Rancang Bangun Dan Pengujian Turbin Pelton Mini Bertekanan 7 Bar Dengan Diameter Roda Turbin 68 mm Dan Jumlah Sudu 12
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1
TINJAUAN UMUM TURBIN AIR
Tenaga air mulai digunakan oleh manusia sudah sekitar 2000 tahun yang lalu yaitu
ketika bangsa Yunani dan Romawi sudah mengenal kincir air, yang mana mereka meletakkan
kincir air itu secara horizontal (arah poros kincir horizontal) di aliran sungai yang panjang.
Kincir air ini digunakan tenaganya untuk menggiling jagung dengan menggunakan roda gigi.
Tenaga air yang ditimbulkan oleh adanya energi potensial dan energi kinetik yang dimiliki
oleh arus sungai yang mengalir tersebut yang akan memutar kincir air itu, oleh karena itu
beroperasi penggilingan. Penggilingan menjadi tugas yang utama dilakukan dengan tenaga
air kemudian pada perkembangannya kincir ini kemudian dikembangkan oleh bangsa-bangsa
di Asia dan Eropa Timur pada masa setelah itu yaitu sekitar abad ke 4.
Gambar 2.1. Kincir Air
Karena kincir air sudah terkenal di berbagai tempat di dunia pada waktu itu, maka
manusia mulai memikirkan tentang bagaimana cara meningkatkan kegunaan dari tenaga air
tersebut. Manusia mulai mengubah bentuk kincir air dari keadaan yang sebelumnya, hal ini
merupakan suatu langkah yang penting bagi perkembangan teknologi kincir air pada waktu
Universitas Sumatera Utara
itu. Bentuk kincir pun mulai bervariasi ada yang dipasang secara horisontal dengan arah
putaran roda dari kiri ke kanan. Pada awalnya, kincir air dipasang sedemikian sehingga pusat
dari kincir tersebut berada di atas permukaan air dan arus air akan menggerakkan bagian
bawah dari kincir tersebut sehingga kincir air dapat berputar. Kemudian, mereka akan
mencelupkan kincir di bawah permukaan air yang melebihi dari orientasi yang sebelumnya.
Pada abad ke 18, John Smeaton menguji kedua-duanya orientasi di atas dan menemukan
bahwa kincir yang bekerja mendapatkan efisiensi yang lebih tinggi.
Pada abad sesudahnya para insinyur telah dapat menyempurnakan kincir air
menemukan dua peningkatan, diantaranya adalah sudu dari kincir air yang dibengkokkan
dapat bekerja lebih baik ,dan yang kedua adalah dapat diketahui posisi yang lebih tepat dari
roda sehingga dihasilkan kincir air yang efisien. Pengembangan ini membantu orang-orang
dalam penggunaan dari kincir air yang sudah mempunyai tenaga yang lebih dari sebelumnya.
Tenaga yang lebih tersebut tidak hanya untuk menggiling hasil panen seperti jagung dan
gandum, tetapi juga dapat digunakan sebagai tenaga untuk menggerakkan konveyor, sehingga
masalah pengangkutan di dalam suatu pengilingan dapat diatasi dengan penggunaan tenaga
kincir air. Pada abad ke 19, turbin air telah ditemukan, dan lambat laun mulai menggeser
penggunaan dari kincir air. Manusia mulai meninggalkan kincir air karena melihat bahwa
turbin air jauh lebih efisien dibanding dengan kincir air. Bagaimanapun, kincir air masih
tersisa di seluruh dunia sampai hari ini.
2.2
KLASIFIKASI TURBIN AIR
2.2.1 Turbin Reaksi
Turbin reaksi adalah turbin air yang cara kerjanya dengan merubah seluruh energi air
yang tersedia menjadi energi puntir dalam bentuk putaran. Sudu pada turbin reaksi
Universitas Sumatera Utara
mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama
melalui sudu. Dilihat dari konstruksinya, turbin reaksi ada dua jenis :
1. Turbin Francis
Turbin francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin dipasang diantara
sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di bagian
keluar. Turbin Francis menggunakan sudu pengarah. Sudu pengarah mengarahkan air
masuk secara tangensial. Sudu pengarah pada turbin francis dapat merupakan suatu
sudu pengarah yang tetap ataupun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya. Untuk
penggunaan pada berbagai kondisi aliran air penggunaan sudu pengarah yang dapat
diatur merupakan pilihan yang tepat.
Gambar 2.2. Turbin Francis
2.
Turbin Kaplan.
Turbin ini mempunyai roda jalan yang mirip dengan baling-baling pesawat
terbang. Bila baling-baling pesawat terbang berfungsi untuk menghasilkan gaya
dorong, roda jalan pada kaplan berfungsi untuk mendapatkan gaya F yaitu gaya putar
yang dapat menghasilkan torsi pada poros turbin. Berbeda dengan roda jalan pada
francis, sudu-sudu pada roda jalan kaplan dapat diputar posisinya untuk
menyesuaikan kondisi beban turbin. Turbin kaplan banyak dipakai pada instalasi
pembangkit listrk tenaga air sungai, karena turbin ini mempunyai kelebihan dapat
menyesuaikan head yang berubah-ubah sepanjang tahun. Turbin Kaplan dapat
Universitas Sumatera Utara
beroperasi pada kecepatan tinggi sehingga ukuran roda turbin lebih kecil dan dapat
dikopel langsung dengan generator. Pada kondisi pada beban tidak penuh turbin
kaplan mempunyai efisiensi paling tinggi, hal ini dikarenakan sudu-sudu turbin
kaplan dapat diatur menyesuaikan dengan beban yang ada.
Gambar 2.3. Turbin Kaplan dengan sudu jalan yang dapat diatur
2.2.2 Turbin Impuls
Turbin impuls adalah turbin air yang cara kerjanya dengan merubah seluruh energi air
yang tersedia menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan energi
puntir dalam bentuk putaran poros. Atau dengan kata lain, energi potensial air diubah
menjadi energi kinetik pada nosel.
Universitas Sumatera Utara
1.
Turbin Pelton.
Turbin Pelton terdiri dari satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran air
yang disemprotkan dari satu atau lebih alat yang disebut nosel. Turbin Pelton adalah
salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien. Turbin Pelton adalah turbin yang
cocok digunakan untuk head tinggi.
Gambar 2.4. Turbin Pelton
Bentuk sudu turbin terdiri dari dua bagian yang simetris. Sudu dibentuk
sedemikian sehingga pancaran air akan mengenai tengah-tengah sudu dan pancaran
air tersebut akan berbelok ke kedua arah sehinga bisa membalikkan pancaran air
dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya-gaya samping. Untuk turbin dengan
daya yang besar, sistem penyemprotan airnya dibagi lewat beberapa nosel. Dengan
demikian diameter pancaran air bisa diperkecil dan ember sudu lebih kecil.
Universitas Sumatera Utara
2.3
PERBANDINGAN KARAKTERISTIK TURBIN
Perbandingan karakteristik turbin dapat dilihat pada grafik head (m) vs flow (m3/s) di
bawah ini.
Gambar 2.5. Perbandingan karakteristik turbin
Pemilihan turbin kebanyakan didasarkan pada head air yang didapatkan dan kurang
lebih pada rata-rata alirannya. Umumnya, turbin impuls digunakan untuk tempat dengan head
tinggi, dan turbin reaksi digunakan untuk tempat dengan head rendah. Pada gambar 2.5
terlihat bahwa turbin pelton adalah turbin yang beroperasi pada head yang menengah hingga
tinggi dengan kapasitas aliran air yang menengah, atau bahkan beroperasi pada kapasitas
yang sangat rendah.
Universitas Sumatera Utara
Aplikasi penggunaan turbin berdasarkan tinggi head yang didapatkan adalah sebagai berikut
ini :
1.
Turbin Kaplan : 0 < H < 25 meter.
2.
Turbin Francis : 25 < H < 50 meter.
3.
Turbin Pelton : 30 < H < 300 meter.
4.
Turbin Banki : 2 < H < 200 meter.
Untuk arah aliran turbin dapat diuraikan sebagai aliran radial, aksial, dan tangensial
berkenan dengan roda. Apabila aliran tidak ada yang sejajar, maupun tegak lurus poros, tetapi
pada umumnya dalam arah bersiku berkenan dengan poros, aliran tersebut dapat disebut
sebagai aliran diagonal. Pada tabel di bawah adalah ringkasan dari aliran yang umumnya
terjadi pada turbin yang biasa dipergunakan.
Tabel. 2.1. Penggolongan Berdasarkan Arah Aliran
(Sumber : M.M. Dandekar & K.N. Sharma, 1991 : 398)
Jenis turbin
Arah aliran
Francis
Radial atau gabungan
Pelton
Tangensial
Kaplan
Aksial
Banki
diagonal
Universitas Sumatera Utara
2.4
TEKANAN KERJA
Tekanan fluida dipancarkan dengan kekuatan yang sama ke semua arah dan
bekerja tegak lurus pada suatu bidang. Dalam bidang datar yang sama kekuatan
tekanan dalam suatu cairan sama. Pengukuran suatu tekanan dilakukan dengan
menggunakan berbagai bentuk meteran.
Persamaan momentum (kontinuitas) untuk pipa yang dialiri fluida, dimana
sifat fluida konstan sebagai berikut:
�2
γ
Dimana,
+
�2 2
2�
�2 2
2�
+ �2 =
�1
γ
+
�1 2
2�
+ �1 + � ......................... (2.1)
�1 2 �2 2
�2 �1
−
=
−
+ �1 − �2 + �
γ
2�
2�
γ
−
�1 2
2�
dan γ konstan
Gambar 2.6. Perbedaan tekanan pada dua titik pengukuran
Berdasarkan gambar 2.6, perbedaan tekanan antara dua titik pada ketinggian berbeda
dalam suatu cairan dinyatakan oleh pada gambar, diasumsikan perbedaan ketinggian z diubah
menjadi h sehingga didapat persamaan :
Dimana :
�2 − �1 = � . � (ℎ1 − ℎ2 ) ......................................... (2.2)
Universitas Sumatera Utara
�2 − �1
� .�
(ℎ1 − ℎ2 )
= Perbedaan tekan (Pa)
= Satuan berat cairan (N/m3)
= Perbedaan ketinggian (m)
Jika titik 1 berada di permukaan bebas cairan dan h positif ke arah bawah, persamaan
di atas menjadi :
p=ρ.g.h
......................................................
(2.3)
Dimana :
p
= Tekanan (Pa)
ρ
= Massa jenis (kg/m3)
g
= Percepatan gravitasi (m/detik2)
h
= Ketinggian (m)
Persamaan-persamaan tersebut dapat digunakan selama besarnya p tetap atau berubah
sedikit sekali bersama h sehingga tidak mengakibatkan kesalahan yang cukup berarti dalam
hasil perhitungan.
Head (h) menyatakan tinggi suatu kolom fluida homogen yang akan menghasilkan
suatu kekuatan tekanan tertentu, maka :
ℎ=
�
� .�
.................................................................... (2.4)
Universitas Sumatera Utara
2.5
DASAR PEMILIHAN TURBIN
2.5.1 Perencanaan Saluran Udara dan Air
2.5.1.1 Selang Saluran Udara
Selang saluran udara yang digunakan adalah selang komproser yang
berdiameter 6 mm dengan bahan dari karet. Selang ini digunakan untuk mengalirkan
udara dari tabung udara ke tabung air dengan perantaraan regulator.
Gambar 2.7. Selang saluran udara
2.5.1.2 Selang Saluran Air
Selang saluran air yang digunakan adalah selang kompresor yang berdiameter
9 mm. Selang ini digunakan untuk mengalirkan air dari tabung udara ke nosel
kemudian tembakan air diteruskan ke sudu turbin.
Gambar 2.8. Selang saluran air
Universitas Sumatera Utara
2.5.2 Perencanaan Nosel
Nosel adalah alat untuk mengekspansikan fluida sehingga kecepatannya bertambah.
Nosel pada Turbin Pelton mempunyai peranan dalam mengatur kecepatan aliran fluida ketika
menabrak runner. Untuk memudahkan pengaturan kecepatan fluida yang melalui nosel
tersebut biasanya pada nosel dipasang sebuah guide vane (kran) yang berfungsi sebagai katub
atau valve yang mengatur besar kecilnya lubang pada nosel yang akan dilalui fluida.
Gambar 2.9. Nosel
Persamaan untuk menentukan diameter nosel adalah sebagai berikut :
Dimana :
� = 0,54 �
�
√�
................................................................... (2.5)
d
= Diameter nosel (m)
Q
= Kapasitas aliran air (m3/detik)
H
= Head turbin (m)
2.5.3 Perencanaan Turbin
2.5.3.1 Kecepatan Air Keluar Nosel
Dimana :
� = �� �2. �. � .......................................................... (2.6)
v
= Kecepatan air keluar nosel (m/detik)
Cv
= Koefisien kecepatan = 0,97 s.d 0,99
g
= Percepatan gravitasi bumi = 9,81 (m/detik2)
Universitas Sumatera Utara
H
= Head Turbin (m)
2.5.3.2 Kecepatan Keliling Roda Turbin
� = ∅ �2. �. �
........................................................... (2.7)
Dimana :
u
= Kecepatan keliling roda turbin (m/detik)
∅
= Speed ratio = 0,43 s.d 0,47
g
= Percepatan gravitasi bumi = 9,81 (m/detik2)
H
= Head Turbin (m)
2.5.3.3 Putaran Teoritis Turbin
�=
60 �
��
................................................................ (2.8)
Dimana :
N
= Putaran poros turbin (rpm)
D
= Diameter roda jalan (m)
u
= Kecepatan keliling roda turbin (m/detik)
Gambar 2.10. Rumah turbin pelton
2.5.3.4 Ukuran Sudu
1.
Lebar sudu (b)
� = (4 �. � 5) � . ................................................................... (2.9)
Universitas Sumatera Utara
2.
Tinggi sudu (h)
3.
ℎ = (2,1 �. � 2,7) � .............................................................(2.10)
4.
� = (0,81 �. � 1,05) � .........................................................(2.11)
Lebar celah sudu (m)
5.
� = (1,1 �. � 1,25) � ..........................................................(2.12)
Sudut pancaran air masuk sudu (β1)
6.
�1 = 5o �. � 8o ...................................................................(2.13)
Kedalaman sudu (t)
Sudut pancaran air keluar sudu (β2)
�2 = 160o �. � 170o ...........................................................(2.14)
Gambar 2.11. Sudu turbin
2.5.3.5 Gaya Pancar Air Terhadap Sudu
� = � . � (� − �)(1 − �����2 )
................................ (2.15)
Dimana :
F
= Gaya pancar air terhadap sudu (N)
ρ
= Massa jenis air = 1000 (kg/m3)
Q
= Kapasitas aliaran air (m3/detik)
v
= kecepatan air keluar nosel (m/detik)
u
= Kecepatan keliling roda turbin (m/detik)
k
= Faktor gesek permukaan sudu = 0,8 – 0,9
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.12. Diagram vektor kecepatan pada sisi masuk dan sisi keluar sudu
2.5.3.6 Daya
1. Daya Hidrolis
Pa = ρ . g . Ht . Q
................................................
(2.16)
Dimana :
Pa
= Daya hidrolis air (W)
ρ
= Massa jenis air = 1000 (kg/m3)
g
= Percepatan gravitasi bumi = 9,81 (m/detik2)
��
= Head turbin (m)
Q
= Kapasitas air keluar nosel (m3/detik)
2. Daya Kinetik Pancaran Air
�� =
1
2
Dimana :
� . � . �3
......................................................... (2.17)
Pk
= Daya kinetik pancaran air (W)
ρ
= Massa jenis air = 1000 (kg/m3)
A
= Luas penampang nosel (m2)
=
�
4
�2
Universitas Sumatera Utara
= Kecepatan aliran air (m2/detik)
v
3. Daya Poros Turbin
�� = � . �
.................................................................. (2.18)
Dimana :
PT
= Daya poros turbin (W)
F
= Gaya pancar air terhadap sudu (N)
u
= Kecepatan keliling roda turbin (m/detik)
2.5.3.7. Putaran Spesifik
Kecepatan spesifik setiap turbin mempunyai kisaran (range) tertentu
berdasarkan data eksperimen. Kisaran kecepatan spesifik beberapa turbin air adalah
sebagai berikut:
Tabel 2.2. Putaran Spesifik Turbin
(Sumber : M.M. Dandekar & K.N. Sharma, 1991 : 398)
Penggerak
Kecepatan khusus (putaran dalam semenit, rpm)
Lambat
Sedang
Cepat
Pelton
4 – 15
16 – 30
31 – 70
Francis
60 – 150
151 – 250
251 – 400
Kaplan
300 – 450
451 – 700
701 – 1100
Dengan mengetahui kecepatan spesifik turbin, maka perencanaan dan
pemilihan jenis turbin akan menjadi lebih mudah, bahkan dimensi dasar turbin dapat
diestimasi (diperkirakan).
dimana:
�� =
�√�
�
5�
4
. ................................................. (2.19)
Universitas Sumatera Utara
Ns = putaran spesifik (rpm)
N = putaran turbin (rpm)
P = daya (kW)
H = Head (m)
2.5.3.8 Efisiensi
1.
�� =
��
��
Efiisiensi Sudu Turbin
. 100 %
..................................................... (2.20)
Dimana :
ηR
�� =
= Effisiensi sudu turbin
PT
= Daya poros turbin (W)
Pk
= Daya kinetik pancaran air (W)
2.
Efisiensi Turbin
��
��
. 100 %
..................................................... (2.21)
Dimana :
ηT
PT
Pa
= Effisiensi sudu turbin
= Daya poros turbin (W)
= Daya hidrolis air (W)
2.5.4 Perencanaan Poros
Poros merupakan salah satu bagian yang terpenting dari setiap mesin. Hampir semua
mesin
meneruskan
daya
bersama-sama
dengan
putaran.
Peranan
utama
dalam
mentransmisikan putaran dan daya seperti itu dipegang oleh poros.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.13. Poros turbin
2.5.4.1 Macam-macam Poros
Poros untuk meneruskan daya diklasifikasikan menurut pembebanannya, sebagai
berikut :
1.
Poros Transmisi
Poros transmisi mendapatkan beban puntir saja atau puntir dan lentur dan
pengaplikasiannya, tetapi ada juga poros transmisi yang mengalami pembebanan
berupa puntir, lentur, dan aksial. Poros seperti itu biasanya terdapat pada turbin
dimana gaya aksial terjadi karena tumbukan dari fluida kerja yang mengenai sudu.
2.
Poros Spindel
Spindel adalah poros yang ukurannya lebih pendek dari poros transmisi.
Fungsinya untuk meneruskan putaran sehingga mendapatkan pembebanan puntir.
Poros ini harus memiliki kekakuan yang tinggi, karena ditempatkan pada daerah yang
kritis. Pengaplikasiannya seperti pada mesin perkakas atau pada poros motor
penggerak. Poros spindel dianggap menerima puntiran saja.
3.
Poros Gandar
Pada poros jenis ini pembebanan yang terjadi adalah lentur murni, dimana
tidak mendapat beban puntir, kadang-kadang tidak boleh berputar. Gandar hanya
Universitas Sumatera Utara
mendapat beban lentur, kecuali jika digerakkan oleh penggerak mula dimana akan
mengalami beban puntir juga.
Menurut bentuknya, gandar dapat digolongkan atas poros lurus umum, poros
engkol, poros luwes untuk transmisi daya kecil, dan lain-lain. Karena poros gandar
tidak boleh berputar sehingga dianggap hanya menerima beban lentur saja.
2.5.4.2 Hal-hal Penting Dalam Perencanaan Poros
Untuk merencanakan sebuah poros hal-hal sebagai berikut perlu diperhatikan :
a.
Kekuatan Poros
b.
Kekakuan Poros
c.
Putaran Kritis
d.
Korosi
e.
Bahan Poros
Untuk menentukan diameter poros harus ditentukan terlebih dahulu hal-hal
berikut :
1. Daya Rencana Poros
Untuk menghitung diameter poros yang diperlukan, maka harus dihitung
terlebih dahulu daya rencana yaitu dengan persamaan berikut ini :
�� = �� . � .................................................................. (2.22)
Dimana :
Pd
= Daya rencana (kW)
fc
= Faktor koreksi
P
= Daya alternator (kW)
Universitas Sumatera Utara
Faktor koreksi yang diperlukan untuk menghitung daya rencana yang
diperlukan terdapat pada tabel....
Tabel 2.3. Faktor-faktor koreksi daya (fc)
(Sularso, 1994 : 7)
Daya yang ditransmisikan
2.
Faktor koreksi (fc)
Daya rata-rata yang diperlukan
1,2 – 2,0
Daya maksimum yang diperlukan
0,8 – 1,2
Daya normal
1,0 – 1,5
Momen Puntir Poros
Setelah melakukan perhitungan besar daya rencana, maka momen puntir dapat
dihitung dengan persamaan sebagai berikut :
� = 9,74 . 105
Dimana :
3.
��
�
...................................................... (2.23)
T
= Momen puntir (kg.mm)
Pd
= Daya rencana turbin (kW)
n
= Putaran turbin (rpm)
Tegangan Geser Ijin Bahan
Untuk menghitung tegangan geser ijin bahan, maka perlu diketahui terlebih
dahulu kekuatan tarik bahan poros. Persamaan untuk menghitung tegangan geser ijin
bahan adalah sebagai berikut :
�� =
��
��1 . ��2
............................................................. (2.24)
Universitas Sumatera Utara
Dimana :
��
= Tegangan geser ijin bahan (kg/mm2)
��1
= Faktor keamanan puntir
��
= Kekuatan tarik bahan (kg/mm2)
��2
= Faktor keamanan akibat pengaruh konsentrasi
tegangan
dengan harga antara 1,3 – 3,0
4. Diameter Poros
Dalam perencanaan poros ini diperkirakan akan terjadi beban lentur maka
akan dipertimbangkan pemakaian faktor Km yang harganya antara 1,2 sampai 2,3 dan
harga Kt harus diperhatikan yang harganya antara 1,5 sampai 3,0 serta Momen puntir
dan beban aksial akibat tumbukan dari fluida kerja yang mengenai sudu, sehingga
diameter poros dihitung dengan persamaan :
Dimana :
�� = [
5,1
��
�(�� . �2 ) + (�� . � 2 )]1/3 .......................... (2.25)
ds
= Diameter poros (mm)
��
= Tegangan geser yang diijinkan (kg/mm2)
M
= Momen lentur (kg.mm)
T
= Momen puntir (kg.mm)
��
= Faktor koreksi untuk kemungkinan terjadinya
��
= Faktor koreksi terhadap momen puntir yang
beban
lentur yang harganya 1,2 – 2,3
besarnya :
1,0 jika beban dikenakan halus
1,0 – 1,5 jika terjadi sedikit kejutan atau tumbukan
1,5 – 3,0 jika beban dikenakan kejutan atau tumbukan
Universitas Sumatera Utara
2.5.4.3 Pemeriksaan Kekuatan Poros
Hasil diameter poros yang dirancang harus diuji kekuatannya. Pemeriksaan
dapat dilakukan dengan memeriksa tegangan geser yang terjadi akibat tegangan
puntir yang dialami poros. Jika tegangan geser lebih besar dari tegangan geser ijin
dari bahan tersebut, maka perancangan akan dikatakan gagal.
1.
Tegangan Geser Pada Poros
Bila momen puntir T (kg.mm) dibebankan pada suatu diameter poros maka
tegangan geser �� (kg/mm2) yang terjadi dihitung dengan persamaan berikut :
Dimana :
2.
�� =
16 �
................................................................ (2.26)
� . ��3
τp
= Tegangan geser akibat momen puntir (kg/mm2)
T
= Momen puntir yang ditransmisikan (kg.mm)
ds
= Diameter poros (mm)
Gaya Tangensial Poros
Gaya tangensial poros dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut :
�� = �
Dimana :
�
� � . �� 2
�
......................................................... (2.27)
Fp
= Gaya tangensial poros (kg)
T
= Momen puntir (kg.mm)
ds
= Diameter poros (mm)
Universitas Sumatera Utara
��2
= Faktor keamanan akibat pengaruh konsentrasi
tegangan
dengan harga antara 1,3 – 3,0
2.5.5 Perencanaan Bantalan
Bantalan adalah elemen mesin yang menumpu poros berbeban, sehingga putaran atau
gerak bolak-balik dapat bekerja dengan aman, halus dan panjang umur. Bantalan harus kokoh
untuk memungkinkan poros atau elemen mesin lainnya dapat bekerja dengan baik. Jika
bantalan tidak bekerja dengan baik, maka prestasi kerja seluruh sistem akan menurun atau
tidak dapat bekerja semestinya. Jadi, jika disamakan pada gedung, maka bantalan dalam
permesinan dapat disamakan dengan pondasi pada suatu gedung.
2.5.5.1 Klasifikasi Bantalan
Berdasarkan dasar gerakan bantalan terhadap poros, maka bantalan dapat
diklasifikasikan sebagai berikut :
1.
Bantalan luncur
Bantalan luncur mampu menumpu poros berputaran tinggi dengan beban yang
besar. Bantalan ini memiliki konstruksi yang sederhana dan dapat dibuat dan
dipasang dengan mudah. Bantalan luncur memerlukan momen awal yang besar
karena gesekannya yang besar pada waktu mulai jalan. Pelumasan pada bantalan ini
tidak begitu sederhana, gesekan yang besar antara poros dengan bantalan
menimbulkan efek panas sehingga memerlukan suatu pendinginan khusus.
Gambar 2.14. Pelumasan bantalan luncur
Universitas Sumatera Utara
Lapisan pelumas pada bantalan ini dapat meredam tumbukan dan getaran
sehingga hampir tidak bersuara. Tingkat ketelitian yang diperlukan tidak setinggi
bantalan gelinding sehingga harganya lebih murah. Adapun macam-macam dari
bantalan luncur adalah sebagai berikut :
2.
a.
Bantalan radial
b.
Bantalan aksial
c.
Bantalan khusus
Bantalan gelinding
Pada bantalan ini terjadi gesekan gelinding antara bagian yang berputar
dengan yang diam melalui elemen gelinding seperti bola (peluru), rol jarum dan rol
bulat. Bantalan gelinding pada umumnya cocok untuk beban kecil daripada bantalan
luncur, tergantung pada bentuk elemen gelindingnya. Putaran pada bantalan ini
dibatasi oleh gaya sentrifugal yang timbul pada elemen gelinding tersebut. Bantalan
gelinding hanya dibuat oleh pabrik-pabrik tertentu saja karena konstruksinya yang
sukar dan ketelitiannya yang tinggi. Harganya pun pada umumnya relatif lebih mahal
jika dibandingkan dengan bantalan luncur.
Bantalan gelinding diproduksi menurut standar dalam berbagai ukuran dan
bentuk, hal ini dilakukan agar biaya produksi menjadi lebih efektif serta memudahkan
dalam pemakaian bantalan tersebut. Keunggulan dari bantalan gelinding yaitu,
gesekan yang terjadi pada saat berputar sangat rendah. Pelumasannya pun sangat
sederhana, yaitu cukup dengan gemuk, bahkan pada jenis bantalan gelinding yang
memakai seal sendiri tidak perlu pelumasan lagi. Meskipun ketelitiannya sangat
tinggi, namun karena adanya gerakan elemen gelinding dan sangkar, pada putaran
yang tinggi bantalan ini agak gaduh jika dibandingkan dengan bantalan luncur.
Universitas Sumatera Utara
Jenis bantalan yang digunakan sesuai dengan diameter poros terdapat pada
tabel 2.2 di bawah ini.
Gambar 2.15. Macam-macam bantalan peluru
2.5.5.2 Rumus Perhitungan Bantalan
Rumus perhitungan bantalan gelinding antara lain mengenai (Sularso, 2004)
1.
Beban Ekuivalen Dinamis
P = X . V. Fr + Fa .Y .............................................
(2.28)
Dimana :
P
= Beban ekuivalen dinamis (kg)
Fr
= Beban radial (kg)
Fa
= Beban aksial (kg)
X,V,Y = Faktor-faktor yang mempengaruhi perhitungan beban
ekuivalen dinamis terdapat pada tabel 2 pada lampiran.
2.
Faktor Kecepatan (fn)
3 3,3
f n=
n
1/ 3
.....................................................
(2.29)
Dimana :
Universitas Sumatera Utara
3.
fn
= Faktor kecepatan
n
= Kecepatan poros (rpm)
Faktor Umur (fh)
fh = fn
c
P
.........................................................
(2.30)
Dimana :
4.
fh
= Faktor umur
fn
= Faktor kecepatan
C
= Kapasitas nominal dinamis spesifik (kg)
P
= Beban ekuivalen dinamis (kg)
Umur Bantalan (Lh)
3
Lh = 500 fh
...................................................
(2.31)
Dimana :
Lh
= Umur bantalan (jam)
fh
= Faktor umur
2.5.6 Perencanaan Sekrup
Sekrup merupakan salah satu alat pengikat yang sering digunakan. Untuk mencegah
kecelakaan atau kerusakan pada mesin, pemilihan sekrup sebagai alat pengikat harus
dilakukan dengan kebutuhan rangkaian.
Sekrup mempunyai diameter sampai 8 mm dan untuk pemakaian khusus tidak ada
beban besar. Kepalanya mempunyai alur lurus atau silang untuk dapat dikuatkan dengan
obeng. Adapun macam-macam sekrup, yaitu :
a.
Kepala bulat alur silang
b.
Kepala bulat beralur lurus
Universitas Sumatera Utara
c.
Macam panci
d.
Kepala rata alur bersilang
e.
Kepala benam lonjong
Gambar 2.16. Sekrup dengan bermacam–macam bentuk kepala serta teknik pemutarnya
Sekrup penetap digunakan untuk menetepkan naff pada porosnya, sedang bentuk
ujungnya disesuaikan dengan penggunaannya.
Gambar 2.17. Sekrup penetap
Keterangan :
1.
Beralur
5. Ujung rata
2.
Lekuk (soket) segienam
6. Ujung kerucut
3.
Kepala bujur sangkar
7. Ujung berleher
4.
Ujung mangkok
8. Ujung bulat
Penggunaan baut-mur dan sekrup yang sesuai dengan diameter ulirnya terlihat pada
tabel 3 yang terdapat pada lampiran.
Universitas Sumatera Utara
Untuk menentukan ukuran mur-baut dan sekrup, berbagai faktor harus diperhatikan
seperti sifat gaya yang bekerja, syarat kerja, kekuatan bahan dan kelas ketelitian. Adapun
gaya-gaya yang bekerja pada mur-baut dan sekrup berupa:
a.
Beban statis aksial murni
b.
Beban aksial bersama dengan beban puntir
c.
Beban geser
d.
Beban aksial tumbukan
Persamaan-persamaan yang digunakan untuk menentukan diameter ulir pada
perencanaan mur-baut dan sekrup sebagai berikut :
�� ≥ �
��
4�
�
� 0,64
...................................................... (2.32)
Atau
2�
�� ≥ �
��
........................................................
(2.33)
Dan,
�� = 0,8 �
Sehingga,
� = 1,25 �� ..................................... (2.35)
Dimana :
..................................... (2.34)
dc
= Diameter batang ulir (mm)
d
= Diameter luar ulir (mm)
W
= Beban tarik aksial pada baut (kg)
��
= Tegangan geser yang diijinkan (kg/mm2)
Harga �� tergantung dari macam bahan, yaitu SS, SC atau SF. Jika ditulis tinggi faktor
keamanan dapat diambil sebesar 6-8 dan jika difinis biasa besarnya antara 8-10. Untuk baja
Universitas Sumatera Utara
liat yang mempunyai kadar karbon 0,2 – 0,3 (%), tegangan yang diijinkan �� umumnya
adalah sebesar 6 kg/mm2 jika difinis tinggi dan 4,86 kg/mm2 jika difinis biasa.
2.5.7 Perencanaan Puli dan Sabuk
2.5.7.1 Puli (Pulley)
Puli biasanya digunakan untuk mentransmisikan atau memindahkan tenaga
dari poros yang satu ke poros yang lainnya dengan bantuan belt atau sabuk. Bahan
puli biasanya terbuat dari besi tuang, baja tuang atau baja press, aluminium, kayu dan
kertas. Puli yang terbuat dari baja dicetak atau di-press mempunyai koefisien yang
rendah dan membutuhkan pengerjaan yang rumit.
Gambar 2.18. Variasi diamter ukuran puli
Secara teoritis, persamaan-persamaan dalam perencanaan puli adalah
sebagai berikut :
1.
Dimana :
�� = � . �
Torsi Puli
��
2
�
........................................................... (2.36)
Tp
= Torsi puli (N.mm)
F
= Beban puli (N)
Dp
= Diameter puli (mm)
Universitas Sumatera Utara
2.
Dimana :
Dimana :
Dimana :
�� =
�=
Tarikan Efektif Rem
�
............................................................. (2.37)
�� / 2
Fe
= Tarikan efektif rem (N)
T
= Momen torsi poros (N.mm)
Dp
= Diameter puli (mm)
3.
Koefisien Gesek
ln �� −ln (�� − �)
...................................................... (2.38)
����
µ
= Koefisien gesek
θ
= Sudut kontak = 90o
4.
Koefisien Gaya Terhadap Gaya Gesek
� = � . �� . �� . ��
F
.................................................. (2.39)
= Gaya gesek (N)
µ
= Koefisien gesek
PT
= Daya poros turbin (W)
Ap
= Luas penampang puli (m2)
ls
= Lebar sabuk (m)
2.5.7.2 Sabuk (Belt)
Sabuk atau belt biasanya digunakan untuk memindahkan daya dari poros yang
satu ke poros yang lainnya dengan bantuan puli dimana puli berputar dengan
Universitas Sumatera Utara
kecepatan yang sama atau pada kecepatan yang berbeda. Jumlah daya yang
dipindahkan tergantung pada beberapa faktor, yaitu :
a.
Kecepatan sabuk
b.
Tegangan di bawah sabuk dimana sabuk diletakkan di atas puli
c.
Sudut kotak antara sabuk dan puli yang lebih kecil
Material yang digunakan untuk bahan belt harus kuat, fleksibel dan
mempunyai daya tahan yang lama. Material belt juga harus menggunakan koefisien
yang tinggi terhadap gesekan. Bahan belt yang biasa digunakan adalah :
a.
Leather belt
b.
Cotton or pabric belt
c.
Rubber belt
d.
Balata belt
Sabuk yang digunakan pada rancang bangun ini adalah sabuk gilir ( tipe J)
yang terlihat pada gambar 2.20.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.19. Berbagai macam sabuk transmisi daya
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.20. Tipe, ukuran dan pemakaian pada sabuk gilir
Universitas Sumatera Utara
2.5.7.3 Sistem Transmisi Puli dan Sabuk
1. Rasio Kecepatan
Rasio kecepatan adalah rasio antara kecepatan puli penggerak (driver) dan
puli yang digerakkan (driven). Dinyatakan secara matematis :
Panjang sabuk yang melewati driver dalam 1 menit :
L1 = π d1 n1 ............................................................
(2.40)
Panjang sabuk yang melewati driven dalam 1 menit :
L2 = π d2 n2
...........................................................
(2.41)
Karena panjang sabuk yang melewati driver dalam 1 menit adalah sama
dengan panjang sabuk yang melewati driven dalam 1 menit, sehingga :
π d1 n1 = π d2 n2 .................................................. (2.42)
Sehingga kecepatan rasio adalah :
�2
�1
�1
=
�2
......................................................................... (2.43)
Ketika ketebalan sabuk dianggap (t), maka rasio kecepatan menjadi :
�2
�1
�1+ �
=
�2+ �
..................................................................... (2.44)
Perbandingan putaran :
Dimana :
�=
�1
�2
........................................................................... (2.45)
d1
= Diameter driver (mm)
d2
= Diameter driven (mm)
n1
= Kecepatan driver (rpm)
n2
= Kecepatan driven/pengikut (rpm)
2.
Kecepatan Sabuk
Universitas Sumatera Utara
Dimana :
Dimana :
�=
�� . � 1
60 .1000
................................................................... (2.46)
V
= Kecepatan sabuk (m/detik)
Dp
= Diameter puli penggerak (mm)
n1
= Putaran poros penggerak (rpm)
3.
Koefisien Gesek Antara Puli dan Sabuk
� = 0,45 −
42,6
152,6+�
μ
= Koefisien gesekan antara puli dan sabuk.
V
= Kecepatan sabuk (m/menit)
4.
Analisa Momen Torsi (T1,T2)
�1 = 9,74 . 105 �
Dimana :
..................................................... (2.47)
��
�1
�2 = 9,74 . 105 . �
� .................................................... (2.48)
��
�2
� ................................................... (2.49)
T1
= Momen torsi puli penggerak (kg.mm)
T2
= Momen torsi puli yang digerakkan (kg.mm)
Pd
= Daya rencana (kW)
n1
= Putaran poros penggerak (rpm)
n2
= Putaran poros yang digerakkan (rpm)
Universitas Sumatera Utara
5.
Panjang Sabuk
�
� = (�1 + �2 ) + 2� +
2
(� 1 − � 2 )2
4�
............................... (2.50)
Gambar 2.21. Transmisi puli dan sabuk
2.5.8 Perencanaan Generator
2.5.8.1 Pengertian Generator
Dinamo (Generator) atau pembangkit listrik yang sederhana dapat ditemukan
pada sepeda. Pada sepeda, biasanya dinamo digunakan untuk menyalakan lampu.
Caranya ialah bagian atas dinamo (bagian yang dapat berputar) dihubungkan ke roda
sepeda. Pada proses itulah terjadi perubahan energi gerak menjadi energi listrik.
Generator (dinamo) merupakan alat yang prinsip kerjanya berdasarkan induksi
elektromagnetik. Alat ini pertama kali ditemukan oleh Michael Faraday.
Berkebalikan dengan motor listrik, generator adalah mesin yang mengubah
energi kinetik menjadi energi listrik. Energi kinetik pada generator dapat juga
diperoleh dari angin atau air terjun. Berdasarkan arus yang dihasilkan. Generator
dapat dibedakan menjadi dua rnacam, yaitu generator AC dan generator DC.
Generator AC menghasilkan arus bolak-balik (AC) dan generator DC menghasilkan
arus searah (DC). Baik arus bolak-balik maupun searah dapat digunakan untuk
penerangan dan alat-alat pemanas.
Universitas Sumatera Utara
2.5.8.2 Cara Kerja Dinamo
Prinsip kerja dinamo sama dengan generator yaitu memutar kumparan di
dalam medan magnet atau memutar magnet di dalam kumparan. Bagian dinamo yang
berputar disebut rotor. Bagian dinamo yang tidak bergerak disebut stator. antara
dinamo DC dengan dinamo AC terletak pada cincin yang digunakan. Pada dinamo
arus searah menggunakan satu cincin yang dibelah menjadi dua yang disebut cincin
belah (komutator). Cincin ini memungkinkan arus listrik yang dihasilkan pada
rangkaian luar Dinamo berupa arus searah walaupun di dalam dinamo sendiri
menghasilkan arus bolak-balik. Adapun, pada dinamo arus bolak-balik menggunakan
cincin ganda (dua cincin). Alat pembangkit listrik arus bolak balik yang paling
sederhana adalah dinamo sepeda. Tenaga yang digunakan untuk memutar rotor adalah
roda sepeda. Jika roda berputar, kumparan atau magnet ikut berputar. Akibatnya,
timbul GGL induksi pada ujung-ujung kumparan dan arus listrik mengalir. Makin
cepat gerakan roda sepeda, makin cepat magnet atau kumparan berputar. Makin besar
pula GGL induksi dan arus listrik yang dihasilkan. Jika dihubungkan dengan lampu,
nyala lampu makin terang. GGL induksi pada dinamo dapat diperbesar dengan cara
putaran roda dipercepat, menggunakan magnet yang kuat (besar), jumlah lilitan
diperbanyak, dan menggunakan inti besi lunak di dalam kumparan.
2.5.8.3 Macam-macam Generator
Adapun macam-macam dari generator adalah sebagai berikut :
1. Generator DC
Gambar 2.22. Generator DC
Universitas Sumatera Utara
Prinsip kerja generator (dinamo) DC sama dengan generator AC. Namun, pada
generator DC arah arus induksinya tidak berubah. Hal ini disebabkan cincin yang
digunakan pada generator DC berupa cincin belah (komutator).
2. Generator AC
Gambar 2.23. Generator AC
Bagian utama generator AC terdiri atas magnet permanen (tetap), kumparan
(solenoida). cincin geser, dan sikat. Pada generator. perubahan garis gaya magnet
diperoleh dengan cara memutar kumparan di dalam medan magnet permanen. Karena
dihubungkan dengan cincin geser, perputaran kumparan menimbulkan GGL induksi
AC. OIeh karena itu, arus induksi yang ditimbulkan berupa arus AC. Adanya arus AC
ini ditunjukkan oleh menyalanya lampu pijar yang disusun seri dengan kedua sikat.
Sebagaimana percobaan Faraday, GGL induksi yang ditimbulkan oleh generator AC
dapat diperbesar dengan cara :
a.
Memperbanyak lilitan kumparan,
b.
Menggunakan magnet permanen yang lebih kuat.
c.
Mempercepat perputaran kumparan, dan menyisipkan inti besi lunak
ke dalam kumparan.
Contoh generator AC yang sering kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari
adalah dinamo sepeda. Bagian utama dinamo sepeda adalah sebuah magnet tetap dan
kumparan yang disisipi besi lunak. Jika magnet tetap diputar,perputaran tersebut
menimbulkan GGL induksi pada kumparan. Jika sebuah lampu pijar (lampu sepeda)
Universitas Sumatera Utara
dipasang pada kabel yang menghubungkan kedua ujung kumparan. lampu tersebut
akan dilalui arus induksi AC. Akibatnya, lampu tersebut menyala. Nyala lampu akan
makin terang jika perputaran magnet tetap makin cepat (laju sepeda makin kencang).
2.5.8.4 Pemilihan Generator Pada Turbin
Dinamo sepeda merupakan generator kecil yang dapat menghasilkan arus
listrik yang kecil pula. Pada dinamo sepeda prinsip kerjanya yaitu energi gerak dari
poros turbin diubah menjadi energi potensial listrik melalui transmisi puli dan sabuk.
Besarnya tegangan listrik yang dihasilkan dinamo sepeda ini ditentukan oleh cepatnya
roda turbin yang berputar melalui perantaraan poros. Semakin cepat putaran poros
turbin semakin cepat putaran dinamo dan arus listrik yang dihasilkan semakin besar
pula, biasanya dinamo dapat menghasilakan tegangan 6 sampai 12 Volt. Dinamo
sepeda intinya adalah sebuah magnet yang dapat berputar dan sebuah kumparan tetap.
Gambar 2.24. Dinamo sepeda
Hubungan antara kecepatan, flux medan dan tegangan dinamo ditunjukkan
dalam persamaan sebagai berikut :
E = K . Φ . N...........................................................
(2.51)
Dan
T = K . Φ . Ia...............................................................................
(2.52)
Universitas Sumatera Utara
Persamaan K dimasukkan ke persamaan E menjadi :
�=
�
� . ��
� . � ............................................................. (2.53)
� . ��
........................................................................ (2.54)
Sehingga momen torsi dinamo adalah :
Dimana :
�=
�
E
= Gaya elektromagnetik yang dikembangkan pada terminal
dinamo/tegangan dinamo (Volt)
Φ
= Flux medan yang berbanding lurus dengan arus medan
n
= Kecepatan poros dinamo (rpm)
T
= Torsi elektromagnetik (N.m)
Ia
= Arus dinamo (Ampere)
K
= Konstanta persamaan.
Universitas Sumatera Utara
LANDASAN TEORI
2.1
TINJAUAN UMUM TURBIN AIR
Tenaga air mulai digunakan oleh manusia sudah sekitar 2000 tahun yang lalu yaitu
ketika bangsa Yunani dan Romawi sudah mengenal kincir air, yang mana mereka meletakkan
kincir air itu secara horizontal (arah poros kincir horizontal) di aliran sungai yang panjang.
Kincir air ini digunakan tenaganya untuk menggiling jagung dengan menggunakan roda gigi.
Tenaga air yang ditimbulkan oleh adanya energi potensial dan energi kinetik yang dimiliki
oleh arus sungai yang mengalir tersebut yang akan memutar kincir air itu, oleh karena itu
beroperasi penggilingan. Penggilingan menjadi tugas yang utama dilakukan dengan tenaga
air kemudian pada perkembangannya kincir ini kemudian dikembangkan oleh bangsa-bangsa
di Asia dan Eropa Timur pada masa setelah itu yaitu sekitar abad ke 4.
Gambar 2.1. Kincir Air
Karena kincir air sudah terkenal di berbagai tempat di dunia pada waktu itu, maka
manusia mulai memikirkan tentang bagaimana cara meningkatkan kegunaan dari tenaga air
tersebut. Manusia mulai mengubah bentuk kincir air dari keadaan yang sebelumnya, hal ini
merupakan suatu langkah yang penting bagi perkembangan teknologi kincir air pada waktu
Universitas Sumatera Utara
itu. Bentuk kincir pun mulai bervariasi ada yang dipasang secara horisontal dengan arah
putaran roda dari kiri ke kanan. Pada awalnya, kincir air dipasang sedemikian sehingga pusat
dari kincir tersebut berada di atas permukaan air dan arus air akan menggerakkan bagian
bawah dari kincir tersebut sehingga kincir air dapat berputar. Kemudian, mereka akan
mencelupkan kincir di bawah permukaan air yang melebihi dari orientasi yang sebelumnya.
Pada abad ke 18, John Smeaton menguji kedua-duanya orientasi di atas dan menemukan
bahwa kincir yang bekerja mendapatkan efisiensi yang lebih tinggi.
Pada abad sesudahnya para insinyur telah dapat menyempurnakan kincir air
menemukan dua peningkatan, diantaranya adalah sudu dari kincir air yang dibengkokkan
dapat bekerja lebih baik ,dan yang kedua adalah dapat diketahui posisi yang lebih tepat dari
roda sehingga dihasilkan kincir air yang efisien. Pengembangan ini membantu orang-orang
dalam penggunaan dari kincir air yang sudah mempunyai tenaga yang lebih dari sebelumnya.
Tenaga yang lebih tersebut tidak hanya untuk menggiling hasil panen seperti jagung dan
gandum, tetapi juga dapat digunakan sebagai tenaga untuk menggerakkan konveyor, sehingga
masalah pengangkutan di dalam suatu pengilingan dapat diatasi dengan penggunaan tenaga
kincir air. Pada abad ke 19, turbin air telah ditemukan, dan lambat laun mulai menggeser
penggunaan dari kincir air. Manusia mulai meninggalkan kincir air karena melihat bahwa
turbin air jauh lebih efisien dibanding dengan kincir air. Bagaimanapun, kincir air masih
tersisa di seluruh dunia sampai hari ini.
2.2
KLASIFIKASI TURBIN AIR
2.2.1 Turbin Reaksi
Turbin reaksi adalah turbin air yang cara kerjanya dengan merubah seluruh energi air
yang tersedia menjadi energi puntir dalam bentuk putaran. Sudu pada turbin reaksi
Universitas Sumatera Utara
mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama
melalui sudu. Dilihat dari konstruksinya, turbin reaksi ada dua jenis :
1. Turbin Francis
Turbin francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin dipasang diantara
sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di bagian
keluar. Turbin Francis menggunakan sudu pengarah. Sudu pengarah mengarahkan air
masuk secara tangensial. Sudu pengarah pada turbin francis dapat merupakan suatu
sudu pengarah yang tetap ataupun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya. Untuk
penggunaan pada berbagai kondisi aliran air penggunaan sudu pengarah yang dapat
diatur merupakan pilihan yang tepat.
Gambar 2.2. Turbin Francis
2.
Turbin Kaplan.
Turbin ini mempunyai roda jalan yang mirip dengan baling-baling pesawat
terbang. Bila baling-baling pesawat terbang berfungsi untuk menghasilkan gaya
dorong, roda jalan pada kaplan berfungsi untuk mendapatkan gaya F yaitu gaya putar
yang dapat menghasilkan torsi pada poros turbin. Berbeda dengan roda jalan pada
francis, sudu-sudu pada roda jalan kaplan dapat diputar posisinya untuk
menyesuaikan kondisi beban turbin. Turbin kaplan banyak dipakai pada instalasi
pembangkit listrk tenaga air sungai, karena turbin ini mempunyai kelebihan dapat
menyesuaikan head yang berubah-ubah sepanjang tahun. Turbin Kaplan dapat
Universitas Sumatera Utara
beroperasi pada kecepatan tinggi sehingga ukuran roda turbin lebih kecil dan dapat
dikopel langsung dengan generator. Pada kondisi pada beban tidak penuh turbin
kaplan mempunyai efisiensi paling tinggi, hal ini dikarenakan sudu-sudu turbin
kaplan dapat diatur menyesuaikan dengan beban yang ada.
Gambar 2.3. Turbin Kaplan dengan sudu jalan yang dapat diatur
2.2.2 Turbin Impuls
Turbin impuls adalah turbin air yang cara kerjanya dengan merubah seluruh energi air
yang tersedia menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan energi
puntir dalam bentuk putaran poros. Atau dengan kata lain, energi potensial air diubah
menjadi energi kinetik pada nosel.
Universitas Sumatera Utara
1.
Turbin Pelton.
Turbin Pelton terdiri dari satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran air
yang disemprotkan dari satu atau lebih alat yang disebut nosel. Turbin Pelton adalah
salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien. Turbin Pelton adalah turbin yang
cocok digunakan untuk head tinggi.
Gambar 2.4. Turbin Pelton
Bentuk sudu turbin terdiri dari dua bagian yang simetris. Sudu dibentuk
sedemikian sehingga pancaran air akan mengenai tengah-tengah sudu dan pancaran
air tersebut akan berbelok ke kedua arah sehinga bisa membalikkan pancaran air
dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya-gaya samping. Untuk turbin dengan
daya yang besar, sistem penyemprotan airnya dibagi lewat beberapa nosel. Dengan
demikian diameter pancaran air bisa diperkecil dan ember sudu lebih kecil.
Universitas Sumatera Utara
2.3
PERBANDINGAN KARAKTERISTIK TURBIN
Perbandingan karakteristik turbin dapat dilihat pada grafik head (m) vs flow (m3/s) di
bawah ini.
Gambar 2.5. Perbandingan karakteristik turbin
Pemilihan turbin kebanyakan didasarkan pada head air yang didapatkan dan kurang
lebih pada rata-rata alirannya. Umumnya, turbin impuls digunakan untuk tempat dengan head
tinggi, dan turbin reaksi digunakan untuk tempat dengan head rendah. Pada gambar 2.5
terlihat bahwa turbin pelton adalah turbin yang beroperasi pada head yang menengah hingga
tinggi dengan kapasitas aliran air yang menengah, atau bahkan beroperasi pada kapasitas
yang sangat rendah.
Universitas Sumatera Utara
Aplikasi penggunaan turbin berdasarkan tinggi head yang didapatkan adalah sebagai berikut
ini :
1.
Turbin Kaplan : 0 < H < 25 meter.
2.
Turbin Francis : 25 < H < 50 meter.
3.
Turbin Pelton : 30 < H < 300 meter.
4.
Turbin Banki : 2 < H < 200 meter.
Untuk arah aliran turbin dapat diuraikan sebagai aliran radial, aksial, dan tangensial
berkenan dengan roda. Apabila aliran tidak ada yang sejajar, maupun tegak lurus poros, tetapi
pada umumnya dalam arah bersiku berkenan dengan poros, aliran tersebut dapat disebut
sebagai aliran diagonal. Pada tabel di bawah adalah ringkasan dari aliran yang umumnya
terjadi pada turbin yang biasa dipergunakan.
Tabel. 2.1. Penggolongan Berdasarkan Arah Aliran
(Sumber : M.M. Dandekar & K.N. Sharma, 1991 : 398)
Jenis turbin
Arah aliran
Francis
Radial atau gabungan
Pelton
Tangensial
Kaplan
Aksial
Banki
diagonal
Universitas Sumatera Utara
2.4
TEKANAN KERJA
Tekanan fluida dipancarkan dengan kekuatan yang sama ke semua arah dan
bekerja tegak lurus pada suatu bidang. Dalam bidang datar yang sama kekuatan
tekanan dalam suatu cairan sama. Pengukuran suatu tekanan dilakukan dengan
menggunakan berbagai bentuk meteran.
Persamaan momentum (kontinuitas) untuk pipa yang dialiri fluida, dimana
sifat fluida konstan sebagai berikut:
�2
γ
Dimana,
+
�2 2
2�
�2 2
2�
+ �2 =
�1
γ
+
�1 2
2�
+ �1 + � ......................... (2.1)
�1 2 �2 2
�2 �1
−
=
−
+ �1 − �2 + �
γ
2�
2�
γ
−
�1 2
2�
dan γ konstan
Gambar 2.6. Perbedaan tekanan pada dua titik pengukuran
Berdasarkan gambar 2.6, perbedaan tekanan antara dua titik pada ketinggian berbeda
dalam suatu cairan dinyatakan oleh pada gambar, diasumsikan perbedaan ketinggian z diubah
menjadi h sehingga didapat persamaan :
Dimana :
�2 − �1 = � . � (ℎ1 − ℎ2 ) ......................................... (2.2)
Universitas Sumatera Utara
�2 − �1
� .�
(ℎ1 − ℎ2 )
= Perbedaan tekan (Pa)
= Satuan berat cairan (N/m3)
= Perbedaan ketinggian (m)
Jika titik 1 berada di permukaan bebas cairan dan h positif ke arah bawah, persamaan
di atas menjadi :
p=ρ.g.h
......................................................
(2.3)
Dimana :
p
= Tekanan (Pa)
ρ
= Massa jenis (kg/m3)
g
= Percepatan gravitasi (m/detik2)
h
= Ketinggian (m)
Persamaan-persamaan tersebut dapat digunakan selama besarnya p tetap atau berubah
sedikit sekali bersama h sehingga tidak mengakibatkan kesalahan yang cukup berarti dalam
hasil perhitungan.
Head (h) menyatakan tinggi suatu kolom fluida homogen yang akan menghasilkan
suatu kekuatan tekanan tertentu, maka :
ℎ=
�
� .�
.................................................................... (2.4)
Universitas Sumatera Utara
2.5
DASAR PEMILIHAN TURBIN
2.5.1 Perencanaan Saluran Udara dan Air
2.5.1.1 Selang Saluran Udara
Selang saluran udara yang digunakan adalah selang komproser yang
berdiameter 6 mm dengan bahan dari karet. Selang ini digunakan untuk mengalirkan
udara dari tabung udara ke tabung air dengan perantaraan regulator.
Gambar 2.7. Selang saluran udara
2.5.1.2 Selang Saluran Air
Selang saluran air yang digunakan adalah selang kompresor yang berdiameter
9 mm. Selang ini digunakan untuk mengalirkan air dari tabung udara ke nosel
kemudian tembakan air diteruskan ke sudu turbin.
Gambar 2.8. Selang saluran air
Universitas Sumatera Utara
2.5.2 Perencanaan Nosel
Nosel adalah alat untuk mengekspansikan fluida sehingga kecepatannya bertambah.
Nosel pada Turbin Pelton mempunyai peranan dalam mengatur kecepatan aliran fluida ketika
menabrak runner. Untuk memudahkan pengaturan kecepatan fluida yang melalui nosel
tersebut biasanya pada nosel dipasang sebuah guide vane (kran) yang berfungsi sebagai katub
atau valve yang mengatur besar kecilnya lubang pada nosel yang akan dilalui fluida.
Gambar 2.9. Nosel
Persamaan untuk menentukan diameter nosel adalah sebagai berikut :
Dimana :
� = 0,54 �
�
√�
................................................................... (2.5)
d
= Diameter nosel (m)
Q
= Kapasitas aliran air (m3/detik)
H
= Head turbin (m)
2.5.3 Perencanaan Turbin
2.5.3.1 Kecepatan Air Keluar Nosel
Dimana :
� = �� �2. �. � .......................................................... (2.6)
v
= Kecepatan air keluar nosel (m/detik)
Cv
= Koefisien kecepatan = 0,97 s.d 0,99
g
= Percepatan gravitasi bumi = 9,81 (m/detik2)
Universitas Sumatera Utara
H
= Head Turbin (m)
2.5.3.2 Kecepatan Keliling Roda Turbin
� = ∅ �2. �. �
........................................................... (2.7)
Dimana :
u
= Kecepatan keliling roda turbin (m/detik)
∅
= Speed ratio = 0,43 s.d 0,47
g
= Percepatan gravitasi bumi = 9,81 (m/detik2)
H
= Head Turbin (m)
2.5.3.3 Putaran Teoritis Turbin
�=
60 �
��
................................................................ (2.8)
Dimana :
N
= Putaran poros turbin (rpm)
D
= Diameter roda jalan (m)
u
= Kecepatan keliling roda turbin (m/detik)
Gambar 2.10. Rumah turbin pelton
2.5.3.4 Ukuran Sudu
1.
Lebar sudu (b)
� = (4 �. � 5) � . ................................................................... (2.9)
Universitas Sumatera Utara
2.
Tinggi sudu (h)
3.
ℎ = (2,1 �. � 2,7) � .............................................................(2.10)
4.
� = (0,81 �. � 1,05) � .........................................................(2.11)
Lebar celah sudu (m)
5.
� = (1,1 �. � 1,25) � ..........................................................(2.12)
Sudut pancaran air masuk sudu (β1)
6.
�1 = 5o �. � 8o ...................................................................(2.13)
Kedalaman sudu (t)
Sudut pancaran air keluar sudu (β2)
�2 = 160o �. � 170o ...........................................................(2.14)
Gambar 2.11. Sudu turbin
2.5.3.5 Gaya Pancar Air Terhadap Sudu
� = � . � (� − �)(1 − �����2 )
................................ (2.15)
Dimana :
F
= Gaya pancar air terhadap sudu (N)
ρ
= Massa jenis air = 1000 (kg/m3)
Q
= Kapasitas aliaran air (m3/detik)
v
= kecepatan air keluar nosel (m/detik)
u
= Kecepatan keliling roda turbin (m/detik)
k
= Faktor gesek permukaan sudu = 0,8 – 0,9
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.12. Diagram vektor kecepatan pada sisi masuk dan sisi keluar sudu
2.5.3.6 Daya
1. Daya Hidrolis
Pa = ρ . g . Ht . Q
................................................
(2.16)
Dimana :
Pa
= Daya hidrolis air (W)
ρ
= Massa jenis air = 1000 (kg/m3)
g
= Percepatan gravitasi bumi = 9,81 (m/detik2)
��
= Head turbin (m)
Q
= Kapasitas air keluar nosel (m3/detik)
2. Daya Kinetik Pancaran Air
�� =
1
2
Dimana :
� . � . �3
......................................................... (2.17)
Pk
= Daya kinetik pancaran air (W)
ρ
= Massa jenis air = 1000 (kg/m3)
A
= Luas penampang nosel (m2)
=
�
4
�2
Universitas Sumatera Utara
= Kecepatan aliran air (m2/detik)
v
3. Daya Poros Turbin
�� = � . �
.................................................................. (2.18)
Dimana :
PT
= Daya poros turbin (W)
F
= Gaya pancar air terhadap sudu (N)
u
= Kecepatan keliling roda turbin (m/detik)
2.5.3.7. Putaran Spesifik
Kecepatan spesifik setiap turbin mempunyai kisaran (range) tertentu
berdasarkan data eksperimen. Kisaran kecepatan spesifik beberapa turbin air adalah
sebagai berikut:
Tabel 2.2. Putaran Spesifik Turbin
(Sumber : M.M. Dandekar & K.N. Sharma, 1991 : 398)
Penggerak
Kecepatan khusus (putaran dalam semenit, rpm)
Lambat
Sedang
Cepat
Pelton
4 – 15
16 – 30
31 – 70
Francis
60 – 150
151 – 250
251 – 400
Kaplan
300 – 450
451 – 700
701 – 1100
Dengan mengetahui kecepatan spesifik turbin, maka perencanaan dan
pemilihan jenis turbin akan menjadi lebih mudah, bahkan dimensi dasar turbin dapat
diestimasi (diperkirakan).
dimana:
�� =
�√�
�
5�
4
. ................................................. (2.19)
Universitas Sumatera Utara
Ns = putaran spesifik (rpm)
N = putaran turbin (rpm)
P = daya (kW)
H = Head (m)
2.5.3.8 Efisiensi
1.
�� =
��
��
Efiisiensi Sudu Turbin
. 100 %
..................................................... (2.20)
Dimana :
ηR
�� =
= Effisiensi sudu turbin
PT
= Daya poros turbin (W)
Pk
= Daya kinetik pancaran air (W)
2.
Efisiensi Turbin
��
��
. 100 %
..................................................... (2.21)
Dimana :
ηT
PT
Pa
= Effisiensi sudu turbin
= Daya poros turbin (W)
= Daya hidrolis air (W)
2.5.4 Perencanaan Poros
Poros merupakan salah satu bagian yang terpenting dari setiap mesin. Hampir semua
mesin
meneruskan
daya
bersama-sama
dengan
putaran.
Peranan
utama
dalam
mentransmisikan putaran dan daya seperti itu dipegang oleh poros.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.13. Poros turbin
2.5.4.1 Macam-macam Poros
Poros untuk meneruskan daya diklasifikasikan menurut pembebanannya, sebagai
berikut :
1.
Poros Transmisi
Poros transmisi mendapatkan beban puntir saja atau puntir dan lentur dan
pengaplikasiannya, tetapi ada juga poros transmisi yang mengalami pembebanan
berupa puntir, lentur, dan aksial. Poros seperti itu biasanya terdapat pada turbin
dimana gaya aksial terjadi karena tumbukan dari fluida kerja yang mengenai sudu.
2.
Poros Spindel
Spindel adalah poros yang ukurannya lebih pendek dari poros transmisi.
Fungsinya untuk meneruskan putaran sehingga mendapatkan pembebanan puntir.
Poros ini harus memiliki kekakuan yang tinggi, karena ditempatkan pada daerah yang
kritis. Pengaplikasiannya seperti pada mesin perkakas atau pada poros motor
penggerak. Poros spindel dianggap menerima puntiran saja.
3.
Poros Gandar
Pada poros jenis ini pembebanan yang terjadi adalah lentur murni, dimana
tidak mendapat beban puntir, kadang-kadang tidak boleh berputar. Gandar hanya
Universitas Sumatera Utara
mendapat beban lentur, kecuali jika digerakkan oleh penggerak mula dimana akan
mengalami beban puntir juga.
Menurut bentuknya, gandar dapat digolongkan atas poros lurus umum, poros
engkol, poros luwes untuk transmisi daya kecil, dan lain-lain. Karena poros gandar
tidak boleh berputar sehingga dianggap hanya menerima beban lentur saja.
2.5.4.2 Hal-hal Penting Dalam Perencanaan Poros
Untuk merencanakan sebuah poros hal-hal sebagai berikut perlu diperhatikan :
a.
Kekuatan Poros
b.
Kekakuan Poros
c.
Putaran Kritis
d.
Korosi
e.
Bahan Poros
Untuk menentukan diameter poros harus ditentukan terlebih dahulu hal-hal
berikut :
1. Daya Rencana Poros
Untuk menghitung diameter poros yang diperlukan, maka harus dihitung
terlebih dahulu daya rencana yaitu dengan persamaan berikut ini :
�� = �� . � .................................................................. (2.22)
Dimana :
Pd
= Daya rencana (kW)
fc
= Faktor koreksi
P
= Daya alternator (kW)
Universitas Sumatera Utara
Faktor koreksi yang diperlukan untuk menghitung daya rencana yang
diperlukan terdapat pada tabel....
Tabel 2.3. Faktor-faktor koreksi daya (fc)
(Sularso, 1994 : 7)
Daya yang ditransmisikan
2.
Faktor koreksi (fc)
Daya rata-rata yang diperlukan
1,2 – 2,0
Daya maksimum yang diperlukan
0,8 – 1,2
Daya normal
1,0 – 1,5
Momen Puntir Poros
Setelah melakukan perhitungan besar daya rencana, maka momen puntir dapat
dihitung dengan persamaan sebagai berikut :
� = 9,74 . 105
Dimana :
3.
��
�
...................................................... (2.23)
T
= Momen puntir (kg.mm)
Pd
= Daya rencana turbin (kW)
n
= Putaran turbin (rpm)
Tegangan Geser Ijin Bahan
Untuk menghitung tegangan geser ijin bahan, maka perlu diketahui terlebih
dahulu kekuatan tarik bahan poros. Persamaan untuk menghitung tegangan geser ijin
bahan adalah sebagai berikut :
�� =
��
��1 . ��2
............................................................. (2.24)
Universitas Sumatera Utara
Dimana :
��
= Tegangan geser ijin bahan (kg/mm2)
��1
= Faktor keamanan puntir
��
= Kekuatan tarik bahan (kg/mm2)
��2
= Faktor keamanan akibat pengaruh konsentrasi
tegangan
dengan harga antara 1,3 – 3,0
4. Diameter Poros
Dalam perencanaan poros ini diperkirakan akan terjadi beban lentur maka
akan dipertimbangkan pemakaian faktor Km yang harganya antara 1,2 sampai 2,3 dan
harga Kt harus diperhatikan yang harganya antara 1,5 sampai 3,0 serta Momen puntir
dan beban aksial akibat tumbukan dari fluida kerja yang mengenai sudu, sehingga
diameter poros dihitung dengan persamaan :
Dimana :
�� = [
5,1
��
�(�� . �2 ) + (�� . � 2 )]1/3 .......................... (2.25)
ds
= Diameter poros (mm)
��
= Tegangan geser yang diijinkan (kg/mm2)
M
= Momen lentur (kg.mm)
T
= Momen puntir (kg.mm)
��
= Faktor koreksi untuk kemungkinan terjadinya
��
= Faktor koreksi terhadap momen puntir yang
beban
lentur yang harganya 1,2 – 2,3
besarnya :
1,0 jika beban dikenakan halus
1,0 – 1,5 jika terjadi sedikit kejutan atau tumbukan
1,5 – 3,0 jika beban dikenakan kejutan atau tumbukan
Universitas Sumatera Utara
2.5.4.3 Pemeriksaan Kekuatan Poros
Hasil diameter poros yang dirancang harus diuji kekuatannya. Pemeriksaan
dapat dilakukan dengan memeriksa tegangan geser yang terjadi akibat tegangan
puntir yang dialami poros. Jika tegangan geser lebih besar dari tegangan geser ijin
dari bahan tersebut, maka perancangan akan dikatakan gagal.
1.
Tegangan Geser Pada Poros
Bila momen puntir T (kg.mm) dibebankan pada suatu diameter poros maka
tegangan geser �� (kg/mm2) yang terjadi dihitung dengan persamaan berikut :
Dimana :
2.
�� =
16 �
................................................................ (2.26)
� . ��3
τp
= Tegangan geser akibat momen puntir (kg/mm2)
T
= Momen puntir yang ditransmisikan (kg.mm)
ds
= Diameter poros (mm)
Gaya Tangensial Poros
Gaya tangensial poros dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut :
�� = �
Dimana :
�
� � . �� 2
�
......................................................... (2.27)
Fp
= Gaya tangensial poros (kg)
T
= Momen puntir (kg.mm)
ds
= Diameter poros (mm)
Universitas Sumatera Utara
��2
= Faktor keamanan akibat pengaruh konsentrasi
tegangan
dengan harga antara 1,3 – 3,0
2.5.5 Perencanaan Bantalan
Bantalan adalah elemen mesin yang menumpu poros berbeban, sehingga putaran atau
gerak bolak-balik dapat bekerja dengan aman, halus dan panjang umur. Bantalan harus kokoh
untuk memungkinkan poros atau elemen mesin lainnya dapat bekerja dengan baik. Jika
bantalan tidak bekerja dengan baik, maka prestasi kerja seluruh sistem akan menurun atau
tidak dapat bekerja semestinya. Jadi, jika disamakan pada gedung, maka bantalan dalam
permesinan dapat disamakan dengan pondasi pada suatu gedung.
2.5.5.1 Klasifikasi Bantalan
Berdasarkan dasar gerakan bantalan terhadap poros, maka bantalan dapat
diklasifikasikan sebagai berikut :
1.
Bantalan luncur
Bantalan luncur mampu menumpu poros berputaran tinggi dengan beban yang
besar. Bantalan ini memiliki konstruksi yang sederhana dan dapat dibuat dan
dipasang dengan mudah. Bantalan luncur memerlukan momen awal yang besar
karena gesekannya yang besar pada waktu mulai jalan. Pelumasan pada bantalan ini
tidak begitu sederhana, gesekan yang besar antara poros dengan bantalan
menimbulkan efek panas sehingga memerlukan suatu pendinginan khusus.
Gambar 2.14. Pelumasan bantalan luncur
Universitas Sumatera Utara
Lapisan pelumas pada bantalan ini dapat meredam tumbukan dan getaran
sehingga hampir tidak bersuara. Tingkat ketelitian yang diperlukan tidak setinggi
bantalan gelinding sehingga harganya lebih murah. Adapun macam-macam dari
bantalan luncur adalah sebagai berikut :
2.
a.
Bantalan radial
b.
Bantalan aksial
c.
Bantalan khusus
Bantalan gelinding
Pada bantalan ini terjadi gesekan gelinding antara bagian yang berputar
dengan yang diam melalui elemen gelinding seperti bola (peluru), rol jarum dan rol
bulat. Bantalan gelinding pada umumnya cocok untuk beban kecil daripada bantalan
luncur, tergantung pada bentuk elemen gelindingnya. Putaran pada bantalan ini
dibatasi oleh gaya sentrifugal yang timbul pada elemen gelinding tersebut. Bantalan
gelinding hanya dibuat oleh pabrik-pabrik tertentu saja karena konstruksinya yang
sukar dan ketelitiannya yang tinggi. Harganya pun pada umumnya relatif lebih mahal
jika dibandingkan dengan bantalan luncur.
Bantalan gelinding diproduksi menurut standar dalam berbagai ukuran dan
bentuk, hal ini dilakukan agar biaya produksi menjadi lebih efektif serta memudahkan
dalam pemakaian bantalan tersebut. Keunggulan dari bantalan gelinding yaitu,
gesekan yang terjadi pada saat berputar sangat rendah. Pelumasannya pun sangat
sederhana, yaitu cukup dengan gemuk, bahkan pada jenis bantalan gelinding yang
memakai seal sendiri tidak perlu pelumasan lagi. Meskipun ketelitiannya sangat
tinggi, namun karena adanya gerakan elemen gelinding dan sangkar, pada putaran
yang tinggi bantalan ini agak gaduh jika dibandingkan dengan bantalan luncur.
Universitas Sumatera Utara
Jenis bantalan yang digunakan sesuai dengan diameter poros terdapat pada
tabel 2.2 di bawah ini.
Gambar 2.15. Macam-macam bantalan peluru
2.5.5.2 Rumus Perhitungan Bantalan
Rumus perhitungan bantalan gelinding antara lain mengenai (Sularso, 2004)
1.
Beban Ekuivalen Dinamis
P = X . V. Fr + Fa .Y .............................................
(2.28)
Dimana :
P
= Beban ekuivalen dinamis (kg)
Fr
= Beban radial (kg)
Fa
= Beban aksial (kg)
X,V,Y = Faktor-faktor yang mempengaruhi perhitungan beban
ekuivalen dinamis terdapat pada tabel 2 pada lampiran.
2.
Faktor Kecepatan (fn)
3 3,3
f n=
n
1/ 3
.....................................................
(2.29)
Dimana :
Universitas Sumatera Utara
3.
fn
= Faktor kecepatan
n
= Kecepatan poros (rpm)
Faktor Umur (fh)
fh = fn
c
P
.........................................................
(2.30)
Dimana :
4.
fh
= Faktor umur
fn
= Faktor kecepatan
C
= Kapasitas nominal dinamis spesifik (kg)
P
= Beban ekuivalen dinamis (kg)
Umur Bantalan (Lh)
3
Lh = 500 fh
...................................................
(2.31)
Dimana :
Lh
= Umur bantalan (jam)
fh
= Faktor umur
2.5.6 Perencanaan Sekrup
Sekrup merupakan salah satu alat pengikat yang sering digunakan. Untuk mencegah
kecelakaan atau kerusakan pada mesin, pemilihan sekrup sebagai alat pengikat harus
dilakukan dengan kebutuhan rangkaian.
Sekrup mempunyai diameter sampai 8 mm dan untuk pemakaian khusus tidak ada
beban besar. Kepalanya mempunyai alur lurus atau silang untuk dapat dikuatkan dengan
obeng. Adapun macam-macam sekrup, yaitu :
a.
Kepala bulat alur silang
b.
Kepala bulat beralur lurus
Universitas Sumatera Utara
c.
Macam panci
d.
Kepala rata alur bersilang
e.
Kepala benam lonjong
Gambar 2.16. Sekrup dengan bermacam–macam bentuk kepala serta teknik pemutarnya
Sekrup penetap digunakan untuk menetepkan naff pada porosnya, sedang bentuk
ujungnya disesuaikan dengan penggunaannya.
Gambar 2.17. Sekrup penetap
Keterangan :
1.
Beralur
5. Ujung rata
2.
Lekuk (soket) segienam
6. Ujung kerucut
3.
Kepala bujur sangkar
7. Ujung berleher
4.
Ujung mangkok
8. Ujung bulat
Penggunaan baut-mur dan sekrup yang sesuai dengan diameter ulirnya terlihat pada
tabel 3 yang terdapat pada lampiran.
Universitas Sumatera Utara
Untuk menentukan ukuran mur-baut dan sekrup, berbagai faktor harus diperhatikan
seperti sifat gaya yang bekerja, syarat kerja, kekuatan bahan dan kelas ketelitian. Adapun
gaya-gaya yang bekerja pada mur-baut dan sekrup berupa:
a.
Beban statis aksial murni
b.
Beban aksial bersama dengan beban puntir
c.
Beban geser
d.
Beban aksial tumbukan
Persamaan-persamaan yang digunakan untuk menentukan diameter ulir pada
perencanaan mur-baut dan sekrup sebagai berikut :
�� ≥ �
��
4�
�
� 0,64
...................................................... (2.32)
Atau
2�
�� ≥ �
��
........................................................
(2.33)
Dan,
�� = 0,8 �
Sehingga,
� = 1,25 �� ..................................... (2.35)
Dimana :
..................................... (2.34)
dc
= Diameter batang ulir (mm)
d
= Diameter luar ulir (mm)
W
= Beban tarik aksial pada baut (kg)
��
= Tegangan geser yang diijinkan (kg/mm2)
Harga �� tergantung dari macam bahan, yaitu SS, SC atau SF. Jika ditulis tinggi faktor
keamanan dapat diambil sebesar 6-8 dan jika difinis biasa besarnya antara 8-10. Untuk baja
Universitas Sumatera Utara
liat yang mempunyai kadar karbon 0,2 – 0,3 (%), tegangan yang diijinkan �� umumnya
adalah sebesar 6 kg/mm2 jika difinis tinggi dan 4,86 kg/mm2 jika difinis biasa.
2.5.7 Perencanaan Puli dan Sabuk
2.5.7.1 Puli (Pulley)
Puli biasanya digunakan untuk mentransmisikan atau memindahkan tenaga
dari poros yang satu ke poros yang lainnya dengan bantuan belt atau sabuk. Bahan
puli biasanya terbuat dari besi tuang, baja tuang atau baja press, aluminium, kayu dan
kertas. Puli yang terbuat dari baja dicetak atau di-press mempunyai koefisien yang
rendah dan membutuhkan pengerjaan yang rumit.
Gambar 2.18. Variasi diamter ukuran puli
Secara teoritis, persamaan-persamaan dalam perencanaan puli adalah
sebagai berikut :
1.
Dimana :
�� = � . �
Torsi Puli
��
2
�
........................................................... (2.36)
Tp
= Torsi puli (N.mm)
F
= Beban puli (N)
Dp
= Diameter puli (mm)
Universitas Sumatera Utara
2.
Dimana :
Dimana :
Dimana :
�� =
�=
Tarikan Efektif Rem
�
............................................................. (2.37)
�� / 2
Fe
= Tarikan efektif rem (N)
T
= Momen torsi poros (N.mm)
Dp
= Diameter puli (mm)
3.
Koefisien Gesek
ln �� −ln (�� − �)
...................................................... (2.38)
����
µ
= Koefisien gesek
θ
= Sudut kontak = 90o
4.
Koefisien Gaya Terhadap Gaya Gesek
� = � . �� . �� . ��
F
.................................................. (2.39)
= Gaya gesek (N)
µ
= Koefisien gesek
PT
= Daya poros turbin (W)
Ap
= Luas penampang puli (m2)
ls
= Lebar sabuk (m)
2.5.7.2 Sabuk (Belt)
Sabuk atau belt biasanya digunakan untuk memindahkan daya dari poros yang
satu ke poros yang lainnya dengan bantuan puli dimana puli berputar dengan
Universitas Sumatera Utara
kecepatan yang sama atau pada kecepatan yang berbeda. Jumlah daya yang
dipindahkan tergantung pada beberapa faktor, yaitu :
a.
Kecepatan sabuk
b.
Tegangan di bawah sabuk dimana sabuk diletakkan di atas puli
c.
Sudut kotak antara sabuk dan puli yang lebih kecil
Material yang digunakan untuk bahan belt harus kuat, fleksibel dan
mempunyai daya tahan yang lama. Material belt juga harus menggunakan koefisien
yang tinggi terhadap gesekan. Bahan belt yang biasa digunakan adalah :
a.
Leather belt
b.
Cotton or pabric belt
c.
Rubber belt
d.
Balata belt
Sabuk yang digunakan pada rancang bangun ini adalah sabuk gilir ( tipe J)
yang terlihat pada gambar 2.20.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.19. Berbagai macam sabuk transmisi daya
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.20. Tipe, ukuran dan pemakaian pada sabuk gilir
Universitas Sumatera Utara
2.5.7.3 Sistem Transmisi Puli dan Sabuk
1. Rasio Kecepatan
Rasio kecepatan adalah rasio antara kecepatan puli penggerak (driver) dan
puli yang digerakkan (driven). Dinyatakan secara matematis :
Panjang sabuk yang melewati driver dalam 1 menit :
L1 = π d1 n1 ............................................................
(2.40)
Panjang sabuk yang melewati driven dalam 1 menit :
L2 = π d2 n2
...........................................................
(2.41)
Karena panjang sabuk yang melewati driver dalam 1 menit adalah sama
dengan panjang sabuk yang melewati driven dalam 1 menit, sehingga :
π d1 n1 = π d2 n2 .................................................. (2.42)
Sehingga kecepatan rasio adalah :
�2
�1
�1
=
�2
......................................................................... (2.43)
Ketika ketebalan sabuk dianggap (t), maka rasio kecepatan menjadi :
�2
�1
�1+ �
=
�2+ �
..................................................................... (2.44)
Perbandingan putaran :
Dimana :
�=
�1
�2
........................................................................... (2.45)
d1
= Diameter driver (mm)
d2
= Diameter driven (mm)
n1
= Kecepatan driver (rpm)
n2
= Kecepatan driven/pengikut (rpm)
2.
Kecepatan Sabuk
Universitas Sumatera Utara
Dimana :
Dimana :
�=
�� . � 1
60 .1000
................................................................... (2.46)
V
= Kecepatan sabuk (m/detik)
Dp
= Diameter puli penggerak (mm)
n1
= Putaran poros penggerak (rpm)
3.
Koefisien Gesek Antara Puli dan Sabuk
� = 0,45 −
42,6
152,6+�
μ
= Koefisien gesekan antara puli dan sabuk.
V
= Kecepatan sabuk (m/menit)
4.
Analisa Momen Torsi (T1,T2)
�1 = 9,74 . 105 �
Dimana :
..................................................... (2.47)
��
�1
�2 = 9,74 . 105 . �
� .................................................... (2.48)
��
�2
� ................................................... (2.49)
T1
= Momen torsi puli penggerak (kg.mm)
T2
= Momen torsi puli yang digerakkan (kg.mm)
Pd
= Daya rencana (kW)
n1
= Putaran poros penggerak (rpm)
n2
= Putaran poros yang digerakkan (rpm)
Universitas Sumatera Utara
5.
Panjang Sabuk
�
� = (�1 + �2 ) + 2� +
2
(� 1 − � 2 )2
4�
............................... (2.50)
Gambar 2.21. Transmisi puli dan sabuk
2.5.8 Perencanaan Generator
2.5.8.1 Pengertian Generator
Dinamo (Generator) atau pembangkit listrik yang sederhana dapat ditemukan
pada sepeda. Pada sepeda, biasanya dinamo digunakan untuk menyalakan lampu.
Caranya ialah bagian atas dinamo (bagian yang dapat berputar) dihubungkan ke roda
sepeda. Pada proses itulah terjadi perubahan energi gerak menjadi energi listrik.
Generator (dinamo) merupakan alat yang prinsip kerjanya berdasarkan induksi
elektromagnetik. Alat ini pertama kali ditemukan oleh Michael Faraday.
Berkebalikan dengan motor listrik, generator adalah mesin yang mengubah
energi kinetik menjadi energi listrik. Energi kinetik pada generator dapat juga
diperoleh dari angin atau air terjun. Berdasarkan arus yang dihasilkan. Generator
dapat dibedakan menjadi dua rnacam, yaitu generator AC dan generator DC.
Generator AC menghasilkan arus bolak-balik (AC) dan generator DC menghasilkan
arus searah (DC). Baik arus bolak-balik maupun searah dapat digunakan untuk
penerangan dan alat-alat pemanas.
Universitas Sumatera Utara
2.5.8.2 Cara Kerja Dinamo
Prinsip kerja dinamo sama dengan generator yaitu memutar kumparan di
dalam medan magnet atau memutar magnet di dalam kumparan. Bagian dinamo yang
berputar disebut rotor. Bagian dinamo yang tidak bergerak disebut stator. antara
dinamo DC dengan dinamo AC terletak pada cincin yang digunakan. Pada dinamo
arus searah menggunakan satu cincin yang dibelah menjadi dua yang disebut cincin
belah (komutator). Cincin ini memungkinkan arus listrik yang dihasilkan pada
rangkaian luar Dinamo berupa arus searah walaupun di dalam dinamo sendiri
menghasilkan arus bolak-balik. Adapun, pada dinamo arus bolak-balik menggunakan
cincin ganda (dua cincin). Alat pembangkit listrik arus bolak balik yang paling
sederhana adalah dinamo sepeda. Tenaga yang digunakan untuk memutar rotor adalah
roda sepeda. Jika roda berputar, kumparan atau magnet ikut berputar. Akibatnya,
timbul GGL induksi pada ujung-ujung kumparan dan arus listrik mengalir. Makin
cepat gerakan roda sepeda, makin cepat magnet atau kumparan berputar. Makin besar
pula GGL induksi dan arus listrik yang dihasilkan. Jika dihubungkan dengan lampu,
nyala lampu makin terang. GGL induksi pada dinamo dapat diperbesar dengan cara
putaran roda dipercepat, menggunakan magnet yang kuat (besar), jumlah lilitan
diperbanyak, dan menggunakan inti besi lunak di dalam kumparan.
2.5.8.3 Macam-macam Generator
Adapun macam-macam dari generator adalah sebagai berikut :
1. Generator DC
Gambar 2.22. Generator DC
Universitas Sumatera Utara
Prinsip kerja generator (dinamo) DC sama dengan generator AC. Namun, pada
generator DC arah arus induksinya tidak berubah. Hal ini disebabkan cincin yang
digunakan pada generator DC berupa cincin belah (komutator).
2. Generator AC
Gambar 2.23. Generator AC
Bagian utama generator AC terdiri atas magnet permanen (tetap), kumparan
(solenoida). cincin geser, dan sikat. Pada generator. perubahan garis gaya magnet
diperoleh dengan cara memutar kumparan di dalam medan magnet permanen. Karena
dihubungkan dengan cincin geser, perputaran kumparan menimbulkan GGL induksi
AC. OIeh karena itu, arus induksi yang ditimbulkan berupa arus AC. Adanya arus AC
ini ditunjukkan oleh menyalanya lampu pijar yang disusun seri dengan kedua sikat.
Sebagaimana percobaan Faraday, GGL induksi yang ditimbulkan oleh generator AC
dapat diperbesar dengan cara :
a.
Memperbanyak lilitan kumparan,
b.
Menggunakan magnet permanen yang lebih kuat.
c.
Mempercepat perputaran kumparan, dan menyisipkan inti besi lunak
ke dalam kumparan.
Contoh generator AC yang sering kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari
adalah dinamo sepeda. Bagian utama dinamo sepeda adalah sebuah magnet tetap dan
kumparan yang disisipi besi lunak. Jika magnet tetap diputar,perputaran tersebut
menimbulkan GGL induksi pada kumparan. Jika sebuah lampu pijar (lampu sepeda)
Universitas Sumatera Utara
dipasang pada kabel yang menghubungkan kedua ujung kumparan. lampu tersebut
akan dilalui arus induksi AC. Akibatnya, lampu tersebut menyala. Nyala lampu akan
makin terang jika perputaran magnet tetap makin cepat (laju sepeda makin kencang).
2.5.8.4 Pemilihan Generator Pada Turbin
Dinamo sepeda merupakan generator kecil yang dapat menghasilkan arus
listrik yang kecil pula. Pada dinamo sepeda prinsip kerjanya yaitu energi gerak dari
poros turbin diubah menjadi energi potensial listrik melalui transmisi puli dan sabuk.
Besarnya tegangan listrik yang dihasilkan dinamo sepeda ini ditentukan oleh cepatnya
roda turbin yang berputar melalui perantaraan poros. Semakin cepat putaran poros
turbin semakin cepat putaran dinamo dan arus listrik yang dihasilkan semakin besar
pula, biasanya dinamo dapat menghasilakan tegangan 6 sampai 12 Volt. Dinamo
sepeda intinya adalah sebuah magnet yang dapat berputar dan sebuah kumparan tetap.
Gambar 2.24. Dinamo sepeda
Hubungan antara kecepatan, flux medan dan tegangan dinamo ditunjukkan
dalam persamaan sebagai berikut :
E = K . Φ . N...........................................................
(2.51)
Dan
T = K . Φ . Ia...............................................................................
(2.52)
Universitas Sumatera Utara
Persamaan K dimasukkan ke persamaan E menjadi :
�=
�
� . ��
� . � ............................................................. (2.53)
� . ��
........................................................................ (2.54)
Sehingga momen torsi dinamo adalah :
Dimana :
�=
�
E
= Gaya elektromagnetik yang dikembangkan pada terminal
dinamo/tegangan dinamo (Volt)
Φ
= Flux medan yang berbanding lurus dengan arus medan
n
= Kecepatan poros dinamo (rpm)
T
= Torsi elektromagnetik (N.m)
Ia
= Arus dinamo (Ampere)
K
= Konstanta persamaan.
Universitas Sumatera Utara