TUGAS AKHIR Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin

  

TURBIN ALIRAN SILANG DENGAN JUMLAH

SUDU 20 UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK

TUGAS AKHIR

Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

  

Jurusan Teknik Mesin

  Disusun oleh :

  

Herman B Simarmata

NIM : 035214059

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

  

CROSSFLOW TURBINE WITH 20 BLADES

FOR GENERATOR

FINAL PROJECT

Presented as Partial Fulfillment of the Requirements

to Obtain the Sarjana Teknik Degree

in Mechanical Engineering

  By

  

Herman B Simarmata

Student Number: 035214059

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

HALAMAN PERSEMBAHAN

  Tugas akhir ini saya persembahkan untuk :

Tuhan Yesus Kristus

• Alm. Oppung doli Tombak Parsaoran Simarmata • Oppung boru Rumani br limbong
• Alm. Oppung doli Sahat Butar-butar
• Oppung boru Milliana br Manurung • Kedua orang tua saya
• Kakak dan adik-adik saya
• Elkana br Butar-butar

  

MOTTO

”Tiada yang mustahil bagi Tuhan Allah”

  

Ketika satu pintu tertutup, pintu lain terbuka; namun terkadang kita

melihat dan menyesali pintu tertutup tersebut terlalu lama hingga

kita tidak melihat pintu lain yang telah terbuka

  

“Orang-orang yang membuat perubahan bukanlah mereka yang

berijazah, tetapi mereka yang peduli”

  

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.

  Yogyakarta, 19Agustus 2008 Penulis

  Herman B Simarmata

  

INTISARI

Energi air dimanfaatkan untuk menggerakkan Turbin Aliran Silang.

  

Turbin Airan Silang ini digunakan untuk pembangkit listrik dengan bantuan

alternator. Turbin Aliran Silang biasanya sudu dibuat dari plat yang dilengkung.

Hal ini sulit diaplikasikan di masyarakat sehingga dalam penelitian ini

pembuatan sudunya disederhanakan yaitu dengan pipa besi berdiameter 0,076 m

yang dibelah menjadi 4 sama besar.

  Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui daya maksimum yang

dihasilkan oleh Turbin Aliran Silang dengan jumlah sudu 20, dimana tinggi air

jatuh (head) dan kapasitas air (debit) sudah ditentukan. Turbin Aliran Silang

terdiri dari runner dan nosel. Diameter runner Turbin Aliran Silang sebesar 0,23

m dan panjangnya 0,2 m. Sudunya dibuat dari pipa besi berdiameter 0,076 m

yang dibelah menjadi 4 sama besar. Penelitian ini menggunakkan variasi beban

lampu, yang digunakan adalah lampu 10 watt, 20 watt, 30 watt, 35 watt, 45 watt,

55 watt, 65 watt. Pada saat pengujian diukur putaran poros, arus, tegangan

ketika tanpa beban dan ketika diberi beban. Dari data yang diperoleh maka dapat

dihitung daya keluaran dan efisiensi total.

  3 Pada pengujian pertama (pada head 1,5 m dan debit 0,015 m /s), daya

keluaran paling besar yaitu 15,54 watt dan efisiensi total yang paling besar

adalah 7.78 % yang didapat ketika alternator diberi beban lampu 65 watt. Pada

  3

pengujian kedua (pada head 1,3 m dan debit 0,012 m /s), daya keluaran paling

besar yaitu 12,8 watt dan efisiensi total yang paling besar adalah 8,19 % yang

didapat ketika alternator diberi beban lampu 65 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 20 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 tajam 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 :

  1. Romo Ir. Gregorius Heliarko, S.J., S.S., B.S.T., M.A., Msc., selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.

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

  5. Segenap Dosen di Jurusan Teknik Mesin, yang telah membimbing selama kuliah di Universitas Sanata Dharma.

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

  7. Mas Tri, Staff Sekretariat Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.

  8. Teman-teman seperjuangan Tugas Akhir : Danang Prihartanto dan Amanda, Arif Hermawan atas kerjasamanya.

  9. Teman-teman mahasiswa khususnya angkatan 2003 Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma dan semua pihak yang tidak bisa saya sebutkan satu persatu.

  10. Sahabat-sahabatku :Timotius Sembiring, Vicky Pangaribuan, Jhon Fery Purba, Ucok manurung, Dimas Sitanggang, Rafael Nadeak dan keluarga besar naposo Parna Yokyakarta terimakasih atas kebersamaan, persaudaraan yang penuh kehangatan selama ini dan semua teman yang telah memberi dukungan selama penyusunan 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

  Yogyakarta, 19 Agustus 2008 Penulis

  DAFTAR ISI

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

  INTISARI ..........................................................................................................ix KATA PENGANTAR ....................................................................................... x DAFTAR ISI ...................................................................................................xiii DAFTAR GAMBAR ......................................................................................xvi DAFTAR TABEL...........................................................................................xvii

  BAB I PENDAHULUAN

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

  1.2. Rumusan Masalah .............................................................................. 2

  1.3. Tujuan Penelitian ............................................................................... 3

  2.4. Alur Pergerakkan Air pada Turbin Aliran Silang ............................... 9

  4.1.2.1. Perhitungan Daya Air (P

  out

  4.1.2.3. Perhitungan Daya yang keluar dari Turbin (P

  /s .........................................................................35

  3

  ) dengan Head 1,3 m ; Debit 0,012 m

  in

  4.1.2.2. Perhitungan Daya Air (P

  /s .........................................................................34

  3

  ) dengan Head 1,5 m ; Debit 0,013 m

  in

  4.1.2. Perhitungan Data hasil Penelitian …………………………….34

  2.5. Konstruksi Turbin Aliran Silang ....................................................... 11

  4.1.1. Data Hasil Penelitian ………………………………………….33

  4.1. Hasil Penelitian ……………………………………………………....33

  BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

  3.3.3.2. Penelitian ......................................................................... 32

  3.3.3.1. Persiapan ......................................................................... 31

  3.3.3. Jalannya Penelitian ................................................................... 31

  3.3.2. Skema Penelitian ..................................................................... 30

  3.3.1. Sarana Penelitian ...................................................................... 29

  3.3. Pelaksanaan Penelitian ...................................................................... 29

  3.2. Perancangan Turbin Aliran Silang .................................................... 19

  3.1. Diagram Alir Penelitian .................................................................... 19

  BAB III METODE PENELITIAN

  ) .............35

  4.2. Pembahasan ………………………………………….………………38

  4.2.1. Penbahasan Tentang Daya Keluaran Hasil Penelitian Secara Keseluruhan …………………………………………………..38

  4.2.2. Pembahasan Tentang Efisiensi total Hasil Penelitian Secara Keseluruhan ………………………………………………......39

  4.2.3. Pembahasan Tentang Beban Hasil Penelitian Secara Keseluruhan ………………………………………………......40

  BAB V PENUTUP

  5.1 Kesimpulan ........................................................................................43

  5.2 Saran .................................................................................................43 DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................45

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Turbin Aliran Silang .................................................................... 6Gambar 2.2 Runner Turbin Aliran Silang ....................................................... 6Gambar 2.3 Alternator .................................................................................... 8Gambar 2.4 Skema Turbin Aliran Silang ........................................................ 9Gambar 2.5 Aliran pergerakkan air pada Turbin Aliran Silang .................... 10Gambar 2.6 Defleksi pergerakkan air pada Turbin Aliran Silang ................ 11Gambar 2.7 Segitiga kecepatan pada Turbin Aliran Silang .......................... 11Gambar 2.8 Gabungan segetiga kecepatan pada Turbin Aliran Silang ........ 12Gambar 2.9 Kelengkungan sudu ................................................................... 14Gambar 2.10 Jarak antar sudu ......................................................................... 15Gambar 2.11 Alur pancaran air ........................................................................ 16Gambar 3.1 Skema penelitian Turbin Aliran Silang ..................................... 30Gambar 4.1 Grafik daya keluaran (P ) vs putaran alternator ...................... 38

  out

Gambar 4.2 Grafik efisiensi total (

  η) vs putaran alternator ..........................39

Gambar 4.3 Grafik beban (watt) vs putaran alternator ..................................40

  DAFTAR TABEL

  3 Tabel 4.1 Data penelitian pada head 1,5 m dan debit 0,015 m /s .................. 33

  3 Tabel 4.2 Data penelitian pada head 1,3 m dan debit 0,012 m /s .................. 34

Tabel 4.3 Hasil perhitungan data penelitian dengan head 1,5 m dan

  3

  debit 0,015 m /s .............................................................................. 36

Tabel 4.4 Hasil perhitungan data penelitian dengan head 1,3 m dan

  3

  debit 0,012 m /s .............................................................................. 37

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

  Sumber energi yang tidak dapat diperbaharui di negara kita semakin berkurang. Padahal sampai saat ini di Indonesia, konsumsi kebutuhan energi pada umumnya berasal dari sumber energi tak tebarui. Dengan meningkatnya pertambahan penduduk, industrialisasi modern, peningkatan transportasi dan penggunaan listrik yang sangat cepat, maka akan terjadi ketimpangan antara sektor-sektor riil pemakai energi dengan sumber energi yang tersedia.

  Untuk saat ini di Indonesia pada khususnya sering sekali terjadi pemadaman listrik yang dikarenakan tidak sebandingnya hasil listrik dan kebutuhan listrik, padahal jika dilihat dari letak geografis dan keadaan yang terdiri dari pulau-pulau Indonesia memiliki banyak sungai-sungai yang bisa dimanfaatkan potensinya untuk pembangkit tenaga listrik mini yang dapat dimanfaatkan oleh masyarakat di sekitarnya.

  Teknologi alat pembangkit energi listrik pada saat ini sudah banyak macam, kegunaan dan manfaatnya. Pada umumnya alat pembangkit energi tersebut menggunakan energi fosil sebagai energi dasar, berupa gas bumi, minyak sehingga dikembangkan berbagai bentuk energi alternatif dengan manfaat energi alam berupa energi surya, air, angina dan gelombang.

  Air merupakan salah satu sumber daya alam yang tidak terbatas jumlahnya, yang potensinya dapat digunakan sebagai energi alternatif untuk menggantikan pengunaan energi fosil. Oleh karena itu manusia mulai mengembangkan energi air sebagai sumber energi alternatif khususnya sebagai penghasil energi listrik. Dengan memanfaatkan energi air ini maka manusia juga dapat mengurangi efek buruk yang ditimbulkan oleh energi fosil yang berupa polusi. Pada prakteknya energi air yang termanfaatkan hanya energi air yang besar saja, sehingga diberbagai tempat yang mempunyai 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. Teknologi tersebut tidak harus mempunyai efisiensi yang besar, tetapi yang penting teknologi itu harus mudah diterapkan dan diaplikasikan oleh masyarakat pada umumnya.

  Turbin Aliran Silang adalah salah satu alat yang dapat mengkonversi energi air menjadi energi listrik dengan bantuan generator. Turbin Aliran Silang cocok digunakan untuk daerah-daerah yang potensinya airnya kecil misalnya di

  3

  1.2 Rumusan Masalah

  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 kebanyakan sudu turbin aliran silang dibuat dengan menggunakan plat yang dilengkung. Karena membuat sudu turbin aliran silang dengan menggunakan plat yang dilengkung sulit, maka untuk mempermudah pembuatan sudunya dibuat dengan menggunakan pipa berdiameter 0,076 m yang dibelah menjadi 4 sama besar.

  1.3 Tujuan Penelitian

  Penelitian yang dilakukan bertujuan untuk mengetahui unjuk kerja Turbin

  

Aliran Silang dengan jumlah sudu 20 sehingga dapat diketahui daya dan efisiensi

  total yang paling besar. Penelitian ini diharapkan dapat memberikan tambahan pengetahuan tentang tenaga air atau hydropower, khususnya yang berkaitan dengan pemanfaatan turbin aliran silang sebagai pembangkit energi listrik.

  Pembuatan dan perawatan Turbin Aliran Silang ini diharapkan dapat juga

BAB II DASAR TEORI Turbin Aliran Silang berfungsi untuk mengkonversi energi ptensial air

  menjadi energi mekanis. Air dialirkan melalui sebuah nosel yang kemudian masuk ke sudu turbin menggerakkan runner dan poros yang terhubung dengan generator.

  Generator yang berputar selanjutnya menghasilkan energi listrik.

2.1. Tinjauan Pustaka

  Dari penelitian tentang Turbin Banki (Nadjamuddin Harun, M. Yamin dan

  3 N. Salam, 1995 ) pada debit aliran sungai (Q) = 0,0899 m /s pada kecepatan aliran

  2

  (v) = 0,5015 m/s dan luas penampang (A) = 0,17931 m , tinggi jatuh efektif (H) = 7 meter, diameter roda turbin (D) = 31,5 cm diperoleh efisiensi turbin = 75%, daya (P) = 10 Kw.

  Dalam penelitian tentang Crossflow Turbine (C. B. Joshi, 1995 ) mengatakan bahwa semakin banyak jumlah sudunya maka semakin besar efisiensi turbinnya.

  Dalam atrikel tentang penggunaan Crossflow Turbibe ( Jhon Wiley & Sons

  

pada tahun, 1998 ) bahwa jumlah sudu yang digunakan adalah 28 buah. Penelitian yaitu sebesar 72%.

  Dari hasil penelitian tentang Turbin Aliran Silang dengan jumlah sudu 16 ( Danang Prihartanto, 2008 ) menyimpulkan pada head (H) = 1,5 m dan debit (Q)

  3

  = 0,015 m /s, daya (P) keluaran paling besar yaitu 13,54 watt dan efisiensi total yang paling besar adalah 6,78 %, didapat ketika alternator diberi beban lampu 45

  3

  watt. Sedangkan pada head (H) = 1,3 m dan debit (Q) = 0,012 m /s, daya (P) keluaran paling besar yaitu 11,3 watt dan efisiensi total yang paling besar adalah 7,23 %, didapat ketika alternator diberi beban lampu 45 watt.

  Dari hasil penelitian tentang Turbin Aliran Silang dengan jumlah sudu 18 ( Amanda Rachma Jaya, 2008 ) menyimpulkan pada head (H) = 1,5 m dan debit

  3

  (Q) = 0,013 m /s, daya (P) keluaran paling besar yaitu 15,19 watt dan efisiensi total yang paling besar adalah 7,60 %, yang didapat saat alternator diberi beban

  3

  lampu 45 watt. Sedangkan pada head (H) = 1,3 m dan debit (Q) = 0,012 m /s, daya (P) keluaran paling besar yaitu 12,68 watt dan efisiensi total yang paling besar adalah 8,17 %, didapat ketika alternator diberi beban lampu 45 watt.

2.2. Bagian-bagian Turbin Aliran Silang

  Nosel Runner

Gambar 2.1 Turbin Aliran Silang

  (http://www.otherpower.com/scotthydro.html)

  piringan Sudu Turbin Aliran Silang terdiri dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel dan sebuah nosel. Ukuran nosel disesuaikan dengan ukuran runner turbin.

  Altenator adalah suatu alat elektromekanikal yang mengkonversi daya mekanis menjadi energi elektrik. Pada prinsipnya alternator dapat juga disebut sebagai generator, tetapi biasanya altenator lebih mengacu pada bentuk yang lebih kecil yang biasa digunakan pada otomotif. Altenator memiliki 3 bagian yang penting, yaitu :

  1. Rotor Yang dimaksud dengan 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.

  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 dengan prinsip yang sama pada DC generator, yakni adanya arus pengumpan yang disebut arus eksitasi saat terjadi medan magnet disekitar kumparan.

Gambar 2.3 Altenator (Forcefield, 2003)

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

2.3. Prinsip Dasar Turbin Aliran Silang Turbin Aliran Silang (Crossflow Turbine) ditemukan oleh Michell-Banki.

  Yang kemudian turbin ini juga dikenal dengan nama Turbin Michell-Banki. Turbin ini juga disebut dengan Turbin Ossberger, Ossberger adalah nama perusahaan yang memproduksi Turbin Aliran Silang. Turbin Aliran Silang termasuk turbin impuls. Pancaran air dari nosel masuk ke turbin melalui sudu jalan sehingga terjadi perubahan energi kinetik menjadi energi mekanis. Pancaran air yang masuk ke turbin melalui bagian atas memberikan energi ke sudu,

  Pada bagian atas turbin mengambil energi sebesar 72 % dan pada bagian bawah turbin mengambil energi sebesar 28 %.

Gambar 2.4 Skema Turbin Aliran Silang

2.4. Alur Pergerakkan Air pada Turbin Aliran Silang

  Pada gambar 2.5 diasumsikan bahwa pancaran air dari nosel masuk kedalam runner pada titik A dengan sudut α yang bersinggungan dengan keliling runner. Kecepatan air sebelum memasuki runner dapat dihitung dengan persamaan:

  V

  1

  =C (2gH)

  ½

  (Banki, 2004, hal 6) ............................................. 2.1 Dalam turbin berhubungan dengan komponen – komponen kecepatan yaitu: V = Kecepatan mutlak v = Kecepatan relatif u = Kecepatan tangensial roda turbin.

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

  Alur pergerakan air pada kenyataannya tidak seperti yang terdapat dalam

gambar 2.5 karena terdapat defleksi sebesar θ seperti dalam gambar 2.6.Gambar 2.6 Defleksi pada pergerakan air pada Turbin

  Aliran Silang (Mockmore, 2004, hal. 8)

2.5. Konstruksi Turbin Aliran Silang Sudut ditentukan oleh nilai ,V , dan u .

  β

  1 α

  1

  1

  1 Jika u = ½ V cos ................................................................................... 2.2

  1

  1

  1

  α maka tan = 2 tan ................................................................................... 2.3

  1

  1

  β α

  o

  jika = 16

  1

  α

  o o o maka =29 ,50 atau 30 atau nilai pendekatan.

  1

  β (Mockmore, 2004, hal 10)

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

  2

  β v v dan untuk membuat aliran pancaran air radial maka besarnya

  1 = 2 1 = 2,

  α α

  o '=90 .

  2

  β

  a. Diameter Luar runner (D )

  1 ½

  D = 862H /N (Mockmore, 2004, hal 14) ............................. 2.4

  1

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

  b. Panjang Turbin (L)

  ½ ½

  L = 144QN/862 H Ck(2gH) (Mockmore, 2004, 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} LD = 210.6Q/H (Mockmore, 2004, hal 17 ) ....................... 2.6

  1

  d. Jari-jari kelengkungan sudu ( ρ)

  (Mockmore, 2004, hal 15) ............................... 2.7 ρ = 0.3261 r

  1

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

  1

  e. Lebar velk radial (a ) a = 0,17D (Mockmore, 2004, hal 12) ................................ 2.8

  1

Gambar 2.9 Kelengkungan sudu (Mockmore, 2004, hal. 16)

  f. Jarak antar sudu (t) Jarak antar sudu meliputi jarak antar sudu pancaran air masuk (s ), jarak

  1

  sudu pancaran air keluar (s ) dan jarak antar sudu (t) (gambar 2.14)

  2

  s = kD (Mockmore, 2004, hal 14) .......................................... 2.9

  1

  1

  s = t(r /r ) (Mockmore, 2004, hal 11) ........................................2.10

  2

  2

  1

  t =s /sin (Mockmore, 2004, hal 10) ........................................2.11

Gambar 2.10 Jarak antar sudu (Mockmore, 2004, hal. 9)

  1

  1

  = (0.1314-0.945k) D

  2

  ) (gambar 2.17) y

  2

  (Mockmore Banki, 2004, hal 14) ..2.13 i. Jarak pancaran dari keliling dalam (y

  = (0.1986-0.945k) D

  g. Jumlah sudu (n) n = л D

  1

  ) (gambar 2.17) y

  1

  h. Jarak pancaran dari poros (y

  /t (Mockmore, 2004, hal 17) ...............................2.12

  1

  (Mockmore, 2004, hal 14) .............2.14

Gambar 2.11 Alur pancaran air (Mockmore, 2004, hal. 13)

  j. Efisiensi maksimal turbin jika u = ½ V cos

  1 1 α

  1

  maka tan = 2 tan β

  1 α

  1

  ψ = koefisien empiris yang nilainya sekitar (0,98) (Mockmore, 2004, hal)

  2 = 0,5 C (1 + (Mockmore, 2004, hal 9) .......2.15

  ε ψ ) cos2 α

  1

  max l. Sudut pusat sudu jalan (gambar 2.12) Tan ½ /(sin +r /r ) ...........................................................2.18

  1

  1

  2

  1

  δ = cosβ β 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) ...........................................................................2.19
• T = momen puntir rencana (kg.mm)

  Pd

  5 T = 9,74×10 × ................................................................2.20 n

• 2

  = kekuatan tarik bahan (kg/mm ) σ _B

• Sf dan Sf = faktor keamanan

  1

  2

• 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.

n. Perhitungan Daya yang tersedia (P )

  in QHe

  P = 8 ,

  8 QH P = (HP) .................................................................2.23 8 ,

  8 Q = Debit air (cfs) H = Tinggi air jatuh (head) (feet) o. Perhitungan Daya Keluaran (P )

  out

  Pout = V x I ....................................................................2.24 V = Tegangan (volt) I = Arus (ampere) p. Perhitungan Torsi Guna Turbin (T)

  P _out

  T = 9 , 55 ................................................................2.25 ×

  n

  n = Putaran q. Perhitungan Efisiensi Total (

  η)

  P _out

  100 % ..............................................................2.26 ×

  η =

  P _in

BAB III METODE PENELITIAN

  3.1 Diagram Alir Penelitian START STUDI PUSTAKA PERANCANGAN TURBIN ALIRAN SILANG PEMBUATAN TURBIN ALIRAN SILANG PENELITIAN TURBIN ALIRAN SILANG PENGAMBILAN DATA PENGOLAHAN DATA SELESAI

  3.2 Perancangan Turbin Aliran Silang

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

  Kapasitas aliran / Debit (Q) = 336,75 US gpm = 0,750cfs

  3

  = 0,021 m /s Asumsi :

  Koefisien nosel (C) = 0,98 Faktor koreksi (k) = 0,087 Sudut masuk ( ) = 16º

  1

  α Sudut keluar ( ') = 90° (untuk membuat aliran pancaran

  2

  β air radial).

  Perancangan Turbin Aliran Silang dengan sudu jalan yang terbuat dari pipa berdiameter 3 in (0,076 m).

  Perhitungan : Sudu jalan Turbin Aliran Silang terbuat dari pipa dengan diameter 3 inci

  (0,076 m), sehingga dapat diketahui :

  a. Jari-jari kelengkungan sudu turbin ( ρ)

  3 in ρ =

  2 = 1,5 in

  ρ 0,038 m

  ρ =

  ( 2 x ρ ) D =

  1

  , 3261 ( x

  2 1 , 5 ) =

  , 3261 = 9,199 in

  D = 0.234 m

  1

  c. Panjang turbin (L)

  Q

  LD = 210,6

  1 _{2 1} H Q

  L = 210,6 _{2 1} D H ₁ , 750285

  L = 210,6 ₁ ⎛ ⎞ ₂ 9 , 1996 x

  4 , 92126 ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ ⎠

  L = 7,742 in L = 0,197 m

  d. Lebar sudu (a ) a = 0,17 D

  1

  a = 0,17 ×9,1996 e. Jarak antar sudu pancaran air masuk (s )

  1

  s = k D

  1

  1

  s = 0,087

  1 ×9,1996

  s = 0,8 in

  1

  s = 0,02 m

  1

  f. Jarak antar sudu (t)

  o

  dengan sudut masuk =30

  1

  β

  s ₁

  t = sin β ₁

  , 8003 t = sin

  30 ° t = 1,6 in t = 0,04 m

  g. Jarak antar sudu pancaran air keluar (s )

  2

  dengan :

  D ₁

  r =

  1

  2 9 , 1996 r =

  1

  2 r = 0,077 m

  2

  maka ⎛ r ⎞ ₂ s = t

  2

  ⎜⎜ ⎟⎟

  r ₁

  ⎝ ⎠ 3 , 0358 ⎛ ⎞ s =1,6007

  2 ⎜ ⎟

  4 , 5998 ⎝ ⎠ s =1,056 in

  2

  s =0,026 m

  2

  h. Jumlah sudu (n)

  D

  ⎛ ⎞ ₁ n = л ⎜ ⎟

  t

  ⎝ ⎠ ⎛ 9 , 1996 ⎞ n = 3,14 ⎜ ⎟ 1 , 6007 ⎝ ⎠ n = 18,046

  ≈ 18 dari n = 18 maka Turbin Aliran Silang ini dikemungkinan dapat dibuat dengan jumlah sudu 16, 18, 20. Dalam perancangan ini dpilih jumlah sudu 20. i. Jarak pancaran dari poros (y )

  1 j. Jarak pancaran dari keliling dalam (y )

  2

  y = (0,1314-0,945k) D

  2

  1

  y = (0,1314-0,945

  2 ×0,087) 9,1996

  y = 0,453 in

  2

  y = 0,012 m

  2

  k. Luas penampang nossel (A) ⎛ Q ⎞

  A = ⎟⎟ ⎜⎜

  V ₁

  ⎝ ⎠ dengan:

  ½

  V = C (2gH)

  1 ½

  V = 0,98 (2 ×32,2×4,92126)

  1

2 V =17,446 ft /s

  1

2 V =1,621 m /s

  1

  maka : ⎛ Q ⎞

  A = ⎟⎟ ⎜⎜

  V ₁

  ⎝ ⎠ , 750285

  ⎛ ⎞ A = ⎜ ⎟ 17 , 446

  ⎝ ⎠

2 A = 0,043 ft

  l. Tinggi pancaran air nosel (So)

  A

  ⎛ ⎞ So =

  ⎜ ⎟

  L

  ⎝ ⎠ 6 , 1926 ⎛ ⎞

  So = ⎜ ⎟ 7 , 7422 ⎝ ⎠

  So = 0,799 in So = 0,02 m m. Putaran poros (N) ₁

  862 ⎛ ⎞ ₂ D = H

  1

  ⎜ ⎟

  N

  ⎝ ⎠ ₁ ⎛ 862 ⎞ ₂ N = H

  ⎜⎜ ⎟⎟

  D ₁

  ⎝ ⎠ ₁ ⎛ ⎞ ₂ N = 4 , 9215

  ⎜ 862 ⎟ 9 , 1996 ⎝ ⎠

  N = 207,867 rpm n. Sudut pusat sudu jalan (

  δ ) 1 cos β ₁ Tan

  δ =

  2 ⎛ r ⎞ ²

• sin

  β ₁ ⎜⎜ ⎟⎟

  r ₁

  ⎝ ⎠ o. Efisiensi maksimal turbin

  2

  2

  = 0,5 C (1 + )

  1

  ε ψ ) (cos α max

  2

  2

  = 0,5 × 0,98 (1 + 0,98 ) (cos 16) ε max

  = 0,87 = 87 % ε max p. Daya maksimal yang dapat dihasilkan

  QHe

  P =

  max

  8 ,

  8 , 750285 4 , 92126 ,

  87 × ×

  P =

  max

  8 ,

  8 P = 0,3650 hp

  max

  P = 272.18 watt

  max

  q. Perhitungan Poros P = 0,1996 kW n = 207,687 rpm fc = 1,0

• Pd = fc×P Pd = 1,0 × 0,1996

  Pd = 0,1996 kW

• _a
• d

  d. Lebar sudu (a) = 1,564 in = 0,039 m

  Geometri Turbin Aliran Silang :

  a. Jari-jari kelengkungan sudu = 1,5 in = 0,038 m

  b. Diameter turbin (D

  1

  ) = 9,199 in = 0,234 m

  c. Panjang turbin (L) = 7,742 in = 0,197 m

  e. Jarak antar sudu dalam turbin (S

  s

  1

  ) = 0,8 in = 0,02 m

  f. Jarak antar sudu (t) = 1,6 in = 0,04 m

  g. Jarak antar sudu luar turbin (S

  2

  ) = 1,056 in = 0,026 m

  = 14,3665 mm Dalam perancangan ini menggunakan diameter poros 0,018 m.

  5 [ × × × d

  σ _B = 58 kg/mm

  τ = ) , 2 ,

  2

  (Sularso,2004,hal. 330) Sf

  1

  = 6,0 ; Sf

  2

  = 2,0 (Sularso,2004,hal. 8)

  6 (

  2 83 , 4 1 ,

  58 × _a

  τ = 4,83 kg/mm

  2 Kt = 2,0 (Sularso,2004,hal. 8)

  Cb = 1,5 (Sularso,2004,hal. 8)

  s

  = ^{3 1} ] 074 , 936 5 ,

  1 ,

  h. Jumlah sudu (n) = 20 buah m. Kecepatan putar (N) = 207,867 rpm n. Sudut pusat sudu jalan (

  δ ) = 73,48

  o

  o. Efisiensi turbin maksimal = 87 % p. Daya maksimal yang tersedia = 0,3650 HP = 272,18 watt q. Diameter poros yang digunakan = 0,018 m

3.3 Pelaksanaan Penelitian

  Pelaksanaan penelitian dibagi menjadi 3 bagian yaitu sarana pennelitian, skema penelitian dan jalannya penelitian.

3.3.1 Sarana Penelitian

  Sarana penelitian yang digunakan pada percobaan ini adalah sebagai berikut:

  a. Turbin Aliran Silang Turbin Aliran Silang ini terdiri dari runner dan nosel.

  b. Pompa Air

  Pompa air digunakan sebagai sumber tenaga untuk memompa air menuju bak penampungan. Air yang ada di bak penampungan kemudian dialirkan dengan selang menuju kearah runner turbin melalui nosel hingga memutar runner turbin. Spesifikasi pompa yang digunakan:

  Daya maksimal : 10 HP = 7457 Watt Putaran maksimal : 2000 rpm c.

   Alternator

  Alternator digunakan untuk mendapatkan keluaran yang berupa tegangan dan arus listrik.

  d. Multimeter

  Multimeter digunakan untuk mengukur arus dan tegangan yang dihasilkan oleh Turbin Aliran Silang.

  e. Lampu

  Pada penelitian ini lampu yang digunakan sebagai beban, yaitu 10 watt, 20 watt, 30 watt, 35 watt, 45 watt, 55 watt, 65 watt.

3.3.2 Skema Penelitian

3.3.3 Jalannya Penelitian

  Jalannya penelitian ini dilaksanakan dalam dua tahap, yaitu tahap persiapan dan tahap penelitian.

3.3.3.1 Persiapan 1. Persiapan Penelitian

  Runner di pasang pada kontruksi yang sudah disiapkan. Profil siku

  dirangkai dengan mur-baut menjadi rangka pendukung yang akan mendukung nossel dan altenator. Pada poros runner dihubungkan ke bagian altenator dengan sabuk dan puli. Pada setiap penelitian diberi beban berupa lampu yang divariasikan. Bagian atas dan samping dari altenator diberi penutup yang terbuat dari fiber untuk mencegah air mengenai altenator.

2. Penelitian Awal

  Setelah rangkaian Turbin Aliran Silang ini sudah selesai dirakit, maka rangkaian Turbin Aliran Silang ini perlu diujicoba untuk mengetahui apakah runner dapat berputar dengan baik atau tidak. Pompa air disiapkan untuk memompa air ke bak penampungan. Melalui bak penampungan air dialirkan melalui pipa dan melewati nosel menuju runner, air disemprotkan pada bagian atas sudu. Setelah turbin dapat berputar dengan

3.3.3.2 Penelitian

  1. Penelitian pertama dilakukan pada head 1,5 m. Yang dilakukan pertama yaitu mengukur debit air pada head 1,5 m. Setelah mendapatkan besarnya debit maka penelitian selanjutnya dapat dilakukan.

  2. Penelitian dilakukan dengan melakukan variasi beban. Data yang diambil pada saat percobaan adalah tegangan dan arus yang dihasilkan pada saat dikenai beban lampu.

  3. Pada penelitian pertama, Turbin Aliran Silang diberi beban lampu 10 watt kemudian pompa air dijalankan hingga memutar turbin. Kemudian diukur dengan menggunakan tachometer untuk mengukur putaran dan multimeter untuk mengukur tegangan dan arus yang dihasilkan.

  4. Penelitian dilakukan kembali untuk variasi jumlah beban lampu 20, 30, 35, 45, 55, 65 watt dengan cara yang sama.

  5. Untuk penelitian yang kedua dilakukan untuk head 1,3 m. Seperti pada pengujian sebelumnya, pertama ditentukan terlebih dahulu sampai pada debit yang stabil pada head 1,3 m.

  6. Kemudian dilakukan penelitian sama seperti metode penelitian pertama.

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

3.4 Hasil Penelitian

3.4.1 Data Hasil Penelitian

  Data yang diperoleh dari sarana penelitian adalah variasi head dan debit hasilnya sebagai berikut :

a. Penelitian pertama

  3 Tabel 4.1. Data penelitian pada head 1,5 m dan debit 0,015 m /s

  beban putaran V

  I (watt) (rpm) (volt) (ampere) 65 688 4,2 3,7

  55 695 4,4 3,5 45 707 4,5 3,2 35 728 4,7 2,9 30 741 4,7 2,6 20 753 4,8 2,1 10 764 5,0 1,9

  0 790 9,5 0

b. Penelitian kedua

  3 Tabel 4.2. Data penelitian pada head 1,3 m dan debit 0,012 m /s

  beban putaran V

  I (watt) (rpm) (volt) (ampere) 65 673 4,0 3,2

  55 680 4,2 2,9 45 687 4,3 2,6 35 694 4,4 2,5 30 700 4,5 2,3 20 712 4,8 1,9 10 720 4,9 1,7

  0 742 9,0 0

3.4.2 Perhitungan Data Hasil Penelitian Perhitungan data dikerjakan menggunakan software Microsoft excel.

  Dengan mengambil satu satu contoh perhitungan disetiap pembahasan yang merupakan perwakilan dari data hasil pengujian. Dan untuk hasil perhitungan yang lainnya ditampilkan dalam bentuk tabel dan grafik.

  3 3.4.2.1 ) dengan Head 1,5 m ; Debit 0,013 m /s in Perhitungan Daya Air (P QH

  P =

  in

  8 ,

  8 , 478708 x 4 , 92126

  P =

  in

  8 ,

  8

  3 3.4.2.2 ) dengan Head 1,3 m ; Debit 0,012 m /s Perhitungan Daya Air (P in QH

  P =

  in

  8 ,

  8 , 432488 x 4 , 26509

  P =

  in

  8 ,

  8 P = 0,209613 Hp = 156,3087 Watt

  in

  3.4.2.3 ) out Perhitungan Daya yang keluar dari Turbin (P

  Dari data penelitian maka daya output yang berupa daya listrik setiap pembebanan dapat langsung didapat : P = V x I

  out

  P = 4,2 x 3,7

  out

  P = 15,54 Watt

  out

  Dengan mengasumsikan kecepatan putar alternator sama dengan kecepatan poros turbin dan rugi-rugi di altenator diabaikan maka dapat dicari torsi yang terima altenator (torsi guna turbin) :

  P _out

  T = 9 ,

  55 ×

  n

  15 ,

  54 T = 9 ,

  55 ×

  688

3.4.2.4 Perhitungan Efisiensi Total (η)

  P _out

  = × 100 % η

  P _in

  15 ,

  54 = × 100 %

  η 199 , 631 = 7,78 %

  η

3.4.3 Perhitungan Data Penelitian

  Setelah seluruh data hasil pengujian dimasukkan pada program Microsoft Excel , hasilnya seperti yang ditunjukkan pada tabel-tabel berikut ini.

3.4.3.1 Hasil Perhitungan a. Hasil Perhitungan DataPenelitian Pertama

Tabel 4.3. Hasil perhitungan data penelitian

  3

  dengan head 1,5 m; Debit = 0,015 m /s putaran beban

  V I Daya(P_out) Efisiensi Torsi (rpm) (watt) (volt) (ampere) (watt) (%) (Nm) 688 65 4,2 3,7 15,54 7,78 0,22

  695 55 4,4 3,5 15,4 7,71 0,21 707 45 4,5 3,2 14,4 7,21 0,19 728 35 4,7 2,9 13,63 6,83 0,18 741 30 4,7 2,6 12,22 6,12 0,16 753 20 4,8 2,1 10,08 5,05 0,13

b. Hasil Perhitungan Data Penelitian Kedua

Tabel 4.4. Hasil perhitungan data penelitian

  3

  dengan head 1,3 m ; Debit = 0,012 m /s putaran beban

  V I Daya(P_out) Efisiensi Torsi (rpm) (watt) (volt) (ampere) (watt) (%) (Nm) 673 65 4,0 3,2 12,8 8,19 0,18

  680 55 4,2 2,9 12,18 7,79 0,17 687 45 4,3 2,6 11,18 7,15 0,16 694 35 4,4 2,5 11 7,04 0,15 700 30 4,5 2,3 10,35 6,62 0,14 712 20 4,8 1,9 9,12 5,83 0,12 720 10 4,9 1,7 8,33 5,33 0,11 742 0 9,0 0