Uji Eksperimental Pada Turbin Kaplan dan Analisa Performansi Dengan Variasi Jumlah Sudu Gerak Terhadap Sudut Sudu Pengarah 20o dan Jarak Vertikal 20 Cm

UJI EKSPERIMENTAL PADA TURBIN KAPLAN DAN
ANALISA PERFORMANSI DENGAN VARIASI
JUMLAH SUDU GERAK TERHADAP SUDUT
SUDU PENGARAH 20o DAN JARAK
VERTIKAL 20 CM

SKRIPSI

Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

TUHU JUNI ROASI
NIM 100401105

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2017

Universitas Sumatera Utara

i

Universitas Sumatera Utara

ii

Universitas Sumatera Utara

63

Universitas Sumatera Utara

ABSTRAK
Sumber energi yang banyak dipergunakan sekarang ini masih bersumber
dari bahan bakar fosil. Hal tersebut membuat sumber energi cadangan dari bahan
bakar fosil semakin menipis, sehingga sekarang ini dibutuhkan sumber energi
terbarukan, yang mana memanfaatkan kekayaan energi dari alam yang mudah
dijumpai dan tersedia dalam jumlah yang cukup besar, seperti air, udara, panas
bumi, dan sebagainya. Penggunaan energi air sebagai energi terbarukan cukup

berpotensi sangat besar karena mudah ditemui dan harganya relatif murah, terutama
untuk pembangkit listrik skala mikro hidro yang dapat menjangkau daerah-daerah
terpencil yang belum tersentuh listrik.
Berdasarkan pemikiran tersebut, maka dilakukan pengujian pada turbin
kaplan skala mikro hidro dengan memanfaatkan sumber energi yang terbarukan.
Tujuan pengujian ini untuk mengetahui kapasitas daya listrik yang dihasilkan oleh
turbin kaplan dengan memanfaatkan aliran air dari reservoir yang dialirkan ke
turbin dengan kapasitas air (Q) sebesar 0,00625 m3/detik dan head instalasi (H)
sebesar 2 meter. Sudu gerak merupakan salah satu komponen utama dalam instalasi
pengujian turbin kaplan, diameter luar sudu gerak yang akan digunakan dalam
pengujian ini sebesar 16 cm. Pada pengujian ini variasi jumlah sudu yang akan diuji
pada sudut sudu pengarah 200 adalah berjumlah 6, 7 dan 8. Dari pengujian turbin
kaplan ini diperoleh daya listrik yang dihasilkan oleh alternator tanpa beban pada 6
sudu sebesar 20,911 Watt, pada 7 sudu sebesar 19,867 Watt, dan pada 8 sudu
sebesar 23,24882 Watt.

Kata Kunci : Kapasitar Air, Head, Runner Blade, Guide Vane, Daya

i

Universitas Sumatera Utara

ABSTRACT
The energy source that is widely used today is still sourced from fossil fuels.
This makes the reserves of fossil fuels more depleted, so that now a renewable
energy source is needed, which utilizes a wealth of natural energy that is readily
available and available in considerable quantities, such as water, air, geothermal,
and so on. The use of water energy as renewable energy is potentially very large
because it is easy to find and the price is relatively cheap, especially for microhydro power plants that can reach remote areas that have not been touched by
electricity.
Based on these thoughts, then tested on micro-scale kaplan turbine by
utilizing renewable energy sources. The purpose of this test is to determine the
capacity of electric power generated by Kaplan turbine by utilizing the flow of
water from the reservoir to the turbine with water capacity (Q) of 0,00625 m3/s and
the installation head (H) of 2 meters. The runner blade is one of the main
components in the Kaplan turbine testing installation, the outer diameter of the
moving blade to be used in this test is 16 cm. In this test, the variation in the number
of blades to be tested at the angel of guide vane 20o is 6, 7 and 8. From this test of
kaplan turbine obtained the electric power generated by the no-load alternator at
6 blades of 20,911 Watt, at 7 blades Of 19,867 Watt, and at 8 blades of 23,24882

Watt.

Keywords: Capacity of Water, Head, Runner Blade, Guide Vane, Power

ii

Universitas Sumatera Utara

KATA PENGANTAR
Puji dan syukur saya ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Kuasa atas berkat,
kasih, kekuatan dan kesehatan yang diberikan selama pengerjaan skripsi ini,
sehingga skripsi ini dapat saya selesaikan dengan baik.
Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan
untuk mencapai gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara. Adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu “UJI
EKSPERIMENTAL
PERFORMANSI

PADA

DENGAN

TURBIN
VARIASI

KAPLAN

DAN

JUMLAH

SUDU

ANALISA
GERAK

TERHADAP SUDUT SUDU PENGARAH 20o DAN JARAK VERTIKAL 20
CM”.
Selama penulisan skripsi ini, penulis juga banyak mendapat bantuan dari
berbagai pihak. Oleh karena itu penulis juga mengucapkan terima kasih kepada :

1. Orang tua saya H. Ginting dan W. Br. Ritonga yang selalu menjadi
inspirasi buat penulis dari awal masuk kuliah sampai penyelesaian
Skripsi ini.
2. Bapak Ir. Tekad Sitepu, M.T. selaku dosen pembimbing, yang bersedia
meluangkan waktu dalam memberikan bimbingan serta menberi
masukan dalam penyelesaian skripsi ini.
3. Bapak Tulus B.Sitorus, S.T.,M.T dan Bapak Terang UHSG Manik,
S.T.,M.T sebagai dosen pembanding yang telah bersedia memberikan
saran dan kritik yang sangat membangun demi kebaikan skripsi ini.
4. Bapak Dr. Ir. M. Sabri, M.T. selaku Ketua Departemen Teknik Mesin
USU

yang

memberikan

kesempatan

kepada

penulis

dalam

menyelesaikan tugas sarjana ini.
5. Seluruh staf pengajar dan pegawai administrasi Departemen Teknik
Mesin di Universitas Sumatera Utara, yang telah banyak membantu
penulis dan memberikan bimbingan selama perkuliahan.
6. Rekan skripsi Rafael Sanjaya Ginting dan Andita Hasugian yang saling
menerima kekurangan dan kelebihan satu sama lain, serta selalu
menyemangati.

iii

Universitas Sumatera Utara

7. Abang dan adek stambuk di Departemen Teknik Mesin Universitas
Sumatera Utara yang banyak memberikan bantuan serta semangat bagi
penulis,
8. Terspesial juga sahabat - sahabat saya Erwin Manurung, Martua

Halomoan Sinaga, Rian Sinaga, Rido Manik, Piter Harefa, dan stambuk
2010 yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu, yang telah banyak
memberikan bantuan serta semangat bagi penulis.
9. Adik saya, Gustini Ginting dan Benjamin Ginting yang selalu tidak
pernah berhenti memberi semangat dan dukungan.
10. Rekan-rekan di Marakas 60, Marakas 66, kantin “Muel”, Christopher
Pasaribu, Doan Panjaitan, Yan Batara, Westryan Sitindaon, Coky
Siregar dan yang tidak saya sebutkan namanya satu per satu yang telah
banyak memberikan doa serta semangat bagi penulis dalam
menyelesaikan tugas sarjana ini.

Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangsempurnaan

dan

kekeliruan dalam penulisan skripsi ini. Oleh karena itu penulis akan sangat
berterima kasih dan dengan senang hati menerima saran dan kritik yang
membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik.
Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat
kepada pembaca. Terima kasih.

Medan, 22 Mei 2017
Penulis

Tuhu Juni Roasi
NIM 100401105

iv

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR ISI

ABSTRAK ............................................................................................................. i
KATA PENGATAR ............................................................................................ iii
DAFTAR ISI ..........................................................................................................v
DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... viii
DAFTAR TABEL .................................................................................................x
DAFTAR NOTASI .............................................................................................. xi
BAB I PENDAHULUAN ......................................................................................1

1.1. Latar Belakang .....................................................................................1
1.2. Tujuan Penelitian ..................................................................................2
1.3. Batasan Masalah ...................................................................................3
1.4. Manfaat Penelitian ................................................................................3
1.5. Sistematika Penulisan ...........................................................................3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA .......................................................................... 5
2.1. Turbin Air .............................................................................................5
2.2. Sejarah Turbin Air ................................................................................7
2.3. Komponen Turbin ................................................................................9
2.3.1. Stator ..........................................................................................9
2.3.2. Rotor .........................................................................................10
2.4. Klasifikasi Turbin Air .......................................................................11
2.4.1. Turbin Impuls ...........................................................................11
2.4.1.1. Turbin Pelton .................................................................11
2.4.1.2. Turbin Turgo .................................................................12
2.4.1.3. Turbin Ossberger atau Turbin Crossflow ......................13
2.4.2. Turbin Reaksi ...........................................................................14
2.4.2.1. Turbin Francis ...............................................................14
2.4.2.2. Turbin Kaplan ................................................................15

v

Universitas Sumatera Utara

2.4.2.2.1. Prinsip Kerja Turbin Kaplan ................................15
2.4.2.2.2. Komponen Utama Turbin Kaplan ........................16
2.4.2.2.3. Dimensi Dasar Turbin Kaplan ..............................16
2.4.2.2.4. Dimensi Dasar Runner Blade ...............................17
2.5. Karakteristik Turbin ...........................................................................19
2.6. Seleksi Awal Jenis Turbin ..................................................................20
2.7. Alternator ...........................................................................................22
2.8. Sabuk Datar dan Puli ..........................................................................22
2.8.1. Jenis Gerakan Pada Sabuk ........................................................23
2.9. Daya Listrik ........................................................................................25
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ........................................................ 26
3.1. Tempat dan Waktu Penelitian ...........................................................26
3.1.1. Tempat Penelitian ......................................................................26
3.1.2. Waktu Penelitian ......................................................................26
3.2. Spesifikasi Turbin Kaplan ..................................................................26
3.2.1. Sudu Gerak ...............................................................................26
3.2.2. Sudu Pengarah ..........................................................................27
3.2.3. Poros .........................................................................................28
3.2.4. Rumah Turbin (Spiral Chasing) ...............................................28
3.2.5. Draft Tube ...............................................................................29
3.2.6. Puli (Pulley) ..............................................................................30
3.2.7. Sabuk (Belt) ..............................................................................30
3.2.8. Tangki Air ................................................................................30
3.3. Peralatan Pengujian ............................................................................31
3.3.1. Hand Tachometer .....................................................................31
3.3.2. Clamp Meter..............................................................................31
3.3.3. Multimeter ................................................................................32
3.3.4. Alternator .................................................................................33
3.3.5. Instalasi Rangkaian Lampu ......................................................33
3.3.6. Pompa .......................................................................................34
3.4. Instalasi Turbin Kaplan ......................................................................34
3.5. Pelaksanaan Pengujian .......................................................................36
vi

Universitas Sumatera Utara

BAB IV ANALISA DATA DAN HASIL PENGUJIAN ...................................40
4.1. Perhitungan Dimensi Dasar Turbin Kaplan .......................................40
4.1.1. Kapasitas Aktual dan Head Efektif Instalasi ............................40
4.1.2. Dimensi Dasar Turbin Kaplan .................................................40
4.1.3. Dimensi Dasar Sudu Gerak ......................................................42
4.2. Perhitungan Efisiensi Turbin Kaplan dengan 6 Sudu Gerak dan Sudut
Sudu Pengarah 20o .....................................................................................43
4.2.1. Hasil Pengukuran ....................................................................43
4.2.2. Analisa Daya dan Putaran Alternator Pemberi Beban .............43
4.2.3. Pengujian Torsi dan Putaran Berbeban ....................................46
4.2.4. Efisiensi Daya Turbin dan Daya Alternator .............................47
4.2.5. Efisiensi Puli ............................................................................48
4.3. Perhitungan Efisiensi Turbin Kaplan dengan 7 Sudu Gerak dan Sudut
Sudu Pengarah 20o .....................................................................................49
4.3.1. Hasil Pengukuran ....................................................................49
4.3.2. Analisa Daya dan Putaran Alternator Pemberi Beban .............49
4.3.3. Pengujian Torsi dan Putaran Berbeban ....................................52
4.3.4. Efisiensi Daya Turbin dan Daya Alternator .............................53
4.3.5. Efisiensi Puli ............................................................................54
4.4. Perhitungan Efisiensi Turbin Kaplan dengan 8 Sudu Gerak dan Sudut
Sudu Pengarah 20o .....................................................................................55
4.4.1. Hasil Pengukuran ....................................................................55
4.4.2. Analisa Daya dan Putaran Alternator Pemberi Beban .............55
4.4.3. Pengujian Torsi dan Putaran Berbeban ....................................58
4.4.4. Efisiensi Daya Turbin dan Daya Alternator .............................59
4.4.5. Efisiensi Puli ............................................................................60
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .............................................................64
5.1. Kesimpulan .........................................................................................64
5.2. Saran ...................................................................................................64
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN

vii

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1

Turbin Pelton ........................................................................... 12

Gambar 2.2. Turbin Turgo ........................................................................... 13
Gambar 2.3. Turbin Crosflow ....................................................................... 13
Gambar 2.4. Turbin Prancis ......................................................................... 14
Gambar 2.5. Turbin Kaplan .......................................................................... 15
Gambar 2.6. Elemen Dasar Turbin Kaplan .................................................. 17
Gambar 2.7

Segitiga Kecepatan Masuk dan Keluar .................................... 18

Gambar 2.8. Grafik Perbandingan Karakteristik Turbin .............................. 20
Gambar 2.9. Sabuk Terbuka ......................................................................... 23
Gambar 2.10. Gerakan Membelit Atau Melingkar Pada Sabuk ..................... 24
Gambar 2.11. Gerakan Dengan Puli Pengarah ............................................... 24
Gambar 3.1. Sudu Gerak .............................................................................. 27
Gambar 3.2. Sudu Pengarah 20o .................................................................... 28
Gambar 3.3. Rumah Turbin (Spiral Chasing) .............................................. 29
Gambar 3.4. Draft Tube ............................................................................... 29
Gambar 3.5. Tangki Air ............................................................................... 30
Gambar 3.6. Multi Meter .............................................................................. 33
Gambar 3.7. Alternator ................................................................................. 33
Gambar 3.8. Instalasi Rangkaian Lampu ..................................................... 34
Gambar 3.9. Instalasi Turbin Kaplan ........................................................... 35
Gambar 4.1. Grafik Perubahan Beban terhadap Daya Alternator dengan 6
Sudu Gerak ............................................................................. 45
Gambar 4.2. Grafik Penambahan Beban Lampu terhadap Putaran Alternator
dengan 6 Sudu Gerak ............................................................... 46
Gambar 4.3. Grafik Putaran vs Torsi dengan 6 Sudu Gerak ......................... 47
Gambar 4.4. Grafik Perubahan Beban terhadap Perubahan Daya pada
Alternator dengan 7 Sudu Gerak .............................................. 51

viii

Universitas Sumatera Utara

Gambar 4.5. Grafik Penambahan Beban Lampu terhadap Putaran Alternator
dengan 7 Sudu Gerak ............................................................... 52
Gambar 4.6. Grafik Putaran vs Torsi dengan 7 Sudu Gerak ........................ 53
Gambar 4.7. Grafik Perubahan Beban terhadap Perubahan Daya pada
Alternator dengan 8 Sudu Gerak ............................................. 57
Gambar 4.8. Grafik Penambahan Beban Lampu terhadap Putaran Alternator
dengan 8 Sudu Gerak .............................................................. 58
Gambar 4.9. Grafik Putaran vs Torsi dengan 8 Sudu Gerak ........................ 59
Gambar 4.10. Grafik Jumlah Sudu Gerak vs Efisiensi

61

Gambar 4.11. Grafik Perbandingan Pemberian Beban Lampu terhadap Daya
Alternator ............................................................................... 62
Gambar 4.12. Grafik Perbandingan Beban Lampu terhadap Putaran
Alternator

63

ix

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1.
Tabel 2.2.
Tabel 3.1.
Tabel 4.1.
Tabel 4.2.

Persamaan dan Perbedaan Turbin Reaksi ..................................... 16
Jenis-jenis turbin air dan kisaran kecepatan spesifiknya (Ns)....... 21
Jangkauan dan akurasi Clamp meter ............................................ 31
Hasil Pengukuran Kapasitas Aktual Instalasi .............................. 40
Hasil percobaan dan daya yang dihasilkan alternator dengan 6 sudu
gerak ............................................................................................. 44
Tabel 4.3. Hasil Pengujian Torsi dan Putaran Berbeban dengan 6 Sudu Gerak
....................................................................................................... 46
Tabel 4.4. Hasil percobaan dan daya yang dihasilkan alternator dengan 7 sudu
gerak ............................................................................................. 50
Tabel 4.5. Hasil Pengujian Torsi dan Putaran Berbeban dengan 7 sudu gerak
....................................................................................................... 52
Tabel 4.6. Hasil percobaan dan daya yang dihasilkan alternator dengan 8 sudu
gerak ............................................................................................. 56
Tabel 4.7. Hasil Pengujian Torsi dan Putaran Berbeban dengan 8 Sudu Gerak
....................................................................................................... 58
Tabel 4.8. Hasil Perbandingan Jumlah Sudu terhadap Efisiensi ................... 61
Tabel 4.9. Hasil Perbandingan Pemberian Beban Lampu terhadap Daya
Alternator ..................................................................................... 61
Tabel 4.10. Hasil Perbandingan Beban Lampu terhadap Putaran Alternator . 62

x

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR NOTASI

SIMBOL

KETERANGAN

SATUAN

m

massa

kg

g

percepatan gravitasi

m/s2

h

head

m

P

daya

Watt

ρ

densitas air

kg/m3

Q

kapasitas aliran

m3/s

Ep

energi potensial

Joule

Ek

energi kinetik

Joule

v

kecepatan aliran air

m/s

Ns

putaran spesifik

rpm

N

putaran turbin

rpm

V

tegangan

Volt

I

arus listrik

Ampere

τ

torsi

Nm

ω

kecepatan sudut

rad/s

ηT

efisiensi

%

44

xi

Universitas Sumatera Utara