Pembangkit listrik tenaga mikrohidro menggunakan turbin pelton dengan jumlah sudu 16 dan 18 - USD Repository

  

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO

MENGGUNAKAN TURBIN PELTON

DENGAN JUMLAH SUDU 16 DAN 18

  TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

  Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Mesin

  

Oleh :

Yohanes Eka Arif Widayaka

NIM : 065214041

  

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2011

MYCROHYDRO POWER PLANT USING PELTON TURBINE WITH NUMBER OF BUCKET 16 AND 18

  FINAL PAPER Presented as Fulfillment of the Requirements

  For the Degree of Sarjana Teknik Mechanical Engineering Study Programme

  By : Yohanes Eka Arif Widayaka Student Number : 065214041 MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAMME SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA 2011

  

INTISARI

Turbin pelton banyak digunakan untuk pembangkit listrik skala mikro.

  Pembuatan sudu turbin dari bahan logam sulit dilakukan oleh masyarakat. Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari unjuk kerja turbin pelton.

  Peralatan yang digunakan adalah sebuah turbin pelton. Sudu turbin dibuat dari bahan resin dengan panjang sudu 62,3 mm, lebar 55,8 mm dan tinggi 19,7 mm. Diameter runner adalah 164 mm dan dengan menggunakan sudu 16 dan 18 buah. Penelitian dilakukan dengan memvariasikan debit dan jumlah sudu.

  Diameter nosel divariasikan menjadi ¾”, dan ½”. Untuk menghasilkan listrik, turbin dihubungkan dengan generator. Pengukuran daya yang dihasilkan turbin dilakukan dengan mengukur tegangan dan arus yang dihasilkan generator. generator diberi variasi pembebanan dari 5 Watt, 10 Watt, 15 Watt, 21 Watt, 26 Watt sampai mencapai beban maksimal sebesar 260 Watt. Pada setiap pembebanan, putaran turbin diukur dengan tachometer.

  Daya tertinggi diperoleh pada jumlah sudu 18 buah dengan diameter nosel ½” yaitu sebesar 76,15 Watt. Efisiensi yang dihasilkan sebesar 25,55 %.

  Penambahan jumlah sudu meningkatkan daya serta efisiensi. Kata kunci : Turbin pelton, Jumlah Sudu.

KATA PENGANTAR

  Puji dan Syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala berkat dan bimbingan-Nya dalam penyusunan skripsi berjudul

  

“PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO MENGGUNAKAN

TURBIN PELTON DENGAN JUMLAH SUDU 16 DAN 18”.

  Skripsi ini disusun sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta, sekaligus sebagai wujud harapan dan cita-cita penulis untuk selalu belajar tanpa batas.

  Penyusunan skripsi ini tidak mungkin dapat terlaksana dengan baik tanpa adanya bantuan dan kerjasama dari berbagai pihak yang terkait. Pada kesempatan ini, dengan segala kerendahan hati, penulis ingin menyampaikan terima kasih kepada :

  1. Yosef Agung Cahyanta, S.T, M.T. selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma, dan Dosen Pembimbing Tugas Akhir.

  2. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T. selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.

  3. Ir. YB. Lukiyanto, M.T. selaku Dosen Pembimbing Akademik.

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

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

  6. Kepala Laboratorium Teknologi Mekanik Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma yang telah memberikan ijin dan fasilitas yang dipergunakan.

  7. Segenap karyawan Sekretariat Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma dan semua karyawan dan staff Universitas Sanata Dharma.

  8. Ayahku Emanuel Purwatma, untuk doa, dukungan dan segalanya yang telah diberikan sehingga dapat terselesaikannya tugas akhir ini.

  9. Ibuku Christina Dwi Mulatsih, untuk dukungan, kasih sayang dan doanya.

  10. Adikku Cecilia Heru Purwitaningsih, untuk segala dukungan yang diberikan selama ini.

  11. Marcellianus Prayudi Kurniawan dan Advendo Wibowo Sitompul, teman seperjuangan dalam Tugas Akhir, terimakasih atas bantuan dan kerjasamanya.

  12. Teman – teman mahasiswa Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma yang tidak bisa saya sebutkan satu per satu.

  13. Seluruh pihak yang telah ambil bagian dalam proses penulisan tugas akhir ini.

  Penulis menyadari sepenuhnya bahwa laporan tugas akhir ini masih jauh dari sempurna karena keterbatasan pengetahuan yang dimiliki penulis. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari pembaca untuk menyempurnakan laporan ini. Akhir kata, semoga laporan ini dapat berguna bagi pembaca semua.

  Penulis

  

DAFTAR ISI

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

  INTISRI .............................................................................................................. vii KATA PENGANTAR ........................................................................................ viii DAFTAR ISI ....................................................................................................... xi DAFTAR TABEL ............................................................................................... xv DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... xvi DAFTAR LAMPIRAN ...................................................................................... xviii

  BAB I PENDAHULUAN

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

  1.2 Rumusan Masalah............................................................................... 3

  1.3 Tujuan dan Manfaat ............................................................................ 3

  1.3.1 Tujuan ......................................................................................... 3

  1.3.2 Manfaat ....................................................................................... 4

  BAB II DASAR TEORI

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

  2.2 Definisi Turbin Air ............................................................................. 6

  2.3 Jenis – Jenis Turbin Air ...................................................................... 7

  2.4 Turbin Pelton ...................................................................................... 11

  2.4.1 Cara Kerja Turbin Pelton .............................................................. 11

  2.4.2 Bagian Utama Turbin Pelton ........................................................ 13

  1. Runner ......................................................................................... 13

  2. Nosel ............................................................................................ 14

  3. Rumah Turbin .............................................................................. 15

  4. Puli ............................................................................................... 15

  5. Bantalan ....................................................................................... 15

  6. Kelistrikan .................................................................................. 16

  2.4.3 Ukuran – Ukuran Utama Turbin Pelton ....................................... 17

  2.4.4 Perancangan Turbin Pelton ........................................................... 18

  a. Perhitungan Daya yang Tersedia ................................................. 18

  b. Bagan Kecepatan Turbin Pelton .................................................. 19

  c. Nosel ............................................................................................ 19

  d. Dimensi Turbin ............................................................................ 20

  BAB III METODE PENELITIAN

  3.1 Perancangan Alat ................................................................................ 25

  3.2 Perhitungan Turbin ............................................................................. 26

  3.3 Pembuatan Turbin............................................................................... 31

  3.3.1 Pembuatan Turbin......................................................................... 31

  a. Pembuatan Bucket Turbin ........................................................... 31

  b. Pembuatan Disc Turbin ............................................................... 33

  c. Pembuatan Poros.......................................................................... 34

  d. Pembuatan Nosel ......................................................................... 34

  e. Pembuatan Rumah Turbin ........................................................... 35

  3.4 Penelitian Alat .................................................................................... 36

  3.4.1 Alat yang Digunakan .................................................................... 36

  3.4.2 Cara Kerja Alat ............................................................................. 36

  3.4.3 Variabel yang diukur .................................................................... 37

  3.4.4 Variabel yang Divariasi ................................................................ 37

  3.4.5 Pengambilan Data ......................................................................... 38

  3.4.6 Pengolahan Data dan Analisa Data .............................................. 39

  BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

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

  4.1.1 Data Hasil Pengukuran Debit pada Diameter Nosel ¾” dan ½” .. 40

  4.1.2 Data Pengujian Turbin Sudu 18 Diameter Nosel ¾” .................... 40

  4.1.3 Data Pengujian Turbin Sudu 18 Diameter Nosel ½” .................... 41

  4.1.4 Data Pengujian Turbin Sudu 16 Diameter Nosel ¾” .................... 42

  4.1.5 Data Pengujian Turbin Sudu 18 Diameter Nosel ½” .................... 43

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

  4.2.1 Perhitungan Daya dan Efisiensi pada Sudu 18 Diameter Nosel ¾” ................................................ 45

  4.2.2 Perhitungan Daya dan Efisiensi pada Sudu 18 Diameter Nosel ½” ................................................ 45

  4.2.3 Perhitungan Daya dan Efisiensi pada Sudu 16 Diameter Nosel ¾” ................................................ 47

  4.2.4 Perhitungan Daya dan Efisiensi pada Sudu 16 Diameter Nosel ½” ................................................ 48

  4.3 Pembahasan ........................................................................................ 50

  4.3.1 Daya dan Efisiensi pada Sudu 18 ................................................. 50

  4.3.2 Daya dan Efisiensi pada Sudu 16 ................................................. 51

  4.3.3 Daya dan Efisiensi pada Sudu 18 dan 16 Diameter Nosel ¾” ..... 53

  4.3.4 Daya dan Efisiensi pada Sudu 18 dan 16 Diameter Nosel ½” ..... 54

  BAB V PENUTUP

  5.1 Kesimpulan ......................................................................................... 58

  5.2 Saran ................................................................................................... 59 DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................... 60 LAMPIRAN ........................................................................................................ 61

  

DAFTAR TABEL

  Halaman

Tabel 2.1 Pemilihan Generator Berdasarkan Tinggi Jatuh Ideal ........................ 5Tabel 2.2 Faktor – Faktor Koreksi Daya yang akan ditransmisikan ................... 23Tabel 3.1 Tabel Kecepatan Spesifik.................................................................... 28Tabel 4.1 Data Pengukuran Debit pada Diameter Nosel ¾” dan ½” .................. 40Tabel 4.2 Data Pengujian Jumlah Sudu 18 Diameter Nosel ¾” ......................... 40Tabel 4.3 Data Pengujian Jumlah Sudu 18 Diameter Nosel ½” ......................... 41Tabel 4.4 Data Pengujian Jumlah Sudu 16 Diameter Nosel ¾” ......................... 42Tabel 4.5 Data Pengujian Jumlah Sudu 16 Diameter Nosel ½” ......................... 43Tabel 4.6 Daya dan Efisiensi pada Sudu 18 Diameter Nosel ¾” ........................ 45Tabel 4.7 Daya dan Efisiensi pada Sudu 18 Diameter Nosel ½” ........................ 46Tabel 4.8 Daya dan Efisiensi pada Sudu 16 Diameter Nosel ¾” ........................ 48Tabel 4.9 Daya dan Efisiensi pada Sudu 16 Diameter Nosel ½” ........................ 49

  

DAFTAR GAMBAR

  Halaman

Gambar 2.1 Turbin Francis ................................................................................. 9Gambar 2.2 Turbin Kaplan ................................................................................. 10Gambar 2.3 Turbin Pelton ................................................................................... 11Gambar 2.4 Runner ............................................................................................. 13Gambar 2.5 Nosel................................................................................................ 15Gambar 2.6 Bagan Kecepatan Turbin Pelton ...................................................... 19Gambar 2.7 Harga Standar Untuk Perencanaan Turbin ...................................... 21Gambar 2.8 Desain Bucket ................................................................................. 21Gambar 3.1 Sudu ................................................................................................. 32Gambar 3.2 Piringan ........................................................................................... 33Gambar 3.3 Runner ............................................................................................. 33Gambar 3.4 Poros ................................................................................................ 34Gambar 3.5 Nosel................................................................................................ 34Gambar 3.6 Rumah Turbin ................................................................................. 35Gambar 3.7 Urutan Kerja Alat ............................................................................ 37Gambar 4.1 Grafik Hubungan Daya dengan Putaran Sudu 18 ........................... 50Gambar 4.2 Grafik Hubungan Efisiensi dengan Putaran Sudu 18 ...................... 50Gambar 4.3 Grafik Hubungan Daya dengan Putaran Sudu 16 ........................... 51Gambar 4.4 Grafik Hubungan Efisiensi dengan Putaran Sudu 16 ...................... 52Gambar 4.5 Grafik Hubungan Daya pada Sudu 18 dan 16 Diameter Nosel ¾” ........................................ 53Gambar 4.6 Grafik Hubungan Efisiensi pada Sudu 18 dan 16 Diameter Nosel ¾” ....................................... 53Gambar 4.7 Grafik Hubungan Daya pada Sudu 18 dan 16 Diameter Nosel ½” ........................................ 54Gambar 4.8 Grafik Hubungan Efisiensi pada Sudu 18 dan 16 Diameter Nosel ½” ....................................... 55

BAB I PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANG

  Dewasa ini perkembangan energi sangat pesat, terutama di negara maju dan berkembang. Dapat kita ketahui bahwa energi sangatlah fital kebutuhannya bagi kelangsungan ekonomi sosial dan kemakmuran di negara tersebut. Energi listrik adalah energi yang digunakan manusia dan tidak banyak menimbulkan polusi serta dapat dikonversikan ke dalam bentuk energi yang lainnya. Listrik merupakan kebutuhan manusia, listrik yang digunakan saat ini berasal dari Pembangkit Listrik Tenaga Uap ( PLTU ) dan Pembangkit Listrik Tenaga Diesel ( PLTD ) yang bahan bakarnya berasal dari bahan bakar fosil seperti batu bara dan minyak bumi. Permasalahan yang dihadapi saat ini adalah menipisnya ketersediaan sumber energi yang tidak dapat diperbaharui, seperti bahan bakar fosil yaitu batu bara dan minyak bumi, serta polusi yang dihasilkan oleh pembakaran batu bara dan minyak bumi tersebut. Karena dapat merusak lapisan ozon dan mengakibatkan pemanasan global. Untuk mengatasi hal itu alangkah lebih baik jika digunakan dan dikembangkan sumber energi yang dapat diperbaharui.

  Penelitian – penelitian tentang pemanfaatan energi alternatif sangat berguna bagi perkembangan teknologi saat ini yang mengutamakan keramahan lingkungan dan yang terutama mengurangi ketergantungan akan energi yang berasal dari batu bara dan minyak bumi. Di Indonesia kekayaan akan sumber energi tersebut begitu banyak, seperti energi air, namun seberapa jauh energi yang tersimpan itu sudah diolah, masih jauh dari target yang diharapkan. Air merupakan salah satu sumber daya alam yang tidak terbatas jumlahnya. Air juga mempunyai potensi yang sangat besar dan dapat digunakan sebagai sumber energi yang bersih karena tidak menghasilkan polutan. Pemilihan energi air ini karena di Indonesia masih memiliki potensi yang sangat besar mencapai 230,913 KW, yang tersebar diseluruh pulau- pulau di Indonesia. Pemanfaatan energi air sebagai sumber listrik sangat bermanfaat, terutama bagi daerah yang belum terjangkau aliran listrik tetapi memiliki sumber air yang besar. Hal ini sangat cocok dikembangkan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro ( PLTMH ).

  Pembangkit listrik tenaga air menggunakan turbin sebagai alat untuk mengkonversi potensi energi air menjadi energi mekanik untuk memutar generator yang nantinya akan menghasilkan listrik. PLTMH yaitu pembangkit listrik tenaga air dengan skala yang kecil, dimana daya yang dibutuhkan tidak besar ( 10 - 150 kW ) maka turbin pelton cocok digunakan untuk PLTMH ini. Sudu turbin pelton biasanya dibuat dari bahan alumunium atau stainless steel. Bagi masyarakat kebanyakan pembuatan sudu tersebut tentunya tidaklah mudah dan memakan banyak biaya. Oleh karena itu sudu turbin dapat dibuat dari bahan resin, sehingga pembuatannya menjadi lebih mudah dan tidak memakan banyak biaya. Masyarakat akan dapat membuat sendiri, sehingga masyarakat dapat berswadaya energi listrik. Sampai sekarang ini pemanfaatan bahan resin sebagai bahan pembuat sudu turbin pelton tidak banyak dilakukan sehingga informasi tentang unjuk kerjanya kurang diketahui.

  Sudu turbin pelton dibuat berbentuk dua buah mangkok sehingga pancaran air dari nosel terbagi oleh sudu menjadi dua bagian dan

  o meninggalkan sudu dengan cara dibelokkan melalui sudut yang hampir 180 .

  Reaksi impuls menghasilkan suatu momen puntir pada poros sudu yang menyebabkan runner berputar dan terus berputar selama ada pancaran yang menerjang sudu. Untuk pembangkit listrik dengan daya yang kecil, ukuran runner dapat disesuaikan dengan debit dan tinggi jatuh air.

  1.2 RUMUSAN MASALAH Pada penelitian ini sudu turbin dibuat dari resin. Turbin tersebut akan diteliti bagaimana daya dan efisiensi yang dihasilkan jika divariasikan jumlah sudu dan diameter nosel.

  1.3 TUJUAN DAN MANFAAT

1.3.1 Tujuan a.

  Melakukan percobaan pembuatan turbin pelton dengan sudu yang terbuat dari bahan resin.

  b.

  Mengetahui daya dan efisiensi dari turbin pelton.

  c.

  Membandingkan daya serta efisiensi turbin terbaik dari variasi jumlah sudu dan variasi diameter nosel.

1.3.2 Manfaat a.

  Dapat diterapkan pada daerah yang memiliki potensi air sebagai pembangkit listrik.

  b.

  Menambah kepustakaan tentang pembangkit listrik tenaga mikrohidro.

  c.

  Menambah pengetahuan masyarakat, khususnya tentang pembangkit listrik tenaga mikrohidro.

BAB II DASAR TEORI

  2.1. TINJAUAN PUSTAKA Unjuk kerja turbin pelton dipengaruhi oleh banyak parameter antara lain adalah tinggi air jatuh, kapasitas, kecepatan spesifik, kecepatan putar roda, jumlah nosel, diameter runner, diameter pancar air, kecepatan air keluar, kecepatan tangensial.

  Penelitian Turbin pelton jenis pico power pack (Phillip Maher,Version 2.0,May 2001), turbin ini bekerja pada head minimal 20 meter. Penelitian menggunakan head 70 meter dan debit 15 liter/detik.

  Penelitian ini membedakan tiga buah variasi ukuran diameter runner, untuk 3 jenis generator, lebih jelas dapat dilihat pada table 2.1.

Tabel 2.1. Pemilihan generator berdasarkan tinggi jatuh ideal

  Penelitian terhadap bucket pelton (John S. 2006). Penelitian ini mengunakan diameter runner 400 mm, diameter nosel 31 mm, kecepatan ₃ putaran 1150 rpm, debit 270.6 m /h, daya 83 kW, dengan jumlah bucket adalah 22 buah, dan jumlah nosel 2 buah. Dari penelitian ini didapat efisiensi bucket tergantung pada pancaran air dan momentum sudut air keluar.

  2.2. DEFINISI TURBIN AIR Kata "turbine" ditemukan oleh seorang insinyur Perancis yang bernama Claude Bourdin pada awal abad 19, yang diambil dari terjemahan bahasa Latin dari kata "whirling" (putaran) atau "vortex" (pusaran air). Turbin air adalah suatu turbin dengan menggunakan air sebagai fluida yang dapat mengubah energi potensial dan kinetik dari air menjadi energi mekanik. Turbin air merupakan perkembangan dari kincir air yang telah dipergunakan orang sejak beberapa abad yang lalu.

  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. Penggunaan turbin air yang umum adalah sebagai mesin penggerak untuk pembangkit tenaga listrik, apabila dibanding dengan penggunaan beberapa jenis mesin pembangkit yang lain, maka turbin air mempunyai keuntungan sebagai berikut :

• murah.

  Konstruksinya relatif sederhana, perawatannya mudah dan

• sehingga menguntungkan untuk pemakaian yang lama.

  Waktu operasinya relatif lama, biaya operasi relatif murah

• Kaidah energi menyatakan bahwa suatu bentuk energi akan dapat diubah menjadi bentuk energi yang lain. Air yang mengalir mempunyai energi yang dapat digunakan untuk memutar roda turbin.

  Tidak mengakibatkan pencemaran udara dan air. Pusat – pusat tenaga air dibangun di sungai – sungai dan di pegunungan

• – pegunungan. Pusat tenaga air tersebut dapat dibedakan dalam 2 golongan, yaitu pusat tenaga air tekanan tinggi dan pusat tenaga air tekanan rendah. Untuk memanfaatkan potensi air tekanan tinggi perlu dibangun reservoir di daerah yang tinggi. Dengan menggunakan pipa, air tersebut dialirkan ke rumah pusat tenaga atau rumah turbin. Rumah turbin dibangun di bagian bawah reservoir, dan di dalam rumah turbin tersebut terpasang satu atau dua buah nosel dan turbin. Lewat nosel air akan menyemprot keluar dan menghantam sudu dan akhirnya turbin berputar. Putaran dari turbin akan diteruskan untuk memutar generator yang menghasilkan listrik.

  2.3. JENIS – JENIS TURBIN AIR Turbin air mempunyai variasi yang cukup banyak jika dibandingkan dengan berbagai jenis mesin pembangkit yang lain.

  a.

  Turbin Reaksi Pada turbin reaksi konstruksi dibuat sedemikian rupa sehingga rotor bekerja karena aliran dari tinggi terjun yang menghasilkan tekanan. Pada turbin jenis ini alir mengalir melalui sudu – sudu rotor yang bergerak dengan tekanan lebih tinggi dari pada tekanan atmosfir, dan keluar dari rotor melalui pipa buang. Air mempunyai tekanan sedikit lebih tinggi dari tekanan atmosfir.

  Contoh turbin reaksi adalah :

• Turbin Francis bekerja dengan memakai proses tekanan lebih. Pada waktu air masuk ke roda jalan, sebagian dari energi tinggi jatuh yang telah bekerja di dalam sudu pengarah diubah sebagai kecepatan arus masuk. Sisa energi tinggi jatuh dimanfaatkan atau bekerja di dalam sudu jalan. Dengan adanya pipa isap memungkinkan energi tinggi jatuh bekerja di sudu jalan dengan semaksimum mungkin. Pada sisi sebelah luar roda jalan terdapat tekanan kerendahan ( kurang dari 1 atm ) dan kecepatan aliran air yang tinggi. Di dalam pipa isap kecepatan aliran akan berkurang dan tekanannya akan kembali naik, sehingga air bisa dialirkan keluar lewat saluran air bawah dengan tekanan seperti keadaan sekitarnya. Pipa isap pada turbin ini mempunyai tugas yang mirip dengan sudu hantar yang terdapat pada pompa sentrifugal, yaitu sama – sama mengubah energi kecepatan menjadi energi tekanan. Turbin yang dikelilingi dengan sudu pengarah semuanya terbenam di dalam air. Air yang masuk ke dalam turbin bisa dialirkan melalui pengisian air dari atas atau melalui suatu rumah yang berbentuk spiral ( rumah keong ). Roda jalan semuanya selalu bekerja. Daya yang dihasilkan turbin bisa diatur dengan cara mengubah posisi pembukaan sudu pengarah. Dengan demikian kapasitas air yang masuk ke dalam roda

  Turbin Francis turbin bisa diperbesar atau diperkecil. Turbin Francis dioperasikan dengan posisi poros vertikal dan horisontal.

Gambar 2.1. Turbin Francis

   (Sumber :

• Turbin Kaplan adalah turbin tekanan yang spesial. Pada saluran sudu jalan belokannya hanya sedikit. Pada waktu bekerja sudu jalan turbin bisa diatur posisinya, disesuaikan dengan perubahan tinggi air jatuh. Turbin ini cocok untuk pusat tenaga air yang dibangun di sungai. Daya yang dihasilkan turbin bisa lebih dari 100000 kW. Karena sudu pengarah dan sudu jalan bisa diatur maka turbin Kaplan pada perubahan tinggi jatuh dan kapasitas air yang besar randemennya juga tinggi. Turbin Kaplan mempunyai keuntungan harga yang lebih murah bila dipakai satu tenaga listrik yang besar yang terdiri dari beberapa

  Turbin Kaplan buah turbin dan secara sendiri – sendiri masing – masing mesin dioperasikan untuk kapasitas air yang konstan.

Gambar 2.2 Turbin Kaplan (Sumber : http://en.Wikipedia.com ) b.

  Turbin Impuls Pada turbin impuls konstruksi mesin dibuat sedemikian rupa sehingga rotor bekerja karena aliran, disini beda tinggi diubah menjadi kecepatan, pada turbin jenis ini tekanan air pada waktu masuk dan keluar rotor adalah sama dengan tekanan atmosfir.

  Contoh dari turbin impuls adalah turbin pelton.

  2.4. TURBIN PELTON Turbin Pelton merupakan turbin impuls, karena putaran runner turbin pelton terjadi akibat pembelokan pancaran air pada mangkok ganda runner. Oleh karena itu turbin pelton disebut juga turbin pancaran bebas. Aliran air yang keluar dari nosel tekanannya sama dengan tekanan atmosfir di sekitarnya. Energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk sudu jalan turbin diubah menjadi energi kecepatan.

Gambar 2.3 Turbin Pelton

   (Sumber :

  2.4.1. Cara Kerja Turbin Pelton Turbin pelton merupakan suatu alat yang merubah energi kinetik dan energi potensial dari air menjadi energi gerak rotasi pada poros turbin

  ( energi mekanis ). Turbin pelton dipakai untuk tinggi air jatuh yang besar. Aliran air dalam pipa akan keluar dengan kecepatan tinggi. Tinggi air jatuh ( H ) dihitung dari permukaan air di atas sampai ke tengah – tengah pancaran air.

  Bentuk sudu turbin terdiri dari 2 bagian yang simetris. Dimaksudkan supaya bisa membalikkan pancaran air dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya – gaya samping. Tidak semua sudu menerima pancaran air, hanya sebagian saja secara bergantian tergantung posisi sudu tersebut. Jumlah nosel pada turbin pelton tergantung pada kapasitas air. Air yang keluar melalui nosel dirubah menjadi energi kinetik, dan pancaran air yang tinggi akan diterima sudu. Maka energi akan dipindah dari air ke bucket sehingga runner berputar.

  Untuk turbin pelton dengan daya yang kecil bisa diatur dengan hanya menggeserkan kedudukan jarum sudu. Tekanan statis dari tinggi air jatuh menghasilkan tekanan dinamis yang bekerja dialiran air berupa energi kecepatan. Bila aliran air ini dihentikan secara tiba – tiba maka energi kecepatan ini berubah menjadi energi tumbukan. Untuk menghindari tekanan tumbukan kerjanya jarum nosel dibantu dengan perlengkapan yang disebut dengan pembelok pancaran. Pada saat beban turbin berkurang dengan tiba – tiba, pembelok pancaran berayun ke muka jarum nosel lebih dulu, sehingga arah pancaran air dari nosel ke sudu jalan menjadi berbelok. Kemudian baru jarum nosel bergeser memperkecil penampang keluar nosel. Pembelok pancaran akan tetap berada di pinggir pancaran air.

  2.4.2. Bagian Utama Turbin Pelton Pada dasarnya turbin pelton terdiri dari tiga bagian utama, yaitu: runner, nosel, rumah turbin. Turbin ini juga dilengkapi oleh transmisi, bantalan, dan bagian kelistrikan.

1. Runner

  Runner turbin pelton pada dasarnya terdiri atas piringan dan sejumlah mangkok atau bucket yang terpasang di sekelilingnya.

  Piringan terpasang pada poros dengan sambungan pasak dan stopper. Gambar runner dapat dilihat pada gambar 2.4.

  PCD PCD = Pitch Circle Diameter

Gambar 2.4 Runner (Sumber : http://home.carolina.rr.com/microhydro )

• Bucket pelton atau biasa disebut sudu yang berbentuk dua buah mangkok. Bucket berfungsi membagi pancaran menjadi 2 bagian. Gaya pada bucket berasal dari pancaran air yang keluar dari nosel, yang dibalikan setelah membentur sudu, arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum, gaya inilah yang disebut gaya impuls.

  Bucket

• Poros merupakan penerus putaran yang terjadi pada runner. Poros di sambungkan ke runner mengunakan pasak. Putaran poros diteruskan ke transmisi sabuk, yang kemudian menuju ke poros generator.

  Poros

• Piringan atau biasa di sebut disk, adalah bagian dari runner. Bahan disk yang baik digunakan adalah bahan yang kuat, dan diusahakan seringan mungkin. Piringan berfungsi sebagai tempat bucket dipasang.

  Piringan

2. Nosel

  Nosel merupakan bagian dari turbin yang sangat penting, yang berfungsi sebagai pemancar aliran air untuk menyemprot ke arah sudu-sudu turbin. Kecepatan air meningkat disebabkan oleh nosel. Air yang keluar dari nosel yang mempunyai kecepatan tinggi akan membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum. Bentuk nosel dapat dilihat pada gambar 2.5.

Gambar 2.5 Nosel

  

(Sumber :

3.

  Rumah Turbin Rumah turbin berfungsi sebagai tempat nosel terpasang, serta berfungsi membelokan air agar keluar secara teratur.

  Rumah turbin juga berfungsi untuk melindungi runner dari gangguan luar contohnya kotoran, dan cuaca.

  4. Puli Puli adalah penerus putaran dari poros turbin ke poros selanjutnya (generator). Puli juga dapat berfungsi untuk menaikan putaran. Pully biasa disebut transmisi sabuk. Sabuk terbuat dari karet dan mempunyai penampang trapesium.

  5. Bantalan Bantalan merupakan bagian penting dari turbin, alat ini berfungsi sebagai penopang dari poros turbin. Putaran dari poros turbin dapat berlangsung secara halus, aman, dan panjang umur. Bantalan harus cukup kokoh untuk memungkinkan poros bekerja dengan baik.

6. Kelistrikan

  Turbin pelton mikrohidro dapat digunakan untuk menggerakkan generator listrik. Untuk itu perlu adanya komponen tambahan yang disebut generator. Generator berfungsi mengubah tenaga mekanis menjadi tenaga listrik arus bolak- balik. Generator arus bolak-balik sering disebut juga sebagai alternator, generator AC (alternating current), atau generator sinkron. Dikatakan generator sinkron karena jumlah putaran rotornya sama dengan jumlah putaran medan magnet pada stator. Kecepatan sinkron ini dihasilkan dari kecepatan putar rotor dengan kutub-kutub magnet yang berputar dengan kecepatan yang sama dengan medan putar pada stator.

  Besarnya arus yang dihasilkan oleh motor induksi tergantung pada besarnya putaran alternator dan kekuatan medan magnet.

  Altenator menghasilkan listrik dengan prinsip yang sama pada generator DC, 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. Generator memiliki 3 bagian yang penting, yaitu :

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

  2.4.3. Ukuran Ukuran Utama Turbin Pelton Ukuran – ukuran utama turbin Pelton adalah :

  D = Diameter lingkaran sudu yang terkena pancaran air (diameter lingkaran pancar/diameter roda rata-rata).

  d = Diameter pancaran air. n = Kecepatan putar roda turbin.

  Dua masalah pokok yang ada kaitanya dalam penentuan ukuran utama, sehingga harus diperhatikan yaitu kecepatan spesifik n q dan batas tinggi jatuh yang diiginkan H .

  maks

  2.4.4. Perancangan Turbin Pelton a.

  Perhitungan Daya yang tersedia Dari kapasitas air dan tinggi air jatuh dapat diperoleh daya yang dihasilkan turbin yaitu (Dietzel, 1996, hal. 2) : Dengan :

  P = Daya yang tersedia ( watt )

  3

  )

  ρ = Massa jenis air ( Kg/m

  

2

g = Percepatan gravitasi ( m/s )

  3

  = Debit air ( m /s )

  H = Tinggi air jatuh ( m ) b.

  Pada turbin tekanan sama (turbin impuls) agar mendapatkan randemen yang baik harus mempunyai hubungan antara kecepatan pancar air c dan kecepatan tangensial u.

  Bagan kecepatan turbin pelton :

Gambar 2.6 Bagan Kecepatan Turbin Pelton (Sumber : Dietzel, 1993, hal. 25)

  Kecepatan pancar air (c

  1 )

  Kecepatan tangensial (u) c.

  Nosel Menghitung luas permukaan pancar air (A) Sehingga diameter pancar air (d) d.

  Dimensi Turbin

  a. q ) Kecepatan spesifik (n

  Kecepatan spesifik merupakan suatu besaran yang penting dalam perencanaan turbin, karena digunakan untuk memilih kecepatan putar turbin. Kecepatan spesifik (n q ) untuk satu nosel dapat dicari dengan rumus : Dengan : n = Kecepatan putar turbin ( rpm )

  3

  = Kapasitas aliran ( m /s ) H = Tinggi jatuh air ( m ) b. Diameter roda rata rata (D)

  Setelah menentukan kecepatan spesifik didapatlah kecepatan putar turbin. Diameter roda rata-rata dapat ditentukan sebagai berikut: c.

  Perbandingan D/d Dari perhitungan diameter roda rata-rata (D) dan diameter pancar air (d) didapatkan perbandingan D/d. D/d perhitungan dibandingkan D/d pada grafik sehingga dapat diketahui apakah perbandinggan D/d memenuhi sarat atau tidak. Dari perbandingan D/d tersebut maka jumlah sudu (z) dapat ditentukan.

Gambar 2.7 Harga Standar untuk Perencanaan Turbin Pelton (Sumber: dietzel, 1993, hal 28) d.

  Dimensi sudu : Dimensi bucket (sudu) ditentukan berdasarkan gambar 2.8 :

Gambar 2.8 Desain Bucket ( Thanke, 2001, hal 33 )

  Dimensi sudu dinyatakan dalam persen PCD perbandingan dengan diameter.

  Lebar sudu ditentukan sebesar : Panjang sudu ditentukan sebesar : Tinggi sudu ditentukan sebesar : e.

  Poros Diameter poros dihitung dengan persamaan (Sularso , 2004 ) sebagai berikut : Dengan :

  ds = Diameter minimal poros (mm) P = Daya yang ditransmisikan (kW) Fc = Faktor koreksi (Sularso, 2004, hal. 7)

  n = Putaran poros (rpm)

  Pd = fc × P (kW) T = Momen puntir rencana (kg.mm)

  a = Tegangan geser yang terjadi τ

  B = Kekuatan tarik bahan (kg/mm2) σ Sf1 dan Sf2 = Faktor keamanan 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.

Tabel 2.2. Faktor – factor koreksi daya yang akan ditransmisikan f c

  Daya yang akan ditransmisikan fc Daya rata - rata yang diperlukan 1,2 - 2,0 Daya maksimum yang diperlukan 0,8 - 1,2 Daya normal

  1,0 - 1,5

  f. Kecepatan pancar air Untuk mengetahui kecepatan pancar air dari setiap nosel, dapat dihitung dengan persamaan :

  Dengan : v = Kecepatan pancar air (m/s)

  3

  = Debit (m /s)

  2 A = Luas penampang nosel (mm ) g. Daya yang dihasilkan turbin dengan :

  P = Daya yang dihasilkan turbin (Watt) out

  V = Tegangan (Volt) I = Arus (Ampere)

  h.

  Efisiensi Turbin dengan : = Efisiensi yang dihasilkan turbin (%)

  P out = Daya yang dihasilkan turbin (Watt) P in = Daya yang tersedia (Watt)

BAB III METODE PENELITIAN

  3.1. PERANCANGAN ALAT Turbin pelton merupakan jenis turbin impuls. Turbin pelton terdiri dari beberapa sudu jalan, yang diputar oleh pancaran air yang keluar dari suatu alat yang disebut nosel. Pada perancangan ini yang pertama dilakukan adalah memilih ukuran turbin. Turbin dirancang berdasarkan debit dan tinggi jatuh air (head). Setelah perhitungan langkah selanjutnya adalah pembuatan alat. Besaran - besaran turbin ditentukan berdasarkan kecepatan spesifik.

  Dengan diketahuinya kecepatan spesifik, maka kontruksi turbin keseluruhannya dan kondisi kerjanya dapat diketahui.

  Hal pertama yang dilakukan dalam pembuatan alat adalah membuat piringan runner terlebih dahulu yang terbuat dari bahan alumunium sesuai dengan ukuran yang sudah ditentukan. Kedua adalah membuat cetakan sudu menggunakan silicon kaca. Ketiga membuat sudu yang terbuat dari bahan resin. Setelah pembuatan piringan dan sudu selesai, sudu tersebut dipasang di sekeliling piringan dengan setiap sudu dikancing menggunakan dua buah baut, kemudian dipasang pada poros dan pada poros dikancing dengan sebuah stopper agar tidak terjadi slip. Selanjutnya adalah membuat rumah turbin dan rangka alat yang terbuat dari besi siku. Rumah turbin dibuat sedemikian rupa sehingga mampu untuk menahan beban putaran dari turbin.

  Di dalam rumah tersebut terpasang sebuah nosel.

  3.2. PERHITUNGAN TURBIN Dalam perancangan ini perhitungan dilakukan berdasarkan parameter yang sudah ditentukan. Parameter tersebut adalah :

  Kapasitas air = 6 liter/secon = 0,006 m

  3 Tinggi jatuh air ( H ) = 15 m

  /s Grafitasi ( g ) = 9,81 m/s Randemen turbin (

  

η

  2 T

  Masa jenis air (

  

ρ )

  = 1000 Kg/m ) = 70 %

  Dari parameter tersebut maka didapat :

  3 Daya yang dihasilkan turbin ( P ) : Kecepatan air keluar ( c

  1 )

  Kecepatan tangensial ( u ) Luas permukaan pancar air ( A ) Kecepatan spesifik ( n q )

Tabel 3.1 Tabel Kecepatan Spesifik

  Kecepatan putar turbin (rpm)

  75 150 300 500 750 1000 1500

  1 nosel n q

  

0,76

  (rpm)

  1,53 3,06 5,1 7,65 10,2 15,3

  Pada Tabel 3.1 dapat dilihat terdapat berbagai variasi kecepatan putar dan kecepatan spesifik. Berdasarkan Tabel 3.1 maka putaran (n) yang dipilih dalam perhitungan ini adalah 1000 rpm, sehingga nq = 10,2 rpm.

  Diameter pancar air ( d ) Diameter roda rata rata ( D )

  Perhitungan D/d

  Berdasarkan gambar 2.14 didapat perbandingan D/d adalah 7,5 Karena D/d hitungan lebih besar dari D/d grafik maka perbandingan D/d memenuhi syarat.

  Jumlah sudu (z) ditentukan dari gambar 2.7 yaitu sebanyak 16 buah.

  Dimensi sudu

  Rumus untuk menghitung dimensi sudu dapat ditentukan dari gambar 2.8.

  Dimensi sudu adalah sebagai berikut : Lebar Sudu = 0,34 x 16,4

  = 55,8 mm Panjang Sudu = 0,38 x 16,4

  = 62,3 mm Tinggi Sudu = 0,12 x 16,4

  = 19,7 mm

  Perencanaan Poros

  fc adalah faktor koreksi, pada persoalan ini dipilih sebesar 1,2 karena dibutuhkan daya yang maksimum.

  Daya rencana : Torsi : Bahan poros dari baja karbon S30 C ( Sularso, 2004, hal. 5) : Tegangan geser yang terjadi:

  Diameter poros Diameter minimal poros dihitung dengan rumus ( Sularso, 2004, hal.8 ) Kt dipilih sebesar 1,5 karena diperkirakan terjadi sedikit kejutan atau tumbukan.

  Cb dipilih sebesar 0,1 karena diperkirakan tidak akan terjadi pembebanan lentur.

  ( Diameter perancangan poros menggunakan 17 mm )

  3.3. PEMBUATAN TURBIN

  3.3.1 Pembuatan Turbin

  a) Pembuatan Bucket Turbin

  Bucket atau yang disebut dalam bahasa Indonesia sebagai sudu, merupakan bagian yang penting dari turbin. Bucket ini berfungsi menerima gaya pancar air. Ukuran bucket dibuat seperti pada perancangan.

  Langkah – langkah pembuatan sudu adalah : Membuat cetakan sudu - Pada perancangan ini cetakan sudu terbuat dari silicon kaca.

  Membuat box cetakan - Box cetakan sudu dibuat mengikuti pola cetakan sudu.

• Pengecoran resin

  Resin dicampur dengan pengeras ( katalis ) dengan perbandingan 10 : 2. Campuran resin dan katalis dituang ke dalam cetakan dan dibiarkan mengering.

• Finishing Resin yang sudah mengeras atau sudah berbentuk sudu diambil dari cetakan. Sudu yang sudah jadi dirapikan, karena pada hasil pengecoran terdapat sisa – sisa pada saluran masuk dan saluran buang. Sisa – sisa tersebut dibuang dengan cara dipotong. Kemudian diamplas, sehingga menjadi halus. Lalu dibuat lubang baut pada tangkai sudu. Sudu dapat dilihat seperti pada gambar 3.1.

Gambar 3.1 Sudu b) Pembuatan Disc Turbin

  Disc atau juga biasa disebut dengan cakra, dalam penelitian ini dibuat dari bahan alumunium. Keuntungan dari bahan ini adalah ringan dan tahan terhadap karat. Plat alumunium tersebut dibubut untuk dibuat bentuk seperti pada gambar 3.2. Langkah selanjutnya adalah pembuatan lubang tepat di tengah piringan untuk penempatan poros. Kemudian selanjutnya membuat lubang lubang di tepi piringan, lubang – lubang inilah yang berfungsi untuk menempatkan baut yang digunakan untuk mengunci bucket.

Gambar 3.2 Piringan ( Disc )Gambar 3.3 Runner c) Pembuatan Poros

  Poros turbin merupakan penerus putaran dari runner. Pada perancangan ini poros dibuat mengunakan poros dari bahan besi yang dibubut bertingkat. Bentuk poros dapat dilihat pada gambar 3.4.

Gambar 3.4. Poros

  d) Pembuatan Nosel

  Nosel merupakan tempat terjadinya perubahan tekanan air menjadi kecepatan. Pada perancangan ini nosel dibuat menggunakan sambungan pipa. Nosel ini memiliki diameter masuk 1” dan diameter keluar ¾” dan ½”. Nosel dibuat seperti pada gambar 3.5.

Gambar 3.5 Nosel e) Pembuatan Rumah Turbin

  Rumah turbin berfungsi untuk membelokan percikan air agar keluar dengan teratur. Rumah turbin juga berfungsi sebagai tempat dimana runner dan nosel berada. Pada rumah turbin ini disambungkan dengan dudukan generator. Bahan untuk pembuatan rumah turbin terdiri dari besi plat dan akrilit. Rumah turbin dapat dilihat pada gambar 3.6.

Gambar 3.6 Rumah Turbin

  3.4. PENELITIAN ALAT

  3.4.1. Alat yang digunakan a.

  Hydrant b.

  Bak penampung air c. Selang d.

  Turbin Pelton yang sudah dirangkai.

  e.

  Nosel berupa sambungan pipa yang berdiameter ½” dan ¾”.

  f.

  Generator listrik g.

  Lampu sebagai beban.

  h.

  Multimeter untuk mengukur arus dan tegangan yang dihasilkan turbin. i.

  Tachometer untuk mengukur putaran.