Turbin aliran silang menggunakan sudu dari bilah pipa dengan radius sudu 0,625 inch dan jumlah sudu 18 - USD Repository

  

TURBIN ALIRAN SILANG MENGGUNAKAN SUDU DARI

BILAH PIPA DENGAN RADIUS SUDU 0,625 INCHI DAN

JUMLAH SUDU 18

TUGAS AKHIR

  Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

  Jurusan Teknik Mesin Disusun oleh :

  

PATRICK ANGGORO KURNIYANTO

NIM : 045214062

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

  

2009

  

THE CROSSFLOW TURBINE USING BLADE FROM

CUTTING PIPE LENGHTWISE WITH RADIUS OF BLADE

0,625 INCH AND 18 NUMBER OF BLADE

FINAL PROJECT

  Presented as Partial Fulfillment of the Requirements To Obtain then Sarjana Teknik Degree in Mechanical Engineering

  By :

  

PATRICK ANGGORO KURNIYANTO

Student Number : 045214062

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

KATA PENGANTAR

  Puji Syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini.

  Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat untuk mencapai derajat Sarjana S-1 pada Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma. Isi Tugas Akhir ini adalah mengenai unjuk kerja sebuah turbin aliran silang yang menggunakan sudu dari bilah pipa, dengan jumlah sudu 18 buah.

  Dalam kesempatan ini penulis menyadari bahwa dalam proses belajar di Program Studi Teknik Mesin, sejak awal studi sampai berakhirnya studi melibatkan banyak hal. Atas segala saran, bimbingan, dukungan dan bantuan, pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada :

  1. Budi Sugiharto, S.T., M.T. Ketua Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  2. Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T. Dosen Pembimbing Tugas Akhir.

  3. Seluruh dosen dan staff Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta yang telah memberikan berbagai pengetahuan kepada penulis dan membantu selama proses belajar di Jurusan Teknik Mesin.

  4. Ayah, Ibu, dan pacar saya yang selalu memberikan dukungan moril maupun materiil.

  5. Teman-teman seperjuangan di Teknik Mesin yang selalu mendorong dan memberi dukungandalam penyelesaian tugas akhir ini.

  Penulis menyadari sepenuhnya bahwa penulisan Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Meskipun demikian penulis berharap bahwa penulisan Tugas Akhir ini dapat memberikan kontribusi dalam pengembangan ilmu khususnya mengenai perancangan turbin aliran silang. Atas kritik dan saran yang bersifat membangun guna sempurnanya karya tulis ini penulis mengucapkan terima kasih.

  Yogyakarta, 25 Februari 2009 Penulis

  

INTISARI

Turbin aliran silang banyak digunakan untuk pembangkit listrik skala

mikro. Pembuatan sudu turbin dari plat yang dilengkung sulit dilakukan oleh

masyarakat. Geometri sudu turbin aliran silang sebenarnya sama dengan

geometri pipa yang dibelah dengan busur tertentu. Penelitian ini bertujuan untuk

mempelajari unjuk kerja turbin aliran silang dengan sudu dari bilah pipa yang

digunakan untuk pembangkit listrik.

  Peralatan yang digunakan adalah sebuah turbin aliran silang. Sudu turbin

dibuat dari pipa dengan diameter 1¼ inch. Diameter runner adalah 97,39 mm

dengan panjang runner 103 mm. Jumlah sudu pada runner 18 buah. Penelitian

dilakukan dengan memvariasikan debit, tinggi nozzle,dan beban. Debit air yang

divariasikan adalah 10,6L/s, 9,3L/s, dan 8,3L/s. Tinggi nozzle yang divariasikan

adalah 14mm, 9mm, dan 4mm. 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 10W, 15W, 25W, 40W, 60W, dan 100W. Pada setiap

pembeban, putaran turbin diukur dengan tachometer.

  Analisis dilakukan dengan membuat grafik hubungan daya dengan

putaran turbin dan grafik hubungan efisiensi dengan putaran turbin untuk tiap

variasi debit, dan tinggi nozzle, dan beban. Daya maksimum yang diperoleh

mencapai 47,6 Watt, dengan efisiensi total mencapai 13,01%. Kondisi tersebut

terjadi pada saat variasi debit = 10,6 L/s ; tinggi nozzle 14 mm ; dan beban 100

Watt.

  

DAFTAR ISI

  17 3.1. Diagram Alir .........................................................................

  29 3.5. Kesulitan Penelitian ..............................................................

  27 3.4.4. Analisa Data ..............................................................

  27 3.4.3. Uji Prestasi ................................................................

  26 3.4.2.4. Pemasangan Runner ke Alat Uji Turbin ........

  21 3.4.2.3. Pembuatan Runner .......................................

  19 3.4.2.2. Perancangan Runner .....................................

  19 3.4.2.1. Desain Alat ..................................................

  19 3.4.2. Pembuatan Alat .........................................................

  19 3.4.1. Persiapan ...................................................................

  18 3.4. Jalannya Penelitian ................................................................

  18 3.3. Peralatan Penelitian ...............................................................

  17 3.2. Bahan Penelitian ...................................................................

  9 BAB III PERANCANGAN ......................................................................

  Halaman

  8 2.3. Turbin Crossflow ..................................................................

  7 2.2.3. Jenis-jenis Turbin Air ................................................

  6 2.2.2. Perkembangan Turbin Air ..........................................

  6 2.2.1. Definisi Turbin Air ...................................................

  5 2.2. Landasan Teori .....................................................................

  4 BAB II DASAR TEORI .......................................................................... 5 2.1. Tinjauan Pustaka ...................................................................

  3 1.3.2 Manfaat .....................................................................

  3 1.3.1 Tujuan .......................................................................

  3 1.3 Tujuan dan Manfaat ..............................................................

  1 1.2 Rumusan Masalah .................................................................

  

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

1.1 Latar Belakang Masalah ........................................................

  

INTISARI ................................................................................................... ix

DAFTAR ISI ............................................................................................... x

DAFTAR TABEL ...................................................................................... xii

DAFTAR GAMBAR .................................................................................. xiii

DAFTAR LAMBANG ............................................................................... xiv

  

HALAMAN JUDUL ................................................................................... i

HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ........................................ iii

HALAMAN PENGESAHAN ..................................................................... iv

HALAMAN PERNYATAAN .................................................................... v

HALAMAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ............................................. vi

KATA PENGANTAR ................................................................................. vii

  29

  BAB IV PEMBAHASAN ........................................................................

  30 4.1. Hasil Penelitian .....................................................................

  30 4.1.1. Data Variasi debit 10,6 L/s..........................................

  30 4.1.2. Data Variasi debit 9,3 L/s ..........................................

  31 4.1.3. Data Variasi debit 8,3 L/s A ......................................

  32 4.2. Grafik Hasil Penelitian ..........................................................

  33 4.2.1. Grafik dengan debit 10,6 L/s ......................................

  33 4.2.2. Grafik dengan debit 9,3 L/s .........................................

  35 4.2.3. Grafik dengan debit 8,3 L/s.. ......................................

  37 4.3. Analisa ..................................................................................

  38 BAB V KESIMPULAN ..........................................................................

  42 5.1. Kesimpulan ...........................................................................

  42 5.2. Saran .....................................................................................

  42 DAFTAR PUSTAKA

  LAMPIRAN

  

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Klasifikasi Turbin Terhadap Head ..........................................

  8 Tabel 4.1 Data dengan Tinggi Nozzle 9 mm, Debit 10,6 L/s ..................

  30 Tabel 4.2 Data dengan Tinggi Nozzle 14 mm, Debit 10,6 L/s ................

  30 Tabel 4.3 Data dengan Debit 9,3 L/s, Tinggi Nozzle 9 mm ....................

  31 Tabel 4.4 Data dengan Debit 9,3 L/s, Tinggi Nozzle 14 mm ..................

  31 Tabel 4.5 Data dengan Debit 8,3 L/s, Tinggi Nozzle 9 mm ....................

  32 Tabel 4.6 Data dengan Debit 8,3 L/s, Tinggi Nozzle 14 mm ..................

  32

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Runner Turbin Crossflow ......................................................

  3 Gambar 2.1 Turbin Crossflow ..................................................................

  9 Gambar 2.2 Aliran Air Pada Turbin Crossflow ..........................................

  10 Gambar 2.3 Kelengkungan Sudu ...............................................................

  14 Gambar 2.4 Sketsa Pipa yang Dibelah ......................................................

  14 Gambar 2.5 Jarak Antar Sudu ....................................................................

  15 Gambar 2.6 Penampang Nozzle ................................................................

  15 Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian .........................................................

  17 Gambar 3.2 Alat Uji Turbin ......................................................................

  21 Gambar 4.1 Grafik Daya yang Dihasilkan VS Putaran Generator untuk Tinggi Nozzle 9mm, dan 14 mm dengan debit 10,6 L/s ..........

  33 Gambar 4.2 Grafik Efisiensi VS Putaran Generator untuk Tinggi Nozzle 9mm, dan 14 mm dengan debit 10,6 L/s .................................

  34 Gambar 4.3 Grafik Daya yang Dihasilkan VS Putaran Generator untuk Tinggi Nozzle 9mm, dan 14 mm dengan debit 9,3 L/s ............

  35 Gambar 4.4 Grafik Efisiensi VS Putaran Generator untuk Tinggi Nozzle 4 mm, 9mm, dan 14 mm dengan debit 9,3 L/s ..........................

  36 Gambar 4.5 Grafik Daya yang Dihasilkan VS Putaran Generator untuk Tinggi Nozzle 9mm, dan 14 mm dengan debit 8,3 L/s ............

  37 Gambar 4.6 Grafik Efisiensi VS Putaran Generator untuk Tinggi Nozzle 4 mm, 9mm, dan 14 mm dengan debit 8,3 L/s ...........................

  38

DAFTAR LAMBANG

  2

  = Daya yang dihasilkan generator (W)

  out

  = Daya yang tersedia (W) P

  in

  ) P

  o

  = Sudut pusat sudu jalan (

  = Tinggi pancaran air nosel (m) N = Kecepatan Putar (rpm)

  o

  = Jarak pancaran dari keliling dalam (m) A = Penampang nosel (m) s

  2

  = Jarak pancaran dari poros (m) y

  1

  = Jarak antar sudu pancaran air keluar (m) n = Jumlah sudu (buah) y

  H = Head (m)

  Q = Debit (m

  L = Panjang Turbin (m)

  3

  /detik)

  η = Efisiensi turbin (%)

  D

  1

  = Diameter turbin (m)

  ρ = Jari-jari kelengkungan sudu turbin (m)

  o

  = Lebar velk radial (m) s

  1

  = Jarak antar sudu pancaran air masuk (m) t = Jarak antar sudu (m)

  β

  1

  = Sudut masuk (

  ) s

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

  Listrik merupakan sumber energi yang digunakan oleh manusia. Listrik dihasilkan dari suatu sistem pembangkit listrik. Pembangkit yang banyak digunakan adalah pembangkit listrik tenaga air (PLTA), pembangkit listrik tenaga panas bumi (PLTG), Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU), pembangkit listrik tenaga diesel (PLTD), dan pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN). PLTU dan PLTD menggunakan sumber energi berupa batubara ataupun minyak bumi.

  Permasalahan yang dihadapi saat ini adalah tentang ketersediaan sumber energi yang tidak dapat diperbaharui dewasa ini. Hal itu menimbulkan adanya krisis energi sehingga berdampak pada melonjaknya harga minyak bumi.

  Air merupakan salah satu sumber daya alam yang tidak terbatas jumlahnya. Air juga memiliki potensi yang sangat besar dan dapat digunakan sebagai sumber energi yang dapat menggantikan penggunaan energi fosil. Air merupakan sumber energi yang bersih karena tidak menghasilkan polutan. Berbeda dengan sumber energi fosil, air tidak mempunyai potensi merusak ozon maupun potensi pemanasan global.

  Dari data yang dikeluarkan oleh Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral Republik Indonesia, pemanfaatan energi air di Indonesia masih sangat kecil, baru sekitar 2,5% dari potensi yang bisa mencapai 75000 MW. Di Indonesia terdapat 1315 kawasan yang berpotensi menjadi sumber energi tenaga air, dan daerah-daerah tersebut tersebar dari Sabang sampai Marauke. Daerah-daerah yang diprediksi memiliki potensi tersebut, antara lain : Pulau Papua 22371 MW, pulau Kalimantan 21611 MW, pulau Sumatra 15804 MW, pulau Sulawesi 10203 MW, pulau Jawa 4531 MW, kepulauan Nusa Tenggara (Bali, NTB dan NTT) 674 MW dan kepulauan Maluku 430 MW. Data-data di atas merupakan sumber pembangkit tenaga air dengan kapasitas besar, belum termasuk sumber-sumber pembangkit tenaga air dengan kapasitas kecil. Untuk memanfaatkan potensi tersebut diperlukan suatu teknologi terapan agar masyarakat kecil dapat menyediakan energi listrik secara swadaya.

  Pembangkit listrik tenaga air menggunakan turbin sebagai alat untuk mengkonversi potensi energi air menjadi energi mekanik untuk memutar generator listrik. Untuk daya yang kecil (mikrohidro/pikohidro), turbin aliran silang (crossflow) banyak digunakan. Sudu turbin aliran silang biasanya dibuat dari pelat yang dilengkung. Pembuatan sudu tersebut tentu saja tidak mudah, apalagi bagi masyarakat kebanyakan. Geometri sudu turbin aliran silang sebenarnya sama dengan geometri pipa yang dibelah dengan besar sudut busur tertentu. Oleh karena itu sudu turbin dapat dibuat dari pipa yang dibelah, sehingga pembuatannya lebih mudah. Pembuatan runner yang mudah akan membuat biaya yang dikeluarkan menjadi murah. Masyarakat akan dapat membuat sendiri sehingga masyarakat dapat berswadaya energi listrik. Sampai sekarang ini pemanfaatan pipa dibelah sebagai sudu turbin aliran silang tidak banyak dilakukan sehingga informasi mengenai unjuk kerjanya kurang diketahui.

Gambar 1.1 Runner Turbin aliran silang

  1.2 Rumusan Masalah

  Informasi tentang unjuk kerja turbin aliran silang dengan sudu dibuat dari pipa yang dibelah tidak banyak diketahui. Pada penelitian ini akan dibuat turbin aliran silang dengan sudu dari pipa yang dibelah. Turbin tersebut akan diteliti unjuk kerjanya pada berbagai variasi debit dan head air masuk.

  1.3 Tujuan dan Manfaat

  Tujuan penelitian ini adalah :

  a. Membuat runner turbin aliran silang dengan menggunakan sudu dari pipa yang dibelah untuk pembangkit listrik agar mudah dibuat oleh masyarakat.

  b. Mengetahui dan membandingkan daya serta efisiensi menyeluruh terbaik dari variasi debit,beban generator, dan tinggi nozzle.

  Sudu Piringan Runner

  Poros

1.3.1 Tujuan

1.3.2 Manfaat

  Hasil penelitian ini diharapkan dapat:

  a. Menambah kepustakaan teknologi pembangkit listrik tenaga air mikrohidro.

  b. Diterapkan di masyarakat yang berada dekat sumber air dan belum mendapat pasokan listrik sehingga dapat menyediakan energi listrik secara swadaya .

  c. Mengurangi ketergantungan terhadap minyak bumi.

  d. Membangunkan kepedulian masyarakat terhadap upaya konservasi air.

BAB II DASAR TEORI

2.1 Tinjauan Pustaka

  Unjuk kerja turbin aliran silang 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.

  Geometri runner turbin aliran silang dapat dilihat pada gambar 2.3 dan 2.5.

  Penelitian tentang turbin aliran silang banyak dilakukan untuk sudu yang dibuat dari plat yang dilengkung. Turbin aliran silang 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 di dalam runner ternyata tidak menaikkan efisiensi tetapi justru menurunkan efisiensi turbin aliran silang sebesar 5 %.

  Penelitian terhadap pengaruh perbandingan diameter dalam dan diameter luar runner juga telah dilakukan (Olgun, 1998). Dalam penelitian ini digunakan 4 buah runner. Runner yang diuji mempunyai jumlah sudu 28 buah, diameter luar 170 mm, dan lebar 114 mm. Perbandingan diameter dalam dan diameter luar 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).

2.2 Landasan Teori

2.2.1 Definisi Turbin Air

  Turbin air adalah salah suatu 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 dibawah tekanan tinggi di dalam dam dilepaskan ke dalam suatu saluran 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 menentukan tinggi air jatuh dan kapasitas air. Selain itu pemilihan turbin juga tergantung dari kecepatan putar yang diminta oleh generator.

2.2.2 Perkembangan Turbin Air

  Bentuk yang paling tua dan sederhana dari turbin air adalah kincir air, yang pertama kali digunakan oleh bangsa yunani pada abad pertengahan. Perpindahan dari bentuk kincir air ke bentuk turbin air modern memakan waktu sekitar 100 tahun. Pada awal abad ke 19 seorang insinyur Prancis yang bernama Claude Bourdin menemukan kata turbin yang diambil dari bahasa latin yang berarti memutar atau pusaran air. Perkembangan turbin air mulai terlihat pada pertengahan abad 18 :

  1. Pada pertengahan abad 17 Jan Andrej Segner mengembangkan suatu turbin air reaktif, yang merupakan mesin yang sangat sederhana yang hingga saat ini masih dapat dijumpai di lokasi hidro yang kecil.

  2. Pada tahun 1826 Benoit Fourneyron mengembangkan sebuah turbin air berefisiensi 80%. Air diarahkan menyimpang melalui turbin runner sehingga turbin runner berputar (turbin aliran keluar).

  3. Pada tahun sebelumnya sekitar tahun 1820, Jean- Victor Poncelete mendisain turbin air aliran dalam, dengan menggunakan prinsip yang sama dia mendapat U.S.paten di tahun 1838.

  4. Pada tahun 1848 James B. Francis mengembangkan disain turbin air aliran dalam untuk mendapatkan efisiensi yang lebih tinggi (90%) yang disebut turbin Francis.

2.2.3 Jenis-jenis Turbin Air

  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. 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 :

Tabel 2.1 Klasifikasi Turbin Terhadap Head

  Head tinggi Head sedang Head rendah Turbin impuls Turbin pelton Turbin aliran Turbin aliran

  Turbin turgo silang silang Turbin pelton multi jet Turbin turgo

  Turbin reaksi Turbin francis Turbin kaplan

2.3 Turbin Aliran silang (crossflow)

  Turbin aliran silang atau yang juga dikenal dengan nama Turbin Michell- Banki merupakan salah satu jenis turbin impuls. Turbin aliran silang terdiri dari dua bagian yaitu nozzle dan runner. Turbin aliran silang menggunakan nozzle berpenampang persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner. Sedangkan tinggi nozzle dapat diubah-ubah karena menggunakan sebuah katup yang dapat diset ketinggiannya. 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.

  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 %.

  Katup nozzle poros sudu aliran air

Gambar 2.1 Turbin Aliran Silang Dari kapasitas air dan tinggi air jatuh dapat diperoleh potensi daya air yang tersedia yaitu (Dietzel, 1996, hal. 2) :

  P g Q H (1) = ρ in

  Dengan

  P : daya yang tersedia (W),

  3 ρ : massa jenis air (kg/m ),

  

2

g : percepatan gravitasi (m/detik ),

3 Q : debit air (m /detik),

  H : tinggi air jatuh (m),

Gambar 2.2 Aliran Air Pada Turbin Aliran Silang (Mockmore, 1949, hal. 6)

  Pada gambar 2.2 diasumsikan bahwa pancaran air dari nosel masuk ke dalam runner pada titik A dengan membentuk sudut terhadap kecepatan

  α

  kelilingnya. Kecepatan air memasuki runner (V ) dihitung dengan

  1

  (Mockmore,1949,hal 6) :

  ½

  V =C (2gH) (2)

  1

  dengan C merupakan koefisien kerugian pada nosel Daya teoritis yang dihasilkan turbin adalah

  P Q V cos V cos u = ρ ( α α ) + th

  1

  1

  2

  2

  

1

 

  cos

  β

  V cos u

  1 (3) _{th ρ} = − _{1 ( 1 α 1 1 ) ψ} ²

• Atau P Q u

  

 

  cos

  

 β 

₁ Dengan u : kecepatan keliling runner,

  1 β : sudut antara kecepatan relatif air masuk pada sudu atas dengan

  1

  kecepatan keliling, β : sudut antara kecepatan relatif air masuk pada sudu bawah dengan

  2 kecepatan keliling.

  Dengan mengambil besar sudut β = β maka :

  2

  1

• P Q u
_{th = ρ 1 (} V cos u _{1 α 1 − 1 )( ψ )} 1 (4)

  Efisiensi turbin yang merupakan perbandingan antara daya yang dihasilkan turbin dengan daya air yang tersedia adalah (Mockmore, 1949, hal 8):

    u u

  1 cos (5)

  η = ( ψ ) α − _{T } ^{2 1} _{1 } ¹ V

• 2 C

  V ₁   ₁ Secara teoritis efisiensi turbin dipengaruhi oleh kecepatan pancaran air masuk turbin dan sudut pancaran air.

  Untuk menghasilkan listrik poros turbin dihubungkan dengan poros generator. Hubungan ini melalui sistem transmisi yang ditentukan berdasarkan putaran poros turbin dan putaran kerja generator. Daya listrik (P) yang dihasilkan generator dapat diketahui setelah arus dan tegangan yang dihasilkan diukur.

  Besarnya daya listrik adalah P = V I

  (6)

  out

  dengan P : Daya yang dihasilkan generator (watt)

  out

  V : tegangan listrik yang dihasilkan (volt) I : kuat arus listrik yang dihasilkan (ampere)

  Efisiensi menyeluruh (efisiensi nozzle, turbin, transmisi dan generator) dihitung dengan persamaan

  P _in

  x 100% (7)

  η = _total P _out

  Perhitungan ukuran-ukuran turbin menggunakan asumsi sudut pancaran air

  o

  masuk (α ) sebesar 16 dan nilai ψ = 0.98 , C = 0.98 dan k = 0,087

  1

  (Mockmore,1949, hal 17). Dengan asumsi tersebut secara teoritis dapat dicapai efisiensi maksimum turbin sebesar 87,8% (Mockmore,1949, hal 9).

  Ukuran turbin aliran silang ditentukan berdasarkan lebar dan diameter runner. Lebar dan diameter runner dapat ditentukan dengan persamaan

  LD

  1

  1

  Lebar velk radial ( ) ditentukan dari persamaan (Mockmore , 1949, hal 12) : = 0,17 D

  ) (12)

  1

  D

  ½

  Lebar runner ditentukan dengan L = 210,6 Q/(H

  = 2 ρ / 0.326 (11)

  1

  D

  Karena sudu akan dibuat dari pipa yang dibelah maka kemudian dipilih pipa dengan jari-jari mendekati jari-jari kelengkungan sudu hasil perhitungan. Setelah pipa untuk sudu ditentukan maka diameter runner dihitung kembali dengan :

  /2 (10)

  ρ = 0.326 D

  1

  (9) Setelah diameter runner ditentukan maka dapat dihitung besarnya jari-jari kelengkungan sudu (ρ) yaitu (Mockmore,1949, hal 15) :

  1

  / D

  ½

  N =862H

  Lebar runner ditentukan dengan terlebih dahulu menentukan diameter turbin yang direncanakan. Pemilihan diameter turbin akan menentukan putaran kerja turbin, sehingga dalam pemilihannya mempertimbangkan putaran kerja generator. Putaran kerja turbin (N) adalah (Mockmore,1949, hal 15):

  /s) H : tinggi jatuh air (ft)

  3

  : diameter runner (inch) Q : debit air (ft

  1

  (8) dengan L : lebar runner (inch) D

  ½

  = 210,6 Q/H

  (13)

Gambar 2.3 Kelengkungan Sudu (Mockmore, 1949, hal. 16)

  o o

  Untuk sudut pancaran air (α ) sebesar16 maka sudut sudu (δ) adalah 73 28’

  1

  (Mockmore, 1949, hal. 15). Dengan demikian untuk sudu dari pipa maka sudu

  o dibuat dengan membelah pipa dengan sudut busur 73 28’. o

Gambar 2.4 Sketsa Pipa Dibelah Dengan Sudut 73 28’

  Jarak antar sudu (t) dihitung dengan persamaan (Mockmore, 1949 , hal 10) t = s /sin β (14)

  1

  1

  dengan s = kD (Mockmore, 1949 , hal 14),

  1 _o

  1 β = 30 (Mockmore, 1949 , hal 10), untuk α =16

  1 Gambar 2.5 Jarak Antar Sudu (Mockmore, 1949, hal. 9) Mockmore, 1949, hal 17)

  Jumlah sudu (n) ditentukan dengan ( n = л D /t (15)

1 Nozzle turbin Aliran silang berbentuk persegi panjang. Penrhitungan ukuran

  nozzle: s = Q / (V L) (16)

  o

  1

Gambar 2.6 Penampang Nozzle

  Torsi yang terjadi adalah sebagai berikut _{5 d} P T 9 , 74 x

  10 (17)

  = N

  Untuk menentukan diameter poros d , digunakan persamaan berikut ini _{1 3} ѕ

   

  5 ,

  1 (18)

  d K C T _{s =  t b }  τ a 

  dengan d = diameter poros (mm)

  s

  K = faktor koreksi 1

  t

  C = faktor koreksi 2

  b

  2

  = tegangan bahan yang diizinkan (kg/mm )

  τ _a

BAB III PELAKSANAAN PENELITIAN

  3.1 Diagram Alir START STUDI PUSTAKA PERANCANGAN TURBIN ALIRAN SILANG PEMBUATAN TURBIN ALIRAN SILANG PENELITIAN TURBIN ALIRAN SILANG PENGAMBILAN DATA PENGOLAHAN DATA SELESAI

Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian

  3.2 Bahan Penelitian

  Bahan-bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah:

  a. Pipa hitam diameter 1 ¼ inch , panjang 1m

  b. Plat tebal 15 mm x 100 mm x 100 mm , 2 buah

  3.3 Peralatan Penelitian

  Peralatan yang digunakan pada penelitian ini adalah:

  a. Alat uji turbin

  b. Tachometer,multimeter

  c. Peralatan kerja bangku, mesin : bubut,milling,las

  d. Alat ukur (roll meter, jangka sorong, siku)

  3.4 Jalannya Penelitian

  3.4.1 Persiapan

  Tahap awal dari penelitian ini adalah studi pustaka. Pada tahap ini, bahan- bahan yang akan digunakan sebagai referensi dikumpulkan. Referensi yang dikumpulkan berasal dari berbagai sumber, namun kebanyakan berasal dari internet. Referensi ini berupa hasil penelitian lembaga lain dan buku-buku acuan.

  Tahapan selanjutnya adalah pembuatan jadwal kerja yang akan digunakan sebagai pedoman untuk mencapai efisiensi waktu yang maksimal.

  3.4.2 Pembuatan Alat

3.4.2.1 Desain Alat

  Pada tahapan ini, gambar kerja dibuat. Sebelum membuat gambar kerja, terlebih dahulu dibuat sketsa alat.

  Alat uji turbin juga akan digunakan pada pelaksanaan uji prestasi. Penelitian akan dilaksanakan dengan membuat sebuah runner (runner A) dengan diameter dan panjang yang sama dengan runner dari alat uji turbin (runner B). Sedangkan perbedaannya terletak pada jumlah sudu, bahan sudu, dan proses manufakturing runner.

  Runner B akan dilepas, dan digantikan dengan runner A. Sedangkan komponen lain seperti rumah runner, generator, transmisi sabuk dan puli, panel- panel listrik, dan nozzle akan tetap dipakai pada penelitian ini.

  Pada penelitian ini, turbin yang akan dibuat dirancang untuk memanfaatkan tenaga air yang memiliki head 4,5 m, debit 8 L/s. Sudu dibuat dari pipa hitam berdiameter 1,25 inch, yang dibelah dengan sudut 73,28˚.

  Pada saat pengambilan data, dilakukan variasi debit 10,6 L/s, 9,3 L/s, dan 8,3 L/s, untuk variasi beban generatornya adalah 10 W, 15 W, 25W, 40 W, 60 W, dan 100 W. Variasi lainnya adalah tinggi nozzle 14mm, 9mm, dan 4mm

  Penelitian ini tidak dilakukan di lapangan, melainkan disimulasikan dengan menggunakan peralatan-peralatan yang telah direncanakan dan dipersiapkan oleh kelompok studi Rekayasa Tenaga Air. Untuk menggantikan laju aliran sungai, digunakan sebuah pompa berkapasitas maksimum 10 L/dtk, Head 22 m dan kecepatan putar 1500 rpm.

  Pompa mengalirkan air yang ditampung pada sebuah bak air kapasitas 240 liter. Air tersebut dipompakan menuju ke nozzle melalui pipa penstock berdiameter 2 inch. Untuk mengatur debit dan head masuk Nozzle, dipasang dua buah kran pada pipa penstock. Air yang masuk ke nozzle akan digunakan untuk memutar Runner di dalam rumah runner, kemudian masuk kembali ke dalam bak penampung. Poros runner dihubungkan ke poros generator menggunakan transmisi sabuk dan puli. Selain itu juga digunakan kopling flens luwes.

  Generator akan menghasilkan listrik. Listrik yang dihasilkan kemudian diukur saat pengambilan data.

Gambar 3.2 Alat Uji Turbin

3.4.2.2 Perancangan Runner

  Untuk pembuatan runner, dipakai sudu dari pipa yang dibelah. Perancangan dan perhitungannya adalah sebagai berikut: a. Data perancangan

  Debit (Q) =

  8 L/s = 0,283 ft

  3

  /s Head (H) = 4,5 m

  = 14,764 ft Faktor koreksi nozzle (k) = 0,087 Sudut masuk (α) = 16°

  2 Gravitasi (g) = 32,18 ft/s

  Diameter pipa untuk sudu (d ) = 1,25 inch

  1

  b. Velocity of jet nozzle (V)

  V C

  2 gH

  = V ,

  98

  2 32 ,

  18 14 , 764

  = × ×

  V

  30 , 211 ft/s

  =

  c. Radius sudu (ρ)

  ρ = 0,5 d

  1 = 0,5 . 1,25

  = 0,625 inch

  d. Diameter runner (D )

  1 ρ = 0,326 r

  1

  r = 0,625 / 0,326

1 D = 3,834 inch

  1

  e. Panjang dan diameter runner (LD )

  1 ½

  LD = 210 . Q/H

  1 ½

  = 210 . 0,283 / (14,764) f. Panjang runner (L) L = 15,485/D

  1

  = 15,485/3,834 = 4,038 inch

  g. Kecepatan putar runner (N)

  ½

  N = 862 . H / D

  1 ½

  = 862 . (14,764) / 3,834 = 863,796 rpm

  h. Lebar nozzle (s ) A = Q / V

  = 0,283 / 30,211

  2

  = 0,009 ft S = A / L

  = 0,009 . 144 / 4,038 =0,321 inch i. Jarak sudu pada runner (s t)

  1,

  s = k . D

  1

  1

  = 0,087 . 3,834 = 0,334 inch t = s / sinβ

  1

  1

• 1

  = 0,334 / sin ( tan ( 2.tan16°)) = 0,671 inch j. Jumlah sudu (n) n = π . D / t

  1

  = 3,14 . 3,834 / 0,671 = 18 buah k. Radial rim width (a) a = 0,17 . D

  1

  = 0,17 . 3,834 = 0,652 inch l. Diameter dalam runner = D -2(a)

  1

  = 3,834 – 2 (0,652 ) = 2,531 inch m. Daya air (P )

  air

  P = Q . H / 8,8

  air

  = 0,283 . 14,764 / 8,8 = 0,474 HP n. Daya turbin maksimum (P

  turbin,

  3

  kg/mm

  =

  833 ,

  ⋅ =

  10

  3

  4

  σ τ

  2 ¹ Sf Sf ^{B a} ⋅ =

  2

  = 10 kg/mm

  σ

  kg/mm p. Bahan poros _B

  =

  85

  P

  230 ,

  =

  9 ⁵

  863,796 354 , 10 x 74 ,

  =

  9

  10 x 74 ,

  N P T ^{d 5}

  .η = 0,474 . 0,878 = 0,416 HP o. Torsi (T)

  air

  = P

  turbin

  ) P

  d

  2 q. Diameter poros _{3 1} 1 ,

  5

    ⋅ ⋅ ⋅ =

  1

  ) = 0,625 inch = 15,875 mm diameter runner (D

  1

  ) = 1,250 inch = 31,750 mm radius sudu (r

  1

  = 15,24 mm (dipilih 25 mm) r. Geometri turbin ( lihat gambar 2.3 , 2.5 , dan 2.6) : diameter pipa untuk sudu (d

     

     

  5

  1 ,

  1 5 , 1 833 ,

  385 230 ,

  T C K d _{b t a s} τ _{3 1}

    =

  ) = 3,834 inch = 97,393 mm panjang runner (L) = 4,038 inch = 102,575 mm radial rim width (a) = 0,652 inch = 16,557 mm diameter dalam = 2,531 inch = 64,279 mm lebar nozzle (s ) = 0,333 inch = 8,470 mm jarak sudu pada piringan (t) = 0,671 inch = 17,033 mm diameter poros = 0,984 inch = 25,000 mm sudut busur sudu = 73,28° sudut masuk (α) = 16° jumlah sudu (n) = 18 buah

3.4.2.3 Pembuatan Runner Setelah perancangan selesai, dilanjutkan dengan pembuatan runner.

  langkah pertama adalah pembuatan sudu. Pipa hitam dipotong-potong dengan panjang 103 mm, kemudian dibelah dengan sudut 74° sebanyak 18 buah.

  Pembelahan dapat dilakukan dengan gergaji tangan atau dengan mesin skrap.

  Pembuatan alat dilanjutkan dengan membuat piringan dan poros runner. piringan dan poros dibentuk menggunakan mesin bubut. Piringan dibuat 2 buah, satu untuk sebelah kanan, satu untuk sebelah kiri. Setelah selesai pengeboran, piringan dan poros disambung dengan las. Pengelasan dilakukan dengan teliti supaya hasilnya simetris dan tidak oleng. Setelah kedua piringan terpasang, sudu- sudu dipasang satu per satu. Pemasangan dilakukan dengan cara silang menyilang. Setelah satu sudu selesai dilas, dilanjutkan dengan sudu yang ada di seberangnya. Hal ini dilakukan untuk menghindari adanya defleksi akibat panas saat pengelasan.

  Pengelasan sudu dilakukan secara bertahap. Empat sudu dilas terlebih dahulu. Masing-masing 1 buah sudu untuk bagian atas, bawah, kanan dan kiri.

  Pengelasan 4 sudu ditujukan untuk menjaga agar posisi poros setelah dipotong tetap center. Setelah selesai dipotong, sudu yang lain kemudian dilas.

  Setelah semua sudu dilas, dilakukan finishing dengan gerinda tangan. Sisa- sisa pengelasan diratakan. Sesudah itu, dilakukan balancing geometri dengan mesin bubut.

3.4.2.4 Pemasangan Runner ke Alat Uji Turbin

  Runner kemudian dipasang ke alat uji turbin. Setelah selesai dipasang, rumah bantalan yang terdapat di sisi kanan dan kiri rumah runner dipasang.

  Diikuti dengan pemasangan kopling transmisi sabuk dan puli.

  Setelah dipastikan semua bagian terpasang, penelitian dilanjutkan dengan uji prestasi.

3.4.3 Uji Prestasi

  Pada tahap ini dilakukan pengambilan data untuk mengetahui unjuk kerja dari turbin crossflow.

  Variabel yang divariasikan :

  a. Debit air, yaitu : 10,6 L/s ; 9,3 L/s ; 8,3 L/s

  b. Tinggi nozzle : 14 mm ; 9 mm ; 4 mm

  c. Beban generator : 10 W ; 15 W ; 25 W ; 40 W ; 60 W ; 100 W Variabel yang diukur :

  a. Head air

  b. Tegangan yang dihasilkan generator

  c. Arus yang dihasilkan generator

  d. Putaran turbin Langkah penelitian :

  a. Isi bak penampung dengan air

  b. Pasang runner pada alat uji turbin

  c. Nyalakan pompa air

  d. Atur Debit air = 10,6 L/s, dengan mengatur dua kran pada pipa penstock

  e. Atur tinggi nozzle = 14 mm , dengan cara memutar lengan pengatur di samping atas rumah runner f. Ukur dan catat tekanan air dengan manometer pada saluran nozzle

  g. Pasang beban (lampu) 10 Watt

  h. Nyalakan Panel Hubung Bagi i. Ukur dan catat tegangan serta arus listrik yang dihasilkan generator menggunakan multimeter j. Ukur dan catat putaran generator menggunakan tachometer k. Matikan Panel Hubung Bagi l. Ulangi langkah g-k untuk beban = 15 W; 25 W; 40 W; 60 W; 100W m. Ulangi langkah e-l untuk tinggi nozzle = 9 mm ; 4 mm n. Ulangi langkah d-m untuk debit = 9,3 L/s ; 8,3 L/s o. Matikan pompa air

3.4.4 Analisa Data

  Pengolahan data dilakukan sebagai berikut : a. Hitung potensi daya air dengan persamaan 1 untuk tiap variasi debit.

  b. Hitung daya yang dihasilkan generator dengan persamaan 6 untuk tiap c. Hitung efisiensi total dengan persamaan 7 untuk tiap variasi

  d. Analisis dilakukan dengan membuat grafik hubungan putaran turbin dengan daya dan grafik hubungan putaran turbin dengan efisiensi untuk tiap variasi