Turbin aliran silang menggunakan sudu dari bilah pipa dengan jumlah sudu 20 - USD Repository

  

TURBIN ALIRAN SILANG MENGGUNAKAN SUDU DARI BILAH PIPA

DENGAN JUMLAH SUDU 20

  No : 896/TA/FST-USD/ TM/ Agustus/2008

TUGAS AKHIR

  Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

  Jurusan Teknik Mesin Disusun oleh :

  

TOPO YUWONO

NIM : 045214088

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

  

CROSSFLOW TURBINE USING BLADE FROM

CUTTING PIPE LENGTWISE WITH 20 BLADES

  No : 896/TA/FST-USD/ TM/ Agustus/2008

FINAL PROJECT

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

  By : TOPO YUWONO

  

Student Number : 045214088

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

KATA PENGANTAR

  Puji Syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini.

  Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat untuk mencapai derajat Sarjana S-1 pada Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma. Isi Tugas Akhir ini adalah mengenai unjuk kerja sebuah turbin aliran silang yang menggunakan sudu dari bilah pipa, dengan jumlah sudu 20 buah.

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

  1. Budi Sugiharto, S.T., M.T. Ketua Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  2. Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T. Dosen Pembimbing Tugas Akhir.

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

  4. Seluruh dosen dan staff Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta yang telah memberikan berbagai pengetahuan kepada penulis dan membantu selama proses belajar di Jurusan Teknik Mesin.

  5. Keluarga saya tercinta Bapak Tridoso, Ibu Agatha Amiwati, Kakak selalu memberikan kehangatan dalam keluarga, semangat dan dukungan moril maupun materiil.

  6. Teman-teman Teknik Mesin yang tidak bisa saya sebutkan satu persatu hidup ini takkan indah tanpa iringan senyum kalian.yang selalu ada dalam ingatanku .

  Penulis menyadari sepenuhnya bahwa penulisan Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Meskipun demikian penulis berharap bahwa penulisan Tugas Akhir ini dapat memberikan kontribusi dalam pengembangan ilmu khususnya mengenai perancangan turbin aliran silang. Atas kritik dan saran yang bersifat membangun guna sempurnanya karya tulis ini penulis mengucapkan terima kasih.

  Yogyakarta, 20 Maret 2009 Penulis

  

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 unjuk kerja turbin aliran silang dengan sudu dari bilah pipa yang digunakan untuk pembangkit listrik.

  Peralatan yang digunakan adalah sebuah turbin aliran silang. Dengan diameter runner adalah 97,39 mm dan panjang runner 103 mm. Sudu turbin dibuat dari pipa dengan diameter 1¼ inch, Jumlah sudu pada runner 20 buah. Penelitian dilakukan dengan memvariasikan debit, tinggi nozzle,dan beban. Debit air yang divariasikan adalah 10,6L/s, 9,3L/s, dan 8,3L/s. Tinggi nozzle yang divariasikan adalah 14mm, 9mm, dan 4mm. 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 10W, 15W, 25W, 40W, 60W, dan 100W. Pada setiap pembeban, putaran turbin diukur dengan tachometer.

  Analisis dilakukan dengan membuat grafik hubungan daya dengan putaran turbin dan grafik hubungan efisiensi dengan putaran turbin untuk tiap variasi debit, dan tinggi nozzle, dan beban. Dari hasil penelitian yang didapat daya maksimum yang diperoleh mencapai 53,64 Watt, dengan efisiensi total mencapai 13,16%. Kondisi tersebut terjadi pada saat variasi debit = 9,3 L/s ; tinggi nozzle 14 mm ; dan beban 60 Watt.

  Kata Kunci: turbin aliran silang, bilah pipa

  

ABSTRACT

  Crossflow turbine often use to set up micro scale power. Making of turbine blade from plat that was bent is hard to people do. Crossflow turbine blade geometric is same with geometric of sliced pipe with particular bow. This reasearch is to understanding work of crossflow turbine with blade of pipe that was used to set up electic power.

  Tools that were used is a crossflow turbine. Blade of turbine was made of pipe which has diameter 1 ¼ inch. Diameter of runner is 97,39 mm, and 103 mm lenght of runner. Total of blades of runner are 20 blades. This research done by variate of debit, height of nozzle, and imposition. Debit of water that was variated are 10,6L/s; 9,3L/s; and 8,3L/s. Height the nozzle that was variated are 14mm, 9mm, 4mm.To produce an electricity, turbine must be connected to generator. Measurance of power that the turbine produced done by measure voltage and current which was produced from generator when the generator get 10W, 15W,

  25W, 40W, 60W, 100W of imposition variations. Rotation of turbine was measured by tachometer in every imposition.

  Analysis was done by make graphic of relation between force and turbine rotation and graphic of relation between efficiency and turbine rotation in every debit variation, height of nozzle, and imposition.

  Maximum Power that has made reach up to 53,64 Watt, with 13,16 of efficiency. It happen when debit variation is 9,3 L/s ; 14 mm height of nozzle; and

  60 Watt of imposition.

  DAFTAR ISI

  Halaman

  

HALAMAN JUDUL ...................................................................................... i

HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ......................................... iii HALAMAN PENGESAHAN........................................................................ iv HALAMAN PERNYATAAN ....................................................................... v HALAMAN PERSETUJUAN PUBLIKASI .............................................. vi KATA PENGANTAR.................................................................................... vii

  INTISARI ...................................................................................................... ix ABSTRACT ................................................................................................... x DAFTAR ISI................................................................................................... xi DAFTAR TABEL ......................................................................................... xiii DAFTAR GAMBAR ..................................................................................... xiv DAFTAR LAMBANG .................................................................................. xvi

  BAB I PENDAHULUAN ......................................................................... 1 Latar Belakang Masalah ..........................................................

  1.1

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

  1.2

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

  1.3 3 1.3.1 Tujuan ..........................................................................

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

  4 BAB II DASAR TEORI ............................................................................. 5 Tinjauan Pustaka .....................................................................

  2.1.

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

  6 2.3. Bagian Turbin Aliran Silang ..................................................

  7 Runner .........................................................................

  2.3.1.

  7 Nozzle ..........................................................................

  2.3.2.

  8 2.3.3. Rumah Turbin ..............................................................

  9 BAB III PERANCANGAN .........................................................................

  17 Diagram Alir ............................................................................

  3.1.

  17 Perancangan Turbin Aliran Silang ..........................................

  3.2.

  18 3.3. Pembuatan Turbin Aliran Silang ..............................................

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

  26 3.3.2. Bahan Penelitian ..........................................................

  26 Peralatan Penelitian .....................................................

  3.3.3.

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

  3.3.4.

  27 3.3.5. Pemasangan Runner ke Alat Uji Turbin ......................

  28 3.4. Pengambilan Data ....................................................................

  28 3.5. Pengolahan dan Analis Data ....................................................

  30 Kesulitan Penelitian .....................................................

  3.5.1.

  30

  BAB IV PEMBAHASAN ...........................................................................

  32 Hasil Penelitian ........................................................................

  4.1.

  32 Data Variasi Debit 10,6 l/s .........................................

  4.1.1.

  32 Data Variasi Debit 9,3 l/s ............................................

  4.1.2.

  33

  4.1.3. Data Variasi Debit 8,3 l/s ............................................. 33 4.2. Grafik Hasil Penelitian ............................................................

  34 Grafik dengan Debit 10,6 l/s ........................................

  4.2.1.

  34 Grafik dengan Debit 9,3 l/s..........................................

  4.2.2.

  36 Analisa .....................................................................................

  4.3.

  37 BAB V KESIMPULAN .............................................................................

  40 Kesimpulan ..............................................................................

  5.1.

  40 Saran ........................................................................................

  5.2.

  41 DAFTAR PUSTAKA

  LAMPIRAN

  

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data dengan Tinggi Nozzle 14 mm, Debit 10,6 L/s ................

  32 Tabel 4.2 Data dengan Tinggi Nozzle 9 mm, Debit 10,6 L/s...................

  32 Tabel 4.3 Data dengan Tinggi Nozzle 14 mm, Debit 9,3 L/s ..................

  33 Tabel 4.4 Data dengan Tinggi Nozzle 9 mm, Debit 9,3 L/s ....................

  33 Tabel 4.5 Data dengan Tinggi Nozzle 9 mm, Debit 8,3 L/s.....................

  33

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Runner Turbin Crossflow ........................................................

  3 Gambar 2.1 Turbin Crossflow .....................................................................

  7 Gambar 2.2 Runner cihanjuang....................................................................

  7 Gambar 2.3 Nozzle.......................................................................................

  8 Gambar 2.4 Rumah Turbin ..........................................................................

  9 Gambar 2.5 Aliran Air Pada Turbin............................................................

  10 Gambar 2.6 Kelengkungan sudu .................................................................

  14 Gambar 2.7 Sketsa Pipa Dibelah .................................................................

  14 Gambar 2.8 Jarak Antar Sudu .....................................................................

  15 Gambar 2.9 Penampang Nozzle ...................................................................

  16 Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian ...........................................................

  17 Gambar 3.2 Alat Uji Turbin ........................................................................

  25 Gambar 4.1 Grafik Daya dengan Tinggi Nozzle 9 mm dan 14 mm Pada Debit 10,6 l/s ............................................................................

  34 Gambar 4.2 Grafik Efisiensi dengan Tinggi Nozzle 9 mm dan 14 mm Pada Debit 10,6 l/s....................................................................

  35 Gambar 4.3 Grafik Daya dengan Tinggi Nozzle 9 mm dan 14 mm Pada Debit 9,3 l/s ..............................................................................

  36 Gambar 4.4 Grafik Efisiensi dengan Tinggi Nozzle 9 mm dan 14 mm Pada Debit 9,3 l/s......................................................................

  37

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 = Jarak antar sudu pancaran air masuk (m)

  1

  t = Jarak antar sudu (m)

  o

1 = Sudut masuk ( )

  β s

  

2 = Jarak antar sudu pancaran air keluar (m)

  n = Jumlah sudu (buah) y = Jarak pancaran dari poros (m)

  1

  y

  2 = Jarak pancaran dari keliling dalam (m)

  A = Penampang nosel (m) s o = Tinggi pancaran air nosel (m) N = Kecepatan Putar (rpm)

  o

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

  1 BAB I

  PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

  Listrik merupakan sumber energi yang digunakan oleh manusia. Listrik dihasilkan dari suatu sistem pembangkit listrik. Pembangkit yang banyak digunakan adalah pembangkit listrik tenaga air (PLTA), pembangkit listrik tenaga panas bumi (PLTG), Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU), pembangkit listrik tenaga diesel (PLTD), dan pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN). PLTU dan PLTD menggunakan sumber energi berupa batubara ataupun minyak bumi.

  Permasalahan yang dihadapi saat ini adalah tentang ketersediaan sumber energi yang tidak dapat diperbaharui dewasa ini. Hal itu menimbulkan adanya krisis energi sehingga berdampak pada melonjaknya harga minyak bumi.

  Air merupakan salah satu sumber daya alam yang tidak terbatas jumlahnya. Air juga memiliki potensi yang sangat besar dan dapat digunakan sebagai sumber energi yang dapat menggantikan penggunaan energi fosil. Air merupakan sumber energi yang bersih karena tidak menghasilkan polutan.

  Berbeda dengan sumber energi fosil, air tidak mempunyai potensi merusak ozon maupun potensi pemanasan global.

  Dari data yang dikeluarkan oleh Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral Republik Indonesia, pemanfaatan energi air di Indonesia masih sangat kecil, baru sekitar 2,5% dari potensi yang bisa mencapai 75000 MW. Di Indonesia

  2 daerah-daerah tersebut tersebar dari Sabang sampai Marauke. Daerah-daerah yang diprediksi memiliki potensi tersebut, antara lain : Pulau Papua 22371 MW, pulau Kalimantan 21611 MW, pulau Sumatra 15804 MW, pulau Sulawesi 10203 MW, pulau Jawa 4531 MW, kepulauan Nusa Tenggara (Bali, NTB dan NTT) 674 MW dan kepulauan Maluku 430 MW. Data-data di atas merupakan sumber pembangkit tenaga air dengan kapasitas besar, belum termasuk sumber-sumber pembangkit tenaga air dengan kapasitas kecil. Untuk memanfaatkan potensi tersebut diperlukan suatu teknologi terapan agar masyarakat kecil dapat menyediakan energi listrik secara swadaya.

  Pembangkit listrik tenaga air menggunakan turbin sebagai alat untuk mengkonversi potensi energi air menjadi energi mekanik untuk memutar generator listrik. Untuk daya yang kecil (mikrohidro/pikohidro), turbin aliran silang (crossflow) banyak digunakan. 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. Sampai sekarang ini pemanfaatan pipa dibelah sebagai sudu turbin crossflow tidak banyak dilakukan sehingga informasi mengenai unjuk kerjanya kurang diketahui.

  3 Sudu Piringan Runner

  Poros

Gambar 1.1 Runner Turbin Crossflow

1.2 Rumusan Masalah

  Informasi tentang unjuk kerja turbin crossflow dengan sudu dibuat dari pipa yang dibelah tidak banyak diketahui. Pada penelitian ini akan dibuat turbin crossflow dengan sudu dari pipa yang dibelah. Turbin tersebut akan diteliti unjuk kerjanya pada berbagai variasi debit dan head air masuk.

  Pada penelitian ini, turbin yang akan dibuat dirancang untuk memanfaatkan tenaga air yang memiliki head 4,5 m, debit 8 L/s. Sudu dibuat dari pipa hitam berdiameter 1,25 inch, yang dibelah dengan sudut 73,28˚.

  Pada saat pengambilan data, dilakukan variasi debit 10,6 L/s, 9,3 L/s, dan 8,3 L/s, untuk variasi beban generatornya adalah 10 W, 15 W, 25W, 40 W, 60 W, dan 100 W. Variasi lainnya adalah tinggi nozzle 14mm, 9mm, dan 4m.

  4

1.3 Tujuan dan Manfaat

  1.3.1 Tujuan

  Tujuan penelitian ini adalah :

  a. Membuat runner turbin crossflow dengan menggunakan sudu dari pipa yang dibelah untuk pembangkit listrik agar mudah dibuat oleh masyarakat.

  b. Mengetahui dan membandingkan daya serta efisiensi menyeluruh terbaik dari variasi debit,dan tinggi nozzle.

  1.3.2 Manfaat

  Hasil penelitian ini diharapkan dapat:

  a. Menambah kepustakaan teknologi pembangkit listrik tenaga air mikrohidro.

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

  c. Mengurangi ketergantungan terhadap minyak bumi.

  d. Membangunkan kepedulian masyarakat terhadap upaya konservasi air.

BAB II DASAR TEORI

2.1 Tinjauan Pustaka

  Unjuk kerja turbin crossflow dipengaruhi oleh banyak parameter antara lain adalah jumlah sudu, sudut pancaran air masuk, sudut keluar, posisi pancaran air masuk, lintasan aliran air di dalam turbin, rasio lebar dan diameter runner, rasio diameter dalam dan diameter luar serta manufaktur runner maupun nozzle.

  Geometri runner turbin crossflow dapat dilihat pada gambar 2.5 dan 2.7.

  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

  6 yang digunakan adalah 0,75; 0,67; 0,58; dan 0,54. Sudut masuk pancaran air

  o

  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).

2.2 Landasan Teori

  Turbin Aliran Silang atau yang juga dikenal dengan nama Turbin Michell- Banki merupakan salah satu jenis turbin impuls. Aliran silang terdiri dari dua bagian yaitu nozzle dan runner. Turbin aliran silang menggunakan nozzle berpenampang persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner. Sedangkan tinggi nozzle dapat diubah-ubah karena menggunakan sebuah katup yang dapat diset ketinggiannya. Runner turbin dibuat dari beberapa sudu yang

  7 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 %.

  Katup nozzle poros sudu aliran air

Gambar 2.1 Turbin Aliran Silang

2.3 Bagian Turbin Aliran Silang

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

2.3.1 Runner

  Runner turbin aliran silang terdiri dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel.

  8 Gambar 2.2 Runner dari Cihanjuang

  l

2.3.2 Nose

  Nosel pada turbin sering disebut dengan alat pengarah. Nosel pada turbin aliran silang berbentuk persegi panjang. Ukuran nosel disesuaikan dengan ukuran runnernya.

Gambar 2.3 Alat Pengarah

  9

2.3.3 Rumah Turbin Rumah turbin digunakan untuk memasang turbin agar dapat berputar.

Gambar 2.4 Rumah Turbin

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

  H Q g P in

  ρ =

  (1) Dengan

  P : daya yang tersedia (W), ρ : massa jenis air (kg/m

  3

  Rumah turbin dilengkapi dengan bantalan agar poros turbin dapat berputar tanpa adanya gesekan dan berputar pada posisi yang sama (tidak oleng).

  g : gravitasi (m/detik

  2

  ),

  Q : debit air (m

  3

  /detik),

  H : tinggi air jatuh (m),

  ),

  10 Gambar 2.5 Aliran Air Pada Turbin Crossflow (Mockmore, 1949, hal.6)

  Pada gambar 2.5 diasumsikan bahwa pancaran air dari nosel masuk ke dalam runner pada titik A dengan membentuk sudut α terhadap kecepatan kelilingnya. Kecepatan air memasuki runner (V

  1 ) dihitung dengan

  (Mockmore,1949,hal 6) :

  V

  1 =C (2gH) ½

  (2) Dengan C merupakan koefisien kerugian pada nosel

  11 Daya teoritis yang dihasilkan turbin adalah

  P = ρ + Q ( V cos α V cos α ) u th

  1

  1

  2

  2

  1

  ⎛ cos β ⎞ ₂ Atau P = ρ Q u ( + _{th 1} V cos α − u ) _{1 1 1} 1 ψ (3) ⎜⎜ ⎟⎟ cos

  β ₁ ⎝ ⎠

  Dengan

  u 1 : kecepatan keliling runner, 1 : sudut antara kecepatan relatif air masuk pada sudu atas dengan

  β

  kecepatan keliling,

  2 :sudut antara kecepatan relatif air masuk pada sudu bawah β dengan kecepatan keliling.

  Dengan mengambil besar sudut

  2 = 1 maka : β β P = ρ u ( cos α − )( ψ ) + Q _{th 1} V u _{1 1 1} 1 (4)

  Efisiensi turbin yang merupakan perbandingan antara daya yang dihasilkan turbin dengan daya air yang tersedia adalah (Mockmore, 1949, hal 8): ₂ u ⎛ u ⎞ _{1 1} η ψ α _T = +

  2 C ( 1 ) cos − (5) ₁ ⎜⎜ ⎟⎟

  V ₁ V ₁

  ⎝ ⎠ Secara teoritis efisiensi turbin dipengaruhi oleh kecepatan pancaran air masuk turbin dan sudut pancaran air.

  Untuk menghasilkan listrik poros turbin dihubungkan dengan poros generator. Hubungan ini melalui sistem transmisi yang ditentukan berdasarkan putaran poros turbin dan putaran kerja generator. Daya listrik (P) yang dihasilkan

  12 Besarnya daya listrik adalah P out = V I

  (6) dengan P out : Daya yang dihasilkan generator (watt)

  V : tegangan listrik yang dihasilkan (volt) I : kuat arus listrik yang dihasilkan (ampere) Efisiensi menyeluruh (efisiensi nozzle, turbin, transmisi dan generator) dihitung dengan persamaan

  100% x _out ⁱⁿ _total

  P P

  = η

  (7) Perhitungan ukuran-ukuran turbin menggunakan asumsi sudut pancaran air masuk (

  α1) sebesar 16˚ dan nilai ψ = 0.98 , C = 0.98 dan k = 0,087 (Mockmore,1949, hal 17). Dengan asumsi tersebut secara teoritis dapat dicapai efisiensi maksimum turbin sebesar 87,8% (Mockmore,1949, hal 9).

  Ukuran turbin crossflow ditentukan berdasarkan lebar dan diameter runner. Lebar dan diameter runner dapat ditentukan dengan persamaan (Mockmore,1949, hal 17):

  LD1 = 210,6 Q/H½ (8) dengan : L : lebar runner (inch) D

  1 : diameter runner (inch)

  13 Lebar runner ditentukan dengan terlebih dahulu menentukan diameter turbin yang direncanakan. Pemilihan diameter turbin akan menentukan putaran kerja turbin, sehingga dalam pemilihannya mempertimbangkan putaran kerja generator. Putaran kerja turbin (N) adalah (Mockmore,1949, hal 15):

  ½

  N =862H / D

  1

  (9) Setelah diameter runner ditentukan maka dapat dihitung besarnya jari-jari kelengkungan sudu (

  ρ) yaitu (Mockmore,1949, hal 15) : 1 /2

  (10)

  ρ = 0.326 D

  Karena sudu akan dibuat dari pipa yang dibelah maka kemudian dipilih pipa dengan jari-jari mendekati jari-jari kelengkungan sudu hasil perhitungan.

  Setelah pipa untuk sudu ditentukan maka diameter runner dihitung kembali dengan : D

  1 = 2 / 0.326 (11) ρ

  Lebar runner ditentukan dengan

  ½

  L = 210,6 Q/(H D

  1 ) (12)

  Lebar velk radial (a ) ditentukan dari persamaan (Mockmore , 1949, hal 12) : a = 0,17 D

  1

  (13)

  14 Gambar 2.6 Kelengkungan Sudu (Mockmore, 1949, hal. 16)

  o o

  Untuk sudut pancaran air ( ) sebesar16 maka sudut sudu (

  1 δ) adalah 73

  α 28’ (Mockmore, 1949, hal. 15). Dengan demikian untuk sudu dari pipa maka sudu

  o dibuat dengan membelah pipa dengan sudut busur 73 28’.

  15 Jarak antar sudu (t) dihitung dengan persamaan (Mockmore, 1949 , hal 10) t = s

  1 /sin

  β

  1

  (14) dengan s

  1 = kD 1 (Mockmore, 1949 , hal 14),

  β

  1 = 30 ^o

  (Mockmore, 1949

  , hal 10), untuk α =16

Gambar 2.8 Jarak Antar Sudu (Mockmore, 1949, hal. 9)

  Jumlah sudu (n) ditentukan dengan ( Mockmore, 1949, hal 17) n = л D

  1 /t

  (15) Nozzle turbin Crossflow berbentuk persegi panjang. Perhitungan ukuran nozzle: s o = Q / (V

1 L) (16)

  16 Gambar 2.9 Penampang Nozzle Torsi yang terjadi adalah sebagai berikut

  N P T ^{d 5}

  10 x 74 , 9 =

  (17) Untuk menentukan diameter poros d

  ѕ

  , digunakan persamaan berikut ini _{3 1} 1 ,

  5 ⎥ ⎦ ⎤

  ⎢ ⎣ ⎡

  = T C K d _{b t a s} τ

  (18) dengan d

  s

  = diameter poros (mm) K t = faktor koreksi 1

  C b = faktor koreksi 2 _a τ = tegangan bahan yang diizinkan (kg/mm

  2

  )

BAB III METODE PENELITIAN

3.1. Diagram Alir Penelitian

Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian

  START STUDI PUSTAKA PERANCANGAN TURBIN ALIRAN SILANG PEMBUATAN TURBIN ALIRAN SILANG PENGAMBILAN DATA PENGOLAHAN DATA SELESAI

  18

3.2. Perancangan Turbin Aliran Silang

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

  Dalam perancangan ini terdapat parameter yang diketahui yaitu : Tinggi tekan / head (H) = 4,5 meter

  = 14,765 ft Kapasitas aliran / Debit (Q) = 8 liter/detik

  = 0,283 cfs Diameter pipa untuk sudu (d

  1

  ) = 1,25 inchi Koefisien nosel (C) = 0,98 Faktor koreksi (k) = 0,087 Sudut masuk ( α

  1

  ) = 16º Gravitasi = 32,18 ft/s

  2

  19 Perhitungan :

  Perancangan Turbin Aliran Silang dengan sudu jalan yang terbuat dari pipa berdiameter 1,25 in (0,104167 ft).

  Velocity of jet nozzle (V) a.

  V = C

  2 gH = × ×

  V ,

  98

  2 32 ,

  18 14 , 764

  V =

  30 , 211 ft/s

  b. Radius sudu (

  ρ)

  1 ρ = 0,5 d = 0,5 . 1,25

   = 0,625 inch

  Diameter runner (D c.

  1 )

  1 ρ = 0,326 r r

  1 = 0,625 / 0,326

  D

  1 = 3,834 inch

  d. Panjang dan diameter runner (LD

  1 ) ½

  LD

  1 = 210 . Q/H ½

  = 210 . 0,283 / (14,764)

  2

  = 15,485 inch

  20

  e. Panjang runner (L) L = 15,485/D

  1

  = 15,485/3,834

  = 4,038 inch

  Kecepatan putar runner (N) f.

  ½

  N = 862 . H / D

  1 ½

  = 862 . (14,764) / 3,834

  = 863,796 rpm

  Lebar nozzle (s

  g. ) A = Q / V

  = 0,283 / 30,211

  2

  = 0,009 ft S = A / L

  = 0,009 . 144 / 4,038 = 0,321 inch

  21

  h. Jarak sudu pada runner (s 1, t) s

  1 = k . D

  1

  = 0,087 . 3,834 = 0,334 inch t = s / sin

  1 β

  1

• 1

  = 0,334 / sin ( tan ( 2.tan16°)) = 0,671 inch

  Jumlah sudu (n) i. n = / t

  π . D

  1

  = 3,14 . 3,834 / 0,671

  = 18 buah ( pada penelitian ini, jumlah sudu dibuat menjadi 20 buah

  untuk variasi) Radial rim width (a) j. a = 0,17 . D

  1

  = 0,17 . 3,834 = 0,652 inch k. Diameter dalam runner

  D

  1 -2(a) = 3,834 – 2 (0,652 )

  = 2,531 inch

  22

  l. Daya air (P air ) P air = Q . H / 8,8

  = 0,283 . 14,764 / 8,8 = 0,474 HP m. Daya turbin maksimum (P P )

  turbin, d P turbin = P air .

  η = 0,474 . 0,878 = 0,416 HP

  Torsi (T) n. _{5 d} P T = 9 , 74 x

  10 N ₅ , 354 = 9 ,

  74 x

  10 863,796

  =

  3 85 , 230 kgmm Bahan poros o.

  2

  σ = 10 kg/mm _B σ _B

  = τ _a

  Sf ⋅ Sf _{1 2}

  10 =

  ⋅

  3

  4

  2

  = kg/mm , 833

  23

  p. Diameter poros _{1 3} ⎡ ⎤ 5 ,

  1

  d = K C T _{s t b}

  ⎢ ⎥ τ _a

  ⎣ ⎦ _{1 3} ⎡ 5 , 1 ⎤

  = ⋅ ⋅ ⋅ 1 , 5 1 385 , 230

  ⎢ ⎥ , 833

  ⎣ ⎦ = 15,24 mm (dipilih 25 mm) q. Geometri turbin ( lihat gambar 2.3 , 2.5 , dan 2.6) : diameter pipa untuk sudu (d

  1 ) = 1,250 inch = 31,750 mm

  radius sudu (r

  1 ) = 0,625 inch = 15,875 mm

  diameter runner (D ) = 3,834 inch = 97,393 mm

  1

  panjang runner (L) = 4,038 inch = 102,575 mm radial rim width (a) = 0,652 inch = 16,557 mm diameter dalam = 2,531 inch = 64,279 mm lebar nozzle (s ) = 0,333 inch = 8,470 mm jarak sudu pada piringan (t) = 0,671 inch = 17,033 mm diameter poros = 0,984 inch = 25,000 mm sudut busur sudu = 73,28° sudut masuk ( 16°

  α) = jumlah sudu (n) = 20 buah

  24

3.3. Pembuatan Turbin Silang

3.3.1. Desain Alat

  Pada tahapan ini, gambar kerja dibuat. Sebelum membuat gambar kerja, terlebih dahulu dibuat sketsa alat. Alat uji turbin juga akan digunakan pada pelaksanaan pengambilan data. Penelitian akan dilaksanakan dengan membuat sebuah runner (runner A) dengan diameter dan panjang yang sama dengan runner dari alat uji turbin (runner B). Sedangkan perbedaannya terletak pada jumlah sudu, bahan sudu, dan proses manufakturing runner.

  Runner B akan dilepas, dan digantikan dengan runner A. Sedangkan komponen lain seperti rumah runner, generator, transmisi sabuk dan puli, panel-panel listrik, dan nozzle akan tetap dipakai pada penelitian ini.

  Penelitian ini tidak dilakukan di lapangan, melainkan disimulasikan dengan menggunakan peralatan-peralatan yang telah direncanakan dan dipersiapkan oleh kelompok studi Rekayasa Tenaga Air. Untuk menggantikan laju aliran sungai, digunakan sebuah pompa berkapasitas maksimum 10 L/dtk, Head 22 m dan kecepatan putar 1500 rpm.

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

  25 runner dihubungkan ke poros generator menggunakan transmisi sabuk dan puli.

  Selain itu juga digunakan kopling flens luwes.

  Generator akan menghasilkan listrik. Listrik yang dihasilkan kemudian diukur saat pengambilan data.

Gambar 3.2 Alat Uji Turbin

  26

  3.3.2. 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.Tahapan selanjutnya adalah pembuatan jadwal kerja yang akan digunakan sebagai pedoman untuk mencapai efisiensi waktu yang maksimal.

  3.3.3. Bahan Penelitian

  Bahan-bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah:

  a. Pipa hitam diameter 1 ¼ inch , panjang 1m b.

  Plat tebal 15 mm x 100 mm x 100 mm , 2 buah c. Besi poros diameter 30 mm x 300 mm.

  3.3.4. Peralatan Penelitian Peralatan yang digunakan pada penelitian ini adalah: a.

  Alat uji turbin

  b. Tachometer,multimeter

  c. Peralatan kerja bangku, mesin : bubut,milling,las

  d. Alat ukur (roll meter, jangka sorong, siku)

  27

3.3.5 Pembuatan Runner

  Setelah perancangan selesai, dilanjutkan dengan pembuatan runner. Langkah pertama adalah pembuatan sudu. Pipa hitam dipotong-potong dengan panjang 103 mm, kemudian dibelah dengan sudut 74° sebanyak 20 buah. Pembelahan dapat dilakukan dengan gergaji tangan atau dengan mesin skrap.

  Pembuatan alat dilanjutkan dengan membuat piringan dan poros runner. Piringan dan poros dibentuk menggunakan mesin bubut. Piringan dibuat 2 buah, satu untuk sebelah kanan, satu untuk sebelah kiri. Setelah selesai dibentuk, piringan ditemplet dengan software solid work yang sudah dprint dengan menggunakan plastic,kemudian templet ditempelkan ke piringan.Piringan diberi titik dengan spidol sejumlah 40 titik,titik ini akan digunakan untuk mengelas sudu dengan piringan.

  Setelah selesai diberi titik, piringan dan poros disambung dengan las. Pengelasan dilakukan dengan teliti supaya hasilnya simetris dan tidak oleng. Setelah kedua piringan terpasang, sudu-sudu dipasang satu per satu. Pemasangan dilakukan dengan cara silang menyilang. Setelah satu sudu selesai dilas, dilanjutkan dengan sudu yang ada di seberangnya. Hal ini dilakukan untuk menghindari adanya defleksi akibat panas saat pengelasan.

  Pengelasan sudu dilakukan secara bertahap.Empat buah sudu dilas terlebih dahulu. Masing-masing 1 buah sudu untuk bagian atas, bawah, kanan dan kiri.

  Pengelasan 8 sudu ditujukan untuk menjaga agar posisi poros setelah dipotong tetap center. Setelah selesai dipotong, sudu yang lain kemudian dilas.

  28 Setelah semua sudu dilas, dilakukan finishing dengan gerinda tangan. Sisa-

  sisa pengelasan diratakan. Sesudah itu, dilakukan balancing geometri dengan mesin bubut.

3.3.6. Pemasangan Runner ke Alat Uji Turbin

  Runner kemudian dipasang ke alat uji turbin. Setelah selesai dipasang, rumah bantalan yang terdapat di sisi kanan dan kiri rumah runner dipasang. Diikuti dengan pemasangan kopling transmisi sabuk dan puli. Setelah dipastikan semua bagian terpasang penelitian dilanjutkan pengambilan data.

3.4. Pengambilan data

  Variabel yang Diukur Putaran generator 1. Tegangan yang dihasilkan generator 2.

  3. Arus yang dihasilkan generator

  4. Tekanan pompa Variabel yang Divariasi 1. Debit air : 10,6 l/s, 9,3 l/s, 8,3 l/s.

  Tinggi nosel : 4 mm, 9 mm, 14 mm.

  2. Beban alternator : 10, 15, 25, 40, 60, 100 watt 3.

  29 Langkah pengambilan data yang harus dilakukan

  Isi bak penampung dengan air a.

  Pasang runner pada alat uji turbin b.

  c. Nyalakan pompa air

  d. Atur Debit air = 10,6 L/s, dengan mengatur dua kran pada pipa penstock

  e. Atur tinggi nozzle = 14 mm , dengan cara memutar lengan pengatur di samping atas rumah runner Ukur dan catat tekanan air dengan manometer pada saluran nozzle f.

  Pasang beban (lampu) 10 Watt g.

  h. Nyalakan Panel Hubung Bagi i. Ukur dan catat tegangan serta arus listrik yang dihasilkan generator menggunakan multimeter j. Ukur dan catat putaran turbin menggunakan tachometer

  Matikan Panel Hubung Bagi k. Ulangi langkah g-k untuk beban = 15 W; 25 W; 40 W; 60 W; 100W l.

  Ulangi langkah e-l untuk tinggi nozzle = 9 mm ; 4 mm m. n. Ulangi langkah d-m untuk debit = 9,3 L/s ; 8,3 L/s o. Matikan pompa air

  30

3.5. Pengolahan dan Analisis Data

  Setelah pengambilan data dilakukan, maka dilakukan pengolahan data sebagai berikut : a. Hitung potensi daya air dengan persamaan 1 untuk tiap variasi debit.

  b. Hitung daya yang dihasilkan generator dengan persamaan 6 untuk tiap variasi c.

  Hitung efisiensi total dengan persamaan 7 untuk tiap variasi d. Analisis dilakukan dengan membuat grafik hubungan putaran turbin dengan daya dan grafik hubungan putaran turbin dengan efisiensi untuk tiap variasi

3.5.1 Kesulitan Penelitian

  Kesulitan yang dihadapi pada saat pelaksanaan penelitian adalah sebagai berikut : a.

  Pengukuran debit air karena proses pengerjaan flowmeter belum selesai b. Pembuatan alur kelengkungan sudu pada piringan runner, sehingga untuk menggantikan alur dibuat dari plastic yang sudah ditemplet dengan solid work kemudian piringan dikasih tanda.

  c. Penempatan sudu terhadap piringan runner pada saat dilas

  d. Penyesuaian kondisi peralatan yang digunakan supaya mendekati data perancangan e.

  Kinerja pompa yang kurang optimal, sehingga harus ditambah sebuah pompa lagi untuk mendapatkan debit dan head yang tinggi

  31

  f. Alat-alat yang dimiliki laboratorium teknik mesin kurang lengkap dan terbatas, sehingga untuk menggunakan satu macam alat harus bergantian.

  Alat ukur yang dimiliki sangat terbatas dan tidak dapat bekerja dengan g. baik. Sehingga dalam penelitian penulis harus mencari dan meminjam alat dari prodi lain.

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN HASIL PENELITIAN

4.1 Tidak diperoleh data untuk beberapa variasi, hal ini disebabkan karena

  tegangan yang dihasilkan tidak cukup kuat untuk beban yang dipasang (lampu pijar 220 V), sehingga relay pada Panel tidak dapat bekerja.

   Data Variasi Debit 10,6 l/s

  4.1.1 Tabel 4.1 Data penelitian dengan tinggi nozzle 14 mm dan debit 10,6 l/s.

  Q = 10,6 L/s Head beban tegangan arus putaran no (H)

  P in P out η total psi (Watt) (Volt) (x200mA) (rpm) (Watt) (Watt) (%) 1 6 10 200 0,8 865,1

  32

  439,11 7,29

  2 6 15 190 0,9 858,9 34,26

  439,11 7,79

  1 848,9

  36 3 6 25 180 439,11 8,20 42 4 6 40 175 1,2 842,2 439,11 9,56

  44,84 5 6 60 160 1,4 839,8 439,11 10,20 45,76 6 6 100 143 1,6 838,3 439,11 10,42

Tabel 4.2 Data penelitian dengan tinggi nozzle 9 mm dan debit 10,6 l/s

  Q = 10,6 L/s Head beban tegangan arus putaran

  (H) P in P out no

  η total psi (Watt) (Volt) (x200mA) (rpm) (Watt) (Watt) (%) 1 9 10 189 0,9 850,8 658,67 34,02 5,16 2 9 15 183 1 842,8 658,67 36,62 5,56 3 9 25 178 1,2 842,7 658,67 42,72 6,49 4 9 40 168 1,3 835,3 658,67 43,68 6,63 5 9 60 154 1,5 830,1 658,67 46,21 7,01

  33

  4.1.2 Data Variasi Debit 9,3 l/s Tabel 4.3 Data penelitian dengan tinggi nozzle 14 mm dan debit 9,3 l/s.

  Q = 9,3L/s Head beban tegangan arus putaran

  (H) P in P out η total no psi (Watt) (Volt) (x200mA) (rpm) (Watt) (Watt) (%) 1 826,7

  35 1 4,9 10 175 314,63 11,12 36,31 2 4,9 15 165 1,1 825 314,63 11,54 38,16 3 4,9 25 159 1,2 820,5 314,63 12,13 38,22 4 4.9 40 147 1,3 813,9 314,63 12,15 41,41 5 4,9 60 138 1,5 812,3 314,63 13,16

  6 4,9 100 Tabel 4.4 Data penelitian dengan tinggi nozzle 9 mm dan debit 9,3 l/s.

  Q = 9,3 L/s Head beban tegangan arus putaran P in P out η total

  (H) no psi (Watt) (Volt) (x200mA) (rpm) (Watt) (Watt) (%) 1 8 10 174 1 826,8 513,68 34,81 6,77

  2 8 15 170 1,2 815,4 513,68 40,83 7,94 3 8 25 162 1,6 814,4 513,68 51,84 10,09 4 8 40 154 1,7 813,9 513,68 52,36 10,19 5 8 60 149 1,8 810,3 513,68 53,64 10,44 6 8 100