Rancang Bangun Turbin Vortex Dengan Casing Berpenampang Lingkaran Yang Menggunakan Sudu Diameter 46cm Pada 3 Variasi Jarak Antara Sudu Dan Saluran Keluar

Rancang Bangun Turbin Vortex Dengan Casing

Berpenampang Lingkaran Yang Menggunakan Sudu

Diameter 46cm Pada 3 Variasi Jarak Antara Sudu Dan

Saluran Keluar

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

GIBRAN 110421052

PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

2014

i

KATA PENGANTAR

Puji Syukur Penulis Panjatkan kehadiran Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan karunia-Nyalah penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul

“Rancang Bangun Turbin Vortex Dengan Casing Berpenampang Lingkaran Yang Menggunakan Sudu Diameter 46cm Pada 3 Variasi Jarak Antara Sudu Dan Saluran Keluar”.

Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan pendidikan Strata-1 (S1) Ekstensi pada Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

Dalam menyelesaikan Skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi penulis, namun berkat dorongan, semangat, Doa dan bantuan baik materiil, moril, maupun spirit dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Untuk itu sebagai manusia yang harus tahu terimakasih, degan penuh ketulusan hati penulis mengucapkan terima kasih yang tak terhingga :

1. Bapak Dr. Ing. Ir Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

2. Bapak Ir. M . Syahril Gultom,. MT. Selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara dan Selaku dosen pembimbing, yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.

3. Kedua orang tua penulis, KOMAR JAYA dan SITI SAHARA, serta adik saya ADE IRMA yang tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan, doa, moril serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.

4. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis kuliah.

5. Seluruh Saudara penulis, yang selalu saling membantu demi mencapai cita-cita.

6. Rekan-rekan satu tim kerja, Bayu, Boy, Endi, Stefanus, dan Musa yang telah meluangkan waktunya untuk memberikan saran dan kritik.

ii

7. Seluruh rekan mahasiswa Ekstensi angkatan 2011 yang telah bersama-sama melewati masa-masa selama kuliah di teknik Mesin Universitas Sumatra Utara.

8. Kepada Abangda Lilik yang selama ini telah memberikan nasehat dan masukan yang membuat penulis semakin bersemangat didalam menyelesaikan Skripsi ini.

9. Kepada Keluarga Besar Bengkel Las Putra Banjar yang telah bekerja sama dalam menyelesaikan rancang bangun turbin vortex.

Penulis meyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis akan sangat berterima kasih dan dengan senang hati menerima saran, usul, dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca. Terima Kasih .

Medan, Mei 2014 Penulis,

Gibran 110421052

iii

ABSTRAK

Energi pada saat sekarang ini semakin berkurang akibat penggunaan energy fosil secara berlebihan di semua bidang, Ilmuwan di seluruh dunia menyadari hal ini dan mencoba berbagai energi alternatif. Salah satu sumber

energi saat ini yang banyak dilakukan penelitian adalah arus air. Indonesia adalah

Negara agraris yang menghasilkan air secara terus menerus, sehingga turbin air

lebih diutamakan dari turbin angin karena angin di Indonesia relatif stabil. Microhydro ataupun picohydro yang dibuat biasanya memanfaatkan air terjun

dengan head jatuh yang besar, sedangkan untuk aliran sungai dengan head jatuh

yang kecil dimanfaatkan dengan optimal. Hal ini menjadi referensi untuk

memanfaatan aliran sungai dengan mengubahnya menjadi aliran vortex. Tujuan

dari rancang bangun ini adalah untuk mendapatkan rancangan casing turbin vortex, rancangan poros, rancangan sudu dan bantalan serta bahan- yang sesuai.

Turbin Vortex ini dirancang dengan debit air 0.0052 dan kecepatan air

1.44 m/s. Menggunakan casing berpenampang lingkaran berbahan Akrilik, dengan

sudu berbahan seng. Hasil dari rancang bangun ini diharapkan akan bermanfaat

untuk pengguna turbin vortex, sehingga didapat turbin vortex yang aman pada saat

digunakan.

Kata Kunci : Energi,arus air,turbin air,head,vortex,lingkaran,akrilik.

iv

DAFTAR ISI

Halaman

KATA PENGANTAR...i

DAFTAR ISI...ii

DAFTAR GAMBAR...iii

DAFTAR TABEL...iv

DAFTAR NOTASI...v

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang... 1

1.2 Tujuan Penelitian…... 2

1.3 Manfaat Penelitian... 2

1.4 Batasan Masalah... 2

1.5 Metodologi Penelitian... 3

1.6 Sistem Penulisan ... 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1Potensi Energi Air...5

2.2Mesin-Mesin Fluida...6

2.3Pengertian Turbin Air...6

2.4Komponen – Komponen Turbin...8

2.5Jenis-Jenis Turbin Air...9

2.5.1 Turbin Impuls...10

2.5.2 Turbin Reaksi...13

2.6Klasifikasi Turbin...16

2.6.1 Klasifikasi Berdasarkan Ketinggian Jatuh Air...16

v

2.6.2 Klasifikasi Berdasarkan Kecepatan Spesifik Turbin...17

2.6.3 Klasifikasi Berdasarkan Arah Aliran Fluida...18

2.7 Turbin Vortex (Pusaran Air)...18

2.7.1 Cara Kerja Turbin Vortex...19

2.7.2 Komponen Utama Turbin Vortex...20

2.7.3 Keunggulan Turbin Vortex...20

2.7.4 Pengaruh Turbin Vortex Pada Lingkungan...21

2.7.5 Pengembangan Turbin Vortex di Air Sungai...22

2.8 Aliran Vortex...24

2.8.1 Aliran Vortex Bebas...24

2.8.2 Aliran Vortex Paksa...25

2.8.3 Aliran Vortex Kombinasi...25

2.9 Penampang Air...26

2.10 Saluran Masuk (Inlet area)...26

BAB III METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN 3.1 Umum...28

3.2 Rancang Bangun Instalasi...29

3.2.1 Rumah Turbin…………...29

3.2.2 Poros Turbin...30

3.2.3 Sudu Turbin…………...30

3.2.4 Bantalan (bearing)………...31

3.2.5 Dudukan Turbin…………...32

vi

3.2.6 Saluran Keluar……….……….32

3.2.7 Talang...32

3.3 Peralatan Pengujian...33

3.3.1 Hand Tachometer...33

3.3.2 Timbangan Pegas………..33

3.3.3 Pulley………34

3.3.4 Pompa………..……….35

3.4 Pelaksanaan Pengujian………36

3.5 Penentuan Debit Aliran Air………...………….39

3.6 Analisa Segitiga Kecepatan……….………40

3.6.1 Analisa Segitiga Kecepatan Pada Sisi Masuk………...43

3.6.2 Analisa Segitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar…...…43

BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA 4.1 Perhitungan Efisiensi Turbin Vortex Rumah Sudu (casing) Berpenampang Lingkaran Dengan Diameter Saluran Keluar 6cm (Dengan Ketinggian Antara Sudu Dengan Saluran Keluar 2, 4, 6cm)……….45

4.1.1 Efisiensi Turbin Vortex Dengan Jarak Antara Sudu dengan Saluran Keluar Ketinggian 2cm………..46

4.1.2 Efisiensi Turbin Vortex Dengan Jarak Antara Sudu dengan Saluran Keluar Ketinggian 4cm……….………….49

4.1.3 Efisiensi Turbin Vortex Dengan Jarak Antara Sudu dengan Saluran Keluar Ketinggian 6cm………..52

vii BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan………..……56

5.2 Saran………...57

DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

viii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Sudu Turbin Pelton………...10

Gambar 2.2 Turbin Pelton………..…...…….11

Gambar 2.3 Turbin Crossflow………..…………..13

Gambar 2.4 Turbin Kaplan………...………..14

Gambar 2.5 Turbin Francis……….15

Gambar 2.6 Turbin Vortex………...………..15

Gambar 2.7 Rumah Turbin Vortex……….…20

Gambar 2.8 Pembangkit Listrik Pusaran Air Sebagai Bio-Reaktor……….…..22

Gambar 2.9 Gravitasi Pembangkit Listrik Pusaran Air………..…23

Gambar 2.10 Tipe – Tipe Vortex………...………...………….26

Gambar 2.11 Beberapa Tipe Saluran Masuk……….………….27

Gambar 3.1 Rumah Turbin (Casing) Lingkaran………...………….…………29

Gambar 3.2 Sudu Turbin Vortex……….……..….31

Gambar 3.3 Bantalan (Bearing)……….….….…..31

Gambar 3.4 Dudukan Turbin……….……….32

Gambar 3.5 Saluran Keluar………32

Gambar 3.6 Instalasi Turbin Vortex Tampak Samping……….…33

Gambar 3.7 Hand Tachometer………...33

Gambar 3.8 Timbangan Pegas………...34

Gambar 3.9 Pulley………...…..35

ix

Gambar 3.10 Pompa Pengumpan………..…..…………..35

Gambar 3.11 Segitiga Kecepatan Pada Kontstruksi Roda Jalan…………...…40

Gambar 3.12 Segitiga Kecepatan Pada Sisi Masuk dan Sisi Keluar………….44

Gambar 4.1 Grafik Torsi vs Efisiensi Pada Jarak Sudu Dengan Saluran

Keluar Ketinggian 2cm………..………47

Gambar 4.2 Grafik Torsi vs Kecepatan Sudut (ω) Pada Jarak Sudu Dengan

Saluran Keluar Ketinggian 2cm……….……48

Gambar 4.3 Grafik Kecepatan Sudut (ω) vs Daya Turbin Pada Jarak Sudu

Dengan Saluran Keluar Ketinggian 2cm…………...………….49

Gambar 4.4 Grafik Torsi vs Efisiensi Pada Jarak Sudu Dengan Saluran

Keluar Ketinggian 4cm………...…….………..51

Gambar 4.5 Grafik Torsi vs Kecepatan Sudut (ω) Pada Jarak Sudu Dengan

Saluran Keluar Ketinggian 4cm……….……51

Gambar 4.6 Grafik Kecepatan Sudut (ω) vs Daya Turbin Pada Jarak Sudu

Dengan Saluran Keluar Ketinggian 4cm……….………..52

Gambar 4.7 Grafik Torsi vs Efisiensi Pada Jarak Sudu Dengan Saluran

Keluar Ketinggian 6cm……….….………54

Gambar 4.8 Grafik Torsi vs Kecepatan Sudut (ω) Pada Jarak Sudu Dengan

Saluran Keluar Ketinggian 6cm……….………55

Gambar 4.9 Grafik Kecepatan Sudut (ω) vs Daya Turbin Pada Jarak Sudu

Dengan Saluran Keluar Ketinggian 6cm………...……55

x

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Klasifikasi Turbin Air Berdasarkan Tinggi Jatuh Air………...……16

Tabel 2.2 Klasifikasi Berdasarkan Putaran Spesifik………..18

Tabel 2.3 Klasifikasi Berdasarkan Arah Aliran Fluida……….….18

Tabel 3.1 Percobaan Aliran Debit Air Berdasarkan Tekanan Pompa Air…….39

Tabel 4.1 Nilai Laju Aliran Massa Pada Jarak Antara Sudu dan Saluran

Keluar 2,4,6cm……….……….46

Tabel 4.2 Hasil Perhitungan Percobaan Pada Jarak Sudu Antara Sudu Dengan Saluran Keluar Ketinggian 2cm……….47

Tabel 4.3 Hasil Perhitungan Percobaan Pada Jarak Sudu Antara Sudu Dengan Saluran Keluar Ketinggian 4cm……….50 Tabel 4.4 Hasil Perhitungan Percobaan Pada Jarak Sudu Antara Sudu Dengan

Saluran Keluar Ketinggian 6cm………...…….54

xi

DAFTAR SIMBOL

Lambang Arti

A Luas (m)

SATUAN

b Lebar Penampang (m)

D1 Diameter Roda Jalan Sisi Masuk (m)

D2 Diameter Roda Jalan Sisi Keluar (m)

Dt Diameter Turbin (m)

Dp Diameter Poros (m)

f Koefisien

Ft Gaya Tekanan (N)

Fr Gaya Radial (N)

Fa Gaya Aksial (N)

g konstanta Gravitasi (9,81 m/s)

H Head (m)

k Koefisien Losses

L Panjang (Jarak Antara Sudu) (m)

n Putaran Operasi (rpm)

ns Putaran Spesifik (rpm)

N Jumlah Sudu

P Daya (Watt)

Q Debit Aliran (m3/s)

t Tebal Sudu Roda Jalan (m)

U Kecepatan Tangensial (m/s)

V Kecepatan (m/s)

z Jumlah Sudu

vi

3.2.6 Saluran Keluar……….……….32

3.2.7 Talang...32

3.3 Peralatan Pengujian...33

3.3.1 Hand Tachometer...33

3.3.2 Timbangan Pegas………..33

3.3.3 Pulley………34

3.3.4 Pompa………..……….35

3.4 Pelaksanaan Pengujian………36

3.5 Penentuan Debit Aliran Air………...………….39

3.6 Analisa Segitiga Kecepatan……….………40

3.6.1 Analisa Segitiga Kecepatan Pada Sisi Masuk………...43

3.6.2 Analisa Segitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar…...…43

BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA 4.1 Perhitungan Efisiensi Turbin Vortex Rumah Sudu (casing) Berpenampang Lingkaran Dengan Diameter Saluran Keluar 6cm (Dengan Ketinggian Antara Sudu Dengan Saluran Keluar 2, 4, 6cm)……….45

4.1.1 Efisiensi Turbin Vortex Dengan Jarak Antara Sudu dengan Saluran Keluar Ketinggian 2cm………..46

4.1.2 Efisiensi Turbin Vortex Dengan Jarak Antara Sudu dengan Saluran Keluar Ketinggian 4cm……….………….49

4.1.3 Efisiensi Turbin Vortex Dengan Jarak Antara Sudu dengan Saluran Keluar Ketinggian 6cm………..52

vii

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan………..……56 5.2 Saran………...57

DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

viii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Sudu Turbin Pelton………...10

Gambar 2.2 Turbin Pelton………..…...…….11

Gambar 2.3 Turbin Crossflow………..…………..13

Gambar 2.4 Turbin Kaplan………...………..14

Gambar 2.5 Turbin Francis……….15

Gambar 2.6 Turbin Vortex………...………..15

Gambar 2.7 Rumah Turbin Vortex……….…20

Gambar 2.8 Pembangkit Listrik Pusaran Air Sebagai Bio-Reaktor……….…..22

Gambar 2.9 Gravitasi Pembangkit Listrik Pusaran Air………..…23

Gambar 2.10 Tipe – Tipe Vortex………...………...………….26

Gambar 2.11 Beberapa Tipe Saluran Masuk……….………….27

Gambar 3.1 Rumah Turbin (Casing) Lingkaran………...………….…………29

Gambar 3.2 Sudu Turbin Vortex……….……..….31

Gambar 3.3 Bantalan (Bearing)……….….….…..31

Gambar 3.4 Dudukan Turbin……….……….32

Gambar 3.5 Saluran Keluar………32

Gambar 3.6 Instalasi Turbin Vortex Tampak Samping……….…33

Gambar 3.7 Hand Tachometer………...33

Gambar 3.8 Timbangan Pegas………...34

ix

Gambar 3.10 Pompa Pengumpan………..…..…………..35 Gambar 3.11 Segitiga Kecepatan Pada Kontstruksi Roda Jalan…………...…40 Gambar 3.12 Segitiga Kecepatan Pada Sisi Masuk dan Sisi Keluar………….44 Gambar 4.1 Grafik Torsi vs Efisiensi Pada Jarak Sudu Dengan Saluran

Keluar Ketinggian 2cm………..………47 Gambar 4.2 Grafik Torsi vs Kecepatan Sudut (ω) Pada Jarak Sudu Dengan

Saluran Keluar Ketinggian 2cm……….……48 Gambar 4.3 Grafik Kecepatan Sudut (ω) vs Daya Turbin Pada Jarak Sudu

Dengan Saluran Keluar Ketinggian 2cm…………...………….49 Gambar 4.4 Grafik Torsi vs Efisiensi Pada Jarak Sudu Dengan Saluran

Keluar Ketinggian 4cm………...…….………..51 Gambar 4.5 Grafik Torsi vs Kecepatan Sudut (ω) Pada Jarak Sudu Dengan

Saluran Keluar Ketinggian 4cm……….……51 Gambar 4.6 Grafik Kecepatan Sudut (ω) vs Daya Turbin Pada Jarak Sudu

Dengan Saluran Keluar Ketinggian 4cm……….………..52 Gambar 4.7 Grafik Torsi vs Efisiensi Pada Jarak Sudu Dengan Saluran

Keluar Ketinggian 6cm……….….………54 Gambar 4.8 Grafik Torsi vs Kecepatan Sudut (ω) Pada Jarak Sudu Dengan

Saluran Keluar Ketinggian 6cm……….………55 Gambar 4.9 Grafik Kecepatan Sudut (ω) vs Daya Turbin Pada Jarak Sudu

x

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Klasifikasi Turbin Air Berdasarkan Tinggi Jatuh Air………...……16 Tabel 2.2 Klasifikasi Berdasarkan Putaran Spesifik………..18 Tabel 2.3 Klasifikasi Berdasarkan Arah Aliran Fluida……….….18 Tabel 3.1 Percobaan Aliran Debit Air Berdasarkan Tekanan Pompa Air…….39 Tabel 4.1 Nilai Laju Aliran Massa Pada Jarak Antara Sudu dan Saluran

Keluar 2,4,6cm……….……….46 Tabel 4.2 Hasil Perhitungan Percobaan Pada Jarak Sudu Antara Sudu Dengan

Saluran Keluar Ketinggian 2cm……….47 Tabel 4.3 Hasil Perhitungan Percobaan Pada Jarak Sudu Antara Sudu Dengan

Saluran Keluar Ketinggian 4cm……….50 Tabel 4.4 Hasil Perhitungan Percobaan Pada Jarak Sudu Antara Sudu Dengan

xi

DAFTAR SIMBOL

Lambang Arti

A Luas (m)

SATUAN

b Lebar Penampang (m)

D1 Diameter Roda Jalan Sisi Masuk (m) D2 Diameter Roda Jalan Sisi Keluar (m)

Dt Diameter Turbin (m)

Dp Diameter Poros (m)

f Koefisien

Ft Gaya Tekanan (N)

Fr Gaya Radial (N)

Fa Gaya Aksial (N)

g konstanta Gravitasi (9,81 m/s)

H Head (m)

k Koefisien Losses

L Panjang (Jarak Antara Sudu) (m)

n Putaran Operasi (rpm)

ns Putaran Spesifik (rpm)

N Jumlah Sudu

P Daya (Watt)

Q Debit Aliran (m3/s)

t Tebal Sudu Roda Jalan (m)

U Kecepatan Tangensial (m/s)

V Kecepatan (m/s)