Uji Eksperimental Turbin Kaplan Dengan 5 Runner Blade Dan Analisa Perbandingan Variasi Jarak Vertikal Runner Terhadap Sudut Guide Vane 600.

(1)

UJI EKSPERIMENTAL TURBIN KAPLAN DENGAN 5

RUNNER BLADE DAN ANALISA PERBANDINGAN

VARIASI JARAK VERTIKAL RUNNER TERHADAP

SUDUT GUIDE VANE 60

SKRIPSI

Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

DAVID HAROLD NIM. 090401047

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

ABSTRAK

Listrik merupakan salah satu jenis energi yang paling banyak diaplikasikan dalam kehidupan sehari-hari sehingga kebutuhan akan energi ini sangat tinggi. Berbagai jenis pembangkit listrik telah banyak dikembangkan. Salah satunya pembangkit listrik tenaga mikrohidro yang sangat berpotensi dikembangkan di Indonesia mengingat banyaknya sumber air yang tersedia dan dapat dimanfaatkan untuk membantu masyarakat pedesaan yang belum terjangkau PLN.

Dalam tugas akhir ini di desain dan dibuat turbin kaplan dengan menggunakan satu unit pompa sentrifugal sebagai simulasi aliran air di alam. Kapasitas air (Q) sebesar 0,88 liter/detik dan head instalasi (H) sebesar 1 meter. Selanjutnya untuk mengetahui efektivitas turbin Kaplan dengan 5 runner blade maka dilakukan uji eksperimental dengan variasi jarak vertikal runner terhadap guide vane sebesar 1 cm, 3 cm, dan 5 cm. Maka setelah dilakukan pengujian didapat daya pengisian listrik yang dihasilkan oleh alternator tanpa beban pada jarak 1 cm sebesar 3,969 Watt, pada jarak 3 cm sebesar 2,405 Watt, dan pada jarak 5 cm sebesar 1,591 Watt. Data ini memperlihatkan efisiensi turbin yang paling tinggi terletak pada jarak 1 cm.

(3)

ABSTRACT

Electricity is one of the most widely applied energy in everyday life so that the need for energy is very high. Various types of power plants has been developed. One of these micro hydro power plant which is very likely to be developed in Indonesia considering the number of water sources available and can be used to help rural communities not reached by PLN.

In this final task in the design and made kaplan turbine using a centrifugal pump unit as in the natural water flow simulation. Water capacity (Q) of 0.88 liters / sec and head installation (H) of 1 meter. Furthermore, to determine the effectiveness of Kaplan turbine with 5 runner blade then tested experimentally by variations in vertical distance runner of the guide vane by 1 cm, 3 cm and 5 cm. So after testing obtained charging power electricity generated by the alternator without load at a distance of 1 cm at 3,969 watt, at a distance of 3 cm of 2,405 Watt, and at a distance of 5 cm at 1,591 Watt. These data show that most high turbine efficiency lies at a distance of 1 cm.

Keywords: Water Capacity, Head, Vertical Distance of Runnerwith The Guide Vane

(4)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala rahmat dan karuniaNya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.

Skripsi ini adalah salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan dan memperoleh gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun judul skripsi yang penulis kerjakan ini adalah “Uji Eksperimental Turbin Kaplan Dengan 5 Runner Blade Dan Analisa Perbandingan Variasi Jarak Vertikal Runner Terhadap Sudut Guide Vane 600”.

Dalam menyelesaikan skripsi ini, penulis banyak sekali mendapat dukungan dari berbagai pihak. Maka pada kesempatan ini, penulis ingin menghanturkan ucapan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT sebagai dosen pembimbing yang telah banyak memberikan bimbingan kepada penulis dalam menyelesaikan skripsi ini. 2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik

Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

3. Bapak/Ibu Staf Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

4. Abangda Sarjana,ST yang telah banyak membantu dalam pengerjaan instalasi turbin Kaplan ini.

5. David Permadi, Jannes Tampubolon, Jan Purba selaku teman satu kelompok dalam pengerjaan Turbin Kaplan.

6. Orang tua yang sangat disayangi penulis, H. Manurung dan M. Siahaan untuk perjuangan, doa dan kasih sayangnya kepada penulis.

7. Keluarga Besar Manurung dan Siahaan yang telah banyak memberikan nasehat, semangat dan materi kepada penulis selama menyelesaikan pendidikan S1.

(5)

8. Adik yang sangat disayangi penulis, Andreas Harison Manurung, Chyntia Regina Manurung dan Jonathan Perwira Manurung atas dukungan semangat dan doanya kepada penulis.

9. Teman yang sangat disayangi Anasthazya Christy Hanna Sinaga yang sangat mendukung dan memberi semangat kepada penulis.

10.Seluruh mahasiswa Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Terkhusus untuk kawan-kawan seperjuangan stambuk 2009 atas Solidarity Forevernya.

Penulis menyadari masih banyak kekurangan-kekurangan di dalam skripsi ini. Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang membangun untuk penyempurnaan skripsi ini.

Medan, Desember 2014 Penulis,

David Harold Manurung NIM. 090401047

(6)

DAFTAR ISI

ABSTRAK ... i

ABSTRACT ... ii

KATA PENGANTAR ... iii

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR GAMBAR ... viii

DAFTAR TABEL ... x

DAFTAR NOTASI ... xi

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan Penelitian ... 4

1.2.1 Tujuan Umum ... 4

1.2.2 Tujuan Khusus ... 4

1.3 Batasan Masalah ... 4

1.4 Metodologi Penelitian ... 5

1.5 Manfaat Penelitian ... 5

1.6 Keluaran Skripsi ... 6

1.7 Sistematika Penulisan ... 6

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Potensi Tenaga Air ... 8

2.2 Sejarah Turbin Air ... 10

2.3 Klasifikasi Turbin Air ... 12

2.3.1 Turbin Impuls ... 12

2.3.1.1 Turbin Pelton ... 12

2.3.1.2 Turbin Turgo ... 13

(7)

2.3.2 Turbin Reaksi ... 14

2.3.2.1 Turbin Francis ... 14

2.3.2.2 Turbin Kaplan ... 15

2.3.2.2.1 Prinsip Kerja Turbin Kaplan ... 16

2.3.2.2.2 Komponen Utama Turbin Kaplan ... 16

2.3.2.2.3 Dimensi Dasar Turbin Kaplan ... 19

2.3.2.2.4 Dimensi Dasar Runner Blade ... 20

2.4 Karakteristik Turbin ... 21

2.5 Seleksi Awal Jenis Turbin ... 22

2.6 Alternator ... 24

2.7 Sabuk Datar dan Puli ... 25

2.7.1 Jenis Gerakan Pada Sabuk ... 26

2.7.2 Perbandingan Kecepatan Puli ... 28

2.7.3 Efisiensi Puli ... 28

2.8 Daya Listrik ... 28

BAB III METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN 3.1 Umum ... 29

3.2 Spesifikasi Turbin Kaplan ... 30

3.3 Rancang Bangun Instalasi ... 31

3.4 Peralatan Pengujian ... 31

3.4.1 Hand Tachometer ... 31

3.4.2 Clamp Meter ... 32

3.4.3 Multimeter ... 33

3.4.4 Turbin Alternator ... 34

3.4.5 Instalasi Rangkaian Lampu ... 34

3.4.6 Pompa ... 35

3.5 Pelaksanaan Pengujian ... 36

BAB IV ANALISA DATA DAN HASIL PENGUJIAN 4.1 Perhitungan Dimensi Dasar Turbin Kaplan ... 39

4.1.1 Kapasitas Aktual dan Head Efektif Instalasi ... 39

(8)

4.2 Perhitungan Efisiensi Turbin Kaplan dengan 5 Runner Blade pada Sudut Guide Vane 600 dan Jarak Vertikal Runner

Terhadap Guide Vane Sebesar 1 cm ... 44 4.2.1 Arus, Tegangan dan Putaran ... 44 4.2.2 Analisa Daya dan Putaran Alternator Pemberian Beban .. 45 4.2.3 Pengujian Torsi - Putaran Berbeban ... 48 4.2.4 Efisiensi Daya Turbin dan Efisiensi Daya Alternator ... 49 4.2.5 Efisiensi Puli ... 50 4.3 Perhitungan Efisiensi Turbin Kaplan dengan 5 Runner Blade

pada Sudut Guide Vane 600 dan Jarak Vertikal Runner

Terhadap Guide Vane Sebesar 3 cm ... 50 4.3.1 Arus, Tegangan dan Putaran ... 51 4.3.2 Analisa Daya dan Putaran Alternator Pemberian Beban .. 51 4.3.3 Pengujian Torsi - Putaran Berbeban ... 54 4.3.4 Efisiensi Daya Turbin dan Efisiensi Daya Alternator ... 55 4.3.5 Efisiensi Puli ... 56 4.4 Perhitungan Efisiensi Turbin Kaplan dengan 5 Runner Blade

pada Sudut Guide Vane 600 dan Jarak Vertikal Runner

Terhadap Guide Vane Sebesar 5 cm ... 56 4.4.1 Arus, Tegangan dan Putaran ... 56 4.4.2 Analisa Daya dan Putaran Alternator Pemberian Beban .. 57 4.4.3 Pengujian Torsi - Putaran Berbeban ... 60 4.4.4 Efisiensi Daya Turbin dan Efisiensi Daya Alternator ... 61 4.4.5 Efisiensi Puli ... 62 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan ... 64 5.2 Saran ... 65 DAFTAR PUSTAKA ... xiii

(9)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Turbin Pelton ... 12

Gambar 2.2 Turbin Turgo ... 13

Gambar 2.3 Turbin Ossberger atau Turbin Crossflow (Turbin Michell- Banki) ... 14

Gambar 2.4 Turbin Francis ... 15

Gambar 2.5 Turbin Kaplan ... 15

Gambar 2.6 Rumah Turbin ... 16

Gambar 2.7 Guide Vane ... 17

Gambar 2.8 Runner Blade ... 18

Gambar 2.9 Draft Tube ... 18

Gambar 2.10 Elemen Dasar Turbin Kaplan ... 19

Gambar 2.11 Segitiga Kecepatan Masuk dan Keluar Ranner Blade ... 20

Gambar 2.12 Grafik Perbandingan Karakteristik Turbun ... 21

Gambar 2.13 Alternator ... 24

Gambar 2.14 Sabuk Terbuka ... 26

Gambar 2.15 Gerakan Membelit atau Melingkar pada Sabuk ... 27

Gambar 2.16 Gerakan dengan Puli Pengarah ... 27

Gambar 3.1 Instalasi Turbin Kaplan ... 31

Gambar 3.2 Hand Tachometer ... 32

Gambar 3.3 Clamp Meter ... 32

Gambar 3.4 Multimeter ... 34

Gambar 3.5 Alternator ... 34

Gambar 3.6 Rangkaian Lampu ... 35

Gambar 3.7 Pompa ... 35

Gambar 4.1 Instalasi Pipa ... 40

Gambar 4.2 Arah Aliran Sudu ... 44 Gambar 4.3 Grafik Perubahan Daya Alternator terhadap Penambahan

Beban pada Jarak Vertikal Runner 1 cm terhadap Guide 0

(10)

Gambar 4.4 Grafik Perubahan Putaran Alternator terhadap Penambahan

Beban Lampu pada Jarak Vertikal Sebesar 1 cm ... 47 Gambar 4.5 Grafik Torsi vs Putaran pada 5 Runner Blade Dengan Jarak

1 cm ... 48 Gambar 4.6 Grafik Perubahan Daya Alternator terhadap Penambahan

Beban pada Jarak Vertikal Runner 3 cm terhadap Guide

Vane 600 ... 53 Gambar 4.7 Grafik Perubahan Putaran Alternator terhadap Penambahan

Beban Lampu pada Jarak Vertikal Sebesar 3 cm ... 53 Gambar 4.8 Grafik Torsi vs Putaran pada 5 Runner Blade Dengan Jarak

3 cm ... 54 Gambar 4.9 Grafik Perubahan Daya Alternator terhadap Penambahan

Beban pada Jarak Vertikal Runner 5 cm terhadap Guide

Vane 600 ... 59 Gambar 4.10 Grafik Perubahan Putaran Alternator terhadap Penambahan

Beban Lampu pada Jarak Vertikal Sebesar 5 cm ... 59 Gambar 4.11 Grafik Torsi vs Putaran pada 5 Runner Blade Dengan Jarak

5 cm ... 60 Gambar 4.12 Grafik Efisiensi vs Jarak Vertikal ... 63

(11)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Jenis-jelis Turbin Air dan Kisaran Kecepatan Spesifikasi (Ns) 23 Tabel 2.2 Perbedana Alternator dengan Generator ... 25 Tabel 3.1 Jangkauan dan Akurasi Clamp Meter ... 33 Tabel 4.1 Hasil Pengukuran Kapasitas Aktual Instalasi ... 39 Tabel 4.2 Hasil Percobaan dan Daya Alternator pada Jarak Vertikal

Sebesar 1 cm ... 46 Tabel 4.3 Hasil Pengujian Torsi dan Putaran Berbeban pada 5 Runner

Blade dengan Jarak 1 cm... 48 Tabel 4.4 Hasil Percobaan dan Daya Alternator pada Jarak Vertikal

Sebesar 3 cm ... 52 Tabel 4.5 Hasil Pengujian Torsi dan Putaran Berbeban pada 5 Runner

Blade dengan Jarak 3 cm... 54 Tabel 4.6 Hasil Percobaan dan Daya Alternator pada Jarak Vertikal

Sebesar 5 cm ... 58 Tabel 4.7 Hasil Pengujian Torsi dan Putaran Berbeban pada 5 Runner

Blade dengan Jarak 5 cm... 60 Tabel 4.8 Hasil Perbandingan Jarak Vertikan Terhadap Efisiensi ... 63

(12)

DAFTAR NOTASI

SIMBOL ARTI SATUAN

A Luas Penampang m2

Ab Luas area runner blade cm2

B Tinngi Guide Vane m

D Diameter m

Dpt Diameter Poros Turbin m

Dalt Diameter Poros Altenator m

d Diameter Hub m

Ek Energi Kinetik kg.m2/s2

Ep Energi Potensial joule

g Percepatan Gravitasi m/s2

Hd Head discharge m

Hs Head suction m

Heff Head Effektif m

hf Head Loses Mayor m

hm Head Loses Minor m

I Kuat Arus ampere

K Koefisien Kerugian Pipa -

L Panjang Pipa m

m Massa kg

mpt Massa Turbin kg

malt Massa Altenator kg

Ns Kecepatan Spesifik rpm

n Putaran rpm

P Daya watt

PA Daya Altenator Hasil Pengujian watt

Pair Daya Air watt

Q Kapasitas Aliran/Debit Air m3/s

(13)

Ri Jari-jari hub cm

T Waktu s

V Tegangan Listrik volt

v Kecepatan m/s

ys Jarak pusat blade m

(14)

ABSTRAK

(15)

ABSTRACT

Keywords: Water Capacity, Head, Vertical Distance of Runnerwith The Guide Vane

(16)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1LATAR BELAKANG

Di zaman modern seperti saat sekarang ini masyarakat sangat bergantung pada kesediaan sumber daya energi. Tenaga listrik sebagai salah satu bentuk sumber daya energi memiliki berbagai kelebihan kualitatif dibandingkan dengan sumber daya energi primer lainnya. Dengan adanya tenaga listrik, segala aktivitas kegiatan sehari-hari dapat dilakukan dengan mudah dan cepat.

Tenaga listrik juga merupakan salah satu faktor yang menentukan pencapaian sasaran pembangunan nasional dan pengerak roda perekonomian negara. Tingginya pertumbuhan permintaan akan tenaga listrik tidak dapat diimbangi oleh pertumbuhan penyediaan tenaga listrik telah menyebabkan timbulnya kondisi krisis penyediaan tenaga listrik di beberapa daerah, yang hal ini menyebabkan terhambatnya perkembangan ekonomi daerah tersebut dan nasional. Indonesia adalah Negara kepulauan dengan jumlah pulau yang mencapai ribuan. Dari sekian banyak pulau tersebut belum semua pulau yang dihuni manusia dapat menikmati listrik. Akibat sulitnya lokasi yang tidak dapat dijangkau oleh jaringan listrik PLN, secara social lingkungan timbul kesenjangan perekonomian, pendidikan dan kesehatan.

Kemajuan teknologi sekarang banyak dibuat peralatan-peralatan yang inovatif dan tepat guna. Salah satu contoh dalam bidang teknik mesin terutama dalam bidang konversi energi dan pemanfaatan alam sebagai sumber energi. Diantaranya adalah pemanfaatan air yang bisa digunakan untuk menghasilkan listrik.

Sebagai upaya untuk memenuhi kebutuhan akan tenaga listrik sekaligus penanggulangan kondisi krisis penyediaan tenaga listrik di beberapa daerah.

(17)

Indonesia dengan wilayahnya yang beriklim tropis dengan curah hujan yang tinggi dan kondisi topografi yang bergunung-gunung dengan aliran sungai yang berpotensi untuk dikembangkan sebagai pembangkit tenaga listrik. Potensi ini sebagian besar tersebar didaerah pedesaan, sementara diperkirakan masih banyak penduduk desa yang belum menikmati energi listrik sehingga sangat tepat untuk mengembangkan pembangkit tenaga listrik.

Tenaga air adalah energi yang diperoleh dari air yang mengalir. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam wujud energi mekanis maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air banyak digunakan dengan menggunakan kincir air dan turbin air yang memanfaatkan adanya suatu air terjun atau aliran air disungai.

Salah satu opsi dalam pengembangan sektor energi adalah pemanfaatan Pembangkit Listrik Tenaga Mini Hidro (PLTM) dan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) untuk daerah terpencil yang tidak terjangkau oleh jaringan listrik PLN. Pembangunan PLTM dan PLTMH tidak memerlukan relokasi tempat tinggal masyarakat setempat akibat pembuatan bendungan atau waduk. Lebih jauh, pemanfaatan PLTM dan PLTMH diharapkan dapat menyediakan tenaga listrik yang murah dan ramah lingkungan serta dapat berdampak pada kesadaran masyarakat untuk melestarikan hutan sebagai penjaga kelestarian sumber daya air. Mikrohidro merupakan pembangkit listrik skala kecil, sehingga mudah untuk diterapkan pada masyarakat, peralatan yang digunakan sederhana, serta kecilnya areal tanah yang digunakan untuk pengoperasian mikrohidro. Hal ini merupakan salah satu keunggulan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro, yaitu tidak menimbulkan kerusakan lingkungan. Mengingat masih besarnya potensi tenaga air yang belum termanfaatkan, maka saat ini rekayasa mikrohidro masih sangat dibutuhkan khususnya dalam pemanfaatan potensi pembangkit tenaga listrik.

Mikrohidro adalah istilah yang digunakan untuk instalasi pembangkit listrik yang menggunakan energi air. Kondisi air yang bisa dimanfaatkan sebagai sumber daya (resources) penghasil listrik adalah memiliki kapasitas aliran dan

(18)

ketinggian tertentu dari instalasi. Semakin besar kapasitas aliran maupun ketinggiannya dari instalasi maka semakin besar energi yang bisa dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik.

Biasanya Mikrohidro dibangun berdasarkan kenyataan bahwa adanya air yang mengalir di suatu daerah dengan kapasitas dan ketinggian yang memadai.Istilah kapasitas mengacu kepada jumlah volume aliran air persatuan waktu (flowcapacity) sedangkan beda ketinggian daerah aliran sampai ke instalasi dikenal dengan istilah head. Mikrohidro juga dikenal sebagai white resources

denganterjemahan bebas bisa dikatakan "energi putih". Dikatakan demikian karena instalasi pembangkit listrik seperti ini mengunakan sumber daya yang telah disediakan oleh alam dan ramah lingkungan. Suatu kenyataan bahwa alam memiliki air terjun atau jenis lainnya yang menjadi tempat air mengalir. Dengan teknologi sekarang maka energi aliran air beserta energi perbedaan ketinggiannya dengan daerah tertentu (tempat instalasi akan dibangun) dapat diubah menjadi energi listrik.

Seperti dikatakan di atas, Mikrohidro hanyalah sebuah istilah. Mikro artinya kecil sedangkan hidro artinya air. Dalam, prakteknya istilah ini tidak merupakan sesuatu yang baku namun bisa dibayangkan bahwa Mikrohidro, pasti mengunakan air sebagai sumber energinya. Yang membedakan antara istilah Mikrohidro dengan Mini hidro adalah output daya yang dihasilkan. Mikro hidro menghasilkan daya lebih rendah dari 1 MW, sedangkan untuk minihidro daya keluarannya berkisar antara 1 sampai 5 MW. Secara teknis, Mikrohidro memiliki tiga komponen utama yaitu air (sumber energi), turbin dan generator. Air yang mengalir dengan kapasitas tertentu disalurkan dari ketinggian tertentu menuju rumah instalasi (rumah turbin / power house). Di rumah instalasi air tersebut akan menumbuk turbin dimana turbin sendiri, dipastikan akan menerima energi air tersebut dan mengubahnya menjadi energi mekanik berupa berputarnya poros turbin. Poros yang berputar tersebut kemudian ditransmisikan ke generator dengan mengunakan kopling. Dari generator akan dihasilkan energi listrik yang akan masuk ke sistem kontrol arus listrik sebelum dialirkan ke rumah-rumah atau keperluan lainnya (beban).

(19)

Kebanyakan PLTMH dibangun dengan sistim run off river, tidak dengan kolam tando (reservoir) dimana air sungai dialihkan dengan menggunakan dam yang dibangun memotong aliran sungai, sehingga daya yang dibangkitkan tergantung dari debit air sungai. Akan tetapi biaya pembangunan run off river

lebih ekonomis dibandingkan dengan sistim reservoir yang memerlukan bendungan yang besar dan area genangan yang luas.

1.2TUJUAN PENELITIAN

Tujuan penelitian ini dibagi menjadi atas tujuan umum dan tujuan khusus : 1.2.1 Tujuan Umum

Tujuan umum penelitian ini adalah untuk lebih mengetahui dan memahami aplikasi ilmu yang diperoleh dari bangku kuliah terutama dari mata kuliah energi air.

1.2.2 Tujuan Khusus

Secara khusus tujuan penelitian ini adalah : 1. Untuk menghitung daya air.

2. Untuk menghitung putaran turbin.

3. Untuk menghitung torsi pada poros turbin.

4. Untuk mengetahui kapasitas daya listrik yang dihasilkan.

5. Untuk menghitung daya turbin dengan variasi jarak vertikal runner terhadap sudut guide vane.

6. Untuk menghitung efisiensi turbin dengan variasi jarak vertikal runner terhadap sudut guide vane.

1.3BATASAN MASALAH

Untuk memberikan gambaran yang lebih jelas mengenai masalah yang dikaji dalam penulisan skripsi, maka perlu kiranya diberikan batasan masalah sebagai berikut:

(20)

2. Jumlah runner blade = 5 dengan kapasitas aliran 8,8 liter/detik dari pompa.

3. Jarak vertikal runner terhadap guide vane yang akan diuji adalah sebesar 1 cm, 3 cm dan 5 cm.

4. Aliran fluida dalam steady flow dengan memanfaatkan kinerja pompa. 5. Transmisi menggunakan sabuk dan puli dengan gerakan sabuk terbuka. 6. Pengujian tidak termasuk interkoneksi jaringan listrik.

1.4METODOLOGI PENELITIAN 1. Tinjauan Pustaka

Berupa studi kepustakaan dengan mempelajari buku-buku, jurnal-jurnal, artikel maupun karya-karya ilmiah yang terkait, baik yang bersumber dari media cetak, elektronik maupun dari internet.

1) Diskusi Interaktif

Melakukan diskusi dalam bentuk tanya-jawab antara mahasiswa dan dosen pembimbing menyangkut hal-hal yang berkaitan dengan rancang bangun instalasi ini serta memecahkan permasalahan yang dihadapi secara bersama.

2) Rancang Bangun Instalasi Dan Alat Penelitian

Perancangan serta pembuatan turbin Kaplan dimana turbin ini akan di uji untuk di analisa data hasil dari pengujian tersebut.

1.5MANFAAT PENELITIAN

Manfaat dari penelitian ini adalah :

1. Bagi peneliti, untuk mengetahui efisiensi dari turbin kaplan dengan variasi jarak vertikal runner terhadap guide vane.

2. Bagi akademik, penelitian ini dapat menambah variasi mesin fluida di Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara. Serta memberikan informasi berupa referensi tambahan bagi penelitian selanjutnya pada mesin fluida khususnya turbin kaplan.

(21)

1.6KELUARAN SKRIPSI

Keluaran skripsi ini diharapkan akan menghasilkan:

1. Alat pengujian Turbin Kaplan yang dapat dioperasikan dengan pengunaan kinerja satu unit pompa, pengunaan tiga buah variasi jarak vertikal runner tehadap guide vane ( 1 cm, 3 cm dan 5 cm ), dan pengunaan pada beberapa variabel jumlah runner.

2. Buku skripsi akan digunakan sebagai salah satu syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik dari Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

1.7SISTEMATIKA PENULISAN

Agar penyusunan skripsi ini dapat tersusun secara sistematis dan mempermudah pembaca memahami tulisan ini, maka skripsi ini dibagi dalam beberapa bagian yaitu:

BAB I : PENDAHULUAN

Pada bab ini akan dibahas mengenai latar belakang dari judul skripsi yang telah ditetapkan, tujuan, manfaat, batasan masalah, sistematika penulisan dan metodologi penulisan skripsi.

BAB II : TINJAUAN PUSTAKA

Pada bab ini akan dibahas mengenai teori-teori yang berhubungan dengan penulisan skripsi. Dasar teori didapatkan dari berbagai sumber, diantaranya berasal dari : buku - buku pedoman, jurnal, paper, tugas akhir, e-mail, e-book dan

e-news.

BAB III : METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN

Pada bab ini akan dibahas mengenai metode dan alat penelitian yang akan digunakan untuk menyelesaikan penulisan skripsi. Pada bab ini juga akan dibahas

(22)

mengenai langkah-langkah perancangan, instalasi dan analisa data yang akan digunakan untuk menyelesaikan permasalahan dari topik yang diangkat.

BAB IV : ANALISA DATA DAN HASIL PENGUJIAN

Pada bab ini akan dianalisa dan dibahas mengenai data-data yang telah diperoleh dari pengujian yang telah dilakukan.

BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN

(23)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

Dalam suatu sistem PLTA dan PLTMH, turbin air merupakan salah satu peralatan utama selain generator. Turbin air adalah alat untuk mengubah energi air menjadi energi puntir. Energi puntir ini kemudian diubah menjadi energi listrik oleh generator.

2.1POTENSI TENAGA AIR

Air merupakan sumber energi yang murah dan relatif mudah didapat, karena pada air tersimpan energi potensial (pada air jatuh) dan energi kinetik (pada air mengalir). Tenaga air (Hydropower) adalah energi yang diperoleh dari air yang mengalir. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam wujud energi mekanis maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air banyak dilakukan dengan menggunakan kincir air atau turbin air yang memanfaatkan adanya suatu air terjun atau aliran air di sungai.

Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada besarnya head dan debit air. Dalam hubungan dengan reservoir air maka head

adalah beda ketinggian antara muka air pada reservoir dengan muka air keluar dari kincir air/turbin air. Total energi yang tersedia dari suatu reservoir air adalah merupakan energi potensial air yaitu:

�p= ��ℎ ...(2.1) Dengan:

Ep = energi potensial air (Joule) m = massa air (kg)

(24)

Daya merupakan energi tiap satuan waktu ��

�� sehingga persamaan (2.1) dapat dinyatakan sebagai :

E t =

m t gh

Dengan mensubsitusikan P terhadap �E

t� dan mensubstitusikan ρQ

terhadap �m

t� maka :

P = ρ.Q.g.H...(2.2) Dengan:

P = daya (watt)

Q = kapasitas aliran (m3/s)

ρ = densitas air (kg/m3)

Selain memanfaatkan air jatuh hydropower dapat diperoleh dari aliran air datar. Dalam hal ini energi yang tersedia merupakan energi kinetik

Ek=

1 2mv

2_{... (2.3)}

Dengan:

v = kecepatan aliran air (m/s)

Daya air yang tersedia dinyatakan sebagai berikut:

P = 1

2×Qv

2_{... (2.4)}

atau dengan menggunakan persamaan kontinuitas Q= Av maka

P = 1

2×Av

3_{... (2.5)}

Dengan:

(25)

2.2SEJARAH TURBIN AIR

Ján Andrej Segner mengembangkan turbin air reaksi pada pertengahan tahun 1700, turbin ini mempunyai sumbu horizontal dan merupakan awal mula dari turbin air modern. Turbin ini merupakan mesin yang simpel yang masih diproduksi saat ini untuk pembangkit tenaga listrik skala kecil. Segner bekerja dengan Euler dalam membuat teori matematis awal untuk desain turbin.

Pada tahun 1820, Jean-Victor Poncelet mengembangkan turbin aliran ke dalam. Pada tahun 1826, Benoit Fourneyon mengembangkan turbin aliran keluar. Turbin ini sangat efisien (~80%) yang mengalirkan air melalui saluran dengan sudu lengkung satu dimensi. Saluran keluaran juga mempunyai lengkungan pengarah. Pada tahun 1844, Uriah A. Boyden mengembangkan turbin aliran keluar yang meningkatkan performa dari turbin Fourneyon. Bentuk sudunya mirip dengan turbin Francis. Pada tahun 1849, James B. Francis meningkatkan efisiensi turbin reaksi aliran ke dalam hingga lebih dari 90%. Dia memberikan test yang memuaskan dan mengembangkan metode engineering untuk desain turbin air. Turbin Francis dinamakan sesuai dengan namanya, yang merupakan turbin air modern pertama. Turbin ini masih digunakan secara luas di dunia saat ini.

Turbin air aliran kedalam mempunyai susunan mekanis yang lebih baik dan semua turbin reaksi modern menggunakan desain ini. Putaran massa air berputar hingga putaran yang semakin cepat, air berusaha menambah kecepatan untuk membangkitkan energi. Energi tadi dibangkitkan pada sudu dengan memanfaatkan berat jatuh air dan pusarannya. Tekanan air berkurang sampai nol sampai air keluar melalui sirip turbin dan memberikan energi. Sekitar tahun 1890, bantalan fluida modern ditemukan, sekarang umumnya digunakan untuk mendukung pusaran turbin air yang berat. Hingga tahun 2002, bantalan fluida terlihat mempunyai arti selama lebih dari 1300 tahun Sekitar tahun 1913, Victor Kaplan membuat turbin Kaplan, sebuah tipe mesin baling-baling. Ini merupakan evolusi dari turbin Francis tetapi dikembangkan dengan kemampuan sumber air yang mempunyai head kecil.

(26)

Pada umumnya semua turbin air hingga akhir abad 19 (termasuk kincir air) merupakan mesin reaksi, tekanan air yang berperan pada mesin dan menghasilkan kerja. Sebuah turbin reaksi membutuhkan air yang penuh dalam proses transfer energi.

Pada tahun 1866, tukang pembuat gilingan di California, Samuel Knight menemukan sebuah mesin yang mengerjakan tuntas sebuah konsep yang berbeda jauh. Terinspirasi dari sistem jet tekanan tinggi yang digunakan dalam lapangan pengeboran emas hidrolik, Knight mengembangkan ceruk kincir yang dapat menangkap energi dari semburan jet, yang ditimbulkan dari energi kinetik air pada sumber yang cukup tinggi (ratusan kaki) yang dialirkan melalui sebuah pipa saluran. Turbin ini disebut turbin impuls atau turbin tangensial. Aliran air mendorong ceruk disekeliling kincir turbin pada kecepatan maksimum dan jatuh keluar sudu dengan tanpa kecepatan.

Pada tahun 1879, Lester Pelton melakukan percobaan dengan kincir Knight, dikembangkanlah desain ceruk ganda yang membuang air kesamping, menghilangkan beberapa energi yang hilang pada kincir Knight yang membuang sebagian air kembali melawan kincir. Sekitar tahun 1895, William Doble mengembangkan ceruk setengah silinder milik Pelton menjadi ceruk berbentuk bulat memanjang, termasuk sebuah potongan didalamnya yang memungkinkan semburan untuk membersihkan masukan ceruk. Turbin ini merupakan bentuk modern dari turbin Pelton yang saat ini dapat memberikan efisiensi hingga 92%. Pelton telah memprakarsai desain yang efektif, kemudian Doble mengambil alih perusahaan Pelton dan tidak mengganti namanya menjadi Doble karena nama Pelton sudah dikenal. Turgo dan turbin aliran silang merupakan desain turbin

impuls selanjutnya.

Turbin air terdapat dalam suatu pembangkit listrik berfungsi untuk mengubah energi potensial yang dimiliki air menjadi energi kinetik. Selanjutnya energi kinetik ini akan dirubah menjadi energi elektrik melalui generator. Hal ini menyebabkan setiap pembahasan tentang turbin hidrolik akan mengikutsertakan generator sebagai pembangkit listrik.

(27)

2.3KLASIFIKASI TURBIN AIR

Turbin air dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara, namun yang paling utama adalah klasifikasi turbin air berdasarkan cara turbin air tersebut merubah energi menjadi energi puntir. Berdasarkan klasifikasi ini, maka turbin air dibagi menjadi dua yaitu:

1. Turbin impuls

2. Turbin reaksi

2.3.1 Turbin Impuls

Turbin Impuls adalah turbin yang bekerja karena aliran air. Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nozle. Air keluar nozle yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse). Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan.

2.3.1.1Turbin Pelton

Gambar 2.1 Turbin Pelton

Runner

(28)

Turbin Pelton merupakan turbin impuls. Turbin Pelton terdiri dari satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari satu atau lebih alat yang disebut nozle. Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien. Turbin Pelton adalah turbin yang cocok digunakan untuk head

tinggi.

2.3.1.2Turbin Turgo

Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 s/d 300 m. Seperti turbin

Pelton, turbin Turgo merupakan turbin impuls, tetapi sudunya berbeda. Pancaran air dari nozle membentuk sudu pada sudut 20o. Kecepatan putar turbin Turgo

lebih besar dari turbin Pelton. Akibatnya dimungkinkan transmisi langsung dari turbin ke generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus menurunkan biaya perawatan.

Gambar 2.2 Turbin Turgo

2.3.1.3Turbin Ossberger Atau Turbin Crossflow

Tipe turbin impuls lainnya dalah turbin Crossflow (Stapenhorst, 1978) yang biasa disebut sebagai turbin banki atau turbin Mitchell. Turbin crossflow

merupakan turbin impuls yang berporos horizontal bekerja dengan cara tekanan air dikonversikan menjadi energi kinetik di inlet adaptor. Aliran air yang

Nozle Runner

(29)

menyebabkan berputarnya runner setelah berbenturan pertama dengan sudu turbin, kemudian menyilang (crossflow) mendorong sudu tingkat kedua.

Gambar 2.3 Turbin Ossberger Atau Turbin Crossflow (Turbin Michell-Banki)

2.3.2 Turbin Reaksi

Yang dimaksud dengan turbin reaksi adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir. Turbin air reaksi dibagi menjadi dua jenis yaitu:

1. Turbin Francis 2. Turbin Kaplan 2.3.2.1 Turbin Francis

Diciptakan oleh James Francis Bichens dari Inggris. Termasuk jenis turbin reaksi dengan arah aliran aksial-radial. Turbin ini beroperasi pada head (tinggi jatuh) 10 – 650 meter, dapat menghasilkan daya 10 – 750 MW dengan Ns (spesific speed) 83 – 1000 rpm. Pada umumnya turbin ini di desain dengan posisi poros vertikal untuk menjaga agar air tidak mengenai rumah generator dan peralatan bantu lainnya. Turbin dipasang diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di bagian keluar. Sudu pengarah pada turbin Francis merupakan suatu sudu pengarah yang tetap ataupun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya.

(30)

Gambar 2.4 Turbin Francis

2.3.2.2 Turbin Kaplan

Turbin Kaplan termasuk kelompok turbin air reaksi jenis baling-baling

(propeller). Keistimewaannya adalah sudut sudu geraknya (runner) bisa diatur

(adjustable blade) untuk menyesuaikan dengan kondisi aliran saat itu yaitu perubahan debit air. Turbin ini beroperasi pada head (tinggi jatuh) 10 – 70 meter, dapat menghasilkan daya 5 – 120 MW dengan Ns (spesific speed) 79 – 429 rpm. Pada pemilihan turbin didasarkan pada kecepatan spesifiknya. Turbin Kaplan ini memiliki kecepatan spesifik tinggi (high spesific speed). Turbin kaplan bekerja pada kondisi head rendah dengan debit besar.

(31)

2.3.2.2.1Prinsip Kerja Turbin Kaplan

Tidak berbeda dengan turbin Francis, turbin Kaplan cara kerjanya menggunakan prinsip reaksi. 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 listrik tenaga air sungai, karena turbin ini mempunyai kelebihan dapat menyesuaikan head yang berubah-ubah sepanjang tahun. Turbin Kaplan dapat beroperasi pada kecepatan tinggi sehingga ukuran roda turbin lebih kecil dan dapat dikopel langsung dengan generator. Pada kondisi beban tidak penuh turbin kaplan mempunyai efisiensi paling tinggi, hal ini dikarenakan sudu-sudu turbin Kaplan dapat diatur menyesuaikan dengan beban yang ada.

2.3.2.2.2Komponen Utama Turbin Kaplan

Komponen-komponen utama turbin Kaplan adalah: 1. Rumah turbin

Air dari saluran pipa didistribusikan di sekeliling cincin rumah turbin. Rumah turbin didesain sedemikian sehingga luas penampang melintangnya berkurang secara seragam. Luas penampang melintangnya maksimum pada sisi masuk dan minimum pada ujung.

(32)

Rumah turbin akan mendistribusikan air secara merata kepada guide vane. Untuk mencapai aliran seragam pada runner blade, maka aliran air harus seragam masuk ke dalam guide vane.

2. Mekanisme pengarah (guide vane)

Sudu pengarah (guide vane) terpasang tetap diantara dua cincin dalam bentuk roda. Roda ini dipasang tetap pada rumah turbin. Sudu pengarah didesain untuk:

 Supaya air masuk ke runner tanpa kejut.  Supaya sejumlah air bisa memasuki turbin.

Sudu pengarah bisa dibuka dan ditutup dengan memutar poros pengatur, sehingga jumlah air bisa diatur sesuai keperluan. Poros pengatur dioperasikan dengan menggunakan governor, yang fungsinya mengatur turbin (yaitu menjaga kecepatan turbin konstan pada beban yang bervariasi).

Gambar 2.7 Guide vane

Turbin Kaplan adalah salah satu jenis dari turbin reaksi aliran ke dalam (inward), yakni turbin reaksi dimana air memasuki roda pada bagian lingkaran luar dan mengalir menuju kedalam melalui sudu (yaitu menuju pusat roda). Turbin reaksi ini terdiri dari sudu pengarah tetap, yang mengarahkan air ke roda bergerak dengan sudut yang benar. Air ketika mengalir pada sudu/vane, menghasilkan gaya ke roda. Gaya ini menyebabkan roda berputar.

(33)

3. Runner blade

Runner blade terdiri dari sudu yang terpasang tetap pada poros atau cincin. Sudu didesain supaya air masuk dan meninggalkan turbin tanpa kejut. Runner blade terpasang pada poros. Jika porosnya vertikal, disebut turbin vertikal, dan jika poros horisontal maka disebut turbin horisontal. Untuk head rendah, runner blade bisa dibuat dari besi tuang, tetapi untuk head tinggi, runner blade dibuat dari baja atau paduan. Jika air secara kimia tidak murni, runner dibuat dari paduan spesial.

Gambar 2.8 Runner blade

4. Draft tube

Air setelah melewati runner, mengalir turun melalui pipa yang disebut

draft tube. Draft tube mempunyai fungsi antara lain:

 Meningkatkan head air sebesar tinggi runner dari permukaan air.  Meningkatkan efisiensi turbin.

(34)

2.3.2.2.3 Dimensi Dasar Turbin Kaplan

Dimensi dasar turbin Kaplan bergantung pada diameter luar runner (D), tinggi guide vane (B), jarak vertikal runner terhadap sisi dalam guide vane (λ),

dan diameter hub (d) dapat dilihat pada gambar 2.10

Gambar 2.10 Elemen dasar turbin Kaplan

Persamaan dasar untuk mencari diameter luar runner (D) :

D = (66,76 + 0,136 Ns)√ Heff

n ...(2.6)

Dengan:

Ns = putaran spesifik (rpm) n = putaran turbin (rpm)

Persamaan dasar untuk mencari tinggi guide vane (B) :

B = �0,45−31,80

ns �D ...(2.7)

Sedangkan persamaan dasar untuk mencari jarak vertikal runner terhadap sisi dalam guide vane (λ):

λ = 0,25.D...(2.8) Dan persamaan untuk mencari diameter hub (d) :

�

(35)

2.3.2.2.4 Dimensi Dasar Runner Blade

Segitiga kecepatan masuk pada runner blade dapat dilihat pada gambar 2.11 dibawah ini.

Gambar 2.11 Segitiga kecepatan masuk dan keluar runner blade

Dimana,

Vf = Kecepatan aliran air

Ub = Kecepatan tepi (rim) diameter boss U = Kecepatan tepi (rim) diameter luar

Uwb = Kecepatan pusaran air (whirl) diameter boss Uw = Kecepatan pusaran air (whirl) diameter luar

�� = Sudut sudu (blade) pada area fluida masuk (inlet)

�� = Sudut sudu (blade) pada area fluida keluar (outlet)

Persamaan untuk mencari kecepatan aliran air (Vf) adalah:

Vf = �2gH ...(2.10)

Persamaan untuk mencari Kecepatan tepi (rim) diameter boss dan diameter dalam (�_��) adalah:

(36)

�= �.�.�

60 ...(2.12)

Persamaan untuk mencari Kecepatan pusaran air (whirl) diameter boss dan diameter dalam adalah :

�� = _{100 .}��.�._��

�...(2.13)

�� = _{100 .}��.�.�_�...(2.14)

Persamaan untuk mencari Sudut sudu (blade) pada area fluida masuk (inlet)

adalah :

tan (�_�) = ��

��...(2.15)

Persamaan untuk mencari Sudut sudu (blade) pada area fluida keluar (outlet)

adalah :

tan (�_�) = ��

��...(2.16)

2.4 KARAKTERISTIK TURBIN

Perbandingan karakteristik turbin dapat kita lihat pada grafik head (m) vs

flow (m3/s) dibawah ini.

(37)

Dapat dilihat pada gambar 2.12 turbin Kaplan adalah turbin yang beroperasi pada head yang rendah dengan kapasitas aliran yang tinggi. Hal ini karena sudu-sudu turbin dapat diatur secara manual atau otomatis untuk merespon perubahan kapasitas.

2.5 SELEKSI AWAL JENIS TURBIN

Seleksi awal dari jenis turbin yang cocok untuk suatu keperluan paling tepat dilakukan dengan kecepatan spesifik (Ns). Dalam tabel 2.1 disajikan nilai kecepatan spesifik (Ns) untuk berbagai jenis turbin. Tabel 2.1 dapat digunakan sebagai panduan awal dalam pemilihan jenis turbin yang tepat untuk nilai Ns

tertentu. Nilai Ns yang tercantum dalam tabel 2.1 bukan nilai eksak.

Untuk setiap jenis turbin terdapat suatu nilai kisaran tinggi terjun dan kecepatan spesifik yang sesuai. Korelasi empiris antara terjun (H) dan kecepatan spesifik (Ns) disajikan dibawah ini.

Untuk turbin Francis, Moody memperoleh korelasi sebagai berikut:

�� = 6803

�+9,75+ 84 ...(2.17)

Sedangkan untuk turbin propeller atau Kaplan, Moody memperoleh korelasi sebagai berikut:

�� = 9431

�+9,75+ 155...(2.18)

(38)

Tabel 2.1 Jenis-jenis turbin air dan kisaran kecepatan spesifiknya (Ns)

Jenis Turbin Ns (metrik)

1. Turbin Impuls a. Satu jet (Turbin Pelton) 4-30 b. Banyak jet (turbin Doble) 30-70 2. Turbin Reaksi a. Francis

Ns rendah 50-125

Ns normal 125-200

Ns tinggi 200-350

Ns exspress 350-500

b. Propeller

Sudu tetap (Turbin Nagler) 400-800 Sudu dapat diatur (Turbin Kaplan) 500-1000

Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Air selalu diusahakan agar generator dikopel langsung dengan turbin. Atau dengan kata lain putaran turbin terbatas pemilihannya agar dapat dikopel dengan generator. Putaran turbin berhubungan dengan spesifik sebagaimana persamaan 2.22 di atas, atau menurut referensi yang lain :

�

=

�√� �54

...(2.19)

Dimana :

Ns = putaran spesifik (rpm) N = putaran turbin (rpm) P = daya air (kW)

H = tinggi terjun efektif (m)

Dari nilai spesifik ini dapat ditentukan jenis turbin yang digunakan yang dapat dijelaskan sebagai berikut :

Ns = 8 - 50 jenis turbin Pelton Ns = 50 - 149 jenis turbin Perancis

(39)

Pemilihan putaran spesifik ini sangat berhubungan dengan dimensi peralatannya, yang berarti juga mempengaruhi konstruksi dan harga. Pemilihan turbin kebanyakan didasarkan juga 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. Turbin Kaplan baik digunakan untuk semua jenis debit dan head, efisiensinya baik dalam segala kondisi aliran.

Turbin kecil (umumnya dibawah 10 MW) mempunyai poros horisontal, dan kadang dipakai juga pada kapasitas turbin mencapai 100 MW. Turbin Francis dan Kaplan besar biasanya mempunyai poros / sudu vertikal karena ini menjadi penggunaan paling baik untuk head yang didapatkan, dan membuat instalasi generator lebih ekonomis. Poros Pelton bisa vertikal maupun horisontal karena ukuran turbin lebih kecil dari head yang di dapat atau tersedia. Beberapa turbin impuls menggunakan beberapa semburan air tiap semburan untuk meningkatkan kecepatan spesifik dan keseimbangan gaya poros.

2.6 ALTERNATOR

Bila sejumlah kawat email dililitkan ke paku, lalu kawat dialiri arus listrik, gulungan itu menimbulkan medan magnet, dan menyebabkan paku tersebut menjadi magnet. Kuatnya magnet ditentukan oleh berapa banyak gulungan kawat dan berapa besar arus listriknya. Magnet jenis ini lazim disebut sebagai elektromagnet.

(40)

Alternator (alternate = selang-seling; artinya listrik yang dihasilkan adalah AC) menggunakan teknik yang sama seperti diatas untuk menghasilkan listrik. Ketika rotor (as) diberi arus maka rotor itu menjadi magnet. Dan ketika diputar, magnet yang ada di as menciptakan medan magnet lagi. Medan magnet ini lalu bersinggungan memotong kumpulan koil/ kumparan yang ada disekelilingnya sehingga terciptalah arus listrik. Karena magnet terdiri dari 2 kutub, maka arus listriknya menjadi selang seling, atau lazim disebut sebagai arus bolak-balik.

Adapun perbedaan antara altenator dan generator, yakni dapat dilihat pada tabel 2.2 sebagai berikut:

Tabel 2.2 Perbedaan altenator dengan generator Kumparan

pembangkit Altenator Generator

Kumparan medan _•

Diam • Berputar

Penyearah _• _Berputar • Diam

Produksi arus •_• Dioda Tidak perlu diregulasi

• Komutator

• Perlu diregulasi

Keuntungan

• Pada putaran rendah tegangan cukup

• Tidak perlu tempat yang luas

• Jika hubung singkat generator aman

Kerugian • Bila hubung singkat altenator rusak

• Pada putaran rendah tegangan kecil

• Perlu tempat yang luas

2.7 SABUK DATAR DAN PULI

Belt (sabuk) digunakan untuk mentransmisikan daya dari poros yang satu ke poros yang lainnya melalui roda (pulley) yang berputar dengan kecepatan sama atau berbeda. Sabuk umumnya dipakai pada puli, sabuk ini lebih tenang dan

(41)

efisien pada kecepatan tinggi, dan juga mampu mentransmisikan sejumlah daya yang besar pada jarak pusat pulley yang panjang.

2.7.1 Jenis Gerakan Pada Sabuk

Energi dari suatu puli ditransmisikan kemanapun. Berikut jenis gerakan pada sabuk:

1. Gerakan sabuk terbuka

Gerakan sabuk terbuka ditunjukkan di dalam gambar 2.14, jenis ini digunakan diporos. Berputar dan paralel yang diatur ke arah yang sama. Ketika memusat jarak antara kedua poros besar, kemudian sisi yang ketat sabuk harus lebih rendah.

Gambar 2.14 Sabuk terbuka

2. Gerakan membelit atau melingkar pada sabuk

Gerakan membelit atau melingkar ditunjukkan di dalam gambar 2.15, digunakan poros pengatur berputar dan paralel di dalam arah kebalikannya. Tegangan yang kecil akan menunjukkan bahwa pada suatu titik silang sabuk, hal ini akan menggosok melawan terhadap satu sama lain dan di sana akan terjadi kerusakan disebabkan gesekan berlebih dalam rangka menghindari ini, poros harus ditempatkan pada suatu jarak yang maksimum 20 b, dimana b menjadikan

(42)

Gambar 2.15 Gerakan membelit atau melingkar pada sabuk 3. Gerakan dengan puli pengarah

Gerakan sabuk dengan puli pengarah ditunjukkan didalam gambar 2.16, dengan menggunakan poros yang digunakan untuk pengaturan paralel dan ketika sabuk terbuka tidak adapat digunakan dalam sudut yang kecil dan penghubung pada puli kecil. Pengarah jenis ini disajikan untuk memperoleh perbandingan percepatan tinggi dan ketika tegangan sabuk yang diperlukan tidak bisa diperoleh oleh alat-alat lain. Ketika itu diinginkan untuk mentransmisikan gerakan dari satu poros ke beberapa poros, semua diatur didalam paralel, suatu sabuk menggerakan dengan banyak puli.

(43)

2.7.2 Perbandingan Kecepatan Puli

Karena kecepatan linier pada kedua puli sama, maka:

��1�1 = ��2�2...(2.20)

Dan perbandingan putaran kedua puli menjadi:

�2

�1

=

�1

�2

...(2.21)

Dimana :

N1 = putaran pergerakan (rpm) N2 = putaran yang digerakkan (rpm) D1 = diameter puli penggerak (m) D2 = diameter puli yang digerakkan (m) 2.7.3 Efisiensi Puli

Untuk mencari efisiensi puli menggunakan rumus sebagai berikut:

�p= �

2�2

�1�1 �

100% ...(2.22) Dimana :

ηp = efisiensi puli

2.8 DAYA LISTRIK

Daya listrik adalah banyaknya energi tiap satuan waktu dimana pekerjaan sedang berlangsung atau kerja yang dilakukan persatuan waktu. Dari definisi ini, maka daya listrik (Pl) dapat dirumuskan:

��= ��

��………..(2.23)

� = �

�

� = �.�.�

�

P = V.I...(2.24) Dimana :

P = daya listrik (Watt) V = tegangan (Volt) I = arus (Ampere)

(44)

BAB III

METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN

3. 1 UMUM

Turbin Kaplan atau propeller merupakan turbin reaksi aliran aksial. Turbin ini tersusun dari propeller seperti pada pesawat terbang. Propeller tersebut biasanya mempunyai 3 hingga 6 sudu yang disebut dengan runner blade. Runner blade mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui runner blade. Perbedaan tekanan ini memberikan gaya pada

runner blade sehingga dapat berputar. Bila untuk pesawat terbang maksudnya adalah supaya dari gaya dorong yang ada bisa didapatkan gaya ke atas, dengan tahanan yang sedikit mungkin. Tetapi pada turbin Kaplan maksudnya adalah untuk mendapatkan gaya tangensial yang bisa menghasilkan torsi pada pada poros. Putaran poros ini yang akan diteruskan dengan sistem transmisi sabuk dan puli untuk memutar altenator. Putaran altenator menghasilkan listrik tegangan AC. Yang kemudian dikonversi/diubah menjadi tegangan DC

Uji eksperimental turbin Kaplan dengan 5 runner blade dan analisa perbandingan variasi jarak vertikal runner terhadap guide vane dilakukan di Laboratorium Teknologi Mekanik, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Dalam uji eksperimental turbin Kaplan digunakan kinerja pompa sebagai pengkondisian kapasitas aliran air di alam ditambah beberapa instalasi, yakni sebagai berikut:

 Instalasi reservoir (dalam hal ini digunakan satu unit tong)  Instalasi saluran perpipaan

 Instalasi dudukan rumah turbin Kaplan  Instalasi altenator

Dalam uji eksperimental turbin Kaplan ini dibuat turbin Kaplan. Adapun beberapa pekerjaan yang dilakukan adalah:

(45)

 Pembuatan runner blade dengan jumlah runner adalah 5 sudu dari bahan kuningan

 Pembuatan poros dari bahan besi

 Pembuatan dudukan turbin dari bahan besi siku

 Pembuatan rumah turbin, guide vane, dan draft tube dengan pengerjaan plat.

Aliran air yang digunakan berasal dari resevoir yang telah diisi oleh air kemudian dipompa oleh satu unit pompa sentrifugal menuju rumah turbin dan jatuh kembali ke resevoir melalui draft tube secara siklus. Kapasitas aliran (debit) air yang akan dipompa dapat diatur melalui sebuah katup pengatur (ball valve)

sesuai dengan kebutuhan. Rumah turbin dimana memiliki geometri variabel yang dapat membuat operasi efisien untuk aliran air. Rumah turbin juga berfungsi untuk memberikan gaya sentripetal agar runner blade dapat bergerak melingkar yakni gaya yang selalu membelokkannya menuju pusat lintasan lingkaran draft tube. Gerak melingkar runner blade inilah yang akan dikonversikan untuk memutar poros altenator dan menghasilkan arus listrik. Dengan kata lain energi kinetik yang terdapat dari aliran air masuk ke rumah turbin akan dimanfaatkan menjadi energi mekanik untuk memutar runner blade.

Dari uraian di atas, jelas bahwa penggunaan turbin Kaplan dapat mengubah energi kinetik fluida menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Selanjutnya daya poros ini akan dikopel atau ditransmisikan ke altenator dan diubah menjadi energi listrik.

3.2 SPESIFIKASI TURBIN KAPLAN

Spesifikasi turbin Kaplan dalam uji eksperimental turbin Kaplan dengan 5

runner blade dan analisa perbandingan jarak vertikal runner terhadap guide vane

(yakni dengan jarak 1 cm, 3 cm dan 5 cm) adalah sebagai berikut: Jumlah runner blade = 5

Diameter luar runner (D) = 16 cm Tinggi guide vane (B) = 4,4 cm

(46)

Jarak vertikal runner(λ) = 1 cm, 3cm dan 5 cm Diameter boss = 6,5 cm

3.3 RANCANG BANGUN INSTALASI

Rancang bangun instalasi pemipaan pada uji eksperimental turbin Kaplan

menggunakan single line installation yakni memompa atau mensirkulasikan air dari reservoir ke rumah turbin dengan pompa tunggal. Pipa yang digunakan berdiameter 2 inch dari bahan PVC. Instalasi pipa ini terdiri dari 4 buah elbow

atau belokan untuk meminimalisir head losses instalasi. Adapun tujuan rancang bangun instalasi pipa adalah sebagai bentuk simulasi dari suatu aliran sungai dengan kapasitas memenuhi karakteristik pemilihan turbin Kaplan.

Gambar 3.1 Instalasi turbin Kaplan

3.4 PERALATAN PENGUJIAN 3.4.1 Hand Tachometer

Alat ini digunakan untuk mengukur putaran (rpm) poros. Turbin Kaplan

yang digunakan dalam uji eksperimental turbin Kaplan dengan 5 runner blade

(47)

jarak 1 cm, 3 cm dan 5 cm) ini, hand tachometer yang digunakan adalah Krisbow KW06-303 dengan spesifikasi:

Ketelitian (akurasi) : ± 0,05% + 1 digit

Range : autorange

Sampling time : 0,8 s (over 60 rpm)

Gambar 3.2 Hand Tachometer

3.4.2 Clamp Meter

Clamp meter digunakan untuk mengukur besarnya arus listrik (ampere) yang yang dihasilkan melalui rangkaian listrik (beban) dengan cara dihubungkan seri pada rangkaian listrik. Dalam uji eksperimental turbin Kaplan dengan 5

runner blade dan analisa perbandingan jarak vertikal runner terhadap guide vane

(yakni dengan jarak 1 cm, 3 cm dan 5 cm) ini, clamp meter yang digunakan adalah Krisbow KW06-286 dengan spesifikasi:

(48)

Fungsi Jangkauan Akurasi

Arus AC

2000 AAC ± (2.5 % + 10 digits) 20.00 AAC

± (2.5 % + 4 digits) 200.0 AAC

400 AAC ± (3.0 % + 4 digits)

Tegangan DC

200.0 mVDC ± (0.5 % + 5 digits) 2.000 VDC

± (1.2 % + 3 digits) 20.00 VDC

200.0 VDC

600 VDC ± (1.5 % + 3 digits)

Tegangan AC

200.0 mVAC ± (1.5 % + 30 digits) 2.000 VDC

± (1.5 % + 3 digits) 20.00 VDC

200.0 VDC

600 VDC ± (2.0 % + 4 digits)

Resistansi

200 Ω ± (1.0 % + 4 digits) 2 kΩ

± (1.5 % + 2 digits) 20 kΩ

200 kΩ

2 MΩ ± (2.0 % + 3 digits) 20 MΩ ± (3.0 % + 5 digits)

3.4.3 Multimeter

Multimeter digunakan untuk mengukur besarnya tegangan listrik (volt) yang dibangkitkan oleh dinamo dengan cara dihubungkan parallel pada rangkaian listrisk. Dalam uji eksperimental turbin Kaplan dengan 5 runner blade dan analisa perbandingan jarak vertikal runner terhadap guide vane (yakni dengan jarak 1 cm, 3 cm dan 5 cm) ini, multimeter yang gunakan adalah tipe fluke 15B digital

multimeter dengan spesifikasi:

(49)

AC voltage : 0, 200, 750 V

DC current : 0 µA, 200 µA, 2 mA, 20 mA, 200 mA Resistance : 200 Ω, 2 kΩ, 20 kΩ, 200 kΩ, 2000 kΩ

Gambar 3.4 Multimeter

3.4.4 Altenator

Alternator yang digunakan pada pengujian merupakan sebuah mesin kipas angin yang memiliki daya maksimal 8 Watt.

Gambar 3.5 Altenator 3.4. 5 Instalasi Rangkaian Lampu

Pada instalasi ini mengunakan rangkaian pararel yang terdiri dari lampu pijar berdaya 4 Watt dan 3 Watt. Pada masing-masing lampu dipasang sakelar yang berfungsi untuk menghubungkan dan memutuskan aliran listrik ke lampu.

(50)

Gambar 3.6 Rangkaian lampu

3.4.6 Pompa

Pompa ini digunakan untuk memompakan air dari resevoir ke rumah turbin sebagai simulasi aliran air di alam. Dalam uji eksperimental turbin Kaplan

dengan 5 runner blade dan analisa perbandingan jarak vertikal runner terhadap

guide vane (yakni dengan jarak 1 cm, 3 cm dan 5 cm) ini, spesifikasi pompa yang digunakan adalah:

Pabrikan/Merk : Kyomizu Voltase : 220 V/240 V Kapasitas maximum : 88 L/menit Head tekan maximum : 22 m Head isap maximum : 8 m

(51)

3.5 PELAKSANAAN PENGUJIAN

Pengujian turbin kaplan dengan 5 runner blade dilakukan di lantai 4 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Pengukuran-pengukuran yang dilakukan terhadap penelitian ini meliputi:

1. Pengukuran putaran (rpm) poros turbin Kaplan dan poros generator dengan menggunakan Hand Tachometer.

2. Pengukuran arus listrik (ampere) dengan menggunakan Clamp Meter. 3. Pengukuran debit air dengan menggunakan stopwatch.

4. Pengukuran tegangan listrik (volt) dengan menggunakan Multi Meter. Sebelum dilakukan pengujian turbin Kaplan dan pengambilan data, terlebih dahulu dilakukan pemeriksaan (checking) terhadap beberapa instalasi dan peralatan, yang meliputi:

1. Pemeriksaan sambungan pipa diinstalasi tidak terjadi kebocoran

2. Pemeriksaan pipa penghubung air masuk ke rumah turbin sudah terikat kuat dengan tidak ada celah air keluar.

3. Pemeriksaan pada guide vane telah mengarah pada sudut 60o.

4. Pemeriksaan kesesuaian jarak vertikal runner dengan guide vane terhadap data yang akan diambil.

5. Pemeriksaan runner blade tidak menyentuh draft tube. 6. Pemeriksaan kesesuaian jarak puli dan sabuk.

7. Permeriksaan puli dapat berputar dengan baik. 8. Pemeriksaan instalasi lampu sebagai beban.

9. Pemeriksaan poros turbin kaplan dan poros altenator serta pemberian pelumas pada bearing.

10.Pemeriksaan altenator.

Setelah prosedur pemeriksaan terhadap beberapa instalasi dan peralatan di atas selesai dilakukan dan pemeriksaan dipastikan dalam kondisi standby, maka prosedur pengujian pun dapat dimulai. Adapun prosedur pengujian turbin Kaplan dengan 5 runner blade adalah sebagai berikut:

(52)

1. Hidupkan motor listrik penggerak pompa.

2. Dilakukan monitoringrunner blade tidak menyentuh draft tube dan guide vane dan poros dalam keadaan stabil.

3. Setelah aliran air pada pipa penghubung dan putaran turbin konstan, maka pengukuran putaran pada poros turbin Kaplan dan poros altenator dengan

Hand Tachometer.

4. Hitung torsi yang dihasilkan dengan menggunakan neraca pegas sebagai gaya beban.

5. Setelah pengambilan data selesai dilakukan matikan pompa. 6. Ulangi percobaan diatas untuk jarak 3 cm dan 5 cm.

Besaran-besaran yang diukur dan dicatat meliputi: 1. Tegangan listrik yang dihasilkan generator (V) 2. Arus listrik yang melalui rangkaian (A)

3. Putaran poros sturbin Kaplan (rpm) 4. Putaran poros altenator (rpm)

(53)

Survei Data

Perhitungan Kecepatan

Flowchart pengujian turbin Kaplan dengan 5 runner blade dan pengujian.

Tidak

Ya Studi literatur

Literatur

Penentuan Jenis Turbin Mulai

Rancang Bangun Instalasi Turbin Kaplan Dengan 5

Runner Blade

Pengujian Turbin Dengan menggunakan hand tachometer,

multimeter, clamp meter

Kesimpulan dan Saran

Selesai

Buku-buku Pedoman, Jurnal-jurnal Pendukung, dan

sebagainya. Head dan Debit

(54)

BAB IV

ANALISA DATA DAN HASIL PENGUJIAN

4. 1 PERHITUNGAN DIMENSI DASAR TURBIN KAPLAN 4.1.1 Kapasitas Aktual dan Head Efektif Instalasi

Kapasitas aktual instalasi

Pengukuran dilakukan dengan menampung air dari instalasi pipa pada ember dengan kapasitas 15 L, diambil sebanyak 3 kali.

Tabel 4.1 Hasil pengukuran kapasitas aktual instalasi

Pengukuran Waktu (detik) Kapasitas (liter)

I 1,8 1,5

II 1,5 1,5

III 1,8 1,5

�

=

1,5 1,7

��

Q = 0,88 liter/detik = 0,00088 m3/detik

(55)

Gambar 4.1 Instalasi pipa

4.1.2 Dimensi dasar turbin Kaplan

Perancangan dimensi turbin Kaplan dimulai dari data – data yang sudah didapat dan dari data – data perencanaan, seperti head, putaran turbin, efisiensi hidrolik serta efisiensi turbin.

H = 1 m

Putaran rencana : N = 350 rpm Asumsi : �_� = 70 %

�� = 80%

Tinggi air = 50 cm 80 cm

Elbow 90o

Runner Blade Altenator

Resevoir

(56)

 Debit air dalam (�3/s) :

Debit yang masuk turbin secara teoritis dapat diandaikan sebagai debit yang melalui suatu curat dengan tinggi terjun (Head) yang bekerja pada turbin. Debit air didapat dari pompa air dengan nilai

� = 0,00088 �3/�

 Daya Teoritis Air :

Daya teoritis air didapat dari perkalian antara berat jenis air dengan head turbin dan kapasitas air.

Pa = ρ . g. H. Q

Pa = 998,2 x 9,81 x 1 x 0,88

P_a = 8,617 Watt

 Dimensi Dasar Turbin

Kecepatan aliran air masuk turbin yaitu

Uf =�2gH =�2 × 9,81 × 1

Uf = 4,429 m/s

Diameter luar runner �_� = 16 ��, diameter dalam runner :

� =�

4(��

2_{− �}

�2)��

=� 4�0,16

2_{− �}

�2�4,429

�� =�0, 162−_0,785×4,4290,00088 = _√0,004212

(57)

 Daya teoritis turbin :

Daya teoritis turbin didapat dari daya teoritis air dikalikan dengan efisiensi turbin.

Pt = ηo ×Pair

1000

Pt =

0,7 × 8,617 1000

Pt = 0,00603 kW

 Tinggi guide vane (B) :

B = �0,45− 31,8

N_s �D

B = �0,45− 31,8

182,06�0,16

B = 0,044 m = 4,4 cm

 Kecepatan aliran air :

Kecepatan aliran air adalah kecepatan air pada sisi masuk ke dalam rumah turbin.

Uf = 4,429 m/s

 Kecepatan tepi (rim) diameter boss dan diameter dalam :

Kecepatan tepi adalah kecepatan keliling pada sisi masuk rumah turbin.

�� = �.��₆₀.�

�� = � . 0,065 . 350₆₀

�� = 1,1905 �/�

�= �.�.�

(58)

�= 2,9306 �/�

 Kecepatan pusaran air (whirl) diameter boss dan diameter dalam : Kecepatan pusaran air pada sisi masuk (inlet).

�� = ��_�.�_�.�

�� = 0,8 . 9,81 . 1_1,1905

�� = 6,5921 �/�

�� = ��_�.�.�

�� = 0,8 . 9,81 .1_2,9306

�� = 2,6779 �/�

 sudut sudu (blade) pada area fluida masuk (inlet) :

tan (�_�) = _��

�

tan(�_�) = 4,429

2,6779

tan(�_�) = 1,653

�_� = ��tan 1,653

�_� = 58,82°

 Sudut sudu pada area fluida keluar :

tan (�_�) = ��

��

tan (�_�) = 4,429

6,5921

(59)

�_� = �� tan 0,6718 �_� = 33,89°

Gambar 4.2 Arah aliran sudu

4.2PERHITUNGAN EFISIENSI TURBIN KAPLAN DENGAN 5 RUNNER BLADE PADA SUDUT GUIDE VANE 600 DAN JARAK VERTIKAL RUNNER TEHADAP GUIDE VANE SEBESAR 1 CM

4.2.1 Arus, tegangan, dan putaran

Dari hasil pengukuran dengan alat ukur multimeter dan tachometer

diperoleh data sebagai berikut:

a. Untuk tanpa pembebanan lampu, diperoleh :

1) Arus yang dihasilkan alternator (I0) : 44,1 mA 2) Tegangan yang diisi dari altenator ke aki (V0) : 90 Volt

(60)

4) Putaran poros altenator (n20) : 994 rpm b. Untuk pembebanan dengan 1 lampu (3 Watt), diperoleh:

1) Arus yang dihasilkan alternator (I3) : 35,5 mA 2) Tegangan yang diisi dari altenator ke aki (V3) : 50 Volt 3) Putaran poros turbin Kaplan (n13) : 156 rpm 4) Putaran poros altenator (n23) : 897 rpm c. Untuk pembebanan dengan 1 lampu (4 Watt), diperoleh:

1) Arus yang dihasilkan alternator (I4) : 35,3 mA 2) Tegangan yang diisi dari altenator ke aki (V4) : 49 Volt 3) Putaran poros turbin Kaplan (n14) : 142 rpm 4) Putaran poros altenator (n24) : 816 rpm d. Untuk pembebanan dengan 2 lampu (7 Watt), diperoleh:

1) Arus yang dihasilkan alternator (I7) : 34,3 mA 2) Tegangan yang diisi dari altenator ke aki (V7) : 44 Volt 3) Putaran poros turbin Kaplan (n17) : 139 rpm 4) Putaran poros altenator (n27) : 799 rpm

4.2.2. Analisa daya dan putaran altenator pemberian beban

Dari data yang telah diperoleh dari hasil pengujian, dapat diketahui bahwa tegangan dan besar arus yang dihasilkan altenator menggunakan alat ukur tergantung pada besar beban (lampu) yang digunakan, sehingga dapat dihitung besar daya dengan menggunakan rumus:

P = V.I

Maka daya alternator yang dihasilkan adalah sebagai berikut: a. Untuk tanpa pembebanan lampu, diperoleh:

Pc0 = V0 . I0

Pc0 = 90 . 44,1 . 10-3 Pc0 = 3,969 Watt

(61)

b. Untuk pembebanan 1 lampu (3 Watt), diperoleh: Pc3 = V3 . I3

Pc3 = 50 . 35,5 . 10-3 Pc3 = 1,775 Watt

c. Untuk pembebanan 1 lampu (4 Watt), diperoleh: Pc4 = V4 . I4

Pc4= 49 . 35,3 . 10-3 Pc4 = 1,7297 Watt

d. Untuk pembebanan 2 lampu (7 Watt), diperoleh: Pc7 = V7 . I7

Pc7 = 44 . 34,3 . 10-3 Pc7 = 1,5092 Watt

Dari perhitungan data diatas dapat ditampilkan dalam bentuk tabel yakni sebagai berikut:

Tabel 4.2 Hasil percobaan dan daya alternator pada jarak vertikal sebesar 1 cm Beban Lampu (Watt) Arus (mA) Tegangan (Volt) Putaran Turbin (rpm) Putaran Altenator (rpm) Daya Alternator (Watt)

0 44,1 90 173 994 3,969

3 35,5 50 156 897 1,775

4 35,3 49 142 816 1,7297

7 34,3 44 139 799 1,5092

Dari tabel 4.3 diatas dapat ditampilkan kedalam bentuk grafik untuk mengetahui lebih jelas fenomena pada perubahan daya alternator terhadap penambahan beban lampu yang digunakan.

(62)

Gambar 4.3 Grafik perubahan daya pada alternator terhadap penambahan beban pada jarak vertikal runner 1 cm terhadap guide vane guide vane 60o

Dengan melihat grafik diatas, dapat dianalisa semakin besar penambahan beban maka semakin kecil putaran poros alternator. dan hanya dapat diberi pembebanan 2 lampu (7 Watt).

Selanjutnya hubungan antara perubahan putaran di poros altenator terhadap penambahan beban lampu dapat dilihat grafik dibawah ini.

Gambar 4.4 Grafik perubahan putaran altenator terhadap penambahan beban lampu pada jarak vertikal sebesar 1cm

3,969 1,7751,7297 1,5092 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5

0 1 2 3 4 5 6 7 8

D a y a A lt e rn a tor ( W a tt )

Beban Lampu (Watt)

994 897 816 ₇₉₉ 0 200 400 600 800 1000 1200

0 1 2 3 4 5 6 7 8

P u tar an A lt e rn a tor ( rp m)

(63)

Dari grafik diatas, dapat dianalisa semakin besar penambahan beban maka semakin kecil putaran poros altenator. Dimana putaraan poros tanpa beban lampu adalah 994 rpm dan ketika diberi beban lampu paling besar (7 Watt) putaran altenator menjadi 799 rpm.

4.2.3 Pengujian Torsi - Putaran Berbeban

Data pengujian didapat dari pengukuran yang dilakukan dalam waktu yang bersamaan (sekaligus). Dalam kasus ini, pengujian membutuhkan waktu yang cukup lama untuk menentukan pembebanan yang tepat sebelum poros berhenti berputar. Pembebanan ini dilakukan menggunakan gesekan tali yang dikaitkan pada 2 neraca pegas. Waktu pengujian sampel sepanjang 20 detik, dibutuhkan lebih dari 15 x pengujian (sampel) untuk setiap perubahan variasi. Pengukuran putaran dilakukan dalam kondisi poros terbeban hampir berhenti.

Tabel 4.3 Hasil pengujian torsi dan putaran berbeban pada 5 runner blade dengan jarak 1 cm

Pengujian Torsi (Nm)

Beban Lampu (Watt) Torsi (Nm) Putaran (rad/s)

0 _0,23 _18,10733

3 _0,18 _16,328

4 _0,16 _14,86267

7 _0,16 _14,54867

Gambar 4. 5 Grafik torsi vs putaran pada 5 runner blade dengan jarak 1 cm 0,14 0,12 0,11 0,1 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16

12,14133 9,315333 8,164 7,954667

T o rs i (Nm ) Putaran (rad/s)

(64)

4.2.4. Efisiensi daya turbin dan efisiensi daya altenator

Performansi pada turbin merupakan daya mekanik yang dihasilkan dari sebuah turbin. Untuk mendapatkan nilai tersebut maka data yang diperlukan adalah kecepatan sudut (

�

) dan torsi (T).

Untuk menghitung daya turbin, digunakan persamaan :

� =� .�

Dimana:

� =�� (��)

�= �� ≈0,23 ��

�=�� (��)

Untuk menghitung kecepatan sudut adalah :

ω = 2�₆₀� Dimana:

�= �� (��

� )

�= 173 ��

� = 2� �

� = 2� 173

� = 18,10 ��/�

Daya Turbin Aktual:

� =� .�

� = 0,23 . 18,10 � = 4,163 ��

Untuk efisiensi turbin dapat dihitung dengan menggunakan rumus:

� = ��_�

(65)

Dimana:

�� = 4,163 �� _�� = 8,617 ��

� = 4,163

8,617 � 100%

� = 50,97 %

4.2.5 Efisiensi puli

Untuk mengetahui efisiensi puli dapat mengunakan rumus sebagai berikut:

�� = _{��}�� . _.��_{��} � 100%

Maka efisiensi puli saat pengujian tanpa pembebanan adalah:

�� = 0,035 . 994_{0,23 . 173} � 100% �_�� = 87,43 %

Dimana :

�_�� =�� (0,035 �)

�_{��} =�� (0,23 �)

4.3 PERHITUNGAN EFISIENSI TURBIN KAPLAN DENGAN 5 RUNNER BLADE PADA SUDUT GUIDE VANE 600 DAN JARAK VERTIKAL RUNNER TEHADAP GUIDE VANE SEBESAR 3 CM

4.3.1 Arus, tegangan, dan putaran

Dari hasil pengukuran dengan alat ukur multimeter dan tachometer diperoleh data sebagai berikut:

a. Untuk tanpa pembebanan lampu, diperoleh :

1) Arus yang dihasilkan alternator (I0) : 37 mA 2) Tegangan yang diisi dari altenator ke aki (V0) : 65 Volt

(66)

3) Putaran poros turbin Kaplan (n10) : 148 rpm 4) Putaran poros altenator (n20) : 851 rpm b. Untuk pembebanan dengan 1 lampu (3 Watt), diperoleh:

1) Arus yang dihasilkan alternator (I3) : 35,4 mA 2) Tegangan yang diisi dari altenator ke aki (V3) : 50 Volt 3) Putaran poros turbin Kaplan (n13) : 128 rpm 4) Putaran poros altenator (n23) : 736 rpm c. Untuk pembebanan dengan 1 lampu (4 Watt), diperoleh:

1) Arus yang dihasilkan alternator (I4) : 35,2 mA 2) Tegangan yang diisi dari altenator ke aki (V4) : 48 Volt 3) Putaran poros turbin Kaplan (n14) : 121 rpm 4) Putaran poros altenator (n24) : 695 rpm d. Untuk pembebanan dengan 2 lampu (7 Watt), diperoleh:

1) Arus yang dihasilkan alternator (I7) : 34,3 mA 2) Tegangan yang diisi dari altenator ke aki (V7) : 42 Volt 3) Putaran poros turbin Kaplan (n17) : 114 rpm 4) Putaran poros altenator (n27) : 655 rpm

4.3.2 Analisa daya dan putaran altenator pemberian beban

Dari data yang telah diperoleh dari hasil pengujian, dapat diketahui bahwa tegangan dan besar arus yang pengisian dari altenator ke aki tergantung pada besar beban (lampu) yang digunakan, sehingga dapat dihitung besar daya pengisian (cas) ke aki dengan menggunakan rumus:

P = V.I

Maka daya pengisian ke baterai adalah sebagai berikut: a. Untuk tanpa pembebanan lampu, diperoleh:

Pc0 = V0 . I0

(67)

Pc0 = 2,405 Watt

b. Untuk pembebanan 1 lampu (3 Watt), diperoleh: Pc3 = V3 . I3

Pc3 = 50 . 35,4 . 10-3 Pc3 = 1,77 Watt

c. Untuk pembebanan 1 lampu (4 Watt), diperoleh: Pc4 = V4 . I4

Pc4= 48 . 35,2 . 10-3 Pc4 = 1,6896 Watt

d. Untuk pembebanan 2 lampu (7 Watt), diperoleh: Pc7 = V7 . I7

Pc7 = 42 . 34,3 . 10-3 Pc7 = 1,4406 Watt

Dari perhitungan data diatas dapat ditampilkan dalam bentuk tabel yakni sebagai berikut:

Tabel 4.4 Hasil percobaan dan daya alternator pada jarak vertikal sebesar 3 cm Beban Lampu (Watt) Arus (mA) Tegangan (Volt) Putaran Turbin (rpm) Putaran Altenator (rpm) Daya Alternator (Watt)

0 37 65 148 851 2,405

3 35,4 50 128 736 1,77

4 35,2 48 121 695 1,6896

7 34,3 42 114 655 1,4406

Dari tabel 4.5 diatas dapat ditampilkan kedalam bentuk grafik untuk mengetahui lebih jelas fenomena pada perubahan daya alternator terhadap penambahan beban lampu yang digunakan.

(68)

Gambar 4.6 Grafik perubahan daya pada alternator terhadap penambahan beban pada jarak vertikal runner 3 cm terhadap guide vane guide vane 60o

Dengan melihat grafik diatas, dapat dianalisa semakin besar penambahan beban maka semakin kecil putaran poros alternator. dan hanya dapat diberi pembebanan 2 lampu (7 Watt).

Selanjutnya hubungan antara perubahan putaran di poros altenator terhadap penambahan beban lampu dapat dilihat grafik dibawah ini.

Gambar 4.7 Perubahan putaran altenator terhadap penambahan beban lampu pada jarak vertikal sebesar 3 cm

2,405 1,77 1,6896 1,4406 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

0 1 2 3 4 5 6 7 8

D a y a A lt e rn a tor ( W a tt )

Beban Lampu (Watt)

851 736 695 655 0 200 400 600 800 1000

0 1 2 3 4 5 6 7 8

P u tar an A lt e rn a tor ( rp m)

Beban Lampu (Watt) Beban Lampu (

(69)

Dari grafik diatas, dapat dianalisa semakin besar penambahan beban maka semakin kecil putaran poros altenator. Dimana putaraan poros tanpa beban lampu adalah 851 rpm dan ketika diberi beban lampu paling besar (7 Watt) putaran altenator menjadi 655 rpm.

4.3.3 Pengujian Torsi - Putaran Berbeban

Tabel 4.5 Hasil pengujian torsi dan putaran berbeban pada 5 runner blade dengan jarak 3 cm

Pengujian Torsi (Nm)

Beban Lampu (Watt) Torsi (Nm) Putaran (rad/s)

0 0,17 15,49067

3 0,15 13,39733

4 0,15 12,66467

7 0,14 11,932

Gambar 4. 8 Grafik torsi vs putaran pada 5 runner blade dengan jarak 3 cm 0,14 0,12 0,11 0,1 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16

12,14133 9,315333 8,164 7,954667

T o rs i (Nm ) Putaran (rad/s)

(70)

4.3.4 Efisiensi daya turbin dan efisiensi daya altenator

Performansi pada turbin merupakan daya mekanik yang dihasilkan dari sebuah turbin. Untuk mendapatkan nilai tersebut maka data yang diperlukan adalah kecepatan sudut (

�

) dan torsi (T).

Untuk menghitung daya turbin, digunakan persamaan:

� =� .�

Dimana:

� =�� (��)

�= �� ≈0,17 ��

�=�� (��)

Untuk menghitung kecepatan sudut adalah:

ω = 2�₆₀� Dimana:

�= �� (��_� )

�= 148 ��

� = 2� �

� = 2� 148

� =15,49 ��/�

Daya Turbin Aktual:

� =� .�

� = 0,17 . 15,49 � = 2,633 ��

Untuk efisiensi turbin dapat dihitung dengan menggunakan rumus:

� = ��_�

�� 100% Dimana :

�� = 2,633 �� _�� = 8,617 ��

(71)

� = 2,633

8,617 � 100%

� = 30,55 %

4.3.5 Efisiensi puli

Untuk mengetahui efisiensi puli dapat mengunakan rumus sebagai berikut:

�� = _�_{��}�� . _.��_�_{��} � 100%

Maka efisiensi puli saat pengujian tanpa pembebanan adalah:

�� = 0,035 .851 _{0,23 . 148} � 100% �_�� = 87.50%

Dimana:

�_�� =�� (0,035 �)

�_{��} =�� (0,23 �)

4.4 PERHITUNGAN EFISIENSI TURBIN KAPLAN DENGAN 5 RUNNER BLADE PADA SUDUT GUIDE VANE 600 DAN JARAK VERTIKAL RUNNER TEHADAP GUIDE VANE SEBESAR 5 CM

4.4.1 Arus, tegangan, dan putaran

Dari hasil pengukuran dengan alat ukur multimeter dan tachometer diperoleh data sebagai berikut:

a. Untuk tanpa pembebanan lampu, diperoleh :

1) Arus yang dihasilkan alternator (I0) : 37 mA 2) Tegangan yang diisi dari altenator ke aki (V0) : 43 Volt 3) Putaran poros turbin Kaplan (n10) : 116 rpm 4) Putaran poros altenator (n20) : 667 rpm b. Untuk pembebanan dengan 1 lampu (3 Watt), diperoleh:

(1)

�� = 1,699 ��

�_�� = 8,617 �� = 1,699

8,617 � 100% � = 19,71 %

4.4.5 Efisiensi puli

Untuk mengetahui efisiensi puli dapat mengunakan rumus sebagai berikut: �� = _�_{��}�� . _.��_�_{��} � 100%

Maka efisiensi puli saat pengujian tanpa pembebanan adalah: �� = 0,035 . 667_{0,23 . 116} � 100%

�_�� = 87,90 % Dimana:

�_�� =�� (0,035 �)

(2)

Dari pengujian di atas didapat data efisiensi sebagai berikut

Tabel 4.8 Hasil perbandingan jarak vertikal terhadap efisiensi Jarak Vertikal (cm) Efisiensi (%)

1 50,97

3 30,55

5 19,71

(3)

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 KESIMPULAN

Dari hasil pengujian turbin Kaplan dengan 5 runner blade pada sudut guide vane 600 dengan variasi jarak vertikal sebesar 1 cm, 3 cm dan 5 cm, dapat ditarik kesimpulan, yakni:

1. Daya tertinggi yang dihasilkan altenator yang digerakkan oleh turbin Kaplan dengan 5 runner blade pada sudut 60o tanpa pembebanan lampu terdapat pada jarak 1 cm sebesar 3,969 Watt, sedangkan pada jarak 3 cm sebesar 2,405 Watt dan pada jarak 1 cm sebesar 1,591 Watt.

2. Arus tertinggi yang dihasilkan alternator dengan sudut guide vane 60o, terjadi pada jarak 1 cm sebesar 44,1 mA, sedangkan arus terendah terjadi pada jarak 5 cm sebesar 34 mA.

3. Tegangan tertinggi yang dihasilkan alternator dengan sudut guide vane

60o, terjadi pada jarak 1 cm sebesar 90 Volt, sedangkan tegangan terendah terjadi pada jarak 5 cm sebesar 30 Volt.

4. Jarak yang paling efisien didapat pada jarak vertikal sebesar 1 cm.

5. Semakin besar beban lampu maka semakin kecil putaran poros, putaran altenator, daya pengisian, efisiensi turbin, efisiensi altenator, dan efisiensi puli.

(4)

5.2 SARAN

Adapun saran untuk pengujian ini adalah:

1. Dilakukan peninjauan terhadap diameter pulley yang efisien untuk digunakan dan rancangan instalasi pipa yang paling efisien untuk meminimalisir losses aliran fluida pada pipa.

2. Debit air melebihi 0,00088 m3/menit agar putaran poros dapat lebih maksimum.

3. Lebih teliti dalam perancangan rumah turbin dan draft tube karena lebih berpengaruh terhadap putaran turbin daripada komponen lainnya.

(5)

DAFTAR PUSTAKA

1. A. Pudjanarsa dan Djati N.2006. Mesin Konversi Energi. Cetakan Pertama. Yogjakarta: Penerbit Andi.

2. Dietzel, Fritz. 1993. Turbin, Pompadan Kompresor. Cetakan Keempat. Jakarta: Erlangga.

3. H. K Barrows. 1934. Water Power Engineering. New York. McGraw-Hill Book Company.

4. Halliday Resnick. 1980. Fisika Universitas. Edisi ketiga. Jakarta: Erlangga. 5. Jaakko Mattilla. 2007. Design of Runner Blade of Kaplan Turbine for Small

Hydroelectric Powerlant. Jerman.: Tampere.

6. Kiyokatsu Suga. 1978. Elemen Mesin. Cetakan Kedua. Jakarta: Permas. 7. L. V. Steeter dan Wylie B. 1993. Mekanika Fluida. Edisi Kedelapan.

Jakarta: Erlangga.

8. M. M. Dakekar dan K. N Sharma.1998. Pembangkit Listrik Tenaga Air. Jakarta: Erlangga.

9. R. S. Khurmi. 1970.Hydraulics, Fluid Mechanics And Hydraulic Machines. New Delhi: S.Chand & Company LTD.

10. R. K. Rajput.1998. A Textbook Of Hydraulic Machines. Edisi Kedua. New Delhi: S.Chand & Company LTD.

11. Sularso, Ir. 1987. Pompa Dan Kompresor. Cetakan Ketiga. Jakarta: PT. Pradya Paramita.

12. Warnick, C. C. 1984. Hydropower Engineering. New York: Prentice Hall, Inc. 13. 15.

(6)

17.

19.

20.

22. www.wiki.thayer.dartmouth.edu

23.

24.

25.

Uji Eksperimental Turbin Kaplan Dengan 5 Runner Blade Dan Analisa Perbandingan Variasi Jarak Vertikal Runner Terhadap Sudut Guide Vane 600.