Turbin aliran silang dengan jumlah sudu 18 untuk pembangkit listrik - USD Repository

TURBIN ALIRAN SILANG DENGAN JUMLAH SUDU

18 UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK TUGAS AKHIR Diajukan untuk memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin

Disusun oleh :

Amanda Rachma Jaya NIM : 035214028 PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA

CROSSFLOW TURBINE WITH 18 BLADES

FOR GENERATOR

FINAL PROJECT

Presented as Partial Fulfillment of the Requirements

to Obtain the Sarjana Teknik Degree

in Mechanical Engineering

Amanda Rachma Jaya

Student Number: 035214028

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

PERNYATAAN

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.

LEMBAR PERNYATAAN PRESETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPERLUAN AKADEMIS

Yang bertanda tangan dibawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma : Nama : Amanda Rachma Jaya Nomor Mahasiswa : 035214028

Demi perkembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul.................................. ....Turbin Crossflow Dengan Jumlah Sudu 18 Untuk Pembangkit Listrik..… 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 dalam internet atau media lain untuk keperluan akademis tanpa meminta ijin dari saya maupun memberikan royalty kepada saya selama masih tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis karya ilmiah ini. Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.

MOTTO

THE MAN WHO SAYS HE NEVER HAS TIME IS THE LAZIEST

MAN.(Lichtenberg)

Berusahalah untuk tidak menjadi manusia yang berhasil tapi berusahalah menjadi manusia yang berguna. (Einstein) Jalan menuju kebahagian itu tidak ditaburi bunga mawar yang harum, melainkan penuh duri dan pahit (William Shakespeare)

SUKSES TIDAK DIUKUR DARI POSISI YANG DICAPAI SESEORANG DALAM HIDUP, TAPI DARI KESULITAN- KESULITAN YANG BERHASIL DIATASI KETIKA BERUSAHA MERAIH SUKSES ( BOOKER T WASHINGTON ) Pengetahuan tidaklah cukup; kita harus mengamalkannya.

Niat tidaklah cukup; kita harus melakukannya. ( Johann Wolfgang Von Goethe )

PERSEMBAHAN

Kupersembahkan karya ini untuk :

♥ Jesus Christ The Mighty God

♥ Papa, Mama, dan Eyang, terimakasih atas dukungan doa

dan cintanya sehingga dapat menyelesaikan tugas akhir ini dan study saya ini dengan baik...

♥ Ade’ Mella dan ade’ Vendi, terimakasih selalu memberi

semangat sampai tugas akhir dan study saya ini dapat

selesai dengan baik... ♥ My Self...

Terima kasihku untuk...... Jesus Christ The Mighty God, yang dengan Berkat, Rahmat, Karunia serta Bimbingan- Nya saya dapat menyelesaikan tugas akhir dan study saya ini dengan baik. Papa, Mama, Eyang, ade’ Mella, ade’ Vendi, terimakasih atas dukungan doa dan cintanya sehingga dapat menyelesaikan tugas akhir ini dan study saya ini dengan baik. Teman-teman penghuni kontrakan Grinjing 12 Pappringan : Boe, mbendhil,

Kentung, Atenk, Mamang, Gepenk, Gembur, Cathy, Kemved, Santoz,

Samohunk, Panjul, itoes. Thanks atas kerjasama dan persahabatan kita… Moga kita semua dapat selalu kompak dan sukses. Teman-temanku semua : Celine, Gabux, Gery, Jaman, Pendex, Itoez, pak’ Aan, de’ Anyez, Mba Nicken, Mba Tutik, Mas Dwi, Little Diva, Mas Anton, Mela & Arlen, Erly, Tasha, de’ Dwita, Icha, juga Sonya ‘Jlex’, Tiar ’Pixy’, Herawati, Deasy, dll…..Thanks 4 Everything. Teman-temanku Teknik mesin ’03 : Danang ‘ucil’, Cebonx, Gepeng, Andre, Adhi, Ucok, Thomas, Uus, Anggoro, Agung, Galih, Putu, Moyo, Balung, Kharisma, Mamat, Steve, Roni, Gentong, Wilson, Gaband, Tikus, Paijo, Yosafat, Pur, Baskom, Endro, Anes, Ery, Heri, Ari, Tejo, dll....Juga Prast, Patkay, Tempe........ Kalo dah pada jadi orang yang sukses jangan lupa ya ma aq...

Temen-temen mahasiswa jurusan Teknik Mesin angkatan (

…,’99,’00,’01,’02,’03,’04,’05,’06,’07 ) Fakultas Sains dan Teknologi

Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

INTISARI

Akhir-akhir ini manusia dikhawatirkan dengan krisis energi bahan bakar fosil dan efek buruk pembakaran hidrokarbon yang terkandung dalam bahan bakar fosil. Akhirnya dikembangkan teknologi alternatif yang memanfatkan energi alam berupa energi air, angin dan surya sebagai sumber energi. Dalam hal ini penulis menggunakan energi air sebagai sumber energi alternatif untuk mendukung penelitian tenteng unjuk kerja turbin aliran silang (crossflow) yang menggunakan jumlah sudu 18 dan berbahan pipa besi yang dipotong menjadi 4 sebagai sudu, sehingga dapat diketahui berapa besar daya dan efisiensi yang paling baik.

Saat ini aliran silang (crossflow) yang dirancang dan dibuat pada bagian sudunya sering dirancang dan dibuat dengan menggunakan plat yang dilengkung. Karena membuat turbin aliran silang (crossflow) dengan menggunakan plat yang dilengkung sulit. Maka penulis mencoba menyederhanakan perancangan, dengan membuat sudu turbin aliran silang (crossflow) dengan menggunakan pipa berdiameter 3 inci yang dipotong menjadi 4 bagian sebagai sudu.

Dalam penelitian ini metode yang dilakukan yaitu dengan membuat turbin aliran silang (crossflow) dengan jumlah sudu 18 dan menguji turbin crossflow tersebut dengan variasi beban lampu yaitu lampu 10 watt, 20 watt, 30 watt, 35 watt, 45 watt, 55 watt, 65 watt. Pengujian dilakukan dengan cara menggerakkan turbin dengan bantuan aliran air dari bak setinggi 1,5 meter dan 1,3 meter kemudian mengukur putaran poros ketika tanpa beban dan ketika diberi beban. Dari data yang diperoleh maka dapat dihitung daya output dan efisiensi total.

Dari penelitian ini diperoleh hasil bahwa Pada head 1,5 m dan debit

0,013 m /s, daya keluaran paling besar yaitu 15,19 watt dan efisiensi total yang paling besar adalah 7,60 % yang didapat saat alternator diberi beban lampu 45

watt. Dan pada saat head 1,3 m dan debit 0,012 m /s, daya keluaran paling besar yaitu 12,68 watt dan efisiensi total yang paling besar adalah 8,17 % yang didapat juga pada saat alternator diberi beban lampu 45 watt.

KATA PENGANTAR

Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian untuk Tugas Akhir dengan judul

“Turbin Aliran Silang dengan Jumlah Sudu 18 untuk Pembangkit Listrik”.

Penulisan Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat untuk merarih gelar Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Melalui penyusunan tugas akhir ini mahasiswa diharapkan mampu mempunyai daya analisa yang baik serta membantu memperdalam ilmu yang telah diperoleh selama masa kuliah.

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

Romo Ir. Gregorius Heliarko, S.J., S.S., B.S.T., M.A., Msc., selaku Dekan 1.

Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma. Bapak Budi Sugiharto, S.T., M.T., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin, Ketua 2.

Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.

Bapak Yosef Agung Cahyanta, S.T, M.T sebagai Dosen Pembimbing Tugas 3.

Akhir yang telah memberikan bimbingan dan pengarahan dalam penyelesaian

4. Bapak Doddy Purwadianto, S.T., M.T. selaku dosen pembimbing akademik.

Segenap Dosen di Jurusan Teknik Mesin, yang telah membimbing selama 5. kuliah di Universitas Sanata Dharma. Kepala Laboratorium Konversi Energi Jurusan Teknik Mesin Universitas 6.

Sanata Dharma yang telah memberikan ijin dan fasilitas yang dipergunakan serta karyawan yang telah membantu dalam penelitian ini.

Semua pihak yang tidak bisa kami sebutkan satu persatu yang telah membantu 7. dan memberi masukan selama penyelesaian Tugas Akhir ini

Penulis menyadari bahwa dalam penulisan Tugas Akhir ini masih banyak terdapat kekurangan dan kesalahan serta jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang sifatnya membangun untuk penyempurnaan Tugas Akhir ini.

Akhirnya harapan penulis, semoga Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi semua pihak dan dapat dijadikan bahan kajian lebih lanjut.

Yogyakarta, 14 Februari 2008 Penulis

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL........................................................................................i LEMBAR PERSETUJUAN ............................................................................iii LEMBAR PENGESAHAN .............................................................................iv PERNYATAAN...............................................................................................v HALAMAN PERSETUJUAN PUBLIKASI...................................................vi HALAMAN MOTTO DAN PERSEMBAHAN..............................................vii

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

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

1.1

1.2 Rumusan Masalah...............................................................................3 Tujuan Perancangan............................................................................4

1.3

1.4 Batasan Masalah .................................................................................4

BAB II DASAR TEORI Tinjauan Pustaka.................................................................................5 2.1.

2.2. Klasifikasi Turbin ...............................................................................6 Klasifikasi Turbin Menurut Cara Kerja ...................................6 2.2.1.

2.2.1.2. Turbin Reaksi...................................................................10 Klasifikasi Turbin Menurut Daya yang Dihasilkan .................13 2.2.2.

2.3. Turbin Aliran Silang (Crossflow) .......................................................14 Prinsip Dasar Turbin Aliran Silang (Crossflow)......................14 2.3.1. Pemindahan Gaya ke Turbin....................................................15 2.3.2.

2.3.3. Aliran Pergerakan Air pada Turbin..........................................17 Efisiensi....................................................................................19 2.3.4.

2.3.5. Konstruksi Turbin Aliran Silang (Crossflow) ..........................21 Altenator .............................................................................................27 2.4.

BAB III METODE PENELITIAN

3.1 Sarana Penelitian.................................................................................30 Skema Pengujian Alat.........................................................................31

3.2

3.3 Tahap Penelitian .................................................................................32 Persiapan ..................................................................................32

3.3.1

3.3.2 Pelaksanaan Pengujian .............................................................33

3.4 Perancangan Turbin Aliran Silang (Crossflow)..................................35 Perhitungan Turbin Aliran Silang (Crossflow) ........................35

3.4.1 BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Hasil pengujian ...................................................................................43 4.1.

4.1.1. Data Pengujian .........................................................................43

4.1.2. Perhitungan Data ......................................................................44 Perhitungan Daya Air (P

4.1.2.1. in ) dengan Head 1,5 m ; Debit

0,013 m /s ........................................................................44

4.1.2.2. Perhitungan Debit Air (P in ) dengan Head 1,3 m ; Debit 0,012 m

4.1.3.2. Hasil Perhitungan dengan Head 1,3 m ; Debit 0,012 m

5.1 Kesimpulan ........................................................................................51

BAB V PENUTUP

Pembahasan Tentang Efisiensi Hasil Pengujian..............49

4.1.4.1. Pembahasan Tentang Daya Keluaran Hasil Pengujian ...47 4.1.4.2.

/s ..................................................................................46 4.1.4. Analisa dan Pembahasan ..........................................................47

/s ..................................................................................46

4.1.3.1. Hasil Perhitungan dengan Head 1,5 m ; Debit 0,013 m

η)........................................45 4.1.3. Pengolahan dan Perhitungan Data............................................46

) ............45 4.1.2.4. Perhitungan Efisiensi Total (

out

4.1.2.3. Perhitungan Daya yang keluar dari Turbin (P

/s ........................................................................44

5.2 Saran .................................................................................................51 DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................53

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Skema perubahan Head pada Turbin Pelton ....................................7Gambar 2.2 Skema irisan penampang nozzle dan ember sudu (atas) dan bagan kecepatan pada turbin Pelton (bawah)...................................8Gambar 2.3 Skema Turbin Aliran Ossberger.......................................................9Gambar 2.4 Bagan kecepatan pada Turbin Aliran Ossberger..............................10Gambar 2.5 Turbin Francis tipe horizontal ..........................................................11Gambar 2.6 Turbin Francis tipe vertikal ..............................................................11Gambar 2.7 Skema Turbin Francis dan Perubahan Headnya ..............................12Gambar 2.8 Skema dua jenis Turbin Propeller, poros vertikal (kiri) dan poros horizontal (kanan) ............................................................................13Gambar 2.9 Skema Turbin Aliran Silang (Crossflow).........................................14Gambar 2.10 Gaya aksi atau gaya dorong tumbukan ...........................................15Gambar 2.11 Gaya aksi atau gaya dorong tumbukan sudu jalan ..........................16Gambar 2.12 Gaya aksi atau gaya dorong tumbukan penampang sudut .............16Gambar 2.13 Aliran pergerakan air pada turbin...................................................18Gambar 2.14 Pergerakan aliran air pada turbin ..................................................18Gambar 2.15 Deflaksi pada pergerakan aliran air pada turbin.............................20Gambar 2.16 Gabungan diagram kecepatan pada turbin Aliran Silang................21Gambar 2.17 Diagram kecepatan pada turbin Aliran Silang ...............................22Gambar 2.18 Kelengkungan sudu .........................................................................23Gambar 2.20 Jarak antar sudu...............................................................................25Gambar 2.21 Alternator dengan magnet berputar dan kumparan tetap ................28Gambar 3.1 Diagram Alir Tahap penelitian........................................................34Gambar 4.1 Grafik daya keluaran (P out ) vs putaran alternator ............................47Gambar 4.2 Grafik efisiensi total vs putaran alternator ......................................49

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data Hasil Pengujian.......................................................................43Tabel 4.2 Data Hasil Pengujian.......................................................................43Tabel 4.3 Data Hasil Perhitungan ...................................................................46Tabel 4.4 Data Hasil Perhitungan ...................................................................46

BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang

1.1 Teknologi alat pembangkit energi pada saat ini sudah banyak macamnya,

kegunaan dan manfaatnya. Penggunaan alat pembangkit energi ini mulai dimanfaatkan dari rumah tangga ataupun industri besar. Namun pada umumnya alat pembangkit energi mengunakan energi fosil sebagai energi dasar, energi fosil yang berupa gas bumi, minyak bumi dan batu bara mempunyai energi yang sangat besar. Sejak awal revolusi industri, bahan bakar fosil digunakan tanpa batas, hal ini dilakukan karena manusia belum berpikir keterbatasan energi fosil dan efek buruknya bagi lingkungan dalam bentuk polusi.

Akhir-akhir ini manusia dikhawatirkan dengan krisis energi bahan bakar fosil dan efek buruk pembakaran hidrokarbon yang terkandung dalam bahan bakar fosil. Akhirnya dikembangkan pula berbagai bentuk energi alternatif untuk mencukupi energi dunia, baik dengan pengembangan teknologi tinggi berupa reaktor nuklir dan teknologi tenaga surya, maupun teknologi memanfatkan energi alam berupa energi air, angin dan gelombang.

Air merupakan salah satu sumber daya alam yang tidak terbatas jumlahnya, yang potensinya dapat digunakan sebagai energi alternatif baru untuk menggantikan pengunaan energi fosil yang sudah semakin menipis jumlahnya. sumber energi alternatif yang baru khususnya energi listrik. Dengan memanfaatkan energi air ini maka manusia juga dapat mengurangi efek buruk yang ditimbulkan oleh energi fosil yang berupa polusi. Walaupun saat ini belum dimungkinkan dan ditemukan alat yang bisa mengubah energi air yang berefisiensi lebih besar dari energi yang dihasilkan oleh energi fosil, namun sudah banyak manusia yang beralih menggunakan energi alternatif yang minim polusi sebagai pengganti energi fosil.

Indonesia adalah negara yang tiap tahunnya mempunyai curah hujan yang sangat tinggi, sehingga mempunyai potensi energi air yang besar. Energi itu telah dimanfaatkan dengan dibangunnya pembangkit listrik tenaga air (PLTA) di bendungan sungai-sungai besar di Indonesia. Pembangunan pembangkit energi skala besar itu jelas akan mencukupi kebutuhan energi dalam ruang lingkup yang luas dan konsekuensinya akan membutuhkan energi air yang besar juga. Pada prakteknya energi air yang termanfaatkan hanya energi air yang besar saja, sehingga diberbagai tempat yang mempunyai banyak potensi energi air kecil yang tidak termanfaatkan. Di lain pihak banyak kelompok masyarakat terpencil yang belum bisa menikmati energi listrik distribusi dari pusat. Sehingga diperlukan teknologi terapan untuk memanfaatkan potensi-potensi energi air tersebut.

Dalam hal ini penggunaan turbin sering digunakan untuk keperluan massal atau industri-industri yang berskala besar, pada sumber tenaga air yang kecil sangat jarang sekali turbin yang diproduksi, maka harga dari turbin tersebut sangat mahal dan tidak banyak pilihan terutama di Indonesia. Teknologi tersebut tidak mudah diterapkan dan diaplikasikan oleh masyarakat pada umumnya. Karena turbin aliran silang (crossflow) dapat beroperasi pada daya kurang dari 750 kW.

Dan tinggi jatuh air dapat digunakan diatas 1 m sampai 200 m juga dalam

kapasitas antara 0,02 m /s sampai dengan 7 m /s maka turbin aliran silang

(crossflow) sangat cocok digunakan untuk pusat tenaga air yang kecil Rumusan Masalah

1.2 Selama ini energi air yang dimanfaatkan hanya energi air yang besar saja,

sedangkan diberbagai tempat banyak mempunyai potensi energi air kecil yang belum dimanfaatkan. Dalam hal ini banyak kelompok masyarakat terpencil yang belum bisa menikmati energi listrik distribusi dari pusat. Sehingga diperlukan teknologi terapan untuk memanfaatkan potensi-potensi energi air kecil tersebut untuk memenuhi kebutuhan listrik untuk masyarakat terpencil.

Saat ini aliran silang (crossflow) yang dirancang dan dibuat pada bagian sudunya sering dirancang dan dibuat dengan menggunakan plat yang dilengkung.

Karena membuat turbin aliran silang (crossflow) dengan menggunakan plat yang dilengkung sulit. Maka perancang mencoba menyederhanakan perancangan, dengan membuat sudu turbin aliran silang (crossflow) dengan menggunakan pipa berdiameter 3 inci yang dipotong menjadi 4 bagian sehingga membentuk sudu.

1.3 Tujuan Perancangan

Perancangan yang dilakukan bertujuan merancang dan menguji unjuk kerja turbin aliran silang (crossflow) , sehingga dapat diketahui berapa besar daya dan efisiensi yang paling baik.

Hasil pengujian ini diharapkan dapat memberikan tambahan pengetahuan tentang tenaga air atau hydropower, terutama yang berkaitan dengan pemanfaatan turbin aliran silang (crossflow) sebagai penghasil energi listrik.

1.4 Batasan Masalah

Agar penelitian ini tidak terlalu luas serta keterbatasan waktu yang tersedia dan tetap berada dalam jangkauan penulis, maka perlu adanya batasan masalah. Untuk itu pembahasan hanya berkisar pada perancangan dan pengujian turbin aliran silang (crossflow) dengan jumlah sudu 18 menggunakan bahan pipa berdiameter 3 inci yang dipotong menjadi 4 bagian sebagai sudu jalan.

BAB II DASAR TEORI Turbin air berfungsi untuk mengkonversi energi dari gerakan air menjadi

energi mekanis. Energi mekanis ini kemudian ditransfer melalui suatu poros untuk mengoperasikan mesin atau generator. Energi puntiran yang dihasilkan oleh turbin diteruskan untuk memutar generator yang selanjutnya menghasilkan energi listrik. Turbin air digunakan pada pembangkit listrik tenaga air (PLTA) untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik, dengan memanfaatkan aliran dan tinggi air jatuh. Daya mekanis ini kemudian ditransfer ke generator oleh suatu poros sehingga menghasilkan energi listrik.

2.1 Tinjauan Pustaka

Untuk kasus pada penelitian ini penulis belum menemukannya dalam artikel, jurnal, maupun pada buku-buku mengenai penggunaan pipa berdiameter tertentu sebagai sudu pada turbin aliran silang. Hal ini menyebabkan kesulitan dalam melakukan perbandingan terhadap hasil penelitian.

Sebagai pembanding, penelitian yang dilakukan oleh Orogeon State

College hidraulics laboratory yaitu melakukan penelitian dengan turbin aliran

silang pada tinggi jatuh air 4,8768 m dan debit air 0,08495 m /s dapat menghasilkan daya 2237,1 watt Jurnal lain yang dapat dijadikan pembanding adalah tentang penggunaan turbin aliran silang (crossflow) adalah John Wiley & Sons pada tahun 1998. Dalam artikel itu ditulis bahwa jumlah sudu yang digunakan adalah 28 buah. Penelitian tersebut memvariasikan nozzle, head dan diameter runner yang berbeda. Dalam artikel itu tidak disebutkan dalam penggunaan debit air berapa namun disebutkan bahwa efisiensi yang paling baik yang dihasilkan pada penelitian itu yaitu sebesar 72 %.

2.2 Klasifikasi Turbin Klasifikasi Turbin Menurut Cara Kerja

2.2.1 Terdapat berbagai jenis turbin air yang digunakan untuk penyediaan

kebutuhan energi listrik. Turbin air biasanya dikelompokan berdasarkan kegunaan tertentu, kapasitas aliran dan tinggi air jatuh. Oleh karena itu turbin air diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara, tapi 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 turbin impuls dan turbin reaksi.

Turbin Impuls

2.2.1.1 Turbin impuls disebut juga turbin tekanan sama atau turbin pancaran bebas

karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir disekitarnya. Yang dimaksud turbin implus adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan menjadi energi kecepatan dari pancaran.air. Pancaran air akan membentur roda jalan turbin yang kemudian membalikkan arus air, sehingga menghasilkan perubahan pada daya dorongan yang disebabkan oleh roda jalan turbin. Pada roda jalan turbin tidak terjadi perubahan tekanan. Sebelum pancaran air membentur roda jalan turbin, tekanan air (energi potensial) dikonversi ke tenaga gerak (energi kinetik) oleh nossel dan dipusatkan pada roda jalan turbin.

Yang termasuk turbin impuls antara lain:

a. Turbin Pelton Yang menjadi ciri khusus dari turbin ini adalah nosel dan sudu roda jalan yang dirancang khusus. Pancaran air yang keluar dari nosel dengan kecepatan tinggi menghantam sudu di tengah-tengah. Bentuk sudunya seperti dua mangkuk yang berdimensi sama besar yang berdampingan. Biasanya turbin ini diaplikasikan pada head turbin yang tinggi.

Gambar 2.1 Skema perubahan Head pada turbin Pelton ( Fritz Dietzel, 1992,

hal. 18 )

Gambar 2.2 Skema irisan penampang nozzle dan ember sudu (atas) dan bagan kecepatan pada turbin Pelton (bawah) (Fritz Dietzel, 1992, hal.

18 dan 25)

b. Turbin Aliran Ossberger (Crossflow) Turbin aliran Ossberger atau turbin crossflow terdiri dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel dan nossel. Pancaran air dialirkan dari nossel melewati sudu-sudu jalan yang berbentuk silinder, pertama-tama pancaran air dari nossel masuk ke turbin dan mengenai sudu-sudu sehingga terjadi konversi energi kinetic 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 ini mempunyai 2 (dua) tingkat kecepatan mirip dengan turbin uap. Aliran air yang lewat tingkat ke-2 menghasilkan daya kurang lebih 20% dari daya yang dihasilkan dari tingkat pertama, air tanpa ada kesulitan bisa meninggalkan roda jalan.

Gambar 2.3 Skema Turbin Aliran Ossberger ( Fritz Dietzel, 1992,

hal. 36) Perkembangan selanjutnya turbin ini mengalami modifikasi yang dilakukan oleh Michell yang berasal dari Australia dan Bangki yang berasal dari Honggaria, dengan menambahkan pipa hisap pada sisi keluar dari turbin. Dengan modifikasi ini meningkatkan efisiensi dari turbin ini. Turbin ini sangat cocok pada pembangkit tenaga air bersekala kecil.

Gambar 2.4 Bagan kecepatan pada Turbin Aliran Ossberger (Fritz

Dietzel, 1992, hal.37) Turbin Reaksi.

2.2.1.2 Berbeda dengan turbin impuls, pada turbin reaksi terjadi perbedaan

tekanan aliran air pada sisi masuk dan sisi keluar dari sudu jalan tersebut. Karena perbedaan tekanan kerja yang terjadi pada sisi masuk dan sisi keluar dari sudu jalan turbin maka turbin ini disebut turbin reaksi. Turbin air reaksi terdiri dari beberapa tipe, yaitu: a. Turbin Francis Turbin Francis bekerja dengan memakai proses tekanan lebih.

Dengan adanya pipa isap memungkinkan energi tinggi jatuh dapat

Gambar 2.5 Turbin Francis tipe horizontal (Fritz Dietzel, 1992, hal.

15)

Gambar 2.6 Turbin Francis tipe vertikal (Fritz Dietzel, 1992, hal. 15)Gambar 2.7 Skema Turbin Francis dan Perubahan Headnya (Fritz

Dietzel, 1992, hal. 16) Pipa isap pada tubin ini mempunyai tugas yang mirip dengan sudu hantar yang terdapat pada pompa sentrifugal, yaitu mengubah energi kecepatan menjadi energi tekanan.

b. Turbin Propeller /Kaplan Turbin jenis ini merupakan pengembangan dari turbin Francis, jika tinggi air jatuh semakin sedikit maka semakin sedikit belokan pada sudu jalan. Untuk memperbesar daya dengan head yang sedikit maka kapasitas aliran air harus besar yaitu dengan cara memperbesar luas dari penampang yang dilalui air.

Gambar 2.8 Skema dua jenis Turbin Propeller, poros vertikal (kiri) dan poros horizontal (kanan) (Fritz Dietzel, 1992, hal.

61)

2.3 Klasifikasi Turbin Menurut Daya yang Dihasilkan

Dari daya yang dihasilkan, turbin dapat diklasifikasikan menjadi beberapa jenis, yaitu:

Large Hydro-Power Interval daya yang dihasilkan turbin mencapai 50 MW keatas.
Medium Hydro-Power Interval daya yang dapat dihasilkan turbin antara 10 MW – 50 MW.
Small Hydro-Power Interval daya yang dapat dihasilkan turbin antara 1000 kW – 10 MW.
Mini Hydro-Power Interval daya yang dapat dihasilkan turbin antara 101 kW – 1000 kW.
Micro Hydro-Power Interval daya yang dapat dihasilkan turbin antara 3 kW – 100 kW.
Pico Hydro-Power Interval daya yang dapat dihasilkan turbin sampai dengan 3 kW.

2.4 Turbin Aliran Silang (Crossflow) Prinsip Dasar Turbin Aliran Silang (Crossflow)

2.4.1 Turbin Crossflow ditemukan oleh Michell-Banki. Turbin ini juga disebut

dengan Turbin Ossberger. Turbin Crossflow termasuk turbin impuls. Turbin

crossflow terdiri dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan

paralel dan nozzle. 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 %.

Gambar 2.9 Skema Turbin Aliran Silang (crossflow)

(Sumber:http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf )

Pemindahan Gaya ke Turbin

2.4.2

a) Suatu plat yang tegak lurus terhadap pancaran air Pancaran air dengan kecepatan (v) yang memancar tegak lurus plat, akan menimbulkan suatu aksi atau gaya dorong/tumbukan. Maka akan ada gaya yang mencoba mendorong plat. Besarnya gaya F = m. v. Pancaran akan bebelok 90º menyebar kesamping pada bidang plat. Maka akan terjadi perubahan vektor kecepatan yang berarti perubahan momentum.

Gambar 2.10 Gaya aksi atau gaya dorong tumbukan.

(Joe Cole, 2004 , hal. 2) b) Suatu Penampang konstruksi sudu jalan terhadap pancaran air.

Pancaran air dengan kecepatan (v) yang memancar mengenai sudu jalan dengan konstruksi berbelok, akan menimbulkan suatu aksi atau gaya dorong (F) yang besarnya merupakan nilai dari kelipatannya.

Gambar 2.11 Gaya aksi atau gaya dorong tumbukan sudu jalan

(Joe Cole, 2004, hal. 2) c) Suatu Penampang yang dengan sudut tertentu terhadap pancaran air.

Jika pancaran air membentur satu sudu lengkung maka air akan dibelokkan sesuai sudut. Gaya (F) diuraikan berdasarkan komponen- komponennya yaitu sumbu x & y.

Gambar 2.12 Gaya aksi atau gaya dorong tumbukan penampang sudut

tertentu (Joe Cole, 2004, hal. 3)

2.4.3 Aliran Pergerakan Air pada Turbin

Pada gambar 2.12 diasumsikan bahwa pancaran air dari nozzle masuk kedalam runner pada titik A dengan sudut α yang bersinggungan dengan keliling

runner .

Kecepatan air sebelum memasuki runner dapat dihitung dengan persamaan:

1 =C (2gH) ( Mockmore, 2004, hal 6) ........................................ 2.1

dengan :

V 1 = Kecepatan absolut. H = Tinggi jatuh air C = Koefisien berdasarkan nozzle

Dalam turbin berhubungan dengan komponen – komponen kecepatan yaitu: V = Kecepatan mutlak, karena daerah sekelilingnya adalah tetap diam tidak bergerak. v = Kecepatan relatif, karena berhubungan dengan bagian yang bergerak yaitu sudu jalan turbin. u = Kecepatan tangensial roda turbin.

α adalah sudut antara kecepatan absolut dengan kecepatan sudu turbin dan β adalah sudut yang dibentuk antara garis yang menyinggung keliling lingkaran

runner dengan kecepatan relatif

Gambar 2.13 Aliran pergerakan air pada turbin

(Mockmore, 2004, hal. 6) Alur aliran pergerakan aliran air pada kenyataannya tidak seperti yang terdapat dalam gambar 2.12, akan tetapi terdapat defleksi sebesar

θ seperti dalam gambar 2.13.

2.4.4 Efisiensi

2 ) ( Mockmore, 2004, hal 7) .................... 2.5

Subtitusi persamaan 2.9, 2.10 dan 2.11 didapatkan persamaan: Hp output =( W Qu

1 /g).(V 1 cos

1 - u 1 ).(1 +

ψ cos β

2 cos

1 ) .................. 2.6

Secara teoritis daya input adalah HP =

QH/g =

/ C

2 -u 1 ) /(cos

1 = (V 1 cos

Efisiensi ( ε) merupakan rasio perbandingan daya output dan daya input. Berdasarkan gambar 2.13 dapat diturunkan persamaan daya pengereman Daya pengereman

HP = (w.Q/g) (V

1 cos

1 + V 2 cos

2 ) u 1 ( Mockmore, 2004, hal 7) ...... 2.2

Pada rumus (2.8) dapat direduksikan dengan menggunakan segitiga kecepatan seperti ditunjukkan pada rumus (2.9).

2 cos

2 = v 2 cos

Dari diagram kecepatan pada gambar 2.13 didapatkan: v

2 - u

1 (

Mockmore, 2004, hal 7)

......... 2.3 Mengabaikan kecepatan air dalam ketinggian h

(gambar 2.12) yang memasuki bagian bawah. v

2 =

ψv

1 ( Mockmore, 2004, hal 7)

....................................... 2.4 ψ = koefisien empiris yang nilainya (0,98)

2g ( Mockmore, 2004, hal 8) .................... 2.7

Gambar 2.15 Defleksi pada pergerakan aliran air pada turbin

(Banki, 2004, hal. 8) Efisiensi

1 /V 1 )(1 + 2 / cos 1 ).(cos 1 - u 1 /V 1 ) ............................ 2.8

ε = (2C ψ cos β β α Dengan

= maka : β

2 β

1 / V 1 ) (1 + 1 - u 1 / V 1 )

ε = (2C ψ) (cos α u .V = cos /2

2 Mockmore, 2004, hal 9) = 0,5 C (1 +

1 ( ................. 2.9

ε ψ ) cos2 α max Dimana efisiensi di atas benar apabila nilai

ψ dan C merupakan satu kesatuan dimana tidak ada head loses dan tidak ada gesekan pada nosel dan sudu.

Nilai efisiensi maksimum tercapai pada sudut masuk

16 dengan nilai α ψ = 0.98 dan C =0.98.

2.4.5 Konstruksi Turbin Aliran Silang (Crossflow)

Sudut sudu masuk sisi atas pada keliling luar runner 1 , yang dapat dilihat β pada gambar 2.12 dan 2.14. Sehingga sudut

1 dapat ditentukan oleh nilai 1 ,V 1 ,

β α jika u

1 = ½ V 1 cos

2004, hal 10)

Gambar 2.17 Diagram kecepatan pada turbin Aliran Silang

2 '=90 o

dan α 1 = α 2, untuk membuat aliran pancaran air radial maka besarnya

1 =

asumsi v

2 ' adalah sudut sudu keluar sisi atas pada keliling dalam runner. Dengan

2004, hal. 11) β

Gambar 2.16 Diagram kecepatan pada turbin Aliran Silang (Mockmore,

atau nilai pendekatan (Mockmore,

atau 30

,50

1 =29 o

maka β

α 1 = 16 o

apabila

1 = 2 tan

maka tan β

(Mockmore,2004,hal. 11)

a. Diameter Luar runner (D

1 ) ½ Mockmore, 2004, hal 14)

1 = 862H /N ( ............................... 2.10

dengan : H = head ketinggian (inci) N = putaran turbin (rpm)

b. Panjang Turbin (L)

½ ½

Mockmore, 2004, hal 15)

L = 144QN/862 H Ck(2gH) ( .... 2.11 dengan : Q = Debit aliran air (cfs) C = Koefisien nozzle = 0.98 k = Faktor koreksi = 0.087 c. Perbandingan panjang dan diameter turbin

1 = 210.6Q/H ( Mockmore, 2004, hal 17) ........................... 2.12

d. Jari-jari kelengkungan sudu ( ρ)

( Mockmore, 2004, hal 15) ............................... 2.13

ρ = 0.3261 r dengan : r = jari-jari luar runner (in)

e. Lebar velk radial (a )

Nilai lebar velk radial dapat ditentukan dari persamaan 2.6 dengan mengabaikan tebal sudu. a

1 Mockmore, 2004, hal 12) ................................ 2.14

= 0,17D (

f. Jarak antar sudu Meliputi Jarak antar sudu pancaran air masuk (s

1 ), Jarak sudu

pancaran air keluar (s ) dan jarak antar sudu (gambar 2.18)

1 = kD 1 ( Mockmore, 2004, hal 14) ............................................. 2.15 Mockmore, 2004, hal 11)

2 = t(r 2 /r 1 ) ( ............................................ 2.16

t =s

1 /sin 1 ( Mockmore, 2004, hal 10) ............................................ 2.17

Gambar 2.18 Kelengkungan sudu (Mockmore, 2004, hal. 16)

g. Jumlah sudu (n) n = /t ( Mockmore, 2004, hal 17) ................................... 2.18

л D

h. Jarak pancaran dari poros (y

1 ) (gambar 2.19)

i. Jarak pancaran dari keliling dalam (y

2 ) (gambar 2.19)

2 = (0.1314-0.945k) D 1 (Mockmore, 2004, hal 14) ................ 2.20

j. Efisiensi maksimal turbin jika u

1 = ½ V 1 cos

α maka tan

1 = 2 tan

β α ψ = koefisien empiris yang nilainya sekitar (0,98)

(Mockmore, 2004, hal 7) ............................................................... 2.21

2 = 0,5 C (1 +

1 (Mockmore, 2004, hal 9) ........ 2.22

ε ψ ) cos2 α max k. Nosel

Meliputi penampang nozzle (A) dan tinggi pancaran air nosel (s o ) A = Q/V

1 ( Mockmore, 2004, hal 17)..................................... 2.23 Mockmore

So = A / L ( , 2004, hal 17) .................................... 2.24

Gambar 2.19 Alur pancaran air dari sisi turbin ( Mockmore , 2004, hal. 13)

l. Sudut pusat sudu jalan (gambar 2.20) Tan ½

1 /(sin 1 +r 2 /r 1 ) .............................................................. 2.25

δ = cosβ β

Gambar 2.20 Jarak antar sudu ( Mockmore , 2004, hal. 9)

m. Perhitungan poros Parameter-parameter yang digunakan dalam perhitungan poros sebagai berikut ;

P = daya yang ditransmisikan (kW)
Fc = faktor koreksi (Sularso,2004,hal. 7)
n = putaran poros (rpm)
Pd = fc×P (kW) ............................................................................. 2.26
T = momen puntir rencana (kg.mm)

σ _B
Sf
Cb = faktor Cb nilainya 1,2 sampai 2,3. jika diperkirakan tidak terjadi pembebanan lentur maka Cb = 1.
Kt = faktor Kt dipilih 1,0 jika beban dikenakan secara halus, 1,0-1,5 jika dikenakan sedikit beban kejutan atau tumbukan, dan 1,5-3,0 jika beban kejutan atau tumbukan besar.

1. Rotor Yang dimakud rotor adalah bagian yang berputar yang menjadi satu dengan poros alternator yang terdapat magnet permanent atau lilitan

mekanis menjadi energi elektrik. Pada prinsipnya generator dapat juga disebut sebagi altenator, tetapi biasanya altenator lebih mengacu pada bentuk yang lebih kecil yang biasa digunakan pada otomotif. Fungsi utama dari altenator adalah sebagai baterei pada kendaraan, dan pada saat mesin motor berputar, altenator bertugas memberi tenaga kepada semua komponen elektrik yang lain. Altenator memiliki 4 bagian yang penting, yaitu :

Altenator adalah suatu alat elektromekanikal yang mengkonversi daya

τ ............................................................ 2.29

5 [ T Cb Kt _a × × ×

] 1 ,

s = ³ ¹

) ............................................................ 2.28

(kg/mm

× σ

Sf Sf ^B

2 1 (

τ = )

1 dan Sf 2 = faktor keamanan

)

= kekuatan tarik bahan (kg/mm

d s = diameter minimal poros (mm) d

2.5 Altenator

induksi magnet, pada rotor terdapat bagian yang berfungsi sebagai kutub magnet yang terletak pada sisi luar dari lilitan. Bagian lain dari rotor adalah slip ring yang terletak pada bagian belakang berfungsi sebagai penyalur listrik ke kumparan rotor. Rotor ditumpu oleh dua buah bearing, pada bagian dengannya terdapat puli.

2. Stator Bagian 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 yang digunakan sebagai baterei yang kemudian dapat menggerakan semua komponen elektrik yang ada pada kendaraan.

4. Pengatur Tegangan Pada bagian ini dapat mengontrol jumlah voltase yang diberikan oleh altenator.

Arus yang dihasilkan pada altenator dapat diperoleh dengan dua cara yaitu, magnet berputar didalam coil (lilitan) atau coil berputar pada medan magnet yang diciptakan oleh magnet. Besarnya arus yang dihasilkan oleh altenator tergantung pada kecepatan baling-baling, kekuatan medan magnet, dan ukuran dari coil . Semakin tegak lurus medan magnet terhadap lilitan coil, maka semakin besar arus elektrik dan keluaran energinya.

Altenator menghasilkan listrik dengan prinsip yang sama pada DC

generator, yakni adanya arus pengumpan yang disebut arus eksitasi saat terjadi medan magnet disekitar kumparan.

Gambar 2.21 Altenator dengan magnet berputar dan kumparan tetap

Arus yang keluar (I) dari altenator dan tegangan yang keluar (V) dari altenator dapat diukur untuk mengetahui energi listrik yang dihasilkan yaitu :

P = V x I .................................................................................. 2.30 dengan : P = Daya listrik (kW) V = Tegangan listrik (volt) I = Arus listrik (ampere) Kemudian setelah daya telah diketahui maka untuk menghitung torsi yang digunakan poros alternator digunakan rumus :

Pout T =

9 , 55 .......................................................................... 2.31

Dengan : T = Torsi poros alternator (N.m) n = Kecepatan putar poros alternator (rpm)

Turbin aliran silang dengan jumlah sudu 18 untuk pembangkit listrik - USD Repository