YANG DIBUAT DARI PIPA DIBELAH DENGAN RADIUS SUDU 0,875 INCI JUMLAH SUDU 20

  o TURBIN ALIRAN SILANG DENGAN BUSUR SUDU 74 YANG DIBUAT DARI PIPA DIBELAH DENGAN RADIUS SUDU 0,875 INCI JUMLAH SUDU 20

  TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

  Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

  Program Studi Teknik Mesin Oleh : Prima Adi P NIM : 055214005 PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2009

  

THE CROSSFLOW TURBINE WITH 74° OF CENTRAL ANGLE

THAT MADE FROM CUTTING PIPE LENGHTWISE WITH

RADIUS 0,875 INCH AND 20 NUMBER OF BLADE

  FINAL PAPER Presented as Fulfillment of the Requirements

  To Obtain the Sarjana Teknik Degree in Mechanical Engineering Study Programme

  

By :

Prima Adi P

Student Number : 055214005

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAMME

  

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2009

  

TUGAS AKHIR

O

TURBIN ALIRAN SILANG DENGAN BUSUR SUDU 74

YANG DIBUAT DARI PIPA DIBELAH DENGAN RADIUS SUDU

0,875 INCI JUMLAH SUDU 20

  Disusun oleh : Prima Adi P

  NIM : 055214005 telah disetujui oleh Yogyakarta, 21 Juli 2009

  Pembimbing Yosef Agung Cahyanta S.T., M.T.

  

TUGAS AKHIR

O

TURBIN ALIRAN SILANG DENGAN BUSUR SUDU 74

YANG DIBUAT DARI PIPA DIBELAH DENGAN RADIUS SUDU

0,875 INCI JUMLAH SUDU 20

  Oleh : Prima Adi P

  NIM : 055214005 Dipertahankan di Hadapan Panitia Penguji Tugas Akhir

  Fakultas Sains Dan Teknologi Pada tanggal : 14 Juli 2009

  Susunan Panitia Penguji Ketua : Doddy Purwadianto, S.T., M.T. ………………..

  Sekretaris : Ir. FA. Rusdi Sambada, M.T. ………………..

  Anggota : Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T. ………………..

  Yogyakarta, 21 Juli 2009 Fakultas Sains Dan Teknologi

  Universitas Sanata Dharma Yogyakarta

  Dekan (Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T.)

  

HALAMAN PERSEMBAHAN

Tugas Akhir ini penulis persembahkan kepada:

Bapak Ibu dan Adik tercinta

Seseorang yang selalu membuatku bersemangat , teman-teman

dan sahabat-sahabatku yang selalu

membantu demi terselesaikannya Tugas Akhir ini

  PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam tugas akhir ini tidak terdpat 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, 21 Juli 2009 Penulis

  Prima Adi P

  

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN

PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

  Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Sanata Dharma : Nama : Prima Adi P NIM : 055214005

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

  o

  ................TURBIN ALIRAN SILANG DENGAN BUSUR SUDU 74 …………… …………….YANG DIBUAT DARI PIPA DIBELAH DENGAN………………… ................DENGAN RADIUS SUDU 0,875 INCI JUMLAH SUDU 20…………… ………………………………………………………………………………………….

  Beserta perangkat yang diperlukan (bila ada). Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengolahnya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas, dan mempublikasikan di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya ataupun memberikan royalti kepada saya selama masih tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis.

  Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya. Yogyakarta, 21 Juli 2009 Yang menyatakan, Prima Adi P

  

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 yang dibelah dengan busur tertentu. Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari daya keluaran dan efisiensi kerja turbin aliran silang dengan sudu dari bilah pipa yang digunakan untuk pembangkit listrik.

  Peralatan yang digunakan adalah sebuah turbin aliran silang. Sudu turbin dibuat dari pipa dengan diameter 1,75 inch. Diameter roda jalan adalah 98 mm dengan panjang roda jalan 104 mm. Jumlah sudu pada roda jalan 20 buah dan busur sudu 74 . Penelitian dilakukan dengan memvariasikan debit yaitu 12 l/det, 10,7 l/det, 9,5 l/det, 8,2 l/det dan 7,9 l/det dan tinggi bukaan nosel 9 mm, 14 mm, dan 19 mm. Untuk menghasilkan listrik, turbin dihubungkan dengan generator. Pengukuran daya yang dihasilkan turbin dilakukan dengan mengukur tegangan dan arus yang dihasilkan generator pada kondisi generator diberi variasi pembebanan dari 10 W, 20 W, 30 W, 40 W, 50 W, 60 W, 70 W, 80 W. Pada setiap pembeban, putaran turbin diukur dengan tachometer.

  Hasil dari penelitian ini, daya terbesar terjadi pada debit 10,7 l/det dan tinggi bukaan nosel 14 mm yaitu sebesar 49,40 watt. Efisiensi tertinggi terjadi pada debit 9,5 l/det dan tinggi bukaan nosel 14 mm yaitu sebesar 21,98%.

KATA PENGANTAR

  Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat dan anugrah-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian untuk Tugas Akhir

  o

  dengan judul “TURBIN ALIRAN SILANG DENGAN BUSUR SUDU 74 YANG DIBUAT DARI PIPA DIBELAH DENGAN RADIUS SUDU 0,875 INCHI DAN JUMLAH SUDU 20”. Penulisan Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat untuk meraih gelar Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  Pada kesempatan ini penulis tidak lupa mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kapada:

  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 dalam penyelesaian tugas akhir ini.

  2. Budi Sugiharto, S.T.,M.T, sebagai ketua Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma, serta sebagai Dosen Pembimbing Akademik.

  3. Kepala Laboratorium Konversi Energi Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma yang telah memberikan ijin dan fasilitas yang dipergunakan.

  4. Kepala Laboratorium Teknik Tenaga Listrik Jurusan Elektro Universitas Sanata Dharma yang telah memberikan ijin dan fasilitas yang dipergunakan.

  5. Segenap Dosen dan Karyawan Universitas Sanata Dharma Yogyakarta yang telah memberikan banyak bantuan selama proses penelitian Tugas Akhir ini.

  6. Drs. Dwi Sujoko M.T., Guru STM Pembangunan yang telah membantu dalam proses pembuatan roda jalan.

  7. Kedua Orang Tua yang telah banyak memberikan dorongan dan dukungan, baik secara material maupun spiritual.

  8. Teman-teman kelompok penelitian microhydro yang tidak bisa penulis sebutkan satu persatu yang telah banyak membantu selama pengambilan data dan penyusunan Tugas Akhir.

  9. Teman-teman mahasiswa Teknik Mesin 2005 atas bantuan, dukungan, kritik dan saran kepada penulis.

  10. 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 demi kesempuranaan Tugas Akhir ini. Semoga penulisan Tugas Akhir ini dapat bermanfaat, baik bagi penulis maupun pembaca.

  Yogyakarta, 21 Juli 2009 Penulis

  DAFTAR ISI

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

  INTISARI ............................................................................................... viii KATA PENGANTAR ............................................................................ ix DAFTAR ISI .......................................................................................... xi DAFTAR GAMBAR ............................................................................. xiv DAFTAR TABEL .................................................................................. xvi BAB I. PENDAHULUAN ......................................................................

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

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

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

  3 1.4.

  3 Manfaat Penelitian ....................................................................

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

  5

  2.1

  5 Tinjauan Pustaka .........................................................................

  2.2

  7 Landasan Teori ...........................................................................

  2.2.1 Definisi 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 .................................

  10 2.4 Pergerakan Air Turbin Aliran Silang .........................................

  13 2.5 Perancangan Turbin Aliran Silang .............................................

  15 2.5.1 Segitiga Kecepatan ............................................................

  15 2.5.2 Perhitungan Dimensi Turbin .............................................

  17 BAB III. METODE PENELITIAN ........................................................

  23 3.1.

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

  3.2. Peralatan dan Bahan Penelitian ..................................................

  24 3.2.1 Bahan Penelitian ................................................................

  24 3.2.2 Peralatan Penelitian ...........................................................

  24 3.3. Tahapan Penelitian ......................................................................

  24 3.3.1 Persiapan ............................................................................

  24 3.3.2 Pembuatan Alat .................................................................

  25 3.3.2.1 Desain Alat ............................................................

  25 3.3.2.2 Perancangan Runner ..............................................

  26 3.3.2.3 Pembuatan Runner ................................................

  32 3.3.2.4 Pemasangan runner ke modul ...............................

  34 3.3.3 Uji Prestasi .........................................................................

  35 3.3.3.1 Cara Kerja Alat .....................................................

  36 3.3.3.2 Pengambilan Data ................................................

  38

  3.4 Analisa dan Pengolahan Data .....................................................

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

  40 4.1. Hasil Penelitian ...........................................................................

  40

  4.1.1

  40 Data Penelitian ..................................................................

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

  42 4.3. Pembahasan Data .......................................................................

  45 4.3.1 Pembahasan Daya Keluaran Hasil Penelitian ...................

  45 4.3.2 Pembahasan Efisiensi Hasil Penelitian .............................

  47 BAB V PENUTUP .................................................................................

  51 5.1 Kesimpulan ..................................................................................

  51 5.2 Saran ............................................................................................

  52 DAFTAR PUSTAKA ............................................................................

  53 LAMPIRAN

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Roda jalan turbin .........................................................................

  23 Gambar 3.2. Sudu yang Sudah Dibelah ...........................................................

  45 Gambar 4.2. Grafik Daya Alternator vs Putaran Poros Generator dengan tinggi nosel 14 mm variasi debit dan beban generator ..........................

  37 Gambar 4.1.Grafik Daya Alternator vs Putaran Poros Generator dengan tinggi nosel 9 mm variasi debit dan beban generator ............................

  36 Gambar 3.8. Urutan Kerja Alat Uji Turbin .....................................................

  34 Gambar 3.7. Skema Alat .................................................................................

  34 Gambar 3.6. Roda jalan penelitian ...................................................................

  33 Gambar 3.5. Perakitan Roda jalan....................................................................

  33 Gambar 3.4. Poros Roda jalan .........................................................................

  32 Gambar 3.3. Piringan setelah diberi alur ..........................................................

  20 Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian dan Perancangan ..................................

  10 Gambar 2.2. Alat pengarah ..............................................................................

  19 Gambar 2.11. Alur pancaran air .......................................................................

  18 Gambar 2.10. Jarak antar sudu .........................................................................

  16 Gambar 2.9. Kelengkungan sudu .....................................................................

  15 Gambar 2.8. Gabungan segitiga kecepatan pada Turbin Aliran Silang ...........

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

  14 Gambar 2.6. Defleksi pada pergerakan air Turbin Aliran Silang ....................

  13 Gambar 2.5. Aliran pergerakan air pada Turbin Aliran Silang ........................

  11 Gambar 2.4. Alternator ....................................................................................

  11 Gambar 2.3. Rumah turbin ...............................................................................

  45

Gambar 4.3. Grafik Efisiensi total vs Putaran Poros Generator dengan tinggi nosel 9 mm variasi debit dan beban generator ............................

  47 Gambar 4.4. Grafik Efisiensi total vs Putaran Poros Generator dengan tinggi nosel 9 mm variasi debit dan beban generator ............................

  48

  

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Klasifikasi turbin air........................................................................

  8 Tabel 3.1 Pilihan Ukuran Panjang dan Lebar Runner .....................................

  27 Tabel 4.1. Data penelitian dengan tinggi nosel 9 mm dan debit 8,2 l/det ........

  40 Tabel 4.2. Data penelitian dengan tinggi nosel 14 mm dan debit 10,7 l/det ....

  41 Tabel 4.3. Data penelitian dengan tinggi nosel 9 mm dan debit 7,9 l/det ........

  41 Tabel 4.4. Data penelitian dengan tinggi nosel 14 mm dan debit 9,5 l/det ......

  41 Tabel 4.5. Perhitungan data dengan tinggi nosel 9 mm dan debit 8,2 l/det ....

  43 Tabel 4.6. Perhitungan data dengan tinggi nosel 14 mm dan debit 10,7 l/det .

  44 Tabel 4.7. Perhitungan data dengan tinggi nosel 9 mm dan debit 7,9 l/det .....

  44 Tabel 4.8. Perhitungan data dengan tinggi nosel 14 mm dan debit 9,5 l/det ...

  44

BAB I PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANG

   Seiring dengan kemajuan teknologi kebutuhan masayarakat akan energi

  listrik pun semakin meningkat. Tidak dapat dipungkiri bahwa hampir seluruh peralatan yang digunakan oleh masyarakat pada umumnya menggunakan energi listrik. Listrik yang digunakan oleh masyarakat dihasilkan dari suatu sistem pembangkit tenaga listrik antara lain Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA), Pembangkit Listrik Tenaga Gas Bumi (PLTG), Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU), Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD), Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) dll. Dari berbagai macam sistem pembangkit listrik yang ada sebagian besar masih mengunakan bahan bakar fosil sebagai sumber energinya.

  Permasalahan yang dihadapi dewasa ini adalah semakin menipisnya ketersediaan bahan bakar fosil yang merupakan sumber daya alam yang tidak dapat diperbaharui serta dampaknya terhadap lingkungan terkait dengan isu pemanasan global. Untuk mengatasi permasalahan tersebut perlu dikembangkan sumber energi alternatif pengganti bahan bakar fosil terutama penggunaan sumber energi yang terbarukan seperti angin, surya, panas bumi dan air.

  Air merupakan salah satu alternatif sumber energi yang memiliki potensi yang sangat besar sebagai pengganti bahan bakar fosil. Selain karena jumlahnya yang tidak terbatas, air juga merupakan sumber energi yang bersih karena tidak menghasilkan polutan sehingga dapat mengurangi pemanasan global.

  2 Pemanfaatan energi air sebenarnya sudah dilakukan antara lain dengan adanya PLTA, namun kebanyakan hanya digunakan untuk sumber-sumber pembangkit tenaga air dengan kapasitas besar saja. Sedangkan untuk sumber pembangkit tenaga air dengan kapasitas kecil belum banyak dimanfaatkan. Oleh karena itu perlu dikembangkan suatu teknologi terapan untuk memanfaatkan potensi tersebut sehingga dapat digunakan oleh masyarakat terutama masyarakat kecil yang mengalami kesulitan distribusi listrik agar dapat mencukupi kebutuhan listrik secara swadaya.

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

  3

  1.2 RUMUSAN MASALAH

  Pembuatan sudu turbin crossflow menggunakan plat yang dilengkung tidak mudah untuk dilakukan, maka untuk mempermudah pembuatannya digunakan pipa besi yang dibelah dengan busur sudut tertentu. Informasi tentang unjuk kerja turbin

  

crossflow dengan sudu dibuat dari pipa debelah masih sedikit. Pada penelitian ini

  akan turbin crossflow dengan sudu dari pipa yang dibelah. Turbin dibuat dari pipa berdiameter 1,75 inchi yang dibelah menjadi empat dengan busur sudu 74° dan jumlah sudu 20 buah.

  Unjuk kerja turbin crossflow dipengaruhi oleh banyak parameter antara lain adalah jumlah sudu, debit air, beban generator, lebar bukaan nosel, sudut pancaran air masuk, sudut keluar, posisi pancaran air masuk, lintasan aliran di dalam turbin, rasio lebar, dan diameter roda jalan, rasio diameter dalam dan diameter luar serta manufaktur roda jalan maupun nosel. Pada penelitian ini dilakukan variasi terhadap beban generator, lebar bukaan nosel serta variasi bukaan kran.

  1.3 TUJUAN PENELITIAN

  a. Membuat turbin crossflow dengan menggunakan sudu dari pipa yang dibelah untuk pembangkit listrik.

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

  o busur sudu 74 dan jumlah sudu 20.

  4

1.4 MANFAAT PENELITIAN

  Hasil penelitian yang dilakukan penulis diharapkan dapat : 1.

  Menambah kepustakaan teknologi pembangkit listrik tenaga air.

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

  3. Mengurangi ketergantungan terhadap minyak bumi.

  4. 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 di dalam turbin, rasio lebar, dan diameter roda jalan, rasio diameter dalam dan diameter luar serta manufaktur roda jalan maupun nosel.

  Penelitian tentang turbin crossflow banyak dilakukan untuk sudu yang dibuat dari plat yang dilengkung. Turbin crossflow yang dilengkapi dengan saluran pengarah di dalam roda jalan-nya 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 nosel. Penambahan saluran di dalam roda jalan ternyata tidak menaikkan efisiensi tetapi justru menurunkan efisiensi turbin crossflow sebesar 5%.

  Penelitian terhadap pengaruh perbandingan diameter dalam dan diameter luar roda jalan juga telah dilakukan (Olgun, 1998). Dalam penelitian ini digunakan 4 buah roda jalan. Roda jalan yang diuji mempunyai jumlah sudu 28 buah, diameter luar 170 mm, dan lebar 114 mm. Perbandingan diameter dalam dan diameter luar untuk tiap roda jalan dibuat berbeda. Perbandingan diameter dalam dan diameter luar yang digunakan adalah 0,75, 0,65, 0,58 dan 0,54. Sudut masuk pancaran air dipilih

  o

  sebesar 16 . Hasil penelitian menunjukkan bahwa efisiensi tertinggi dicapai pada

  6 perbandingan 0,75 dan terendah pada perbandingan 0,54 dengan perbedaan sebesar 3%. Efisiensi yang biasa dicapai adalah sebesar 72%.

  Penelitian terhadap pengaruh sudut nosel menunjukkan bahwa efisiensi akan semakin besar jika sudut nosel semakin besar (Khosrowpanah, 1988). Penelitian ini menggunakan 3 buah roda jalan dengan jumlah sudu 20, 15, dan 10 serta 1 buah roda jalan dengan diameter setengah dari diameter roda jalan yang lain, sedangkan jumlah sudunya 20. Dari penelitian ini juga didapatkan bahwa efisiensi tertinggi dari tiap roda jalan dicapai pada kecepatan spesifik yang sama. Semakin banyak jumlah sudu akan memberikan efisiensi yang semakin tinggi, namun jumlah sudu tersebut ada batasnya. Untuk sudut nosel tertentu efisiensi maksimum dicapai pada jumlah sudu tertentu. Ada jumlah sudu optimum untuk sudut nosel tertentu (Joshi, 1995).

  Penelitian terhadap pengunaan sudu dari pipa yang dibelah sebagai pengganti plat yang dilengkung sudah mulai dilakukan. Pada penelitian tersebut digunakan variasi diameter pipa, busur sudu, serta jumlah sudu. Salah satu diantaranya adalah penelitian mengenai unjuk kerja turbin crossflow dengan radius sudu 0,875 inchi, busur sudu 74 dan jumlah sudu 18. Dari penelitian ini diperoleh daya maksimal yang dibangkitkan 68,9 watt dan efisiensi yang dihasilkan 17,26% (Sutarja, 2009).

  7

2.2 LANDASAN TEORI

  2.2.1 Definisi Turbin Air

  Turbin air adalah 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 di bawah tekanan tinggi di dalam dam dilepaskan ke dalam suatu saluran dimana akan menggerakkan 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 menentukan tinggi air jatuh dan kapasitas air. Selain itu pemilihan turbin juga tergantung dari kecepatan putar yang diminta oleh generator.

  2.2.2 Jenis-Jenis Turbin Air

  Terdapat berbagai jenis turbin air yang digunakan untuk penyediaan kebutuhan energi listrik. Turbin air biasanya dikelompokkan berdasarkan kegunaan tertentu, kapasitas aliran, dan tinggi air jatuh. Oleh karena itu, turbin air diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara. Secara umum turbin air dikelompokkan menurut tinggi air jatuh (head) dan juga prinsip kerja turbin tersebut merubah energi air menjadi energi puntir. Berdasarkan klasifikasi ini turbin air dibagi menjadi :

  8 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 di sudu jalan.

  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 roda jalan (bagian turbin yang berputar) dapat berputar. Turbin yang bekerja berdasarkan prinsip ini dikelompokkan sebagai turbin reaksi. Roda jalan turbin reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah turbin.

Tabel 2.1 Klasifikasi turbin air

  Head Tinggi Head Sedang Head Rendah

  Turbin Impuls Turbin Pelton Turbin Crossflow Turbin Crossflow Turbin Turgo Turbin Pelton

  Multi Jet

  Turbin Turgo Turbin Reaksi Turbin Francis Turbin Kaplan

  9

2.3 TURBIN ALIRAN SILANG

2.3.1 Definisi Turbin Aliran Silang

  Turbin aliran silang (crossflow) dikembangkan oleh Michell (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 nagian atas dan kemudian dari dalam keluar melalui sudu-sudu bagian bawah.

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

  2

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

  2

  sampai dengan 7 m /detik. Kecepatan putaran turbin aliran silang antara 60 rpm sampai 200 rpm. Hal ini dipengarui oleh diameter roda jalan. Aliran turbin aliran silang sangat besar yaitu mencapai 87,7 %. Dengan daerah daya turbin yang disebut di atas, turbin aliran silang cocok digunakan untuk menggerakan penggilingan, penggergaji kayu, generator listrik kecil, pompa-pompa.

  10

2.3.2 Bagian-bagian Turbin Aliran Silang

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

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

Gambar 2.1 Roda jalan turbin

  2. Alat Pengarah Alat pengarah pada turbin sering disebut dengan nosel. Nosel pada turbin aliran silang berbentuk persegi panjang. Ukuran nosel disesuaikan dengan ukuran roda jalan turbin.

  11

Gambar 2.2 Alat Pengarah

  3. 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 berputar pada posisi yang sama.

Gambar 2.3 Rumah Turbin 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

  12 (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.

  13

Gambar 2.4. Altenator (Forcefield, 2003)

  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 tegangan keluaran (V) yang kemudian digunakan untuk menentukan besarnya daya yang dihasilkan.

2.4 PERGERAKAN AIR TURBIN ALIRAN SILANG

  Dari kapasitas air dan tinggi air jatuh dapat diperoleh potensi daya air yang tersedia yaitu (Dietzel, 1996, hal. 2) :

  P = ρ ⋅ g ⋅ Q ⋅ H ......................................................................................... 2.1 _in

  Dengan : P : Daya yang tersedia (W).

  in

  3

  : Massa jenis air (kg/m ) ρ

  2

  g : Percepatan gravitasi (m/s )

  14

3 Q : Debit air (m /s)

  H : Tinggi air jatuh (m) Pada gambar 2.6 diasumsikan bahwa pancaran air dari nosel masuk ke dalam runner pada titik A dengan membentuk sudut

  α terhadap kecepatan kelilingnya. Kecepatan air memasuki roda jalan (V _{1 2} 1 ) dihitung dengan (Mockmore, 1949, hal 6) :

  V = C ⋅ ( ₁ 2 ⋅ g ⋅ H ) ..................................................................................... 2.2

  Dengan : V = Kecepatan absolut.

1 C = Koefisien berdasarkan nosel

  α adalah sudut antara kecepatan absolut dengan kecepatan keliling lingkaran roda jalan dan β adalah sudut antara kecepatan relatif dengan kecepatan keliling lingkaran roda jalan. Dengan indek 1 menandakan kecepatan masuk dan indek 2 menandakan kecepatan keluar sudu jalan turbin.

Gambar 2.5 Aliran pergerakan air pada Turbin Crossflow (Sumber : Mockmore, 1949, hal. 6)

  15 Alur pergerakan air pada kenyataannya tidak seperti yang terdapat dalam

  (gambar 2.6) karena terdapat defleksi sebesar θ seperti dalam (gambar 2.7).

Gambar 2.6 Defleksi pada pergerakan air pada Turbin Crossflow (Sumber : Mockmore, 1949)

2.5 PERANCANGAN TURBIN ALIRAN SILANG

2.5.1 Segitiga Kecepatan Sudut , V , dan u .

  1

  

1

  1

  β1 ditentukan oleh nilai α

Gambar 2.7 Segitiga kecepatan pada Turbin Crossflow (Sumber : Mockmore, 1949)

  16 Jika u = ½ V cos ............................................................................................... 2.3

  1 1 α

  1

  maka tan

  2 = 2 tan 1 ............................................................................................. 24

  β α

  o o o o

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

  1

  1

  α β 1949, hal 10).

  ’ 2 adalah sudut sudu keluar sisi atas pada keliling dalam roda jalan. Dengan

  Β asumsi v = v dan = , untuk membuat aliran pancaran air radial maka besarnya

  1 2 α 1 α

  2 o 2 ’ = 90 .

  β

Gambar 2.8 Gabungan Segitiga Kecepatan Pada Turbin Aliran Silang (Sumber : Mockmore, 1949)

  17

2.5.2 Perhitungan Dimensi Turbin

  1 ) N H D

  = (Mockmore, 1949, hal 15)……................ 2.6 Dengan : Q = Debit aliran air (cfs).

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

  1

  d. Jari-jari kelengkungan sudu ( ρ)

  ⋅ = ⋅ (Mockmore, 1949, hal 17)................................................... 2.7

  210 6 , H Q D L

  c. Perbandingan panjang dan diameter turbin _{2 1 1}

  = 0.087

  = 0.98 K = Faktor koreksi.

  C = Koefisien nosel.

  ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

  2

  a. Diameter Luar Roda jalan (D

  2 862 144

  ( ) ^{2 1 2 1}

  b. Panjang Turbin (L)

  H = Head ketinggian (inch) N = Putaran turbin (rpm)

  (Mockmore, 1949, hal 14) ....................................................... 2.5 Dengan :

  862 ⋅ =

  1

  1

  H g k C H N Q L

  18 Dengan : r

  1 = jari-jari luar roda jalan (inci)

  e. Lebar velk radial (a )

  1

  = 17 , D a ⋅ (Mockmore, 1949, hal 12)............................................................ 2.9

Gambar 2.9 Kelengkungan sudu (Sumber : Mockmore, 1949)

  f. Jarak antar sudu (t) Jarak antar sudu meliputi jarak antar sudu pancaran air masuk (s

  1

  ), jarak sudu pancaran air keluar (s

  2 ) dan jarak antar sudu (t) (gambar 2.10)

  1

  1 D k s ⋅ = (Mockmore, 1949, hal 14)............................................................. 2.10 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜

  ⎝ ⎛ ⋅ = ₁ ² ₂ r r t s

  (Mockmore, 1949, hal 11)........................................................... 2.11

  19

  2 , 1986 945 ,

  , 1314 945 ,

  2

  1

  2 ) (gambar 2.11) ( )

  ⋅ − = (Mockmore Banki, 1949, hal 14) ………......... 2.14 i. Jarak pancaran dari keliling dalam (y

  1 d D k y −

  1

  1 ) (gambar 2.11) ( )

  1 ¹ sin ⋅

  h. Jarak pancaran dari poros (y

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

  t D n ¹

  g. Jumlah sudu (n)

Gambar 2.10 Jarak antar sudu (Sumber : Mockmore, 1949)

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

  β

  =

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

  20

Gambar 2.11 Alur pancaran air

  

(Sumber : Mockmore, 1949)

  j. Efisiensi maksimal turbin

  1

  u = ⋅ V ⋅ cos

  Jika α

  1

  1

  1

  2 maka tan

  1 = 2 tan

  1

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

  1

  2 ε = ⋅ C ⋅

  1 ψ ⋅ cos ⋅ α

• 2

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

  1

  2 k. Nosel

  Meliputi penampang nosel (A) dan tinggi pancaran air nosel (s )

  o Q A =

  (Mockmore, 1949, hal 17)............................................................. 2.17

  V

  1

  (kg/mm2) .............................................................................2.22

  δ ................................................................................ 2.19 m. Perhitungan poros

  σ σ

  ( ) _{2 1} Sf Sf ^{B a} × =

  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

  Sf1 dan Sf2 = faktor kemanan Cb = Faktor Cb nilainya 1,2 sampai 2,3. Jika diperkirakan tidak terjadi pembebanan lentur maka Cb = 1.

  B = Kekuatan tarik bahan (kg/mm2)

  Parameter-parameter yang digunakan dalam perhitungan poros sebagai berikut ; P = Daya yang ditransmisikan (kW) Fc = Faktor koreksi (Sularso, 2004, hal. 7) n = Putaran poros (rpm) Pd = fc × P (kW)..................................................................... 2.20 T = Momen puntir rencana (kg.mm) T = 9,74 ×105........................................................................ 2.21 σ

  β β

  21

  Tan

  1 r r

  2

  ⎝ ⎛

  ⎟ ⎠ ⎞ ⎜

  l. Sudu pusat sudu jalan (gambar 2.13)

  L A s _{o = (Mockmore, 1949, hal 17)............................................................ 2.18}

• =
_{1 2 1} ¹ sin cos

  22 ds = diameter minimal poros (mm) _{3 1}

  5 ⎥ ⎦ ⎤

  ⎢ ⎣ ⎡ × × × = T Cb Kt d _{a s}

  τ ................................................................................ 2.23 n. Perhitungan Daya yang tersedia (P

  in

  )

8 QHe

  8 ,

  P = 8 ,

  P = (HP)..................................................................................................2.24

  1 ,

8 QH

  out

  = V x I....................................................................................................... 2.25 Dimana :

  V = Tegangan (volt) I = Arus (ampere) p. Perhitungan Efisiensi Total (

  η)

  % 100 × = _in ^out P P

  η .................................................................................................2.26

  P

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

BAB III METODE PENELITIAN

3.1 DIAGRAM ALIR PERANCANGAN DAN PENELITIAN

  MULAI STUDI PUSTAKA PERANCANGAN TURBIN ALIRAN SILANG PEMBUATAN TURBIN ALIRAN SILANG PENELITIAN TURBIN ALIRAN SILANG PENGAMBILAN DATA PENGOLAHAN DATA SELESAI

Gambar 3.1. Diagram Alir Perancangan dan Penelitian

  24

3.2 PERALATAN DAN BAHAN PENELITIAN

  3.2.1 Bahan Penelitian

  Bahan-bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah: a.

  Pipa hitam diameter 1 ¾ inci , panjang 1m b. Plat tebal 15 mm x 100 mm x 100 mm , 2 buah c. Besi poros diameter 30 mm x 300 mm.

  3.2.2 Peralatan Penelitian

  Peralatan yang digunakan dalam penelitian adalah: a.

  Kerangka modul mikrohidro b. Modul Mikrohidro Cihanjuang c. Peralatan kerja bangku d. Alat ukur (roll meter, jangka sorong, tachometer, tang ampere) e. Mesin bubut, mill, bor f. Gergaji besi g.

  Las asetelin

3.3 TAHAPAN PENELITIAN

3.3.1 Persiapan

  Tahap awal dari penelitian ini adalah studi pustaka. Pada tahap ini, bahan- bahan yang akan digunakan sebagai referensi dikumpulkan. Referensi yang dikumpulkan berasal dari berbagai sumber, namun kebanyakan berasal dari internet. Referensi ini berupa hasil penelitian lembaga lain dan buku-buku acuan.

  25

3.3.2 Pembuatan Alat

3.3.2.1 Desain Alat

  Pada tahapan ini, gambar kerja dibuat. Sebelum membuat gambar kerja, terlebih dahulu dibuat sketsa alat serta menentukan ukuran alat yang akan dibuat.Penelitian akan dilaksanakan dengan membuat sebuah roda jalan dengan diameter dan panjang yang sama dengan roda jalan bawaan dari alat uji turbin.

  Perbedaannnya terletak pada jumlah sudu, sudut sudu, bahan sudu dan proses pembuatan roda jalan.

  Roda jalan bawaan dari Cihanjuang rencananya akan dilepas, dan digantikan dengan roda jalan yang akan dibuat sendiri. Sedangkan komponen lain seperti rumah roda jalan, generator, transmisi sabuk dan puli, panel-panel listrik, dan nosel akan 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 menggantikan laju aliran sungai, digunakan pompa berkapasitas 20 L/dtk dan Head 21 m.

  Pompa mengalirkan air yang ditampung pada sebuah bak air kapasitas 240 liter. Air tersebut dipompakan menuju ke nosel melalui pipa penstock berdiameter 2 inci. Untuk mengatur debit dan head masuk Nosel, dipasang dua buah kran pada pipa penstock. Air yang masuk ke nosel akan digunakan untuk memutar roda jalan di dalam rumah roda jalan, kemudian masuk kembali ke dalam bak penampung. Roda jalan akan memutar generator yang dihubungkan dengan roda jalan menggunakan transmisi sabuk dan puli. Generator akan menghasilkan listrik yang akan diukur pada pengambilan data untuk penelitian ini.

  26

3.3.2.2 Perancangan Runner