UJI PERFORMANSI TURBIN PELTON DENGAN 26 SUDU PADA HEAD 5,21 METER DENGAN MENGGUNAKAN SATU NOSEL DAN ANALISA PERBANDINGAN MENGGUNAKAN VARIASI BENTUK SUDU
UJI PERFORMANSI TURBIN PELTON DENGAN 26 SUDU PADA HEAD 5,21 METER DENGAN MENGGUNAKAN SATU NOSEL DAN ANALISA PERBANDINGAN MENGGUNAKAN VARIASI BENTUK SUDU SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
FRANS ADE PUTRA TAMPUBOLON NIM. 080401029 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013
UJI PERFORMANSI TURBIN PELTON DENGAN 26 SUDU PADA HEAD 5,21 METER DENGAN MENGUNKAN SATU NOSEL DAN ANALISA PERBANDINGAN DENGAN MENGUNAKAN
VARIASI BENTUK SUDU FRANS ADE PUTRA TAMPUBOLON NIM. 08 0401 029 Telah Disetujui Oleh:
ABSTRAK
Penelitian ini bertujuan untuk meneliti Turbin Pelton untuk Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) dengan variasi bentuk sudu dan variasi bukaan katup pada head 5,21 meter. Variasi bentuk sudu yang digunakan adalah bentuk sudu mangkok dan bentuk sudu setengah silinder
o o o
sedangkan variasi bukaan katupnya adalah 60 , 75 , 90 . Langkah-langkah yang dilakukan dalam penelitian ini meliputi perancangan, pembuatan, dan pengujian menggunakan dinamometer untuk mengetahui efisiensi dan karakteristik turbin. Turbin yang diuji memiliki nosel tunggal, dengan jumlah sudu 26 buah. Dari data pengujiaan pada sudu mangkok maupun sudu setengah silinder memiliki kecenderungan yang sama pada karakteristik grafiknya. Tetapi daya dan efisiensi yang dihasilkan turbin pada sudu mangkok lebih besar dibandingkan dengan sudu setengah silinder yaitu sebesar 265,6 Watt dan 58,94 % di bukaan katup 90° pada sudu mangkok dan sebesar 262,6 Watt dan 50,99 % di bukaan katup 90° pada sudu setengah silinder.
Kata Kunci : Turbin Pelton, sudu mangkok, sudu setengah silinder.
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kehadiran Tuhan Yang Maha Esa karena atas berkat dan karunia-Nya penulis akhirnya dapat menyelesaikan skripsi ini dengan judul “UJI PERFORMANSI TURBIN PELTON DENGAN 26 SUDU PADA
HEAD 5,21 METER DENGAN MENGGUNAKAN SATU NOSEL DAN ANALISA PERBANDINGAN MENGGUNAKAN VARIASI BENTUK SUDU”.
Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub Bidang Konversi Energi, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi penulis, namun berkat dorongan, semangat, doa dan bantuan baik materiil maupun moril dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi.Oleh karena itu dengan penuh ketulusan hati penulis mengucapkan terima kasih kepada :
1. Bapak Ir. Tekad Sitepu selaku dosen pembimbing, yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.
2. Bapak Dr. Ing. Ir Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
3. Bapak Ir. M. Syahril Gultom MT. Selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
4. Bapak Ir. M. Syahril Gultom MT selaku dosen pembanding I dan dan Bapak Ir. Jaya Arjuna M.Sc selaku dosen pembanding II yang memberikan masukan kepada penulis.
5. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin yang telah berjasa membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis kuliah.
6. Kedua orang tua penulis, J.R Tampubolon dan N. Samosir yang sangat berjasa memberikan bantuan dan dorongan dalam bentuk apapun dan tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan, doa serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.
7. Saudara kandung penulis Emma Tampubolon, Harry Laksana Tampubolon, Melva Mega Nanda Tampubolon yang selalu memberikan dukungan.
8. Rekan-rekan satu tim kerja, Bernardus Lumban Gaol, Bona Halasan Nababan, May Martin Situmorang yang telah bersama-sama untuk menyelesaikan skripsi ini.
9. Cethrine Felicia Sihite dan Junita Elisabeth Manik yang membantu dan memberi semangat untuk menyelesaikan skripsi ini.
10. Teman-teman seperjuangan dari Tim HORAS, Tim Vortex, Tim NACA, Tim Hidram, dan M60 Group yang turut membantu dan mendukung untuk menyelesaikan skripsi ini.
11. Rekan-rekan mahasiswa stambuk 2008 yang tidak mungkin disebutkan satu- persatu, para abang senior dan adik-adik junior semua yang telah mendukung dan memberi semangat kepada penulis.
Penulis menyadari bahwa mungkin ada beberapa kesalahan dan kekeliruan dalam penulisan skripsi ini. Oleh karena itu penulis akan sangat berterima kasih dan dengan senang hati menerima kritik dan saran yang membangun untuk memperbaiki skripsi ini untuk kepentingan ilmu pengetahuan.Semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca dan akhir kata Penulis mengucapkan banyak terima kasih.
Medan, April 2013 Frans Ade Putra Tampubolon
DAFTAR ISI
ABSTRAK ...................................................................................................... i KATA PENGANTAR ..................................................................................... ii DAFTAR ISI ................................................................................................... iv DAFTAR TABEL ........................................................................................... vii DAFTAR GAMBAR ...................................................................................... vii DAFTAR SIMBOL ........................................................................................ ix AKSARA YUNANI ........................................................................................ xiiBAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang ..................................................................... 1
1.2 Maksud dan Tujuan Penelitian ............................................. 3
1.3 Batasan Masalah .................................................................. 4
1.4 Metodologi Penelitian .......................................................... 4
1.5 Keluaran Skripsi .................................................................. 5
1.6 Sistematika Penulisan .......................................................... 6
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Turbin Air ................................................................................ 7
2.1.1 Klasifikasi Turbin Air ..................................................... 7
2.1.2 Perbandingan Karakteristik Turbin Air .......................... 11
2.1.3 Head Turbin .................................................................... 12
2.2 Turbin Pelton ........................................................................... 15
2.2.1 Pengenalan Turbin Pelton .............................................. 15
2.2.2 Karakteristik Grafik Turbin Pelton................................. 19
2.3 Dinamometer ........................................................................... 21 2.4 ) ............................................................ 22
Efisiensi Turbin (
2.5 Analisa ketidak pastian ........................................................... 23
BAB III METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN
3.1 Umum .................................................................................. 25
3.2 Pengujian Turbin Pelton ...................................................... 25
3.3 Rancang Bangun Instalasi .................................................... 32
3.4 Spesifikasi Teknis Turbin Pelton Yang Digunakan .............. 33
3.5 Perancangan Pengujian ........................................................ 34
3.5.1 Hand Tachometer ............................................................ 34
3.5.2 Meteran ........................................................................... 35
3.5.3 Flow Meter Digital .......................................................... 35
3.5.4 Pompa Pengumpan ......................................................... 36
3.6 Pelaksanaan Pengujian.......................................................... 37
BAB IV HASIL DAN ANALISA PENGUJIAN
4.1 Perhitungan Efisiensi Turbin Pelton Pada Head 5,21 Meter Denagn Menggunakan Satu Nosel (Bukaan Nosel 90º) Dengan Menggunakan 26 Sudu Mangkok .......................... 41 .....................................
4.1.1 Efisiensi Turbin Bukaan Katub 60
48 .....................................
4.1.2 Efisiensi Turbin Bukaan Katub 75
51 .....................................
4.1.3 Efisiensi Turbin Bukaan Katub 90
55
4.2 Perhitungan Efisiensi Turbin Pelton Pada Head 5,21 Meter Dengan Menggunakan Satu Nosel
(Bukaan Katub 60 , 75º, dan 90 ) Dengan Menggunakan 26 Sudu Setengah Silinder .............. 59 ................................................
4.2.1 Efisiensi Turbin Bukaan 60
66 ................................................
4.2.2 Efisiensi Turbin Bukaan 75
69 4.2.3 Efisiensi Turbin Bukaan 90 .................................................
72
4.3 Grafik Perbandingan Hasil Pengujian Turbin Pelton Dengan 26 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katub 60º, 75º, dan 90º ................................................................................ 76
4.3.1 Perbandingan Efisiensi Turbin Dengan Beban .................... 76
4.3.2 Perbandingan Putaran Dengan Beban ................................. 77
4.3.3 Perbandingan Putaran Dengan Daya Turbin ........................ 78
4.4 Grafik Perbandingan Hasil Pengujian Turbin Pelton Dengan 26 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katub ................................................................... 60º, 75º, dan 90
79
4.4.1 Perbandingan Efisiensi Turbin Dengan Beban .................... 79
4.4.2 Perbandingan Putaran Dengan Beban .................................. 80
4.4.3 Perbandingan Putaran Dengan Daya Turbin ........................ 81
4.5 Grafik Karakteristik Turbin Pelton Dengan Jumlah Sudu
26 Buah Jenis Mangkok ....................................................... 82
4.6 Grafik Karakteristik Turbin Pelton Dengan Jumlah Sudu
26 Buah Jenis Setengah Silinder .......................................... 85
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan .......................................................................... 88
5.2 Saran .................................................................................... 90
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Kecepatan Spesifik Turbin ............................................................. 14Tabel 2.2 Kecepatan Spesifik ( ) ................................................................. 20Tabel 4.1 Nilai head losses mayor pada pipa 4 incho o o
bukaan katub 60 ,75 dan 90 . ....................................................... 46
Tabel 4.2 Nilai head losses mayor pada pipa 2 incho o
bukaan katub 60 ,75 dan 90 ......................................................... 47
Tabel 4.3 Tabel 4.3 Nilai kecepatan pada pipa 4 incho o o ........................................................
bukaan katub 60 ,75 dan 90
47 Tabel 4.4 Head Losses Minor pada Pipa 4 inci .............................................. 48
Tabel 4.5 Nilai head losses minor pada pipa 4 incho o o bukaan katub 60 ,75 dan 90 ........................................................
48 Tabel 4.6 Tabel 4.6 Nilai kecepatan pada pipa 2 inch
o o o ........................................................
bukaan katub 60 ,75 dan 90
49 Tabel 4.7 Head Losses Minor pada Pipa 2 inci .............................................. 49
Tabel 4.8 Nilai head losses minor pada pipa 2 incho o o ........................................................
bukaan katub 60 ,75 dan 90
50
o o o Tabel 4.9 Nilai head efektif bukaan katub 60 ,75 dan 90 ............................
50 Tabel 4.10 Tabel Hubungan Antara Beban dengan Efisiensi Sudu Mangkuk
o .....................................................................................
Bukaan 60
53 Tabel 4.11 Tabel Hubungan Antara Beban dengan Efisiensi Sudu Mangkuk
o Bukaan 75 .....................................................................................
56 Tabel 4.12 Tabel Hubungan Antara Beban dengan Efisiensi Sudu Mangkuk
o ...................................................................................
Bukaan 90
59
Tabel 4.13 Nilai head losses mayor pada pipa 4 inch o o o ...............................................................................bukaan katub 60 ,75 dan 90
63 Tabel 4.14 Nilai head losses mayor pada pipa 2 inch
o o
bukaan katub 60 ,75 dan 90º...................................................... 63
o o
Tabel 4.15 Nilai kecepatan pada pipa 4 inch bukaan katub 60 ,75 dan 90º . 64Tabel 4.16 Head Losses Minor pada Pipa 4 inci ............................................ 64Tabel 4.17 Nilai head losses minor pada pipa 4 incho o
bukaan katub 60 ,75 dan 90º ...................................................... 65
o o
Tabel 4.18 Nilai kecepatan pada pipa 2 inch bukaan katub 60 ,75 dan 90º . 66Tabel 4.19 Head Losses Minor pada Pipa 2 inci ............................................ 66Tabel 4.20 Nilai head losses minor pada pipa 2 incho o
bukaan katub 60 ,75 dan 90º ...................................................... 67
o o
Tabel 4.21 Nilai head efektif bukaan katub 60 ,75 dan 90º .......................... 67Tabel 4.22 Tabel Hubungan Antara Beban dengan Efisiensi Sudu SetengahSilinder Bukaan 60º ................................................................................... 69
Tabel 4.23 Tabel Hubungan Antara Beban dengan Efisiensi Sudu SetengahSilinder Bukaan 75º ...................................................................... 72
Tabel 4.24 Tabel Hubungan Antara Beban dengan Efisiensi Sudu Setengah Silinder Bukaan 90º .....................................................................76
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Turbin Cross Flow ......................................................................
25 Gambar 2.16 Dinamo Meter. ..........................................................................
54 Gambar 4.3 Grafik Putaran Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) 26 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 90º. ......................................................
53 Gambar 4.2 Grafik Beban (N) vs Putaran (rpm) 26 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 90º ....................................................................................
26 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 90º ....................................................................................
%)
40 Gambar 4.1 Grafik Beban (N) vs Efisiensi (
40 Gambar 3.7 Pompa Pengumpan .....................................................................
38 Gambar 3.6 Flow Meter Digital .....................................................................
38 Gambar 3.5 Meteran.......................................................................................
37 Gambar 3.4 Hand Tachometer .......................................................................
31 Gambar 3.3 Instalasi Pipa untuk Turbin Pelton. ...........................................
31 Gambar 3.2 Turbin Pelton Setelah Dirakit. ...................................................
27 Gambar 3.1 Sudu dan Runner Turbin Pelton Sebelum Dirakit. ....................
25 Gambar 2.15 Gambar Kecepatan Turbin vs Efisiensi (rpm vs ɳ). .................
9 Gambar 2.2 Turbin Pelton ..............................................................................
24 Gambar 2.14 Gambar Kecepatan Turbin vs Daya Turbin (rpm vs P). ...........
24 Gambar 2.13 Gambar Daya vs Efisiensi (P vs ɳ). ..........................................
23 Gambar 2.12 Gambar Debit vs Efisiensi (Q vs ɳ). ........................................
22 Gambar 2.11 Rumah Turbin Pelton. ...............................................................
22 Gambar 2.10 Nosel.........................................................................................
21 Gambar 2.9 Sudu (Bucket). ...........................................................................
17 Gambar 2.8 Runner Turbin Pelton. ................................................................
16 Gambar 2.7 Diagram Bernoulli Untuk Turbin Air. ........................................
14 Gambar 2.6 Daerah penggunaan dari beberapa jenis konstruksi turbin yang berbeda ........................................................................................
13 Gambar 2.5 Perbandingan Karakteristik Turbin ...........................................
12 Gambar 2.4 Turbin Propeler ...........................................................................
10 Gambar 2.3 Turbin Francis ............................................................................
54
Gambar 4.4 Grafik Beban (N) vs Efisiensi Turbin (%) 26 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 75º. ......................................................................71 Gambar 4.13 Grafik Beban (N) vs Efisiensi Turbin (%) 26 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 75º. ........................................................
77 Gambar 4.19 Grafik Perbandingan Beban (N) vs Efisiensi Turbin (%) 26 Buah Sudu Mangkok Pada Bukaan 60º, 75º, 90º. ................................
77 Gambar 4.18 Grafik Putaran Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) 26 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 60º. .........................................
76 Gambar 4.17 Grafik Beban (N) vs Putaran Turbin (rpm) 26 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 60º. ........................................................
74 Gambar 4.16 Grafik Beban (N) vs Efisiensi Turbin (%) 26 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 60º. ........................................................
74 Gambar 4.15 Grafik Putaran Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) 26 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 75º. .........................................
73 Gambar 4.14 Grafik Beban (N) vs Putaran Turbin (rpm) 24 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 75º. ........................................................
70 Gambar 4.12 Grafik Putaran Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) 26 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 90º. .........................................
56 Gambar 4.5 Grafik Beban (N) vs Putaran Turbin (rpm) 26 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 75º .......................................................................
70 Gambar 4.11 Grafik Beban (N) vs Putaran Turbin (rpm) 26 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 90º. ........................................................
61 Gambar 4.10 Grafik Beban (N) vs Efisiensi Turbin (%) 26 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 90º .........................................................
60 Gambar 4.9 Grafik Putaran Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) 26 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 60º .......................................................
60 Gambar 4.8 Grafik Beban (N) vs Putaran Turbin (rpm) 26 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 60º. ......................................................................
58 Gambar 4.7 Grafik Beban (N) vs Efisiensi Turbin (%) 26 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 60º. ......................................................................
57 Gambar 4.6 Grafik Putaran Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) 26 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 75º. ......................................................
78
Gambar 4.20 Grafik Perbandingan Beban (N) vs Putaran Turbin (rpm) 26 Buah Sudu Mangkok Pada Bukaan 60º, 75º, 90º. ................................79 Gambar 4.21 Grafik Perbandingan Putaran Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) 26 Buah Sudu Mangkok Pada Bukaan 60º, 75º, 90º. ......................
80 Gambar 4.22 Grafik Perbandingan Beban (N) vs Efisiensi Turbin (%) 26 Buah Sudu Setengah Silinder Pada Bukaan 60º, 75º, 90º ....................
81 Gambar 4.23 Grafik Perbandingan Beban (N) vs Putaran Turbin (rpm) 26 Buah Sudu Setengah Silinder Pada Bukaan 60º, 75º, 90º ...................
82 Gambar 4.24 Grafik Perbandingan Putaran Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) 26 Buah Sudu Setengah Silinder Pada Bukaan 60º, 75º, 90º ..........
83 Gambar 4.25 Grafik Karakteristik Debit (Q) vs Efisiensi Maksimal Turbin (%) Sudu Mangkok. ...........................................................................
84 Gambar 4.26 Grafik Karakteristik Daya Air (W) vs Efisiensi Turbin (%) Sudu Mangkok. ....................................................................................
85 Gambar 4.27 Grafik Karakteristik Kecepatan Turbin (rpm) vs Efisiensi Turbin (W) Sudu Mangkok. ...................................................................
85 Gambar 4.28 Grafik Karakteristik Kecepatan Turbin (rpm) vs Efisiensi Turbin (%) Sudu Mangkok. ...........................................................................
86 Gambar 4.29 Grafik Karakteristik Debit (Q) vs Efisiensi Maksimal Turbin (%) Sudu Setengah Silinder. ..............................................................
87 Gambar 4.30 Grafik Karakteristik Daya Air (W) vs Efisiensi Turbin (%) Sudu Setengah Silinder. .......................................................................
88 Gambar 4.31 Grafik Karakteristik Kecepatan Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) Sudu Setengah Silinder. ..............................................................
88 Gambar 4.32 Grafik Karakteristik Kecepatan Turbin (rpm) vs Efisiensi Turbin (%) Sudu Setengah Silinder............................................................... 89
DAFTAR SIMBOL
SIMBOL ARTI SATUANn Kecepatan turbin rpm P Daya Turbin kW Ns Putaran spesifik rpm H Tinggi air jatuh m d Diameter pancaran air nosel m U Kecepatan tangensial m/s b Lebar sudu m h Tinggi sudu m t Kedalaman sudu m
ℎ
Head losses mayor m
ℎ
ω Kecepatan sudut rad/s C Koefisien kerugian pipa -
l Panjang lengan dinamo meter m
F Beban N
Daya air watt Daya turbin watt
2
m Massa kg g Kecepatan gravitasi bumi 9,81 m/s z Selisih ketinggian m P Tekanan absolut N/m
V Kecepatan aliran m/s A Luas penampang pipa m
/s
3
Head loses pada pipa m H eff Head efektif m Q Debit aliran m
l
H
2 V Kecepatan m/s
Head losses minor m Ƭ Torsi Nm
AKSARA YUNANI
LAMBANG ARTI SATUAN Efisiensi turbin %
γ (gamma) Berat Jenisa N/m 3 ρ (rho) Massa Jenis kg/m
3