Uji Eksperimental Turbin Kaplan Analisa Perbandingan Variasi Jumlah Sudu Pada Sudut Guide Vane 45

1

UJI EKSPERIMENTAL TURBIN KAPLAN
ANALISA PERBANDINGAN VARIASI JUMLAH
SUDU PADA SUDUT GUIDE VANE 450

SKRIPSI

Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

DAVID PERMADI NAINGGOLAN
NIM. 090401071

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2014

Universitas Sumatera Utara

2

ABSTRAK
Tingginya pertumbuhan permintaan akan tenaga listrik tidak dapat
diimbangi oleh pertumbuhan penyediaan tenaga listrik dan telah menyebabkan
timbulnya kondisi krisis penyediaan tenaga listrik di beberapa daerah, yang hal ini
menyebabkan terhambatnya perkembangan ekonomi daerah tersebut dan nasional.
Untuk mengimbangi pertumbuhan penyediaan tenaga listrik maka dibangun
pembangkit listrik dengan skala mikro hidro
Berdasarkan pemikiran tersebut, maka dilakukan pengujian pada turbin
kaplan skala mikro hidro dengan memanfaatkan sumber energi yang terbarukan.
Tujuan pengujian ini untuk mengetahui kapasitas daya listrik yang dihasilkan oleh
turbin kaplan dengan memanfaatkan aliran air dari reservoir yang dialirkan oleh
pompa dengan kapasitas air (Q) sebesar 0,0528 m3/menit dan head instalasi (H)
sebesar 1 meter. Runner blade merupakan salah satu komponen utama dalam
instalasi pegujian turbin kaplan, diameter luar runner blade yang akan digunakan
dalam pengujian ini sebesar 16 cm. Pada pengujian ini variasi jumlah sudu yang
akan diuji pada sudut guide vane 450 adalah berjumlah 4, 5 dan 6. Dari pengujian
turbin kaplan ini diperoleh daya listrik yang dihasilkan oleh alternator tanpa beban

pada sudu 4 sebesar 3,024 Watt, pada sudu 5 sebesar 4,532 Watt, dan pada sudu 6
sebesar 4,3068 Watt.
Kata Kunci : Kapasitar Air, Head, Runner Blade, Guide Vane, Daya

Universitas Sumatera Utara

3

ABSTRACT
The high growth in demand for electricity can not be offset by growth in
electricity supply has led to a crisis of electricity supply in some regions, this led
to delays in the area of economic development and national levels. To compensate
for the growth of the electric power supply then built power plants with microscale hydro
Based on the idea, then be tested on kaplan water turbine micro hydro
with utilize renewable energy sources. Purpose of this test for know capacity
electric power generated by kaplan turbine with utilize water flow from reservoir
which flowed by the pump with water capacity (Q) by 0.0528 m3/minute and
installation head (H) by 1 meter. Runner blade is one main component in
instalation testing the kaplan turbine, outer diameter runner blade which used in
this testing by 16 cm. In this testing variation number of blade at angle guide

vane 450 to be tested is 4, 5 and 6. from testing Kaplan turbine is obtained power
generated by the altenator without a load at an blade of 4 by 3,024 Watts, at an
blade of 5 by 4,532 Watts, and at an blade of 6 by 4,3068 Watts.
Keywords: Water Capacity, Head, Runner Blade, Guide Vane, Power

Universitas Sumatera Utara

4

KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas
segala limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan
skripsi

yang

berjudul

“Uji

Eksperimental

Turbin

Kaplan

Analisa

Perbandingan Variasi Jumlah Sudu Pada Sudut Guide Vane 450”
Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan pendidikan
Strata-1 (S1) Fakultas Teknik Departemen Teknik Mesin di Universitas Sumatera
Utara pada sub bidang Energi Air.
Dalam menyelesaikan skripsi ini penulis banyak menerima bimbingan dan
dorongan berupa pemikiran, tenaga, semangat, motivasi serta waktu dari berbagai
pihak. Untuk itu penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada:
1. Kedua orang tua penulis, Ir. B. Nainggolan dan E. R. Sinaga Amd. yang
selalu memberikan dukungan dan semangat, baik berupa materi, doa, serta
motivasi demi terselesainya penulisan skripsi ini.
2. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT selaku dosen pembimbing yang telah
banyak memberikan bimbingannya kepada penulis dalam menyelesaikan

skripsi ini.
3. Bapak DR. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik
Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
4. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin yang
telah membantu keperluan penulis selama kuliah hingga selesainya
penulisan skripsi ini.

Universitas Sumatera Utara

5

5. Kakak – kakak tercinta, Santi Erwina Nainggolan SE, dr. Dina Sartika
Nainggolan, Nova Yanti Nainggolan ST, yang telah memberikan
dukungan dan motivasi serta doa kepada penulis.
6. Rekan-rekan penulis, David Harold Manurung, Jan Simalungun Purba dan
Jannes Tampubolon yang selalu memberikan motivasi hingga skripsi ini
dapat terselesaikan.
7. Anita Ribca Sihombing, seorang spesial bagi penulis yang telah banyak
memberikan dukungan, doa dan motivasi selama penyusunan skripsi ini.
8. Rekan-rekan mahasiswa Teknik Mesin khususnya stambuk 2009 yang

telah banyak memberikan bantuan, baik berupa jasa dan waktunya hingga
penyelesaian skripsi ini.
Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam penyusunan skripsi ini.
Oleh karena itu penulis mengharapkan saran dan kritik yang sifatnya membangun
demi kesempurnaan skripsi ini.
Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih dan semoga skripsi ini dapat
bermanfaat bagi yang membacanya.

Medan,

Desember 2014

David Permadi Nainggolan
NIM: 090401071

Universitas Sumatera Utara

6

DAFTAR ISI

ABSTRAK....................................................................................................... i
KATA PENGANTAR.................................................................................... iii
DAFTAR ISI................................................................................................... v
DAFTAR NOTASI........................................................................................ ix
DAFTAR GAMBAR...................................................................................... xi
DAFTAR TABEL.......................................................................................... xiii
BAB I

BAB II

PENDAHULUAN
1.1

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

1.2

Tujuan Penelitian.................................................................. 5

1.3

Batasan Masalah................................................................... 5

1.4

Metodologi Penelitian.......................................................... 6

1.5

Manfaat Penelitian............................................................... 6

1.6

Keluaran Skripsi................................................................... 7

1.7

Sistematika Penulisan........................................................... 7

TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Potensi Tenaga Air.............................................................. 9
2.2 Sejarah Turbin Air............................................................... 11
2.3 Klasifikasi Turbin Air.......................................................... 13
2.3.1 Turbin Impuls................................................................. 13
2.3.1.1 Turbin Pelton........................................................... 14
2.3.1.2 Turbin Turgo............................................................ 14
2.3.1.3 Turbin Ossberger Atau Turbin Crossflow................ 15

Universitas Sumatera Utara

7

2.3.2 Turbin Reaksi................................................................. 16
2.3.2.1 Turbin Francis.......................................................... 16
2.3.2.2 Turbin Kaplan.......................................................... 17
2.3.2.2.1 Prinsip Kerja Turbin Kaplan.............................. 18
2.3.2.2.2 Komponen Utama Turbin Kaplan...................... 19
2.3.2.2.3 Dimensi Dasar Turbin Kaplan............................ 22
2.3.2.2.4 Dimensi Dasar Runner Blade............................. 24

2.4 Karakteristik Turbin............................................................. 25
2.5 Seleksi Awal Jenis Turbin.................................................... 26
2.6 Altenator............................................................................... 29
2.7 Sabuk Dan Puli........................................................................ 31
2.7.1 Jenis Gerakan Pada Sabuk............................................. 31
2.7.2 Perbandingan Kecepatan Puli........................................ 33
2.7.3 Efisiensi Puli.................................................................. 34
2.8 Daya Listrik......................................................................... 34
BAB III

METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN
3.1

Umum................................................................................... 36

3.2

Spesifikasi Turbin Kaplan.................................................... 38

3.3

Rancang Bangun Instalasi..................................................... 38

3.4

Peralatan Pengujian.............................................................. 39
3.4.1 Hand Tachometer............................................................ 39
3.4.2 Clamp Meter.................................................................. 41
3.4.3 Mulitimeter...................................................................... 42
3.4.4 Altenator.......................................................................... 43

Universitas Sumatera Utara

8

3.4.5 Instalasi Rangkaian Lampu............................................ 44
3.4.6 Pompa............................................................................ 45
3.5
BAB IV

Pelaksanaan Pengujian........................................................ 46

ANALISA DATA DAN HASIL PENGUJIAN
4.1

Perhitungan Dimensi Dasar Turbin Kaplan........................ 51
4.1.1 Kapasitas Aktual dan Head Efektif Instalasi.................

51

4.1.2 Dimensi Dasar Turbin Kaplan……………...................

52

4.1.3 Dimensi Runner Blade……....……………................... 54
4.2

Perhitungan Efisiensi Turbin Kaplan Dengan 4 Runner Blade
Dan Sudut Guide Vane Sebesar 45o….................................... 56
4.2.1 Arus, tegangan, dan putaran........................................... 56
4.2.2 Analisa daya dan putaran altenator pemberian beban.... 57
4.2.3 Pengujian Torsi – Putaran Berbeban.............................. 60
4.2.4 Efisiensi daya turbin dan efisiensi daya altenator......... 62
4.2.5 Efisiensi puli................................................................... 63

4.3

Perhitungan Efisiensi Turbin Kaplan Dengan 5 Runner Blade
Dan Sudut Guide Vane Sebesar 45o …................................... 64
4.3.1 Arus, tegangan, dan putaran........................................... 64
4.3.2 Analisa daya dan putaran altenator pemberian beban... 65
4.3.3 Pengujian Torsi – Putaran Berbeban.............................. 68
4.3.4 Efisiensi daya turbin dan efisiensi daya altenator........ 69
4.3.5 Efisiensi puli................................................................. 71

4.4

Perhitungan Efisiensi Turbin Kaplan Dengan 6 Runner Blade
Dan Sudut Guide Vane Sebesar 45o...................................... 72

Universitas Sumatera Utara

9

4.4.1 Arus, tegangan, dan putaran.......................................... 72
4.4.2 Analisa daya dan putaran altenator pemberian beban... 73
4.4.3 Pengujian Torsi – Putaran Berbeban.............................. 76
4.4.4 Efisiensi daya turbin dan efisiensi daya altenator.......... 77
4.4.5. Efisiensi puli.................................................................. 79
BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN
5.1

Kesimpulan........................................................................... 80

5.2

Saran..................................................................................... 81

DAFTAR PUSTAKA..................................................................................... xiv

Universitas Sumatera Utara

10

DAFTAR NOTASI

SIMBOL

ARTI

SATUAN

A

Luas Penampang

m2

B

Tinggi Guide Vane

m

��

Sudut sudu pada area fluida masuk

( 0)

��

Sudut sudu pada area fluida keluar

( 0)

D

Diameter Luar

m

Db

Diameter Dalam

m

Dturbin

Diameter Puli Turbin

m

Dalt

Diameter Puli Altenator

m

Ep

Energi Potensial

joule

Ek

Energi Kinetik

joule

g

Percepatan Gravitasi

m/s2

H

Head

m

I

Kuat Arus

ampere

m

Massa

kg

N

Putaran

rpm

ηp

Efisiensi Puli

%

η

Efisiensi Turbin

%

Ns

Putaran Spesifik

rpm

Pair

Daya Air

watt

Pturbin

Daya Turbin

watt

ρ

Densitas Air

kg/m3

Universitas Sumatera Utara

11

Q

Kapasitas Aliran/Debit Air

m3/s

T

Torsi

Nm

t

Waktu

s

Ub

Kecepatan tepi diameter boss

m/s

U

Kecepatan tepi diameter luar

m/s

Uwb

Kecepatan pusaran air diameter boss

m/s

Uw

Kecepatan pusaran air diameter luar

m/s

V

Tegangan Listrik

volt

Vf

Kecepatan Aliran Air

m/s

ω

Kecepatan Sudut

rpm

Universitas Sumatera Utara

12

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Turbin Pelton.................................................................................. 14
Gambar 2.2 Turbin Turgo.................................................................................. 15
Gambar 2.3 Turbin Ossberger Atau Turbin Crossflow (Turbin Michell-Banki).. 16
Gambar 2.4 Turbin Francis................................................................................ 17
Gambar 2.5 Turbin Kaplan................................................................................ 18
Gambar 2.6 Rumah Turbin................................................................................ 19
Gambar 2.7 Guide vane....................................................................................... 20
Gambar 2.8 Runner blade................................................................................... 21
Gambar 2.9 Draft tube........................................................................................ 22
Gambar 2.10 Elemen dasar turbin Kaplan.......................................................... 23
Gambar 2.11 Segitiga Kecepatan Masuk dan Keluar Runner Blade….............. 24
Gambar 2.12 Grafik Perbandingan Karakteristik Turbin..................................... 26
Gambar 2.13.Alternator........................................................................................ 29
Gambar 2.14 Sabuk terbuka………………........................................................ 32
Gambar 2.15 Gerakan Membelit atau Melingkar Pada Sabuk............................. 32
Gambar 2.16 Gerakan Dengan Puli Pengarah…................................................. 33
Gambar 3.1

Instalasi turbin Kaplan................................................................... 39

Gambar 3.2

Hand Tachometer.......................................................................... 40

Gambar 3.3 Clamp Meter.................................................................................... 41
Gambar 3.4 Multimeter....................................................................................... 43
Gambar 3.5 Altenator ………........................................................................... 44
Gambar 3.6 Rangkaian lampu............................................................................. 45

Universitas Sumatera Utara

13

Gambar 3.7 Pompa.............................................................................................. 46
Gambar 4.1 Instalasi Pipa……………………………………………….......... 52
Gambar 4.2 Segitiga Kecepatan Masuk dan Keluar Runner Blade…….......... 56
Gambar 4.3 Grafik Perubahan daya pada Alternator terhadap penambahan beban
pada 4 runner blade…………………………………………......... 59
Gambar 4.4 Grafik Perubahan putaran altenator terhadap penambahan beban
lampu pada 4 runner blade………………………………………... 77
Gambar 4.5 Grafik torsi vs putaran pada 4 runner blade .…………………… 61
Gambar 4.6 Grafik Perubahan daya pada Alternator terhadap penambahan beban
pada 5 runner blade ……………………………………………... 67
Gambar 4.7 Grafik Perubahan putaran altenator terhadap penambahan beban
lampu pada 5 runner blade ……………………………………… 68
Gambar 4.8 Grafik torsi vs putaran pada 5 runner blade ..…….…………….. 69
Gambar 4.9 Grafik Perubahan daya pada alternator terhadap penambahan beban
pada 6 runner blade ….…………………………………………. 75
Gambar 4.10 Grafik Perubahan putaran altenator terhadap penambahan beban
lampu pada 6 runner blade………………………………………. 76
Gambar 4.11 Grafik torsi vs putaran pada 6 runner blade……………………… 77

Universitas Sumatera Utara

14

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Jenis-jenis turbin air dan kisaran kecepatan spesifiknya (Ns)............ 27
Tabel 2.2 Perbedaan altenator dengan generator............................................... 30
Tabel 3.1 Jangkauan dan akurasi Clamp meter.................................................. 41
Tabel 4.1 Hasil Pengukuran Kapasitas Aktualisasi............................................ 51
Tabel 4.2 Hasil percobaan dan daya yang dihasilkan alternator pada 4 runner
blade…………………………………………………………….….. 59
Tabel 4.3 Hasil pengujian torsi dan putaran berbeban pada 4 runner blade ….. 61
Tabel 4.4 Hasil percobaan dan daya yang dihasilkan alternator pada 5 runner
blade…………………………………………………....................... 66
Tabel 4.5 Hasil pengujian torsi dan putaran berbeban pada 5 runner blade...... 69
Tabel 4.6 Hasil percobaan dan daya yang dihasilkan alternator pada 6 runner
blade …………………………………………………………….... 74
Tabel 4.7 Hasil pengujian torsi dan putaran berbeban pada 6 runner blade...... 77

Universitas Sumatera Utara