Pengujian Pengaruh Variasi Jumlah dan Jarak Antar Disk Pada Rancang Bangun Turbin Testa dengan Kapasitas Air Konstan
PENGUJIAN PENGARUH VARIASI JUMLAH
DAN JARAK ANTAR DISK
PADA RANCANG BANGUN TURBIN TESLA
DENGAN KAPASITAS AIR KONSTAN
SKRIPSI
Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
DIUSULKAN OLEH :
YENI MARSIA SEMBIRING
(120421029)
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2015
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Turbin Tesla merupakan turbin yang memiliki bentuk yang unik dan sifat
yang khusus. Adapun sifat yang dimiliki oleh Turbin Tesla adalah mempunyai putaran
yang sangat tinggi dalam bentuk yang kecil serta fluida yang beragam dengan
memanfaatkan viskositas dan laju aliran fluida dalam gesekan ruang tertentu menjadikan
kelebihan Turbin Tesla, tetapi Turbin Tesla mempunyai kelemahan yaitu torsi yang
rendah. Umumnya Turbin Tesla menggunakan uap atau udara bertekanan sebagai media
penggeraknya, namun pada penelitian ini dicoba untuk aplikasi fluida air dengan head
ketinggian sebagai tinggi air jatuhnya dan pegas ukur sebagai torsimeter. Penelitian ini
melewati tahap studi literatur untuk menghitung secara teoritis maupun pengujian untuk
menghasilkan putaran, torsi, daya dan efisiensi turbin tesla. Dari penilitan didapatkan
bahwa untuk turbin tesla dengan tebal dan jarak disk yang berbeda menghasilkan efisiensi
maksimum sebesar 16,81 %, daya maksimum sebesar 17,56 pada putaran sebesar 329
rpm dengan beban 60 N. Sedangkan untuk turbin tesla dengan tebal dan jarak disk yang
sama menghasilkan efisiensi maksimum sebesar 17,89 %, daya maksimum sebesar 18,69
W pada putaran sebesar 262,6 rpm dengan beban 80 N.
Kata kunci : Turbin Tesla, Turbin Air, disk, celah, daya
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas
karunia-Nya sehingga penulis dapat menyusun dan menyelesaikan tugas skripsi
ini dengan baik.
Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan
untuk mancapai gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu
PENGUJIAN PENGARUH VARIASI JUMLAH DAN JARAK ANTAR
DISK
PADA
RANCANG
BANGUN
TURBIN
TESLA
DENGAN
KAPASITAS AIR KONSTAN. Penulis berterima kasih kepada banyak pihak
yang telah banyak membantu penulis dalam berbagai hal dalam proses
penyusunan skripsi ini. Oleh sebab itu, penulis menyampaikan terima kasih
kepada :
1. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, M.T, selaku dosen pembimbing yang telah
banyak memberikan bimbingan, arahan, dan masukan yang positif kepada
penulis selama penyusunan skripsi.
2. Bapak Dr. Ing Ikhwansyah Isranuri, selaku ketua Departemen Teknik
Mesin Fakultas Teknik USU.
3. Bapak/Ibu Staff Pengajar, Asisten Laboratorium dan pegawai administrasi
pada Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera
Utara yang telah memberikan bekal pengetahuan kepada saya hingga akhir
masa study.
4. Ayahanda Suria Sembiring, Ibunda Suyanti Purba, serta adik-adik tercinta
Alberto Monas Sembiring dan Amelia Sri Pamela Sembiring yang telah
memberikan doa, semangat, dan dukungan selama proses penyusunan
skripsi ini.
5. Keluarga Besar Komunitas Sant’Egidio Medan yang telah memberikan
doa, semangat dan dukungan selama proses penyusunan skripsi ini.
Universitas Sumatera Utara
6. Untuk Thomas Didimus Josen yang telah memberikan doa, semangat dan
dukungan dalam banyak hal.
7. Untuk Herry Wibowo Sucipto, S.T yang telah memberikan semangat dan
yang telah banyak membantu dalam banyak hal.
8. Untuk teman seperjuangan saya, Dadi Rizaldi, Saur Malau (Tesla Grup)
terima kasih atas bantuan, semangat, masukan dan dorongan yang kalian
berikan selama dalam bimbingan.
9. Semua pihak yang telah membantu, angkatan 2011, 2012 dan 2013 yang
juga banyak membantu memberikan masukan serta memberi semangat
kepada penulis.
Sebagai manusia yang masih belajar, penulis menyadari bahwa penulisan
skripsi ini masih memiliki berbagai kekurangan. Untuk itu penulis
mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari berbagai pihak. Penulis
juga mengaharapkan skripsi ini dapat menjadi tambahan pengetahuan bagi
pembaca dan bermanfaat untuk kita semua.
Medan,
November 2015
Yeni Marsia Sembiring
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
ABSTRAK ......................................................................................... i
KATA PENGANTAR .......................................................................................... ii
DAFTAR ISI......................................................................................................... iv
DAFTAR TABEL ................................................................................................ vii
DAFTAR GAMBAR............................................................................................ viii
DAFTAR SIMBOL .............................................................................................. ix
AKSARA YUNANI .............................................................................................. x
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang ....................................................................... 1
1.2 Tujuan Penelitian ................................................................... 2
1.3 Batasan Masalah .................................................................... 3
1.4 Metodologi Penulisan ............................................................ 3
1.5 Sistematika Penulisan ............................................................ 4
BAB II LANDASAN TEORI
2.1 Tinjauan Umum Turbin Tesla ................................................ 5
2.2 Hukum Mekanika Fluida ....................................................... 7
2.2.1 Sifat Fluida Air ............................................................. 7
2.2.2 Aliran Fluida ................................................................ 9
2.2.3 Persamaan Aliran Fluida ............................................. 11
2.2.4 Head Turbin ................................................................. 12
2.3 Turbin Tesla ........................................................................... 15
2.3.1 Sejarah Turbin Tesla.................................................... 15
2.3.2 Bagian-Bagian Turbin Tesla ........................................ 17
2.3.3 Cara Kerja Turbin Tesla .............................................. 20
2.3.4 Keunggulan Turbin Tesla ............................................ 22
2.4 Dasar Pemilihan Turbin ......................................................... 24
2.4.1 Perhitungan Turbin ...................................................... 24
2.4.2 Karakteristik Gambar Turbin ...................................... 27
BAB III
METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN
Universitas Sumatera Utara
3.1 Konsep Dasar Perancangan dan Penelitian ............................... 30
3.1.1 Umum............................................................................. 30
3.1.2 Rancang Bangun Turbin Tesla ....................................... 30
3.1.3 Rancang Bangun Instalasi Perpipaan ............................. 32
3.2 Peralatan Pengujian................................................................... 34
3.2.1 Head Tachometer ........................................................... 34
3.2.2 Meteran .......................................................................... 35
3.2.3 Pegas Ukur .................................................................... 36
3.2.4 Pompa Pengumpan ......................................................... 36
3.3 Pelaksanaan Pengujian .............................................................. 37
BAB IV
BAB V
DATA HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA
4.1 Data Hasil Pengujian ................................................................ 41
4.1.1 Pengujian Pada Instalasi Pipa......................................... 41
4.1.2 Perhitungan Pada Turbin Tesla ...................................... 45
4.2 Analisa Data.............................................................................. 51
4.2.1 Untuk Turbin Tesla dengan Tebal dan Jarak Disk yang
berbeda (25 disk tebal 2 mm dan 24 celah
jarak 1mm) ........................................................................ 51
4.2.2 Untuk Turbin Tesla dengan tebal dan Jarak Disk yang
sama (19 disk dengan tebal 2mm dan 18 celah
jarak 2 mm) ........................................................................ 55
4.2.3 Perbandingan Variasi Jumlah dan Jarak antar Disk.......... 59
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan ............................................................................. 63
5.2 Saran ....................................................................................... 64
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
4.1 Head loses minor pada pipa 4 inci .............................................................. 43
4.2 Head loses minor pada pipa 2 inci .............................................................. 44
4.3 Pengujian dan perhitungan turbin tesla dengan jumlah
dan jarak disk yang berbeda (25 disk 2mm tebal dan 24 celah
1 mm jarak antar disk. ................................................................................ 47
4.4 Pengujian dan perhitungan turbin tesla dengan jumlah
dan jarak disk yang sama (19 disk 2mm tebal dan 18 celah
2 mm jarak antar disk) ............................................................................... 50
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Turbin Tesla yang Pertama Dibuat.................................................... 6
Gambar 2.2 Turbin Tesla Menggunakan Udara Bertekanan ................................ 6
Gambar 2.3 Aliran Laminar .................................................................................. 10
Gambar 2.4 Airan Turbulen .................................................................................. 10
Gambar 2.5 Laju Aliran Massa ............................................................................. 11
Gambar 2.6 Diagram Bernoullu Untuk Turbin Air............................................... 13
Gambar 2.7 Nikola Tesla ...................................................................................... 16
Gambar 2.8 Pengaplikasian Tesla pada Turbin Uap ............................................. 16
Gambar 2.9 Bagian-bagian dari Turbin Tesla ....................................................... 17
Gambar 2.10 Piringan (Disk) Turbin .................................................................... 18
Gambar 2.11 Celah (Space) .................................................................................. 18
Gambar 2.12 Poros................................................................................................ 19
Gambar 2.13 Nosel ............................................................................................... 19
Gambar 2.14 Rumah Turbin ................................................................................. 20
Gambar 2.15 Viskositas Fluida pada Dua Plat ..................................................... 21
Gambar 2.16 Laju Aliram Fluida yang Bekerja pada Turbin ............................... 22
Gambar 2.17 Perbandingan Effisiensi ................................................................. 23
Gambar 3.1 Turbin Tesla sebelum dirakit ............................................................ 31
Gambar 3.2 Turbin Tesla setelah dirakit ............................................................... 31
Gambar 3.3 Instalasi Pipa untuk Turbin Tesla ...................................................... 34
Gambar 3.4 Hand Tachometer .............................................................................. 35
Gambar 3.5 Meteran ............................................................................................. 35
Gambar 3.6 Pegas Ukur ........................................................................................ 36
Gambar 3.7 Pompa Pengumpan ............................................................................ 37
Universitas Sumatera Utara
AKSARA YUNANI
LAMBANG
ARTI
η
Efisiensi turbin
%
Ω
Kecepatan sudut
rpm
ω
γ (gamma)
ρ (rho)
Kecepatan sudut
Berat jenis
Massa jenis
SATUAN
rad/det
N/m3
kg/m3
Universitas Sumatera Utara
DAN JARAK ANTAR DISK
PADA RANCANG BANGUN TURBIN TESLA
DENGAN KAPASITAS AIR KONSTAN
SKRIPSI
Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
DIUSULKAN OLEH :
YENI MARSIA SEMBIRING
(120421029)
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2015
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Turbin Tesla merupakan turbin yang memiliki bentuk yang unik dan sifat
yang khusus. Adapun sifat yang dimiliki oleh Turbin Tesla adalah mempunyai putaran
yang sangat tinggi dalam bentuk yang kecil serta fluida yang beragam dengan
memanfaatkan viskositas dan laju aliran fluida dalam gesekan ruang tertentu menjadikan
kelebihan Turbin Tesla, tetapi Turbin Tesla mempunyai kelemahan yaitu torsi yang
rendah. Umumnya Turbin Tesla menggunakan uap atau udara bertekanan sebagai media
penggeraknya, namun pada penelitian ini dicoba untuk aplikasi fluida air dengan head
ketinggian sebagai tinggi air jatuhnya dan pegas ukur sebagai torsimeter. Penelitian ini
melewati tahap studi literatur untuk menghitung secara teoritis maupun pengujian untuk
menghasilkan putaran, torsi, daya dan efisiensi turbin tesla. Dari penilitan didapatkan
bahwa untuk turbin tesla dengan tebal dan jarak disk yang berbeda menghasilkan efisiensi
maksimum sebesar 16,81 %, daya maksimum sebesar 17,56 pada putaran sebesar 329
rpm dengan beban 60 N. Sedangkan untuk turbin tesla dengan tebal dan jarak disk yang
sama menghasilkan efisiensi maksimum sebesar 17,89 %, daya maksimum sebesar 18,69
W pada putaran sebesar 262,6 rpm dengan beban 80 N.
Kata kunci : Turbin Tesla, Turbin Air, disk, celah, daya
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas
karunia-Nya sehingga penulis dapat menyusun dan menyelesaikan tugas skripsi
ini dengan baik.
Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan
untuk mancapai gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu
PENGUJIAN PENGARUH VARIASI JUMLAH DAN JARAK ANTAR
DISK
PADA
RANCANG
BANGUN
TURBIN
TESLA
DENGAN
KAPASITAS AIR KONSTAN. Penulis berterima kasih kepada banyak pihak
yang telah banyak membantu penulis dalam berbagai hal dalam proses
penyusunan skripsi ini. Oleh sebab itu, penulis menyampaikan terima kasih
kepada :
1. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, M.T, selaku dosen pembimbing yang telah
banyak memberikan bimbingan, arahan, dan masukan yang positif kepada
penulis selama penyusunan skripsi.
2. Bapak Dr. Ing Ikhwansyah Isranuri, selaku ketua Departemen Teknik
Mesin Fakultas Teknik USU.
3. Bapak/Ibu Staff Pengajar, Asisten Laboratorium dan pegawai administrasi
pada Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera
Utara yang telah memberikan bekal pengetahuan kepada saya hingga akhir
masa study.
4. Ayahanda Suria Sembiring, Ibunda Suyanti Purba, serta adik-adik tercinta
Alberto Monas Sembiring dan Amelia Sri Pamela Sembiring yang telah
memberikan doa, semangat, dan dukungan selama proses penyusunan
skripsi ini.
5. Keluarga Besar Komunitas Sant’Egidio Medan yang telah memberikan
doa, semangat dan dukungan selama proses penyusunan skripsi ini.
Universitas Sumatera Utara
6. Untuk Thomas Didimus Josen yang telah memberikan doa, semangat dan
dukungan dalam banyak hal.
7. Untuk Herry Wibowo Sucipto, S.T yang telah memberikan semangat dan
yang telah banyak membantu dalam banyak hal.
8. Untuk teman seperjuangan saya, Dadi Rizaldi, Saur Malau (Tesla Grup)
terima kasih atas bantuan, semangat, masukan dan dorongan yang kalian
berikan selama dalam bimbingan.
9. Semua pihak yang telah membantu, angkatan 2011, 2012 dan 2013 yang
juga banyak membantu memberikan masukan serta memberi semangat
kepada penulis.
Sebagai manusia yang masih belajar, penulis menyadari bahwa penulisan
skripsi ini masih memiliki berbagai kekurangan. Untuk itu penulis
mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari berbagai pihak. Penulis
juga mengaharapkan skripsi ini dapat menjadi tambahan pengetahuan bagi
pembaca dan bermanfaat untuk kita semua.
Medan,
November 2015
Yeni Marsia Sembiring
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
ABSTRAK ......................................................................................... i
KATA PENGANTAR .......................................................................................... ii
DAFTAR ISI......................................................................................................... iv
DAFTAR TABEL ................................................................................................ vii
DAFTAR GAMBAR............................................................................................ viii
DAFTAR SIMBOL .............................................................................................. ix
AKSARA YUNANI .............................................................................................. x
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang ....................................................................... 1
1.2 Tujuan Penelitian ................................................................... 2
1.3 Batasan Masalah .................................................................... 3
1.4 Metodologi Penulisan ............................................................ 3
1.5 Sistematika Penulisan ............................................................ 4
BAB II LANDASAN TEORI
2.1 Tinjauan Umum Turbin Tesla ................................................ 5
2.2 Hukum Mekanika Fluida ....................................................... 7
2.2.1 Sifat Fluida Air ............................................................. 7
2.2.2 Aliran Fluida ................................................................ 9
2.2.3 Persamaan Aliran Fluida ............................................. 11
2.2.4 Head Turbin ................................................................. 12
2.3 Turbin Tesla ........................................................................... 15
2.3.1 Sejarah Turbin Tesla.................................................... 15
2.3.2 Bagian-Bagian Turbin Tesla ........................................ 17
2.3.3 Cara Kerja Turbin Tesla .............................................. 20
2.3.4 Keunggulan Turbin Tesla ............................................ 22
2.4 Dasar Pemilihan Turbin ......................................................... 24
2.4.1 Perhitungan Turbin ...................................................... 24
2.4.2 Karakteristik Gambar Turbin ...................................... 27
BAB III
METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN
Universitas Sumatera Utara
3.1 Konsep Dasar Perancangan dan Penelitian ............................... 30
3.1.1 Umum............................................................................. 30
3.1.2 Rancang Bangun Turbin Tesla ....................................... 30
3.1.3 Rancang Bangun Instalasi Perpipaan ............................. 32
3.2 Peralatan Pengujian................................................................... 34
3.2.1 Head Tachometer ........................................................... 34
3.2.2 Meteran .......................................................................... 35
3.2.3 Pegas Ukur .................................................................... 36
3.2.4 Pompa Pengumpan ......................................................... 36
3.3 Pelaksanaan Pengujian .............................................................. 37
BAB IV
BAB V
DATA HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA
4.1 Data Hasil Pengujian ................................................................ 41
4.1.1 Pengujian Pada Instalasi Pipa......................................... 41
4.1.2 Perhitungan Pada Turbin Tesla ...................................... 45
4.2 Analisa Data.............................................................................. 51
4.2.1 Untuk Turbin Tesla dengan Tebal dan Jarak Disk yang
berbeda (25 disk tebal 2 mm dan 24 celah
jarak 1mm) ........................................................................ 51
4.2.2 Untuk Turbin Tesla dengan tebal dan Jarak Disk yang
sama (19 disk dengan tebal 2mm dan 18 celah
jarak 2 mm) ........................................................................ 55
4.2.3 Perbandingan Variasi Jumlah dan Jarak antar Disk.......... 59
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan ............................................................................. 63
5.2 Saran ....................................................................................... 64
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
4.1 Head loses minor pada pipa 4 inci .............................................................. 43
4.2 Head loses minor pada pipa 2 inci .............................................................. 44
4.3 Pengujian dan perhitungan turbin tesla dengan jumlah
dan jarak disk yang berbeda (25 disk 2mm tebal dan 24 celah
1 mm jarak antar disk. ................................................................................ 47
4.4 Pengujian dan perhitungan turbin tesla dengan jumlah
dan jarak disk yang sama (19 disk 2mm tebal dan 18 celah
2 mm jarak antar disk) ............................................................................... 50
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Turbin Tesla yang Pertama Dibuat.................................................... 6
Gambar 2.2 Turbin Tesla Menggunakan Udara Bertekanan ................................ 6
Gambar 2.3 Aliran Laminar .................................................................................. 10
Gambar 2.4 Airan Turbulen .................................................................................. 10
Gambar 2.5 Laju Aliran Massa ............................................................................. 11
Gambar 2.6 Diagram Bernoullu Untuk Turbin Air............................................... 13
Gambar 2.7 Nikola Tesla ...................................................................................... 16
Gambar 2.8 Pengaplikasian Tesla pada Turbin Uap ............................................. 16
Gambar 2.9 Bagian-bagian dari Turbin Tesla ....................................................... 17
Gambar 2.10 Piringan (Disk) Turbin .................................................................... 18
Gambar 2.11 Celah (Space) .................................................................................. 18
Gambar 2.12 Poros................................................................................................ 19
Gambar 2.13 Nosel ............................................................................................... 19
Gambar 2.14 Rumah Turbin ................................................................................. 20
Gambar 2.15 Viskositas Fluida pada Dua Plat ..................................................... 21
Gambar 2.16 Laju Aliram Fluida yang Bekerja pada Turbin ............................... 22
Gambar 2.17 Perbandingan Effisiensi ................................................................. 23
Gambar 3.1 Turbin Tesla sebelum dirakit ............................................................ 31
Gambar 3.2 Turbin Tesla setelah dirakit ............................................................... 31
Gambar 3.3 Instalasi Pipa untuk Turbin Tesla ...................................................... 34
Gambar 3.4 Hand Tachometer .............................................................................. 35
Gambar 3.5 Meteran ............................................................................................. 35
Gambar 3.6 Pegas Ukur ........................................................................................ 36
Gambar 3.7 Pompa Pengumpan ............................................................................ 37
Universitas Sumatera Utara
AKSARA YUNANI
LAMBANG
ARTI
η
Efisiensi turbin
%
Ω
Kecepatan sudut
rpm
ω
γ (gamma)
ρ (rho)
Kecepatan sudut
Berat jenis
Massa jenis
SATUAN
rad/det
N/m3
kg/m3
Universitas Sumatera Utara