TUGAS AKHIR - Turbin aliran silang menggunakan sudu dari bilah pipa dengan jumlah sudu 30 - USD Repository

TURBIN ALIRAN SILANG MENGGUNAKAN SUDU DARI BILAH PIPA DENGAN JUMLAH SUDU 30 TUGAS AKHIR

  Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

  Program Studi Teknik Mesin

   

  Diajukan oleh : TJEN EDISON

  NIM : 055214080

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA

  

THE CROSSFLOW TURBINE USING BLADE THAT

MADE FROM CUTTING PIPE LENGTHWISE WITH 30

NUMBER OF BLADES

FINAL PROJECT

  Presented as Partial Fulfillment of the Requirements to Obtain the Sarjana Teknik Degree in Mechanical Engineering

  By : TJEN EDISON

  Student Number : 055214080 To

  

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

  Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam Tugas Akhir ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu Perguruan Tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.

  Yogyakarta, 30 Januari 2010 Tjen Edison

  

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN

PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

  Yang bertanda tanggan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma:

  Nama : Tjen Edison Nomor Mahasiswa : 055214080

  Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul :

  

TURBIN ALIRAN SILANG MENGGUNAKAN SUDU DARI BILAH PIPA

DENGAN JUMLAH SUDU 30

  beserta peragkat yang diperlukan (bila ada). Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, me- ngalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas, dam mempublikasikan di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya maupun memberikan royalti kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis.

  Demikian pernyataan ini yang saya buat dengan sebenarnya. Dibuat di Yogyakarta Pada tanggal : 30 Januari 2010 Yang Menyatakan (Tjen Edison)

KATA PENGANTAR

  Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat dan anugrah-Nya, sehingga Tugas Akhir ini dapat tersusun dan dapat terselesaikan dengan lancar. Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat yang harus ditempuh untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  Dalam penulisan Tugas Akhir ini, penulis banyak mendapatkan bantuan yang berupa dorongan, motivasi, doa, sarana, materi sehingga dapat terselesaikannya Tugas akhir ini. Oleh karena itu penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah memberikan bantuannya, antara lain :

  1. Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T., selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Sanata Dharma dan dosen Pembimbing Utama Tugas Akhir.

  2. Budi Sugiharto, S.T.,M.T, selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin

  3. Kepala Laboratorium Konversi Energi Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma yang telah memberikan ijin dan fasilitas yang dipergunakan serta karyawan yang telah membantu dalam penelitian ini.

  4. Segenap staf pengajar Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta yang telah mendidik dan memberikan ilmu pengetahuan kepada penulis sehingga sangat berguna dalam penyelesaian Tugas Akhir ini.

  5. Segenap staf karyawan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.

  6. Drs. Dwi Sujoko M.T., Guru STM Pembangunan yang telah membantu dalam pengelasan runner

  7. Ayah, Ibu dan Kakak saya   yang selalu memberikan dorongan, motivasi, bantuan moral maupun materi.

  8. Timotius Sembiring, Valentine Apri dan Julianto teman seperjuangan dalam pembuatan Tugas Akhir ini.

  9. Serta semua pihak yang tidak mungkin disebutkan satu per satu yang telah ikut membantu dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

  Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan-kekurangan yang perlu diperbaiki dalam penulisan Tugas Akhir ini, untuk itu penulis mengharapkan masukan dan kritik, serta saran dari berbagai pihak untuk menyempurnakannya. Semoga penulisan Tugas Akhir ini dapat bermanfaat, baik bagi penulis maupun pembaca. Terima kasih.

  Yogyakarta, 30 Januari 2010 Penulis

  

INTISARI

Turbin aliran silang banyak digunakan untuk pembangkit listrik skala mikro.

  

Pembuatan sudu turbin dari plat yang dilengkung sulit dilakukan, sehingga sudu

dibuat dari pipa yang dibelah. Geometri sudu turbin aliran silang sebenarnya sama

dengan geometri pipa yang dibelah dengan busur tertentu. Penelitian ini bertujuan

untuk mempelajari unjuk kerja turbin aliran silang dengan sudu dari pipa yang

dibelah yang digunakan untuk pembangkit listrik.

  Peralatan yang digunakan adalah sebuah turbin aliran silang. Sudu turbin

dibuat dari pipa dengan diameter 2inch. Diameter runner adalah 156 mm dengan

lebar runner 196 mm. Jumlah sudu pada runner 30 buah. Penelitian dilakukan

dengan memvariasikan nozzle,dan beban. Nozzle yang divariasikan adalah 14x196

  2

  2

  2

mm ,10x196 mm ,dan 7x196 mm . Untuk menghasilkan listrik turbin dihubungkan

dengan generator. Pengukuran daya yang dihasilkan turbin dilakukan dengan

mengukur tegangan dan arus yang generator pada kondisi generator diberi variasi

pembebanan 5 W, 10W, 15 W, 20W, 25W, 30W, 35W, 40W, 50W, 55W, 60W, 65W,

  

70W, 75W, 80W dan 85W. Pada setiap pembeban, putaran turbin diukur dengan

tachometer.

  Hasil penelitian menunjukan bahwa daya terbesar terjadi pada penampang

  2

nozzle 7x196 mm dengan besar daya 13,68 Watt dan efisiensi maksimal mencapai

5,859%.

   

  DAFTAR ISI

  13 2.3.4 Perancangan Dimensi Turbin Crossflow .................................

  34 3.5.6 Pembuatan dudukan Runner .....................................................

  34 3.5.5 Pembuatan Menara .................................................................

  33 3.5.4 Pengelasan Runner ..................................................................

  32 3.5.3 Pembuatan Poros .....................................................................

  30 3.5.2 Pembuatan Piringan Runner ....................................................

  30 3.5.1 Pembuatan Bilah Sudu ............................................................

  25 3.5 Pembuatan Turbin ................................................................................

  24 3.4 Perancangan Turbin .............................................................................

  24 3.3 Peralatan Pendukung Penelitian .........................................................

  23 3.2 Bahan Penelitian .................................................................................

  23 3.1 Diagram Alir Penelitian ......................................................................

  21 BAB III METODE PENELITIAN ...................................................................

  16 2.3.5 Perhitungan Analisis Data ......................................................

  11 2.3.3 Pergerakan Air Turbin Crossflow ...........................................

  HALAMAN JUDUL ............................................................................................ i TITLE PAGE ...................................................................................................... ii HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ................................................. iii HALAMAN PENGESAHAN ............................................................................... iv   PERNYATAAN KEASLIAN KARYA .............................................................. v HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI .......................... vi KATA PENGANTAR ......................................................................................... vii

  10 2.3.2 Bagian Turbin Crossflow ........................................................

  10 2.3.1 Pengertian Turbin Crossflow ..................................................

  8 2.3 Turbin Crossflow ................................................................................

  8 2.2.2 Jenis Turbin Air ......................................................................

  8 2.2.1 Definisi Turbin Air .................................................................

  6 2.2 Landasan Teori ...................................................................................

  6 2.1 Tinjauan Pustaka .................................................................................

  4 BAB I DASAR TEORI ..................................................................................

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

  4 1.3 Tujuan Penelitian ................................................................................

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

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

  INTISARI .............................................................................................................. ix DAFTAR ISI ........................................................................................................ x DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... xii DAFTAR TABEL ................................................................................................ xiv DAFTAR LAMBANG ........................................................................................ xv BAB I PENDAHULUAN ...............................................................................

  35

  3.6.1 Cara kerja Turbin ....................................................................

  36 3.6.2 Pengambilan Data .....................................................................

  37 3.6.3 Pengolahan dan Analisis Data ..................................................

  39 3.6.4 Kesulitan Penelitian ................................................................

  39 BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ..................................

  41 4.1 Data Hasil Penelitian ..........................................................................

  41 4.2 Perhitungan Data Penelitian ...............................................................

  44 4.3 Pembahasan ........................................................................................

  50 4.3.1 Pembahasan Daya Hasil Penelitian .........................................

  50 4.3.2 Pembahasan Efisiensi Hasil Penelitian ....................................

  53 BAB V KESIMPULAN ...................................................................................

  56 5.1 Kesimpulan .........................................................................................

  56 5.2 Saran ...................................................................................................

  56 DAFTAR PUSTAKA .........................................................................................

  57 LAMPIRAN .........................................................................................................

  58

  DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Aliran Air Pada Turbin Crossflow (Mockmore, 1949, hal. 6) ....

  13 Gambar

  2.2 Defleksi Pada Pergerakan Air Pada Turbin Crossflow (Mockmore, 1949, hal. 8) ............................................................

  14 Gambar 2.3 Segitiga Kecepatan Pada Turbin Crossflow (Mockmore, 1949, hal. 8) ...........................................................................................

  15 Gambar

  2.4 Gabungan Segitiga Kecepatan Pada Turbin Crossflow (Mockmore, 1949, hal. 11) ..........................................................

  15 Gambar 2.5 Kelengkungan Sudu (Mockmore, 1949, hal. 6) ..........................

  17 Gambar 2.6 Jarak Antar Sudu (Mockmore, 1949, hal. 9) ...............................

  18 Gambar 2.7 Alur Pancaran Air (Mockmore, 1949, hal.13) .............................

  19 Gambar 2.8 Penampang Nozzle ......................................................................

  20 Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian ...............................................................

  23 Gambar 3.2 Pipa yang Telah Dispotong dan Dimal Sudut ..............................

  31 Gambar 3.3 Pipa yang Telah Disekrap ............................................................

  31 Gambar 3.4 Sudu Dari Pipa yang Dibelah 74 ................................................

  32 Gambar 3.5 Piringan yang Sudah Dibubut .......................................................

  32 Gambar 3.6 Piringan Runner ............................................................................

  33 Gambar 3.7 Pembubutan Pada Poros ..............................................................

  33 Gambar 3.8 Poros ............................................................................................

  36 Gambar 3.9 Runner Penelitian yang Sudah Dilas ..........................................

  37 Gambar 3.10 Menara ........................................................................................

  35

Gambar 3.12 Skema Alat penelitian ..................................................................

  51 Gambar 4.5 Grafik Hubungan Efisiensi Total Turbin Dengan Putaran Turbin Pada Penampang Nozzle 7 x 196 mm

  54 Gambar 4.8 Grafik Hubungan Efisiensi Total Turbin Dengan Putaran Turbin Pada Berbagai Variasi Penampang Nozzle ...................................

  2 Dengan Debit 8,1 L/s ....

  53 Gambar 4.7 Grafik Hubungan Efisiensi Total Turbin Dengan Putaran Turbin Pada Penampang Nozzle 14 x 196 mm

  2 Dengan Debit 7,6 L/s ....

  53 Gambar 4.6 Grafik Hubungan Efisiensi Total Turbin Dengan Putaran Turbin Pada Penampang Nozzle 10 x 196 mm

  2 Dengan Debit 6,8 L/s ......

  2 Dengan Debit 8,1 L/s ....

  38 Gambar 3.13 Rangkaian Listrik .......................................................................

  51 Gambar 4.4 Grafik Hubungan Daya Keluaran Total Dengan Putaran Turbin Pada Penampang Nozzle 14 x 196 mm

  50 Gambar 4.3 Grafik Hubungan Daya Keluaran Total Dengan Putaran Turbin Pada Berbagai Variasi Penampang Nozzle ...................................

  2 Dengan Debit 7,6 L/s ....

  50 Gambar 4.2 Grafik Hubungan Daya Keluaran Total Dengan Putaran Turbin Pada Penampang Nozzle 10 x 196 mm

  2 Dengan Debit 6,8 L/s ......

  35 Gambar 4.1 Grafik Hubungan Daya Keluaran Total Dengan Putaran Turbin Pada Penampang Nozzle 7 x 196 mm

  54

  

DAFTAR TABEL

Tabel 1.1 Status Cadangan Energi Fosil Nasional 2007 (Sumber: DESDM, 2008) ...............................................................................................

  1 Tabel 2.1 Klasifikasi Turbin Berdasarkan Head dan Prinsip Kerja ................

  9

  2 Tabel 4.1 Data Penelitian Pada Penampang Nozzle 7 x 196 mm dengan Debit 6,8 l/s ......................................................................................

  41

  2 Tabel 4.2 Data Penelitian Pada Penampang Nozzle 10 x 196 mm dengan Debit 7,6 l/s ......................................................................................

  42

  2 Tabel 4.3 Data Penelitian Pada Penampang Nozzle 14 x 196 mm dengan Debit 8,1 l/s ......................................................................................

  43

  2 Tabel 4.4 Perhitungan Data Pada Penampang Nozzle 7 x 196 mm dengan Debit 6,8 l/s .....................................................................................

  45

  2 Tabel 4.5 Perhitungan Data Pada Penampang Nozzle 10 x 196 mm dengan Debit 7,6 l/s ......................................................................................

  47

  2 Tabel 4.6 Perhitungan Data Pada Penampang Nozzle 14 x 196 mm dengan Debit 8,1 l/s .....................................................................................

  49

DAFTAR LAMBANG

  H = Head (m)

  3 Q = Debit

  (m /detik) (%)

  η = Efisiensi turbin D

  

1 = Diameter turbin (m)

  L = Panjang Turbin (m) (m)

  ρ = Jari-jari kelengkungan sudu turbin a = Lebar velk radial (m) s

  1 = Jarak antar sudu pancaran air masuk (m)

  t = Jarak antar sudu (m)

  o

1 = Sudut masuk ( )

  β s

  

2 = Jarak antar sudu pancaran air keluar (m)

  n = Jumlah sudu (buah) y

  1 = Jarak pancaran dari poros (m)

  y

  2 = Jarak pancaran dari keliling dalam (m)

  A = Penampang nosel (m) s = Tinggi pancaran air nosel (m)

  o

  N = Kecepatan Putar (rpm)

  o

  = Sudut pusat sudu jalan ( ) Δ P = Daya yang tersedia (W)

  in

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

  Listrik memegang peranan utama dalam kegiatan manusia sehari-hari. Mesin- mesin industri, alat transportasi, komunikasi, kesehatan, penerangan, kegiatan rumah tangga dan masih banyak lagi kegiatan lainnya bergantung pada listrik sebagai sumber tenaga. Listrik yang digunakan tersebut dihasilkan oleh suatu pembangkit listrik. Di Indonesia penyediaan listrik dilakukan oleh PLN. Beberapa pembangkit listrik yang tersebar di berbagai daerah di Indonesia yang digunakan oleh PLN untuk menyediakan listrik antara lain pembangkit listrik tenaga air (PLTA), pembangkit listrik tenaga gas (PLTG), pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dan pembangkit listrik tenaga diesel (PLTD). Setiap pembangkit listrik tersebut menggunakan tenaga atau bahan bakar untuk menghasilkan listrik. Untuk PLTU dan PLTD bahan bakar utamanya adalah batubara atau minyak bumi. Batubara maupun minyak bumi merupakan sumber energi fosil yang tidak dapat diperbaharui dan saat ini cadangan minyak bumi di dunia semakin berkurang.

Tabel 1.1. Status Cadangan Energi Fosil Nasional 2007 (Sumber: DESDM, 2008)

  Rasio Energi Sumber Daya Cadangan Produksi/Tahun Cad/Prod Fosil Tahun

  Minyak 56,6 miliar barel 8,4 miliar barel)* 348juta barel

  24 Gas 334,5 TSCF 165 TSCF 2,7 TSCF

  62 CBM 453 TCF

  )*Termasuk blok cepu

  Cadangan minyak yang semakin berkurang tersebut menyebabkan harga minyak melonjak dan secara langsung mengakibatkan krisis energi. Berbagai cara yang dilakukan pemerintah untuk mengatasi krisis energi antara lain dengan membangun Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) di Semenanjung Muria, Jepara, Jawa Tengah. Akan tetapi PLTN ini hanya baru direncanakan pembangunannya karena masih banyak terjadi pro dan kontra di masyarakat.

  Masalah lain yang saat ini masih terjadi di Indonesia sehubungan dengan listrik adalah belum meratanya penyediaan listrik terutama di daerah terpencil. Belum meratanya penyediaan listrik ini seringkali terkendala oleh keadaan geografis dan belum adanya jalan utama yang menghubungkan daerah tersebut.

  Cara lain untuk mengatasi krisis energi dan belum meratanya penyediaan listrik di daerah terpencil adalah memanfaatkan energi terbarukan. Energi terbarukan tersebut bisa berupa energi surya, energi gelombang, energi angin, dan energi air. Air memiliki potensi yang sangat besar dan dapat digunakan sebagai sumber energi yang dapat menggantikan penggunaan energi fosil. Kelebihan dari penggunaan air sebagai sumber energi yaitu tidak menghasilkan polutan sehingga tidak mempunyai potensi merusak ozon maupun potensi pemanasan global.

  Dari data yang dikeluarkan oleh Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral Republik Indonesia tahun 2006, pemanfaatan energi air di Indonesia masih sangat kecil, baru sekitar 4,2 GW atau 5,55 % dari potensi yang bisa mencapai 845 juta BOE (Barell Oil Equivalent) atau setara 75,670 GW. Potensi ini digunakan untuk kapasitas yang besar, sedangkan untuk skala yang kecil digunakan pembangkit mikrohidro sendiri baru terpasang 0,084 GW dari potensi sebesar 0,45 GW atau baru 18 % pemanfaatannya.

  Pembangkit listrik tenaga air menggunakan turbin sebagai alat untuk mengkonversi potensi energi air menjadi energi mekanik untuk memutar generator listrik. Penyediaaan kebutuhan listrik dengan daya yang kecil (mikrohidro/pikohidro) banyak digunakan turbin aliran silang (crossflow). Pemilihan turbin crossflow sebagai penyedia listrik dalam skala kecil karena bisa digunakan untuk head (tinggi

  3

  jatuh air) yang rendah yaitu 1 m – 200 m dan kapasitas aliran air 0,02 m /detik – 7

  3

  m /detik. 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, manufaktur runner maupun nozzle dan juga kelengkungan sudu. Sudu turbin crossflow biasanya dibuat dari pelat yang dilengkung. Pembuatan sudu tersebut tentu saja tidak mudah, apalagi bagi masyarakat kebanyakan. 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.

  1.2 Rumusan Masalah

  Informasi tentang unjuk kerja turbin crossflow dengan sudu dibuat dari pipa dibelah tidak diketahui. Pada penelitian ini akan dibuat turbin crossflow dengan sudu dari pipa yang dibelah. Turbin akan dibuat dari pipa hitam berdiameter 2 inchi yang dibelah menjadi empat dengan besar busur sudu 74 dan jumlah sudu 30 buah.

  Turbin crossflow akan diteliti unjuk kerjanya pada berbagai variasi beban dan penampang nozzle.

  1.3 Tujuan Penelitian

  a. Membuat Turbin crossflow dengan menggunakan sudu dari pipa besi 2 inch yang dibelah untuk pembangkit listrik.

  b. Mengetahui daya dan efisiensi total terbaik dari Turbin crossflow dengan

  o

  busur sudu 74 dan jumlah sudu 30 pada variasi beban dan penampang nozzle .

  c. Mengetahui dan membandingkan daya serta efisiensi turbin terbaik dari variasi penampang nozzle dengan debit.

  1.4 Manfaat Penelitian

  Hasil penelitian ini 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, manufaktur runner maupun nozzle dan juga kelengkungan sudu.

  Penelitian tentang turbin crossflow banyak dilakukan untuk sudu yang dibuat dari plat yang dilengkung. Turbin crossflow yang dilengkapi dengan saluran pengarah 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 di dalam 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 pengaruh sudut busur sudu telah dilakukan. Sudut busur sudu yang digunakan adalah 60 (Evan, 2009) dan 95 (Rendi, 2009). Sudu dari kedua turbin dibuat dari pipa dengan diameter 1,25 inch yang kemudian dibelah.

  

Runner yang diuji memiliki jumlah sudu 20 buah, diameter luar 98 mm dan lebar 104

  mm. Sudut pancaran air yang masuk digunakan adalah 16 . Hasil dari penelitian menunjukkan penambahan sudut busur sudu dari 60 menjadi 95 menyebabkan daya maksimal yang dihasilkan turbin turun yaitu dari 36,4 Watt menjadi 19,2 Watt. Penurunan daya tersebut menyebabkan penurunan efisiensi. Efisiensi yang dihasilkan pada sudut busur sudu 60 sebesar 9,08%, sedangkan pada sudut busur sudu 95 sebesar 3,97%.

   

2.2 Landasan Teori

  2.2.1 Definisi 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 mengoperasikan 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 Turbin Air

  Turbin air mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. Energi mekanis diubah dengan generator listrik menjadi tenaga listrik. Berdasarkan prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis, turbin air dibagi menjadi dua kelompok yaitu : 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.

  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.

  Selain itu turbin juga diklasifikasikan berdasarkan daerah pengoperasian. Turbin yang diklasifikasikan berdasarkan daerah pengoperasian dibagi menjadi 3 kelompok yaitu high head, medium head dan low head.

Tabel 2.1 Klasifikasi Turbin Berdasarkan Head dan Prinsip Kerja

  high head medium head low head

  Pelton Cross-flow cross-flow Turbin Impuls multi-jet

  Turgo Pelton Turgo

  Turbin Reaksi Francis Propeller Kaplan

2.3 Turbin Crossflow

2.3.1 Pengertian Turbin Crossflow

  Turbin crossflow atau yang juga dikenal dengan nama Turbin Michell-Banki merupakan salah satu jenis turbin impuls. Turbin crossflow merupakan pengembangan lanjut dari turbin Ossberger. Turbin crossflow terdiri dari dua bagian yaitu nozzle dan runner. Turbin crossflow menggunakan nozzle persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner. Runner turbin dibuat dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel. Pancaran air dari nozzle masuk turbin dan mengenai sudu sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Pancaran air masuk turbin melalui bagian atas, memberikan energi ke sudu kemudian masuk ke bagian dalam turbin dan keluar melalui bagian bawah turbin. Turbin mengambil energi air dua kali yaitu melalui sudu atas dan sudu bawah. Pada bagian atas turbin mengambil energi sebesar 72 % dan pada bagian bawah turbin mengambil energi sebesar 28 %.

  Turbin crossflow sangat baik digunakan untuk pusat tenaga air yang kecil dengan daya yang dihasilkan ± 750 KW. Ketinggian head yang bisa digunakan yaitu

  2

  diatas 1 m sampai dengan 200 m. Kapasitas aliran air 0,02 m /detik sampai dengan 7

  2

  m /detik. Kecepatan putaran turbin crossflow antara 60 rpm sampai 200 rpm. Hal ini dipengaruhi oleh diameter runner. Efisiensi turbin crossflow yang dihasilkan bisa mencapai 87,8 %. Dengan daerah daya turbin yang disebut di atas, turbin crossflow cocok digunakan untuk menggerakan penggilingan, penggergaji kayu, generator listrik kecil dan pompa-pompa.

2.3.2 Bagian Turbin CrossFlow

  Turbin Crossflow memiliki beberapa bagian utama yaitu :

  1. Roda Jalan (Runner)

  Runner terdiri dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan

  paralel. Pancaran air yang diarahkan oleh nozzle akan mengenai sudu runner dan memutar runner. Runner merupakan bagian yang paling utama dari turbin crossflow karena putaran runner akan ditransmisikan ke generator menggunakan puli sehingga menghasilkan daya.

  2. Alat Pengarah (Nozzle/nosel)

  Nozzle merupakan alat pengarah pancaran air ke runner yang bisa diatur ketinggiannya. Nozzle pada turbin aliran silang berbentuk persegi panjang.

  Panjang nozzle disesuaikan dengan panjang runner turbin.

  3. Rumah Turbin Rumah turbin digunakan sebagai tempat untuk memasang runner. Selain

  runner, di dalam rumah turbin juga terdapat nozzle. Rumah turbin dilengkapi

  dengan bantalan (bearing) sebagai penyangga poros untuk mencegah runner oleng saat berputar. Bearing juga berfungsi mengurangi gesekan pada poros sehingga poros dapat berputar dengan lancar. Energi mekanis yang dihasilkan oleh turbin crossflow dapat dimanfaatkan untuk memperoleh energi listrik. Untuk itu diperlukan generator atau motor listrik.

  Generator atau motor listrik akan mengubah tenaga mekanis menjadi tenaga listrik arus bolak-balik atau AC (Alternating Current). Generator AC dibagi menjadi 2 jenis yaitu generator sinkron dan generator asinkron (induksi). Pada penelitian digunakan motor induksi 3 fasa sebagai generator (IMAG). Untuk pembangkit listrik dengan kapasitas kecil sampai 5 kW penggunaan motor induksi lebih handal daripada motor asinkron karena harganya lebih murah dan banyak terdapat di pasaran. Prinsip kerja motor induksi yaitu kecepatan berputarnya rotor tidak sama dengan kecepatan medan putar stator. Motor induksi memiliki 2 bagian penting, yaitu :

  a. Rotor Rotor adalah bagian yang berputar (menjadi satu dengan poros motor) dan terdapat lilitan induksi magnet. Pada rotor terdapat bagian yang berfungsi sebagai kutub magnet yang terletak pada sisi luar dari lilitan. Rotor berfungsi menghasilkan medan magnet yang menginduksikan ke stator. Rotor motor induksi dibedakan menjadi 2 jenis yaitu rotor sangkar tupai dan gulungan rotor.

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

  Besarnya arus yang dihasilkan oleh motor induksi tergantung pada besarnya putaran alternator dan kekuatan medan magnet. Prinsip motor listrik dalam menghasilkan listrik sama dengan prinsip 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 tegangan keluaran (V) yang kemudian digunakan untuk menentukan besarnya daya yang dihasilkan.

2.3.3 Pergerakan Air Turbin Crossflow

  )

  runner pada titik A dengan membentuk sudut α terhadap kecepatan kelilingnya.

  Pada Gambar 2.1 diasumsikan bahwa pancaran air dari nozzle masuk kedalam

  H : tinggi air jatuh (m)

  /detik)

  3

  Q : debit air (m

  Dari kapasitas air dan tinggi air jatuh dapat diperoleh potensi daya air yang tersedia yaitu:

  H Q g P in

  g : percepatan gravitasi (m/detik

  )

  3

  : massa jenis air (kg/m

  P : daya yang dihasilkan turbin (W) ρ

  ρ = (Dietzel, 1993, hal 2) .......................... 2.1 Dengan

  2 Kecepatan air memasuki runner (V

  1 ) dihitung dengan : ½

  V

  1 = C(2gH) (Mockmore, 1949, hal. 6) ................... 2.2

  Dengan : C : koefisien kerugian pada nozzle

  α adalah sudut antara kecepatan absolut dengan kecepatan keliling lingkaran

  runner dan

  β 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.

  Alur pergerakan air pada kenyataannya tidak seperti yang terdapat dalam

Gambar 2.2 (kiri) karena terdapat defleksi sebesar

  θ seperti dalam Gambar 2.2 (kanan).

Gambar 2.2 Defleksi Pada Pergerakan Air Pada Turbin Crossflow

  (Mockmore, 1949, hal. 8)

  

 

   

Gambar 2.3 Segitiga Kecepatan Pada Turbin Crossflow

  (Mockmore, 1949, hal. 8) Jika u

  1 = ½ V 1 cos 1 ........................................................................................... 2.3

  α maka tan = 2 tan ..........................................................................................

  2.4

  2

  1

  β α

  o o o o

  jika

  1 = 16 , maka 1 = 29 , 30 atau 50 atau nilai pendekatan. (Mockmore, 1949,

  α β hal. 10).

  ’

  adalah sudut sudu keluar sisi atas pada keliling dalam runner. Dengan Β

  2

  asumsi v

  1 = v 2 dan 1 = 2 , untuk membuat aliran pancaran air radial maka besarnya

  α α

  o ’ = 90 .

  2

  β

   

Gambar 2.4 Gabungan Segitiga Kecepatan Pada Turbin Crossflow

  (Mockmore, 1949, hal. 11)

2.3.4 Perancangan Dimensi Turbin Crossflow

  a. Diameter Luar Runner (D _{1 2} 1 ) 862 ⋅ H

  D ₁ = (Mockmore, 1949, hal. 15) .......... 2.5 N

  dengan : H = head ketinggian (in) N = putaran turbin (rpm)

  b. Panjang Runner (L) 144 ⋅ Q ⋅ N

  

L = (Mockmore, 1949, hal. 15 ) ............

_{1 2 1 2}

  2.6 862 ⋅ H ⋅ C ⋅ k ⋅ 2 ⋅ g ⋅ H

  ( )

  Dengan : Q = Debit aliran air (cfs) C = Koefisien nozzle = 0,98 k = Faktor koreksi = 0,087 c. Panjang dan Diameter Runner

  210 , 6 ⋅ Q L ⋅ D = (Mockmore, 1949, hal. 17) .......... 2.7 _{1 1 2} H

  dengan : L = lebar runner (inch), D

  1 = diameter runner (inch),

3 Q = debit air (ft /s),

  d. Jari-Jari Kelengkungan Sudu (

  ρ)

  (Mockmore, 1949, hal. 15) ........... 2.8 = , 326 ⋅ r

  ρ ₁ dengan : r = jari-jari luar runner (in)

  1

  e. Lebar Velk Radial (a) a = 0,17 . D (Mockmore, 1949, hal. 12) ........... 2.9

  1 Gambar 2.5 Kelengkungan Sudu (Mockmore, 1949, hal. 16)

  f. Jarak Antar Sudu (t)

  s = k ⋅ D _{1 1} (Mockmore, 1949, hal. 14) ........... 2.10

  ⎛ r ⎞ ₂

  s t (Mockmore, 1949, hal. 11) ............ 2.11 ₂ = ⋅

  ⎜⎜ ⎟⎟

  r ₁

  ⎝ ⎠

  1 ¹ sin ⋅

  )

  ( ) ^{1 2}

  )

  2

  i. Jarak Pancaran dari Keliling Dalam (y

  ⋅ − = (Mockmore, 1949, hal. 14) ............ 2.14

  2 , 1986 945 , _{1 1} d D k y −

  ( )

  1

  =

  h. Jarak Pancaran dari Poros (y

  π (Mockmore, 1949, hal. 17) ............ 2.13

  ⋅ =

  t D n ¹

  g. Jumlah Sudu (n)

Gambar 2.6 Jarak Antar Sudu (Mockmore, 1949, hal. 9)

  s t (Mockmore, 1949, hal. 10) ........... 2.12

  β

  , 1314 945 , D k y ⋅ ⋅ − = (Mockmore, 1949, hal. 14) ............ 2.15

Gambar 2.7 Alur Pancaran Air (Mockmore, 1949, hal.13)

  j. Efisiensi Maksimal Turbin ( max ) ε

  1

  u = ⋅ V ⋅ cos

  jika α

  1

  1

  1

  2 maka tan = 2 tan β α

  1

  1

  ψ = koefisien empiris yang nilainya sekitar (0,98) (Mockmore, 1949, hal. 9)

  1

  2

  = ⋅ C ⋅ 1 ⋅ cos ⋅

• 2

  ε ( ψ ) α

  (Mockmore, 1949, hal. 9) .............. 2.16

  max

  1

  2 k. Nozzle

  Nozzle pada turbin crossflow berbentuk persegi panjang. Ukuran nozzle

  ditentukan dengan :

  Q A (Mockmore, 1949, hal. 17) ............ 2.17 =

  V ₁

  (kg.mm) (Sularso, 2004, hal. 7) ................ 2.21 Dengan : N = putaran poros (rpm)

  δ (Mockmore, 1949, hal. 15) ............ 2.19 m. Perhitungan Poros

  N Pd

  ×

  5

  T = 9,74 × 10

  ................................................... 2.24

  P d = P in x η

  Parameter-parameter yang digunakan dalam perhitungan poros sebagai berikut ;

  β β

  L A s o

  Tan

  1 r r

  2

  ⎝ ⎛

  ⎟ ⎠ ⎞ ⎜

  Sudut Pusat Sudu Jalan

Gambar 2.8 Penampang Nozzle l.

  = (Mockmore, 1949, hal. 17) ............ 2.18

• =
_{1 2 1} ¹ si
• Daya Turbin (P turbin , P d )
• Momen Puntir (T)
• Tegangan Geser yang Diijinkan ( a )

  τ

  σ B

  2 τ =

  (kg/mm ) (Sularso, 2004, hal. 8) ................ 2.22

  a ( Sf

  1 Sf × 2 )

  Dengan : _B

  2

  = kekuatan tarik bahan (kg/mm ) σ Sf

  1 , Sf 2 = faktor keamanan

• Diameter Minimal Poros (d s )
_{3 1} ⎡ ⎤ 5 ,

  1 d s = × Kt × Cb × T (mm) (Sularso, 2004, hal. 8) ................ 2.23 ⎢ ⎥

  τ _a ⎣ ⎦

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

  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.

2.3.5 Perhitungan Analisis Data

  a. ) Perhitungan Daya yang Tersedia (P

  

in

  P in = ρ ⋅ ⋅ ⋅ ...................................................................................... 2.24

  g Q H

  b. Perhitungan Daya Keluaran (P )

  out

  P out = V I ................................................................................................ 2.25 Dengan : V : tegangan listrik yang dihasilkan (volt) I : kuat arus listrik yang dihasilkan (ampere)

  c. ) Efisiensi Total ( total

  η

  P in

  η = x 100%

  ............................................................................. 2.26

  total P out

BAB III METODE PENELITIAN

3.1 Diagram Alir Penelitian

  Perancangan Turbin Pembelian Bahan

  Pembuatan Turbin Pembubutan

  Poros Pembelahan Pipa

  Untuk Bilah Sudu Pembubutan Pelat Untuk

  Dijadikan Piringan Runner Proses CNC Piringan

  Runner

  Pengelasan Pengambilan Data

  Analisis Data Studi Pustaka

  Start Penyusunan Laporan

  Selesai

  3.2 Bahan Penelitian

  Bahan-bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah:

  a. Pipa Baja diameter 2 inch , panjang 2 m

  b. Plat tebal 15 mm x 100 mm x 156 mm , 2 buah c. Besi poros diameter 30 mm x 404 mm.

  3.3 Peralatan Penelitian

  Peralatan yang digunakan pada penelitian adalah: