YANG DIBUAT DARI PIPA DIBELAH DENGAN RADIUS SUDU 0,875 INCI DAN JUMLAH SUDU 22

  o TURBIN ALIRAN SILANG DENGAN BUSUR SUDU 74

YANG DIBUAT DARI PIPA DIBELAH DENGAN

RADIUS SUDU 0,875 INCI DAN JUMLAH SUDU 22

  TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

  Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

  Program Studi Teknik Mesin Oleh : R. Bayu Nugroho

  

NIM : 055214031

  

THE CROSSFLOW TURBINE WITH 74° OF CENTRAL ANGLE

THAT MADE FROM CUTTING PIPE LENGHTWISE WITH

RADIUS 0,875 INCH AND 22 NUMBER OF BLADE

  FINAL PAPER Presented as Fulfillment of the Requirements

  To Obtain the Sarjana Teknik Degree in Mechanical Engineering Study Programme

  

By :

R. Bayu Nugroho

Student Number : 055214031

  HALAMAN PERSEMBAHAN Tugas Akhir ini penulis persembahkan kepada: 1. Tuhan yang selalu berperan dalam hidupku 2. Bapak dan Ibu tercinta 3. Kakakku yang selalu mendukungku 4. Teman-teman yang telah melalui berbagai pengalaman bersama-sama 5. Semua orang yang terlibat dan berperan dalam hidupku

  

MOTTO

.…..“ Jangan setengah-setengah dalam melakukan sesuatu “……

…..“ Hadapi permasalahan, maka solusi akan muncul “…..

  

…..“ Kerjakan apa yang bisa dikerjakan, pelajari apa yang bisa dipelajari “…..

  

.…..“ Libatkan Tuhan dalam hidupmu “…..

  

INTISARI

Turbin aliran silang banyak digunakan untuk pembangkit listrik skala mikro.

  Pembuatan sudu turbin dari plat yang dilengkung sulit dilakukan oleh masyarakat. Untuk mengatasi masalah tersebut, pada penelitian ini sudu dibuat dari pipa yang dibelah dengan sudut busur tertentu. Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari unjuk kerja turbin aliran silang yang digunakan untuk pembangkit listrik.

  Peralatan yang digunakan adalah sebuah turbin aliran silang. Sudu turbin dibuat dari pipa dengan diameter 1,75 inch. Diameter runner adalah 98 mm dengan panjang runner 104 mm. Jumlah sudu pada runner 22 buah dan busur sudu 74 . Penelitian dilakukan dengan memvariasikan debit yaitu 7 l/s; 7,9 l/s; 8,2 l/s; 8,6 l/s;9,5 l/s; 9,6 l/s; 10,7 l/s ; 11,3 l/s dan 12 l/s. Untuk menghasilkan listrik, turbin dihubungkan dengan generator. Pengukuran daya yang dihasilkan turbin dilakukan dengan mengukur tegangan dan arus yang dihasilkan generator pada kondisi generator diberi variasi pembebanan dari 10 W, 20 W, 30 W, 40 W, 50 W, 60 W, 70 W, dan 80 W. Pada setiap pembeban, putaran turbin diukur dengan tachometer.

  Hasil dari penelitian ini menunjukkan daya terbesar terjadi pada debit 10,7 l/s yaitu sebesar 54,6 watt. Efisiensi tertinggi terjadi pada debit 9,5 l/s dan tinggi bukaan nosel 14 mm yaitu sebesar 16,37 %.

KATA PENGANTAR

  Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat dan anugerah-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian untuk Tugas Akhir

  o

  dengan judul “TURBIN ALIRAN SILANG DENGAN BUSUR SUDU 74 YANG DIBUAT DARI PIPA DIBELAH DENGAN RADIUS SUDU 0,875 INCI DAN JUMLAH SUDU 22 ”. Penulisan Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat untuk meraih gelar Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  Pada kesempatan ini penulis tidak lupa mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kapada:

  1. Yosef Agung Cahyanta, S.T.,M.T, Dekan Fakultas Sains dan Teknologi dan Dosen Pembimbing Tugas Akhir yang telah memberikan bimbingan dan pengarahan dalam penyelesaian tugas akhir ini.

  2. Budi Sugiharto, S.T.,M.T, ketua Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma, serta sebagai Dosen Pembimbing Akademik.

  3. Segenap Dosen dan Karyawan Universitas Sanata Dharma Yogyakarta yang telah

  6. Teman-teman kelompok penelitian rekayasa tenaga air yang telah banyak membantu selama pengambilan data dan penyusunan skripsi.

  7. Teman-teman mahasiswa Teknik Mesin 2005 atas bantuan, dukungan, kritik dan saran kepada penulis.

  8. Serta semua pihak yang tidak mungkin disebutkan satu per satu yang telah ikut membantu dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

  Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan-kekurangan yang perlu diperbaiki dalam penulisan Tugas Akhir ini, untuk itu penulis mengharapkan masukan dan kritik, serta saran yang membangun dari berbagai pihak demi kesempuranaan Tugas Akhir ini. Semoga penulisan Laporan Kerja Praktek ini dapat bermanfaat, baik bagi penulis maupun pembaca.

  Yogyakarta, 22 Juli 2009 Penulis

  DAFTAR ISI

  Halaman HALAMAN JUDUL .............................................................................. i HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ................................... iii HALAMAN PENGESAHAN ................................................................. iv HALAMAN PERSEMBAHAN ............................................................. v HALAMAN MOTTO ............................................................................. vi PERNYATAAN KEASLIAN KARYA. ................................................ vii LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH .................................................................................. viii

  INTISARI ............................................................................................... ix KATA PENGANTAR ............................................................................ x DAFTAR ISI .......................................................................................... xii DAFTAR GAMBAR ............................................................................. xv DAFTAR TABEL .................................................................................. xvii BAB I. PENDAHULUAN ......................................................................

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

  1

  2.2

  6 Pengertian Turbin Air ................................................................

  2.3 Turbin Aliran Silang ....................................................................

  6 2.3.1 Bagian-bagian Turbin Aliran Silang ..................................

  7 2.3.2 Pergerakan Air Turbin Aliran Silang .................................

  11 2.3.3 Perhitungan Dimensi Turbin ..............................................

  15 BAB III. METODE PENELITIAN ........................................................

  23 3.1.

  23 Diagram Alir Penelitian .............................................................

  3.2. Perancangan Turbin Aliran Silang .............................................

  24 3.3. Pembuatan Alat Uji .....................................................................

  31 3.3.1 Pembuatan Kerangka Alat Uji ............................................

  31 3.3.2 Pembuatan Roda Jalan ......................................................

  32 3.3.3 Perakitan Alat Uji ...............................................................

  37 3.4. Pengambilan Data ........................................................................

  39 3.4.1 Alat yang Digunakan ..........................................................

  39 3.4.2 Cara Kerja Alat Uji ............................................................

  40 3.4.3 Variabel yang Diukur .........................................................

  42 3.4.4 Variabel yang Divariasikan ................................................

  42 3.4.5 Langkah Kerja Pengambilan Data ......................................

  43

  4.3.1 Pembahasan Daya ..............................................................

  55 4.3.2 Pembahasan Efisiensi .........................................................

  62 BAB V PENUTUP .................................................................................

  67 5.1 Kesimpulan ..................................................................................

  67 5.2 Saran ............................................................................................

  67 DAFTAR PUSTAKA ............................................................................

  69 LAMPIRAN

  

DAFTAR GAMBAR

  13 Gambar 2.9. Gabungan Segitiga Kecepatan pada Turbbin Aliran Silang........

  23 Gambar 3.2. Sketsa Alat Uji ............................................................................

  19 Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian ..............................................................

  18 Gambar 2.13. Penampang Nozzle.....................................................................

  17 Gambar 2.12. Alur Pancaran Air......................................................................

  16 Gambar 2.11. Jarak Antar Sudu .......................................................................

  14 Gambar 2.10. Kelengkungan Sudu ..................................................................

  13 Gambar 2.8. Segitiga Kecepatan pada Turbin Crossflow ................................

  Halaman Gambar 2.1. Runner .........................................................................................

  12 Gambar 2.7. Defleksi Pergerakan Air Paa Turbin Aliran Silang .....................

  11 Gambar 2.6. Aliran Air Pada Turbin Crossflow ..............................................

  10 Gambar 2.5. Turbin Crossflow.........................................................................

  9 Gambar 2.4. Motor Induksi ..............................................................................

  9 Gambar 2.3. Rumah Runner ............................................................................

  8 Gambar 2.2. Nozzle ..........................................................................................

  31

Gambar 3.8. Runner yang Sudah Jadi ..............................................................

  36 Gambar 3.9. Alat Uji ........................................................................................

  39 Gambar 3.10. Sistem Kerja Alat Uji Turbin ....................................................

  41 Gambar 3.11. Diagram Alir Pengambilan Data ..............................................

  44 Gambar 4.1. Grafik Daya vs Putaran pada Tinggi Bukaan Nozzle 9 mm .......

  56 Gambar 4.2. Grafik Daya vs Putaran pada Tinggi Bukaan Nozzle 14 mm .....

  56 Gambar 4.3. Grafik Daya vs Putaran pada Tinggi Bukaan Nozzle 19 mm .....

  57 Gambar 4.4. Perbandingan Beban Terpakai pasa Variasi Pembebanan ..........

  60 Gambar 4.5. Grafik Daya vs Putaran Menurut Mockmore ..............................

  61 Gambar 4.6. Grafik Effisiensi vs Putaran pada Tinggi Nozzle 9 mm..............

  62 Gambar 4.7. Grafik Effisiensi vs Putaran pada Tinggi Bukaan Nozzle 14 mm .............................................................................

  63 Gambar 4.8. Grafik Effisiensi vs Putaran pada Tinggi Bukaan Nozzle 19 mm .............................................................................

  63 Gambar 4.9. Grafik Perbandingan Effisiensi Terbesar ....................................

  65

  

DAFTAR TABEL

  Halaman Tabel 3.1. Beberapa Pilihan Ukuran Panjang dan Lebar Runner ....................

  26 Tabel 3.2 Variasi Debit ...................................................................................

  42 Tabel 4.1. Data Hasil Penelitian dengan Debit 8,2 l/s .....................................

  46 Tabel 4.2. Data Hasil Penelitian dengan Debit 10,7 l/s ...................................

  47 Tabel 4.3. Data Hasil Penelitian dengan Debit 12 l/s ......................................

  47 Tabel 4.4. Data Hasil Penelitian dengan Debit 7,9 l/s .....................................

  48 Tabel 4.5. Data Hasil Penelitian Dengan Debit 9,5 l/s.....................................

  48 Tabel 4.6. Tabel Hasil Perhitungan dengan Debit 8,2 l/s .................................

  50 Tabel 4.7. Tabel Hasil Perhitungan dengan Debit 10,7 l/s ...............................

  51 Tabel 4.8. Tabel Hasil Perhitungan dengan Debit 12 l/s ..................................

  51 Tabel 4.9. Tabel Hasil Perhitungan dengan Debit 7,9 l/s .................................

  51 Tabel 4.10. Tabel Hasil Perhitungan dengan Debit 9,5 l/s ...............................

  52 Tabel 4.11. Tabel Hasil Perhitungan dengan Debit 10,7 l/s .............................

  52 Tabel 4.12. Tabel Hasil Perhitungan dengan Debit 8,2 l/s ...............................

  53 Tabel 4.13. Tabel Hasil Perhitungan dengan Debit 9,5 l/s ...............................

  54

Tabel 4.17. Tabel Effisiensi Terbesar Turbin Aliran Silang dengan Busur Sudu 74º dan Jumlah Sudu 22 Buah .................................

  64

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

  Listrik saat ini sudah menjadi kebutuhan utama manusia. Jarang sekali

melihat peralatan yang tidak menggunakan listrik. Tidak dapat dipungkiri bahwa

listrik memudahkan manusia dalam melakukan pekerjaan. Tetapi kebutuhan

manusia dalam energi listrik tidak diimbangi oleh ketersediaan energi listrik yang

memadahi, sebagai contoh di Indonesia yang masih sering terjadi pemadaman

bergilir khususnya di luar pulau jawa dan di daerah-daerah terpencil.

  Krisis energi yang melanda dunia dewasa ini sebagai akibat menipisnya

persediaan batubara dan minyak bumi membuat manusia banyak beralih ke energi

alternatif, salah satunya adalah dengan pemanfaatan energi yang berasal dari air.

  Tapi penggunaan energi alternatif ini belum banyak dikenal oleh

masyarakat luas. Hal ini dikarenakan ketergantungan masyarakat atas bahan bakar

yang berasal dari batu bara dan minyak bumi sangat tinggi. Selain itu penggunaan

energi elternatif mempunyai effisiensi yang jauh lebih kecil dan biaya perawatan

yang tidak sebanding dengan hasil yang didapat.

  Oleh karena itu penelitian-penelitian tentang pemanfaatan energi alternatif

yang memanfaatkan tenaga air sangat berguna bagi perkembangan teknologi saat

  Pada umumnya pemanfaatan energi air adalah dengan menggunakan

turbin, diantaranya turbin aliran silang. Kesulitan pembuatan turbin aliran silang

salah satunya adalah pembuatan sudu yang biasanya menggunakan plat yang

dilengkung. Agar lebih mudah dan murah, pada penelitian ini akan dicoba sudu

bukan dibuat dari plat yang dilengkung melainkan pipa yang dibelah. Diharapkan

hasil penelitian ini dapat dimanfaatkan dan diaplikasikan oleh masyarakat luas.

  1.2 Rumusan Masalah Pada umumnya sudu turbin aliran silang dibuat dari plat yang dilengkung.

  

Pada penelitian ini akan dicoba dibuat sudu turbin dari pipa yang dibelah dengan

busur sudu 74°, radius sudu 0,875 inci dan jumlah sudu 22 buah. Turbin akan

diteliti unjuk kerjanya pada variasi debit dan beban alternator.

  1.3 Tujuan Penelitian yang dilakukan bertujuan untuk : 1.

  Mengetahui unjuk kerja turbin aliran silang dengan busur sudu 74°, radius sudu 0,875 inchi dan jumlah sudu 22 buah pada kisaran putaran turbin 386 rpm - 421 rpm. Unjuk kerja yang dimaksud adalah mengetahui daya dan effisiensi terbesar dari turbin tersebut.

2. Membandingkan unjuk kerja yang dihasilkan dengan unjuk kerja dari

1.4 Manfaat Penelitian

  Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah : 1.

  Menambah kepustakaan teknologi pembangkit tenaga listrik.

  2. Ikut serta dalam upaya memasyarakatkan pemanfaatan energi alternatif. terutama pemanfaatan energi yang berasal dari air.

  3. Menjadi referensi dalam pembuatan turbin aliran silang di daerah-daerah yang berpotensi.

BAB II DASAR TEORI

2.1 Tinjauan Pustaka

  Unjuk kerja turbin crossflow dipengaruhi oleh banyak parameter antara lain 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 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 %.

  Penelitian terhadap pengaruh perbandingan diameter dalam dan diameter luar

  

runner juga telah dilakukan (Olgun, 1998). Dalam penelitian ini digunakan 4 buah o

  adalah 0,75; 0,67; 0,58; dan 0,54. Sudut masuk pancaran air 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).

  Penelitian turbin menggunakan sudu yang dibuat dari pipa dibelah telah dilakukan (Sutarja, 2009). Runner yang diuji memiliki sudut busur sudu 74º, radius sudu 0,875 inci dan jumlah sudu 18 buah. Diameter luar runner 98 mm dan panjang

  

runner 104 mm. Hasil dari penelitian menunjukkan daya maksikmal yang dapat

dicapai adalah 68,9 Watt dan effisiensi terbesar adalah 17,26 %.

  2.2 Pengertian Turbin Air

  Turbin air adalah suatu alat yang mengkonversi energi potensial menjadi energi mekanik. Karena energi yang dimanfaatkan adalah energi yang berasal dari air, maka energi potensial yang dimaksud adalah energi potensial air sedangkan energi mekanik yang dihasilkan digunakan untuk menggerakkan generator yang dapat menghasilkan listrik.

  Turbin air secara umum dapat dikelompokkan menjadi turbin impuls dan turbin reaksi. Macam-macam turbin impuls antara lain : turbin pelton, turbin turgo, dan turbin aliran silang ( crossflow ) sedangkan macam-macam turbin reaksi antara lain : turbin francis dan turbin Kaplan. Untuk selanjutnya yang akan dibahas adalah mengenai turbin aliran silang ( crossflow ).

  2.3 Turbin Aliran Silang

  Dikatakan turbin aliran silang karena turbin jenis ini mengambil energi air dua kali yaitu melalui sudu atas dan sudu bawah. Pancaran air masuk turbin melalui bagian atas, memberikan energi ke sudu sehingga sudu berputar menggerakkan runner, kemudian masuk secara menyilang ke bagian dalam turbin dan keluar melalui bagian bawah turbin. atau ada juga yang menyebut dengan nama turbin Ossberger sesuai dengan nama perusahaan yang memproduksinya.

  Turbin Crossflow atau turbin aliran silang merupakan salah satu jenis turbin impuls. Dapat disebut turbin impuls karena setelah membentur sudu, kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impuls). Pada turbin impuls tekanan aliran air yang keluar dari nozzle sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan yang ada diubah menjadi energi kecepatan.

  Turbin crossflow terdiri dari dua bagian utama yaitu nosel dan runner. Turbin

  

crossflow menggunakan nosel persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar

runner . Runner turbin dibuat dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang

  piringan paralel. Pancaran air dari nosel masuk turbin dan mengenai sudu sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis.

  Turbin crossflow baik sekali digunakan untuk pusat tenaga air kecil dengan daya ± 750 kW, tinggi jatuh air 1 m sampai dengan 200 m, kapasitas aliran air antara

  3

  3

  0,02 m / detik sampai dengan 7 m / detik dan kecepatan putarnya antara 60 rpm sampai dengan 200 rpm tergantung pada diameter roda.

2.3.1 Bagian-Bagian Turbin Aliran Silang

  1. Roda Jalan Roda jalan ( runner ) merupakan bagian turbin yang paling penting karena pada bagian inilah yang dapat mengerakkan generator sehingga dapat menghasilkan listrik. Roda jalan (runner) turbin aliran silang terdiri dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel. Dalam penelitian ini, sudu yang digunakan berasal dari pipa hitam yang dibelah.

Gambar 2.1 Runner

  2. Nozzle

  Nozzle berfungsi untuk mengarahkan air agar sudu sepanjang runner

  seluruhnya terkena air yang masuk, oleh karena itu diusahakan panjang nozzle sama dengan panjang runner . Fungsi lain dari nozzle adalah untuk mengatur

Gambar 2.2 Nozzle

  3. Rumah Runner Rumah runner adalah tempat untuk menempatkan runner agar dapat berputar dengan baik. Pada rumah runner terdapat bantalan untuk mengurangi gesekan ketika poros runner berputar dan membuatnya berputar pada posisi yang sama ( tidak oleng ).

  Untuk dapat menghasilkan listrik, turbin harus dilengkapi dengan generator. Generator terdiri dari 2 macam yaitu generator sinkron dan generator asinkron. Untuk pembangkit listrik pada PLTMH dengan kapasitas yang kecil, generator asinkron lebih handal dibandingkan dengan generator sinkron. Namun kelemahan utama generator asinkron adalah tidak adanya magnet permanen. Generator asinkron yang biasa digunakan adalah motor induksi. Motor induksi inilah yang juga digunakan dalam penelitian ini.

  Motor induksi umumnya berputar dengan kecepatan konstan mendekati kecepatan sinkronnya. Perubahan beban pada motor induksi akan mempengaruhi putaran motor induksi. Hal ini akan menyebabkan terjadinya perubahan frekuensi yang menimbulkan perubahan tegangan. Semakin bertambah beban yang diterima motor induksi, tegangan akan semakin turun. Dari motor induksi dapat di ukur arus (I) dan tegangan keluaran (V) yang kemudian digunakan untuk menentukan besarnya daya yang dihasilkan.

2.3.2 Pergerakan Air pada Turbin Aliran Silang

Gambar 2.5 Turbin Crossflow ( http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf )

  Dari Gambar 2.5 dapat dilihat bahwa pancaran air dari nosel masuk ke rumah runner dan mengenai sudu turbin, memutar runner 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 2.6 Aliran air pada turbin Crossflow (Mockmore, 1949, hal. 6)

  Pada Gambar 2.6 diasumsikan bahwa air yang masuk membentur sudu runner pada titik A membentuk sudut α terhadap kecepatan kelilingnya. Indeks u pada gambar 2 adalah kecepatan keliling runner dan

  β adalah sudut antara kecepatan relatif air dengan kecepatan keliling runner. Kecepatan air yang masuk runner ini dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

  ½

  V =C (2gH) (Mockmore,1949,hal 6) ..……............................... 2.1

1 Dengan :

  V

  1 = kecepatan air masuk runner kecepatan absolut ( ft / s )

  C = Koefisien kerugian pada nozzle Namun pada prakteknya, alur pergerakan air pada turbin aliran silang tidak seperti yang terdapat dalam Gambar 2.6 karena ternyata terdapat defleksi sebesar θ seperti dalam Gambar 2.7.

Gambar 2.7 Defleksi pada pergerakan air pada Turbin Aliran Silang

  (Mockmore, 1949, hal. 8) Untuk menganalisis pergerakan air pada saat melintasi sudu runner suatu turbin aliran silang dapat menggunakan segitiga kecepatan. Sudut , V , dan u .

  1

  1

  1

  β1 pada gambar 2.6 ditentukan oleh nilai α Jika u

  1 = ½ V 1 cos 1 (Mocmore, 1949, hal.10).................................. 2.2

  α maka tan

  2 = 2 tan 1 (Mocmore, 1949, hal.10)................................. 2.3

  β α Untuk menghasilkan effisiensi tertinggi sudut masuk dibuat 16º dan

  1

  α biasanya untuk perhitungan-perhitungan, sudut

  1 di asumsikan 16º.

  α

  o o o Jika = 16º, maka harga = 29 , 30 atau 50 atau nilai pendekatan.

  1

  1

  α β (Mockmore, 1949, hal 10).

  ’ 2 adalah sudut sudut keluar sisi atas pada keliling dalam runner.

  Β

  o

  Dengan asumsi v = v dan = , maka besarnya ’ = 90 untuk membuat

  1

  2

  1

  2

  2

  α α β aliran pancaran air radial.

2.3.3 Perhitungan Dimensi Turbin

a. Diameter Luar Runner (D )

  1

  1

  2

  862 ⋅ H

  D = (Mockmore, 1949, hal.14) ................................................ 2.4

1 N

  Dengan : H = Head ketinggian (ft) N = Putaran turbin (rpm), dan D dalam inchi

  1

  b. Panjang Turbin (L)

  144 ⋅ Q ⋅ N

  L

  = (Mockmore, 1949, hal.15)……..........… 2.5 _{1 2 1 2} 862 ⋅ H ⋅ C ⋅ k ⋅ 2 ⋅ g ⋅ H

  ( )

  Dengan : Q = Debit aliran air (cfs).

  C = Koefisien nosel, biasanya bernilai 0,98 k = Faktor koreksi, biasanya bernilai 0,087 H = Head ketinggian (ft) N = Putaran turbin (rpm), dan L dalam inchi

  c. Perbandingan panjang dan diameter turbin

  Q = Debit aliran air (cfs) H = Head ketinggian (ft) D

  1 = Diameter luar runner ( inchi )

d. Jari-jari kelengkungan sudu ( ρ)

  (Mockmore, 1949, hal 15).....................................................2.7 ρ = , 326 ⋅ r ₁ Dengan : r

  1 = jari-jari luar runner (inci),

  ρ dalam inchi

  e. Lebar sudu (a ) ₁

  = 17 , D a ⋅ (Mockmore, 1949, hal.12).......................................................2.8

  f. Jarak antar sudu (t) _{1 1} D k s ⋅ = (Mockmore, 1949, hal .14) .................................................2.9 _{1 1} sin ⋅

  =

  β

  s t (Mockmore, 1949, hal.10) .....................................................2.10

  S

  1 = Jarak antar sudu pada pancaran air masuk ( inchi ), t dalam inchi

  g. Jumlah sudu (n) D ₁ n = ⋅ (Mockmore, 1949, hal 17) .........................................................2.11

  π

  t

  h. Jarak pancaran dari pusat poros (y 1 ) ( , 1986 − , 945 ⋅ k ) d y = − (Mockmore, 1949, hal 14) …...........…….....2.12 ₁

2 D

  ₁

i. Jarak pancaran dari keliling dalam (y 2 )

  y = , 1314 − , 945 ⋅ k ⋅ D (Mockmore, 1949, hal 14) .............................2.13 ₂ ( ) ₁

  j. Efisiensi maksimal turbin ( max ) ε

  1

  ε ψ α _max = ⋅ C ⋅ ( ^{2 2}

• 1 ) ⋅ cos (Mockmore, 1949, hal 9) ...........................2.14
₁

  2

ψ = Koefisien nozzle, nilainya sekitar 0,98 (Mockmore, 1949, hal 9)

  C = Koefisien kecepatan, nilainya sekitar 0,98 (Mockmore, 1949, hal 9)

  k. Tinggi Penampang Nosel

  Penampang nozzle berbentuk persegi panjang. Panjang nozzle sama dengan panjang runner.

  Q

  (Mockmore, 1949, hal 17) ...............................................................2.15

  A =

  V ₁ A s = (Mockmore, 1949, hal 17) ..............................................................2.16 _o L

  So L

Gambar 2.13 Penampang Nozzle

  Dengan :

  l. Sudut pusat sudu jalan ( δ)

  1 cos β ₁ Tan = (Mockmore, 1949, hal.15)...............................2.17

  δ 2 r ⎛ ^{2 ⎞}

• sin β
¹ ⎜ ⎟

  r ₁

  ⎝ ⎠

  m. Perhitungan poros

  Urutan dalam menghitung diameter poros yang diperlukan adalah :

  in )

• Daya yang akan ditransmisikan ( P

  QxH P = (Mockmore,1949, hal.17)..................................................2.18 _in

  8 ,

  8 Dengan : Q = Debit air ( cfs ) H = Head (f ), Pin dalam HP

  d )

• Daya rencana ( P

  P = fcxP   (Sularso, 2004, hal.7)..........................................................2.19 _{d in}

  fc = Faktor koreksi, P d dalam HP

• Torsi ( T )
_{5 d} P T =

  9 , 74 x 10 ( Sularso, 2004, hal.7)................................................2.20 N

  Dengan :

  σ _B ( Sularso, 2004, hal.8 ).....................................................2.21

  τ = _a

  sf xsf _{1 2} Dengan :

  2 B = Kekuatan tarik bahan poros ( kg/mm )

  σ

  2

  sf dan sf adalah faktor pengaruh, dalam kg/mm

  1 2 a

  τ

  s )

• Diameter minimal poros ( d _{1 /}
₃ ⎡ ⎤ 5 ,

  1 (Sularso,2004,hal.8).......................................2.22  

  d = xK xC xT _{s t b}

  ⎢ ⎥ τ _a

  ⎣ ⎦ Dengan : K t = Faktor koreksi C = Faktor koreksi akibat pembebanan, d dalam mm

  b s   n. Rumus perhitungan untuk pengolahan data in )

• Daya yang tersedia ( P P in =

  ρ x g x Q x H ( Fritz Dietzel, 1993, hal.2).....................................2.23 Dengan :

  3

  ) ρ = massa jenis air ( kg/m

  2

  g = gaya gravitasi ( m/s )

3 Q = Debit air ( m /s )

  Dengan : V = Tegangan terukur ( volt ) I = Arus terukur ( ampere ), P out dalam watt

• Effisiensi total ( η )

  Pout

  η =

  Pin

  )

  q

• Kecepatan spesifik ( n

  Q n = N ( Fritz Dietzel, 1993, hal.20 ) .........................................2.24 _{q , 75} H  

BAB III METODE PENELITIAN

3.1 Diagram Alir Penelitian

  Diagram alir untuk penelitian yang dilakukan adalah sebagai berikut :

  MULAI STUDI  PUSTAKA PERANCANGAN  TURBIN ALIRAN SILANG PEMBUATAN  TURBIN ALIRAN SILANG

  PENGAMBILAN  DATA PENGOLAHAN  DATA PEMBAHASAN DAN  PENARIKAN KESIMPULAN  SELESAI

3.2 Perancangan Turbin Aliran Silang

  Dalam perancangan turbin aliran silang diperlukan parameter yang sudah diketahui sebagai dasar untuk perhitungan-perhitungan parameter lain. Dalam perancangan ini, parameter yang sudah diketahui adalah :

  a. Tinggi tekan / head ( H ) = 4,5 meter = 14, 765 ft

  b. Kapasitas aliran / Debit ( Q ) = 8 liter / detik = 0,283 cfs

  c. Diameter pipa untuk sudu (d

  1 ) = 1,75 inci = 0,146 ft

  d. Koefisien nosel (C) = 0,98

  e. Faktor koreksi (k) = 0,087

  f. Sudut masuk ( ) = 16º α

  1

  g. Sudut keluar ( ') = 90°

  2

  β

  2

  h. Percepatan gravitasi = 32,18 ft/s i. Jumlah Sudu = 22 buah

a. Kecepatan pancaran nosel ( V )

  V C 2 g H = ⋅ ⋅ ⋅

  V = , 98 × 2 × 32 , 18 × 14 , 765 V =

  30 , 21 ft/s

  b. Radius sudu ( ρ )

  Radius sudu yang akan diteliti pada awalnya adalah 0,75 inci. Untuk mendapatkan radius sudu 0,75 inci, diameter pipa yang digunakan adalah 1,5 inci. Tetapi ukuran tersebut adalah ukuran nominal saja karena pada kenyataannya diameter pipa tersebut adalah 1,75 inci. Sehingga radius sudu kenyataan adalah :

  = , 5 × d

  ρ ₁ ρ = , 5 × 1 ,

  75 ρ = , 875 inch

  c. Panjang dan Diameter Luar Runner ( L,D 1 )

  210 , 6 xQ

  LD = _{1 1 / 2} H 210 , 6 , 283 x LD =   ₁

  14 , 765 15 , 466 inci LD = ₁ Untuk mencari panjang ( L ) dan diameter luar runner ( D ) dapat

  1

  digunakan perbandingan harga L dan D

  1 dimana harga L/D 1 dicari yang

  mendekati 1 dan hasil perkaliannya adalah 15,466 inci ( hasilperhitungan di atas ).

Tabel 3.1. Beberapa Pilihan Ukuran Panjang dan Lebar Runner

  L ( inci ) D

  1 ( inci )

  3,93 3,92 4,01 3,86

  4,2 3,7 4,3 3,6

  Dari beberapa pilihan di atas, ukuran yang dipilih adalah 3,86 inci untuk diameter luar runner. Sehingga didapatkan panjang runner 4,01 inci. Tetapi karena menyesuaikan dengan ukuran rumah runner, maka panjang runner yang digunakan adalah 4,094 inci.

  d. Kecepatan putar runner ( N ) _{1 2}

  862 × H

  N = D _{1 1 2} 862 × ( 14 , 765 )

  N = 3 ,

  86

  858,1 rpm

  N = Kecepatan runner di atas adalah kecepatan putar runner tanpa beban.

  e. Lebar nozzle ( s o )

  , 283

    A =

  30 ,

  21

  2

  , 0094 ft

  A = A s = _o L

  , 0094 144 ×

  s = _o

  4 , 094

  s = , _o 33 inci

h. Jarak antar sudu pada runner ( t )

  D

  π × ₁

  n = t

  π xD ₁

  t = n

  3 , 14 x 3 ,

  86

  t =  

  22

    t ,

  55 inci =

  j. Lebar sudu ( a ) a = , 17 × D ₁

  ,

  17 3 ,

  86

  a = × a = , 656 inch ( dalam penelitian, lebar sudu yang dipakai adalah 0,95

  3 ,

  86 2 ,

  95 D = − ⋅ ( ) ₂ D = ₂ 1 , 96 inch l. Jarak pancaran air dari pusat poros ( y )

  1

  y

  1 = (0,1986 – 0,945 x k) x D1

  = (0,1986 – 0,945 x 0,087) x 3,86 = 0,45 inch

  m. Daya yang tersedia ( P in ) Q × H P = _in

  8 ,

  8 , 283 × 14 , 765

  P = _in

  8 ,

  8 = 0,475 HP

  n. Daya turbin maksimum ( P turbin , P d ) P = P xfc _{turbin in} P = , 475 x , _turbin

  9 428 P , HP _turbin = Keterangan :

  Harga fc adalah 0,8-1,2 untuk daya maksimum yang diperlukan

  o. Perhitungan Poros

• Menghitung torsi ( T ) :

  P 5 d

  T = 9,74 x 10

  N 5 , 428

  = 9,74 x 10 858,1

  = 485,24 kgmm

  

a ) :

• Tegangan Geser yang Diijinkan ( τ

  Bahan poros yang digunakan terbuat dari besi cor dengan kekuatan tarik ( B ) σ

  σ _B = 15 kg/mm2 σ _B

  τ = _a

  Sf × Sf _{1 2}

  15

   

  τ = _a 6 x

  2

  2

  τ = _a 1 , 25 kg/mm Keterangan : Sf

  1 = 6, untuk bahan S-C dengan pengaruh massa ( Sularso, 2004, hal.8 )

  Harga sf

  2 brnilai 1,3-3 untuk mempertimbangkan pengaruh konsentrasi tegangan ( Sularso, 2004, hal.8 ). Dipilih harga sf = 2.

  2

  = ^{3 1}

  485 24 , 2 , 1 5 ,

  1 25 , 1 1 ,

  5 ⎥ ⎦ ⎤

  ⎢ ⎣ ⎡ × × ×

  = 15,27 mm ( Diameter poros yang digunakan 25 mm ). K t dipilih = 1,5 karena diperkirakan terjadi sedikit kejutan atau tumbukan (Sularso,2004, hal.8).

  C b = 1,2 karena diperkirakan terjadi sedikit pembebanan lentur (Sularso,2004, hal.8).

  Dari perhitungan-perhitungan di atas, didapatkan geometri turbin : a.

  Radius sudu = 0,875 inci b.

  Panjang runner = 4,094 inci = 104 mm c.

  Diameter runner = 3,86 inci = 98 mm d.

  Jarak antar sudu = 0,55 inci = 13,97 mm e.

  Lebar sudu = 0,656 inci = 16,66 mm f.

  Diameter dalam runner = 2,548 inci = 64,72 mm g.

  Diameter poros yang digunakan = 25 mm

3.3 Pembuatan Alat Uji

  3.3.1 Pembuatan Kerangka Alat Uji Kerangka turbin digunakan untuk menempatkan generator, puli, pompa, bak penampungan air, dan unit turbin.

  Proses pembuatan kerangka turbin adalah sebagai berikut: 1.

  Mengukur rangka dudukan generator, puli, rumah turbin dan bak penampungan air.

2. Membuat sketsa rangka dan menggambar kerangka.

  3. Membeli bahan yang diperlukan, di antaranya besi L dan plat besi.

  4. Memotong bahan sesuai dengan ukuran yang dibutuhkan.

  5. Membuat lubang untuk baut dengan mesin bor.

  6. Semua potongan dilas dan dibentuk sesuai dengan sketsa.

  7. Mengelas dudukan roda dan memasang roda.

  8. Bak penampungan air dibuat dan dipasang pada rangka sesuai sketsa.

  9. Pengecatan kerangka turbin.

  3.3.2 Pembuatan Roda Jalan Bagian penting dari turbin aliran silang yaitu runner atau roda jalan. Proses pembuatan roda jalan memerlukan tahapan-tahapan tertentu dan berbeda-beda.

  Tahapan yang dilakukan penulis dalam membuat roda jalan yaitu : 1.

  Pembuatan Sudu Sudu turbin dibuat dari pipa yang dibelah. Pipa yang digunakan berdiameter 1,75 inci, panjang pipa untuk sudu adalah 104 mm sesuai panjang runner perancangan dan tebal 1,5 mm. Pipa yang akan dibelah diberi mal dan digaris. Tujuannya untuk memudahkan dalam pembelahan. Mal dibuat dengan menggunakan program solidwork. Pipa kemudian dibelah dengan

  Bagian pipa yang tidak dipakai ( dibuang ) 

Gambar 3.3 Gambar Mal yang Digunakan untuk Membelah Pipa

  Dari gambar 3.2 dapat dilihat bahwa dari 1 buah pipa berdiameter 1,75 inci yang dibelah dengan sudut masing-masing 74º menghasilkan 4 buah sudu dan satu bagian yang dihilangkan. Jumlah sudu yang dibutuhkan adalah 22 buah.

2. Pembuatan Piringan Piringan digunakan sebagai tempat menempelnya sudu-sudu turbin.

  Piringan roda jalan dibuat dari plat besi dengan diameter 98 mm dan tebal 5 mm dan berjumlah 2 buah.

Gambar 3.5 Piringan Runner

  Piringan yang dibuat menyerupai piringan pada roda jalan turbin buatan Cihanjuang baik ukuran maupun bentuknya. Hal ini bertujuan agar roda jalan dapat dipasang pada rumah runner.

  3. Pembuatan Poros Poros dibuat dari besi pejal dengan panjang 290 mm dan diameter 28 mm. Pembuatan poros menggunakan mesin bubut. Poros dibentuk sesuai rancangan yang telah ditetapkan (terlampir).

Gambar 3.6 Poros Runner

  Bagian tengah poros yang digunakan dalam penelitian kali ini dibuat kecil dengan diameter 9 mm. Hal ini bertujuan untuk menghindari terjadinya pancaran air terhambat oleh poros sehingga mengakibatkan aliran tidak silang.

4. Pembuatan Alur Sudu

  Alur yang dibuat pada piringan bertujuan untuk memudahkan pemasangan sudu pada kedua piringan sehingga sudu yang dipasang dapat presisi. Alur dibuat menggunakan mesin CNC dan berjumlah 22 buah sesuai dengan jumlah sudu.

  5. Perakitan Roda Jalan (runner) Komponen runner yang sudah dibuat kemudian dilas dengan menggunakan las listrik. Piringan dipasang pada poros, berhadapan dengan jarak 104 mm. Pengelasan harus dilakukan dengan benar dan teliti agar hasilnya simetris dan tidak oleng.

  Piringan yang sudah di buat alur kemudian dipasangi sudu satu persatu dengan cara dilas listrik. Langkah terakhir adalah finishing dengan menggunakan mesin bubut dan gerinda tangan, tujuannya agar permukaan turbin dan harapannya runner dapat berputar seimbang (balance).

                            

  3.3.3 Perakitan Alat Uji Tahap terakhir sebelum penelitian dilakukan adalah perakitan alat uji. Alat uji yang akan dirakit meliputi : unit turbin, unit generator, transmisi dari turbin ke generator yang berupa pulley dan belt, pompa dan pipa saluran air, dan unit kelistrikan.

  a.

  Pemasangan unit turbin dan unit pulley turbin Rumah turbin dipasang pada kerangka dan dudukan yang telah ditetapkan. Rumah turbin dipasang tepat diatas bak penampungan air. Sebelum pemasangan rumah turbin pada kerangka, sebaiknya diberi sealan agar tidak terjadi kebocoran pada sambungan selanjutnya baut dipasang.

  Setelah rumah turbin dipasang, pulley turbin dipasang. Pemasangan

  pulley harus lurus dengan poros turbin. Tujuannya agar putaran turbin dapat maksimal.

  b.

  Pemasangan unit generator dan unit pulley generator Pemasangan pertama yang dilakukan yaitu pemasangan pulley generator.

  Pulley generator harus dipasang simetris dengan pulley turbin. Pulley generator