TURBIN ALIRAN SILANG TERBUKA UNTUK KAPASITAS ALIRAN 10 LITERDETIK DAN HEAD 3 METER

  TURBIN ALIRAN SILANG TERBUKA UNTUK KAPASITAS ALIRAN 10 LITER/DETIK DAN HEAD 3 METER JUDUL

  Tugas Akhir

  Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Mesin

  Program Studi Teknik Mesin

  Oleh : Mardiatno NIM : 095214074 PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

  OPEN CROSSFLOW TURBINE FOR 10 LITRES/SECOND FLOW CAPACITY AND 3 METRES HEAD Final Project

  Presented as fulfillments of the Riquirements To Obtain the Sarjana Teknik Degree in Mechanical Engineering Study Program

  By : Mardiatno Student Number : 095214074 MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

TUGAS AKHIR

TUGAS AKHIR

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

  Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam Tugas Akhir ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.

  Yogyakarta, 11 Juli 2011 Penulis

  Mardiatno

  

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN

PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

  Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma : Nama : Mardiatno Nomor Mahasiswa : 095214074 Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul :

  

TURBIN ALIRAN SILANG TERBUKA

UNTUK KAPASITAS ALIRAN 10 LITER/DETIK DAN HEAD 3 METER

  beserta perangkat yang diperlukan (bila ada). Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, me- ngalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas, dan mempublikasikannya di Internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya maupun memberikan royalti kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis. Demikian pernyataan ini yang saya buat dengan sebenarnya.

  Yogyakarta, 11 Juli 2011 Yang menyatakan Mardiatno

  

ABSTRAK

  Turbin aliran silang banyak digunakan untuk pembangkit listrik skala mikro. Pembelian ataupun pembuatan turbin merupakan hal yang sulit dan mahal bagi masyarakat pada umumnya. Penelitian ini bertujuan untuk memberikan pengetahuan bagi masyarakat bahwa pembuatan turbin itu mudah dan murah serta mempelajari unjuk kerja turbin aliran silang terbuka untuk pembangkit listrik.

  Peralatan yang digunakan adalah sebuah turbin aliran silang (crossflow) dengan sudu turbin dari pipa air berdiameter 1½ inci yang membentuk sudu dengan busur 74°. Nosel dibuat dari pipa PVC 3 inci yang dipanaskan dan dipres. Diameter runner adalah 120 mm dengan lebar runner 127 mm. Jumlah sudu yang digunakan pada runner yaitu 18 sudu. Untuk menghasilkan listrik turbin dihubungkan dengan generator. Penelitian dilakukan dengan memvariasikan penggunaan rasio pulley yang digunakan pada poros turbin dan poros generator. Pengukuran daya dilakukan dengan mengukur tegangan dan arus yang dihasilkan alternator pada kondisi alternator diberi variasi pembebanan dari 25 watt sampai dengan 560 watt. Pada setiap pembebanan putaran turbin diukur dengan tachometer.

  Hasil penelitian yang telah dilakukan pada debit 10 L/s dan head 3 meter, daya keluaran maksimal sebesar 37,84 watt dan efisiensi total paling besar 13,1% pada putaran turbin 425 rpm. Pada debit 14,1 liter/detik dan head 6 meter didapat daya keluaran maksimal sebesar 173,8 watt dan efisiensi total paling besar 21,29% pada putaran generator 865 rpm.

  Kata kunci : Turbin crossflow, sudu belah pipa, turbin sederhana.

KATA PENGANTAR

  Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala rahmat dan karunia-Nya, sehingga Tugas Akhir ini dapat terselesaikan. Tugas akhir ini adalah sebagian persyaratan untuk mencapai derajat sarjana S-1 program studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma.

  Tugas akhir ini mengambil judul “TURBIN ALIRAN SILANG

TERBUKA UNTUK KAPASITAS ALIRAN 10 LITER/DETIK DAN HEAD

3 METER” .

  Penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini karena adanya bantuan dan kerjasama beberapa pihak. Pada kesempatan ini perkenankan penulis mengucapkan terimakasih kepada : 1. Romo Andreas Sugijopranoto SJ., selaku Direktur ATMI Surakarta.

  2. Romo Clay Pareira SJ., selaku Pembantu Direktur II ATMI Surakarta.

  3. Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T., Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma yang telah berkenan membimbing saya dalam Tugas Akhir ini.

  4. Budi Sugiharto, S.T., M.T., Ketua Jurusan Teknik Mesin dan dosen Pembimbing Akademik.

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

  6. Kepala Laboratorium dan Laboran Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma.

  7. Bapak-bapak dan ibu-ibu bagian administrasi Fakultas Sains dan Teknologi Sanata Dharma yang telah banyak membantu proses perkuliahan dan juga Tugas Akhir ini.

  8. Semua rekan-rekan ATMI - Sanata Dharma angkatan pertama,

  9. Orang tua, saudara, dan teman teman TMK yang telah turut mendukung pelaksaan perkuliahan dan juga Tugas Akhir ini.

  10. Istri tercinta Reni Lestari, anak-anakku Reno dan Ivan atas dorongan semangat dan kasih sayangnya.

  11. Serta semua pihak yang telah membantu atas terselesaikannya Tugas Akhir ini serta yang tidak mungkin disebutkan satu persatu. Penulis menyadari dalam pembahasan masalah ini masih jauh dari sempurna, maka penulis terbuka untuk menerima kritik dan saran yang membangun.

  Semoga naskah ini berguna bagi mahasiswa Teknik Mesin dan pembaca lainnya. Jika ada kesalahan dalam penulisan naskah ini penulis minta maaf yang sebesar-besarnya, terima kasih.

  Surakarta, 11 Juli 2011 Penulis Mardiatno

  

DAFTAR ISI

  JUDUL ................................................................................................................. i HALAMAN PERSETUJUAN ............................................................................ iii HALAMAN PENGESAHAN ............................................................................. iv PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ............................................................... v LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN..................................................... vi ABSTRAK ........................................................................................................ vii KATA PENGANTAR ...................................................................................... viii DAFTAR ISI ....................................................................................................... x DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... xii

  BAB I PENDAHULUAN .................................................................................... 1

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

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

  1.3. Batasan Masalah ......................................................................................... 3

  1.4. Tujuan Penelitian ........................................................................................ 3

  1.5. Manfaat Penelitian ...................................................................................... 4

  1.6. Metodologi Penulisan ................................................................................. 4

  1.7. Sistematika Penulisan ................................................................................. 4

  BAB II DASAR TEORI ...................................................................................... 6

  2.1. Tinjauan Pustaka ........................................................................................ 6

  2.4. Turbin Aliran Silang (Crossflow) .............................................................. 20

  2.5. Generator DC ........................................................................................... 32

  BAB III METODE PENELITIAN ..................................................................... 41

  3.1. Sarana Penelitian ...................................................................................... 41

  3.2. Skema Pengujian Alat ............................................................................... 42

  3.3. Tahap Penelitian ....................................................................................... 43

  3.4. Perancangan Turbin Aliran Silang (Crossflow) ......................................... 46

  BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ..................................... 52

  4.1. Hasil penelitian ......................................................................................... 52

  BAB V PENUTUP ............................................................................................ 64

  5.1. Kesimpulan .............................................................................................. 64

  5.2. Saran ........................................................................................................ 64 DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................ 65 LAMPIRAN - LAMPIRAN ............................................................................... 66

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Skema Irisan Penampang Nozzle Dan Ember Sudu Dan Bagan

  Kecepatan Pada Turbin Pelton .................................................................... 11

Gambar 2.2 Turbin Pelton .................................................................................. 11Gambar 2.3 Turbin Pelton Dengan Banyak Nozzle. ........................................... 12Gambar 2.4 Skema Perubahan Head Pada Turbin Pelton.................................... 12Gambar 2.5 Sudu Turbin Turgo Dan Nozzle ...................................................... 13Gambar 2.6 Skema Turbin Aliran Ossberger ...................................................... 14Gambar 2.7 Bagan Kecepatan Pada Turbin Aliran Ossberger ............................. 14Gambar 2.8 Turbin Francis Tipe Horizontal ....................................................... 15Gambar 2.9 Turbin Francis Tipe Vertikal ........................................................... 16Gambar 2.10 Skema Turbin Francis Dan Perubahan Headnya ............................ 16Gambar 2.11 Turbin Francis ............................................................................. 17Gambar 2.12 Turbin Kaplan Dengan Sudu Jalan Yang Dapat Diatur .................. 18Gambar 2.13 Skema Dua Jenis Turbin Propeller, Poros Vertikal Dan Poros

  Horizontal................................................................................................... 19

Gambar 2.14 Skema Turbin Aliran Silang (Crossflow) ...................................... 20Gambar 2.15 Gaya Aksi Atau Gaya Dorong Tumbukan ..................................... 21Gambar 2.16 Gaya Aksi Atau Gaya Dorong Tumbukan Sudu Jalan ................... 22Gambar 2.17 Gaya Aksi Atau Gaya Dorong Tumbukan Penampang Sudut

  Tertentu ...................................................................................................... 22

Gambar 2.18 Aliran Pergerakan Air Pada Turbin ............................................... 24Gambar 2.19 Pergerakan Aliran Air Pada Turbin ............................................... 24Gambar 2.20 Defleksi Pada Pergerakan Aliran Air Pada Turbin......................... 26Gambar 2.21 Diagram Kecepatan Pada Turbin Aliran Silang ............................. 27Gambar 2.22 Diagram Kecepatan Pada Turbin Aliran Silang ............................. 27Gambar 2.23 Kelengkungan Sudu ...................................................................... 28Gambar 2.26 Konstruksi Generator DC.............................................................. 32Gambar 2.27 Pembangkitan Tegangan Induksi .................................................. 33Gambar 2.28 Tegangan Rotor Yang Dihasilkan Melalui Cincin-Seret Dan

  Komutator .................................................................................................. 34

Gambar 2.29 Jangkar Generator DC .................................................................. 35Gambar 2.30 Generator Penguat Terpisah .......................................................... 36Gambar 2.31 Diagram Rangkaian Generator Shunt ............................................ 37Gambar 2.32 Diagram Rangkaian Generator Kompon ....................................... 37Gambar 2.33 Karakteristik Generator Kompon .................................................. 38Gambar 2.34 Motor DC Yang Digunakan .......................................................... 39Gambar 2.35 Ilustrasi Penggunaan Generator Pada Turbin ................................. 39Gambar 3.1 Diagram Alir Tahap Penelitian ....................................................... 45Gambar 4.1 Grafik Daya Keluaran (Pout) vs Putaran Alternator Pada Q = 10 lt/dt

  Dan H = 3m ................................................................................................ 59

Gambar 4.2 Grafik Daya Keluaran (Pout) vs Putaran Alternator Pada Q = 14,1 lt/dt Dan H = 6m ......................................................................................... 60Gambar 4.3 Grafik Efisiensi Total (Η) vs Putaran Alternator Pada Q = 10 lt/dt

  Dan H = 3m ................................................................................................ 61

Gambar 4.4 Grafik Efisiensi Total (Η) vs Putaran Alternator Pada Q = 14,1 lt/dt

  Dan H = 6m ................................................................................................ 62

BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Seiring dengan perkembangan zaman yang terus meningkat, kebutuhan

  akan energi semakin meningkat pula, sehingga energi merupakan suatu unsur yang sangat penting dalam pengembangan suatu negara atau suatu daerah. Oleh karena itu, pemanfaatan energi secara tepat guna akan menjadi suatu cara yang ampuh dalam perkembangan zaman sekarang.

  Sebagian besar negara di dunia termasuk Indonesia, masih mengandalkan suplay energi listrik dari pembangkit listrik berbahan bakar fosil yakni minyak bumi, gas alam dan batu bara yang terbatas jumlahnya di alam dan suatu saat akan habis, sementara permintaan akan energi listrik terus bertambah. Oleh karena itu pemanfaatan energi pada masa sekarang ini sudah diarahkan pada penggunaan energi terbarukan yang ada di alam. Misalnya energi air, energi angin, energi matahari, panas bumi, dan nuklir. Hal ini dikarenakan energi terbarukan tersebut cukup mudah didapat dan dapat didaur ulang bila dibandingkan dengan energi fosil seperti minyak bumi dan batu bara. Untuk mendapatkan sumber energi fosil harus melalui berbagai proses dan susah mendapatkannya, karena umumnya terdapat di bawah permukaan bumi. Selain itu jumlah cadangan sumber daya energi fosil mulai menipis, karena sumber energi ini tidak dapat diperbaharui.

  Sumber-sumber energi yang dikenal dengan sumber energi terbarukan seperti yang disebutkan di atas antara lain adalah energi air, energi matahari, energi angin, energi panas bumi, dan lain sebagainya. Semua energi tersebut telah

  

memenuhi kriteria sehingga dalam pemanfaatannya dapat menghemat penggunaan

energi fosil yang terbatas jumlahnya.

  Salah satu sumber energi terbarukan yang sangat berpotensi di negara kita

  

berpotensi untuk dimanfaatkan dan semuanya menyebar di seluruh pulau-pulau

besar yang ada di negara kita.

  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 di daerah 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 dilakukan dengan menggunakan kincir air atau turbin air yang memanfaatkan adanya suatu air terjun atau aliran air di sungai. Sejak awal abad 18 kincir air telah banyak dimanfaatkan sebagai penggerak penggilingan gandum, penggergajian kayu dan mesin tekstil. Sampai sekarang penggunaan kincir masih banyak digunakan khususnya untuk pembangkit arus listrik.

1.2. Rumusan Masalah

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

  Saat ini aliran silang (crossflow) yang dirancang dan dibuat pada bagian sudunya sering dirancang dan dibuat dengan menggunakan plat yang dilengkung. dengan sudut 74°. Nosel dibuat dengan pipa PVC 3 inci yang dipres. Selain itu bagian pendukung lainnya adalah bahan-bahan bangunan yang mudah dibeli di toko besi dan bangunan.

  1.3. Batasan Masalah

  Dalam tulisan ini dibatasi perencanaan data yang diambil. Untuk pengambilan data tersebut berasal dari data hasil pengujian dan pengamatan di laboratorium. Masalah-masalah yang dibahas dalam tulisan ini adalah : Penentuan spesifikasi peralatan dan perlengkapan prototipe turbin air aliran silang

  (crossflow) yang akan di uji di laboratorium.

  1. Penentuan bahan dan jenis yang digunakan pada prototipe turbin air aliran silang yang akan diuji di laboratorium.

  2. Analisa kapasitas daya yang dihasilkan oleh prototipe turbin air aliran silang (crossflow) setelah pengujian di laboratorium terhadap kapasitas daya yang di rencanakan semula.

  3. Analisa daya pengujian prototipe dengan memberikan variasi beban.

  4. Analisa grafik hasil pengujian prototipe turbin air aliran silang (crossflow).

  5. Efesiensi prototipe turbin air aliran silang (crossflow) dan efesiensi alternator.

  1.4. Tujuan Penelitian

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

  Hasil pengujian ini diharapkan dapat memberikan tambahan pengetahuan tentang tenaga air atau hydropower, terutama yang berkaitan dengan pemanfaatan

  1.5. Manfaat Penelitian

  Adapun manfaat pengujian ini adalah untuk memberikan informasi sebagai referensi tambahan bagi kalangan dunia pendidikan yang ingin melakukan riset di bidang konversi energi dalam modifikasi dan pengembangan turbin air.

  1.6. Metodologi Penulisan

  Metodologi yang digunakan dalam penulisan tugas akhir ini adalah sebagai berikut :

  1. Penentuan debit air dan ketinggian head yang akan digunakan untuk pengujian.

  2. Perencanaan serta pembuatan prototipe turbin air aliran silang (crossflow) terbuka dimana prototipe ini yang nantinya akan diuji di laboratorium untuk di analisa data hasil dari pengujian tersebut.

  3. Studi literatur, berupa studi kepustakaan, studi internet, serta kajian-kajian dari buku-buku dan tulisan yang berhubungan dengan pengujian ini.

  4. Pengambilan data, berupa seluruh data dari hasil pengujian di laboratorium yang akan di analisa serta dilampirkan pada penulisan tugas akhir ini.

  5. Diskusi, berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing, mengenai isi perencanaan serta masalah-masalah yang timbul selama penyusunan tugas sarjana.

  1.7. Sistematika Penulisan

  Sistematika penulisan skripsi ini dibagi dalam beberapa bab, yaitu pada

  bab I berisikan pendahuluan dimana bab ini menjelaskan latar belakang penulisan, tujuan penulisan, metodologi penulisan, manfaat penulisan, batasan masalah serta dimana pada bab ini dijelaskan seluruh spesifikasi dari peralatan yang digunakan selama pengujian dilakukan. Pada bab IV berisikan perhitungan dan analisa hasil pengujian, dimana seluruh data pengujian yang diperoleh akan dianalisa pada bab ini. Pada bab V berisikan tentang kesimpulan dari seluruh perhitungan dan analisa data yang diperoleh dari pengujian yang telah dilakukan. Sementara semua literatur yang digunakan selama pengujian dan penulisan skripsi ini akan didaftarkan pada daftar pustaka, serta seluruh gambar akan dilampirkan pada daftar gambar. Sebagai lampiran dari skripsi ini, akan dilampirkan gambar rancangan yang digunakan selama pengujian turbin air aliran silang (crossflow).

BAB II DASAR TEORI 2.1. Tinjauan Pustaka Turbin air adalah salah satu mesin berputar yang mengkonversi energi dari

  suatu gerakan aliran air menjadi energi mekanis. Energi mekanis ini kemudian ditransfer melalui suatu poros untuk mengoperasikan mesin atau generator. Turbin air digunakan pada pembangkit listrik tenaga air (PLTA) untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik, dengan memanfaatkan aliran dan tinggi air jatuh. Air akan menggerakan impeler turbin sehingga menyebabkan putaran yang cepat. Daya mekanis ini kemudian ditransfer ke generator oleh suatu poros dan kemudian akan menghasilkan energi listrik. Pemilihan suatu turbin tergantung pada karakteristik lokasi, karena lokasi ini menentukan tinggi air jatuh dan kapasitas air. Selain itu pemilihan turbin juga tergantung dari kecepatan putar yang dibutuhkan oleh generator.

  Unjuk kerja turbin aliran silang (crossflow) dipengaruhi oleh banyak parameter antara lain adalah jumlah sudu, sudut pancaran air masuk, sudut keluar, posisi pancaran air masuk, lintasan aliran air di dalam turbin, rasio lebar dan diameter runner, rasio diameter dalam dan diameter luar serta manufaktur runner maupun nozzle. Penelitian tentang turbin aliran silang (crossflow) banyak dilakukan untuk sudu yang dibuat dari plat yang dilengkung. Turbin crossflow yang dilengkapi dengan saluran pengarah di dalam runnernya pernah dibuat dan diuji (Olgun, 2000). Saluran pengarah dibuat dengan tujuan untuk mengumpulkan dan mengarahkan air yang keluar dari sudu atas agar dapat menuju sudu bawah dengan lebih baik. Tiga bentuk saluran telah dibuat dan diuji dengan berbagai variasi posisi saluran pengarah serta variasi bukaan nozzle. Penambahan saluran didalam runner ternyata tidak menaikkan efisiensi tetapi justru menurunkan efisiensi turbin crossflow sebesar 5 %. untuk tiap runner dibuat berbeda. Perbandingan diameter dalam dan diameter luar yang digunakan adalah 0,75; 0,67; 0,58; dan 0,54. Sudut masuk pancaran air

  o

  dipilih sebesar 16 . Hasil penelitian menunjukkan bahwa efisiensi tertinggi dicapai pada perbandingan 0,75 dan terendah pada perbandingan 0,54 dengan perbedaan sebesar 3%. Efisiensi tertinggi yang bisa dicapai adalah sebesar 72%.

  Penelitian terhadap pengaruh sudut nozzle menunjukkan bahwa efisiensi akan semakin besar jika sudut nozzle semakin besar (Khosrowpanah, 1988). Penelitian ini menggunakan 3 buah runner dengan jumlah sudu 20, 15 dan 10 serta 1 buah runner dengan diameter setengah dari diameter runner yang lain, sedangkan jumlah sudunya 20. Dari penelitian ini juga didapatkan bahwa efisiensi tertinggi dari tiap runner dicapai pada kecepatan spesifik yang sama. Semakin banyak jumlah sudu akan memberikan efisiensi yang semakin tinggi, namun jumlah sudu tersebut ada batasnya. Untuk sudut nozzle tertentu efisiensi maksimum dicapai pada jumlah sudu tertentu. Ada jumlah sudu optimum untuk sudut nozzle tertentu (Joshi,1995).

  Untuk kasus pada penelitian ini penulis menemukannya dalam artikel mengenai penggunaan pipa berdiameter 3 inci yang dipotong menjadi 4 bagian sebagai sudu pada turbin aliran silang.

  Metode yang dilakukan yaitu dengan membuat turbin aliran silang

  (crossflow)

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

  Dari penelitian ini diperoleh hasil bahwa Pada head 1,5 m dan debit 0,013

  3

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

  

3

  pada saat head 1,3 m dan debit 0,012 m /s, daya keluaran paling besar yaitu 12,68

2.2. Sejarah Turbin

  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 kedalam. Pada tahun 1826, Benoit Fourneyon mengembangkan turbin aliran keluar. Turbin ini sangan 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 kedalam 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

  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 system 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 impulse 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 impulse selanjutnya.

  Turbin air terdapat dalam suatu pembangkit listrik berfungsi untuk mengubah energi potensial yang dimiliki air menjadi energi kinetic. Selanjutnya

2.3. Klasifikasi Turbin Air 2.3.1. Klasifikasi Turbin Menurut Cara Kerja

  Terdapat berbagai jenis turbin air yang digunakan untuk penyediaan kebutuhan energi listrik. Turbin air biasanya dikelompokan berdasarkan kegunaan tertentu, kapasitas aliran dan tinggi air jatuh. Oleh karena itu turbin air diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara, tapi secara umum turbin air dikelompokkan menurut tinggi air jatuh (Head) dan juga prinsip kerja turbin tersebut merubah energi air menjadi energi puntir. Berdasarkan klasifikasi ini turbin air dibagi menjadi turbin impuls dan turbin reaksi.

2.3.1.1. Turbin Impuls

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

a. Turbin Pelton

  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.

  Yang menjadi ciri khusus dari turbin ini adalah nosel dan sudu berdampingan. Biasanya turbin ini diaplikasikan pada head turbin yang tinggi. Turbin Pelton untuk pembangkit skala besar membutuhkan head lebih kurang 150 meter tetapi untuk skala mikro head 20 meter sudah mencukupi.

Gambar 2.1 Skema irisan penampang nozzle dan ember sudu

  (atas) dan bagan kecepatan pada turbin Pelton (bawah) (Fritz Dietzel,1992, hal. 18 dan 25)

  Gambar 2.2

  Turbin Pelton

Gambar 2.3 Turbin Pelton dengan banyak nozzle.

  ( http://en.wikipedia.org/wiki/pelton_wheel ) Gambar 2.4

  Skema perubahan Head pada turbin Pelton (Fritz Dietzel, 1992, hal.18)

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

  Seperti turbin pelton turbin turgo merupakan turbin impulse, tetapi sudunya berbeda. Pancaran air dari nozzle membentur sudu pada sudut sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus menurunkan biaya perawatan.

Gambar 2.5 Sudu turbin turgo dan nozzle.

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

   Turbin Ossberger (Crossflow/ Michell-Banki)

  Turbin aliran Ossberger atau turbin crossflow terdiri dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel dan nossel. Pancaran air dialirkan dari nossel melewati sudu-sudu jalan yang berbentuk silinder, pertama-tama pancaran air dari nossel masuk ke turbin dan mengenai sudu-sudu sehingga terjadi konversi energi kinetic menjadi energi mekanis. Pancaran air masuk turbin melalui bagian atas, memberikan energi ke sudu kemudian masuk ke bagian dalam turbin dan keluar melalui bagian bawah turbin. Turbin mengambil energi air dua kali yaitu melalui sudu atas dan sudu bawah. Pada bagian atas turbin mengambil energi sebesar 72 % dan pada bagian bawah turbin mengambil energi sebesar 28 %.

  Gambar 2.6

  Skema Turbin Aliran Ossberger ( Fritz Dietzel, 1992, hal.36)

  selanjutnya turbin ini mengalami modifikasi

  Perkembangan

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

2.3.1.2. Turbin Reaksi

  Berbeda dengan turbin impuls, pada turbin reaksi terjadi perbedaan tekanan aliran air pada sisi masuk dan sisi keluar dari sudu jalan tersebut. Karena perbedaan tekanan kerja yang terjadi pada sisi masuk dan sisi keluar dari sudu jalan turbin maka turbin ini disebut turbin reaksi. Turbin air reaksi terdiri dari beberapa tipe, yaitu:

a. Turbin Francis

  Turbin Francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin Francis bekerja dengan memakai proses tekanan lebih. Turbin dipasang diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di bagian keluar. Dengan adanya pipa isap memungkinkan energi tinggi jatuh dapat bekerja disudu jalan dengan semaksimum mungkin.

  Pipa isap pada tubin ini mempunyai tugas yang mirip dengan sudu hantar yang terdapat pada pompa sentrifugal, yaitu mengubah energi kecepatan menjadi energi tekanan. 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 2.9 Turbin Francis tipe vertikal (Fritz Dietzel, 1992,

  hal.15)

  Gambar 2.10

  Skema Turbin Francis dan Perubahan Headnya (Fritz Dietzel, 1992, hal.16)

  Gambar 2.11

  Turbin Francis ( http://en.wikipedia.org/wiki/francis_turbine ) b.

   Turbin Propeller / Kaplan Turbin jenis ini merupakan pengembangan dari turbin Francis.

  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. Jika tinggi air jatuh semakin sedikit maka semakin sedikit belokan pada sudu jalan. Untuk memperbesar daya dengan head yang sedikit maka kapasitas aliran air harus besar yaitu dengan cara memperbesar luas dari penampang yang dilalui air. 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 2.12 Turbin Kaplan dengan sudu jalan yang dapat diatur.

  http://202.90.195.156/bse/smk/smk12%20TeknikMesinIndustri%20Sunyoto.pdf )

  (

  Gambar 2.13 Skema dua jenis Turbin Propeller, poros vertikal (kiri) dan poros horizontal (kanan) (Fritz Dietzel, 1992, hal.61)

2.3.2. Klasifikasi Turbin Menurut Daya yang Dihasilkan

  Dari daya yang dihasilkan, turbin dapat diklasifikasikan menjadi beberapa jenis, yaitu:  Large Hydro-Power Interval daya yang dihasilkan turbin mencapai 50 MW keatas.

   Medium Hydro-Power Interval daya yang dapat dihasilkan turbin antara 10 MW – 50 MW.

   Small Hydro-Power Interval daya yang dapat dihasilkan turbin antara 1000 kW – 10 MW.

   Mini Hydro-Power Interval daya yang dapat dihasilkan turbin antara 101 kW – 1000 kW.

   Micro Hydro-Power Interval daya yang dapat dihasilkan turbin antara 3 kW – 100 kW.

   Pico Hydro-Power

2.4. Turbin Aliran Silang (Crossflow) 2.4.1. Prinsip Dasar Turbin Aliran Silang (Crossflow)

  Turbin Crossflow ditemukan oleh Michell-Banki. Turbin ini juga disebut dengan Turbin Ossberger. Turbin Crossflow termasuk turbin impuls. Turbin

  crossflow

  terdiri dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel dan nozzle. Pancaran air dari nosel masuk turbin dan mengenai sudu sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Pancaran air masuk turbin melalui bagian atas, memberikan energi ke sudu kemudian masuk ke bagian dalam turbin dan keluar melalui bagian bawah turbin. Turbin mengambil energi air dua kali yaitu melalui sudu atas dan sudu bawah. Pada bagian atas turbin mengambil energi sebesar 72 % dan pada bagian bawah turbin mengambil energi sebesar 28 %.

  Gambar 2.14

  Skema Turbin Aliran Silang (crossflow) ( http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf )

2.4.2. Pemindahan Gaya ke Turbin

  a. Suatu plat yang tegak lurus terhadap pancaran air Pancaran air dengan kecepatan (v) yang memancar tegak lurus plat, akan menimbulkan suatu aksi atau gaya dorong/tumbukan maka akan ada gaya yang mencoba mendorong plat. Besarnya gaya F = m.

  ̇ . Pancaran akan bebelok 90º menyebar kesamping pada bidang plat maka akan terjadi perubahan vektor kecepatan yang berarti perubahan momentum.

  Gambar 2.15

  Gaya aksi atau gaya dorong tumbukan. (Joe Cole, 2004, hal.2)

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

Gambar 2.16 Gaya aksi atau gaya dorong tumbukan sudu jalan.

  (Joe Cole, 2004, hal. 2)

  c. Suatu penampang yang dengan sudut tertentu terhadap pancaran air Jika pancaran air membentur satu sudu lengkung maka air akan dibelokkan sesuai sudut. Gaya (F) diuraikan berdasarkan komponen- komponennya yaitu sumbu x & y.

2.4.3. Aliran Pergerakan Air pada Turbin

  Pada gambar 2.17 diasumsikan bahwa pancaran air dari nozzle masuk kedalam runner pada titik A dengan sudut α yang bersinggungan dengan keliling runner .

  Kecepatan air sebelum memasuki runner dapat dihitung dengan persamaan:

  V

  1

  =C

  (

  2gH

  )

  1

  2

  (Mockmore, 2004, hal.6) ......................................2.1 dengan : V 1 = Kecepatan absolut. H = Tinggi jatuh air C = Koefisien berdasarkan nozzle

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

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

Gambar 2.18 Aliran pergerakan air pada turbin. (Mockmore,

  2004, hal.6) Alur aliran pergerakan aliran air pada kenyataannya tidak seperti yang terdapat dalam gambar 2.17, akan tetapi terdapat defleksi sebesar θ seperti dalam gambar 2.18.

2.4.4. Efisiensi Efisiensi (ε) merupakan rasio perbandingan daya output dan daya input.

  Berdasarkan gambar 2.13 dapat diturunkan persamaan daya pengereman. Daya pengereman

  ) HP = ( w .Q/ g) ( V cos + V cos u (Mockmore, 2004, hal.7) …2.2

  1

  1

  2

  2

  α α

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

  V = v – u (Mockmore, 2004, hal.7) ………..2.3

  2 cos α

  2 2 cos β

  2

1 Mengabaikan kecepatan air dalam ketinggian h (gambar 2.17) yang

  2 memasuki bagian bawah.

  v

  2 1 (Mockmore, 2004, hal.7) ………………..2.4

  = ψv ψ = koefisien empiris yang nilainya 0,98

  Dari diagram kecepatan pada gambar 2.18 didapatkan: v

  1 = (V

  1 2 – u

  1 2 ) (Mockmore, 2004, hal.7) ……..…2.5

  cos α ) / (cos β Subtitusi persamaan 2.9, 2.10 dan 2.11 didapatkan :

  Hp output = ( W Qu

  1 /g).(V

  1

1 - u

  1

  2 1 ) ………….….2.6

  cos α ).(1 + ψ cos β cos β Secara teoritis daya input adalah

  2

  2 HP = W QH/g = W QV 1 / C 2g (Mockmore, 2004, hal 8) .............2.7

  Gambar 2.20

  Defleksi pada pergerakan aliran air pada turbin (Banki, 2004, hal. 8)

  Efisiensi

  2

  u

  1 /V

  1

  2

  

1

1 - u 1 /V 1 ) .................................2.8

  ε = (2C )(1 + ψ cos β / cosβ ).(cos α Dengan

  2 1 maka :

  β = β

  2

  u

  1 / V

  1

1 - u

1 / V 1 )

  ε = (2C ) (1 + ψ) (cos α u

  1 .V 1 = cos α 1 /2 1 (Mockmore, 2004, hal 9) ......................2.9

  ε max = 0,5 C2 (1 + ψ ) cos2 α Dimana efisiensi di atas benar apabila nilai ψ dan C merupakan satu kesatuan dimana tidak ada head loses dan tidak ada gesekan pada nosel dan sudu.

  o

  Nilai efisiensi maksimum tercapai pada sudut masuk α

  1

  16 dengan nilai ψ = 0.98 dan C =0.98.

2.4.5. Konstruksi Turbin Aliran Silang (Crossflow)

  Sudut sudu masuk sisi atas pada keliling luar runner yang dapat dilihat β

  1 ,

  pada gambar 2.17 dan 2.19

  1 1 , V 1 ,

  . Sehingga sudut β dapat ditentukan oleh nilai α dan u

  1

  jika u

  1 = ½ V

  1

  1

  cos α maka β

  1 =29 o

  2

  '=90

  2

  β

  2, untuk membuat aliran pancaran air radial maka besarnya

  α

  1 =

  dan α

  asumsi v 1 = v

  ,50

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

  (Mockmore, 2004, hal. 11) β

Gambar 2.21 Diagram kecepatan pada turbin Aliran Silang

  atau nilai pendekatan (Mockmore, 2004, hal 10)

  o

  atau 30

  o

  o . a. Diameter Luar runner (D

  1 ) ½

  D

  1 = 862H /N (Mockmore, 2004, hal 14) ..................................2.10

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

  b. Panjang Turbin (L)

  ½ ½