap maximum : 8 m

Gambar 3.2 Pompa 3.3.3 Hand Tachometer

Alat ini digunakan untuk mengukur putaran (rpm) poros Turbin kaplan yang digunakan dalam uji eksperimental turbin kaplan dengan 5 runner blade dan analisa perbandingan sudut guide vane (300, 450 dan 600)ini, hand tachometer yang digunakan adalah Krisbow KW06-303 dengan spesifikasi:

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

(54)

Gambar 3.3 Hand Tachometer 3.3.4 Clamp Meter

Clamp meter digunakan untuk mengukur besarnya arus listrik (ampere) yang dihasilkan melalui rangkaian listrik (beban) dengan cara dihubungkan seri pada rangkaian listrik.

Gambar 3.4 Clamp Meter

Dalam pengujian ini clamp meter yang digunakan adalahKrisbow KW06-286 dengan spesifikasi:

(55)

Tabel 3.1 Jangkauan dan akurasi clamp meter

Fungsi Jangkauan Akurasi

Arus AC

2000 AAC ± (2.5 % + 10 digits) 20.00 AAC

± (2.5 % + 4 digits) 200.0 AAC

400 AAC ± (3.0 % + 4 digits)

Tegangan DC

200.0 mVDC ± (0.5 % + 5 digits) 2.000 VDC

± (1.2 % + 3 digits) 20.00 VDC

200.0 VDC

600 VDC ± (1.5 % + 3 digits)

Tegangan AC

200.0 mVAC ± (1.5 % + 30 digits) 2.000 VDC

± (1.5 % + 3 digits) 20.00 VDC

200.0 VDC

600 VDC ± (2.0 % + 4 digits)

Resistansi

200 Ω ± (1.0 % + 4 digits) 2 kΩ

± (1.5 % + 2 digits) 20 kΩ

200 kΩ

2 MΩ ± (2.0 % + 3 digits)

(56)

3.3.5 Multimeter

Multimeter digunakan untuk mengukur besarnya tegangan listrik (volt) yang dibangkitkan oleh alternator dengan cara dihubungkan parallel pada rangkaian listris. Dalam uji eksperimental turbin kaplan dengan 5 runner blade dan analisa perbandingan sudut guide vane (300, 450 dan 600)ini, multimeter yang digunakan adalah tipe fluke 15B digital multimeter dengan spesifikasi:

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

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

Gambar 3.5 Multimeter

3.3.6 Instalasi Rangkaian Lampu

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

(57)

Gambar 3.6 Rangkaian lampu

3.4 Spesifikasi Dan Perlengkapan Turbin Kaplan

spesifikasi dan perlengkapan turbin kaplan yang akan di uji dapat dilihat sebagai berikut:

1 Runner blade

(58)

Bahan = besi Jumlah runner blade = 5 (lima) Diameter luar runner (D) = 16 cm

Diameter hub = 6,5 cm Massa = 0,1 kg

2 Poros

Gambar 3.8 Poros

Diameter : 19 mm Bahan : steel – 42 Massa : 0,1 kg

3 Sabuk (V-Belt)

Sabuk berfungsi untuk meneruskan putaran dari poros turbin ke poros alternator, dimana daya dari poros tersebut dimanfaatkan untuk pengisian aki. Berikut merupakan spesifikasi dari sabuk.

(59)

Bahan : karet Jumlah : 1 (satu) Type : A-62

Gambar 3.9 Sabuk

4 Puli (Pulley)

Gambar 3.10 Puli

Bahan : aluminium Jumlah : 1 (satu) Diameter puli : 0,23 m

(60)

3.5 Rancang Bangun Instalasi

Rancang bangun instalasi pemipaan pada uji eksperimental turbin Kaplan menggunakan single line installation yakni memompa atau mensirkulasikan air dari reservoir ke rumah turbin dengan pompa tunggal. Pipa yang digunakan berdiameter 2 inch dari bahan PVC. Instalasi pipa ini terdiri dari 4 buah elbow atau belokan untuk meminimalisir head losses instalasi. Adapun tujuan rancang bangun instalasi pipa adalah sebagai bentuk simulasi dari suatu aliran sungai dengan kapasitas memenuhi karakteristik pemilihan turbin Kaplan.

Gambar 3.11 Turbin kaplan setelah siap instalasi

3.6 Pelaksanaan Pengujian

Uji eksperimental turbin kaplan dilakukan dengan menggunakan instalasi turbin kaplan yang dilakukan di lantai empat, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Pengujian pada turbin kaplan dengan memanfaatkan aliran air dari reservoir ke rumah turbin. Aliran air yang jatuh terhadap runner blade diarahkan

(61)

oleh sudu pengarah (guide vane),dalam pengujian ini divariasikan tiga macam besar sudut guide vane yakni: 300,450 dan 600.

Pengukuran-pengukuran yang dilakukan terhadap pengujian ini meliputi: 1. Pengukuran tegangan listrik (volt) dengan menggunakan Multimeter. 2. Pengukuran arus listrik (ampere) dengan menggunakan Clamp Meter. 3. Pengukuran putaran (rpm) poros turbin kaplan dan poros generator dengan

menggunakan Hand Tachometer.

4. Pengukuran debit air dengan menggunakan stopwatch.

Adapun prosedur pengujian eksperimental turbin Kaplan dengan 5 runner blade dengan perbandingan sudut guide vane sebesar 300, 450 dan 600 ini adalah sebagai berikut:

1. Pengujian pertama dilakukan dengan menggunakan guide vane dengan sudut 300

2. Hidupkan motor listrik penggerak pompa.

3. Dilakukan monitoring terhadap aliran air diinstalasi.

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

5. Setelah aliran air pada pipa penghubung dan putaran turbin konstan, maka a. Pengukuran tengangan listrik (volt) dengan Multimeter

b. Pengukuran arus listrik (ampere) dengan Clamp Meter

c. Pengukuran putaran pada poros turbin Kaplan dan poros altenator dengan Hand Tachometer.

6. Pengukuran arus dan tegangan yang dihasilkan oleh turbin dengan multimeter.

7. Setelah pengukuran pada turbin Kaplan dengan sudut guide vane sebesar 300 selesai, maka dilakukan penggantian dengan sudut guide vane 450 dan 600. Kemudian dilakukan pengujian kembali seperti prosedur-prosedur di atas.

(62)

1. Tegangan listrik yang dihasilkan generator (V) 2. Arus listrik yang melalui rangkaian (A)

3. Putaran poros turbin Kaplan (rpm) 4. Putaran poros altenator (rpm)

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

2. Daya Turbin Kaplan 3. Daya Altenator

4. Effisiensi Turbin Kaplan 5. Efisiensi Altenator

(63)

Survei Data

Perhitungan Kecepatan Spesifik

3.7 Flowchart Uji Eksperimental

Studi Literatur

Penentuan Jenis Turbin Mulai

Pengujian turbin 5 runner blade dengan variasi sudut guide vaneyakni, 300,450

dan 600

Kesimpulan dan Saran

Selesai

Buku-buku Pedoman, Jurnal-jurnal Pendukung,

dan sebagainya.

Head, debit dan putaran turbin yang direncanakan

Rancang bangun instalasi turbin kaplan Dengan 5 runner blade

(64)

BAB IV

ANALISA DATA DAN HASIL PENGUJIAN

4. 1 PERHITUNGAN DIMENSI DASAR TURBIN KAPLAN

4.1.1 Kapasitas aktual dan head efektif intalasi

 Kapasitas aktual instalasi

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

Tabel 4.1 Hasil pengukuran kapasitas aktual instalasi

Pengukuran Waktu (detik) Kapasitas (liter)

I 1,8 1,5

II 1,5 1,5

III 1,8 1,5

� = 1,5

1,7 �� Q = 0,88 liter/detik = 0,00088 m3/detik

(65)

Gambar 4.1 Instalasi pipa

4.1.2 Dimensi dasar turbin Kaplan

Perancangan dimensi turbin Kaplan dimulai dari data – data yang sudah didapat dan dari data – data perencanaan, seperti head, putaran turbin, efisiensi hidrolik serta efisiensi turbin.

H = 1 m

Putaran rencana : N = 350 rpm Asumsi : �� = 70 %

�� = 80%

Elbow 90o

Sisi Keluar

(66)

a. Debit air dalam (�3/s) :

Debit yang masuk turbin secara teoritis dapat diandaikan sebagai debit yang melalui suatu curat dengan tinggi terjun (Head) yang bekerja pada turbin. Debit air didapat dari pompa air Kyiomizhu dengan nilai

� = 0,00088 �3/�

b. Daya Teoritis Air :

Daya teoritis air didapat dari perkalian antara berat jenis air dengan head turbin dan kapasitas air.

Pa = ρ . g. H. Q

Pa = 998,2 x 9,81 x 1 x 0,88

P_a = 8,617 Watt

c. Dimensi Dasar Turbin

Kecepatan aliran air masuk turbin yaitu

Uf =�2gH =�2 × 9,81 × 1

Uf = 4,429 m/s

Diameter luar runner �� = 16 ��, diameter dalam runner :

� =�

4(��

2_{− �} �2)��

=� 4�0,16

2_{− �}

�2�4,429

�� =�0, 162₋ 0,00088 0,785×4,429

(67)

= 0,06489 � ≈0,065 �

d. Daya teoritis turbin :

Daya teoritis turbin didapat dari daya teoritis air dikalikan dengan efisiensi turbin.

P_t = ηo ×Pair

1000

P_t = 0,7 × 8,617

1000

P_t = 0,00603 kW

e. Tinggi guide vane (B) :

B = �0,45− 31,8

Ns �D

B = �0,45− 31,8

182,06�0,16

B = 0,044 m = 4,4 cm

f. Kecepatan aliran air :

kecepatan aliran air adalah kecepatan air pada sisi masuk ke dalam rumah turbin.

Uf = 4,429 m/s

g. Kecepatan tepi (rim) diameter boss dan diameter dalam :

Kecepatan tepi adalah kecepatan keliling pada sisi masuk rumah turbin. �� = �.�₆₀�.�

�� = � . 0,065 . 350₆₀ �� = 1,1905 �/�

(68)

�= �.�.�

�= � . 0,16 . 350

�= 2,9306 �/�

h. Kecepatan pusaran air (whirl) diameter boss dan diameter dalam : Kecepatan pusaran air pada sisi masuk (inlet).

�� = ��.�.�

�� = 0,8 . 9,81 . 1_1,1905 �� = 6,5921 �/�

�� = ��.�.�

� �� = 0,8 . 9,81 .1

2,9306

�� = 2,6779 �/�

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

tan (�_�) = _��

�

tan(��) = 4,429

2,6779

tan(�_�) = 1,653

�_� = ��tan 1,653

�_� = 58,82°

j. Sudut sudu pada area fluida keluar :

tan (��) = ��

(69)

tan (��) = 4,429

6,5921

tan(�_�) = 0,6718

�� = ��tan 0,6718

�� = 33,89°

Gambar 4.2 Segitiga Kecepatan u

vf vb vfn 58,62˚ u

vft

u vft

vfn

vb vf

33,89˚

146,11˚ Arah Putaran Sudu

(70)

4.2 Data Hasil Pengujian Turbin Kaplan Dengan 5 Runner Blade pada Sudut Guide Vane 300

4.2.1 Arus, tegangan, dan putaran

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

Untuk tanpa pembebanan lampu, diperoleh :

a. Untuk tanpa pembebanan lampu, diperoleh :

1) Arus yang dihasilkan Alternator(I0) : 37 mA 2) Tegangan yang dihasilkan Alternator (V0) : 50 Volt 3) Putaran poros turbin Kaplan (N10) : 122 rpm 4) Putaran poros altenator (N20) : 701 rpm b. Untuk pembebanan dengan 1 lampu (3 Watt), diperoleh:

1) Arus yang dihasilkan Alternator (I3) : 35,3 mA 2) Tegangan yang dihasilkan Alternator (V3) : 49 Volt 3) Putaran poros turbin Kaplan (N13) : 111 rpm 4) Putaran poros altenator (N23) : 638 rpm c. Untuk pembebanan dengan 1 lampu (4 Watt), diperoleh:

1) Arus yang dihasilkan Alternator (I4) : 35,2 mA 2) Tegangan yang dihasilkan Alternator (V4) : 48 Volt 3) Putaran poros turbin Kaplan (N14) : 89 rpm 4) Putaran poros altenator (N24) : 511 rpm

(71)

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

1) Arus yang dihasilkan Alternator (I7) : 34,6 mA 2) Tegangan yang dihasilkan Alternator (V7) : 42 Volt 3) Putaran poros turbin Kaplan (N17) : 81 rpm 4) Putaran poros altenator (N27) : 465 rpm 4.2.2. Analisa daya dan putaran altenator tanpa beban dan dengan

pemberian beban

Dari data yang telah diperoleh dari hasil pengujian, dapat diketahui bahwa daya pada alternator berubah terhadap penambahan beban lampu yang digunakan. Sehingga dapat dihitung besar dengan menggunakan persamaan :

P = V.I (Watt) ...(4.1) Maka daya pengisian ke baterai adalah sebagai berikut:

a. Untuk tanpa pembebanan lampu, diperoleh: Pc0 = V0 . I0

Pc0 = 50 . 37 . 10-3 Pc0 = 1,850 Watt

b. Untuk pembebanan 1 lampu (3 Watt), diperoleh: Pc3 = V3 . I3

Pc3 = 49 . 35,3. 10-3 Pc3 = 1,7297 Watt

c. Untuk pembebanan 1 lampu (4 Watt), diperoleh: Pc4 = V4 . I4

Pc4= 48 . 35,2 . 10-3 Pc4 = 1,6896 Watt

(72)

d. Untuk pembebanan 2 lampu (7 Watt), diperoleh: Pc7 = V7 . I7

Pc7 = 42 . 34,6 . 10-3 Pc7 = 1,4532 Watt

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

Tabel 4.2 Hasil percobaan dan daya yang dihasilkan alternator pada sudut guide vane 300

Beban Lampu (Watt)

Arus (mA)

Tegangan (Volt)

Putaran Turbin

(rpm)

Putaran Altenator

(rpm)

Daya Alternator

(Watt)

0 37 50 122 701 1,850

3 35,3 49 111 638 1,7297

4 35,2 48 89 511 1,6896

7 34,6 42 81 465 1,4532

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

(73)

Gambar 4.3 Grafik perubahan daya Alternator terhadap penambahan beban lampu pada sudut guide vane 300

Gambar 4.4 Grafik perubahan putaran altenator terhadap penambahan beban lampu pada sudut guide vane 300

1,85 1,7297 _1,6896 1,4532 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

0 3 4 7

Beban Lampu (Watt)

D ay a A lt e rn a tor (W a tt ) 701 638 511 465 0 100 200 300 400 500 600 700 800

0 3 4 7

Beban Lampu (Watt)

Pu ta ra n A lt e rn a tor ( rp m)

(74)

Dari grafik diatas, dapat dianalisa perubahan putaran alternator terhadap beban lampu yang diberikan ,semakin besar penambahan beban maka semakin kecil putaran poros altenator. Dimana putaraan poros tanpa beban lampu adalah 701 rpm dan ketika diberi beban lampu paling besar putaran altenator menjadi 465 rpm.

4.2.3 Pengujian Torsi - Putaran Berbeban

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

Tabel 4.3 Hasil pengujian torsi dan putaran berbeban

Pengujian Torsi (Nm)

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

0 0,15 12,76933

3 0,14 11,618

4 0,12 9,315333

(75)

Gambar 4. 5 Grafik torsi vs putaran

4.2.4. Efisiensi daya turbin dan efisiensi daya altenator

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

�

) dan torsi (T).

Untuk menghitung daya turbin, digunakan persamaan :

�

=

�

.

�

...(4.2) Dimana :

� =�� (��)

�= �� ≈0,15 ��

�= �� (��)

Untuk menghitung kecepatan sudut adalah :

1,2 1,2 1,4 1,5 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

8,478 9,315333333 11,618 12,76933333

T o rs i ( Nm ) Putaran (rad/s)

(76)

ω = 2�₆₀� Dimana :

�= �� (��

� )

�= 122 ��

� = 2� �

� = 2� 122

� = 12,76933 ��/�

Daya Turbin Aktual : � =� .�

� = 0,15 . 12,76933

� = 1,9154 ��

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

�� 100% Dimana :

�� = 1,9154 �� _�� = 8,617 ��

� = 1,9154

(77)

� = 22,22 %

4.2.5 Efisiensi puli

Untuk mengetahui efisiensi puli dapat mengunakan rumus persamaan 2.29 sebagai berikut:

�� = �� . ��

�� . �_{��} � 100%

Maka efisiensi puli saat pengujian tanpa pembebanan adalah: �� = 0,035 . 701

0,23 . 122 � 100% �� = 87 %

Dimana :

�_�� =�� (0,035 �)

�� =�� (0,23 �)

4.3 Data Hasil Pengujian Turbin Kaplan Dengan 5 Runner Blade PadaSudut

Guide Vane450

4.3.1 Arus, tegangan, dan putaran

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

Untuk tanpa pembebanan lampu, diperoleh : a. Untuk tanpa pembebanan lampu, diperoleh :

1) Arus yang dihasilkan Alternator(I0) :44 mA 2) Tegangan yang dihasilkan Alternator (V0) : 103 Volt 3) Putaran poros turbin Kaplan (N10) : 186 rpm 4) Putaran poros altenator (N20) : 1069 rpm

(78)

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

1) Arus yang dihasilkan Alternator (I3) : 35,6 mA 2) Tegangan yang dihasilkan Alternator (V3) : 51 Volt 3) Putaran poros turbin Kaplan (N13) : 182 rpm 4) Putaran poros altenator (N23) : 1046 rpm c. Untuk pembebanan dengan 1 lampu (4 Watt), diperoleh:

1) Arus yang dihasilkan Alternator (I4) : 35,5 mA 2) Tegangan yang dihasilkan Alternator (V4) : 49 Volt 3) Putaran poros turbin Kaplan (N14) : 156 rpm 4) Putaran poros altenator (N24) : 897 rpm d. Untuk pembebanan dengan 2 lampu (7 Watt), diperoleh:

1) Arus yang dihasilkan Alternator (I7) : 33,9 mA 2) Tegangan yang dihasilkan Alternator (V7) : 44 Volt 3) Putaran poros turbin Kaplan (N17) : 149 rpm 4) Putaran poros altenator (N27) : 856 rpm 4.3.2. Analisa daya dan putaran altenator tanpa beban dan dengan

pemberian beban

P = V.I (Watt)

Maka daya pengisian ke baterai adalah sebagai berikut: a. Untuk tanpa pembebanan lampu, diperoleh:

(79)

Pc0 = 103 . 44.10-3 Pc0 = 4,532Watt

b. Untuk pembebanan 1 lampu (3 Watt), diperoleh: Pc3 = V3 . I3

Pc3 = 51.35,6. 10-3 Pc3 = 1,8156 Watt

c. Untuk pembebanan 1 lampu (4 Watt), diperoleh: Pc4 = V4 . I4

Pc4= 49 . 35,5. 10-3 Pc4 = 1,7395 Watt

d. Untuk pembebanan 2 lampu (7 Watt), diperoleh: Pc7 = V7 . I7

Pc7 = 44. 33,9. 10-3 Pc7 = 1,4916 Watt

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

Tabel 4.4 Hasil percobaan dan daya yang dihasilkan alternator pada sudut guide vane450

Beban Lampu (Watt) Arus (mA) Tegangan (Volt) Putaran Turbin (rpm) Putaran Altenator (rpm) Daya Alternator (Watt)

0 44 103 186 1069 4,532

3 35,6 51 182 1046 1,8156

4 35,5 49 156 897 1,7395

(80)

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

Gambar 4.6 Grafik perubahan daya Alternator terhadap penambahan beban lampu pada sudut guide vane 450

4,532 1,8156 _1,7395 1,4916 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

0 3 4 7

Beban Lampu (Watt)

D ay a A lt e rn at o r (W a tt )

(81)

Gambar 4.7 Grafik perubahan putaran altenator terhadap penambahan beban lampu pada sudut guide vane 450

Dengan melihat grafik diatas, dapat dianalisa semakin besar penambahan beban maka semakin kecil daya pada alternator dan hanya dapat diberi pembebanan 2 lampu (7 Watt). Selanjutnya hubungan antara perubahan putaran di poros altenator terhadap penambahan beban lampu dapat dilihat gambar 4.7. Dari gambar 4.7, dapat dianalisa semakin besar penambahan beban maka semakin kecil putaran poros altenator. Dimana putaran poros alternator tanpa beban lampu adalah 1069 rpm dan ketika diberi beban lampu paling besar (7 Watt) putaran altenator menjadi 856 rpm.

4.3.3 Pengujian Torsi - Putaran Berbeban

1069 ₁₀₄₆ 897 ₈₅₆ 0 200 400 600 800 1000 1200

0 3 4 7

Pu ta ra n A lt e rn a tor (rp m )

(82)

pada 2 neraca pegas. Waktu pengujian sampel sepanjang 20 detik, dibutuhkan lebih dari 15 x pengujian (sampel) untuk setiap perubahan variasi. Pengukuran putaran dilakukan dalam kondisi poros terbeban hampir berhenti.

Tabel 4.5 Hasil pengujian torsi dan putaran berbeban

Pengujian Torsi (Nm)

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

0 0,25 19.468

3 0,24 19.04933333

4 0,18 16.328

7 0,17 15.59533333

Gambar 4.8 Grafik torsi vs putaran

4.3.4. Efisiensi daya turbin dan efisiensi daya altenator

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

�

) dan torsi (T).

1,7 1,8 2,4 2,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

15,59533333 16,328 19,04933333 19,468

T o rs i ( Nm ) Putaran (rad/s)

(83)

Untuk menghitung daya turbin, digunakan persamaan :

�

=

�

.

�

� =�� (��)

�= �� ≈0,25 ��

�=�� (��)

Untuk menghitung kecepatan sudut adalah :

ω = 2�₆₀�

Dimana :

�= �� (��

� )

�= 186 ��

� = 2� �

� = 2� 186

� = 19,468 ��/�

Daya Turbin Aktual : � =� .�

� = 0,25 . 19,468

(84)

Untuk efisiensi turbin dapat dihitung dengan menggunakan rumus :

� = ��

�� 100% Dimana :

�� = 4,867 �� _�� = 8,617 ��

� = 4,867

8,617 � 100%

� = 56,48 %

4.3.5 Efisiensi puli

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

�� . �_{��} � 100%

Maka efisiensi puli saat pengujian tanpa pembebanan adalah: �� = 0,035 . 1069

0,23 . 186 � 100% �� = 87,45 %

Dimana :

�_�� =�� (0,035 �)

(85)

4.4 Data Hasil Pengujian Turbin Kaplan Dengan 5 Runner Blade pada Sudut Guide Vane 600

4.4.1 Arus, tegangan, dan putaran

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

Untuk tanpa pembebanan lampu, diperoleh : a. Untuk tanpa pembebanan lampu, diperoleh :

1) Arus yang dihasilkan Alternator(I0) :44,1 mA 2) Tegangan yang dihasilkan Alternator (V0) : 90 Volt 3) Putaran poros turbin Kaplan (N10) : 173 rpm 4) Putaran poros altenator (N20) : 994 rpm b. Untuk pembebanan dengan 1 lampu (3 Watt), diperoleh:

1) Arus yang dihasilkan Alternator (I3) : 35,5 mA 2) Tegangan yang dihasilkan Alternator (V3) : 50 Volt 3) Putaran poros turbin Kaplan (N13) : 156 rpm 4) Putaran poros altenator (N23) : 897 rpm c. Untuk pembebanan dengan 1 lampu (4 Watt), diperoleh:

1) Arus yang dihasilkan Alternator (I4) : 35,3 mA 2) Tegangan yang dihasilkan Alternator (V4) : 49 Volt 3) Putaran poros turbin Kaplan (N14) : 142 rpm 4) Putaran poros altenator (N24) : 816 rpm d. Untuk pembebanan dengan 2 lampu (7 Watt), diperoleh:

1) Arus yang dihasilkan Alternator (I7) : 34,3 mA 2) Tegangan yang dihasilkan Alternator (V7) : 44 Volt

(86)

3) Putaran poros turbin Kaplan (N17) : 139 rpm 4) Putaran poros altenator (N27) : 799 rpm 4.4.2. Analisa daya dan putaran altenator tanpa beban dan dengan

pemberian beban

P = V.I (Watt)

Maka daya pengisian ke baterai adalah sebagai berikut: a. Untuk tanpa pembebanan lampu, diperoleh:

Pc0 = V0 . I0

Pc0 = 90 . 44,1 . 10-3 Pc0 = 3,969 Watt

b. Untuk pembebanan 1 lampu (3 Watt), diperoleh: Pc3 = V3 . I3

Pc3 = 50 . 35,5 . 10-3 Pc3 = 1,775 Watt

c. Untuk pembebanan 1 lampu (4 Watt), diperoleh: Pc4 = V4 . I4

Pc4= 49 . 35,3. 10-3 Pc4 = 1,7297 Watt

d. Untuk pembebanan 2 lampu (7 Watt), diperoleh: Pc7 = V7 . I7

Pc7 = 44 . 34,3 . 10-3 Pc7 = 1,5092 Watt

(87)

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

Tabel 4.6 Hasil percobaan dan daya yang dihasilkan alternator pada sudut guide vane 600

Beban Lampu (Watt) Arus (mA) Tegangan (Volt) Putaran Turbin (rpm) Putaran Altenator (rpm) Daya Alternator (Watt)

0 44,1 127 173 994 3,969

3 35,5 50 156 897 1,775

4 35,3 49 142 816 1,7297

7 34,3 44 139 799 1,5092

Dari tabel 4.6 diatas dapat ditampilkan kedalam bentuk grafik untuk mengetahui lebih jelas fenomena pada perubahan daya pada alternator terhadap penambahan beban lampu yang digunakan.

Gambar 4.9 Grafik perubahan daya Alternator terhadap penambahan beban lampu pada sudut guide vane 600

3,969 1,775 _1,7297 1,5092 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5

0 3 4 7

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

(88)

Dengan melihat grafik diatas, dapat dianalisa perubahan daya terhadap penambahan beban lampu. Semakin besar penambahan beban maka semakin kecil daya pengisian (charge) dan hanya dapat diberi pembebanan 2 lampu (60 Watt) karena dengan 3 lampu (90 Watt) tidak ada daya pengisian sama sekali.

Selanjutnya hubungan antara perubahan putaran di poros altenator terhadap penambahan beban lampu dapat dilihat pada grafik berikut.

Gambar 4.10 Grafik perubahan putaran altenator terhadap penambahan beban lampu pada sudut guide vane 600

Dari grafik diatas, dapat dianalisa perubahan putaran alternator terhadap beban lampu yang diberikan ,semakin besar penambahan beban maka semakin kecil putaran poros altenator. Dimana putaraan poros tanpa beban lampu adalah 994 rpm dan ketika diberi beban lampu paling besar putaran altenator menjadi 799 rpm. 994 897 816 ₇₉₉ 0 200 400 600 800 1000 1200

0 3 4 7

Beban Lampu (Watt)

Pu ta ra n A lt e rn a tor ( rp m)

(1)

Untuk menghitung kecepatan sudut adalah : ω = 2�₆₀�

Dimana :

�= �� (��_� )

�= 173 �� = 2� �

� = 2� 173 60

� = 18,10733 ��/� Daya Turbin Aktual :

� =� .�

� = 0,23 . 18,10733

� = 4,165 ��

Untuk efisiensi turbin dapat dihitung dengan menggunakan rumus :

� = ��

�� 100%

Dimana :

�� = 4,165 ��

(2)

�_�� = 8,617 ��

� = 4,165

8,617 � 100% � = 48,33 %

4.4.5 Efisiensi puli

Untuk mengetahui efisiensi puli dapat mengunakan rumus sebagai berikut:

�� = _�_{��}�� . _.��_�_{��} � 100%

Maka efisiensi puli saat pengujian tanpa pembebanan adalah:

�� = 0,035 . 994_{0,23 . 173} � 100% �_�� = 87,43 %

Dimana :

�_�� =�� (0,035 �)

(3)

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Adapun kesimpulan yang didapat dari pengujian turbin kaplan dengan 5

runner blade pada variasi sudut guide vane ( 30o , 45o , dan 60o ) yaitu:

1. Berdasarkan hasil pengujian daya pengisian yang dihasilkan alternator oleh turbin kaplan dengan 5 runner blade tanpa beban lampu pada sudut 30o adalah sebesar 1,850 Watt, pada sudut 45o sebesar 4,532 Watt, dan pada sudut 60o 3,969 Watt.

2. Berdasarkan hasil pengujian arus maksimum tanpa pembebanan yang dihasilkan alternator terjadi ketika menggunakan guide vane dengan sudut 60o yaitu 44,1 mA.

3. Berdasarkan hasil pengujian tegangan maksimum tanpa pembebanan yang dihasilkan alternator terjadi ketika menggunakan guide vane 45o_{yaitu 103}

Volt.

4. Berdasarkan hasil pengujian, sudut guide vane yang paling efisien adalah guide vane dengan sudut 45o .

(4)

5.2 saran

Untuk mendapatkan efisiensi daya dan putaran yang lebih maksimal dari pengujian turbin kaplan dengan 5 runner blade pada variasi sudut guide vane

maka disarankan :

1. Pemilihan jenis kabel yang memiliki hambatan kecil.

2. Draft tube yang lebih efisien agar jatuh air mengenai blade secara merata. 3. Pemilihan runner blade yang lebih ringan dan model yang lebih tepat. 4. Sebaiknya rumah turbin di buat dari bahan transparan supaya aliran air

(5)

DAFTAR PUSTAKA

1. Bruce R Munson, Donald F. Young, Theodore H. Okiishi, Dr.Ir.Harnaldi, Ir.Budiarso,M.Eng (Penerjemah). 2003. Mekanika Fluida. Edisi IV . Jakarta: Penerbit Erlangga.

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

3. Halliday. 1980. Fisika Universitas. Jilid II.Jakarta: Penerbit Erlangga. 4. Jaakko Mattilla. 2007. Design of Runner Blade of Kaplan Turbine for Small

Hydroelectric Powerlant. Jerman.: Tampere.

5. L. V. Steeter dan Wylie B. 1993. Mekanika Fluida.Edisi Kedelapan. Jakarta: Erlangga

6. M. M. Dandekar, K. N. Sharma.1998. Pembangkit Listrik Tenaga Air. Jakarta: Pener Erlangga.

7. S.Warsito, Abdul Syukur, Agus Adhi Nugroho. 2005. Studi Awal Perecanaan Sistem Mekanikal Dan Kelistrikan Pembangkit Listrik Tenaga Mini Hidro. Universitas Islam Agus.

8. Sularso, kiyokatsu Suga. 1997.Dasar-Dasar Perencanaan Dan Pemilihan Elemen Mesin. Jakarta: Penerbit PT.Pradnya Paramita.

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

10.http:// turbin air.com.

(6)

Uji Eksperimental Turbin Kaplan Dengan 5 Runner Blade Dan Analisa Perbandingan Variasi Sudut Guide Vane.