PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO MENGGUNAKAN TURBIN PELTON TUGAS AKHIR - Pembangkit listrik tenaga mikrohidro menggunakan turbin pelton - USD Repository
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO
MENGGUNAKAN TURBIN PELTON
TUGAS AKHIR
Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Program Studi Teknik Mesin Diajukan Oleh:
ADVENDO WIBOWO SITOMPUL
NIM : 065214038
Kepada
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
MICROHYDRO POWER PLANT USING PELTON TURBINE
Presented as Partial Fulfillment of the Requirement To Obtain the Sarjana Teknik Degree
Mechanical Engineering Study Program By :
ADVENDO WIBOWO SITOMPUL
NIM : 065214038
For
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM
FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
INTISARI
Turbin pelton banyak digunakan untuk pembangkit listrik skala mikro.Pembuatan sudu turbin dari bahan logam sulit dilakukan oleh masyarakat. Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari unjuk kerja turbin pelton dengan sudu dari bahan resin yang digunakan untuk pembangkit listrik.
Peralatan yang digunakan adalah sebuah turbin pelton. Sudu turbin dibuat dari bahan resin dengan panjang sudu 62,3 mm, lebar 55,8 mm dan tinggi 19,7 mm. Diameter runner adalah 164 mm. Penelitian dilakukan dengan memvariasikan jumlah sudu yaitu 15 dan 16 buah dengan diameter nosel ¾ inci dan ½ inci. Untuk menghasilkan listrik, turbin dihubungkan dengan generator. Pengukuran daya yang dihasilkan turbin dilakukan dengan mengukur tegangan dan arus yang dihasilkan generator. Generator diberi variasi pembebanan dari 5W,
10W, 15 W, 21W, 26W dst dengan kelipatan 26 W. Pada setiap pembebanan putaran turbin diukur dengan tachometer.
Daya tertinggi diperoleh pada jumlah sudu 16 buah dengan diameter nosel ½ inchi yaitu sebesar 75 W, dengan efisiensi yang dihasilkan sebesar 25,2 %. Pengurangan sudu dari jumlah sudu 16 menjadi 15 mengakibatkan daya dan efisiensinya berkurang 4 %.
Kata Kunci : Tubin Pelton, jumlah sudu, generator.
ABSTRACT
Pelton turbine is widely used for micro-hydro power plant. The manufacturing of turbine buckets made of metal is hard to do by the people. This research aims to study the performance of Pelton turbine with a bucket made from resin which is used for electricity generation.
The equipment which is used was a Pelton turbine. Turbine buckets are made from resin with a bucket length of 62.3 mm, width 55.8 mm and 19.7 mm height. Runner diameter is 164 mm. Research carried out by varying the number of bucket that is 15 and 16 pieces with ¾ inch diameter nozzle and ½ inch. To produce electricity, the turbine is connected to the generator. Generators are variations of loading of 5W, 10W, 21W, 26W with a multiple of 26W etc. At each loading speeds turbine is measured by a tachometer.
The maximum power obtained on the number of blades 16 pieces with ½ inch diameter nozzle that is equal to 75 W, with the resulting efficiency of 25.2%. Reduction of the number of buckets bucket 16 to 15 resulted in reduced power and efficiency of 4%.
Keyword: Pelton turbines, the number of buckets, generators
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah melimpahkan segala rahmat dan karunianya, sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul “Pembangkit Listrik Tenaga
Mikrohidro Menggunakan Turbin Pelton” . Tugas Akhir ini sebagai pemenuhan
persyaratan untuk mencapai derajat sarjana S-1 program studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma.
Tugas Akhir ini dapat terwujud berkat bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis mengucapkan terima kasih kepada:
1. Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T. selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma serta Pembimbing Tugas Akhir.
2. Ir. PK. Purwadi, M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin.
3. Ir. YB. Lukiyanto, M.T. selaku Dosen Pembimbing Akademik.
4. Doddy Purwadianto, S.T., M.T selaku Kepala Laboratorium Energi yang telah memberikan ijin dalam penggunaan fasilitas laboratorium.
5. Para dosen dan laboran Program Studi Teknik Mesin, serta para karyawan sekretariat Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.
6. Keluarga yang telah memberikan dukungan spiritual, moral dan materi sehingga menjadikan inspirasi penulis untuk selalu berbuat lebih.
7. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu, namun telah banyak memberikan dukungan dan perhatian baik secara langsung atau tidak
Akhir kata, “tak ada gading yang tak retak”, karena menurut penulis, Tugas Akhir ini tentu ada kekurangannya. Untuk lebih menyempurnakan Tugas Akhir ini dengan senang hati penulis menerima segala kritik dan saran dari para pembaca. Dengan segala kerendahan hati, apabila terdapat kata-kata yang kurang berkenan di hati para pembaca, penulis mohon maaf dan sekali lagi penulis berterima kasih kepada semua pihak yang telah membantu dalam penyelesaian Tugas Akhir ini.
Yogyakarta, 8 November 2011 Penulis
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL........................................................................................... i
TITLE PAGE...................................................................................................... ii
HALAMAN PERSETUJUAN........................................................................... iii
HALAMAN PENGESAHAN............................................................................ iv
HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA...................................... v
HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI....................... vi
INTISARI............................................................................................................ vii
ABSTRAK.......................................................................................................... viii
KATA PENGANTAR........................................................................................ ix
DAFTAR ISI....................................................................................................... xi
DAFTAR GAMBAR.......................................................................................... xiii
DAFTAR TABEL............................................................................................... xv
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang...................................................................................1 1.2 Rumusan Masalah..............................................................................
2 1.3 Tujuan dan Manfaat..........................................................................
2 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Teori Dasar Aliran.........................................................................
3 2.2 Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro…………………………….
4 2.3 Klasifikasi Turbin Air.....................................................................
5
2.3.2 Klasifikasi Turbin Air Berdasarkan Head dan Kapasitasnya.. 88 2.3.3 Klasifikasi Turbin Menurut Arah Aliran Air..........................
10 2.4 Efisiensi Turbin dan Daerah Kerja...................................................
11
2.5 Kecepatan liar (Run Away Speed)…………………………………
12 2.6 Kavitasi…………………..………………………………………...
13 2.7 Turbin Pelton………………………………………………………..
14
2.7.1. Cara Kerja Turbin Pelton……………………………………
14 2.7.2. Bagian Utama Turbin Pelton………………………………..
15
2.7.3. Ukuran Ukuran Utama Turbin Pelton………………………
22
2.7.4. Perancancangan Turbin Pelton………………………………
23 BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Perancangan Alat...........................................................................
29 3.2 Perhitungan Turbin............................................................................
29 3.3 Pembuatan Turbin.........................................................................
34 3.4 Alat Penelitian................................................................................
36 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Hasil Penelitian...................................................................................
41 4.2 Pembahasan....................................................................................
54 BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan.........................................................................................
64 5.2 Saran...................................................................................................
65 DAFTAR PUSTAKA......................................................................................... 66
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Pusat air tekanan tinggi………………………………………....3 Gambar 2.2 Turbin Kaplan.........................................................................
8 Gambar 2.3 Turbin Francis.........................................................................
9 Gambar 2.4 Turbin Pelton...........................................................................
9 Gambar 2.5 Sketsa Runner.........................................................................
16 Gambar 2.6 Runner…………………………………………………………..
17 Gambar 2.7 Bucket.....................................................................................
17 Gambar 2.8 Poros.......................................................................................
18 Gambar 2.9 Piringan...................................................................................
18 Gambar 2.10 Nosel........................................................................................
19 Gambar 2.11 Rumah Turbin..........................................................................
19 Gambar 2.12 Pulley.......................................................................................
20 Gambar 2.13 Bantalan...................................................................................
20 Gambar 2.14 Generator.................................................................................
21 Gambar 2.15 Bagan Kecepatan Turbin Pelton...............................................
24 Gambar 2.16 Harga standar untuk perencanaan turbin pelton.........................
26 Gambar 2.17 Desain Bucket...........................................................................
26 Gambar 3.1 Urutan Kerja Turbin.................................................................
37
Gambar 4.2 Grafik hubungan efisiensi dengan putaran generator pada turbin bersudu 16……………………………………………….55 Gambar 4.3 Grafik hubungan daya dengan putaran generator pada turbin bersudu 15……………………………………………………...
57 .
Gambar 4.4 Grafik hubungan efisiensi dengan putaran generator pada58 turbin bersudu 15……………………………………………….
Gambar 4.5 Grafik hubungan daya dengan putaran pada nosel ½ inchi........................................................................................59 Gambar 4.6 Grafik hubungan daya dengan putaran pada nosel ¾ inchi...........................................................................................
60 Gambar 4.7 Grafik hubungan efisiensi dengan putaran pada nosel ½ inchi...........................................................................................
61 Gambar 4.8 Grafik hubungan efisiensi dengan putaran pada nosel ¾ inchi...........................................................................................
62
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Batas Tinggi Air Jatuh.................................................................11 Tabel 2.2 Kecepatan Liar (Run Away Speed)................................................
13 Tabel 2.3 Faktor – faktor koreksi daya yang akan ditransmisikan f
c .....................................................
28 Tabel 3.1 Tabel kecepatan spesifik..............................................................
32 Tabel 4.1 Debit yang dihasilkan...................................................................
41 Tabel 4.2 Data penelitian unjuk kerja turbin dengan sudu 16 menggunakan diameter nosel ½ inchi…………………………………………
41 Tabel 4.3 Data penelitian unjuk kerja turbin dengan sudu 16 menggunakan diameter nosel ¾ inchi...............................................................
42 Tabel 4.4 Data penelitian unjuk kerja turbin dengan sudu 15 menggunakan diameter nosel ½ inchi.................................................................
43 Tabel 4.5 Data penelitian unjuk kerja turbin dengan sudu 15 menggunakan diameter nosel ¾ inchi.................................................................
44 Tabel 4.6 Data perhitungan untuk turbin dengan sudu 16 dan diameter nosel ½ inchi...............................................................................
48 Tabel 4.7 Data perhitungan untuk turbin dengan jumlah sudu 16 dan nosel ¾ inchi........................................................................................
50 Tabel 4.8 Data perhitungan untuk turbin dengan sudu 15 dan diameter nosel ¾ inchi..................................................................................
51 Tabel 4.9 Data perhitungan untuk turbin dengan sudu 15 dan nosel ½ inchi.............................................................................................
53
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Masalah
Dewasa ini pengembangan energi begitu pesatnya. Terutama di negara maju dan berkembang. Kita ketahui bahwa energi sangat fital kebutuhannya bagi kelangsungan ekonomi sosial dan kemakmuran bagi negara tersebut. Bahkan di banyak negara ada yang sudah mengekspor energi untuk kepentingan negara lain.
Energi listrik adalah energi alternatif yang tidak banyak menimbulkan polusi dan dapat dikonversikan ke dalam bentuk energi yang lainnya. Pengembangan untuk mendapatkan energi listrik sangat banyak yaitu antara lain menggunakan air, batu bara, panas bumi, matahari dan lain sebagainya. Di Indonesia kekayaan akan energi tersebut begitu banyak tetapi seberapa jauh energi yang tersimpan itu sudah diolah, masih jauh dari target yang diharapkan disamping kendala teknologi dan biaya. Untuk menunjang energi yang diperlukan kita bisa menggunakan sumber- sumber tenaga air yang tidak terlalu besar kapasitasnya dengan tujuan ikut memberikan nilai tambah bagi sebagian penduduk yang belum dapat mendapatkan listrik sebagaimana layaknya. Karena dengan dikembangkan energi listrik yang kecil dapat dimungkinkan dibuat oleh tenaga kita sendiri, bahan-bahan sendiri dan biaya yang tida relative mahal. Dengan demikian besarnya kebutuhan listrik maka penulis mengambil tugas merancang turbin air tipe pelton satu nozzle, yang
1.2. Rumusan Masalah
Pada penelitian ini turbin pelton yang akan dibuat dirancang untuk memanfaatkan tenaga air dengan head ( H ) 15 meter dan debit air 6 l/s. Sudu dari turbin tersebut menggunakan bahan resin dan dengan jumlah sudu 15 buah. Turbin tersebut akan diteliti unjuk kerjanya dengan variasi diameter nosel yaitu ½ inci dan ¾ inci.
1.3. Tujuan dan Manfaat
1.3.1. Tujuan
a. Membuat turbin pelton dengan jumlah sudu 15 dan 16 dibuat dari resin untuk pembangkit listrik.
b. Mengetahui daya dan efisiensi dari turbin pelton yang telah dibuat.
c. Membandingkan daya serta efisiensi turbin terbaik dari variasi jumlah sudu dan variasi diameter nosel.
1.3.2. Manfaat
a. Menambah kepustakaan teknologi pembangkit listrik tenaga air mikrohidro.
b. Diterapkan pada daerah yang memiliki potensi air untuk pembangkit listrik.
c. Sebagai media pembelajaran bagi masyarakat dan dapat menambah pengetahuan masyarakat.
d. Mengurangi ketergantungan terhadap minyak bumi yang semakin
BAB II DASAR TEORI
2.1. Teori Dasar Aliran
Air yang mengalir mempunyai energi yang dapat digunakan untuk memutar roda turbin. Karena pusat-pusat tenaga air dibangun di sungai-sungai dan pegunungan. Dimana pusat air tersebut dapat dibedakan dalam dua (2) golongan yaitu:
1. Pusat tenaga air tekanan tinggi
2. Pusat tenaga air tekanan rendah
Gambar 2.1 menunjukkan bagan pusat tenaga air tekanan tinggi, dari sini dapat diketahui bahwa dengan didirikannya bendungan di daerah yang tinggi akanterdapatlah sebuah reservoir air yang cukup besar.
Dengan menggunakan pipa, air tersebut dialirkan ke rumah pusat tenaga, yang dibangun di bawah bendungan. Di dalam rumah tersebut telah dipasang dua buah nozzle turbin pelton. Lewat nozzle itulah air akan menyemprot keluar dan memutar roda turbin baru kemudian air dibuang ke sungai. Dari selisih tinggi permukaan air atas dan permukaan air bawah terdapat tinggi air jatuh H.
2.2 Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro
Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) adalah pembangkit listrik berskala kecil (kurang dari 200 kW) (sumber http://www.elsppat.or.id/download/file/w8_a6.pdf), yang memanfaatkan tenaga (aliran) air sebagai sumber penghasil energi. PLTMH termasuk sumber energi terbarukan dan layak disebut clean energy karena ramah lingkungan. Dari segi teknologi, PLTMH dipilih karena konstruksinya sederhana, mudah dioperasikan, serta mudah dalam perawatan dan penyediaan suku cadang. Secara ekonomi, biaya operasi dan perawatannya relatif murah, sedangkan biaya investasinya cukup bersaing dengan pembangkit listrik lainnya. Secara sosial, PLTMH mudah diterima masyarakat luas (bandingkan misalnya dengan Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir). PLTMH biasanya dibuat dalam skala desa di daerah-daerah terpencil yang belum mendapatkan listrik dari PLN. Tenaga air yang digunakan dapat berupa aliran air pada sistem irigasi, sungai yang dibendung atau air terjun.
2.3 Klasifikasi Turbin Air
a. Turbin Pelton
Turbin pelton dipakai untuk tinggi air jatuh yang besar. Aliran air dalam pipa akan keluar dengan kecepatan tinggi. Tinggi jatuh air H dihitung dari permukaan air diatas sampai ketengah-tengah pancaran air. Pemasukan H tidak sama dengan turbin tekanan lebih dimana H dihitung sampai tinggi permukaan air bawah. Di bagian bawah roda turbin terdapat suatu tempat yang dinamakan sebagai ruang bebas. Ruang bebas tersebut harus sekecil mungkin, sedemikian rupa sehingga dalam batas-batas yang diijinkan.
Bentuk sudu turbin terdiri dari 2 bagian yang simetris. Maksudnya adalah supaya bisa membalikkan pancaran air dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya-gaya samping. Tidak semua sudu menerima pancaran air hanya sebagian- sebagian saja secara bergantian tergantung posisi sudu tersebut, jumlah nozzlenya tergantung kepada besarnya kapasitas air.
b. Turbin Francis
Turbin Francis bekerja dengan memakai proses tekanan lebih. Pada waktu air masuk ke roda jalan, sebagian dari energi tinggi jatuh telah bekerja di dalam sudu pengarah diubah sebagai kecepatan arus masuk. Sisa energi tinggi jatuh dimanfaatkan / bekerja di dalam sudu jalan, dengan adanya pipa isap memungkinkan energi tinggi jatuh bekerja di sudu jalan dengan semaksimum dari 1 atm) dan kecepatan aliran air yang tinggi. Di dalam pipa isap kecepatan aliran akan berkurang dan tekanannya akan kembali naik, sehingga air bisa dialirkan keluar lewat saluran air bawah dengan tekanan seperti keadaan sekitarnya. Jalannya tekanan dan kecepatan air ketika melewati dan berproses di dalam turbin secara informative. Pipa isap pada turbin ini mempunyai tugas yang mirip dengan sudu hantar yang terdapat pada pompa sentrifugal, yaitu sama-sama mengubah energi kecepatan menjadi energi tekanan.
Turbin dikelilingi dengan sudu pengarah yang semuanya terbenam di dalam air. Air yang masuk ke dalam turbin bisa dialirkan melalui pengisian air dari atas (turbin schacht) atau melalui suatu rumah yang berbentuk spiral (tumah keong). Roda jalan semuanya selalu bekerja. Daya yang dihasilkan turbin bisa diatur dengan cara mengubah posisi pembukaan sudu pengarah, dengan demikian kapasitas air yang masuk ke dalam roda turbin bisa diperbesar atau diperkecil.
Turbin Francis dilaksanakan dengan posisi poros vertikal atau horizontal.
c. Turbin Kaplan
Turbin Kaplan adalah turbin tekanan lebih yang special. Sudu jalan turbin kemurniannya sangat kecil dan pada saluran sudu jalan belokannya hanya sedikit.
Pada waktu bekerja sudu jalan turbin bisa diatur posisinya, disesuaikan dengan perubahan tinggi air jatuh. Jadi turbin ini cocok untuk pusat tenaga air yang dibangun di sungai.
Turbin Kaplan dipakai di pusat listrik tenaga sungai dengan tinggi air jatuh Karena sudu pengarah dan sudu jalan bisa diatur maka Turbin Kaplan pada perubahan tinggi jatuh dan kapasitas air yang besar rendemennya juga tinggi.
Turbin Kaplan mempunyai keuntungan harga yang lebih murah bila dipakai satu tenaga listrik yang besar yang terdiri dari beberapa buah turbin dan secara sendiri-sendiri masing-masing mesin dioperasikan untuk kapasitas air yang konstan. Sebagai contoh 6 buah turbin masing-masing 35.000 Kw dipusat tenaga Brokopondo, Suriname, Escher-Wyss 1965.
2.3.1 Klasifikasi Berdasarkan Prinsip Kerja
a. Turbin Impuls
Air keluar melalui nozzle mula-mula diubah menjadi energi kinetik, dan pancaran air yang tinggi akan diterima oleh sudu. Maka energi akan dipindah dari air ke bucket sehingga runner berputar. Yang termasuk turbin impuls adalah turbin pelton.
b. Turbin Reaksi
Pada turbin ini dipakai kondisi air dengan head medium dan discharge medium, arah masuknya air pada runner dinamakan mixed radial, air mengalir kearah luar dengan arah axial dinamakan mixed flow. Tekanan air yang menggerakkan runner mempunyai tekanan yang berbeda dengan tekanan air atmosfir, sebab air sebagai penggerak Turbin Francis mulai dari head race sampai ke tail race yang tidak berhubungan dengan udara luar. Yang termasuk turbin
2.3.2 Klasifikasi Turbin Air Berdasarkan Head dan Kapasitasnya
a. Turbin dengan head rendah dan debit besar menggunakan turbin jenis propeller atau Kaplan.
Gambar 2.2 Turbin Kaplan(Sumber : Dietzel, 1993, hal.51 )
Gambar 2.3 Turbin Francis(Sumber : http://en.Wikipedia.com)
Gambar 2.4 Turbin Pelton b. Turbin dengan head medium dan debit medium jenis turbin yang digunakan adalah Turbin Francis..c. Turbin dengan head yang tinggi dan debit yang rendah memakai Turbin Pelton atau Turbin Impuls
2.3.3 Klasifikasi Turbin Menurut Arah Aliran Air
a. Tangensial Flow Turbine
Air masuk ke turbin dalam arah tangensial terhadap runner seperti Turbin Pelton.
b. Radial Flow Turbine
Air masuk ke turbin dalam arah radial ditinjau dari arah aliran air masuk turbin dibagi 2:
1. In Ward Flow: turbin arah aliran air masuk keliling luar runner tegak lurus poros dan menggerakkan turbin dengan arah sejajar poros.
2. Out Ward Flow: arah aliran air masuk keliling keluar runner searah poros dan meninggalkan turbin dengan arah tegak lurus poros.
c. Mixed Flow Turbine
Air masuk ke runner dalam arah radial terhadap sumber poros dan meninggalkan turbin dalam arah axial terhadap sumber poros, seperti turbin Francis.
d. Axial Flow Turbine
2.4 Efisiensi Turbin dan Daerah Kerja
Agar dapat menjamin kerja turbin di sekitar daerah efisiensi maksimum serta untuk mencegah terjadinya biasanya tinggi air jatuh yang diperbolehkan harus dibatasi. Misalnya dengan deviasi beberapa persen saja dari tinggi air jatuh yang direncanakan, sesuai dengan jenis turbin yang dipergunakan. Oleh karena itu pula hendaknya dapat diketahui terlebih dahulu variasi tinggi air jatuh sepanjang tahun periode operasi turbin. Hal tersebut sangat erat hubungannya dengan curah hujan selama setahun atau pengaturan tinggi air jatuh yang dapat dilaksanakan. Variasi tinggi air jatuh yang diperbolehkan agar turbin dapat bekerja dalam daerah efisiensi yang tinggi dan untuk mencegah terjadinya kavitasi yang berlebihan, harus diusahakan ada dalam batas-batas H yang minimum dan maksimum seperti terlihat pada Tabel 2.1. Perubahan pembebanan turbin dapat mengakibatkan perubahan pada efisiensi.
Tabel 2.1. Batas Tinggi Air JatuhJenis H minimum H maksimum (% H rancangan) (% H rancangan
Turbin Francis 65 125 Turbin Propeler 50 150
Turbin propeller dengan posisi daun sudu yang dapat diatur boleh dapat dikatakan dapat mempertahankan efisiensinya untuk daerah pembebanan yang luas. Hal ini disebabkan oleh karena daun sudu dapat disesuaikan dengan pembebanan, sehingga kerugian yang terjadi dapat diusahakan serendah- banyak jumlahnya sehingga harganya akan bertambah mahal. Turbin tersebut dikenal dengan turbin Kaplan.
Efisiensi turbin air dibagi menjadi 4 macam yaitu: 1. v )
Efisiensi volumetrik (η Yaitu perbandingan antara jumlah air yang menumbuk runner dengan jumlah air yang masuk turbin. Perbedaan kapasitas air disebabkan air slip secara langsung sehingga air jalan ke dalam tail race tanpa menumbuk runner terlebih dahulu. 2. h )
Efisensi Hidrolik (η Yaitu perbandingan head yang langsung untuk menggerakkan runner dengan net power yang diberikan air pada daerah masuk turbin.
3. m ) Efisiensi Mekanik (η Yaitu perbandingan antara tenaga yang dibangkitkan oleh poros turbin dengan tenaga yang dibangkitkan oleh runner.
4. o ) Efisiensi Overall (η Yaitu kombinasi dari semua efisiensi tersebut diatas.
2.5. Kecepatan Liar (Run Away Speed)
Ada kemungkinan pada waktu turbin bekerja, karena sesuatu dan lain hal beban terpaksa dihentikan dengan tiba-tiba. Dalam hal tersebut ada kemungkinan roda turbin berputar dengan sangat cepat, yaitu apabila karena sesuatu hal governor tidak bekerja baik atau dalam keadaan rusak. Kecepatan ini dinamakan kecepatan liar (Run Away Speed). Oleh karena itu kekuatan turbin harus diperhitungkan untuk mencegah kerusakan turbin atau generator. Pada umumnya kecepatan liar adalah seperti pada Tabel 2.2
Tabel 2. 2 Kecepatan Liar ( Run Away Speed)
Jenis Turbin Kecepatan Liar (% Kecepatan Kerja) Kaplan 250 - 300 Francis 200
Pelton ≡ 200
Pengaruh karakteristik kavitasi terhadap kecepatan liar sangat kuat di suatu daerah koefisien kavitasi ( σ ) tertentu, tergantung dari jenis turbinnya. Demikian pula kecepatan liar sangat tergantung kepada pembukaan pintu air atau katup air, tetapi kecepatan liar yang maksimum tidak selalu terjadi pada pembukaan pintu air atau katup yang maksimum.
2.6 Kavitasi
Keselamatan kerja, daya tahan lama/umur hidup dan randemen dari baling-baling kapal, turbin air dan pompa sentrifugal akan berkurang apabila timbul kavitasi. Kavitasi adalah suatu peristiwa terjadinya gelembung-gelembung uap di dalam air yang mengalir apabila tekanan ditempat tersebut sama dengan tekanan uapnya. Apabila gelembung tersebut kemudian sampai disuatu daerah dimana tekanannya melebihi tekanan uapnya, maka gelembung akan pecah dengan tiba-tiba. Pecahnya gelembung-gelembung tersebut bukan saja menimbulkan bunyi berisik dan getaran, tetapi dapat menyebabkan lubang-lubang permukaan sudu-sudu, rumah turbin dan dinding bagian atas dari saluran isap. Kavitasi yang berlebih-lebihan dapat pula mengurangi daya dan efisiensi turbin.
Penelitian pada roda turbin Kaplan menunjukkan bahwa dalam kondisi kerja yang tertentu timbul suara yang gemuruh dan getaran di dalam pipa isap, randemen turbin turun dengan drastis. Dan bila roda turbin dioperasikan terus dalam kondisi seperti diatas maka pada sisi keluar roda jalan akan berkorosi, permukaan roda akan berkorosi, permukaan roda akan terlihat seperti berjamur tererosi. Hal ini disebabkan karena adanya kavitasi.
2.7 Turbin Pelton
Turbin Pelton merupakan turbin impuls, karena turbin pelton terjadi akibat pembelokan pancaran air pada mangkok ganda runner. Oleh karena itu turbin pelton disebut juga turbin pancaran bebas. Aliran air yang keluar dari nosel tekanannya sama dengan tekanan atmosfir di sekitarnya. Energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk sudu jalan turbin diubah menjadi energi kecepatan.
2.7.1. Cara Kerja Turbin Pelton
Prinsip kerja dari turbin pelton adalah mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. Turbin pelton merupakan suatu alat yang merubah energi kinetik dan energi potensial dari air menjadi energi gerak rotasi pada poros turbin. Turbin pelton dipakai untuk tinggi air jatuh yang besar. Aliran air dalam pipa akan keluar dengan kecepatan tinggi. Tinggi air jatuh ( H ) dihitung dari permukaan air dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya-gaya samping. Tidak semua sudu menerima pancaran air, hanya sebagian-sebagian saja secara bergantian tergantung posisi sudu tersebut.
Jumlah noselnya tergantung pada kapasitas air. Air keluar melalui nosel mula-mula dirubah menjadi energi kinetik, dan pancaran air yang tinggi akan diterima sudu. Maka energi akan dipindah dari air ke bucket sehingga runner berputar. Untuk turbin pelton dengan daya yang kecil bisa diatur dengan hanya menggeserkan kedudukan jarum sudu. Maksudnya untuk menghindari adanya tekanan tumbukan yang besar di dalam pipa pesat yang timbul akibat penutupan nosel dengan tiba-tiba. Tekanan statis dari tinggi air jatuh menghasilkan tekanan dinamis yang bekerja dialiran air berupa energi kecepatan, bila aliran air ini dihentikan secara tiba-tiba maka energi kecepatan ini berubah menjadi energi tumbukan. Untuk menghindari tekanan tumbukan kerjanya jarum nosel dibantu dengan perlengkapana yang disebut dengan pembelok pancaran. Pada saat beban turbin berkurang dengan tiba – tiba pembelok pancaran berayun ke muka jarum nosel lebih dulu, sehingga arah pancaran air dari nosel ke sudu jalan menjadi berbelok. Kemudian baru jarum nosel bergeser memperkecil penampang keluar nosel, pembelok pancaran akan tetap berada di pinggir pancaran air.
2.7.2. Bagian Utama Turbin Pelton
Pada dasarnya turbin pelton terdiri dari tiga bagian utama, yaitu: runner, nosel, rumah turbin. Turbin ini juga dilengkapi oleh transmisi, bantalan, dan
Turbin pelton ditentukan oleh PCD (Pitch Circle Diameter), adalah sebuah diameter tangensial pada roda yang dilewati oleh titik tengah semburan air yang berasal dari pancaran.
Gambar 2.5 Sketsa Runner(Thanke, 2001, hal 4 )
1. Runner
Runner turbin pelton pada dasarnya terdiri atas piringan dan sejumlah mangkok atau bucket yang terpasang di sekelilingnya. Piringan terpasang pada poros dengan sambungan pasak dan stopper. Gambar runner dapat dilihat pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6 RunnerBucket Bucket pelton atau biasa disebut sudu yang berbentuk dua buah mangkok.
Bucket berfungsi membagi pancaran menjadi 2 bagian. Gaya pada bucket berasal dari pancaran air yang keluar dari nosel, yang dibalikan setelah membentur sudu, arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum, gaya inilah yang disebut gaya impuls. Contoh bucket dapat dilihat seperti pada Gambar 2.7.
Poros
Poros merupakan penerus putaran yang terjadi pada runner. Poros di sambungkan ke runner mengunakan pasak. Putaran poros diteruskan ke transmisi sabuk, yang kemudian menuju ke poros generator. Contoh poros dapat dilihat pada Gambar 2.8.
Gambar 2.8 PorosPiringan
Piringan atau biasa di sebut disk, adalah bagian dari runner. Bahan disk yang baik digunakan adalah bahan yang kuat, dan diusahakan seringan mungkin.
Piringan berfungsi sebagai tempat bucket dipasang. Contoh piringan seperti pada Gambar 2.9.
2. Nosel
Nosel merupakan bagian dari turbin yang sangat penting, yang berfungsi sebagai pemancar aliran air untuk menyemprot ke arah sudu-sudu turbin. Kecepatan air meningkat disebabkan oleh nosel. Air yang keluar dari nosel yang mempunyai kecepatan tinggi akan membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum.
gambar 2.10 nosel( http://www.google.co.id/imgres?q=turbin+pelton)
3. Rumah Turbin
Rumah turbin berfungsi sebagai tempat nosel terpasang, serta berfungsi membelokan air agar keluar secara teratur. Rumah turbin juga berfungsi untuk melindungi runner dari gangguan luar contohnya kotoran, dan cuaca.
4. Pulley
Pulley adalah penerus putaran dari poros turbin ke poros selanjutnya (generator). Pulley juga dapat berfungsi untuk menaikan putaran.
Pully biasa disebut transmisi sabuk. Sabuk terbuat dari karet dan mempunyai penampang trapesium.
Gambar 2.12 Pulley5. Bantalan
Bantalan merupakan bagian penting dari turbin, alat ini berfungsi sebagai penopang dari poros turbin. Putaran dari poros turbin dapat berlangsung secara halus, aman, dan panjang umur. Bantalan harus cukup kokoh untuk memungkinkan poros bekerja dengan baik.
6. Kelistrikan
Turbin pelton mikrohidro dapat digunakan untuk menggerakkan generator listrik. Untuk itu perlu adanya komponen tambahan yang disebut generator. Generator berfungsi mengubah tenaga mekanis menjadi tenaga listrik arus bolak- balik. Generator arus bolak-balik sering disebut juga sebagai alternator, generator AC (alternating current), atau generator sinkron. Dikatakan generator sinkron karena jumlah putaran rotornya sama dengan jumlah putaran medan magnet pada stator. Kecepatan sinkron ini dihasilkan dari kecepatan putar rotor dengan kutub-kutub magnet yang berputar dengan kecepatan yang sama dengan medan putar pada stator.
Gambar 2.14 GeneratorBesarnya arus yang dihasilkan oleh motor induksi tergantung pada besarnya putaran alternator dan kekuatan medan magnet. Altenator menghasilkan listrik dengan prinsip yang sama pada generator DC, yakni adanya arus pengumpan yang disebut arus eksitasi saat terjadi medan magnet disekitar kumparan. Dari alternator dapat di ukur arus (I) dan tegangan keluaran (V) yang kemudian digunakan untuk menentukan besarnya daya yang dihasilkan. Generator memiliki 3 bagian yang penting, yaitu :
1. 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.
2. 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).
3. Dioda Dioda mengkonversi arus bolak-balik yang dihasilkan oleh pasangan rotor dan stator menjadi arus searah.
2.7.3. Ukuran Ukuran Utama Turbin Pelton
Ukuran-ukuran utama turbin Pelton adalah : D = Diameter lingkaran sudu yang terkena pancaran air (diameter lingkaran pancar/diameter roda rata-rata). d = Diameter pancaran air. Dua masalah pokok yang ada kaitanya dalam penentuan ukuran utama, sehingga harus diperhatikan yaitu kecepatan spesifik n q dan batas tinggi jatuh yang diiginkan H maks .
2.7.4. Perancancangan Turbin Pelton
a. Perhitungan Daya yang dihasilkan Turbin Dari kapasitas air dan tinggi air jatuh dapat diperoleh daya yang dihasilkan turbin yaitu (Dietzel, 1996, hal. 2) : Dengan : P = Daya yang dihasilkan turbin ( W ) ρ = Massa jenis air ( Kg/m
3
) g = Percepatan gravitasi ( m/s
2
) = Debit air ( m
3
/s ) H = Tinggi air jatuh ( m )
η
T = Randemen turbin b.
Pada turbin tekanan sama (turbin impuls) agar mendapatkan randemen yang baik harus mempunyai hubungan antara kecepatan pancar air c dan kecepatan tangensial u.
Bagan kecepatan turbin pelton :
Gambar 2.15 Bagan Kecepatan Turbin Pelton(Sumber : Dietzel, 1993, hal. 25) Kecepatan pancar air (c
1 )
Kecepatan tangensial (u)
c. Nosel Menghitung luas permukaan pancaran air (A) Sehingga diameter pancar air (d) d. Perhitungan Dimensi Turbin
a. Kecepatan spesifik (n q ) Kecepatan spesifik merupakan suatu besaran yang penting dalam perencanaan turbin, karena digunakan untuk memilih kecepatan putar turbin. Kecepatan spesifik (n q ) untuk satu nosel dapat dicari dengan rumus : Dengan : n = Kecepatan putar turbin ( rpm )
3
= Kapasitas aliran ( m /s ) H = Tinggi jatuh air ( m )
b. Diameter roda rata rata (D) Setelah menentukan kecepatan spesifik didapatlah kecepatan putar turbin. Diameter roda rata-rata dapat ditentukan sebagai berikut: c. Perbandingan D/d
Dari perhitungan diameter roda rata-rata (D) dan diameter pancar air (d) didapatkan perbandingan D/d. D/d perhitungan dibandingkan D/d pada grafik sehingga dapat diketahui apakah perbandinggan D/d memenuhi sarat atau tidak. Dari perbandingan D/d tersebut maka
Gambar 2.16 Harga standar untuk perencanaan turbin pelton.(Sumber: Dietzel, 1993, hal 28)
d. Perhitungan dimensi sudu : Dari gambar desain bucket di bawah ini dapat diketahui cara menentukan dimensi bucket (sudu) :
Gambar 2.17 Desain Bucket ( Thanke, 2001, hal 33 ) Panjang sudu dapat dihitung dengan rumus : p = Lebar sudu dapat dihitung dengan rumus : Tinggi sudu dapat dihitung dengan rumus :e. Perhitungan Poros Parameter yang digunakan dalam perhitungan poros adalah sebagai berikut: P = Daya yang ditransmisikan (kW)
Fc = Faktor koreksi (Sularso, 2004, hal. 7) n = Putaran poros (rpm) Pd = fc × P (kW) T = Momen puntir rencana (kg.mm)
= Tegangan geser yang terjadi
a
τ
B = Kekuatan tarik bahan (kg/mm2)
σ Sf1 dan Sf2 = Faktor keamanan Cb = Faktor Cb nilainya 1,2 sampai 2,3. Jika diperkirakan tidak
Kt = Faktor Kt dipilih 1,0 jika beban dikenakan secara halus 1,0 – 1,5 jika dikenakan sedikit beban kejutan atau tumbukan, dan 1,5 – 3,0 jika beban kejutan atau tumbukan besar.
Tabel 2.3. Faktor – factor koreksi daya yang akan ditransmisikan f cds = Diameter minimal poros (mm) Daya yang akan ditransmisikan fc
Daya rata - rata yang diperlukan 1,2 - 2,0 Daya maksimum yang diperlukan 0,8 - 1,2 Daya normal
1,0 - 1,5
BAB III METODE PENELITIAN
3.1. PERANCANGAN ALAT
Hal pertama yang dilakukan dalam pembuatan alat adalah membuat piringan runner terlebih dahulu yang terbuat dari bahan alumunium sesuai dengan ukuran yang sudah ditentukan. Kedua adalah membuat sudu yang terbuat dari bahan resin, tapi sebelum membuat sudu, terlebih dahulu membuat cetakan sudu menggunakan silikon kaca. Setelah pembuatan piringan dan sudu selesai lalu sudu tersebut dipasang di sekeliling piringan dengan setiap sudu di kancing menggunakan dua buah baut, kemudian dipasang pada poros dan pada poros dikancing dengan sebuah stopper agar tidak terjadi slip.
Selanjutnya adalah membuat rumah turbin dan rangka alat yang terbuat dari besi siku. Rumah turbin dibuat sedemikian rupa sehingga mampu untuk menahan beban putaran dari turbin. Di dalam rumah tersebut terpasang sebuah nosel yang berfungsi untuk meningkatkan tekanan pancar air.
3.2. PERHITUNGAN TURBIN
Dalam perancangan ini perhitungan dilakukan berdasarkan parameter yang sudah ditentukan. Parameter tersebut adalah :
2
grafitasi ( g ) = 9,81 m/s Efisiensi T ) = 70 % turbin ( η
3
= 1000 kg/m Masa jenis air ( ρ )
Dari parameter tersebut maka didapat :
Daya yang dihasilkan turbin: Kecepatan air keluar ( c 1 ) Kecepatan tangensial ( u )
Luas permukaan pancar air ( A ) Diameter pancar air ( d ) Kecepatan spesifik ( n q )
Tabel 3.1 Tabel kecepatan spesifikKecepatan putar turbin (rpm) 75 150 300 500 750 1000 1500 1 nosel n q (rpm) 0,76 1,53 3,06 5,1 7,65 10,2 15,3
Pada Tabel 3.1 dapat dilihat terdapat berbagai variasi kecepatan putar dan kecepatan spesifik. Berdasarkan Tabel 3.1 maka putaran (n) yang dipilih dalam perhitungan ini adalah 1000 rpm sehingga nq adalah 10,2 rpm.
Perbandingan D/d
Berdasarkan Gambar 2.15. D/d minimal adalah 7 Karena D/d hitungan > D/d minimal maka perbandingan memenuhi syarat.
Berdasarkan Gambar 2.15 jumlah sudu adalah 16
Dimensi Sudu Dimensi sudu ditentukan berdasarkan Gambar 2.16.
Maka dapat dihitung : Lebar Sudu = 0,34 x 16,4
= 5,58 cm Tinggi Sudu = 0,12 x 16,4 = 1,97 cm
Perhitungan Poros
fc adalah Faktor koreksi sebesar 1,2 (Sularso, 2004, hal. 7)
Daya rencana : Menghitung torsi :
Bahan poros dari baja karbon S30 C ( Sularso, 2004, hal. 5) :
Tegangan geser yang terjadi:
Diameter poros (Sularso, 2004, hal. 8): K t jika terjadi sedikit kejutan atau tumbukan = 1,0 – 1,5. karena diperkirakan tidak akan terjadi pembebanan lentur Cb = 0,1 Diameter minimal poros :
( Diameter perancangan poros menggunakan 17 mm )
3.3. PEMBUATAN TURBIN
3.3.1 Pembuatan Turbin
a) Pembuatan Bucket Turbin
Bucket atau yang disebut dalam bahasa Indonesia sebagai sudu, merupakan bagian yang penting dari turbin. Bucket ini berfungsi menerima gaya pancar air. Ukuran bucket dibuat seperti pada parancangan.
Langkah-langkah pembuatan sudu adalah :
1. Membuat cetakan sudu
2. Membuat box cetakan
3. Pengecoran resin
4. Finishing
b) Pembuatan Disc Turbin
Disc atau juga biasa disebut dengan cakra, dalam penelitian ini dibuat dari bahan alumunium. Keuntungan dari bahan ini adalah ringan dan tahan terhadap karat. Plat alumunium tersebut dibubut untuk dibuat bentuk seperti pada Gambar 2.9. Langkah selanjutnya adalah pembuatan lubang tepat di tengah piringan untuk penempatan poros. Kemudian selanjutnya membuat lubang lubang di tepi piringan, lubang – lubang inilah yang berfungsi untuk menempatkan baut yang digunakan untuk mengunci bucket.
c) Pembuatan Poros
Poros turbin merupakan penerus putaran dari runner. Pada perancangan ini poros dibuat mengunakan poros dari bahan besi yang dibubut bertingkat.
d) Pembuatan Nosel
Nosel merupakan tempat terjadinya perubahan tekanan air menjadi kecepatan. Pada perancangan ini nosel dibuat menggunakan sambungan pipa. Nosel ini memiliki diameter masuk 1 inci dan diameter keluar 0,75
e) Pembuatan Rumah Turbin
Rumah turbin berfungsi untuk membelokan percikan air agar keluar dengan teratur. Rumah turbin juga berfungsi sebagai tempat dimana runner dan nosel berada. Pada rumah turbin ini disambungkan dengan dudukan generator. Bahan untuk pembuatan rumah turbin terdiri dari besi plat dan akrilit.
3.4. ALAT PENELITIAN
3.4.1. Peralatan yang digunakan:
a. Hydrant
b. Bak penampung air
c. Selang d. Turbin Pelton yang sudah dirangkai.