Pembangkit listrik tenaga mikrohidro menggunakan turbin pelton - USD Repository

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO MENGGUNAKAN TURBIN PELTON

  TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

  Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Mesin

  Oleh : Agu Adtro Gesa Putra NIM : 045214077 PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO MENGGUNAKAN TURBIN PELTON

  TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

  Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Mesin

  Oleh : Agu Adtro Gesa Putra NIM : 045214077 PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA

  

MICROHYDRO POWER PLANT

USING PELTON TURBIN

  FINAL PAPER Presented as Fulfillment of the Requirements

  For the Degree of Sarjana Teknik Mechanical Engineering Study Programme

  

By :

Agu Adtro Gesa Putra

Student Number : 045214077

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAMME

  

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

  Air yang bermula dari mata air, mengalir menuju laut Banyak rintanggan-rintanggan yang dihadapinya, Melewati bebatuan, melalui arus yang deras, Bersama-sama material lain, bercampur dengan sampah, Bersama rombongannya menuju ke satu tujuan yaitu menuju ke laut. Bagaikan air yang menuju ke laut, begitulah hidup Sebelum mencapai tujuan banyak terdapat rintanggan-rintanggan, Teruslah maju menuju tujuan

  ”Percobaan-percobaan yang kamu alami ialah percobaan-percobaan biasa, yang tidak melebihi kekuatan manusia. Sebab Allah setia dan karena itu Ia tidak akan membiarkan kamu dicobai melampaui kekuatanmu. Pada waktu kamu dicobai Ia akan memberikan kepadamu jalan ke luar, sehinga kamu dapat menanggungnya”

  (1 kor 10:13)

  Tugas akir ini ku persembahkan terutama untuk: Kedua orang tuaku, kakakku, adiku

  INTISARI

  Turbin pelton banyak digunakan untuk pembangkit listrik skala mikro. Pembuatan sudu turbin dari bahan logam sulit dilakukan oleh masyarakat. Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari unjuk kerja turbin pelton dengan sudu dari bahan resin yang digunakan untuk pembangkit listrik.

  Peralatan yang digunakan adalah sebuah turbin pelton. Sudu turbin dibuat dari bahan resin dengan lebar sudu 53,1 mm, panjang 47,5 mm dan tinggi 16,7 mm. Diameter

  

runner adalah 160 mm dengan jumlah sudu pada runner 16 buah. Penelitian dilakukan

  dengan memvariasikan debit menurut bukaan keran pembuangan. Bukaan keran pembuangan divariasikan menjadi bukaan 90 , bukaan 60 , bukaan 30 , bukaan 0 . Diameter nosel divariasikan menjadi ¾ inci, dan ½ inci. Untuk menghasilkan listrik, turbin dihubungkan dengan alternator. Pengukuran daya yang dihasilkan turbin dilakukan dengan mengukur tegangan dan arus yang dihasilkan alternator. Alternator diberi variasi pembebanan dari 10 W, 20 W, 30 W, 40 W, dan 50 W. Pada setiap pembebanan, putaran turbin diukur dengan tachometer.

  Turbin pelton dengan sudu dari bahan resin dan jumlah sudu 16, diameter nosel ½ inch mampu menghasilkan daya sebesar 43,22 watt. Hasil tersebut didapat pada variasi debit 3,6 l/detik dan menghasilkan efisiensi sebesar 4,69 %. Hasil tersebut didapat pada variasi debit 2,4 l/detik. Turbin Pelton dengan diameter nosel ¾ inci mampu menghasilkan daya sebesar 25,60 watt. Hasil tersebut didapat pada variasi debit 5,8 l/detik dan memiliki efisiensi sebesar 2,87 %. Hasil tersebut didapat pada variasi debit 4,3 l/detik. Semakin besar debit, maka semakin besar putaran poros dan semakin besar daya yang diperoleh Kata kunci : Turbin pelton, Mikrohidro.

KATA PENGANTAR

  Puji dan Syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala berkat dan bimbingan-Nya dalam penyusunan skripsi berjudul “PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO MENGGUNAKAN TURBIN PELTON”.

  Skripsi ini disusun sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta, sekaligus sebagai wujud harapan dan cita-cita penulis untuk selalu belajar tanpa batas.

  Penyusunan skripsi ini tidak mungkin dapat terlaksana dengan baik tanpa adanya bantuan dan kerjasama dari berbagai pihak yang terkait. Pada kesempatan ini, dengan segala kerendahan hati, penulis ingin menyampaikan terima kasih kepada :

  1. Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T, selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma, dan Dosen Pembimbing Tugas Akhir

  2. Budi Sugiharto, S.T, M.T, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.

  3. Ir. YB. Lukiyanto, M.T. selaku Dosen pembimbing akademik.

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

  5. Kepala Laboratorium Konversi Energi Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma yang telah memberikan ijin dan fasilitas yang dipergunakan.

  6. Kepala Laboratorium Teknologi Mekanik Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma yang telah memberikan ijin dan fasilitas yang dipergunakan.

  7. Segenap karyawan Sekretariat Teknik Universitas Sanata Dharma dan semua karyawan dan staff Universitas Sanata Dharma.

  8. Ayahku Adel Bertus Ade, terima kasih atas segala yang diberikan selama ini.

  9. Ibuku Petronela untuk kasih sayang dan doa-doa yang tulus.

  10. Kakakku Erlawany, adik-adiku, Tri Yuliani Putri, Oktami Wideri, Detro Sepcily Rantau, untuk dukungan dan segala hal yang diberikan tiada habisnya.

  11. Matelda Fika, terimakasih atas dukungan dalam penyelesaian skripsi ini.

  12. Sahabatku Tirta Dwi Kurniawan yang menemaniku, dan telah membimbing dalam pembuatan alat.

  13. Teman-teman Forum Pelajar Mahasiswa Kabupaten Bengkayang yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah memberikan semagat selama penyusunan skripsi.

  14. Teman-teman mahasiswa angkatan 2004 dan 2005 Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma dan semua pihak yang tidak bisa saya sebutkan satu persatu.

  15. Dan seluruh pihak yang telah ambil bagian dalam proses penulisan tugas akhir ini yang terlalu banyak jika disebutkan satu-persatu Penulis menyadari sepenuhnya bahwa laporan ini masih jauh dari sempurna mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari pembaca untuk menyempurnakan laporan ini. Akhir kata, semoga laporan ini dapat berguna bagi pembaca semua.

  Penulis

  DAFTAR ISI

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

  INTISARI................................................................................................ viii KATA PENGANTAR ............................................................................ ix DAFTAR ISI........................................................................................... xii DAFTAR TABEL................................................................................... xvi DAFTAR GAMBAR .............................................................................. xviii DAFTAR LAMPIRAN........................................................................... xx BAB I. PENDAHULUAN ......................................................................

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

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

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

  4 1.3.1. Tujuan ...............................................................................

  4 1.3.2. Manfaat .............................................................................

  4

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

  5 2.1. Tinjauan Pustaka ........................................................................

  5 2.2. Turbin Air ..................................................................................

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

  6 2.2.2. Jenis-Jenis Turbin Air .......................................................

  6 2.3. Turbin Pelton .............................................................................

  10 2.3.1. Cara Kerja Turbin Pelton ..................................................

  10 2.3.2. Bagian Utama Turbin Pelton.............................................

  11 2.3.3. Ukuran-Ukuran Utama Turbin Pelton...............................

  17 2.3.4. Perancangan Turbin Pelton ...............................................

  17 a. Perhitungan Daya yang dihasilkan Turbin .....................

  17 b. Bagan Kecepatan Turbin Pelton ....................................

  18 c. Nosel .............................................................................

  19 d. Perhitungan Dimensi Turbin .........................................

  20 BAB III. METODE PENELITIAN ........................................................

  24 3.1. Diagram Alir Penelitian .............................................................

  24 3.2. Perancangan Alat .......................................................................

  25 3.2.1. Perhitungan Turbin ..........................................................

  26 3.2.2. Gambar Turbin ..................................................................

  30 3.3. Pembuatan Turbin ......................................................................

  33 3.3.1. Pembuatan Turbin ............................................................

  33

  b. Pembuatan Disk Turbin ................................................

  35 c. Pembuatan Poros Turbin ..............................................

  36 d. Pembuatan Nosel ...........................................................

  36 e. Pembuatan Rumah Turbin..............................................

  36 f. Pembuatan Kerangka Alat .............................................

  36 3.4. Penelitian Alat............................................................................

  37 3.4.1. Persiapan Alat ...................................................................

  37 3.4.2. Variabel yang Diukur........................................................

  38 3.4.3. Variabel yang Divariasikan...............................................

  39 3.4.4. Pengambilan Data .............................................................

  39 3.4.5. Pengolahan Data dan Analisa Data ...................................

  40 BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ...............................................

  41 4.1. Hasil Penelitian ..........................................................................

  41 4.1.1. Data Hasil Penelitian.........................................................

  41 A . Data Penelitian Unjuk Kerja Turbin Pelton Menggunakan Diameter Nosel ¾ inci..........................

  41 B. Data Penelitian Unjuk Kerja Turbin Pelton Menggunakan Diameter Nosel ½ inci..........................

  43 4.1.2. Perhitungan Data Penelitian..............................................

  46 A . Perhitungan Unjuk Kerja Turbin Pelton Menggunakan Diameter Nosel ¾ inci..........................

  46

  B. Perhitungan Unjuk Kerja Turbin Pelton Menggunakan Diameter Nosel ½ inci..........................

  47 4.2. Pembahasan................................................................................

  49

  4.2.1. Daya dan Efisiensi Total Turbin Pelton dengan Diameter Nosel ¾ inci .......................................................................

  49

  4.2.2. Daya dan Efisiensi Total Turbin Pelton dengan Diameter Nosel ½ inci .......................................................................

  51 4.2.3. Perbandingan Daya dan Efisiensi Total Turbin Pelton .....

  53 A. Perbandingan Daya Turbin Pelton ..............................

  53 B. Perbandingan Efisiensi Turbin Pelton .........................

  54 BAB V. PENUTUP.................................................................................

  56 5.1. Kesimpulan ................................................................................

  56 5.1. Saran...........................................................................................

  57 DAFTAR PUSTAKA .............................................................................

  58 LAMPIRAN

  DAFTAR TABEL

  Halaman Tabel 2.1. Pemilihan generator berdasarkan tinggi jatuh ideal ...................

  5 Tabel 4.1. Faktor-faktor koreksi daya yang akan ditransmisikan ................

  22 Tabel 3.1. Kecepatan Spesifik....................................................................

  27 Tabel 4.1. Data penelitian untuk debit dengan bukaan kran 90 ................ 41

Tabel 4.2. Data penelitian untuk debit dengan bukaan kran 60 ................ 41Tabel 4.3. Data penelitian untuk debit dengan bukaan kran 30 ................ 42Tabel 4.4. Data penelitian untuk debit dengan bukaan kran 0 .................. 42Tabel 4.5. Data penelitian untuk nosel ¾ inci dengan bukaan kran 90 .... 42Tabel 4.6. Data penelitian untuk nosel ¾ inci dengan bukaan kran 60 .... 42Tabel 4.7. Data penelitian untuk nosel ¾ inci dengan bukaan kran 30 .... 43Tabel 4.8. Data penelitian untuk nosel ¾ inci dengan bukaan kran 0 ...... 43Tabel 4.9. Data penelitian untuk debit dengan bukaan kran 90 ................ 43Tabel 4.10. Data penelitian untuk debit dengan bukaan kran 60 .............. 44Tabel 4.11. Data penelitian untuk debit dengan bukaan kran 30 .............. 44Tabel 4.12. Data penelitian untuk debit dengan bukaan kran 0 ................ 44Tabel 4.13. Data penelitian untuk nosel ½ inci dengan bukaan kran 90 .. 44Tabel 4.14. Data penelitian untuk nosel ½ inci dengan bukaan kran 60 .. 45Tabel 4.15. Data penelitian untuk nosel ½ inci dengan bukaan kran 30 .. 45Tabel 4.17. Perhitungan data debit dengan diameter nosel ¾ inci..............

  46 Tabel 4.18. Perhitungan data penelitian dengan nosel ¾ inci dan bukaan kran 90 ....................................................................................

  46 Tabel 4.19. Perhitungan data penelitian dengan nosel ¾ inci dan bukaan kran 60 ..................................................................................... 46

Tabel 4.20. Perhitungan data penelitian dengan nosel ¾ inci dan bukaan kran 30 ....................................................................................

  47 Tabel 4.21. Perhitungan data penelitian dengan nosel ¾ inci dan bukaan kran 0 ......................................................................................

  47 Tabel 4.22. Perhitungan data debit dengan diameter nosel ½ inci..............

  47 Tabel 4.23. Perhitungan data penelitian dengan nosel ½ inci dan bukaan kran 90 ....................................................................................

  48 Tabel 4.24. Perhitungan data penelitian dengan nosel ½ inci dan bukaan kran 60 ..................................................................................... 48

Tabel 4.25. Perhitungan data penelitian dengan nosel ½ inci dan bukaan kran 30 ....................................................................................

  48 Tabel 4.26. Perhitungan data penelitian dengan nosel ½ inci dan bukaan kran 0 ......................................................................................

  49

  DAFTAR GAMBAR

  Halaman

Gambar 2.1. Turbin Francis...................................................................... 8Gambar 2.2 Turbin Kaplan ....................................................................... 8 Gambar 2.3. Turbin Pelton........................................................................

  9 Gambar 2.4. Turbin Crossflow..................................................................

  9 Gambar 2.5. Turbin Turgo ........................................................................

  9 Gambar 2.6. Runner ................................................................................. 11

Gambar 2.7. Desain Bucket....................................................................... 13 Gambar 2.8. Bagan Kecepatan Turbin Pelton...........................................

  18 Gambar 2.9. Harga Standar untuk Perencanaan Turbin Pelton ................

  23 Gambar 3.1. Bucket Pelton ......................................................................

  31 Gambar 3.2. Poros Pelton ........................................................................

  31 Gambar 3.2. Disk Pelton ..........................................................................

  32 Gambar 3.2. Rangka Alat.........................................................................

  32 Gambar 3.2. Runner Pelton.......................................................................

  32 Gambar 3.2. Urutan Kerja Turbin ............................................................

  38 Gambar 4.1. Grafik Daya vs Putaran Poros dengan Diameter Nosel ¾ Inci ..................................................................................... 49

Gambar 4.2. Grafik Efisiensi vs Putaran Poros dengan Diameter NoselGambar 4.3. Grafik Daya vs Putaran Poros dengan Diameter Nosel ½

  Inci ........................................................................................ 51

Gambar 4.4. Grafik Efisiensi vs Putaran Poros dengan Diameter Nosel ½

  Inci ..................................................................................... 52

Gambar 4.5. Grafik Perbandingan Daya vs Putaran Poros dengan Diameter Nosel ½ inci dan ¾ inci .....................................

  53 Gambar 4.6. Grafik Perbandingan Efisiensi vs Putaran Poros dengan Diameter Nosel ½ inci dan ¾ inci......................................

  54

  DAFTAR LAMPIRAN

  Lampiran 1. Rancangan Bucket......................................................... 59 Lampiran 2. Rancangan Piringan......................................................

  60 Lampiran 3. Rancangan Poros ..........................................................

  61 Lampiran 4. Rancangan Rangka Alat ...............................................

  62 Lampiran 5. Rancangan Runner Pelton ............................................

  63 Lampiran 6. Sambungan Poros dan Disk..........................................

  64 Lampiran 7. Nosel.............................................................................

  65 Lampiran 8. Kecepatan Spesifik .......................................................

  65 Lampiran 13. Jumlah Putaran Spesifik .............................................

  66

BAB I PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANG MASALAH

  Listrik merupakan sumber energi yang digunakan oleh manusia. Listrik dihasilkan melalui sebuah sistem pembangkit listrik. Pembangkit yang banyak digunakan adalah Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA), Pembangkit Listrik Tenaga Gas 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 menipisnya ketersediaan sumber energi yang tidak dapat diperbarui seperti bahan bakar fosil serta efek buruk pembakaran bahan bakar fosil. Pembakaran bahan bakar fosil menghasilkan polutan yang berpotensi merusak ozon dan berpotensi meningkatkan pemanasan global.

  Untuk mengatasi hal itu maka dikembangkan berbagai bentuk energi alternatif dengan memanfatkan energi alam berupa energi surya, air, dan angin.

  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 bersih karena tidak menghasilkan polutan. Selain itu air juga 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 25 % dari potensi yang bisa mencapai 75000 MW. Di Indonesia terdapat 1315 kawasan yang berpotensi menjadi sumber energi tenaga air, dan daerah-daerah tersebut tersebar di seluruh kepulauan Indonesia. Daerah-daerah yang diprediksi memiliki potensi tersebut, antara lain : Papua 22371 MW, Kalimantan 21611 MW, Sumatera 15804 MW, Sulawesi 10203 MW, Jawa 4531 MW, Nusa Tenggara (Bali, NTB dan NTT) 674 MW dan 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 (microhydro/picohydro), turbin pelton dapat digunakan. Sudu turbin pelton biasanya dibuat dari bahan alumunium atau stainless steel. Pembuatan sudu tersebut tentu saja tidak mudah, apalagi bagi masyarakat kebanyakan. Oleh karena itu sudu turbin dapat dibuat dari bahan resin, sehinga pembuatanya lebih mudah dan tidak memakan banyak biaya dibandingkan dengan mengunakan stainless steel atau alumunium. Masyarakat akan dapat membuat sendiri sehingga masyarakat dapat berswadaya energi listrik. Sampai sekarang ini informasi mengenai unjuk kerjanya kurang diketahui. Sudu pelton dibuat berbentuk dua buah mangkok. Pancaran yang keluar dari nosel terbagi oleh sudu menjadi dua bagian dan meninggalkan sudu dengan cara dibelokkan melalui sudut yang hampir

  o

  180 . Reaksi impuls menghasilkan suatu momen puntir pada poros sudu yang menyebabkan runner berputar dan terus berputar selama ada pancaran yang datang menerjang ember. Untuk pembangkit listrik dengan daya yang kecil, ukuran ranner disesuaikan dengan debit dan tinggi jatuh air. Pada turbin pelton dimungkinkan menggunakan lebih dari satu pancaran (nosel).

1.2 RUMUSAN MASALAH

  Pada penelitian ini turbin yang akan dibuat, dirancang untuk memanfaatkan tenaga air yang memiliki head 15 meter dan debit 6 l/s. Penelitian ini akan membuat turbin pelton dengan sudu menggunakan bahan resin. Turbin tersebut akan diteliti unjuk kerjanya pada berbagai variasi debit, dan diameter nosel. Sudu dibuat dari bahan resin yang memiliki lebar 5cm, dan jumlah sudu 16 buah.

  Pada saat pengambilan data, dilakukan variasi bukaan kran 90 , 60 , 30 , dan untuk memvariasikan debit, sedangkan untuk variasi diameter nozzle menggunakan ¾ inci dan ½ inci, dan untuk variasi beban alternatornya adalah 10 W, 20 W, 30 W, 40 W, dan 50 W.

1.3 TUJUAN DAN MANFAAT

  1.3.1 Tujuan

  a. Membuat turbin pelton dengan sudu mengunakan resin untuk pembangkit listrik b. Mengetahui daya dan efisiensi dari turbin pelton yang telah di buat

  1.3.2 Manfaat

  a. Menambah kepustakaan teknologi pembangkit listrik tenaga air mikrohidro.

  b. Diterapkan pada daerah yang memiliki potensi air untuk pembangkit listrik.

  c. Sebagai media pembelajaran bagi masyarakat dan dapat menambah pengetahuan masyarakat.

BAB II DASAR TEORI

2.1 TINJAUAN PUSTAKA

  Unjuk kerja turbin pelton dipengaruhi oleh banyak parameter antara lain adalah tinggi air jatuh, kapasitas, kecepatan spesifik, kecepatan putar roda, jumlah nosel, diameter runner, diameter pancar air, kecepatan air keluar, kecepatan tangensial.

  Penelitian Turbin pelton jenis pico power pack (Phillip Maher,Version 2.0,May 2001), turbin ini bekerja pada head minimal 20 meter. Penelitian menggunakan head 70 meter dan debit 15 liter/detik. Penelitian ini membedakan tiga buah variasi ukuran diameter runner, untuk 3 jenis generator, lebih jelas dapat dilihat pada tabel

Tabel 2.1. pemilihan generator berdasarkan tinggi jatuh ideal

  Penelitian terhadap bucket pelton (John S. 2006). Penelitian ini mengunakan diameter runner 400 mm, diameter nosel 31 mm, kecepatan putaran 1150 rpm, debit buah. Dari penelitian ini didapat efisiensi bucket tergantung pada pancaran air dan momentum sudut air keluar.

2.2 TURBIN AIR

  2.2.1 Definisi Turbin Air

  Kata "turbine" ditemukan oleh seorang insinyur Perancis yang bernama Claude Bourdin pada awal abad 19, yang diambil dari terjemahan bahasa Latin dari kata "whirling" (putaran) atau "vortex" (pusaran air). Turbin air adalah suatu mesin berputar yang mengkonversi energi dari suatu gerakan aliran air menjadi energi mekanis yaitu energi puntir. Energi mekanis ini kemudian ditransfer melalui suatu poros untuk mengoperasikan mesin atau generator.

  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 Jenis-Jenis Turbin Air

  Terdapat berbagai jenis turbin air yang digunakan untuk penyediaan kebutuhan energi listrik. Turbin air biasanya dikelompokkan berdasarkan kegunaan tertentu, kapasitas aliran, dan tinggi air jatuh. Oleh karena itu, turbin air diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara. Secara umum klasifikasi berdasarkan prinsip kerja turbin tersebut merubah energi air menjadi energi mekanis. Berdasarkan klasifikasi ini, turbin air dibagi menjadi dua yaitu :

• Turbin Reaksi Turbin reaksi biasa disebut turbin tekanan lebih, turbin ini terdiri atas sudu pengarah dan sudu jalan. Pada Turbin Reaksi proses ekspansi air terjadidi dalam sudu tetap maupun sudu gerak, dan kedua sudu tersebut semuanya terendam di dalam aliran air. Turbin reaksi digunakan untuk aplikasi turbin dengan head rendah dan medium. Beberapa contoh turbin reaksi adalah turbin Francis, dan turbin Kaplan - Turbin Impuls Ciri turbin impuls adalah tekanan jatuh hanya terjadi pada sudu tetap, dan tidak terjadi pada sudu berputar. Turbin impuls disebut juga turbin tekanan sama, karena aliran air ketika masuk ke sudu adalah sama dengan tekanan pada saat keluar sudu. Air keluar nozle yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse). Energi fluida masuk sudu gerak, dalam bentuk energi kinetik berupa pancaran air yang dihasilkan oleh nozel. Pada bucket, energi air di ubah menjadi energi mekanis putaran poros. Beberapa contoh turbin impuls adalah turbin pelton, turbin turgo, Michell-Banki (juga dikenal sebagai turbin crossflow atau

  Gambar 2.1.Turbin Francis (Sumber :

Gambar 2.2 Turbin Kaplan (Sumber : Dietzel, 1993, hal.51 )Gambar 2.3. Turbin Pelton (Sumber: http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf )Gambar 2.4. Turbin Crossflow

  

2.3 TURBIN PELTON

  Turbin pelton merupakan turbin impuls, karena pada turbin Pelton puntiran terjadi akibat pembelokan pancaran air pada mangkok ganda runner. Oleh karena itu turbin pelton di sebut juga turbin pancaran bebas. Aliran air yang keluar dari nosel tekanannya sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan.

2.3.1 Cara Kerja Turbin Pelton

  Turbin bekerja dengan prinsip merubah gaya potensial air menjadi gaya mekanis. Air digunakan untuk menggerakkan sudu-sudu turbin yang terhubung dengan poros turbin, sehingga poros turbin menghasilkan gaya putar. Turbin pelton merupakan suatu alat yang merubah energi kinetik, dan energi potensial dari air menjadi energi gerak rotasi pada poros turbin. Pada prinsipnya turbin Pelton terdiri dari ember (bucket) yang dipasang secara seragam. Pancaran yang keluar dari nosel terbagi oleh ember menjadi dua bagian dan meninggalkan ember dengan cara

  o

  dibelokkan melalui sudut yang hampir 180 . Reaksi impuls menghasilkan suatu momen puntir pada poros sudu yang menyebabkan runner berputar dan terus berputar selama ada pancaran yang datang menerjang ember.

2.3.2 Bagian Utama Turbin Pelton

  Pada dasarnya turbin pelton terdiri dari tiga bagian utama, yaitu: runner, nosel, rumah turbin. Turbin ini juga dilengkapi oleh transmisi, bantalan, dan bagian kelistrikan.

1. Runner

  Runner turbin pelton pada dasarnya terdiri atas piringan dan sejumlah

  mangkok yang terpasang di sekelilingnya. Piringan terpasang pada poros dengan sambungan pasak dan stopper.

Gambar 2.6 runner (Sumber: energieag@libero.it)

• Bucket Bucket pelton atau biasa disebut sudu yang berbentuk dua buah mangkok. Bucket didesain menggunakan perbandingan dari Gambar 2.7. Hal ini berarti bahwa desain dilakukan berdasarkan gambar . Bucket berfungsi membagi pancaran menjadi 2 bagian. Gaya pada bucket berasal dari pancaran air yang keluar dari nosel, yang dibalikan setelah membentur sudu, arah kecepatan aliran berubah

penggambaran. Proses terbaik untuk pembuatan bucket Pelton adalah penuangan/casting. Keuntungan dari proses penuangan adalah murah, dan dapat menghasilkan bentuk kompleks secara cepat. Sifat-sifat material yang dibutuhkan dalam pembuatan bucket yaitu kuat, resisten terhadap abrasi, cocok untuk penuangan dan tahan terhadap penggunaan pada air. Contoh material meliputi:

Gambar 2.7 menunjukkan pola dari bucket Pelton. Desain dikonstruksi dari bentuk geometrik yang sederhana, dan pola tuangan dapat dibuat dari

• Alumunium • Logam campuran-tembaga
• Besi Tuang abu-abu
• Baja • Plastik • Baja lembaran
• Resin

Gambar 2.7 Desain Bucket (Thake,2001,hal.33)

• Poros Poros merupakan penerus putaran yang terjadi pada runner. Poros di sambungkan ke runner mengunakan pasak. Putaran poros diteruskan ke transmisi sabuk, yang kemudian menuju ke poros generator.
• Piringan Piringan atau biasa di sebut disk, adalah bagian dari runner. Bahan disk yang baik digunakan adalah bahan yang kuat, dan diusahakan seringan mungkin. Piringan berfungsi sebagai tempat bucket dipasang.

  2. Nosel

  Nosel merupakan bagian dari turbin yang sangat penting, yang berfungsi sebagai pemancar aliran air untuk menyemprot ke arah sudu-sudu turbin. Kecepatan air meningkat disebabkan oleh nosel. Air yang keluar dari nosel yang mempunyai kecepatan tinggi akan membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum.

  3. Rumah Turbin

  Rumah turbin berfungsi sebagai tempat nosel terpasang, serta berfungsi membelokan air agar keluar secara teratur. Rumah turbin juga berfungsi untuk melindungi runner dari gangguan luar contohnya kotoran, dan cuaca..

  4. Pulley

  Pulley adalah penerus putaran dari poros turbin ke poros selanjutnya (generator). Pulley juga dapat berfungsi untuk menaikan putaran. Pully biasa disebut transmisi sabuk. Sabuk terbuat dari karet dan mempunyai penampang trapesium.

  5. Bantalan

  Bantalan merupakan bagian penting dari turbin, alat ini berfungsi sebagai penopang dari poros turbin. Putaran dari poros turbin dapat berlangsung secara halus, aman, dan panjang umur. Bantalan harus cukup kokoh untuk memungkinkan poros bekerja dengan baik.

  6. Kelistrikan

  Turbin pelton mikrohidro dapat digunakan untuk menggerakkan generator listrik. Untuk itu perlu adanya komponen tambahan yang disebut generator.

  Generator berfungsi mengubah tenaga mekanis menjadi tenaga listrik arus bolak- balik. Generator arus bolak-balik sering disebut juga sebagai alternator, generator AC (alternating current), atau generator sinkron. Dikatakan generator sinkron karena jumlah putaran rotornya sama dengan jumlah putaran medan magnet pada stator.

  Kecepatan sinkron ini dihasilkan dari kecepatan putar rotor dengan kutub-kutub magnet yang berputar dengan kecepatan yang sama dengan medan putar pada stator.

  Besarnya arus yang dihasilkan oleh motor induksi tergantung pada besarnya dengan prinsip yang sama pada generator DC, yakni adanya arus pengumpan yang disebut arus eksitasi saat terjadi medan magnet disekitar kumparan. Dari alternator dapat di ukur arus (I) dan tegangan keluaran (V) yang kemudian digunakan untuk menentukan besarnya daya yang dihasilkan. Generator memiliki 3 bagian yang penting, yaitu :

• Rotor Rotor adalah bagian yang berputar yang menjadi satu dengan poros alternator yang terdapat magnet permanen atau lilitan induksi magnet. Pada rotor terdapat bagian yang berfungsi sebagai kutub magnet yang terletak pada sisi luar dari lilitan. Rotor ditumpu oleh dua buah bearing, pada bagian depannya terdapat puli. Rotor berfungsi menghasilkan medan magnet yang menginduksikan ke stator.
• Stator Stator adalah bagian yang statis pada altenator yang berupa inti besi yang dibungkus dengan kawat tembaga. Bagian ini berupa lilitan yang berfungsi untuk menghasilkan arus bolak-balik (AC).
• Dioda Dioda mengkonversi arus bolak-balik yang dihasilkan oleh pasangan rotor dan stator menjadi arus searah.

a. Perhitungan Daya yang dihasilkan Turbin

  Dari kapasitas air dan tinggi air jatuh dapat diperoleh daya yang dihasilkan turbin yaitu (Dietzel, 1996, hal. 2) : ..........................................................................................2.1 _T . H g .

  2.3.3 Ukuran-Ukuran Utama Turbin Pelton

  Ukuran-ukuran utama turbin pelton adalah: D = Diameter lingkaran sudu yang terkena pancaran air (diameter lingkaran pancar/diameter roda rata-rata) d = Diameter pancaran air n = kecepatan putar roda turbin Dua masalah pokok yang ada kaitanya dalam penentuan ukuran utama, sehingga harus diperhatikan yaitu kecepatan spesifik n

  q

  dan batas tinggi jatuh yang diiginkan H maks .

  2.3.4 Perancangan Turbin Pelton

• Dengan : P : Daya yang dihasilkan turbin (W).

  ρ : Massa jenis air (kg/m

  3

  ) g : Percepatan gravitasi (m/s

  2

  ) : Debit air (m

• V

  3

  /s)

  V P η ρ ⋅ ⋅ =

  η T : Randemen turbin b.

   Bagan kecepatan Turbin Pelton

Gambar 2.8. Bagan kecepatan turbin pelton (Sumber : Dietzel, 1993, hal. 25)

  Pada turbin tekanan sama (turbin impuls) agar mendapatkan randemen yang baik harus mempunyai hubungan antara kecepatan tangensial u dan kecepatan pancar air c.

  Persamaan Euler untuk turbin adalah:

  H = ( u . cu − u . cu ) / g . η _{1 1 2 2 T}

  Dengan : : Kecepatan pancar air (m/detik).

  c maka kecepatan pancar air c

  1

  Dikarenakan c

  = jadi untuk _T

  η

  2 . _{1 1} c u ^T

  didapat :

  1

  = c

  u1

  Kecepatan pancar air untuk c

  1 )

  2. Kecepatan Tangensial (u

  2 ₁ = ..............................................................................................2.2

  adalah: H g c .

  1

  2 ¹ c u = ....................................................................................................2.3

  = c

  u1

  arahnya sama, jadi c

  1 dan c u1

  ) Pada turbin pelton energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan .Untuk turbin pelton c

  1

  1. kecepatan pancar air (c

  =

  η

  . _{1 1} = sehinga

₁

₁

. .

cu

H g

u ^T

  η .

  H

  2 tegak lurus u, maka c u2 = 0 sehinga persamaan dapat di tulis: _T g cu u

  η =1 maka

c. Nosel

  Dengan diketahuinya luas penampang lintang saluran A dan kecepatan c, maka kapasitas air yg mengalir adalah:

• V . c A V =
>

d. Perhitungan Dimensi Turbin

  Kecepatan spesifik ( ) dapat dicari mengunakan rumus: _q

  /detik) H : tinggi air jatuh (m)

  3

  n : kecepatan putar turbin (rpm)

  dengan :

  V x n n _q

  H

  n 75 .

  Kecepatan spesifik merupakan suatu besaran yang penting dalam perencanaan turbin, karena digunakan untuk memilih kecepatan putar turbin.dan untuk menentukan parameter yang lain, dapat dilihat dari grafik pada Gambar 2.9.

  Diameter pancaran air (d) diperoleh dari persamaan : V = A.c

  ) _q n

  a. Kecepatan spesifik

  (

  H V/ 0,54 d = ......................................................................................2.5

  = Sehingga

  4 A π

  .d

  1 dengan ²

• = untuk 1 nosel ..........................................2.6
• V : kapasitas aliran (m

b. Diameter roda rata-rata (D) Setelah menentukan kecepatan spesifik didapatlah kecepatan putar turbin.

  Diameter roda rata-rata dapat ditentukan sebagai berikut: 60 . u D = ………………………………………………………..…… 2.7

  . n π

  c. Perbandingan D/d Dari perhitungan diameter roda rata-rata (D) dan diameter pancar air (d) didapatkan perbandingan D/d. D/d perhitungan lebih besar dibandingkan D/d pada grafik. Pada Gambar 2.9 dapat diketahui apakah perbandinggan D/d memenuhi sarat atau tidak. Dari perbandingan tersebut jumlah sudu (z) dapat di tentukan.

  d. Lebar ember sudu Lebar ember sudu dapat diperoleh mengunakan rumus: lebar ember sudu = 2,5 x d .................................................................. 2.8 e. Perhitungan poros

  Parameter-parameter yang digunakan dalam perhitungan poros sebagai berikut : P = Daya yang ditransmisikan (kW) n = Putaran poros (rpm) Pd = fc × P (kW) T = Momen puntir rencana (kg.mm) τ a = Tegangan geser yang terjadi σ

  B

  = Kekuatan tarik bahan (kg/mm2) Sf

  1 dan Sf 2 = Faktor keamanan

  Cb = Faktor Cb nilainya 1,2 sampai 2,3. Jika diperkirakan tidak terjadi pembebanan lentur maka Cb = 1.

  Kt = Faktor Kt dipilih 1,0 jika beban dikenakan secara halus; 1,0-1,5 jika dikenakan sedikit beban kejutan atau tumbukan; dan 1,5-3,0 jika beban kejutan atau tumbukan besar.

Tabel 2.2. Faktor- faktor koreksi daya yang akan ditransmisikan, fc

  Daya yang akan ditransmisikan fc Daya rata-rata yang diperlukan Daya maksimum yang diperlukan Daya normal

  1,2-2,0 0,8-1,2 1,0-1,5

  T = 9,74 x 10

  5 n P _d

  .................................................................................2.9

  ( ) _{2 1} Sf Sf ^{B a} × =

  σ τ

  (kg/mm2) .................................................................2.10

  3 ¹

  1 ,

  5 ⎥ ⎦ ⎤

  ⎢ ⎣ ⎡

  × × × = T Cb Kt d _{a s} τ

  …...................................................................2.11

  Gambar 2.9, harga standar untuk perencanaan Turbin Pelton(Sumber: dietzel, 1993, hal 28)

BAB III METODE PENELITIAN

3.1 DIAGRAM ALIR PENELITIAN

  START PEMBUATAN TURBIN PELTON PERANCANGAN TURBIN PELTON STUDI PUSTAKA PENGAMBILAN DATA PENGOLAHAN DATA SELESAI

3.2 PERANCANGAN ALAT

  Turbin pelton merupakan jenis turbin impuls. Turbin pelton terdiri dari beberapa sudu jalan, yang diputar oleh pancaran air yang keluar dari suatu alat yang disebut nosel. Pada perancangan ini yang pertama dilakukan adalah memilih ukuran turbin. Turbin dirancang berdasarkan debit dan tinggi jatuh air (head). Setelah perhitungan gambar dapat dibuat. Gambar dibuat menggunakan solid works. Langkah selanjutnya setelah pengambaran adalah pembuatan alat.

  Turbin pelton bekerja pada kecepatan spesifik n = 1 sampai 15, di daerah

  q

  kecepatan spesifik antara 15 sampai 22. Untuk menentukan kecepatan spesifik harus diketahui debit, head, dan putaran. Besaran-besaran turbin ditentukan berdasarkan kecepatan spesifik. Dengan diketahuinya n q maka kontruksi turbin keseluruhannya dan kondisi kerjanya dapat diketahui.

  Runner dibuat terlebih dahulu. Runner ini terdiri atas sudu, piringan, dan

  poros. Poros dan piringan dihubungkan mengunakan pasak dan stopper. Fungsi pasak dan stopper untuk membuat poros ikut berputar ketika sudu jalan diputar oleh pancaran air. Sudu jalan dipasang di sekeliling piringan dengan mengunakan masing- masing dua buah baut. Selanjutnya dibuatlah rumah turbin dan rangka alat. Pada rumah turbin di letakan nosel yang berfungsi untuk menaikan kecepatan pancaran air.

3.2.1 Perhitungan Turbin

  Dalam perancangan ini perhitungan dilakukan berdasarkan parameter yang telah ditentukan terlebih dahulu. Parameter tersebut adalah kapasitas air (V) = 6

  3

  2

  liter/detik atau = 0,006 m /detik, head (h) = 15 meter, grafitasi (g) =9,81 m/detik , randemen turbin ( η ) diasumsikan = 80%. Dari parameter yang diketahui tersebut _T didapat :

  Daya yang di hasilkan turbin

• P V . . g . H .

  = ρ η _T P = 0,006 x 9,81 x 15 x 0,8 P = 706,32 w = 0,7 kW

  kecepatan air keluar (c 1 )

  c = ₁ 2 . g . H c = ₁ 2 x 9,81 x

  15 c

  1 = 17,16 m/detik kecepatan tangensial (u)

  c ₁ 17 ,

  16 u = =

  2

  2

• = 00035 , 16 ,

  c

  V A

  luas permukaan pancar air (A)

  1

2 Diameter pancar air (d)

  17 006 , = = A m

• =

  H

  15 0,006 0,54. d =

  d = 0,0213 m

  Kecepatan spesifik ( n q ) _{0,75 q}

• =

  H

  V n x n

Tabel 3.1 kecepatan spesifik

  kecepatan putar turbin (rpm) 75 150 300 500 750 1000 1500 1 nosel n q (rpm) 0,76 1,52 3,05 5,08 7,62 10,16 15,24

  Pada Tabel 3.1 terdapat berbagai variasi kecepatan putar dan kecepatan spesifik. Berdasarkan Tabel 3.1 dipilih

  V 0,54. d

• Putaran yang digunakan (n) = 1000 rpm
• n q untuk satu nosel = 10,16 1/menit Berdasarkan kecepatan spesifik, maka harga tinggi jatuh air maksimal ditentukan dengan mengunakan Gambar 2.9. Dari Gambar 2.9 diperoleh tinggi jatuh maksimal (Hmax) = 180 meter.

  Diameter roda (D) 60 . u D =

  π . n 60 x 8,58 D =

  3,4 x 1000 D = 0,16 m Perbandingan diameter roda rata-rata (D), dan diameter pancar air (d) adalah

  D/d = 7,705. Perbandingan D/d tidak boleh lebih kecil dari pada harga standar.Berdasarkan Gambar 2.9 perbandingan D/d minimal untuk n 10,16 adalah 7.

  q Lebar sudu

  lebar sudu = 2,5 x d = 5,31 cm

  Berdasarkan Gambar 2.9 jumlah sudu dapat ditentukan yaitu 16 buah. Ukuran

  

bucket ditentukan berdasarkan dari lebar sudu dan perbandingan gambar pada

  12 x 5,31

  Tinggi sudu = = 1,67 cm

  38 34 x 5,31