TUGAS AKHIR RANCANG BANGUN DAN PENGUJIAN TURBIN KAPLAN PADA KETINGGIAN (H) 4 M DEBIT (Q) 0,025 M3/S DENGAN VARIASI SUDUT SUDU ROTOR 20º & SUDUT SUDU STATOR 25º, 30º, 45º.
TUGAS AKHIR
RANCANG BANGUN DAN PENGUJIAN TURBIN
KAPLAN PADA KETINGGIAN (H) 4 M DEBIT (Q)
0,025 M3/S DENGAN VARIASI SUDUT SUDU ROTOR
20º & SUDUT SUDU STATOR 25º, 30º, 45º
Disusun oleh:
IBNU FAJRI
NIM : D 200 060 029
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
2011
PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI
Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan
judul : “ RANCANG BANGUN DAN PENGUJIAN TURBIN KAPLAN
PADA KETINGGIAN (H) 4 M, DEBIT (Q) 0,025 M3/S DENGAN VARIASI
SUDUT SUDU ROTOR 20º & SUDU STATOR 25º, 30º, 45º ”
Yang dibuat untuk memenuhi sebagian syarat memperoleh derajat sarjana
S1 pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah
Surakarta, sejauh yang saya ketahui bukan merupakan tiruan atau duplikasi
dari skripsi yang sudah dipublikasikan dan/atau pernah dipakai untuk
mendapatkan gelar kesarjanaan dilingkungan Universitas Muhammadiyah
Surakarta atau instansi manapun, kecuali bagian yang sumber informasinya
saya cantumkan sebagaimana mestinya.
Surakarta, Maret 2011
Yang menyatakan,
Ibnu Fajri
HALAMAN PERSETUJUAN
Tugas Akhir ini berjudul ”RANCANG BANGUN DAN PENGUJIAN
TURBIN KAPLAN DENGAN KETINGGIAN (H) 4 M DEBIT 0,025 M3/S DENGAN
VARIASI SUDUT SUDU ROTOR 20º DAN SUDUT SUDU STATOR 25º, 30º,
45º”, telah disetujui oleh pembimbing untuk memenuhi sebagian persyaratan
memperoleh derajat Sarjana (Strata 1) Teknik Mesin di Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta
Dipersiapkan oleh:
Nama
: IBNU FAJRI
Nim
: D 200 060 029
Disetujui pada:
Hari
:……………..
Tanggal
: ……………..
Pembimbing Utama
(Ir. Sartono Putro, MT)
Pembimbing Pendamping
(Ir. Subroto, MT)
HALAMAN PENGESAHAN
Tugas
Akhir
ini
berjudul
”RANCANG
BANGUN
DAN
PENGUJIAN TURBIN KAPLAN DENGAN KETINGGIAN (H) 4 M
DEBIT 0,025 M3 /S DENGAN VARIASI SUDUT SUDU ROTOR 20º
DAN SUDUT SUDU STATOR 25º, 30º, 45º” telah dipertahankan
dihadapan dewan penguji dan disahkan sebagai syarat untuk
memperoleh gelar Sarjana Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas
Muhammadiyah Surakarta.
Dipersiapkan Oleh:
Nama
: IBNU FAJRI
Nim
: D 200 060 029
Disahkan pada
Hari
:
Tanggal
:
Tim Penguji
Ketua
: Ir. Sartono Putro, MT
(
)
Anggota 1 : Ir. Subroto, MT
(
)
Anggota 2 : Amin Sulistyanto, ST
(
)
Mengetahui,
Dekan
Ketua Jurusan
Ir. Agus Riyanto, MT
Ir. Sartono Putro, MT
iv
LEMBAR SOAL TUGAS AKHIR
v
HALAMAN MOTTO
Dan bahwasannya seorang manusia tiada memperoleh selain apa yang
diusahakannya. Dan bahwasannya usahanya
itu kelak akan
diperlihatkan (Kepada-Nya).
(QS An-Najm : 39-40)
Sesungguhnya setelah kesulitan itu ada kemudahan
(QS Al-Insyirah : 6)
Maka apabila kamu telah selesai (dari sesuatu urusan), kerjakanlah
dengan sungguh-sungguh (urusan) yang lain.
(QS Al-Insyirah : 7)
Bekerjalah
untuk
duniamu
seakan-akan
kau
hidup
selamanya, beribadahlah untuk akhiratmu seakan-akan kau mati besok.
( Al Hadist )
Bermaksud mencelakakan diri, bila telah merasa cukup dengan ilmu
yang dimiliki dan tidak pernah merasa cukup dengan harta yang
vi
HALAMAN PERSEMBAHAN
Dengan penuh harap ridho Allah SWT teriring perasaan syukur dan
sabar yang mendalam serta penghargaan yang tinggi, setelah melewati
berbagai ujian dalam perjuangan yang abadi, Aku mempersembahkan
Tugas Akhir ini kepada :
Bapak ( Marwan ) dan Ibu ( Hanti ) yang dengan segala kasih
sayang, kesabaran, keikhlasan dan pengorbanannya, senantiasa
mendukung, membimbing dan mendo’akanku.
Keluargaku ( mbak mira, mbak ida, mas bayu, mas nanang ) dan
keluarga semua yang sudah bantu dan suport untuk saya.
Sahabatku (teman-teman angkatan 2006 teknik mesin yang selalu
kompak, saling mendukung dan berbagi tidak akan saya
lupakan )
Almamater ( Universitas Muhammadiyah Surakarta )
Dosen Universitas Muhammadiyah Surakarta Teknik Mesin yang
telah membimbing saya didalam perkuliah.
Bapak Dosen pembimbing akedemik Ir. Bibit Sugito. MT., Bapak
Dosen pembimbing satu tugas akhir Ir. Sartono Putro, MT.., dan
Bapak Dosen pembimbing dua tugas akhir Ir. Subroto, MT., saya
berterima kasih atas penggarahan dan bimbingan yang banyak
diberikan di Universitas Muhammadiyah Surakarta.
vii
KATA PENGANTAR
Segala puji syukur ke hadirat Allah SWT atas segala rahmat dan
karunia- Nya yang telah terlimpahkan kepada penulis,
sehingga Tugas
Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik. Sholawat dan salam semoga
selalu dilimpahkan kepada Nabi Besar Muhammad SAW, beserta keluarga
dan sahabat-sahabatnya, Amien.
Adapun Tugas Akhir ini disusun untuk memenuhi persyaratan
Sidang Sarjana S-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas
Muhammadiyah Surakarta.
Dalam penyusunan Tugas Akhir ini, penulis banyak mendapat
bantuan dari berbagai pihak secara moril maupun materiil. Oleh karena
itu pada kesempatan ini, penulis sampaikan rasa terimakasih yang tulus,
kepada :
1. Bapak Ir. Agus Riyanto, MT., selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas
Muhammadiyah Surakarta.
2. Bapak Ir. Sartono Putro, MT., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.
3. Bapak Ir. Sartono Putro, MT., selaku Dosen Pembimbing I yang telah
membimbing, mengarahkan, memberi
petunjuk dalam penyusunan
Tugas Akhir ini
4. Bapak Ir. Subroto, MT., selaku Dosen Pembimbing II yang telah
meluangkan banyak waktu untuk memberikan bimbingan dan arahan
dalam penyusunan Tugas Akhir ini.
5. Bapak, Ir. Bibit Sugito, MT., selaku Pembimbing Akademik.
6. Dosen jurusan Teknik Mesin beserta staf Tata Usaha Fakultas Teknik
7. Bapak (Marwan) yang telah memberikan kasih sayang, mendidik dan
membesarkan penulis.
8. Ibu (Hanti) yang senantiasa mencintai, menyayangi, memberikan
dukungan dan mendo’akan penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir.
9. Kakak-kakakku ( mbak mira, mbak ida) yang selalu memberikan
dukungan dan do’a.
10. Teman angkatan 2006 yang sudah banyak membantu saya dan
mendukung saya dalam perkuliahan selama di Universitas
Muhammadiyah Surakarta.
11. Teman saya fendy, eko, agus, fery, teman-teman praktikum
Hidrodinamika, Bp.Suwardi ( PBS Solo ) Mas Joko ( Lab Teknik Sipil )
yang telah banyak membantu saya dalam melakukan penelitian ini
dilapangan.
Akhir kata, penulis mohon maaf sebelum dan sesudahnya, jika
sekiranya terdapat kesalahan dan kekurangan dalam penulisan Tugas Akhir
ini, yang disebabkan adanya keterbatasan-keterbatasan antara lain waktu,
dana, literature yang ada, dan pengetahuan yang penulis miliki. Harapan
penulis semoga laporan ini bermanfaat untuk pembaca.
Tugas Akhir ini semoga dapat bermanfaat khususnya bagi penulis
dan pihak lain yang membutuhkan, Amin ya Robbaallamin.
Surakarta,
Maret 2011
Penulis
RANCANG BANGUN DAN PENGUJIAN TURBIN KAPLAN PADA
KETINGGIAN (H) 4 M DEBIT (Q) 0,025 M3/S DENGAN VARIASI
SUDUT SUDU ROTOR 200 & SUDUT SUDU STATOR 250, 300, 450
Ibnu Fajri, Sartono Putro, Subroto
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Jl. A.Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasura.
Email : ibnufajri18@yahoo.co.id
ABSTRAKSI
Turbin Kaplan adalah mesin konversi energi dengan air sebagai
fluida kerjanya. Dalam rancang bangun Turbin Kaplan perlu diperhatikan
besar kecilnya debit aliran serta ketinggian air jatuh. Tujuan penulisan
tugas akhir ini adalah mendapatkan desain Turbin Kaplan dengan sudut
sudu rotor 200 dan stator 250, 300, 450.
Pengujian Turbin kaplan ini mengacu pada data pengukuran yang
diperoleh dari survey aliran air di Desa Nogosaren, Kecamatan Getasan,
Kabupaten Semarang yaitu dengan ketinggian (H) 4 m debit (Q) 0,025
m3/s dengan sudut sudu rotor 200 dan stator 250, 300, 450 dengan
diameter luar turbin (DI) = 13,8 cm, diameter pada leher poros turbin (Dn)
= 5,7 cm, diameter tengah turbin (D m) = 9,5 cm.
Dari hasil pengujian turbin Kaplan diperoleh hasil putaran turbin
dari sudut sudu rotor 200 dan stator 250 pada putaran tertinggi 602,2 rpm
dengan debit 24,1 dm3/s, sedangkan putaran terendah pada sudut sudu
rotor 200 dan stator 250 pada putaran 104 rpm dengan debit 20,1 dm3/s.
Kata kunci : turbin kaplan, sudu turbin, putaran turbin
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL............................................................................................. I
PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI............................................................. II
HALAMAN PERSETUJUAN .................................................................... III
HALAMAN PENGESAHAN ...................................................................... IV
LEMBAR SOAL TUGAS AKHIR ................................................................. V
HALAMAN MOTTO ................................................................................... VI
HALAMAN PERSEMBAHAN ................................................................... VII
INTISARI..........................................................................................................VIII
KATA PENGANTAR ..........................................................................................IX
DAFTAR ISI ................................................................................................. XI
DAFTAR GAMBAR .......................................................................................XIV
DAFTAR TABEL .......................................................................................... XVI
BAB I.
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang …................................................................ 1
1.2 Rumusan Masalah ...................................................................... 3
1.3 Tujuan Penulisan ........................................................................ 3
1.4 Manfaat Penelitian ...................................................................... 3
1.5 Batasan Masalah.......................................................................... 4
1.6 Sistematika Penulisan…………………………………………...... 5
BAB II.
DASAR TEORI
2.1 Kajian Pustaka ............................................................................ 6
2.2. Energi Air ................................................................................... 7
2.2.1 Klasifikasi Turbin Air.......................................................... 10
2.2.2 Turbin Kaplan ................................................................... 10
2.3 Pemilihan Jenis Turbin............................................................ 13
2.3.1 Berdasarkan Kecepatan Spesifik………………………..... 13
2.3.2 Berdasarkan Perbandingan Karakteristik Turbin……...… 15
2.3.3 Berdasarkan Debit dan Head…………………………....… 17
2.3.4 Berdasarkan Efisiensi dan Daerah Kerja……………....... 19
2.4 Kecepatan Spesifik………….......…………………….……..... 20
2.5 Kecepatan Keliling Turbin………………..………………....…… 20
2.5.1 Kecepatan Keliling Turbin Bagian Luar Sudu.................... 20
2.5.2 Kecepatan Keliling Bagian Leher Poros Sudu………...… 21
2.5.3 Kecepatan Keliling Bagian Tengah Sudu……………….... 21
2.6 Diameter Turbin …………………………………………...…...… 21
2.6.1 Diameter Luar Sudu Turbin……………………………...… 22
2.6.2 Diameter Leher Poros Sudu Turbin……………………...… 22
2.6.3 Diameter Tengah Sudu Turbin………………………......… 22
2.7 Segitiga Kecepatan………………………….…………….…........ 22
2.7.1 Kecepatan Keliling…………………………………...…...... 23
2.7.2 Kecepatan Aliran………………………………….…......… 23
2.8 Profil Sudu................................................................................. 23
2.8.1 Profil Sudu Bagian Luar……….….……………….…...…
24
2.8.2 Profil Sudu Bagian Tengah……………………………....… 26
2.8.3 profil sudu bagian leher poros………………………......…. 27
2.9 Tinggi Sudu Pengarah…………………………………….....….. 28
2.10 Daya Turbin………………………………………..................…. 29
2.11 Gaya Aksial…………………………………………….……....... 29
2.15 Efisiensi.................................................................................. 30
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Diagram Alir Penelitian ............................................................ 31
3.2 Bahan dan Alat……................................................................. 32
3.3 Tahapan Penelitian……............................................................. 33
3.4. Instalasi Penelitian ……………………………… …….…....…..
34
3.5 Lokasi Penelitian………………………………………………...... 35
3.6. Analisa Perhitungan…………………………………………......
35
3.6.1 Kecepatan Spesifik……………………………………….... 36
3.6.2 Kecepatan Keliling Turbin…………………………...…...... 36
3.6.3 Diameter Turbin…………………………………………...... 38
3.6.4 Segitiga Kecepatan……………………………………...…. 39
3.6.5 Tinggi Sudu Pengarah……………………………….......… 47
3.6.6 Daya Turbin…………………………………………...…..... 47
3.6.7 Gaya Aksial……………………………………………..… . 49
3.6.8 Efisiensi………………………………………………....….. 49
3.7 Gambar Rancangan Turbin Kaplan……………………...…...…. 50
3.8 Metode Pengujian Turbin Kaplan…………………………..…....
51
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Analisa Grafik dan Pembahasan……………. ............................. 54
4.1.1 Data putaran hasil pengujian sudu rotor 200 dan sudu
stator 250............................................................................54
4.1.2 Data putaran hasil pengujian sudu rotor 20 0 dan sudu
stator 300............................................................................56
4.1.3 Data putaran hasil pengujian sudu rotor 20 0 dan sudu
stator 450............................................................................58
4.1.4 Data putaran hasil pengujian sudu rotor 20 0 dan sudu
stator 250,300,450...............................................................60
BAB V PENUTUP
5.1 Kesimpulan .............................................................................. 62
5.2 Saran....................................................................................... 63
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Diagram Klasifikasi Turbin Air………………………………..…......... 10
Gambar 2.2. Turbin Kaplan..………..……………………………….…….….......... 11
Gambar 2.3. Turbin Kaplan dengan Sudu Jalan yang Dapat Diatur…………...... 12
Gambar 2.4. Perbandingan Bentuk Sudu Turbin Berdasarkan Kecepatan
Spesifik……………............…….………………………….................. 14
Gambar 2.5. Grafik Perbandingan Karakteristik Turbin………………………........ 15
Gambar 2.6. Tinggi Jatuh Air Aktual Untuk Turbin Tekanan Sama…………........ 18
Gambar.2.7. Tinggi Jatuh Air Aktual Untuk Turbin Tekanan Lebih………….….... 18
Gambar 2.8. Grafik Pembebanan Turbin………………………………………........ 20
Gambar 2.9. Sket Turbin Kaplan…………………………………………………....... 21
Gambar 2.10. Sket Profil Sudu…………………………………………………...…... 23
Gambar 2.11. Segitiga Kecepatan Bagian Luar ………………………………...…. 24
Gambar 2.12. Koefisien Gaya Angkat dan Tahanan…………………………….... 25
Gambar 2.13. Grafik Kecepatan Spesifik …………………………………............... 25
Gambar 2.14. Segitiga Kecepatan Bagian Tengah ……………………….…......... 26
Gambar 2.15. Segitiga Kecepatan Bagian Leher Poros……………………...…… 27
Gambar 3.1. Skema Diagram Alir………………………………………………......... 31
Gambar 3.2. Theodolith………………………………………………………............. 32
Gambar 3.3. Bak Ukur........................................................................................ 32
Gambar 3.4. Hydrometer……………………………………………………............ 33
Gambar 3.5. Tachometer……………………………………………………........... 33
Gambar 3.6. Stopwatch……………………………………………………….......... 33
Gambar 3.7. Instalasi Penelitian……………………………………………............ 34
Gambar 3.8. Sket Turbin…………………………………………………….......….. 38
Gambar 3.9. Segitiga Kecepatan Bagian Tengah………………………......….... 42
Gambar 3.10. Segitiga Kecepatan Bagian Leher Poros…………………......….. 44
Gambar 3.11.Segitiga Kecepatan Bagian Luar………………………….….......... 46
Gambar 3.12. Rotor Turbin Kaplan……………………………………………........ 50
Gambar 3.13. Komponen Turbin Kaplan…………………………………......…… 50
Gambar 3.14. Katup Pengatur Debit………………………………..……......……. 51
Gambar 3.15. Sudu Rotor 20° dan Stator 250.………………...…….……......….. 52
Gambar 3.16. Sudu Rotor 20° dan Stator 300.………..........………...……......… 53
Gambar 3.17. Sudu Rotor 20° dan Stator 450.………..........………...….....….… 53
Gambar 4.1. Hubungan Putaran dengan Debit Pada Rotor Rotor 20° dan
Stator 25°.................................................................................... 55
Gambar 4.2. Hubungan Putaran dengan Debit Pada Rotor Rotor 20° dan
Stator 30°................................................................................... 57
Gambar 4.3. Hubungan Putaran dengan Debit Pada Rotor Rotor 20° dan
Stator 45°.............................................................. ...................... 59
Gambar 4.4. Hubungan Putaran dengan Debit Pada Rotor Rotor 20° dan
Stator 25°, 30°, 45° ..................................................................... 60
DAFTAR GRAFIK
Grafik 1. Sudu Rotor 25° dan Stator 25°……................................................. 56
Grafik 2. Sudu Rotor 25° dan Stator 30°……................................................. 57
Grafik 3. Sudu Rotor 25° dan Stator 45°……................................................. 58
Grafik 4. Sudu Rotor 25° dan Stator 25°, 30°, 45°......................................... 59
DAFTAR TABEL
Tabel 1. Pemilihan Jenis Turbin Berdasarkan Kecepatan Spesifik...........................14
Tabel 2. Pemilihan Jenis Turbin Berdasarkan Tinggi Jatuh Air………..................... 19
Tabel 3. Perhitungan Segitiga Kecepatan………………………………..…............... 47
Tabel 4. Debit Terukur dengan Menggunakan Variasi………………….................... 52
Tabel 5.Data Putaran hasi pengujian Sudu Rotor 20° dan Sudu Stator 25°............ 54
Tabel 6.Data Putaran hasi pengujian Sudu Rotor 20° dan Sudu Stator 30°............ 56
Tabel 7.Data Putaran hasi pengujian Sudu Rotor 20° dan Sudu Stator 45°............ 58
RANCANG BANGUN DAN PENGUJIAN TURBIN
KAPLAN PADA KETINGGIAN (H) 4 M DEBIT (Q)
0,025 M3/S DENGAN VARIASI SUDUT SUDU ROTOR
20º & SUDUT SUDU STATOR 25º, 30º, 45º
Disusun oleh:
IBNU FAJRI
NIM : D 200 060 029
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
2011
PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI
Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan
judul : “ RANCANG BANGUN DAN PENGUJIAN TURBIN KAPLAN
PADA KETINGGIAN (H) 4 M, DEBIT (Q) 0,025 M3/S DENGAN VARIASI
SUDUT SUDU ROTOR 20º & SUDU STATOR 25º, 30º, 45º ”
Yang dibuat untuk memenuhi sebagian syarat memperoleh derajat sarjana
S1 pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah
Surakarta, sejauh yang saya ketahui bukan merupakan tiruan atau duplikasi
dari skripsi yang sudah dipublikasikan dan/atau pernah dipakai untuk
mendapatkan gelar kesarjanaan dilingkungan Universitas Muhammadiyah
Surakarta atau instansi manapun, kecuali bagian yang sumber informasinya
saya cantumkan sebagaimana mestinya.
Surakarta, Maret 2011
Yang menyatakan,
Ibnu Fajri
HALAMAN PERSETUJUAN
Tugas Akhir ini berjudul ”RANCANG BANGUN DAN PENGUJIAN
TURBIN KAPLAN DENGAN KETINGGIAN (H) 4 M DEBIT 0,025 M3/S DENGAN
VARIASI SUDUT SUDU ROTOR 20º DAN SUDUT SUDU STATOR 25º, 30º,
45º”, telah disetujui oleh pembimbing untuk memenuhi sebagian persyaratan
memperoleh derajat Sarjana (Strata 1) Teknik Mesin di Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta
Dipersiapkan oleh:
Nama
: IBNU FAJRI
Nim
: D 200 060 029
Disetujui pada:
Hari
:……………..
Tanggal
: ……………..
Pembimbing Utama
(Ir. Sartono Putro, MT)
Pembimbing Pendamping
(Ir. Subroto, MT)
HALAMAN PENGESAHAN
Tugas
Akhir
ini
berjudul
”RANCANG
BANGUN
DAN
PENGUJIAN TURBIN KAPLAN DENGAN KETINGGIAN (H) 4 M
DEBIT 0,025 M3 /S DENGAN VARIASI SUDUT SUDU ROTOR 20º
DAN SUDUT SUDU STATOR 25º, 30º, 45º” telah dipertahankan
dihadapan dewan penguji dan disahkan sebagai syarat untuk
memperoleh gelar Sarjana Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas
Muhammadiyah Surakarta.
Dipersiapkan Oleh:
Nama
: IBNU FAJRI
Nim
: D 200 060 029
Disahkan pada
Hari
:
Tanggal
:
Tim Penguji
Ketua
: Ir. Sartono Putro, MT
(
)
Anggota 1 : Ir. Subroto, MT
(
)
Anggota 2 : Amin Sulistyanto, ST
(
)
Mengetahui,
Dekan
Ketua Jurusan
Ir. Agus Riyanto, MT
Ir. Sartono Putro, MT
iv
LEMBAR SOAL TUGAS AKHIR
v
HALAMAN MOTTO
Dan bahwasannya seorang manusia tiada memperoleh selain apa yang
diusahakannya. Dan bahwasannya usahanya
itu kelak akan
diperlihatkan (Kepada-Nya).
(QS An-Najm : 39-40)
Sesungguhnya setelah kesulitan itu ada kemudahan
(QS Al-Insyirah : 6)
Maka apabila kamu telah selesai (dari sesuatu urusan), kerjakanlah
dengan sungguh-sungguh (urusan) yang lain.
(QS Al-Insyirah : 7)
Bekerjalah
untuk
duniamu
seakan-akan
kau
hidup
selamanya, beribadahlah untuk akhiratmu seakan-akan kau mati besok.
( Al Hadist )
Bermaksud mencelakakan diri, bila telah merasa cukup dengan ilmu
yang dimiliki dan tidak pernah merasa cukup dengan harta yang
vi
HALAMAN PERSEMBAHAN
Dengan penuh harap ridho Allah SWT teriring perasaan syukur dan
sabar yang mendalam serta penghargaan yang tinggi, setelah melewati
berbagai ujian dalam perjuangan yang abadi, Aku mempersembahkan
Tugas Akhir ini kepada :
Bapak ( Marwan ) dan Ibu ( Hanti ) yang dengan segala kasih
sayang, kesabaran, keikhlasan dan pengorbanannya, senantiasa
mendukung, membimbing dan mendo’akanku.
Keluargaku ( mbak mira, mbak ida, mas bayu, mas nanang ) dan
keluarga semua yang sudah bantu dan suport untuk saya.
Sahabatku (teman-teman angkatan 2006 teknik mesin yang selalu
kompak, saling mendukung dan berbagi tidak akan saya
lupakan )
Almamater ( Universitas Muhammadiyah Surakarta )
Dosen Universitas Muhammadiyah Surakarta Teknik Mesin yang
telah membimbing saya didalam perkuliah.
Bapak Dosen pembimbing akedemik Ir. Bibit Sugito. MT., Bapak
Dosen pembimbing satu tugas akhir Ir. Sartono Putro, MT.., dan
Bapak Dosen pembimbing dua tugas akhir Ir. Subroto, MT., saya
berterima kasih atas penggarahan dan bimbingan yang banyak
diberikan di Universitas Muhammadiyah Surakarta.
vii
KATA PENGANTAR
Segala puji syukur ke hadirat Allah SWT atas segala rahmat dan
karunia- Nya yang telah terlimpahkan kepada penulis,
sehingga Tugas
Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik. Sholawat dan salam semoga
selalu dilimpahkan kepada Nabi Besar Muhammad SAW, beserta keluarga
dan sahabat-sahabatnya, Amien.
Adapun Tugas Akhir ini disusun untuk memenuhi persyaratan
Sidang Sarjana S-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas
Muhammadiyah Surakarta.
Dalam penyusunan Tugas Akhir ini, penulis banyak mendapat
bantuan dari berbagai pihak secara moril maupun materiil. Oleh karena
itu pada kesempatan ini, penulis sampaikan rasa terimakasih yang tulus,
kepada :
1. Bapak Ir. Agus Riyanto, MT., selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas
Muhammadiyah Surakarta.
2. Bapak Ir. Sartono Putro, MT., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.
3. Bapak Ir. Sartono Putro, MT., selaku Dosen Pembimbing I yang telah
membimbing, mengarahkan, memberi
petunjuk dalam penyusunan
Tugas Akhir ini
4. Bapak Ir. Subroto, MT., selaku Dosen Pembimbing II yang telah
meluangkan banyak waktu untuk memberikan bimbingan dan arahan
dalam penyusunan Tugas Akhir ini.
5. Bapak, Ir. Bibit Sugito, MT., selaku Pembimbing Akademik.
6. Dosen jurusan Teknik Mesin beserta staf Tata Usaha Fakultas Teknik
7. Bapak (Marwan) yang telah memberikan kasih sayang, mendidik dan
membesarkan penulis.
8. Ibu (Hanti) yang senantiasa mencintai, menyayangi, memberikan
dukungan dan mendo’akan penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir.
9. Kakak-kakakku ( mbak mira, mbak ida) yang selalu memberikan
dukungan dan do’a.
10. Teman angkatan 2006 yang sudah banyak membantu saya dan
mendukung saya dalam perkuliahan selama di Universitas
Muhammadiyah Surakarta.
11. Teman saya fendy, eko, agus, fery, teman-teman praktikum
Hidrodinamika, Bp.Suwardi ( PBS Solo ) Mas Joko ( Lab Teknik Sipil )
yang telah banyak membantu saya dalam melakukan penelitian ini
dilapangan.
Akhir kata, penulis mohon maaf sebelum dan sesudahnya, jika
sekiranya terdapat kesalahan dan kekurangan dalam penulisan Tugas Akhir
ini, yang disebabkan adanya keterbatasan-keterbatasan antara lain waktu,
dana, literature yang ada, dan pengetahuan yang penulis miliki. Harapan
penulis semoga laporan ini bermanfaat untuk pembaca.
Tugas Akhir ini semoga dapat bermanfaat khususnya bagi penulis
dan pihak lain yang membutuhkan, Amin ya Robbaallamin.
Surakarta,
Maret 2011
Penulis
RANCANG BANGUN DAN PENGUJIAN TURBIN KAPLAN PADA
KETINGGIAN (H) 4 M DEBIT (Q) 0,025 M3/S DENGAN VARIASI
SUDUT SUDU ROTOR 200 & SUDUT SUDU STATOR 250, 300, 450
Ibnu Fajri, Sartono Putro, Subroto
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Jl. A.Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasura.
Email : ibnufajri18@yahoo.co.id
ABSTRAKSI
Turbin Kaplan adalah mesin konversi energi dengan air sebagai
fluida kerjanya. Dalam rancang bangun Turbin Kaplan perlu diperhatikan
besar kecilnya debit aliran serta ketinggian air jatuh. Tujuan penulisan
tugas akhir ini adalah mendapatkan desain Turbin Kaplan dengan sudut
sudu rotor 200 dan stator 250, 300, 450.
Pengujian Turbin kaplan ini mengacu pada data pengukuran yang
diperoleh dari survey aliran air di Desa Nogosaren, Kecamatan Getasan,
Kabupaten Semarang yaitu dengan ketinggian (H) 4 m debit (Q) 0,025
m3/s dengan sudut sudu rotor 200 dan stator 250, 300, 450 dengan
diameter luar turbin (DI) = 13,8 cm, diameter pada leher poros turbin (Dn)
= 5,7 cm, diameter tengah turbin (D m) = 9,5 cm.
Dari hasil pengujian turbin Kaplan diperoleh hasil putaran turbin
dari sudut sudu rotor 200 dan stator 250 pada putaran tertinggi 602,2 rpm
dengan debit 24,1 dm3/s, sedangkan putaran terendah pada sudut sudu
rotor 200 dan stator 250 pada putaran 104 rpm dengan debit 20,1 dm3/s.
Kata kunci : turbin kaplan, sudu turbin, putaran turbin
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL............................................................................................. I
PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI............................................................. II
HALAMAN PERSETUJUAN .................................................................... III
HALAMAN PENGESAHAN ...................................................................... IV
LEMBAR SOAL TUGAS AKHIR ................................................................. V
HALAMAN MOTTO ................................................................................... VI
HALAMAN PERSEMBAHAN ................................................................... VII
INTISARI..........................................................................................................VIII
KATA PENGANTAR ..........................................................................................IX
DAFTAR ISI ................................................................................................. XI
DAFTAR GAMBAR .......................................................................................XIV
DAFTAR TABEL .......................................................................................... XVI
BAB I.
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang …................................................................ 1
1.2 Rumusan Masalah ...................................................................... 3
1.3 Tujuan Penulisan ........................................................................ 3
1.4 Manfaat Penelitian ...................................................................... 3
1.5 Batasan Masalah.......................................................................... 4
1.6 Sistematika Penulisan…………………………………………...... 5
BAB II.
DASAR TEORI
2.1 Kajian Pustaka ............................................................................ 6
2.2. Energi Air ................................................................................... 7
2.2.1 Klasifikasi Turbin Air.......................................................... 10
2.2.2 Turbin Kaplan ................................................................... 10
2.3 Pemilihan Jenis Turbin............................................................ 13
2.3.1 Berdasarkan Kecepatan Spesifik………………………..... 13
2.3.2 Berdasarkan Perbandingan Karakteristik Turbin……...… 15
2.3.3 Berdasarkan Debit dan Head…………………………....… 17
2.3.4 Berdasarkan Efisiensi dan Daerah Kerja……………....... 19
2.4 Kecepatan Spesifik………….......…………………….……..... 20
2.5 Kecepatan Keliling Turbin………………..………………....…… 20
2.5.1 Kecepatan Keliling Turbin Bagian Luar Sudu.................... 20
2.5.2 Kecepatan Keliling Bagian Leher Poros Sudu………...… 21
2.5.3 Kecepatan Keliling Bagian Tengah Sudu……………….... 21
2.6 Diameter Turbin …………………………………………...…...… 21
2.6.1 Diameter Luar Sudu Turbin……………………………...… 22
2.6.2 Diameter Leher Poros Sudu Turbin……………………...… 22
2.6.3 Diameter Tengah Sudu Turbin………………………......… 22
2.7 Segitiga Kecepatan………………………….…………….…........ 22
2.7.1 Kecepatan Keliling…………………………………...…...... 23
2.7.2 Kecepatan Aliran………………………………….…......… 23
2.8 Profil Sudu................................................................................. 23
2.8.1 Profil Sudu Bagian Luar……….….……………….…...…
24
2.8.2 Profil Sudu Bagian Tengah……………………………....… 26
2.8.3 profil sudu bagian leher poros………………………......…. 27
2.9 Tinggi Sudu Pengarah…………………………………….....….. 28
2.10 Daya Turbin………………………………………..................…. 29
2.11 Gaya Aksial…………………………………………….……....... 29
2.15 Efisiensi.................................................................................. 30
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Diagram Alir Penelitian ............................................................ 31
3.2 Bahan dan Alat……................................................................. 32
3.3 Tahapan Penelitian……............................................................. 33
3.4. Instalasi Penelitian ……………………………… …….…....…..
34
3.5 Lokasi Penelitian………………………………………………...... 35
3.6. Analisa Perhitungan…………………………………………......
35
3.6.1 Kecepatan Spesifik……………………………………….... 36
3.6.2 Kecepatan Keliling Turbin…………………………...…...... 36
3.6.3 Diameter Turbin…………………………………………...... 38
3.6.4 Segitiga Kecepatan……………………………………...…. 39
3.6.5 Tinggi Sudu Pengarah……………………………….......… 47
3.6.6 Daya Turbin…………………………………………...…..... 47
3.6.7 Gaya Aksial……………………………………………..… . 49
3.6.8 Efisiensi………………………………………………....….. 49
3.7 Gambar Rancangan Turbin Kaplan……………………...…...…. 50
3.8 Metode Pengujian Turbin Kaplan…………………………..…....
51
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Analisa Grafik dan Pembahasan……………. ............................. 54
4.1.1 Data putaran hasil pengujian sudu rotor 200 dan sudu
stator 250............................................................................54
4.1.2 Data putaran hasil pengujian sudu rotor 20 0 dan sudu
stator 300............................................................................56
4.1.3 Data putaran hasil pengujian sudu rotor 20 0 dan sudu
stator 450............................................................................58
4.1.4 Data putaran hasil pengujian sudu rotor 20 0 dan sudu
stator 250,300,450...............................................................60
BAB V PENUTUP
5.1 Kesimpulan .............................................................................. 62
5.2 Saran....................................................................................... 63
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Diagram Klasifikasi Turbin Air………………………………..…......... 10
Gambar 2.2. Turbin Kaplan..………..……………………………….…….….......... 11
Gambar 2.3. Turbin Kaplan dengan Sudu Jalan yang Dapat Diatur…………...... 12
Gambar 2.4. Perbandingan Bentuk Sudu Turbin Berdasarkan Kecepatan
Spesifik……………............…….………………………….................. 14
Gambar 2.5. Grafik Perbandingan Karakteristik Turbin………………………........ 15
Gambar 2.6. Tinggi Jatuh Air Aktual Untuk Turbin Tekanan Sama…………........ 18
Gambar.2.7. Tinggi Jatuh Air Aktual Untuk Turbin Tekanan Lebih………….….... 18
Gambar 2.8. Grafik Pembebanan Turbin………………………………………........ 20
Gambar 2.9. Sket Turbin Kaplan…………………………………………………....... 21
Gambar 2.10. Sket Profil Sudu…………………………………………………...…... 23
Gambar 2.11. Segitiga Kecepatan Bagian Luar ………………………………...…. 24
Gambar 2.12. Koefisien Gaya Angkat dan Tahanan…………………………….... 25
Gambar 2.13. Grafik Kecepatan Spesifik …………………………………............... 25
Gambar 2.14. Segitiga Kecepatan Bagian Tengah ……………………….…......... 26
Gambar 2.15. Segitiga Kecepatan Bagian Leher Poros……………………...…… 27
Gambar 3.1. Skema Diagram Alir………………………………………………......... 31
Gambar 3.2. Theodolith………………………………………………………............. 32
Gambar 3.3. Bak Ukur........................................................................................ 32
Gambar 3.4. Hydrometer……………………………………………………............ 33
Gambar 3.5. Tachometer……………………………………………………........... 33
Gambar 3.6. Stopwatch……………………………………………………….......... 33
Gambar 3.7. Instalasi Penelitian……………………………………………............ 34
Gambar 3.8. Sket Turbin…………………………………………………….......….. 38
Gambar 3.9. Segitiga Kecepatan Bagian Tengah………………………......….... 42
Gambar 3.10. Segitiga Kecepatan Bagian Leher Poros…………………......….. 44
Gambar 3.11.Segitiga Kecepatan Bagian Luar………………………….….......... 46
Gambar 3.12. Rotor Turbin Kaplan……………………………………………........ 50
Gambar 3.13. Komponen Turbin Kaplan…………………………………......…… 50
Gambar 3.14. Katup Pengatur Debit………………………………..……......……. 51
Gambar 3.15. Sudu Rotor 20° dan Stator 250.………………...…….……......….. 52
Gambar 3.16. Sudu Rotor 20° dan Stator 300.………..........………...……......… 53
Gambar 3.17. Sudu Rotor 20° dan Stator 450.………..........………...….....….… 53
Gambar 4.1. Hubungan Putaran dengan Debit Pada Rotor Rotor 20° dan
Stator 25°.................................................................................... 55
Gambar 4.2. Hubungan Putaran dengan Debit Pada Rotor Rotor 20° dan
Stator 30°................................................................................... 57
Gambar 4.3. Hubungan Putaran dengan Debit Pada Rotor Rotor 20° dan
Stator 45°.............................................................. ...................... 59
Gambar 4.4. Hubungan Putaran dengan Debit Pada Rotor Rotor 20° dan
Stator 25°, 30°, 45° ..................................................................... 60
DAFTAR GRAFIK
Grafik 1. Sudu Rotor 25° dan Stator 25°……................................................. 56
Grafik 2. Sudu Rotor 25° dan Stator 30°……................................................. 57
Grafik 3. Sudu Rotor 25° dan Stator 45°……................................................. 58
Grafik 4. Sudu Rotor 25° dan Stator 25°, 30°, 45°......................................... 59
DAFTAR TABEL
Tabel 1. Pemilihan Jenis Turbin Berdasarkan Kecepatan Spesifik...........................14
Tabel 2. Pemilihan Jenis Turbin Berdasarkan Tinggi Jatuh Air………..................... 19
Tabel 3. Perhitungan Segitiga Kecepatan………………………………..…............... 47
Tabel 4. Debit Terukur dengan Menggunakan Variasi………………….................... 52
Tabel 5.Data Putaran hasi pengujian Sudu Rotor 20° dan Sudu Stator 25°............ 54
Tabel 6.Data Putaran hasi pengujian Sudu Rotor 20° dan Sudu Stator 30°............ 56
Tabel 7.Data Putaran hasi pengujian Sudu Rotor 20° dan Sudu Stator 45°............ 58