TURBIN ALIRAN SILANG DENGAN BUSUR SUDU 85 DIBUAT DARI PIPA YANG DIBELAH

  

TURBIN ALIRAN SILANG DENGAN BUSUR SUDU 85

DIBUAT DARI PIPA YANG DIBELAH TUGAS AKHIR

  Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

  Program Studi Teknik Mesin

   

  Diajukan oleh : ALBERTUS EKO ARI NOVIANDRI

  NIM : 055214014 Kepada

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

  

THE CROSSFLOW TURBINE WITH 85 OF CENTRAL

ANGLE THAT MADE FROM CUTTING PIPE

LENGTHWISE

FINAL PROJECT

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

  By : ALBERTUS EKO ARI NOVIANDRI

  Student Number : 055214014 To

  

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY SANATA DHARMA UNIVERSITY

HALAMAN PERSEMBAHAN

  

Tugas akhir ini saya persembahkan untuk :

“Bapak Paulus Budiyono”

  

“Ibu Maria Maryati”

“Chatarina Dini Puspitasari”

  

“Theodora Indah Arditasari”

“Vincencia Sari Wulaningtyas”

  

Dan Tuhan Yesus yang selalu menyertai

dalam hidupku

  MOTTO “Kejeniusan Adalah 1% Bakat dan 99% Kerja Keras” “Jangan Tunda Pekerjaan” “Aku Bisa !!!” “Rendahkanlah Dirimu Maka Kamu Akan Ditinggikan” “Belajarlah Dari Pengalaman dan Lakukan Yang Terbaik”

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

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

  Yogyakarta, 18 Juli 2009 Albertus Eko Ari Noviandri

  

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN

PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

  Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma : Nama : Albertus Eko Ari Noviandri Nomor Mahasiswa : 055214014 Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul : ........................................................................................................................................

  .. TURBIN ALIRAN SILANG DENGAN BUSUR SUDU 85 ..

  .. DIBUAT DARI PIPA YANG DIBELAH .. ........................................................................................................................................ beserta perangkat yang diperlukan (bila ada). Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas, dan mempublikasikan di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya maupun memberikan royalti kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis.

  Demikian pernyataan ini yang saya buat dengan sebenarnya.

  Dibuat di Yogyakarta Pada Tanggal : 18 Juli 2009

  Yang menyatakan

  

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 serta membandingkan unjuk kerja terbaik turbin aliran silang dari bilah pipa dengan turbin aliran silang dari CV. Cihanjuang Inti Teknik (CIT).

  Peralatan yang digunakan adalah dua buah turbin aliran silang. Turbin pertama merupakan turbin dari CIT. Turbin kedua adalah turbin yang dibuat dari bilah pipa. Sudu turbin dibuat dari pipa dengan diameter 1,25 inci. Diameter roda jalan adalah 98 mm dengan lebar roda jalan 105 mm. Besar sudut busur sudu 85 dan jumlah sudu yang digunakan pada roda jalan yaitu 18 sudu. Penelitian dilakukan dengan memvariasikan debit, beban dan tinggi nosel. Debit air yang digunakan untuk kran terbuka penuh (8,2 l/detik, 10,7 l/detik, dan 12 l/detik), kran terbuka setengah (7,9 l/detik, 9,5 l/detik, dan 11,3 l/detik), dan kran terbuka kecil (7 l/detik, 8,6 l/detik, dan 9,6 l/detik). 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 Watt s/d 100 Watt. Pada setiap pembebanan putaran turbin diukur dengan tachometer.

  Hasil dari penelitian menunjukkan daya terbesar yang dihasilkan oleh turbin aliran silang dari bilah pipa dengan sudut busur sudu 85 dan jumlah sudu 18 buah yaitu 46,8 Watt. Daya maksimal terjadi pada debit 8,2 l/detik dan tinggi bukaan nosel 9 mm. Efisiensi tertinggi yaitu 13,227 % terjadi pada debit 9,5 l/detik dan tinggi bukaan nosel 14 mm. Untuk turbin aliran silang dari CIT daya terbesar yang dapat dihasilkan yaitu 64,8 Watt. Daya maksimal terjadi pada debit 8,2 l/detik dan tinggi bukaan nosel 9 mm. Efisiensi tertinggi yaitu 40,838% terjadi pada debit 12 l/detik dan tinggi bukaan nosel 19 mm.

KATA PENGANTAR

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

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

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

  2. Budi Sugiharto, S.T.,M.T, selaku ketua Program Studi Teknik Mesin 3.

  Ir. YB. Lukiyanto, M.T., yang telah memberikan ijin dan tempat untuk

    melaksanakan penelitian.

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

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

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

  7. Drs. Dwi Sujoko M.T., Guru STM Pembangunan yang telah membantu dalam pengelasan roda jalan

  8. Bapak Paulus Budiyono, Ibu Maria Maryati, Chatarina Dini Puspitasari dan Theodora Indah Arditasari yang telah memberikan dorongan, motivasi, bantuan

  9. Vincencia Sari Wulaningtyas yang telah memberikan dorongan, motivasi, bantuan moral dan spiritual.

  10. Prima Adiputra, Hendrikus Rendi Kurniawan, Robertus Bayu Nugroho, Nicolaus Setyo Haryanto, Stefanus Dwi Winarno, Sarono Suharjo, teman seperjuangan dalam pembuatan Tugas Akhir ini.

  11. Rekan-rekan mahasiswa khususnya angkatan 2005 yang telah berjuang bersama dan memberikan masukan-masukan serta dorongan dalam penyelesaian Tugas Akhir ini.

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

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

  Yogyakarta, 18 Juli 2009 Penulis

  

DAFTAR ISI

  HALAMAN JUDUL ............................................................................................ i TITLE PAGE ...................................................................................................... ii HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ................................................. iii HALAMAN PENGESAHAN ............................................................................... iv HALAMAN PERSEMBAHAN ........................................................................... v MOTTO .............................................................................................................. vi PERNYATAAN KEASLIAN KARYA. .............................................................. vii LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH ............................................................................................... viii

  INTISARI ............................................................................................................ ix KATA PENGANTAR ........................................................................................ x DAFTAR ISI ....................................................................................................... xii DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... xv DAFTAR TABEL ............................................................................................... xvii BAB I PENDAHULUAN ...............................................................................

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

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

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

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

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

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

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

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

  8

  2.3.1 Pengertian Turbin Aliran Silang .............................................

  33 3.4.4.2 Pembuatan Bilah Sudu ..............................................

  43

  43 4.1 Data Hasil Penelitian ..........................................................................

  41 BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ..................................

  41 3.5 Kesulitan Penelitian ............................................................................

  40 3.4.8 Dokumentasi ...........................................................................

  38 3.4.7 Proses Kerja Alat ....................................................................

  37 3.4.6 Uji Prestasi ..............................................................................

  36 3.4.5 Pemasangan Roda Jalan ke Modul .........................................

  36 3.4.4.5 Pengelasan Roda Jalan ..............................................

  35 3.4.4.4 Pembuatan Poros .......................................................

  33 3.4.4.3 Pembuatan Piringan Roda Jalan ................................

  33 3.4.4.1 Desain ........................................................................

  10 2.3.2 Bagian Turbin Aliran Silang ...................................................

  28 3.4.4 Pembuatan Roda Jalan .............................................................

  26 3.4.3 Perancangan Roda Jalan ..........................................................

  26 3.4.2 Pembuatan Kerangka Alat Uji Turbin .....................................

  26 3.4.1 Persiapan ..................................................................................

  26 3.4 Jalannya Penelitian .............................................................................

  26 3.3 Peralatan Pendukung Penelitian .........................................................

  25 3.2 Bahan Penelitian .................................................................................

  25 3.1 Diagram Alir Penelitian ......................................................................

  24 BAB III METODE PENELITIAN ...................................................................

  17 2.3.5 Perhitungan Analisis Data ......................................................

  14 2.3.4 Perancangan Dimensi Turbin Aliran Silang ............................

  11 2.3.3 Pergerakan Air Turbin Aliran Silang ......................................

  4.1.1 Data Penelitian Turbin Aliran Silang Dengan Busur Sudu 74

  4.1.2 Data Penelitian Turbin Aliran Silang Dengan Busur Sudu 85 dan Jumlah Sudu 18 .................................................................

  4.3.3 Pembahasan Daya Maksimal Turbin Aliran Silang Dengan Busur Sudu 85 dan Jumlah Sudu 18 .......................................

  64 LAMPIRAN .........................................................................................................

  63 DAFTAR PUSTAKA .........................................................................................

  62 5.2 Saran ...................................................................................................

  62 5.1 Kesimpulan .........................................................................................

  59 BAB V KESIMPULAN ...................................................................................

  4.3.5 Perbandingan Daya dan Efisiensi Total Terbaik Antara Turbin Aliran Silang CIT Dengan Turbin Aliran Silang Dengan Busur Sudu 85 ...........................................................

  57

  4.3.4 Pembahasan Efisiensi Total Turbin Aliran Silang Dengan Busur Sudu 85 dan Jumlah Sudu 18 .......................................

  55

  54

  45 4.2 Perhitungan Data Penelitian ...............................................................

  4.3.2 Pembahasan Efisiensi Total Turbin Aliran Silang Dengan Busur Sudu 74 dan Jumlah Sudu 28 .......................................

  53

  4.3.1 Pembahasan Daya Maksimal Turbin Aliran Silang Dengan Busur Sudu 74 dan Jumlah Sudu 28 .......................................

  53

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

  4.2.2 Perhitungan Data Penelitian Turbin Aliran Silang Dengan Busur Sudu 85 dan Jumlah Sudu 18 .......................................

  47

  4.2.1 Perhitungan Data Penelitian Turbin Aliran Silang Dengan Busur Sudu 74 dan Jumlah Sudu 28 .......................................

  47

  65

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Roda Jalan ...................................................................................

  11 Gambar 2.2 Nosel ............................................................................................

  12 Gambar 2.3 Rumah Turbin ..............................................................................

  12 Gambar 2.4 Motor Induksi 3 Fasa ...................................................................

  14 Gambar 2.5 Aliran Air Pada Turbin Aliran Silang (Mockmore, 1949, hal. 6)

  15 Gambar 2.6 Defleksi Pada Pergerakan Air Pada Turbin Aliran Silang (Mockmore, 1949, hal. 8) ............................................................

  16 Gambar 2.7 Segitiga Kecepatan Pada Turbin Aliran Silang (Mockmore, 1949, hal. 8) .................................................................................

  16 Gambar

  2.8 Gabungan Segitiga Kecepatan Pada Turbin Aliran Silang (Mockmore, 1949, hal. 11) ..........................................................

  17 Gambar 2.9 Kelengkungan Sudu (Mockmore, 1949, hal. 16) ........................

  19 Gambar 2.10 Jarak Antar Sudu (Mockmore, 1949, hal. 9) ...............................

  20 Gambar 2.11 Alur Pancaran Air (Mockmore, 1949, hal.13) .............................

  21 Gambar 2.12 Penampang Nosel .........................................................................

  22 Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian ...............................................................

  25 Gambar 3.2 Alat Uji Turbin ............................................................................

  27 Gambar 3.3 Pipa yang telah Dimal Sudut .......................................................

  34 Gambar 3.4 Proses Penyekrapan .....................................................................

  34 Gambar 3.5 Pipa yang Telah Disekrap ............................................................

  35 Gambar 3.6 Sudu Dari Pipa yang Dibelah 85 ................................................

  35 Gambar 3.7 Piringan Roda Jalan .....................................................................

  36 Gambar 3.8 Poros ............................................................................................

  36 Gambar 3.9 Roda Jalan Penelitian .................................................................

  37 Gambar 3.10 Diagram Alir Uji Prestasi ...........................................................

  39

Gambar 4.1 Grafik Hubungan Daya Keluaran dengan Putaran Turbin Pada Variasi Tinggi Nosel dan Variasi Debit .......................................

  53 Gambar 4.2 Grafik Hubungan Efisiensi Total fengan Putaran Turbin Pada Variasi Tinggi Nosel dan Variasi Debit .......................................

  54 Gambar 4.3 Grafik Hubungan Daya Keluaran dengan Putaran Turbin Pada Variasi Tinggi Nosel dan Variasi Debit .......................................

  55 Gambar 4.4 Grafik Hubungan Efisiensi Total dengan Putaran Turbin Pada Variasi Tinggi Nosel dan Variasi Debit .......................................

  57 Gambar 4.5 Grafik Perbandingan Daya Keluaran ............................................

  59 Gambar 4.6 Grafik Perbandingan Efisiensi Total ...........................................

  59

  

DAFTAR TABEL

Tabel 1.1 Status Cadangan Energi Fosil Nasional 2005 (Sumber: DESDM, 2006) ...............................................................................................

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

  9 Tabel 3.1 Pengaturan Variasi Debit ...............................................................

  38 Tabel 4.1 Data Penelitian Pada Tinggi Nosel 9 mm dan Debit 8,2 l/detik .....

  43 Tabel 4.2 Data Penelitian Pada Tinggi Nosel 14 mm dan Debit 10,7 l/detik .

  43 Tabel 4.3 Data Penelitian Pada Tinggi Nosel 19 mm dan Debit 12 l/detik ....

  44 Tabel 4.4 Data Penelitian Pada Tinggi Nosel 9 mm dan Debit 7,9 l/detik .....

  44 Tabel 4.5 Data Penelitian Pada Tinggi Nosel 14 mm dan Debit 9,5 l/detik ..

  44 Tabel 4.6 Data Penelitian Pada Tinggi Nosel 19 mm dan Debit 11,3 l /detik .

  45 Tabel 4.7 Data Penelitian Pada Tinggi Nosel 9 mm dan Debit 8,2 l /detik ....

  45 Tabel 4.8 Data Penelitian Pada Tinggi Nosel 14 mm dan Debit 10,7 l /detik

  46 Tabel 4.9 Data Penelitian Pada Tinggi Nosel 9 mm dan Debit 7,9 l /detik ....

  46 Tabel 4.10 Data Penelitian Pada Tinggi Nosel 14 mm dan Debit 9,5 l /detik .

  46 Tabel 4.11 Perhitungan Data Pada Tinggi Nosel 9 mm dan Debit 8,2 l/detik .

  48 Tabel

  4.12 Perhitungan Data Pada Tinggi Nosel 14 mm dan Debit 10,7 l/detik .......................................................................................

  49 Tabel 4.13 Perhitungan Data Pada Tinggi Nosel 19 mm dan Debit 12 l/detik .

  49 Tabel 4.14 Perhitungan Data Pada Tinggi Nosel 9 mm dan Debit 7,9 l/detik .

  49 Tabel 4.15 Perhitungan Data Pada Tinggi Nosel 14 mm dan Debit 9,5 l/detik .

  50 Tabel

  4.16 Perhitungan Data Pada Tinggi Nosel 19 mm dan Debit 11,3 l/detik ......................................................................................

  50 Tabel 4.17 Perhitungan Data Pada Tinggi Nosel 9 mm dan Debit 8,2 l/detik ..

  52 Tabel

  4.18 Perhitungan Data Pada Tinggi Nosel 14 mm dan Debit 10,7 l/detik .......................................................................................

  52 Tabel 4.19 Perhitungan Data Pada Tinggi Nosel 9 mm dan Debit 7,9 l/detik .

  52 Tabel 4.20 Perhitungan Data Pada Tinggi Nosel 14 mm dan Debit 9,5 l/detik .

  52

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

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

Tabel 1.1. Status Cadangan Energi Fosil Nasional 2005 (Sumber: DESDM, 2006)

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

  Minyak 86,9 miliar barel 9,1 miliar barel)* 387 juta barel

  23 Gas 384,7 TSCF 185,8 TSCF 2,95 TSCF

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

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

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

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

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

  3

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

  3

  m /detik. Unjuk kerja turbin aliran silang 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 roda jalan, rasio diameter dalam dan diameter luar, manufaktur roda jalan maupun nosel dan juga kelengkungan sudu. Sudu turbin aliran silang biasanya dibuat dari pelat yang dilengkung. Pembuatan sudu tersebut tentu saja tidak mudah, apalagi bagi masyarakat kebanyakan. Geometri sudu turbin aliran silang 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.

  1.2 Rumusan Masalah

  Memilih turbin aliran silang sebagai turbin yang akan dibuat agar bisa digunakan pada head dan kapasitas aliran air yang rendah. Pembuatan sudu turbin aliran silang dari pelat yang dilengkung sulit dilakukan. Agar lebih mudah, pelat yang dilengkung diganti dengan pipa besi yang dibelah. Pada penelitian ini akan dibuat roda jalan turbin aliran silang dengan sudu dari pipa besi yang dibelah. Sudu roda jalan dibuat dari pipa besi dengan diameter 1,25 inci yang dibelah dengan sudut busur sudu 85 dan jumlah sudu 18 buah.

  1.3 Tujuan Penelitian a.

  Membuat roda jalan dengan sudu dari pipa besi yang dibelah untuk pembangkit listrik.

  b.

  Mengetahui daya dan efisiensi total terbaik dari roda jalan dengan busur

  o

  sudu 74 dan jumlah sudu 28 buah yang dibuat oleh CV. Cihanjuang Inti Teknik pada variasi debit.

  c.

  Mengetahui daya dan efisiensi total terbaik dari roda jalan dengan busur

  o sudu 85 dan jumlah sudu 18 buah pada variasi debit.

  d.

  Membandingkan daya dan efisiensi total terbaik roda jalan yang dibuat oleh CV. Cihanjuang Inti Teknik dengan roda jalan yang sudunya dibuat

  o

  dari pipa besi berdiameter 1,25 inci dengan busur sudu 85 dan jumlah sudu 18 buah.

1.4 Manfaat Penelitian

  Hasil penelitian ini diharapkan dapat : a.

  Menambah kepustakaan teknologi pembangkit listrik tenaga air.

  b.

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

  c.

  Mengurangi ketergantungan terhadap minyak bumi.

  d.

  Membangunkan kepedulian masyarakat terhadap upaya konservasi air.

BAB II DASAR TEORI

2.1 Tinjauan Pustaka

  Unjuk kerja turbin aliran silang 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 roda jalan, rasio diameter dalam dan diameter luar, manufaktur roda jalan maupun nosel dan juga kelengkungan sudu. Penelitian tentang turbin aliran silang banyak dilakukan untuk sudu yang dibuat dari plat yang dilengkung.

  Turbin aliran silang yang dilengkapi dengan saluran pengarah di dalam roda jalannya 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 aliran silang 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 o

  sebesar 16 . Hasil penelitian menunjukkan bahwa efisiensi turbin tertinggi dicapai pada perbandingan 0,75 dan terendah pada perbandingan 0,54 dengan perbedaan sebesar 3%. Efisiensi turbin tertinggi yang bisa 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 pengaruh sudut busur sudu telah dilakukan. Sudut busur sudu yang digunakan adalah 60 (Evan, 2009) dan 95 (Rendi, 2009). Sudu dari kedua turbin dibuat dari pipa dengan diameter 1,25 inch yang kemudian dibelah. Roda jalan yang diuji memiliki jumlah sudu 20 buah, diameter luar 98 mm dan lebar 104 mm. Sudut pancaran air yang masuk digunakan adalah 16 . Hasil dari penelitian menunjukkan penambahan sudut busur sudu dari 60 menjadi 95 menyebabkan daya maksimal yang dihasilkan turbin turun yaitu dari 36,4 Watt menjadi 19,2 Watt.

  Penurunan daya tersebut menyebabkan penurunan efisiensi. Efisiensi yang dihasilkan pada sudut busur sudu 60 sebesar 9,08%, sedangkan pada sudut busur sudu 95 sebesar 3,97%.

2.2 Landasan Teori

  2.2.1 Definisi Turbin Air

  Turbin air adalah salah suatu mesin berputar yang mengkonversi energi dari suatu gerakan aliran air menjadi energi mekanis. Energi mekanis ini kemudian ditransfer melalui suatu poros untuk mengoperasikan mesin atau generator. Turbin air digunakan pada pembangkit listrik tenaga air (PLTA) untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik, dengan memanfaatkan aliran dan tinggi air jatuh. Air akan menggerakan impeler turbin sehingga menyebabkan putaran yang cepat. Daya mekanis ini kemudian ditransfer ke generator oleh suatu poros dan kemudian akan menghasilkan energi listrik. Pemilihan suatu turbin tergantung pada karakteristik lokasi, karena lokasi ini menentukan tinggi air jatuh dan kapasitas air. Selain itu pemilihan turbin juga tergantung dari kecepatan putar yang dibutuhkan oleh generator.

  2.2.2 Jenis Turbin Air

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

  Turbin Impuls Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan.

  b.

  Turbin Reaksi Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Perbedaan tekanan ini memberikan gaya pada sudu sehingga 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.

  Selain itu turbin juga diklasifikasikan berdasarkan daerah pengoperasian. Turbin yang diklasifikasikan berdasarkan daerah pengoperasian dibagi menjadi 3 kelompok yaitu head tinggi, head sedang dan head rendah.

Tabel 2.1 Klasifikasi Turbin Berdasarkan Head dan Prinsip Kerja

  Head tinggi Head sedang Head rendah

  Pelton Cross-flow Cross-flow Turbin Impuls

  Multi-jet Turgo Pelton

  Turgo Turbin Reaksi Francis Propeller

  Kaplan

2.3 Turbin Aliran silang

2.3.1 Pengertian Turbin Aliran silang

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

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

  3

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

  3

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

2.3.2 Bagian Turbin Aliran silang

  Turbin aliran silang memiliki beberapa bagian utama yaitu : 1.

  Roda Jalan (Runner) Roda jalan terdiri dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel. Pancaran air yang diarahkan oleh nosel akan mengenai sudu roda jalan dan memutar roda jalan. Roda jalan merupakan bagian yang paling utama dari turbin aliran silang karena putaran roda jalan akan ditransmisikan ke generator menggunakan puli sehingga menghasilkan daya.

Gambar 2.1 Roda Jalan 2.

  Nosel (Nozzle) Nosel merupakan alat pengarah pancaran air ke roda jalan. Debit air yang masuk ke roda jalan dapat diatur dengan mengubah ketinggian nosel melalui pengatur yang terdapat pada sisi rumah turbin. Nosel pada turbin aliran silang berbentuk persegi panjang. Panjang nosel disesuaikan dengan panjang roda jalan turbin.

Gambar 2.2 Nosel 3.

  Rumah Turbin Rumah turbin digunakan sebagai tempat untuk memasang roda jalan. Selain roda jalan, di dalam rumah turbin juga terdapat nosel. Rumah turbin dilengkapi dengan bantalan (bearing) sebagai penyangga poros untuk mencegah roda jalan oleng saat berputar. Bantalan juga berfungsi mengurangi gesekan pada poros sehingga poros dapat berputar dengan lancar.

Gambar 2.3 Rumah Turbin

   

  Energi mekanis yang dihasilkan oleh turbin aliran silang dapat dimanfaatkan untuk memperoleh energi listrik. Untuk itu diperlukan generator atau motor listrik.

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

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

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

Gambar 2.4. Motor Induksi 3 Fasa

  Besarnya arus yang dihasilkan oleh motor induksi tergantung pada besarnya putaran motor induksi dan kekuatan medan magnet. Prinsip motor listrik dalam menghasilkan listrik sama dengan prinsip pada DC generator, yakni adanya arus pengumpan yang disebut arus eksitasi saat terjadi medan magnet disekitar kumparan.

  Dari alternator dapat di ukur arus (I) dan tegangan keluaran (V) yang kemudian digunakan untuk menentukan besarnya daya yang dihasilkan.

2.3.3 Pergerakan Air Turbin Aliran Silang

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

  = ρ P g Q H (Dietzel, 1993, hal 2) .......................... 2.1 in

  Dengan

  P : daya yang dihasilkan turbin (W)

  3

  : massa jenis air (kg/m )

  ρ

  2 g : percepatan gravitasi (m/detik ) Pada Gambar 2.5 diasumsikan bahwa pancaran air dari nosel masuk kedalam roda jalan pada titik A dengan membentuk sudut α terhadap kecepatan kelilingnya.

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

  Kecepatan air memasuki roda jalan (V

  1 ) dihitung menggunakan persamaan 2.2 (Mockmore, 1949, hal. 6).

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

  Dengan : C : koefisien kerugian pada nosel

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

  Alur pergerakan air dalam Gambar 2.6 (kiri) pada kenyataannya tidak menyilang karena terdapat defleksi sebesar θ seperti dalam Gambar 2.6 (kanan).

Gambar 2.6 Defleksi Pada Pergerakan Air Pada Turbin Aliran Silang

  (Mockmore, 1949, hal. 8)

  

 

 

Gambar 2.7 Segitiga Kecepatan Pada Turbin Aliran Silang

  (Mockmore, 1949, hal. 8) Jika u

  1

  α

  Diameter luar roda jalan dihitung dengan persamaan 2.5 (Mockmore, 1949,

  1 ) Diameter luar roda jalan merupakan diameter piringan yang digunakan.

  a. Diameter Luar Roda Jalan (D

   

  (Mockmore, 1949, hal. 11)

Gambar 2.8 Gabungan Segitiga Kecepatan Pada Turbin Aliran Silang

     

  o .

  ’ = 90

  2

  besarnya β

  2 , untuk membuat aliran pancaran air radial maka

  α

  1 =

  1 = v 2 dan

  = ½ V

  2.4 Jika α

  1

  cos α

  1 ................................................................................

  2.3 Maka tan β

  2 = 2 tan

  α 1 ..............................................................................

  1

  adalah sudut sudu keluar sisi atas pada keliling dalam roda jalan. Dengan asumsi v

  = 16

  o

  , maka β

  1

  = 29,5 atau nilai pendekatannya 30 . (Mockmore, 1949, hal. 10). Β

  2 ’

2.3.4 Perancangan Dimensi Turbin Aliran Silang

  1 ₂

  862 ⋅ H

  D ₁ = ..................................................................................... 2.5 N

  Dengan : H = head (inci) N = putaran turbin (rpm)

  b. Lebar Roda Jalan (L) Lebar roda jalan sama dengan panjang sudu dan lebar nosel. Lebar roda jalan dihitung dengan persamaan 2.6 (Mockmore,1949, hal.15).

  144 Q N ⋅ ⋅

  L = ................................................................

  2.6

  1

  1

  2

  2

  862 ⋅ H ⋅ C ⋅ k ⋅ 2 ⋅ g ⋅ H

  ( )

  Dengan :

3 Q = Debit aliran air (kaki /detik)

  C = Koefisien nosel = 0,98 k = Faktor koreksi = 0,087 c. (Mockmore, 1949, hal. 17)

  Lebar dan Diameter Roda Jalan

  ⋅ 210 ,

  6 Q ⋅ = .................................................................................. 2.7 L D _{1 1 2} H

  Dengan : L = lebar roda jalan (inci) D = diameter roda jalan (inci)

  1 d.

  Jari-Jari Kelengkungan Sudu (ρ) Jari-jari kelengkungan sudu merupakan jari-jari pipa besi yang digunakan sebagai sudu. Jari-jari kelengkungan sudu dihitung dengan persamaan 2.8 (Mockmore, 1949, hal. 15).

  ......................................................................................... 2.8 = , 326 ⋅ r

  ρ

1 Dengan :

  r

  1 = jari-jari luar roda jalan (inci) e.

  Lebar Velk Radial (a) Lebar velk radial merupakan jarak antara jari-jari luar roda jalan (r

  1 )dengan

  jari-jari dalam roda jalan (r

  2 ). Lebar velk radial dihitung dengan persamaan 2.9 (Mockmore, 1949, hal. 12).

  a = 0,17 . D ............................................................................................ 2.9

  1 f.

  Jarak Antar Sudu (t)

  s = k ⋅ D (Mockmore, 1949, hal. 14) ........... 2.10

  1

  1

  ⎛ r ⎞ ₂

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

  ⎜⎜ ⎟⎟

  r ₁

  ⎝ ⎠

  s ₁ = (Mockmore, 1949, hal. 10) ............ 2.12 t

  ⋅ sin β ₁ Gambar 2.10 Jarak Antar Sudu (Mockmore, 1949, hal. 9) g.

  Jumlah Sudu (n) (Mockmore, 1949, hal. 17)

  D ₁ = ⋅ ................................................................................................ 2.13 n π t

  h. Jarak Pancaran dari Poros (y

  1 ) (Mockmore, 1949, hal. 14) i. Jarak Pancaran dari Diameter Dalam (y ) (Mockmore, 1949, hal. 14)

  2 y = , 1314 − , 945 ⋅ k ⋅ D .................................................................... 2.15

  ( )

  2

  1

  j. Sudut Pusat Sudu Jalan (Mockmore, 1949, hal. 15) 1 cos β ₁ Tan δ = ........................................................................ 2.16 2 r ⎛ ^{2 ⎞}

• sin β ⎜ ^{1 ⎟}

  r ₁

  ⎝ ⎠

Gambar 2.11 Alur Pancaran Air (Mockmore, 1949, hal.13)

  k. Efisiensi Maksimal Turbin ( max ) ε

  1

  u = ⋅ V ⋅ cos α

  jika

  1

  1

  1

  2 maka tan

  1 = 2 tan

  1

  β α ψ = koefisien empiris yang nilainya sekitar (0,98) (Mockmore, 1949, hal. 9) Efisiensi maksimal turbin dihitung dengan persamaan 2.17 (Mockmore, 1949, hal. 9)

  1

  2

  2 ε = ⋅ C ⋅

  1 ψ ⋅ cos ⋅ α