YANG DIBUAT DARI PIPA DIBELAH DENGAN RADIUS SUDU 0,875 INCI DAN JUMLAH SUDU 16

  TURBIN ALIRAN SILANG DENGAN BUSUR SUDU 74 o YANG

DIBUAT DARI PIPA DIBELAH DENGAN RADIUS

SUDU 0,875 INCI DAN JUMLAH SUDU 16

  TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

  Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Mesin

  

Oleh :

Bernadus Luluk Sutiyanto

NIM : 055214018

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

  

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2009

  

THE CROSSFLOW TURBINE

WITH 74 o OF CENTRAL ANGLE THAT MADE

  

FROM CUTTING PIPE LENGTHWISE WITH BLADE RADIUS

0,875 INCH AND 16 NUMBER OF BLADE

  FINAL PAPER Presented as Fulfillment of the Requirements

  To Obtain the Sarjana Teknik Degree in Mechanical Engineering Study Programme

  

By :

Bernadus Luluk Sutiyanto

Student Number : 055214018

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAMME

  

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

HALAMAN PERSEMBAHAN

  Tugas akhir ini saya persembahkan untuk :

  1. Ibu Anastasia Sutiyah

  2. Alm Bapak Suyitno

  3. Elisabeth Sutanti

  4. Maria Riska Wikantari

  

MOTTO

  “ Orang yang paling sempurna bukanlah orang dengan otak sempurna, melainkan orang yang dapat mempergunakan sebaik -baiknya dari bagian otak yang kurang sempurna “

  

INTISARI

Turbin aliran silang banyak digunakan untuk pembangkit listrik skala mikro.

  Pembuatan sudu turbin dari plat yang dilengkung sulit dilakukan oleh masyarakat. Geometri sudu turbin aliran silang sebenarnya sama dengan geometri pipa berdiameter 1,75 inch yang dibelah dengan busur sudu 74°. Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari unjuk kerja turbin aliran silang dengan sudu dari bilah pipa yang digunakan untuk pembangkit listrik. Sehinga dapat diketahui daya maksimum yang dapat dihasilkan oleh turbin aliran silang.

  Peralatan yang digunakan adalah sebuah turbin aliran silang. Sudu turbin dibuat dari pipa dengan diameter 1,75 inch. Diameter runner adalah 98 mm dengan

  o lebar runner 104 mm. Besar sudut busur sudu 74 dan jumlah sudu 16 buah.

  Penelitian dilakukan dengan memvariasikan debit, beban dan tinggi bukaan nozzle. Debit air yang digunakan adalah 12 l/det, 10,7 l/det, 9,5 l/det, 8,2 l/det, dan 7,9 l/det. Tinggi bukaan nozzle pada 9 mm, 14 mm, dan 19 mm. Untuk menghasilkan listrik turbin dihubungkan dengan generator. Pengukuran daya ya ng dihasilkan turbin dilakukan dengan mengukur tegangan dan arus yang dihasilkan generator pada kondisi generator diberi variasi pembebanan 10 watt, 20 watt, 30 watt, 40 watt, 50 watt, 60 watt, 70 watt, 80 watt. Pada setiap pembebanan putaran turbin diukur dengan tachometer.

  Hasil dari penelitian ini, daya terbesar terjadi pada debit 8,2 l/det dan tinggi bukaan nosel 9 mm yaitu 51,25 watt. Efisiensi tertinggi terjadi pada debit 12 l/det dan tinggi bukaan nosel 19 mm yaitu 32,46 %.

KATA PENGANTAR

  Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian untuk Tugas Akhir dengan judul “

  o Turbin Aliran Silang Dengan Busur Sudut 74

  Yang Dibuat Dari Pipa Yang

  

Dibelah Dengan Radius Sudu 0,875 Inci Dan Jumlah Sudu 16 ”. Penulisan Tugas

  Akhir ini merupakan salah satu syarat untuk mera ih gelar Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Melalui penyusunan tugas akhir ini mahasiswa diharapkan mampu mempunyai daya analisa yang tajam serta membantu memperdalam ilmu yang telah diperoleh selama masa kuliah.

  Penulis menyadari bahwa dalam proses belajar di Program Studi Teknik Mesin, sejak awal studi sampai berakhirnya studi melibatkan banyak hal. Atas segala saran, bimbingan, dukungan dan bantuan, pada kesempatan ini dengan penuh kerendahan hati penulis mengucapkan terima kasih sebesar-besarnya kepada :

  1. Yosef Agung Cahyanta, S.T, M.T sebagai Dekan Fakultas Sains Dan Teknologi dan Dosen Pembimbing Tugas Akhir yang telah memberikan bimbingan dan pengarahan dala m penyelesaian Tugas Akhir ini.

  2. Budi Sugiharto, S.T., M.T., Ketua Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Tekno logi Universitas Sanata Dharma, serta dosen pembimbing akademik.

  3. Ir. YB. Lukiyanto, M.T., Ketua Laboratorium Konversi Energi yang telah memberikan ijin peminjaman alat uji dan tempat untuk melaksanakan

  4. Ag. Rony Windaryawan, Laboran Labotatorium Konversi Energi yang telah memberikan pinjaman alat ukur dan fasilitas untuk penelitian

  5. Intan Widanarko, Laboran Laboratorium Teknologi Mekanik atas bantuan dalam pembuatan runner.

  6. Segenap Dosen di Jurusan Teknik Mesin, yang telah membimbing selama kuliah di Universitas Sanata Dharma.

  7. Bapak Purwanto, Staf Pengajar STM Leonardo Klaten, yang telah membantu dalam pengelasan runner.

  8. Teman-teman mahasiswa khususnya angkatan 2005 Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma dan semua pihak yang tidak bisa saya sebutkan satu persatu.

  Penulis menyadari bahwa dalam penulisan Tugas Akhir ini masih banyak terdapat kekurangan dan kesalahan serta jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang sifatnya membangun untuk penyempurnaan Tugas Akhir ini. Akhirnya harapan penulis, semoga Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi semua pihak dan dapat dijadikan bahan kajian lebih lanjut.

  DAFTAR ISI

  Halaman HALAMAN JUDUL .............................................................................. i TITLE PAGE ......................................................................................... ii HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ................................... iii HALAMAN PENGESAHAN ................................................................. iv HALAMAN PERSEMBAHAN .............................................................. v MOTTO .................................................................................................. vi PERNYATAAN KEASLIAN KARYA.................................................. vii LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH. .................................................................................. viii

  INTISARI ................................................................................................ ix KATA PENGANTAR............................................................................. x DAFTAR ISI........................................................................................... xii DAFTAR TABEL................................................................................... xv DAF TAR GAMBAR .............................................................................. xvii BAB I. PENDAHULUAN ......................................................................

  1 1.1.Latar Belakang Masalah..............................................................

  1 1.2. Rumusan Masalah......................................................................

  3 1.3. Tujuan Penelitian........................................................................

  4 1.4 Manfaat Penelitian......................................................................

  4 BAB II. DASAR TEORI .........................................................................

  5

  2.1. Tinjauan Pustaka ........................................................................

  5 2.2. Landasan Teori...........................................................................

  7 2.2.1. Pengertian Turbin Air ........................................................

  7 2.2.2. Jenis-Jenis Turbin Air .......................................................

  7 2.3. Turbin Aliran Silang...................................................................

  9 2.3.1. Definisi Turbin Aliran Silang............................................

  9 2.3.2 Bagian-bagian Turbin Aliran Silang .................................

  9 2.3.3 Pergerakan Air Turbin Aliran Silang ................................

  13 2.4. Perancangan Turbin Aliran Silang .............................................

  15 2.4.1. Segitiga Kecepatan............................................................

  15 2.4.2. Perhitungan Dimensi Turbin .............................................

  16 BAB III. METODE PENELITIAN .........................................................

  24 3.1. Diagram Alir Penelitian .............................................................

  24 3.2. Pembuatan Alat ..........................................................................

  25 3.2.1. Desain Alat ........................................................................

  25 3.2.2. Rancangan Turbin Aliran Silang.......................................

  26 3.2.3. Pembuatan Turbin .............................................................

  33 A. Pembuatan Kerangka Turbin .........................................

  33 B. Pembuatan Roda Jalan (Runner) ...................................

  34 C. Perakitan Turbin Aliran Silang......................................

  36 3.3. Penelitian Alat............................................................................

  38

  3.3.2. Variabel yang Diukur ........................................................

  41 3.3.3. Variabel yang Divariasikan...............................................

  41 3.3.4. Pengambilan Data .............................................................

  41 3.3.5. Pengolahan dan Analisa Data............................................

  43 BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ...............................................

  44 4.1. Hasil Penelitian..........................................................................

  44 4.1.1. Data Hasil Penelitian.........................................................

  44 4.2. Perhitungan Data........................................................................

  46 4.3. Pembahasan Data .......................................................................

  53 4.3.1. Pembahasan Daya Keluaran Hasil Penelitian...................

  53 4.3.2. Pembahasan Efisiensi Total Hasil Penelitian....................

  57 BAB V. PENUTUP .................................................................................

  61 5.1. Kesimpulan.................................................................................

  61 5.1. Saran...........................................................................................

  61 DAFTAR PUSTAKA .............................................................................

  63 LAMPIRAN

  

DAFTAR TABEL

  Halaman Tabel 2.1. Pengelompokan Turbin ..........................................................

  8 Tabel 4.1. Data Penelitian pada Tinggi Nosel 9 mm dan Debit 8,2 l/s Tekanan 10 Psi ......................................................................

  44 Tabel 4.2. Data Penelitian pada Tinggi Nosel 9 mm dan Debit 7,9 l/s Tekanan 8,5 Psi .....................................................................

  45 Tabel 4.3. Data Penelitian pada Tinggi Nosel 14 mm dan Debit 10,7 l/s Tekanan 5 Psi ........................................................................

  45 Tabel 4.4. Data Penelitian pada Tinggi Nosel 14 mm dan Debit 9,5 l/s Tekanan 5 Psi ........................................................................

  45 Tabel 4.5. Data Penelitian pada Tinggi Nosel 19 mm dan Debit 12 l/s Tekanan 3 Psi ........................................................................

  46 Tabel 4.7. Perhitungan pada Tinggi Nosel 9 mm dan Debit 8,2 l/s Tekanan 10 Psi ......................................................................

  48 Tabel 4.8. Perhitungan pada Tinggi Nosel 9 mm dan Debit 7,9 l/s Tekanan 8,5 Psi .....................................................................

  48 Tabel 4.9. Perhitungan pada Tinggi Nosel 14 mm dan Debit 10,7 l/s Tekanan 5 Psi ........................................................................

  50 Tabel 4.10. Perhitungan pada Tinggi Nosel 14 mm dan Debit 9,5 l/s Tekanan 5 Psi ........................................................................

  50

Tabel 4.11. Perhitungan pada Tinggi Nosel 19 mm dan Debit 12 l/s Tekanan 3 Psi ........................................................................

  52

  

DAFTAR GAMBAR

  Halaman Gambar 2.1 Runner ...................................................................................

  10 Gambar 2.2. Alat Pengarah .......................................................................

  10 Gambar 2.3. Rumah Turbin.......................................................................

  11 Gambar 2.4. Generator..............................................................................

  13 Gambar 2.5. Aliran Pergerakan Air pada Turbin Crossflow.................... 14 Gambar 2.6. Defleksi Pada Pergerakan Air pada Turbin Crossflow .........

  15 Gambar 2.7. Segitiga Kecepatan pada Turbin Crossflow .........................

  15 Gambar 2.8. Gabungan Segitiga Kecepatan pada Turbin Aliran Silang...

  16 Gambar 2.9. Kelengkungan Sudu ..............................................................

  18 Gambar 2.10. Jarak Antar Sudu .................................................................

  19 Gambar 2.11. Alur Pancaran Air................................................................

  20 Gambar 3.1. Alat Uji Turbin ....................................................................

  39 Gambar 3.2. Urutan Kerja Alat Uji Turbin Aliran Silang........................

  40 Gambar 4.1. Grafik Daya vs Putaran Poros dengan Tinggi Nozzle 9 mm dan Variasi Debit................................................................

  53 Gambar 4.2. Grafik Daya vs Putaran Poros dengan Tinggi Nozzle 14 mm dan Variasi Debit ........................................................

  54 Gambar 4.3. Grafik Daya vs Putaran Poros dengan Tinggi Nozzle 19 mm

Gambar 4.4. Grafik Efisensi Total vs Putaran Poros Dengan Tinggi

  Nozzle 9 mm dan Variasi Debit..........................................

  57 Gambar 4.5. Grafik Efisensi Total vs Putaran Poros Dengan Tinggi

  Nozzle 14 mm dan Variasi Debit........................................

  57 Gambar 4.6. Grafik Efisensi Total vs Putaran Poros Dengan Tinggi

  Nozzle 19 mm dan Variasi Debit........................................

  58

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

  Energi air adalah energi yang telah dimanfaatkan secara luas di Indonesia yang dalam skala besar telah digunakan sebagai pembangkit listrik. Beberapa perusahaan di bidang pertanian bahkan juga memiliki pembangkit listrik sendiri yang bersumber dari energi air. Di masa mendatang untuk pembangunan pedesaan termasuk industri kecil yang jauh dari jaringan listrik nasional, energi yang dibangkitkan melalui sistem mikrohidro diperkirakan akan tumbuh secara pesat.

  Air merupakan salah satu sumber daya alam yang mempunyai massa jenis besar dan jumlahnya tidak terbatas, oleh karena itu air mempunyai potensi besar digunakan sebagai energi alternatif pengganti energi fosil. Pada umumnya selama ini air hanya digunakan untuk minum, mandi, pengairan, serta masih banyak yang lainnya. Dengan memanfaatkan energi air, manusia dapat sedikit mengurangi terjadinya krisis energi. Air juga merupakan sumber energi yang tidak menimbulkan polusi, sehingga tidak berpotensi merusak lapisan ozon dan tidak mengakibatkan pemanasan global. Selain itu air juga merupakan sumber energi alternative yang terbarukan.

  2 Di Indonesia pemanfaatan energi air hampir seluruhnya hanya energi air

  dengan skala besar saja. Potensi sumber-sumber pembangkit listrik tenaga air yang kecil masih jarang dimanfaatkan. Di lain pihak banyak masyarakat dari daerah terpencil belum bisa menikmati energi listrik dari PLN, padahal daerah tersebut memiliki potensi energi listrik walaupun hanya kecil. Untuk memanfaatkan potensi tersebut dibutuhkan suatu teknologi terapan agar masyarakat terpencil dapat menghasilkan dan menyediakan listrik sendiri.

  Dari data yang dikeluarkan oleh Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral Republik Indonesia, pemanfaatan energi air di Indonesia masih sangat kecil, baru sekitar 25 % dari potensi yang bisa mencapai 75000 MW. Di Indonesia terdapat 1315 kawasan yang berpotensi menjadi sumber energi tenaga air, dan daerah-daerah tersebut tersebar di seluruh kepulauan Indonesia. Daerah-daerah yang diprediksi memiliki potensi tersebut, antara lain : Papua 22371 MW, Kalimantan 21611 MW, Sumatera 15804 MW, Sulawesi 10203 MW, Jawa 4531 MW, Nusa Tenggara (Bali, NTB dan NTT) 674 MW dan Maluku 430 MW. Data-data di atas merupakan sumber pembangkit tenaga air dengan kapasitas besar, belum termasuk sumber-sumber pembangkit tenaga air dengan kapasitas kecil. Untuk memanfaatkan potensi tersebut diperlukan suatu teknologi terapan agar masyarakat kecil dapat menyediakan energi listrik secara swadaya.

  Pembangkit listrik tenaga air menggunakan turbin sebagai alat untuk mengkonversi potensi energi air menjadi energi mekanik untuk memutar generator

  3

  listrik. Untuk daya yang kecil (microhydro/picohydro), turbin aliran silang (crossflow) banyak digunakan. Sudu turbin crossflow biasanya dibuat dari plat yang dilengkungkan. Pembuatan sudu tersebut tentu saja tidak mudah, apalagi bagi kebanyakan masyarakat. Geometri sudu turbin crossflow sebenarnya sama dengan geometri pipa yang dibelah dengan besar sudut busur tertentu. Oleh karena itu, sudu turbin dapat dibuat dari pipa yang dibelah, sehingga pembuatannya lebih mudah. Pembuatan runner yang mudah akan membuat biaya yang dikeluarkan menjadi murah. Masyarakat akan dapat membuat sendiri sehingga masyarakat dapat berswadaya energi listrik. Sampai sekarang ini pemanfaatan pipa dibelah sebagai sudu turbin crossflow tidak banyak dilakukan sehingga informasi mengenai unjuk kerjanya kurang diketahui 1.2.

  Perumusan Masalah

  Pembuatan sudu turbin crossflow menggunakan pelat yang dilengkung sangat sulit, maka untuk mempermudah pembuatannya digunakan pipa besi yang dibelah dengan busur sudut tertentu. Informasi tentang unjuk kerja turbin crossflow dengan sudu dibuat dari pipa dibelah masih sedikit. Pada penelitian ini akan dibuat turbin

  crossflow

  dengan sudu dari pipa yang dibelah. Turbin dibuat dari pipa berdiameter 1,75 inchi yang dibelah menjadi empat dengan besar busur sudu 74 dan jumlah sudu 16 buah.

  4

  1.3. Tujuan Penelitian a) Membuat sudu turbin crossflow dengan sudu dari pipa yang dibelah. o

  b) Mengetahui daya serta efisiensi turbin dengan busur sudu 74 dan jumlah sudu 16 buah.

  1.4. Manfaat Penelitian

  Hasil penelitian yang dilakukan penulis diharapkan dapat : a. Menambah kepustakaan teknologi pembangkit listrik tenaga air.

  b. Diterapkan di masyarakat yang berada dekat sumber air dan belum mendapat pasokan listrik sehingga dapat menyediakan energi listrik secara swadaya.

  c. Mengurangi ketergantungan terhadap minyak bumi.

  d. Membangunkan kepedulian masyarakat terhadap upaya konservasi air.

BAB II DASAR TEORI

2.1. Tinjauan Pustaka

  Unjuk kerja turbin crossflow dipengaruhi oleh banyak parameter antara lain adalah jumlah sudu, sudut pancaran air masuk, sudut keluar, posisi pancaran air masuk, lintasan aliran air di dalam turbin, rasio lebar dan diameter runner, rasio diameter dalam dan diameter luar serta manufaktur runner maupun nozzle. Penelitian tentang turbin crossflow banyak dilakukan untuk sudu yang dibuat dari plat yang dilengkung. Turbin crossflow yang dilengkapi dengan saluran pengara h di dalam

  runnernya

  pernah dibuat dan diuji (Olgun, 2000). Saluran pengarah dibuat dengan tujuan untuk mengumpulkan dan mengarahkan air yang keluar dari sudu atas agar dapat menuju sudu bawah dengan lebih baik. Tiga bentuk saluran telah dibuat dan diuji dengan berbagai variasi posisi saluran pengarah serta variasi bukaan nozzle.

  Penambahan saluran didalam runner ternyata tidak menaikkan efisiensi tetapi justru menurunkan efisiensi turbin crossflow sebesar 5 %.

  Penelitian terhadap pengaruh perbandingan diameter dalam dan diameter luar

  runner

  juga telah dilakukan (Olgun, 1998). Dalam penelitian ini digunakan 4 buah

  runner

  . Runner yang diuji mempunyai jumlah sudu 28 buah, diameter luar 170 mm, dan lebar 114 mm. Perbandingan diameter dalam dan diameter luar untuk tiap runner dibuat berbeda. Perbandingan diameter dalam dan diameter luar yang digunakan o

  adalah 0,75; 0,67; 0,58; dan 0,54. Sudut masuk pancaran air dipilih sebesar 16 . Hasil penelitian menunjukkan bahwa efisiensi tertinggi dicapai pada perbandingan 0,75 dan terendah pada perbandingan 0,54 dengan perbedaan sebesar 3%. Efisiensi tertinggi yang bisa dicapai adalah sebesar 72%.

  Penelitian terhadap pengaruh sudut nozzle menunjukkan bahwa efisiensi akan semakin besar jika sudut nozzle semakin besar (Khosrowpanah, 1988). Penelitian ini menggunakan 3 buah runner dengan jumlah sudu 20, 15 dan 10 serta 1 buah runner dengan diameter setengah dari diameter runner yang lain, sedangkan jumlah sudunya

  20. Dari penelitian ini juga didapatkan bahwa efisiensi tertinggi dari tiap runner dicapai pada kecepatan spesifik yang sama. Semakin banyak jumlah sudu akan memberikan efisiensi yang semakin tinggi, namun jumlah sudu tersebut ada batasnya. Untuk sudut nozzle tertentu efisiensi maksimum dicapai pada jumlah sudu tertentu. Ada jumlah sudu optimum untuk sudut nozzle tertentu (Joshi,1995).

  Penelitian terhadap penggunaan sudu dari pipa yang dibelah sebagai pengganti plat yang dilengkung. Penelitian ini untuk mengetahui unjuk kerja turbin maksimum dengan radius sudu 0,875 dan jumlah sudu 18. Dari penelitian ini diperoleh daya maksimal yang dibangkitkan adalah 68,9 watt dan efisiensi yang dihasilkan 17,26 % (Sutarja,2009)

2.2. Landasan Teori

  2.2.1 Pengertian Turbin Air

  Turbin air adalah salah suatu mesin berputar yang mengkonversi energi dari suatu gerakan aliran air menjadi energi mekanis. Energi mekanis ini kemudian ditransfer melalui suatu poros untuk mengop erasikan mesin atau generator. Turbin air digunakan pada pembangkit listrik tenaga air (PLTA) untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik, dengan memanfaatkan aliran dan tinggi air jatuh. Air akan menggerakan impeler turbin sehingga menyebabkan putaran yang cepat. Daya mekanis ini kemudian ditransfer ke generator oleh suatu poros dan kemudian akan menghasilkan energi listrik. Pemilihan suatu turbin tergantung pada karakteristik lokasi, karena lokasi ini menentukan tinggi air jatuh dan kapasitas air. Selain itu pemilihan turbin juga tergantung dari kecepatan putar yang dibutuhkan oleh generator.

  2.2.2 Jenis-jenis Turbin Air

  Terdapat berbagai jenis turbin air yang digunakan untuk penyediaan kebutuhan energi listrik . Turbin air biasanya dikelompokan berdasarkan kegunaan, kapasitas dan tinggi air jatuh (Head). Secara umum turbin air dikelompokan menurut tinggi air jatuh dan prinsip kerja turbin tersebut. Berdasarkan klasifikasi ini turbin air dibagi menjadi : a. Turbin Impuls 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. Tidak terjadi penurunan tekanan pada sudu gerak.

  b. Turbin Reaksi 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.

Tabel 2.1. Klasifikasi turbin air (Pemanfaatan tenaga air)

  Head tinggi Head sedang Head rendah Turbin impuls Turbin Turbin Cross- Turbin Cross-

  Pelton flow flow Turbin Turgo Turbin Pelton

  Turbin Turgo Turbin reaksi Turbin Francis Turbin

  Kaplan

2.3 Turbin Aliran Silang 2..3.1 Definisi Turbin Aliran Silang

  Turbin aliran silang (cross flow) dikembangkan oleh Michelle (Australia) dan Bangki (Honggaria), sehingga turbin ini disebut juga turbin Michell- Bangki. Turbin aliran silang disebut juga turbin ossberger, yaitu arah aliran masuk air ke sudu turbin secara radial. Air dialirkan melewati sudu-sudu jalan yang berbentuk silinder, pertama-tama air dari luar masuk melalui sudu-sudu silinder dan kemudian kemudian dari dalam keluar melalui sudu-sudu. Aliran air yang melewati sudu ada dua tingkatan. Tingkatan pertama, air masuk melalui sudu atas. Daya yang dihasilkan lebih besar dari tingkat kedua yaitu 80 %. Tingkat kedua, air keluar melalui sudu bagian bawah. Daya yang dihasilkan kurang lebih 20% dari daya yang dihasilkan pada tingkat pertama.

2.3.2 Bagian-bagian Turbin Aliran Silang

  Pada dasarnya turbin aliran silang terdiri dari tiga bagian utama, yaitu:

  a. Roda Jalan Roda jalan (runner) turbin aliran silang terdiri dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel.

Gambar 2.1. Runner

  b. Alat Pengarah Alat pengarah pada turbin sering disebut dengan nosel. Nozzle pada turbin aliran silang berbentuk persegi panjang. Ukuran nosel disesuaikan dengan ukuran

  runner turbin.

Gambar 2.2. Alat pengarah c. Rumah Turbin Rumah turbin digunakan untuk memasang turbin agar dapat berputar. Rumah turbin dilengkapi dengan bantalan agar poros turbin dapat berputar tanpa adanya gesekan dan berputa pada posisi yang sama.

Gambar 2.3. Rumah turbin

  d. Generator Turbin aliran silang dapat digunakan untuk menggerakkan generator listrik.

  Untuk itu perlu adanya komponen tambahan yang disebut generator. Generator berfungsi mengubah tenaga mekanis menjadi tenaga listrik arus bolak-balik.

  Generator arus bolak-balik sering disebut juga sebagai alternator, generator AC (alternating current), atau generator sinkron. Dikatakan generator sinkron karena jumlah putaran rotornya sama dengan jumlah putaran medan magnet pada stator.

  Kecepatan sinkron ini dihasilkan dari kecepatan putar rotor dengan kutub -kutub magnet yang berputar dengan kecepatan yang sama dengan medan putar pada stator. Generator memiliki 3 bagian yang penting, yaitu : a. Rotor

  Rotor adalah bagian yang berputar yang menjadi satu dengan poros alternator yang terdapat magnet permanen atau lilitan induksi magnet.

  Pada rotor terdapat bagian yang berfungsi sebagai kutub magnet yang terletak pada sisi luar dari lilitan. Rotor ditumpu oleh dua buah bearing, pada bagian depannya terdapat puli. Rotor berfungsi menghasilkan medan magnet yang menginduksikan ke stator.

  b. Stator Stator adalah bagian yang statis pada altenator yang berupa inti besi yang dibungkus dengan kawat tembaga. Bagian ini berupa lilitan yang berfungsi untuk menghasilkan arus bolak-balik (AC).

  c. Dioda Dioda mengkonversi arus bolak-balik yang dihasilkan oleh pasangan rotor dan stator menjadi arus searah.

Gambar 2.4 Generator

  Besarnya arus yang dihasilkan oleh motor induksi tergantung pada besarnya putaran alternator dan kekuatan medan magnet. Altenator menghasilkan listrik dengan prinsip yang sama pada DC generator, yakni adanya arus pengumpan yang disebut arus eksitasi saat terjadi medan magnet disekitar kumparan. Dari alternator dapat di ukur arus (I) dan te gangan keluaran (V) yang kemudian digunakan untuk menentukan besarnya daya yang dihasilkan.

2.3.3 Pergerakan Air Turbin Aliran Silang

Gambar 2.5 memperlihatkan bahwa pancaran air dari nosel masuk kedalam

  runner pada titik A dengan sudut a yang bersinggungan dengan keliling runner.

  Kecepatan air sebelum memasuki runner dapat dihitung dengan Persamaan 2.1 ( Mockmore, 2004, hal 6)

  V

  1

  = C(2gH)

  1/2

  ............................................................................................................ 2.1 dengan : V = Kecepatan absolut.

1 H = Head ketinggian

  C = Koefisien berdasarkan nosel Dalam turbin berhubungan dengan komponen – komponen kecepatan yaitu:

  V = Kecepatan mutlak v = Kecepatan relatif u = Kecepatan tangensial roda turbin. a adalah sudut antara kecepatan absolut dengan kecepatan keliling lingkaran

  runner

  dan ß adalah sudut antara kecepatan relatif dengan kecepatan keliling lingkaran runner. Dengan indek 1 menandakan kecepatan masuk dan indek 2 menandakan kecepatan keluar sudu jalan turbin.

Gambar 2.5. Aliran pergerakan air pada Turbin Aliran Silang

  (Mockmore, 2004, hal. 6) Alur pergerakan air pada kenyataannya tidak seperti yang terdapat dalam gambar 2.5 karena terdapat defleksi sebesar ? seperti dalam gambar 2.6.

Gambar 2.6. Defleksi pada pergerakan air Turbin Aliran

  Silang (Mockmore, 2004, hal. 8)

2.4 Perancangan Turbin Aliran Silang

2.4.1 Segitiga Kecepatan

  Saat pancaran air masuk mengenai turbin maka air membentuk sudut

  α ₁

  kecepatan V . Sehingga dapat digambarkan dalam bentuk segitga untuk ₁ memudahkan dalam mencari komponen kecepatan yang lain.

Gambar 2.7. Segitiga kecepatan pada Turbin Sudut ß ditentukan oleh nilai a ,V , dan u .

  1

  1

  1

  

1

Jika u = ½ V cos a ............................... .................................................................. 2.2

  1

  1

  1

  maka tan ß = 2 tan a ................................................................................................ 2.3

  1

  1 o o o o

  jika a = 16 , maka ß =29 ,50 atau 30 (Mockmore, 2004, hal 10)

  1

  1

  ß ' adalah sudut sudu keluar sisi atas pada keliling dalam runner. Dengan asumsi v

  1 =

  2 o

  v

  2 dan a 1 = a 2 untuk membuat aliran pancaran air radial maka besar nya ß ' = 90 .

  2 Gambar 2.8. Gabungan segitiga kecepatan pada Turbin Aliran

  Silang (Mockmore, 2004, hal 11)

2.4.2 Perhitungan Dimensi Turbin

  a. Diameter Luar runner (D )

1 Diamter luar runner merupakan diameter paling luar dari roda turbin. Diameter

  luar turbin runner dapat dicari dengan persamaan 2.4 (Mockmore, 2004, hal 14)

  ½

  D1 = 862H /N …………………………....................................................... 2.4 dengan : H = head ketinggian (inch) N = putaran turbin (rpm)

  b. Panjang Turbin (L) Panjang turbin merup akan panjang dari sebuah runner yang terpasang sudu dan terkena pancaran air.

  ½ ½

  L = 144QN/862 H Ck(2gH) (Mockmore, 2004, hal 15 ) …………………….. 2.5 Dengan : Q = Debit aliran air (cfs) C = Koefisien nosel = 0.98 k = Faktor koreksi = 0.087 c. Perbandingan panjang dan diameter turbin

  Perbandingan panjang dan diameter turbin digunakan untuk meentukan nilai Panjang dan Diameter luar turbin. Panjang dan diameter Luar turbin sangat penting untuk menentukan ukuran dari rumah turbin sebagai tempat untuk berputarnya turbin. Perbandingan panjang dan diameter turbin dapat dicari dengan Persamaan 2.6 (Mockmore, 2004, hal 17).

  1/2

  LD

  1 = 210.6Q/H ………………………………………………………........... 2.6 d. Jari-jari kelengkungan sudu (?) Pada penelitian ini sudu terbuat dari pipa sehingga jari-jari kelengkungan sudu merupakan jari- jari dari pipa yang dipakai untuk sudu. Jari-jari kelengkungan sudu dapat dicari dari Persamaan 2.7 (Mockmore, 2004, hal 15) ? = D .......................................................................................................... 2.7

  , 5 × ₁ dengan : r

  1 = jari-jari luar runner (in)

  e. Lebar velk radial (a ) Lebar velk radial bila terlalu kecil maka sudu tidak akan terkena oleh pancaran air sehingga air akan mengalami benturan dan terjadi tekanan. Oleh karena itu ( a ) sesuai, harga a dapat dicari dengan Persamaan 2.8 (Mockmore, 2004, hal 12) a = 0,17D

  1 ………………………………………………………………............ 2.8

Gambar 2.9. Kelengkungan sudu (Mockmore, 2004, hal. 16) f. Jarak antar sudu (t) Jarak antar sudu meliputi jarak antar sudu pancaran air masuk (s ), jarak sudu

  1 pancaran air keluar (s ) dan jarak antar sudu (t).

  2

  s

  1 = kD 1 (Mockmore, 2004, hal 14) .................... 2.9

  s

  2 = t(r 2 /r 1 ) (Mockmore, 2004, hal 11) .................... 2.10

  t = s

  1 /sin ß 1 (Mockmore, 2004, hal 10) .................... 2.11

Gambar 2.10. Jarak antar sudu (Mockmore, 2004, hal. 9)

  g. Jumlah sudu (n) Dalam seb uah runner sudu sangat penting, karena sudu merupakan bagian yang terkena pancaran air dari nozzle sehingga turbin berputar. Jumlah sudu dapat ditentukan dengan Persamaan 2.12 (Mockmore, 2004, hal 17)

  1

  n = ? D /t ......................................................................................................... 2.12

  h. Jarak pancaran dari poros (y )

  1

  y adalah jarak pancaran air dari poros turbin. y dapat dicari dengan Persamaan

  1

  1

  2.13 (Mockmore, 2004, hal 14) y

  1 = (0.1986-0.945k) D 1 ..................................................................................... 2.13

  i. Jarak pancaran dari keliling dalam (y

  2 )

  y

  2 adalah jarak pancaran air dengan keliling sudu bagian dalam. y dapat dicari

  1

  dengan Persamaan 2.14(Mockmore, 2004, hal 14) y

  2 = (0.1314-0.945k) D 1 ……………………………………………………..... 2.14

Gambar 2.11. Alur pancaran air (Mockmore, 2004, hal. 13)

  j. Nosel

  Nozzle

  pada turbin crossflow berbentuk persegi panjang. Ukuran nozzle ditentukan dengan dengan Persamaan 2.16 dan 2.17 (Mockmore, 2004, hal 17) A = Q/V

  1 ……...............................................................................….............. 2.15

  So = A / L ......................................................................................................... 2.16 k. Sudut pusat sudu jalan

  Tan ½ d = cosß

  1 /(sin ß 1 + r 2 /r 1 ) (Mockmore, 2004, hal 15) .......................... 2.17

  l. Perhitungan poros Poros merupakan salah satu bagian terpenting dari setiap mesin. Hampir semua mesin meneruskan tenaga bersama-sama dengan putaran. Peranan utama dalam transmisi dipegang oleh poros. Oleh karena itu diameter poros harus sangat diperhatikan keamanannya. Diameter poros dapat dicari dengan Persamaan- Persamaan berikut ( Sularso) Parameter-parameter ya ng digunakan dalam perhitungan poros sebagai berikut ;

  1. P = daya yang ditransmisikan (kW)

  2. Fc = faktor koreksi (Sularso, 2004, hal. 7) 3. n = putaran poros (rpm)

  4. Pd = fc×P (kW) ………………................................................................... 2.18

  5. T = momen puntir rencana (kg.mm)

  P 5 d

  T

  = 9,74 × 10 × ..................................................................................... 2.19

  n

  _B

  2

  6. s = kekuatan tarik bahan (kg/mm )

  7. Sf

  1 dan Sf 2 = faktor keamanan

  Sf

  1 harga diambil 6,0 untuk bahan S-C dengan pengaruh massa, dan baja

  paduann dan Sf

  2 dengan harga sebesar 1,3 sampai 3,0

  8. Cb = faktor Cb nilainya 1,2 sampai 2,3. Jika diperkirakan tidak terjadi pembebanan lentur maka Cb = 1.

  9. Kt = faktor Kt dipilih 1,0 jika beban dikenakan secara halus; 1,0-1,5 jika dikenakan sedikit beban kejutan atau tumbukan; dan 1,5-3,0 jika beban kejutan atau tumbukan besar.

  2 σ _B

  10. τ = (kg/mm ) ......................................................................... 2.20 _a

  Sf

  1 Sf ×

  2

  ( )

  11. d = diameter minimal poros (mm)

  s _{3 1}  

  5 ,

  1 Kt Cb T d s = × × × ............................................................................. 2.21

    τ _a  

  12. Poros dengan beban puntir dan lentur

  Tl

  584 ............................................................................................... 2.22

  θ = ₄ Gd _s

  Dengan = Sudut Defleksi puntiran ( 0,25 atau 0,3 derajat )

  θ

  G = Mudulus geser ( baja = 8,3x10³ (kg/mm² ) Dari persamaan 2.22 diperoleh ₄

  d T _s ≥

  4 , 1 ................................................................................................... 2.23 m. Perhitungan Daya yang tersedia (P )

  in P merupakan daya yang dihasilkan oleh turbin pada kondisi awal sebelum

  in pembebanan.

  P g Q H ............................................................................................... 2.24 = ρ × × ×

  Q = Debit air (cfs) H = Tinggi air jatuh (head) (feet) n. Perhitungan Daya Keluaran (P out )

  P out merupakan daya keluaran dari generator setelah mengalami pembebanan dengan lampu.

  P out = V x I ........................................................................................................ 2.25 V = Tegangan (volt) I = Arus (ampere) o. Perhitungan Efisiensi Total (?)

  ? merupakan efisiensi total dari turbin crossflow yang terdiri dari efisiensi turbin, efisiensi generator, efisiensi pompa

  P _out

  ? = × 100 % ................................................................................................. 2.26

  P _in

BAB III METODE PENELITIAN

3.1 DIAGRAM ALIR PENELITIAN

  MULAI STUDI PUSTAKA PERANCANGAN TURBIN ALIRAN SILANG PEMBUATAN TURBIN ALIRAN SILANG PENGAMBILAN DATA PENGOLAHAN DATA PEMBAHASAN DAN PENARIKAN KESIMPULAN SELESAI

3.2 PEMBUATAN ALAT

3.2.1 Desain Alat

  Pada tahapan ini, gambar kerja dibuat. Sebelum membuat gambar kerja, terlebih dahulu dibuat sketsa alat dan menentukan ukuran alat yang akan dibua t.Alat uji turbin juga akan digunakan pada pelaksanaan uji prestasi. Penelitian akan dilaksanakan dengan membuat sebuah runner dengan diameter dan panjang yang sama dengan runner bawaan dari alat uji turbin. Sedangkan perbedaannya terletak pada jumlah sudu, sudut sudu, bahan sudu dan proses manufacturing runner.

  Runner

  bawaan dari alat uji turbin akan dilepas, dan digantikan dengan runner yang akan dibuat sendiri. Sedangkan komponen lain seperti rumah runner, generator, transmisi belt, dan puli, panel-panel listrik dan nosel akan tetap dipakai pada penelitian ini. Penelitian ini tidak dilakukan di lapangan, melainkan disimulasikan dengan menggunakan peralatan-peralatan yang telah direncanakan dan dipersiapkan oleh kelompok studi Rekayasa Tenaga Air. Untuk me nggantikan laju aliran sungai digunakan pompa berkapasitas 10 liter/detik dan head 21 m.

  Pompa mengalirkan air yang ditampung pada sebuah bak air kapasitas 240 liter. Air tersebut dipompakan menuju ke nozzle melalui pipa penstock berdiameter 2 inch. Untuk mengatur debit dan head masuk nosel , dipasang dua buah kran pada pipa

  penstock

  . Air yang masuk ke nosel akan digunakan untuk memutar runner di dalam rumah runner, kemudian masuk kembali ke dalam bak penampung. Poros runner dihubungkan ke poros generator menggunakan transmisi sabuk dan puli. Generator berfungsi mengubah energi mekanis menjadi tenaga listrik arus bolak-balik. Besarnya arus yang dihasilkan oleh generator tergantung pada besarnya putaran generator dan kekuatan medan magnet. Listrik yang dihasilkan oleh generator kemudian diukur saat pengambilan data.

3.2.2 Rancangan Turbin Aliran Silang

  Dalam merancang sebuah Turbin Aliran Silang diperlukan parameter yang diketahui sebagai dasar perancangan untuk perhitungan parameter-parameter lain.

  Dalam perancangan ini terdapat parameter yang diasumsikan yaitu : Debit (Q) = 8 L/s

  = 0,283 cfs Pemilihan debit sebesar 8 L/s didasarkan pada alat uji yang menggunakan pompa untuk mengalirkan air menuju nozle . Karena menggunakan pompa kita menyesuaikan ukuran pasar yang mendekati kondisi sebenarnya. Setelah debit ditentukan maka kita menentukan head yang mendekati kondisi sebenarnya.

  Head (H) = 4,5 meter = 14,765 ft

  Diameter pipa untuk sudu (d

  1 ) = 1,75 inch

  Koefisien nosel (C) = 0,98 Faktor koreksi (k ) = 0,087 Sudut masuk (a

  1 ) = 16º Sudut busur sudu (ß2) = 74 Percepatan gravitasi = 32,18 ft/s

  2 Perhitungan :

  5 ,

  14 210 283 , ₁

  765 ,

  H Q LD × =

  210

  1 ) _{2 1 1}

  c. Panjang dan D iameter Luar Runner ( L,D

  = 875 , ρ inch

  × = ρ

  1 5 ,

  75 ,

  d × = ρ

  b. Radius sudu (?) ₁

  Perancangan Turbin Aliran Silang dengan sudu jalan yang terbuat dari pipa berdiameter 1,75 in (0,146 ft).

  = V ft/s

  30

  209 ,

  V

  2 = 98 , × × ×

  32

  14 18 ,

  765 ,

  2

  V ⋅ ⋅ ⋅ =

  a. Kecepatan pancaran nosel (V) H g C

  x LD =

  LD 15 , 466 ₁ = inch²

  Untuk mencari panjang ( L ) dan diameter luar runner ( D

  1 ) dapat digunakan

  harga L/D

  1 dimana harga L/D 1 dicari yang mendekati 1. Berikut ini adalah beberapa pilihan ukuran panjang dan diameter runner yang perbandingannya mendekati 1.

Tabel 3.1. Beberapa Pilihan Ukuran Panjang dan Lebar Runner

  L ( inchi ) D

  1 ( inchi )

  3,93 3,92 4,01 3,86

  4,2 3,7 4,3 3,6

  Dari beberapa pilihan di atas, diameter luar runner yang dipilih adalah 3,86 inchi. Sehingga didapatkan panjang runner 4,01 inchi. Tetapi karena menyesuaikan dengan ukuran rumah runner, maka panjang runner yang digunakan adalah 4,094 inchi.

d. Kecepatan putar runner (N)

  _{1 2}

  862 H

  × N

  = D _{1 1 2}