YANG DIBUAT DARI PIPA DIBELAH DENGAN RADIUS SUDU 0,875 INCI DAN JUMLAH SUDU 24
o TURBIN ALIRAN SILANG DENGAN BUSUR SUDU 74
YANG DIBUAT DARI PIPA DIBELAH DENGAN
RADIUS SUDU 0,875 INCI DAN JUMLAH SUDU 24TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat
Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Mesin
Oleh : Nicolaus Setyo Haryanto
NIM : 055214032
PROGRAM STUDI TEKNIK MESINFAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA 2009
THE CROSSFLOW TURBINE WITH 74° OF CENTRAL ANGLE
THAT MADE FROM CUTTING PIPE LENGHTWISE WITH
RADIUS 0,875 INCH AND 24 NUMBER OF BLADE
FINAL PAPER Presented as Fulfillment of the Requirements
To Obtain the Sarjana Teknik Degree in Mechanical Engineering Study Programme
By :
Nicolaus Setyo Haryanto
Student Number : 055214032
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAMME
SCIENCE AND TECNOLOGY FACULTY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA
2009
TUGAS AKHIR TURBIN ALIRAN SILANG DENGAN BUSUR SUDU 74 o YANG DIBUAT DARI PIPA DIBELAH DENGAN RADIUS SUDU 0,875 INCI DAN JUMLAH SUDU 24
Disusun Oleh : Nama : Nicolaus Setyo Haryanto Nim : 055214032
Telah Disetujui Oleh : Yogyakarta, 21 Juli 2009
Pembimbing Yosef Agung Cahyanta, S.T.,M.T.
TUGAS AKHIR TURBIN ALIRAN SILANG DENGAN BUSUR SUDU 74 o YANG DIBUAT DARI PIPA DIBELAH DENGAN RADIUS SUDU 0,875 INCI DAN JUMLAH SUDU 24
Oleh : Nicolaus Setyo Haryanto
NIM : 055214032 Telah dipertahankan di depan panitia penguji pada tanggal 15 Juli 2009 dan dinyatakan memenuhi syarat
Susunan Panitia penguji Ketua : Doddy Purwadianto, S.T., M.T. .........................
Sekretaris : Ir. FA. Rusdi Sambada, M.T. ......................... Anggota : Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T . .........................
Yogyakarta, 21 Juli 2009 Fakultas Sains dan teknologi
Universitas Sanata Dharma Yogyakarta
Dekan (Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T.)
HALAMAN PERSEMBAHAN
Tugas Akhir ini penulis persembahkan kepada:
Bapak Ibu dan Kakak-kakakku tercinta
Seseorang yang selalu membuatku bersemangat
Teman-teman dan sahabat-sahabatku
yang selalu membantu demi terselesaikannya Tugas Akhir ini
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam tugas akhir ini tidak terdpat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu Perguruan Tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.
Yogyakarta, 21 Juli 2009 Penulis
Nicolaus Setyo Haryanto
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN
PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Sanata Dharma : Nama : Nicolaus Setyo Haryanto NIM : 055214032
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul :
o TURBIN ALIRAN SILANG DENGAN BUSUR SUDU 74
YANG DIBUAT DARI PIPA DIBELAH DENGAN
RADIUS SUDU 0,875 INCI DAN JUMLAH SUDU 24
Beserta perangkat yang diperlukan (bila ada). Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengolahnya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas, dan mempublikasikan di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya ataupun memberikan royalti kepada saya selama masih tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis.
Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya. Yogyakarta, 21 Juli 2009
Yang Menyatakan, Nicolaus Setyo Haryanto
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. Sudu turbin dibuat dari pipa dengan diameter 1,75 inci. Diameter roda jalan adalah 98 mm dengan panjang roda jalan 104 mm. Dengan busur sudu 74 dan jumlah sudu pada roda jalan 24 buah. Penelitian dilakukan dengan memvariasikan debit dan tinggi bukaan nosel 9 mm, 14 mm, 19 mm. Untuk menghasilkan listrik, turbin dihubungkan dengan generator. Pengukuran daya yang dihasilkan turbin dilakukan dengan mengukur tegangan dan arus yang dihasilkan generator pada kondisi generator diberi variasi pembebanan dari 10 W, 20 W, 30 W, 40 W, 50 W, 60 W, 70 W, 80 W. Pada setiap pembebanan, putaran turbin diukur dengan tachometer.
o
Turbin Aliran Silang dengan busur sudu 74 , radius sudu 0,875 dan jumlah sudu 24 mampu menghasilkan daya sebesar 48,1 watt pada variasi tinggi bukaan nosel 9 mm dan debit 8,2 l/det, dan memiliki efisiensi sebesar 19,84 % pada variasi tinggi nosel 14 mm dan debit 9,5 l/det.
KATA PENGANTAR
Puji Syukur penulis panjatkan kepada Allah Bapa yang Maha Kasih dan Yesus Kristus atas segala berkat dan bimbingan-Nya dalam penyusunan skripsi
o
berjudul “TURBIN ALIRAN SILANG DENGAN BUSUR SUDU 74 YANG DIBUAT DARI PIPA DIBELAH DENGAN RADIUS SUDU 0,875 INCI DAN JUMLAH SUDU 24”.
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.
Bapak Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T, Dekan dan Dosen Pembimbing Tugas Akhir Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.
2. Bapak Budi Sugiharto, S.T, M.T, Ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.
3. Segenap Dosen di Jurusan Teknik Mesin, yang telah membimbing selama kuliah di Universitas Sanata Dharma.
4. Kepala Laboratorium Konversi Energi Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma yang telah memberikan ijin dan fasilitas yang dipergunakan.
5. Kepala Laboratorium Teknik Tenaga Listrik Jurusan Elektro Universitas Sanata Dharma yang telah memberikan ijin dan fasilitas yang dipergunakan.
6. Segenap karyawan Sekertariat Teknik Universitas Sanata Dharma dan semua karyawan dan staff Universitas Sanata Dharma.
7. Drs. Dwi Sujoko M.T., Guru STM Pembangunan yang telah membantu dalam pengelasan roda jalan.
8. Bapak Fs. Sumarno dan Ibu St. Sutinem yang selalu mencurahkan tenaga, pikiran, kasih sayang, doa serta dukungan dan nasehat dalam segala hal selama ini.
9. Keluarga besar dan kakak-kakakku yang selalu memberikan dukungan dan nasehat dalam segala hal selama ini.
10. Agata Novia Adriani yang selalu memberikan dukungan dan semangat selama ini.
11. Teman-teman kelompok penelitian microhydro yang tidak bisa saya sebutkan satu persatu yang telah banyak membantu selama pengambilan data dan penyusunan skripsi.
12. Teman-teman mahasiswa angkatan 2005 khususnya dan semua angkatan Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma serta semua pihak yang tidak bisa saya sebutkan satu persatu.
Penulis menyadari sepenuhnya bahwa penyusunan skripsi 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 skripsi ini. Akhir kata, semoga skripsi ini dapat berguna bagi pembaca semua.
Yogyakarta, 21 Juli 2009 Penulis
DAFTAR ISI
Halaman HALAMAN JUDUL .............................................................................. i TITLE PAGE ......................................................................................... ii HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ................................... iii HALAMAN PENGESAHAN ................................................................. iv HALAMAN PERSEMBAHAN ............................................................. v PERNYATAAN KEASLIAN KARYA. ................................................ vi LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH. .................................................................................. vii
INTISARI ................................................................................................ viii KATA PENGANTAR ............................................................................ ix DAFTAR ISI ........................................................................................... xii DAFTAR TABEL ................................................................................... xv DAFTAR GAMBAR .............................................................................. xvi BAB I. PENDAHULUAN ......................................................................
1 1.1.Latar Belakang Masalah ..............................................................
1 1.2. Rumusan Masalah ......................................................................
3 1.3. Tujuan Penelitian .......................................................................
4 1.4. Manfaat Penelitian .....................................................................
4 BAB II. DASAR TEORI ........................................................................
5 2.1. Tinjauan Pustaka ........................................................................
5 2.2. Turbin Air ..................................................................................
7
2.2.1. Definisi Turbin Air ............................................................
7 2.2.2. Jenis-Jenis Turbin Air .......................................................
7 2.3. Turbin Aliran Silang ..................................................................
9 2.3.1. Bagian Turbin Aliran Silang .............................................
10 2.4. Pergerakan Air Turbin Aliran Silang .........................................
14 2.5. Perancangan Turbin Aliran Silang .............................................
15 2.5.1. Segitiga Kecepatan ............................................................
15 2.5.2. Perhitungan Dimensi Turbin .............................................
17 BAB III. METODE PENELITIAN ........................................................
25 3.1. Diagram Alir Penelitian Dan Perancangan ................................
25 3.2. Bahan Penelitian ........................................................................
26 3.3. Peralatan Penelitian ....................................................................
26 3.4. Jalannya Penelitian .....................................................................
26 3.4.1. Persiapan ...........................................................................
26 3.4.2. Pembuatan Kerangka Alat Uji ..........................................
27 3.4.3. Perancangan Roda jalan ....................................................
28 3.4.4. Pembuatan Roda jalan .......................................................
34 3.4.4.1. Pembuatan Sudu ..................................................
34 3.4.4.2. Pembuatan Piringan Dan Poros Roda jalan .........
34 3.4.4.3. Perakitan Roda Jalan ...........................................
36 3.4.5. Perakitan Turbin Aliran Silang .........................................
37 3.5. Uji Prestasi ...........................................................................
39 3.5.1 Cara Kerja Turbin ..............................................................
39
3.5.2. Langkah Pengambilan Data ..............................................
40 3.5.3. Analisa Data ......................................................................
41 BAB IV. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN .......................
43 4.1. Hasil Penelitian ..........................................................................
43 4.1.1. Data Hasil Penelitian .........................................................
43 4.1.2. Perhitungan Data Penelitian ..............................................
45 4.2. Pembahasan ................................................................................
48
4.2.1. Daya dan Efisiensi Total Turbin Aliran Silang Dengan
o Busur Sudu 74 dan Jumlah Sudu 24 ................................
48 4.2.1.1 Pembahasan Daya Hasil Penelitian ......................
48 4.2.1.2 Pembahasan Efisiensi Hasil Penelitian .................
51 BAB V. PENUTUP .................................................................................
54 5.1. Kesimpulan ......................................................................................
54 5.2. Saran .................................................................................................
54 DAFTAR PUSTAKA .............................................................................
56 LAMPIRAN
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 2.1. Pengelompokan Turbin ..........................................................
8 Tabel 3.1. Perbandingan L/D 1 .................................................................
29 Tabel 4.1. Data Penelitian pada Tinggi Nosel 9 mm dan Debit 8,2 l/det Tekanan 7,5 Psi .....................................................................
43 Tabel 4.2. Data Penelitian pada Tinggi Nosel 14 mm dan Debit 10,7 l/det Tekanan 3,5 Psi .....................................................................
44 Tabel 4.3. Data Penelitian pada Tinggi Nosel 9 mm dan Debit 7,9 l/det Tekanan 6 Psi ........................................................................
44 Tabel 4.4. Data Penelitian pada Tinggi Nosel 14 mm dan Debit 9,5 l/det Tekanan 3 Psi ........................................................................
44 Tabel 4.5. Perhitungan pada Tinggi Nosel 9 mm dan Debit 8,2 l/det Tekanan 7,5 Psi .....................................................................
46 Tabel 4.6. Perhitungan pada Tinggi Nosel 14 mm dan Debit 10,7 l/det Tekanan 3,5 Psi .....................................................................
47 Tabel 4.7. Perhitungan pada Tinggi Nosel 9 mm dan Debit 7,9 l/det Tekanan 6 Psi ........................................................................
47 Tabel 4.8. Perhitungan pada Tinggi Nosel 14 mm dan Debit 9,5 l/det Tekanan 3 Psi ........................................................................
47
DAFTAR GAMBAR
19 Gambar 2.11. Alur Pancaran Air................................................................
36 Gambar 4.1. Grafik Daya vs Putaran Poros Generator dengan tinggi nosel 9 mm dan variasi debit ..............................................
36 Gambar 3.6. Roda jalan Penelitian ...........................................................
35 Gambar 3.5. Las poros dan piringan ........................................................
35 Gambar 3.4 Piringan Setelah Diberi Alur ...............................................
34 Gambar 3.3. Poros Roda jalan..................................................................
25 Gambar 3.2. Sudu Yang Sudah Dibelah ..................................................
20 Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian Dan Penelitian ..............................
18 Gambar 2.10. Jarak Antar Sudu .................................................................
Halaman Gambar 2.1. Roda jalan .............................................................................
16 Gambar 2.9. Kelengkungan Sudu ............................................................
15 Gambar 2.8. Gabungan Segitiga Kecepatan pada Turbin Aliran Silang ...
15 Gambar 2.7. Segitiga Kecepatan pada Turbin Aliran silang .....................
13 Gambar 2.5. Aliran Pergerakan Air pada Turbin Aliran silang ................ 14 Gambar 2.6. Defleksi Pada Pergerakan Air pada Turbin Aliran silang ....
11 Gambar 2.4. Generator ..............................................................................
11 Gambar 2.3. Rumah Turbin ......................................................................
10 Gambar 2.2. Alat Pengarah .......................................................................
48
Gambar 4.2. Grafik Daya vs Putaran Poros Generator dengan tinggi nosel 14 mm dan variasi debit ............................................49 Gambar 4.3. Grafik Efisiensi vs Putaran Poros Generator dengan tinggi nosel 9 mm dan variasi debit ..............................................
51 Gambar 4.3. Grafik Efisiensi vs Putaran Poros Generator dengan tinggi nosel 14 mm dan variasi debit ............................................
51
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Seiring dengan perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi kebutuhan masyarakat tidak lepas dari energi listrik, karena hampir sebagian besar peralatan yang digunakan oleh masyarakat pada umumnya menggunakan energi listrik. Listrik yang digunakan oleh masyarakat dihasilkan dari suatu sistem pembangkit tenaga listrik antara lain Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA), Pembangkit Listrik Tenaga Gas Bumi (PLTG), Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU), Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD), Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) dll. Dari berbagai macam sistem pembangkit listrik yang ada sebagian besar masih tergantung dengan mengunakan bahan bakar fosil sebagai sumber energi utamanya.
Dari ketergantungan dengan bahan bakar fosil tersebut maka muncul permasalahan yang dihadapi yaitu semakin menipisnya ketersediaan bahan bakar fosil yang merupakan sumber daya alam yang tidak dapat diperbaharui serta dampaknya terhadap lingkungan hidup terkait dengan isu pemanasan global. Untuk mengatasi permasalahan tersebut maka perlu dikembangkan sumber energi alternatif pengganti bahan bakar fosil yaitu pemanfaatan sumber energi terbarukan seperti angin, surya, panas bumi dan air.
2 Air merupakan salah satu alternatif sumber energi yang memiliki potensi yang sangat besar sebagai pengganti bahan bakar fosil. Selain karena jumlahnya yang tidak terbatas, air juga merupakan sumber energi yang bersih karena tidak menghasilkan polutan sehingga dapat mengurangi pemanasan global.
Pemanfaatan energi air sebenarnya sudah dilakukan antara lain dengan adanya PLTA, namun kebanyakan yang digunakan adalah sumber pembangkit tenaga air dengan kapasitas besar saja. Sedangkan pemanfaatan sumber pembangkit tenaga air dengan kapasitas kecil belum banyak digunakan. Oleh karena itu perlu dikembangkan suatu teknologi terapan untuk memanfaatkan potensi tersebut agar dapat digunakan untuk mencukupi kebutuhan listrik secara swadaya oleh masyarakat terutama masyarakat kecil yang mengalami kesulitan distribusi listrik.
Turbin aliran silang merupakan salah satu alat pembangkit listrik tenaga air yang mengkonversi potensi energi air menjadi energi mekanik untuk memutar generator listrik. Turbin aliran silang banyak digunakan untuk daya yang kecil (microhydro/picohydro). Sudu turbin aliran silang biasanya dibuat dari plat yang dilengkungkan. Tentu saja pembuatan sudu tersebut tidak mudah, apalagi bagi kebanyakan masyarakat. Geometri sudu turbin aliran silang sebenarnya sama dengan geometri pipa yang dibelah dengan besar sudut busur tertentu. Oleh karena itu, untuk memudahkan pembuatan maka digunakanlah pipa yang dibelah sebagai sudu turbin. Pembuatan roda jalan yang mudah akan membuat biaya yang dikeluarkan menjadi murah. Masyarakat akan dapat membuat sendiri sehingga masyarakat dapat berswadaya energi listrik. Sampai sekarang ini pemanfaatan pipa dibelah sebagai
3 sudu turbin aliran silang tidak banyak dilakukan sehingga informasi mengenai unjuk kerjanya kurang diketahui.
1.2 Rumusan Masalah
Sudu turbin aliran silang biasanya dibuat dari plat yang dilengkungkan, tentu saja pembuatan sudu tersebut sulit untuk dilakukan. Maka dari itu pada penelitian ini akan dibuat turbin aliran silang dengan sudu dari pipa yang dibelah sebagai pengganti plat yang dilengkungkan. Turbin akan dibuat dari pipa hitam berdiameter 1,75 inci yang dibelah dengan besar busur sudu 74 dan jumlah sudu 24 buah.
Unjuk kerja turbin aliran silang dipengaruhi oleh banyak parameter lain, diantaranya adalah jumlah sudu, sudut pancaran air masuk, sudut keluar, posisi pancaran air masuk, lintasan aliran di dalam turbin, rasio lebar, dan diameter roda jalan, rasio diameter dalam dan diameter luar serta manufaktur roda jalan maupun nosel. Pada penelitian ini turbin akan diteliti unjuk kerjanya pada variasi tinggi bukaan nosel, debit, dan beban generator.
4
1.3 Tujuan Penelitian a.
Membuat turbin aliran silang dengan menggunakan sudu dari pipa yang dibelah untuk pembangkit listrik.
b.
Mengetahui daya dan efisiensi total terbaik dari turbin aliran silang dengan busur sudu 74
o dan jumlah sudu 24.
1.4 Manfaat Penelitian
Hasil penelitian yang dilakukan penulis diharapkan dapat : 1.
Menambah kepustakaan teknologi pembangkit listrik tenaga air.
2. Diterapkan di masyarakat yang berada dekat sumber air dan belum mendapat pasokan listrik sehingga dapat menyediakan energi listrik secara swadaya.
3. Mengurangi ketergantungan terhadap minyak bumi.
4. Membangunkan kepedulian masyarakat terhadap upaya konservasi air.
5
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 di dalam turbin, rasio lebar, dan diameter roda jalan, rasio diameter dalam dan diameter luar serta manufaktur roda jalan maupun nosel.
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
6 yang digunakan adalah 0,75, 0,65, 0,58 dan 0,54. Sudut masuk pancaran air dipilih
o
sebesar 16 . Hasil penelitian menunjukkan bahwa efisiensi tertinggi dicapai pada perbandingan 0,75 dan terendah pada perbandingan 0,54 dengan perbedaan sebesar 3%. Efisiensi yang biasa dicapai adalah sebesar 72%.
Penelitian terhadap pengaruh sudut nosel menunjukkan bahwa efisiensi akan semakin besar jika sudut nosel semakin besar (Khosrowpanah, 1988). Penelitian ini menggunakan 3 buah roda jalan dengan jumlah sudu 20, 15, dan 10 serta 1 buah roda jalan dengan diameter setengah dari diameter roda jalan yang lain, sedangkan jumlah sudunya 20. Dari penelitian ini juga didapatkan bahwa efisiensi tertinggi dari tiap roda jalan dicapai pada kecepatan spesifik yang sama. Semakin banyak jumlah sudu akan memberikan efisiensi yang semakin tinggi, namun jumlah sudu tersebut ada batasnya. Untuk sudut nosel tertentu efisiensi maksimum dicapai pada jumlah sudu tertentu. Ada jumlah sudu optimum untuk sudut nosel tertentu (Joshi, 1995).
Penelitian terhadap penggunaan sudu dari pipa dibelah sebagai pengganti plat yang dilengkungkan (Sutarja, 2009). Penelitian ini dilakukan untuk mangetahui unjuk kerja turbin maksimum dengan busur sudu 74º yang dibuat dari pipa dibelah dengan radius sudu 0,875 dan jumlah sudu 18 buah. Dari penelitian ini diperoleh daya tertinggi yang dihasilkan adalah 68,9 watt dan efisiensi total tertinggi yang dihasilkan adalah 17,26 %.
7
2.2 TURBIN AIR
2.2.1 Definisi Turbin Air
Turbin air adalah suatu mesin berputar yang mengkonversi energi dari suatu gerakan aliran air menjadi energi mekanis. Energi mekanis ini kemudian ditransfer melalui suatu poros untuk mengoperasikan mesin atau generator. Turbin air digunakan pada Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik, dengan memanfaatkan aliran dan tinggi air jatuh. Air di bawah tekanan tinggi di dalam dam dilepaskan ke dalam suatu saluran dimana akan menggerakkan impeler turbin sehingga menyebabkan putaran yang cepat. Daya mekanis ini kemudian ditransfer ke generator oleh suatu poros dan kemudian akan menghasilkan energi listrik. Pemilihan suatu turbin tergantung pada karakteristik lokasi, karena menentukan tinggi air jatuh dan kapasitas air. Selain itu pemilihan turbin juga tergantung dari kecepatan putar yang diminta oleh generator.
2.2.2 Jenis-Jenis Turbin Air
Terdapat berbagai jenis turbin air yang digunakan untuk penyediaan kebutuhan energi listrik. Turbin air biasanya dikelompokkan berdasarkan kegunaan tertentu, kapasitas aliran, dan tinggi air jatuh. Oleh karena itu, turbin air diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara. Secara umum turbin air dikelompokkan menurut tinggi air jatuh (head) dan juga prinsip kerja turbin tersebut merubah energi air menjadi energi puntir. Berdasarkan klasifikasi ini turbin air dibagi menjadi :
8 a.
Turbin Impuls Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan.
b.
Turbin Reaksi Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Perbedaan tekanan ini memberikan gaya pada sudu sehingga roda jalan (bagian turbin yang berputar) dapat berputar. Turbin yang bekerja berdasarkan prinsip ini dikelompokkan sebagai turbin reaksi. Roda jalan turbin reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah turbin.
Tabel 2.1 Pengelompokan TurbinHead Tinggi Head Sedang Head Rendah
Turbin Impuls Turbin Pelton Turbin Aliran Turbin Aliran Turbin Turgo silang silang
Turbin Pelton
Multi Jet
Turbin Turgo Turbin Reaksi Turbin Francis Turbin Kaplan
9
2.3 TURBIN ALIRAN SILANG
Turbin aliran silang dikembangkan oleh Michell (Australia) dan Bangki (Honggaria), sehingga turbin ini disebut juga turbin Michell-Bangki. Turbin aliran silang disebut juga turbin ossberger, yaitu arah aliran masuk air ke sudu turbin secara radial. Air dialirkan melewati sudu-sudu jalan yang berbentuk silinder, pertama-tama air dari luar masuk melalui sudu-sudu silinder dan kemudian dari dalam keluar melalui sudu-sudu. Aliran air yang melewati sudu ada dua tingkatan. Tingkatan pertama, air masuk melalui sudu atas. Daya yang dihasilkan lebih besar dari tingkat pertama yaitu 80 % dari tingkat kedua. Tingkat kedua, air keluar melalui sudu bagian bawah. Daya yang dihasilkan kurang lebih 20% dari daya yang dihasilkan pada tingkat pertama.
Turbin aliran silang sangat baik digunakan untuk pusat tenaga air yang kecil dengan daya yang dihasilkan ± 750 KW. Ketinggian head yang bisa digunakan yaitu
2
diatas 1 m sampai dengan 200 m. Kapasitas aliran air 0,02 m /detik sampai dengan 7
2
m /detik. Kecepatan putaran turbin aliran silang antara 60 rpm sampai 200 rpm. Hal ini dipengarui oleh diameter roda jalan. Aliran turbin aliran silang sangat besar yaitu mencapai 87,7 %. Dengan daerah daya turbin yang disebut di atas, turbin aliran silang cocok digunakan untuk menggerakan penggilingan, penggergaji kayu, generator listrik kecil, pompa-pompa.
10
2.3.1 Bagian Turbin Aliran Silang
Pada dasarnya turbin aliran silang terdiri dari tiga bagian utama, yaitu:
1. Roda jalan Roda jalan turbin aliran silang terdiri dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel.
Gambar 2.1 Roda jalan2. Alat Pengarah Alat pengarah pada turbin sering disebut dengan nosel. Nosel pada turbin aliran silang berbentuk persegi panjang. Ukuran nosel disesuaikan dengan ukuran roda jalan turbin.
11
Gambar 2.2 Alat Pengarah3. Rumah Turbin Rumah turbin digunakan untuk memasang turbin agar dapat berputar. Rumah turbin dilengkapi dengan bantalan agar poros turbin dapat berputar tanpa adanya gesekan dan berputar pada posisi yang sama.
Gambar 2.3 Rumah TurbinTurbin aliran silang dapat digunakan untuk menggerakkan generator listrik kecil. Untuk itu perlu adanya komponen tambahan yang disebut generator. Generator berfungsi mengubah tenaga mekanis menjadi tenaga listrik arus bolak-balik.
12 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.
Generator memiliki 3 bagian yang penting, yaitu : a.
Rotor Rotor adalah bagian yang berputar yang menjadi satu dengan poros alternator yang terdapat magnet permanen atau lilitan induksi magnet. Pada rotor terdapat bagian yang berfungsi sebagai kutub magnet yang terletak pada sisi luar dari lilitan. Rotor ditumpu oleh dua buah bearing, pada bagian depannya terdapat puli. Rotor berfungsi menghasilkan medan magnet yang menginduksikan ke stator.
b. Stator Stator adalah bagian yang statis pada altenator yang berupa inti besi yang dibungkus dengan kawat tembaga. Bagian ini berupa lilitan yang berfungsi untuk menghasilkan arus bolak-balik (AC).
13 c. Dioda
Dioda mengkonversi arus bolak-balik yang dihasilkan oleh pasangan rotor dan stator menjadi arus searah.
Gambar 2.4 GeneratorBesarnya arus yang dihasilkan oleh motor induksi tergantung pada besarnya putaran alternator dan kekuatan medan magnet. Altenator menghasilkan listrik dengan prinsip yang sama pada DC generator, yakni adanya arus pengumpan yang disebut arus eksitasi saat terjadi medan magnet disekitar kumparan. Dari alternator dapat di ukur arus (I) dan tegangan keluaran (V) yang kemudian digunakan untuk menentukan besarnya daya yang dihasilkan.
14
2.4 PERGERAKAN AIR TURBIN ALIRAN SILANG
Pada gambar 2.5 diasumsikan bahwa pancaran air dari nosel masuk ke dalam roda jalan pada titik A dengan membentuk sudut α terhadap kecepatan kelilingnya.
Kecepatan air memasuki roda jalan (V
1
) dihitung dengan (Mockmore, 1949, hal 6) :
( ) 2 1 1
V ⋅ ⋅ ⋅ = .......................................................................................2.1
2 H g C
Dengan :
V 1 = Kecepatan absolut. C = Koefisien berdasarkan nosel α adalah sudut antara kecepatan absolut dengan kecepatan keliling lingkaran roda jalan dan
β adalah sudut antara kecepatan relatif dengan kecepatan keliling lingkaran roda jalan. Dengan indek 1 menandakan kecepatan masuk dan indek 2 menandakan kecepatan keluar sudu jalan turbin.
Gambar 2.5 Aliran pergerakan air pada Turbin Crossflow (Sumber : Mockmore, 1949, hal. 6)15 Alur pergerakan air pada kenyataannya tidak seperti yang terdapat dalam
(gambar 2.5) karena terdapat defleksi sebesar θ seperti dalam (gambar 2.7).
Gambar 2.6 Defleksi pada pergerakan air pada Turbin Aliran silang (Sumber : Mockmore, 1949)2.5 PERANCANGAN TURBIN ALIRAN SILANG
2.5.1 Segitiga Kecepatan
Sudut β1 ditentukan oleh nilai α
1 , V 1 , dan u 1 .
Gambar 2.7 Segitiga kecepatan pada Turbin Crossflow (Sumber : Mockmore, 1949)16 Jika u
1 = ½ V 1 cos 1 ................................................................................................2.2
α maka tan
2 = 2 tan 1 ................................................................................................2.3
β α
o o o o
jika
1 = 16 , maka 1 = 29 , 30 atau 50 atau nilai pendekatan. (Mockmore,
α β 1949, hal 10).
’ 2 adalah sudut sudu keluar sisi atas pada keliling dalam roda jalan. Dengan
Β asumsi v
1 = v 2 dan 1 = 2 , untuk membuat aliran pancaran air radial maka besarnya
α α
o 2 ’ = 90 .
β
Gambar 2.8 Gabungan Segitiga Kecepatan Pada Turbin Aliran Silang (Sumber : Mockmore, 1949)17
2.5.2 Perhitungan Dimensi Turbin
1 ) N H D 2 1 1
862 ⋅ = (Mockmore, 1949, hal 14) .........................................................2.4
Dengan : H = Head ketinggian (inci) N = Putaran turbin (rpm)
b. Panjang Turbin (L)
( ) 2 1 2 1
2 862 144
H g k C H N Q L
a. Diameter Luar Roda jalan (D
= (Mockmore, 1949, hal 15)…….................…2.5 Dengan : Q = Debit aliran air (cfs).
C = Koefisien nosel.
= 0.98 K = Faktor koreksi.
= 0.087
c. Perbandingan panjang dan diameter turbin 2 1 1
210 6 , H Q D L
⋅ = ⋅ (Mockmore, 1949, hal 17).....................................................2.6
⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅
18 d. Jari-jari kelengkungan sudu (
ρ)
1
= 326 , r ⋅ ρ (Mockmore, 1949, hal 15) ............................................................2.7
Dengan : r
1 = jari-jari luar roda jalan (inci)
e. Lebar sudu (a)
1
= 17 , D a ⋅ (Mockmore, 1949, hal 12) .............................................................2.8
Gambar 2.9 Kelengkungan sudu (Sumber : Mockmore, 1949)f. Jarak antar sudu (t) Jarak antar sudu meliputi jarak antar sudu pancaran air masuk (s
1 ), jarak sudu
pancaran air keluar (s
2 ) dan jarak antar sudu (t) (gambar 2.9)
1
1 D k s ⋅ = (Mockmore, 1949, hal 14) ...............................................................2.9
19 ⎛ ⎞
r 2
(Mockmore, 1949, hal 11) ............................................................2.10
s = t ⋅ 2
⎜⎜ ⎟⎟
r 1
⎝ ⎠
s 1 t (Mockmore, 1949, hal 10) ..............................................................2.11 =
β
sin ⋅ 1 Gambar 2.10 Jarak antar sudu
(Sumber : Mockmore, 1949)
g. Jumlah sudu (n)
D 1 n π (Mockmore, 1949, hal 17) ..............................................................2.12 = ⋅ t
h. Jarak pancaran dari poros (y
1 ) (gambar 2.11) ( , 1986 − , 945 ⋅ k ) d y = − (Mockmore, 1949, hal 14) ……….....................2.13 1 D 1
2
20 i. Jarak pancaran dari keliling dalam (y
2 ) (gambar 2.11) y = , 1314 − , 945 ⋅ k ⋅ D
( ) (Mockmore, 1949, hal 14) ..................................2.14
2
1 Gambar 2.11 Alur pancaran air
(Sumber : Mockmore, 1949)
j. Efisiensi maksimal turbin
1
α Jika u = ⋅ 1 V ⋅ cos 1 1
2
maka tan
1 = 2 tan
1
β α ψ = Koefisien empiris yang nilainya sekitar (0,98). (Mockmore, 1949, hal 9).
1
ε = ⋅ C ⋅ 2 2 max
- 1 ψ ⋅ cos ⋅ α (Mockmore, 1949, hal 9) ................................2.15
( ) 1
2
21 k. Nosel
Meliputi penampang nosel (A) dan tinggi pancaran air nosel (s o )
Q A = (Mockmore, 1949, hal 17) ..............................................................2.16
V 1 A
(Mockmore, 1949, hal 17) .............................................................2.17
s = o L
l. Sudu pusat sudu jalan cos 1 β 1 Tan δ = .................................................................................2.18 2 r
⎛ 2 ⎞
- sin β
⎜ 1 ⎟
r 1
⎝ ⎠ m. Perhitungan poros
Urutan dalam menghitung diameter poros yang diperlukan adalah :
in )
- Daya yang akan ditransmisikan ( P
QxH P = (Mockmore,1949, hal.17).........................................................2.19 in 8 ,
8 Dengan :
Q = Debit air ( cfs ) H = Head (f ), Pin dalam HP
22 )
d
- Daya rencana ( P
P = fcxP (Sularso, 2004, hal.7)................................................................2.20 d in
fc = Faktor koreksi, P dalam HP
d
- Torsi ( T ) 5 P d
- Tegangan geser yang diijinkan ( τ )
- Diameter minimal poros ( d 1 / 3 ⎡ ⎤ 5 ,
- Daya yang tersedia ( P P in =
- Daya yang dihasilkan ( P P out = V x I....................................................................................................2.25 Dengan : V = Tegangan terukur ( volt ) I = Arus terukur ( ampere ), P dalam watt
- Effisiensi total ( η )
- Kecepatan spesifik ( n
T 9 , 74 x 10 ( Sularso, 2004, hal.7).......................................................2.21 =
N
Dengan : Pd = Daya rencana ( kW ) N = Kecepatan putar roda jalan ( rpm ), T dalam kgmm
σ B
= ( Sularso, 2004, hal.8)............................................................2.22
τ a
sf xsf 1 2 Dengan :
2 B = Kekuatan tarik bahan poros ( kg/mm )
σ
2
sf dan sf adalah faktor pengaruh, dalam kg/mm
1 2 a
τ
s )
1
d xK xC xT (Sularso,2004,hal.8)..............................................2.23 s t b =
⎢ ⎥ τ a
⎣ ⎦ Dengan : K t = Faktor koreksi C = Faktor koreksi akibat pembebanan, d dalam mm
b s
23 n. Rumus perhitungan untuk pengolahan data
in )
ρ x g x Q x H ( Fritz Dietzel, 1993, hal.2)..........................................2.24 Dengan :
3
) ρ = massa jenis air ( kg/m
2
g = gaya gravitasi ( m/s )
3 Q = Debit air ( m /s )
H = Head ( m ), P in dalam watt
out )
out
Pout
η .......................................................................................................2.26
= Pin q )
Q
( Fritz Dietzel, 1993, hal.20 ) ....................................................2.27
n = N q , 75 H
BAB III METODE PENELITIAN
3.1 Diagram Alir Penelitian Dan Perancangan
Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian Dan PerancanganMULAI STUDI PUSTAKA PERANCANGAN TURBIN ALIRAN SILANG PEMBUATAN TURBIN ALIRAN SILANG PENELITIAN TURBIN ALIRAN SILANG PENGAMBILAN DATA PENGOLAHAN DATA SELESAI
25
3.2 Bahan Penelitian
Bahan-bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah: a.
Pipa diameter 1,75 inci , panjang 1 m b. Plat tebal 15 mm x 100 mm x 100 mm , 2 buah c. Besi poros diameter 30 mm x 300 mm.
3.3 Peralatan Penelitian a.
Kerangka modul mikrohidro b. Modul Mikrohidro Cihanjuang c. Peralatan kerja bangku d. Alat ukur (roll meter, jangka sorong, siku) e. Mesin bubut, mill, bor f. Gergaji besi g.
Las asetelin
3.4 Jalannya Penelitian
3.4.1 Persiapan
Tahap awal dari penelitian ini adalah studi pustaka. Pada tahap ini, bahan- bahan yang akan digunakan sebagai referensi dikumpulkan. Referensi yang dikumpulkan berasal dari berbagai sumber, namun kebanyakan berasal dari internet. Referensi ini berupa hasil penelitian lembaga lain dan buku-buku acuan.
26
3.4.2 Pembuatan Kerangka Alat Uji
Pada tahapan ini dilakukan pembuatan gambar kerja. Sebelum membuat gambar kerja, terlebih dahulu dilakukan pembuatan sketsa alat. Modul Mikrohidro dari Cihanjuang juga dipakai untuk melaksanakan penelitian ini. Modul ini dirangkaikan pada kerangka yang telah dipersiapkan. Roda jalan bawaan dari Cihanjuang rencananya akan dilepas, dan digantikan dengan roda jalan yang akan dibuat sendiri. Sedangkan komponen lain seperti rumah roda jalan, generator, transmisi sabuk dan puli, panel-panel listrik, dan nosel akan dipakai pada penelitian ini.
Penelitian ini tidak dilakukan di lapangan, melainkan disimulasikan dengan menggunakan peralatan-peralatan yang telah direncanakan dan dipersiapkan oleh kelompok studi Rekayasa Tenaga Air. Untuk menggantikan laju aliran sungai, digunakan pompa berkapasitas 20 l/det dan Head 21 m.
Pompa mengalirkan air yang ditampung pada sebuah bak air kapasitas 240 liter. Air tersebut dipompakan menuju ke nosel melalui pipa penstock berdiameter 2 inci. Untuk mengatur debit dan head masuk nosel, dipasang dua buah kran pada pipa
penstock . Air yang masuk ke nosel akan digunakan untuk memutar roda jalan di
dalam rumah roda jalan, kemudian masuk kembali ke dalam bak penampung. Roda jalan akan memutar generator yang dihubungkan dengan roda jalan menggunakan transmisi sabuk dan puli.
Generator berfungsi mengubah energi mekanis menjadi tenaga listrik arus bolak-balik. Besarnya arus yang dihasilkan oleh generator tergantung pada besarnya