Turbin aliran silang menggunakan sudu dan bilah pipa dengan radius sudu 0,625 inchi dan jumlah sudu 24 - USD Repository

  

TURBIN ALIRAN SILANG MENGGUNAKAN SUDU DARI

BILAH PIPA DENGAN RADIUS SUDU 0,625 INCHI DAN

JUMLAH SUDU 24

  

No.802/TA/FST-USD/TM/Maret/2009

TUGAS AKHIR

  Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

  Jurusan Teknik Mesin Disusun oleh :

  

ADI KURNIAWAN

NIM : 055214077

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

  

THE CROSSFLOW TURBINE USING BLADE FROM

CUTTING PIPE LENGHTWISE WITH RADIUS OF

BLADE 0,625 INCH AND 24 NUMBER OF BLADE

  

No.802/TA/FST-USD/TM/Maret/2009

FINAL PROJECT

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

  By :

  

ADI KURNIAWAN

Student Number : 055214077

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

KATA PENGANTAR

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

  Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat untuk mencapai derajat Sarjana S-1 pada Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma. Isi Tugas Akhir ini adalah mengenai unjuk kerja sebuah turbin aliran silang yang menggunakan sudu dari bilah pipa, dengan radius sudu 0,625 inchi dan jumlah sudu 24 buah.

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

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

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

  3. I Gusti Ketut Puja, S.T., M.T. selaku Dosen Pembimbing Akademik.

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

  5. Drs.Dwi Sujoko, M.T. selaku guru STM Pembangunan yang telah membantu dan membimbing dalam menyelesaikan alat.

  6. Ayah, Ibu, dan Kakak penulis yang selalu memberikan dukungan moril maupun materiil.

  7. Lusy Handayani atas dukungan dan doa-doa yang tulus selama ini.

  8. Rekan-rekan mahasiswa khususnya angkatan 2005 yang telah berjuang bersama dan memberikan masukan-masukan serta dorongan dalam penyelesaian Tugas Akhir ini. Penulis menyadari sepenuhnya bahwa penulisan Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Meskipun demikian penulis berharap bahwa penulisan Tugas

  Akhir ini dapat memberikan kontribusi dalam pengembangan ilmu khususnya mengenai perancangan turbin crossflow. Atas kritik dan saran yang bersifat membangun guna sempurnanya karya tulis ini penulis mengucapkan terima kasih.

  Yogyakarta, 12 Maret 2009 Penulis

  

INTISARI

  Turbin aliran silang banyak digunakan untuk pembangkit listrik skala mikro. Pembuatan sudu turbin dari plat yang dilengkung sulit dilakukan oleh masyarakat. Geometri sudu turbin aliran silang sebenarnya sama dengan geometri pipa yang dibelah dengan busur tertentu. Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari unjuk kerja turbin aliran silang dengan sudu dari bilah pipa yang digunakan untuk pembangkit listrik.

  Sudu turbin dibuat dari pipa dengan diameter 1,25 inchi. Diameter runner adalah 98 mm dengan lebar runner 104 mm. Jumlah sudu yang digunakan pada

  

runner yaitu 24 sudu dan besar busur sudu 74 . Penelitian dilakukan dengan

  memvariasikan debit dan sudut pancaran air. Debit air yang digunakan untuk bukaan penuh (8,2 L/s, 10,7 L/s, dan 12 L/s), bukaan tengah (7,9 L/s, 9,5 L/s, dan 11,3 L/s), bukaan kecil (7 L/s, 8,6 L/s, dan 9,6 L/s). Pancaran air divariasikan pada sudut dengan ketinggian 9 mm, 14 mm, 19 mm. Untuk menghasilkan listrik turbin dihubungkan dengan alternator. Pengukuran daya yang dihasilkan turbin dilakukan dengan mengukur tegangan dan arus yang dihasilkan alternator pada kondisi alternator diberi variasi pembebanan dari 10 watt, 20 watt, 30 watt, 40 watt, 50 watt, 60 watt, dan seterusnya. Pada setiap pembebanan putaran turbin diukur dengan tachometer.

  Hasil penelitian yang telah dilakukan yaitu daya terbesar terjadi pada debit 8,2 L/s, tinggi nosel 9 mm dengan besar daya 59,80 watt. Efisiensi terbesar terjadi pada debit 9,5 L/s, tinggi nosel 14 mm dengan besar efisiensi 14,55 %.

  

DAFTAR ISI

  Halaman

  HALAMAN JUDUL ...................................................................................... i HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ......................................... iii HALAMAN PENGESAHAN ........................................................................ iv HALAMAN PERNYATAAN ....................................................................... v HALAMAN PERSETUJUAN PUBLIKASI .............................................. vi KATA PENGANTAR .................................................................................... vii

  INTISARI ...................................................................................................... ix DAFTAR ISI ................................................................................................... x

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

DAFTAR GAMBAR ..................................................................................... xiv

DAFTAR LAMPIRAN ................................................................................. xvi

  BAB I PENDAHULUAN

  1.1.Latar Belakang ………………………………………......…. ……… 1

  1.2.Rumusan Maslah ……………………………….. …………… …… 2

  1.3.Batasan Masalah ……………………………… ……………….. …. 3

  1.4.Tujuan Penelitian …………………………………………………… 3

  1.5.Manfaat Penelitian ……………………………………………....….. 3

  BAB II DASAR TEORI

  2.3 Tinjauan Pustaka .............................................................................. 4

  2.1 Landasan Teori ................................................................................. 5

  2.2.1 Definisi Turbin Air ............................................................... 5

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

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

  2.2 Turbin Crossflow ............................................................................. 8

  2.3.1 Pergerakan turbin Aliran Silang ........................................... 8

  2.3.2 Perhitungan Dimensi Turbin ................................................ 10

  BAB III METODE PENELITIAN

  3.1 Diagram Alir Penelitian .................................................................... 16

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

  3.4 Jalannya Penelitian ........................................................................... 17 3.4.1 Persiapan ..............................................................................

  17

  3.4.2 Pembuatan Alat .................................................................... 18 3.4.2.1 Desain ....................................................................

  18

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

  3.4.2.3 Pembuatan Runner ................................................ 25

  3.4.2.4 Pemasangan Runner ke Modul ............................. 28

  3.4.3 Uji Prestasi ........................................................................... 28 3.4.4 Dokumentasi ........................................................................

  29

  3.5 Kesulitan Penelitian .......................................................................... 30

  BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

  4.1 Hasil Penelitian ................................................................................. 31

  3.4.1 Data Hasil Penelitian ............................................................. 31

  3.4.2 Perhitungan Data Penelitian .................................................. 37 4.2 Pembahasan .......................................................................................

  45

  4.2.1 Daya dan Efisiensi Total Turbin Aliran Silang Dengan

  o

  Busur Sudu 74 dan Jumlah Sudu 28 .................................... 45

  4.2.2 Daya dan Efisiensi Total Turbin Aliran Silang Dengan

  o

  Busur Sudu 74 dan Jumlah Sudu 24 .................................... 49

  4.2.3 Perbandingan Daya dan Efisiensi Total Turbin Aliran Silang .................................................................................... 52

  BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan .......................................................................................

  55 5.2 Saran ..................................................................................................

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

  

LAMPIRAN..................................................................................................... 58

  DAFTAR TABEL

Tabel 4.10 Data Penelitian Dengan Tinggi Nosel 14 mm dan Debit 10,7 l/s ........ 35Tabel 4.19 Perhitungan Data Dengan Tinggi Nosel 19 mm dan Debit 11,3 l/s ..... 40Tabel 4.18 Perhitungan Data Dengan Tinggi Nosel 14 mm dan Debit 9,5 l/s ....... 40Tabel 4.17 Perhitungan Data Dengan Tinggi Nosel 9 mm dan Debit 7,9 l/s ......... 39Tabel 4.16 Perhitungan Data Dengan Tinggi Nosel 19 mm dan Debit 12 l/s ........ 39Tabel 4.15 Perhitungan Data Dengan Tinggi Nosel 14 mm dan Debit 10,7 l/s ..... 39Tabel 4.14 Perhitungan Data Dengan Tinggi Nosel 9 mm dan Debit 8,2 l/s ......... 38Tabel 4.13 Data Penelitian Dengan Tinggi Nosel 14 mm dan Debit 9,5 l/s .......... 36Tabel 4.12 Data Penelitian Dengan Tinggi Nosel 9 mm dan Debit 7,9 l/s ............ 36Tabel 4.11 Data Penelitian Dengan Tinggi Nosel 19 mm dan Debit 12 l/s ........... 35Tabel 4.9 Data Penelitian Dengan Tinggi Nosel 9 mm dan Debit 8,2 l/s ............ 35

  Halaman

Tabel 4.8 Data Penelitian Dengan Tinggi Nosel 14 mm dan Debit 8,6 l/s .......... 34Tabel 4.7 Data Penelitian Dengan Tinggi Nosel 9 mm dan Debit 7 l/s ............... 34Tabel 4.6 Data Penelitian Dengan Tinggi Nosel 19 mm dan Debit 11,3 l/s ........ 34Tabel 4.5 Data Penelitian Dengan Tinggi Nosel 14 mm dan Debit 9,5 l/s .......... 33Tabel 4.4 Data Penelitian Dengan Tinggi Nosel 9 mm dan Debit 7,9 l/s ............ 33Tabel 4.3 Data Penelitian Dengan Tinggi Nosel 19 mm dan Debit 12 l/s ........... 33Tabel 4.2 Data Penelitian Dengan Tinggi Nosel 14 mm dan Debit 10,7 l/s ........ 32Tabel 4.1 Data Penelitian Dengan Tinggi Nosel 9 mm dan Debit 8,2 l/s ............ 32Tabel 2.1 Klasifikasi turbin terhadap head ........................................................... 7Tabel 4.20 Perhitungan Data Dengan Tinggi Nosel 9 mm dan Debit 7 l/s ............ 40Tabel 4.21 Perhitungan Data Dengan Tinggi Nosel 14 mm dan Debit 8,6 l/s ....... 40Tabel 4.22 Perhitungan Data Dengan Tinggi Nosel 9 mm dan Debit 8,2 l/s ......... 43Tabel 4.23 Perhitungan Data Dengan Tinggi Nosel 14 mm dan Debit 10,7 l/s ..... 43Tabel 4.24 Perhitungan Data Dengan Tinggi Nosel 19 mm dan Debit 12 l/s ........ 43Tabel 4.25 Perhitungan Data Dengan Tinggi Nosel 9 mm dan Debit 7,9 l/s ......... 43Tabel 4.26 Perhitungan Data Dengan Tinggi Nosel 14 mm dan Debit 9,5 l/s ....... 44

  DAFTAR GAMBAR

  Halaman

Gambar 2.1 Turbin Crossflow .................................................................................. 8Gambar 2.2 Aliran Air pada Turbin Crossflow ........................................................ 9Gambar 2.3 Kelengkungan Sudu.............................................................................. 11Gambar 2.4 Jarak Antar Sudu .................................................................................. 12Gambar 3.1 Alat Uji Turbin ..................................................................................... 19Gambar 3.2 Sudu yang Sudah Dibelah .................................................................... 26Gambar 3.3 Poros Runner ........................................................................................ 26Gambar 3.4 Piringan Setelah Diberi Alur ................................................................ 27Gambar 3.5 Las Poros dan Piringan ......................................................................... 27Gambar 3.6 Runner Penelitian ................................................................................. 28Gambar 4.1 Grafik Daya vs Putaran Poros Generator Dengan Tinggi

  Nosel 9 mm dan Variasi Debit ............................................................. 45

Gambar 4.2 Grafik Daya vs Putaran Poros Generator Dengan Tinggi

  Nosel 14 mm dan Variasi Debit ........................................................... 45

Gambar 4.3 Grafik Daya vs Putaran Poros Generator Dengan Tinggi

  Nosel 19 mm dan Variasi Debit ........................................................... 46 Gambar

  4.4 Grafik Efisiensi Total vs Putaran Generator Poros Dengan Tinggi Nosel 9 mm dan Variasi Debit .................................... 47

  Gambar

  4.5 Grafik Efisiensi Total vs Putaran Poros Generator Dengan Tinggi Nosel 14 mm dan Variasi Debit .................................. 47

  Gambar

  4.6 Grafik Efisiensi Total vs Putaran Poros Generator Dengan Tinggi Nosel 19 mm dan Variasi Debit .................................. 48

Gambar 4.7 Grafik Daya vs Putaran Poros Generator Dengan Tinggi

  Nosel 9 mm dan Variasi Debit ............................................................. 49

Gambar 4.8 Grafik Daya vs Putaran Poros Generator Dengan Tinggi

  Nosel 14 mm dan Variasi Debit ........................................................... 49 Gambar

  4.9 Grafik Efisiensi Total vs Putaran Poros Generator Dengan Tinggi Nosel 9 mm dan Variasi Debit .................................... 51

  Gambar

  4.10 Grafik Efisiensi Total vs Putaran Poros Generator Dengan Tinggi Nosel 14 mm dan Variasi Debit .................................. 51

Gambar 4.11 Grafik Perbandingan Daya ................................................................... 52Gambar 4.12 Grafik Perbandingan Efisiensi Total .................................................... 53

  DAFTAR LAMPIRAN

  Lampiran 1 Pengambilan Data Turbin Aliran Silang Dengan Busur

  O

  Sudu 74 dan Jumlah Sudu 28 Buah .................................................... 59 Lampiran 4 Pengambilan Data Turbin Aliran Silang Dengan Busur

  O

  Sudu 74 dan Jumlah Sudu 24 Buah .................................................... 62 Lampiran 6 Kurva daya untuk Banki turbine dengan head di bawah 16 ft ....................................................................................................... 64 Lampiran 7 Kurva efisiensi untuk Banki turbine dengan head di bawah 16 ft ........................................................................................... 65 Lampiran 8 Kurva karakteristik Banki turbine dengan head di bawah 16 ft ....................................................................................................... 66 Lampiran 9 Gambar Poros Runner .......................................................................... 67 Lampiran 10 Gambar Sudu Runner ........................................................................... 68 Lampiran 11 Gambar Piringan Runner ...................................................................... 69 Lampiran 12 Gambar Runner .................................................................................... 70 Lampiran 13 Gambar Rangkaian Turbin Test Set ..................................................... 71

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

  Listrik merupakan sumber energi utama yang digunakan manusia. Listrik dihasilkan dari suatu sistem pembangkit listrik. Pembangkit listrik yang banyak dikembangkan antara lain adalah pembangkit listrik tenaga air (PLTA), pembangkit listrik tenaga panas bumi (PLTG), pembangkit listrik tenaga uap (PLTU), pembangkit listrik tenaga diesel (PLTD), dan pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN). PLTU dan PLTD menggunakan sumber energi berupa batubara ataupun minyak bumi. Batubara maupun minyak bumi termasuk sumber energi yang tidak dapat diperbarui. Ketersediaan sumber energi yang tidak dapat diperbaharui di dunia semakin berkurang. Hal tersebut menimbulkan adanya krisis energi sehingga berdampak pada melonjaknya harga minyak bumi. Bahkan akhir- akhir ini di Indonesia sering terjadi pemadaman listrik bergilir. Tentu saja pemadaman listrik bergilir ini sangat merugikan masyarakat karena listrik merupakan motor penggerak ekonomi.

  Dalam rangka mengatasi krisis energi tersebut banyak dikembangkan energi baru maupun yang terbarukan. Air merupakan salah satu sumber daya alam yang tidak terbatas jumlahnya. Air juga memiliki potensi yang sangat besar dan dapat digunakan sebagai sumber energi yang dapat menggantikan penggunaan

   

  polutan. Berbeda dengan sumber energi fosil air tidak mempunyai potensi merusak ozon maupun potensi pemanasan global.

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

1.2 Rumusan Masalah

  Informasi tentang unjuk kerja turbin crossflow dengan sudu dibuat dari pipa dibelah tidak diketahui. Pada penelitian ini akan dibuat turbin crossflow dengan sudu dari pipa yang dibelah. Turbin akan dibuat dari pipa hitam berdiameter 1,25 inchi yang dibelah menjadi empat dengan besar busur sudu 74 dan jumlah sudu 24 buah.

   

  1.3 Tujuan Penelitian

  a. Membuat turbin crossflow dengan menggunakan sudu dari pipa yang dibelah untuk pembangkit listrik.

  b. Mengetahui daya dan efisiensi total terbaik dari turbin crossflow dengan busur sudu 74

  o dan jumlah sudu 24.

  c. Mengetahui daya dan efisiensi total terbaik dari turbin crossflow dengan busur sudu 74

  o dan jumlah sudu 28.

  d. Mengetahui dan membandingkan daya serta efisiensi turbin terbaik dari variasi debit dan tinggi nosel.

  1.4 Manfaat Penelitian

  Hasil penelitian yang dilakukan penulis diharapkan dapat : 1. Menambah kepustakaan teknologi pembangkit listrik tenaga air.

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

  3. Mengurangi ketergantungan terhadap minyak bumi.

  4. Membangunkan kepedulian masyarakat terhadap upaya konservasi air.

BAB II DASAR TEORI

2.1 Tinjauan Pustaka

  Unjuk kerja turbin crossflow dipengaruhi oleh banyak parameter antara lain adalah jumlah sudu, sudut pancaran air masuk, sudut keluar, posisi pancaran air masuk, lintasan aliran air di dalam turbin, rasio lebar dan diameter runner, rasio diameter dalam dan diameter luar serta manufaktur runner maupun nosel.

  Penelitian tentang turbin crossflow banyak dilakukan untuk sudu yang dibuat dari plat yang dilengkung. Turbin crossflow yang dilengkapi dengan saluran pengarah di dalam runnernya pernah dibuat dan diuji (Olgun, 2000). Saluran pengarah dibuat dengan tujuan untuk mengumpulkan dan mengarahkan air yang keluar dari sudu atas agar dapat menuju sudu bawah dengan lebih baik. Tiga bentuk saluran telah dibuat dan diuji dengan berbagai variasi posisi saluran pengarah serta variasi bukaan nosel. Penambahan saluran di dalam runner ternyata tidak menaikkan efisiensi tetapi justru menurunkan efisiensi turbin crossflow sebesar 5 %.

  Penelitian terhadap pengaruh perbandingan diameter dalam dan diameter luar runner juga telah dilakukan (Olgun, 1998). Dalam penelitian ini digunakan 4 buah runner. Runner yang diuji mempunyai jumlah sudu 28 buah, diameter luar 170 mm, dan lebar 114 mm. Perbandingan diameter dalam dan diameter luar untuk tiap runner dibuat berbeda. Perbandingan diameter dalam dan diameter luar yang digunakan adalah 0,75; 0,67; 0,58; dan 0,54. Sudut masuk pancaran air

  o

  dipilih sebesar 16 . Hasil penelitian menunjukkan bahwa efisiensi tertinggi dicapai pada perbandingan 0,75 dan terendah pada perbandingan 0,54 dengan perbedaan sebesar 3%. Efisiensi tertinggi yang bisa dicapai adalah sebesar 72%.

  Penelitian terhadap pengaruh sudut nosel menunjukkan bahwa efisiensi akan semakin besar jika sudut nosel semakin besar (Khosrowpanah, 1988). Penelitian ini menggunakan 3 buah runner dengan jumlah sudu 20, 15 dan 10 serta 1 buah

  

runner dengan diameter setengah dari diameter runner yang lain, sedangkan

  jumlah sudunya 20. Dari penelitian ini juga didapatkan bahwa efisiensi tertinggi dari tiap runner dicapai pada kecepatan spesifik yang sama. Semakin banyak jumlah sudu akan memberikan efisiensi yang semakin tinggi, namun jumlah sudu tersebut ada batasnya. Untuk sudut nosel tertentu efisiensi maksimum dicapai pada jumlah sudu tertentu. Ada jumlah sudu optimum untuk sudut nosel tertentu (Joshi,1995).

2.2 Landasan Teori

2.2.1 Definisi Turbin Air

  Turbin air adalah salah suatu mesin berputar yang mengkonversi energi dari suatu gerakan aliran air menjadi energi mekanis. Energi mekanis ini kemudian ditransfer melalui suatu poros untuk mengoperasikan mesin atau generator. Turbin air digunakan pada pembangkit listrik tenaga air (PLTA) untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik, dengan memanfaatkan aliran dan tinggi air jatuh. Air dibawah tekanan tinggi di dalam dam dilepaskan ke dalam suatu saluran dimana akan menggerakan impeler turbin sehingga menyebabkan putaran yang cepat. Daya mekanis ini kemudian ditransfer ke generator oleh suatu poros dan kemudian akan menghasilkan energi listrik. Pemilihan suatu turbin tergantung pada karakteristik lokasi, karena menentukan tinggi air jatuh dan kapasitas air. Selain itu pemilihan turbin juga tergantung dari kecepatan putar yang diminta oleh generator.

2.2.2 Perkembangan Turbin Air

  Bentuk yang paling tua dan sederhana dari turbin air adalah kincir air, yang pertama kali digunakan oleh bangsa yunani pada abad pertengahan.

  Perpindahan dari bentuk kincir air ke bentuk turbin air modern memakan waktu sekitar 100 tahun. Pada awal abad ke 19 seorang insinyur Prancis yang bernama Claude Bourdin menemukan kata turbin yang diambil dari bahasa latin yang berarti memutar atau pusaran air. Perkembangan turbin air mulai terlihat pada pertengahan abad 18 :

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

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

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

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

2.2.3 Jenis-jenis Turbin Air

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

Tabel 2.1 Klasifikasi turbin terhadap head

  Head tinggi Head sedang Head rendah Turbin impuls Turbin pelton Turbin crossflow Turbin crossflow

  Turbin turgo TurbinPelton multi jet Turbin Turgo

  Turbin reaksi Turbin Francis Turbin Kaplan

2.3 Turbin Crossflow

2.3.1 Pergerakan Air Turbin Aliran Silang

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

  P = g Q H (Dietzel, 1996, hal 2)…………….2.1

  ρ

  in

  Dengan

  P : daya yang dihasilkan turbin (W),

  3

  ),

  ρ : massa jenis air (kg/m

  

2

g : percepatan gravitasi (m/detik ),

3 Q : debit air (m /detik),

  H : tinggi air jatuh (m),

Gambar 2.1. Turbin Crossflow

  

http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf )

  ( Turbin Crossflow atau yang juga dikenal dengan nama Turbin Michell-

  Banki merupakan salah satu jenis turbin impuls. Turbin crossflow terdiri dari dua bagian yaitu nosel dan runner. Turbin crossflow menggunakan nosel persegi beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel. Pancaran air dari nosel masuk turbin dan mengenai sudu sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Pancaran air masuk turbin melalui bagian atas, memberikan energi ke sudu kemudian masuk ke bagian dalam turbin dan keluar melalui bagian bawah turbin. Turbin mengambil energi air dua kali yaitu melalui sudu atas dan sudu bawah. Pada bagian atas turbin mengambil energi sebesar 72 % dan pada bagian bawah turbin mengambil energi sebesar 28 %.

  Pada gambar 2.2 diasumsikan bahwa pancaran air dari nosel masuk kedalam runner pada titik A dengan membentuk sudut α terhadap kecepatan kelilingnya. Kecepatan air memasuki runner (V ) dihitung dengan

  1

  (Mockmore,1949,hal 6) :

  ½

  V =C (2gH) (Banki, 2004, hal 6).......................2.2

  1

  dengan : C = koefisien kerugian pada nosel

  α adalah sudut antara kecepatan absolut dengan kecepatan keliling lingkaran runner dan β adalah sudut antara kecepatan relatif dengan kecepatan keliling lingkaran runner. Dengan indek 1 menandakan kecepatan masuk dan indek 2 menandakan kecepatan keluar sudu jalan turbin.

2.3.2 Perhitungan Dimensi Turbin

  a. ) Diameter Luar runner (D

  1 ½

  D1 = 862H /N (Mockmore, 2004, hal 14) …2.3 dengan : H = head ketinggian (in) N = putaran turbin (rpm) b.

  Panjang Turbin (L)

  ½ ½

  L = 144QN/862 H Ck(2gH) (Mockmore, 2004, hal 15 ) ….2.4 Dengan : Q = Debit aliran air (cfs) C= Koefisien nosel = 0.98 k = Faktor koreksi = 0.087 c. Perbandingan panjang dan diameter turbin

  1/2

  LD = 210.6Q/H (Mockmore, 2004, hal 17) ...2.5

  1 d.

  Jari-jari kelengkungan sudu ( ρ)

  (Mockmore, 2004, hal 15) ....2.6

  1

  ρ = 0.3261 r dengan : r = jari-jari luar runner (in)

  1 e.

  Lebar velk radial (a ) a = 0,17D (Mockmore, 2004, hal 12) ....2.7

  1 Gambar 2.3. Kelengkungan sudu (Mockmore, 2004, hal. 16)

  f. Jarak antar sudu (t) s = kD (Mockmore, 2004, hal 14) ....2.8

  1

  1

  s = t(r /r ) (Mockmore, 2004, hal 11) ....2.9

  2

  2

  1

Gambar 2.4. Jarak antar sudu (Mockmore, 2004, hal. 9)

  (Mockmore, 2004, hal 14) ....2.12 i.

  1

  = (0.1314-0.945k) D

  2

  ) y

  2

  Jarak pancaran dari keliling dalam (y

  1

  g. Jumlah sudu (n) n = л D

  = (0.1986-0.945k) D

  1

  ) y

  1

  h. Jarak pancaran dari poros (y

  /t (Mockmore, 2004, hal 17) ....2.11

  1

  (Mockmore, 2004, hal 14) ....2.13

  j.

  Efisiensi maksimal turbin jika u = ½ V cos α

  1

  1

  1

  maka tan = 2 tan β α

  1

  1

  ψ = koefisien empiris yang nilainya sekitar (0,98) (Mockmore, 2004, hal 9)

  2

  2

  (1 + (Mockmore, 2004, hal 9) ...2.14 ε max = 0,5 C ψ ) cos α

  1 k.

  Nosel Nosel pada turbin crossflow berbentuk persegi panjang. Ukuran nosel ditentukan dengan : A = Q/V (Mockmore, 2004, hal 17) ....2.15

  1 So = A / L (Mockmore, 2004, hal 17) ....2.16 l.

  Sudut pusat sudu jalan Tan ½ /(sin + r /r ) (Mockmore, 2004, hal 15) ....2.17

  1

  1

  2

  1

  δ = cosβ β m.

  Perhitungan poros Parameter-parameter yang digunakan dalam perhitungan poros sebagai berikut ;

• P = daya yang ditransmisikan (kW)
• Fc = faktor koreksi (Sularso, 2004, hal. 7)
• n = putaran poros (rpm)

  Pd = fc×P (kW) ..............................................................2.18

• T = momen puntir rencana (kg.mm)

  5 T = 9,74 × 10 × nPd ......................................................2.19

  2 ^B

• = kekuatan tarik bahan (kg/mm )

  σ

• Sf dan Sf = faktor keamanan

  1

  2

• 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.

  2

  σ _B (kg/mm ) ............................................2.20

  τ = _a

  Sf

  1 Sf

  2

  ( × )

• d = diameter minimal poros (mm)

  s _{3 1}

  ⎡ 5 , 1 ⎤ d = Kt Cb T ...............................................2.21

  s × × ×

  ⎢ ⎥ τ _a

  ⎣ ⎦ n. Perhitungan Daya yang tersedia (P )

  

in

QHe

  P = 8 ,

  8 QH P = (HP) (Mockmore, 2004, hal 17) ....2.22 8 ,

  8 Dengan : Q = Debit air (cfs) H = Tinggi air jatuh (head) (feet)

  o. ) Perhitungan Daya Keluaran (P out

  P = V x I ...................................................................................2.23

  out

  Dengan : V = Tegangan (volt) I = Arus (ampere) p.

  Perhitungan Torsi Guna Turbin (T)

  p _out

  T = 9 , 55 ................................................................................2.24

  n

  Dengan : n = Putaran generator q. Perhitungan Efisiensi Total (

  η)

  P _out

  100 % ..........................................................................2.25 ×

  η =

  P _in

  r. Perhitungan kecepatan spesifik

  Q

  n = n …………………………..……………...………...2.26

  q _{, 75} H

BAB III METODE PENELITIAN

3.1 Diagram Alir Penelitian PERSIAPAN

  Studi Pustaka Perencanaan dan Jadwal

  Desain Alat Pembuatan Alat

  Perakitan modul mikrohidro

UJI PRESTASI

  Analisa Data

PENYUSUNAN LAPORAN

  3.2 Bahan Penelitian

  Bahan-bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah:

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

  b. Plat tebal 15 mm x 100 mm x 100 mm , 2 buah c. Besi poros diameter 30 mm x 300 mm.

  3.3 Peralatan Penelitian a.

  Kerangka modul mikrohidro b.

  Modul Mikrohidro Cihanjuang c. Peralatan kerja bangku d.

  Alat ukur (roll meter, jangka sorong, siku) e. Mesin bubut, mill, bor f. Gergaji besi g.

  Las asetelin

  3.4 Jalannya Penelitian

3.4.1 Persiapan

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

3.4.2 Pembuatan Alat

3.4.2.1 Desain

  Pada tahapan ini, gambar kerja dibuat. Sebelum membuat gambar kerja, terlebih dahulu sketsa alat dibuat. Modul Mikrohidro dari Cihanjuang juga dipakai untuk melaksanakan penelitian ini. Modul ini dirangkaikan pada kerangka yang telah dipersiapkan.

  Runner bawaan dari Cihanjuang rencananya akan dilepas, dan digantikan

  dengan runner yang akan dibuat sendiri. Sedangkan komponen lain seperti rumah

  

runner, generator, transmisi sabuk dan puli, panel-panel listrik, dan nosel akan

dipakai pada penelitian ini.

  Penelitian ini tidak dilakukan di lapangan, melainkan disimulasikan dengan menggunakan peralatan-peralatan yang telah direncanakan dan dipersiapkan oleh kelompok studi Rekayasa Tenaga Air. Untuk menggantikan laju aliran sungai, digunakan pompa berkapasitas 20 L/dtk dan Head 21 m.

  Pompa mengalirkan air yang ditampung pada sebuah bak air kapasitas 240 liter. Air tersebut dipompakan menuju ke nosel melalui pipa penstock berdiameter 2 inch. Untuk mengatur debit dan head masuk Nosel, dipasang dua buah kran pada pipa penstock. Air yang masuk ke nosel akan digunakan untuk memutar

  

runner di dalam rumah runner, kemudian masuk kembali ke dalam bak

  penampung. Runner akan memutar generator yang dihubungkan dengan runner menggunakan transmisi sabuk dan puli.

  Generator akan menghasilkan listrik yang akan diukur pada pengambilan data untuk penelitian ini.

Gambar 3.1. Alat Uji Turbin

3.4.2.2 Perancangan Runner Untuk pembuatan runner, dipakai sudu dari pipa hitam yang dibelah.

  Perancangan dan perhitungannya adalah sebagai berikut:

  a. Data perancangan Kapasitas aliran / Debit (Q) =

  8 L/s = 0,283 ft

  3

  /s Tinggi tekan / Head (H) = 4,5 m = 14,764 ft Koefisien kecepatan nosel (C) = 0,98 Faktor koreksi nosel (k) = 0,087 Sudut masuk (

  α) = 16° Gravitasi (g) = 9,81 m/s

  2

  Radius sudu (

  1

  = 0,625 / 0,326 D

  1

  r

  1

  ρ = 0,326 r

  )

  1

  d. Diameter runner (D

  = 0,625 inch

  1 = 0,5 . 1,25

  ρ) ρ = 0,5 d

  9 = c.

  = 32,18 ft/s

  V / 208 , s m

  30 =

  V s ft V / 209 ,

  2 98 , × × × =

  32

  14 18 ,

  2 = 765 ,

  V

  C gH

  b. Kecepatan air sebelum masuk runner (V)

  ) = 1,25 inch

  1

  2 Diameter pipa untuk sudu (d

  = 3,834 inch e. ) Panjang dan diameter runner (LD

  1 ½

  LD = 210Q/H

  1 ½

  = 210 . 0,283 / (14,764) = 15,467

  f. Panjang runner (L) L = 15,467/D

  1

  = 15,467/3,834 = 4,034 inch g.

  Kecepatan putar runner (N)

  ½

  N = 862 . H / D

  1 ½

  = 862 . (14,764) / 3,834 = 863,887 rpm

  h. ) Lebar nosel (s

  A = Q / V = 0,283 / 30,209

  2

  = 0,009 ft S = A / L = 0,009 . 144 / 4,034 = 0,321 inch i. Jarak sudu pada runner (s t)

  1,

  s = k . D

  1

  1

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

  1

  1

  β

• 1

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

  π . D

  1

  = 3,14 . 3,834 / 0,671 = 17,942

  ≈ 18 buah (pada penelitian ini, jumlah sudu dibuat menjadi 24 buah untuk variasi) k.

  Radial rim width (a) a = 0,17 . D

  1

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

  1

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

  air

  P = Q . H / 8,8

  air

  = 0,283 . 14,764 / 8,8 = 0,475 HP n. Daya turbin maksimum (P P )

  turbin, d P = Q . H . turbin η / 8,8

  = 0,283 . 14,764 . 0,878 / 8,8 = 0,417 HP o.

  Torsi (T)

  = = 833 , kg/mm

  ⎢ ⎣ ⎡

  5 ⎥ ⎦ ⎤

  1 833 , 1 ,

  τ _{3 1} 470 152 , 1 5 ,

  T C K d _{b t a s}

  =

  ⎢ ⎣ ⎡

  5 ⎥ ⎦ ⎤

  q. Diameter poros _{3 1} 1 ,

  2

  10 ⋅

  N P T ^{d 5}

  3

  4

  σ τ

  ⋅ =

  2 ¹ Sf Sf ^{B a}

  2

  σ = 10 kg/mm

  = 470 152 , p. Bahan poros _B

  9 ⁵ =

  863,887 417 , 10 x 74 ,

  10 x 74 , 9 =

  ⋅ ⋅ ⋅ = = 15,836 mm (dipilih 25 mm) r.

  Geometri turbin: diameter pipa untuk sudu (d

  1

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

  1

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

  1

  ) = 3,834 inch = 97,393 mm panjang runner (L) = 4,034 inch = 102,464 mm

  radial rim width (a) = 0,652 inch = 16,557 mm

  diameter dalam = 2,531 inch = 64,279 mm lebar nosel (s ) = 0,321 inch = 8,153 mm jarak sudu pada piringan (t) = 0,671 inch = 17,033 mm diameter poros = 0,984 inch = 25,000 mm sudut busur sudu = 74° sudut masuk (

  α) = 16° jumlah sudu (n) = 24 buah

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

  langkah pertama adalah pembuatan sudu. Pipa hitam dipotong-potong dengan panjang 104 mm, kemudian dibelah dengan sudut 74° sebanyak 24 buah.

  Pembelahan dapat dilakukan dengan gergaji tangan atau dengan mesin skrap.

Gambar 3.2. Sudu yang Sudah Dibelah Pembuatan alat dilanjutkan dengan membuat piringan dan poros runner.

  piringan dan poros dibentuk menggunakan mesin bubut. Poros dibuat dari besi pejal dengan panjang 290 mm dan diameter 28 mm. Bagian tengah poros yang digunakan dalam penelitian kali ini dibuat kecil dengan diameter 9 mm. Hal ini bertujuan untuk menghindari terjadinya pancaran air yang masuk dan keluar dari sudu-sudu turbin terhambat oleh poros yang ditengah-tengah turbin.

Gambar 3.3 Poros Runner

  Sedangkan piringan dibuat 2 buah, satu untuk sebelah kanan, satu untuk sebelah kiri. Setelah selesai dibentuk , piringan diberi alur berdiameter 2 mm dengan kedalaman 2 mm sebanyak 24 alur per piringan . Alur-alur ini akan digunakan untuk mengelas sudu dengan piringan . Untuk mendapatkan alur sesuai dengan geometri yang diinginkan , pengaluran dilakukan dengan menggunakan mesin CNC.

Gambar 3.4. Piringan Setelah Diberi Alur Setelah selesai pengaluran, piringan dan poros disambung dengan las .

  Piringan dipasang berhadapan dengan jarak 104 mm. Pengelasan dilakukan dengan teliti supaya hasilnya simetris dan tidak oleng .

Gambar 3.5. Las poros dan piringan Setelah kedua piringan terpasang, sudu-sudu dipasang satu per satu .

  Pemasangan dilakukan dengan cara silang menyilang . Setelah satu sudu selesai dilas , dilanjutkan dengan sudu yang ada di seberangnya . Hal ini dilakukan untuk menghindari adanya defleksi akibat panas saat pengelasan.

  Gambar

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

3.4.2.4 Pemasangan Runner ke Modul

  Modul Cihanjuang dirangkaikan ke rangka modul mikrohidro. Runner kemudian dipasang ke modul mikrohidro Cihanjuang. Setelah selesai dipasang, rumah bantalan yang terdapat di sisi kanan dan kiri rumah runner dipasang. Diikuti dengan pemasangan kopling transmisi sabuk dan puli.

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

3.4.3 Uji Prestasi

  Pada tahap ini dilakukan pengambilan data untuk mengetahui unjuk kerja dari modul mikrohidro.

  Langkah pengambilan data yang harus dilakukan 1.

  Atur pemasangan kabel-kabel yang menghubungkan generator, beban, dan multimeter dan siapkan rangkaian lampu 10 watt, 20 watt, 30 watt, 40 watt, o 2. pada rumah turbin.

  Pasang runner busur sudu 74 3. Isi bak penampungan dengan air.

  4. Arahkan nosel pada ketinggian nosel 9 mm.

  5. Hidupkan pompa air pertama (saluran hisapnya sejajar dengan lubang keluar air pada bak). Sebelumnya tutup kran yang menuju ke runner dan buka penuh kran yang menuju pembuangan.