TURBIN ALIRAN SILANG DENGAN JUMLAH SUDU 24 YANG DIBUAT DARI PIPA DIBELAH

  

TURBIN ALIRAN SILANG DENGAN JUMLAH SUDU 24

YANG DIBUAT DARI PIPA DIBELAH

  TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

  Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Mesin

  

Oleh :

Timotius Sembiring

NIM : 045214078

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

  

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2010

  

THE CROSSFLOW TURBINE

WITH 24 NUMBER OF BLADES

THAT MADE FROM CUTTING PIPE LENGTHWISE

  FINAL PROJECT Presented as Fulfillment of the Requirements

  For the Degree of Sarjana Teknik in Mechanical Engineering Study Programme

  

By :

Timotius Sembiring

Student Number : 045214078

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAMME

  

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2010

  

MOTTO

‘LAKUKAN YANG TERBAIK SEKARANG..!!’

  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 2 inch. Diameter runner adalah 156 mm dengan panjang runner 196 mm. Jumlah sudu pada runner 24 buah dan busur sudu 74 . Penelitian dilakukan dengan memvariasikan debit yaitu 6,8 l/s, 7,6 l/s, dan 8,1 l/s dengan tinggi bukaan nosel 7 mm, 10 mm, 14 mm . Untuk menghasilkan listrik, turbin dihubungkan dengan generator. Pengukuran daya yang dihasilkan turbin dilakukan dengan mengukur tegangan dan arus yang dihasilkan generator pada kondisi generator diberi variasi pembebanan dari 10 watt, 15 watt, 25 watt, 40 watt, 60 watt, dan seterusnya sampai tegangan tidak mampu menghidupkan beban.

  Dari penelitian menunjukkan bahwa tinggi bukaan nosel 7 mm dan debit 6,8 l/s turbin menghasilkan daya 14,72 watt dan efisiensi 6,30 %, hasil tersebut dicapai pada putaran 848 rpm. Pada variasi tinggi bukaan nosel 10 mm dan debit 7,6 l/s, menghasilkan daya 7,4 watt dan efisiensi sebesar 2,84 % pada putaran 800 rpm. Pada variasi tinggi bukaan nosel 14 mm dan debit 8,1 l/s mampu menghasilkan daya sebesar 9,31 watt, dan efisiensi sebesar 3,34 % pada putaran 768 rpm. Daya dan efisiensi yang dihasilkan oleh turbin memiliki batas maksimum, setelah mencapai batas maksimum, maka daya dan efisiensi akan turun.

KATA PENGANTAR

  Puji Syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yesus Kristus atas segala berkat dan tuntunan-Nya dalam penyusunan skripsi berjudul “TURBIN ALIRAN SILANG DENGAN JUMLAH SUDU 24 YANG DIBUAT DARI PIPA DIBELAH”.

  Skripsi ini disusun sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  Penulis tidak lupa mengucapkan banyak terima kasih kepada banyak pihak yang telah membantu, bimbingan serta nasehat-nasehat yang diberikan kepada penulis.

  Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada : 1.

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

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

  3. Ir. YB. Lukiyanto, M.T., selaku Dosen Pembimbing Akademik.

  4. Ir. Rines, M.T., yang telah banyak memberi ide dan saran dalam proses pembuatan alat.

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

  6. Doddy Purwadianto, S.T.,M.T., kepala Laboratorium Manufaktur Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma yang telah memberikan ijin dan fasilitas yang dipergunakan.

  7. Intan Widanarko dan Martono DS yang membimbing dalam proses pembuatan alat.

  8. Segenap karyawan Sekertariat Teknik Universitas Sanata Dharma dan semua karyawan dan staff Universitas Sanata Dharma.

  9. Ibuku E br Ginting untuk kasih sayang dan doa-doa yang tulus.

  10. Abang dan kakakku, mulai dari Abang Tua sampai kakak Uda yang selalu memberi dukungan, doa dan semangat.

  11. Semua keluarga besar Sembiring atas dukungan yang diberikan selama ini.

  12. Rekan-rekan PMK Apostolos tempat bertumbuh dalam Tuhan dan siap menjadi berkat.

  13. Cewekku yang imut dan yang tak seberapa, yang tak hentinya memberi semangat dan penghiburan.

  14. Teman-teman kelompok penelitian microhydro : Tjen Edison, Valentina Apri Rustiaji, Julianto, yang telah banyak membantu selama pengambilan data dan penyusunan skripsi.

  15. Rekan-rekan mahasiswa Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma.

  Penulis menyadari sepenuhnya bahwa laporan ini masih jauh dari sempurna karena keterbatasan pengetahuan yang dimiliki penulis. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari pembaca untuk menyempurnakan laporan ini. Akhir kata, semoga laporan ini dapat berguna bagi pembaca semua.

  Penulis

  DAFTAR ISI

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

  INTISARI ................................................................................................ viii KATA PENGANTAR ............................................................................ ix DAFTAR ISI ........................................................................................... xii DAFTAR TABEL ................................................................................... xv DAFTAR GAMBAR .............................................................................. xvi BAB I. PENDAHULUAN. .....................................................................

  1 1.1. Pendahuluan ...............................................................................

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

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

  3 1.3.1. Tujuan ...............................................................................

  3 1.3.2. Manfaat .............................................................................

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

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

  5

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

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

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

  7 2.3. Turbin Aliran Silang ..................................................................

  8 BAB III. METODE PENELITIAN.........................................................

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

  16 3.2. Peralatan dan Bahan Penelitian ..................................................

  17 3.2.1. Bahan Penelitian................................................................

  17 3.2.2. Peralatan Penelitian ...........................................................

  17 3.3. Tahap Penelitian ..........................................................................

  18 3.3.1. Persiapan ...........................................................................

  18 3.3.2. Pembuatan Alat .................................................................

  18 3.3.2.1. Desain Alat ............................................................

  18 3.3.2.2. Perancangan Runner..............................................

  19 3.3.2.3. Pembuatan Runner ................................................

  25 3.3.2.4. Pembuatan Menara ................................................

  27 3.3.2.5. Pembuatan Dudukan Runner ................................

  28 3.3.3. Uji Prestasi ........................................................................

  28 3.3.3.1. Cara Kerja Alat .....................................................

  29 3.3.3.2. Pengambilan Data .................................................

  30 3.4. Analisa dan Pengolahan Data.....................................................

  31

  BAB IV. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN .......................

  33 4.1. Data Hasil Penelitian ..................................................................

  33 4.2. Perhitungan Data Penelitian ........................................................

  35 4.3. Pembahasan ................................................................................

  39 4.3.1. Pembahasan Daya Hasil Penelitian ...................................

  39 4.3.2. Pembahasan Efisiensi Total Hasil Penelitian ....................

  42 BAB V. PENUTUP .................................................................................

  46 5.1. Kesimpulan ................................................................................

  46 5.1. Saran ...........................................................................................

  46 DAFTAR PUSTAKA .............................................................................

  48 LAMPIRAN ............................................................................................

  49

  DAFTAR TABEL

  Halaman Tabel 2.1. Pengelompokkan Turbin...........................................................

  7 Tabel 3.1. Geometri dan Ukuran Turbi……………….…………………

  24 Tabel 4.1. Data penelitian dengan ukuran nozzle 7 mm × 196 mm dan Debit 6,8 L/s.......................................................................

  33 Tabel 4.2. Data penelitian dengan ukuran nozzle 10 mm × 196 mm dan debit 7,6 L/s. .......................................................................

  34 Tabel 4.3. Data penelitian dengan ukuran nozzle 14 mm × 196 mm dan debit 8,1 L/s..................................................................... ...

  34 Tabel 4.4. Perhitungan data dengan ukuran nozzle 7 mm × 196 mm dan debit 6,8 L/s.................................................................... ...

  36 Tabel 4.5. Perhitungan data dengan ukuran nozzle 10 mm × 196 mm dan debit 7,6 L/s..................................................................... ...

  37 Tabel 4.6. Perhitungan data dengan ukuran nozzle 14 mm × 196 mm dan debit 8,1 L/s………………………………………………

  38

  DAFTAR GAMBAR

  25 Gambar 3.3. Piringan Sebelum dan Sesudah Diberi Alur ........................

  29 Gambar 4.1. Grafik Daya vs Putaran Poros Generator Dengan Ukuran Nozzle 7 mm × 196 mm dan Debit 6,8 L/s ...............................................................

  28 Gambar 3.8. Urutan Kerja Alat Uji Turbin ..............................................

  27 Gambar 3.7. Dudukan Runner .................................................................

  27 Gambar 3.6. Pembuatan Menara ..............................................................

  26 Gambar 3.5. Runner Penelitian ................................................................

  26 Gambar 3.4. Pembuatan Poros Runner ....................................................

  25 Gambar 3.2. Pembelahan Pipa Untuk Sudu .............................................

  Halaman Gambar 2.1. Turbin Crossflow ..................................................................

  16 Gambar 3.2. Pembelahan Pipa Untuk Sudu .............................................

  14 Gambar 2.6. Penampang Nozzle .............................................................. 15 Gambar 3.1. Daiagram Alir Penelitian .....................................................

  14 Gambar 2.5. Jarak Antar Sudu ..................................................................

  o 28’ .........................

  13 Gambar 2.4. Sketsa Pipa Dibelah Dengan Sudut 73

  9 Gambar 2.3. Kelengkungan Sudu .............................................................

  8 Gambar 2.2 Aliran Air Pada Turbin Crossflow .......................................

  39

Gambar 4.2. Grafik Daya vs Putaran Poros Generator

  Dengan Ukuran Nozzle 10 mm × 196 mm dan Debit 7,6 L/s ..................................................................

  39 Gambar 4.3. Grafik Daya vs Putaran Poros Generator Dengan Ukuran Nozzle 14 mm × 196 mm dan Debit 8,1 L/s .................................................................

  40 Gambar 4.4. Grafik Daya vs Putaran Poros Generator Dengan Variasi Ukuran Nozzle dan Debit ...........................

  40 Gambar 4.5. Grafik Efisiensi vs Putaran Poros Generator Dengan Ukuran Nozzle 7 mm × 196 mm dan Debit 6,8 L/s ..................................................................

  42 Gambar 4.6. Grafik Efisiensi Total vs Putaran Poros Generator Dengan Ukuran Nozzle 10 mm × 196 mm dan Debit 7,6 L/s ..................................................................

  42 Gambar 4.7. Grafik Efisiensi Total vs Putaran Poros Generator Dengan Ukuran Nozzle 14 mm × 196 mm dan Debit 8,1 L/ ...................................................................

  43 Gambar 4.9. Grafik Efisiensi vs Putaran Poros Generator Dengan Variasi Ukuran Nozzle dan Debit ...........................

  43

BAB I PENDAHULUAN

1.1 PENDAHULUAN

  Listrik merupakan sumber energi yang digunakan oleh manusia. Listrik dihasilkan melalui sebuah sistem pembangkit listrik. Pembangkit yang banyak digunakan adalah Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA), Pembangkit Listrik Tenaga Gas Bumi (PLTG), Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU), Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD), dan Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN). PLTU dan PLTD menggunakan sumber energi berupa batubara ataupun minyak bumi.

  Permasalahan yang dihadapi saat ini adalah tentang ketersediaan sumber energi yang tidak dapat diperbarui dewasa ini. Akhir-akhir ini manusia dikhawatirkan dengan krisis menipisnya dan mahalnya energi bahan bakar fosil dan efek buruk hasil pembakaran dari bahan bakar fosil berupa polutan yang berpotensi merusak ozon dan potensi pemanasan global. Dan untuk mengatasi hal itu maka dikembangkan berbagai bentuk energi alternatif dengan memanfatkan energi alam berupa energi surya, air, dan angin.

  Air merupakan salah satu sumber daya alam yang tidak terbatas jumlahnya. Air juga memiliki potensi yang sangat besar dan dapat digunakan sebagai sumber energi yang dapat menggantikan penggunaan energi fosil.

  2 Air merupakan sumber energi yang bersih karena tidak menghasilkan polutan, selain itu air juga tidak mempunyai potensi merusak ozon maupun potensi pemanasan global.

  Dari data yang dikeluarkan oleh Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral Republik Indonesia, pemanfaatan energi air di Indonesia masih sangat kecil, baru sekitar 25 % dari potensi yang bisa mencapai 75000 MW. Di Indonesia terdapat 1315 kawasan yang berpotensi menjadi sumber energi tenaga air, dan daerah-daerah tersebut tersebar di seluruh kepulauan Indonesia.

  Daerah yang diprediksi memiliki potensi tersebut, antara lain : Papua 22371 MW, Kalimantan 21611 MW, Sumatera 15804 MW, Sulawesi 10203 MW, Jawa 4531 MW, Nusa Tenggara (Bali, NTB dan NTT) 674 MW dan Maluku 430 MW. Data- data di atas merupakan sumber pembangkit tenaga air dengan kapasitas besar, belum termasuk sumber-sumber pembangkit tenaga air dengan kapasitas kecil. Untuk memanfaatkan potensi tersebut diperlukan suatu teknologi terapan agar masyarakat kecil dapat menyediakan energi listrik secara swadaya.

  Pembangkit listrik tenaga air menggunakan turbin sebagai alat untuk mengkonversi potensi energi air menjadi energi mekanik untuk memutar generator listrik. Untuk daya yang kecil (microhydro/picohydro), turbin aliran silang (crossflow) banyak digunakan. Sudu turbin crossflow biasanya dibuat dari plat yang dilengkungkan. Pembuatan sudu tersebut tentu saja tidak mudah, apalagi bagi

  3 kebanyakan masyarakat. 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 yang dibelah tidak diketahui. Pada penelitian ini akan dibuat turbin crossflow dengan sudu dari pipa yang dibelah. Turbin tersebut akan diteliti unjuk kerjanya pada berbagai variasi debit, dari belahan pipa berdiameter 2 inch, yang bilah dengan sudut

  o 74 dan jumlah sudu 24 buah.

  1.3 TUJUAN DAN MANFAAT

1.3.1 Tujuan a.

  Membuat turbin crossflow dengan menggunakan sudu dari pipa yang dibelah untuk pembangkit listrik agar mudah dibuat dan bahan-bahannya juga dapat di temukan di pasaran.

  4 b.

  Mengetahui daya dan efisiensi total terbaik dari turbin crossflow dengan

  o busur sudu 74 dan jumlah sudu 24 dari variasi debit air.

1.3.2 Manfaat

  Hasil penelitian ini diharapkan dapat: a.

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

  b.

  Menambah kepustakaan teknologi pembangkit listrik tenaga air.

  c.

  Mengurangi ketergantungan terhadap minyak bumi.

  d.

  Mengurangi polusi dan pemanasan global.

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 di dalam turbin, rasio lebar, dan diameter runner, rasio diameter dalam dan diameter luar serta manufaktur runner maupun nozzle.

  Penelitian tentang turbin crossflow banyak dilakukan untuk sudu yang dibuat dari plat yang dilengkung. Turbin crossflow yang dilengkapi dengan saluran pengarah di dalam runner-nya 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 nozzle.

  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.

  6 Perbandingan diameter dalam dan diameter luar untuk tiap runner dibuat berbeda. Perbandingan diameter dalam dan diameter luar yang digunakan adalah 0,75, 0,65,

  o

  0,58 dan 0,54. Sudut masuk pancaran air 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 yang biasa dicapai adalah sebesar 72%.

  Penelitian terhadap pengaruh sudut nozzle menunjukkan bahwa efisiensi akan semakin besar jika sudut nozzle 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 nozzle tertentu efisiensi maksimum dicapai pada jumlah sudu tertentu. Ada jumlah sudu optimum untuk sudut nozzle tertentu (Joshi, 1995).

2.2 TURBIN AIR

2.2.1 Definisi Turbin Air

  Turbin air adalah 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.

  7 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 didalam dam dilepaskan ke dalam suatu saluran dimana akan menggerakkan 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 tinggi air jatuh dan kapasitas air. Selain itu pemilihan turbin juga tergantung dari kecepatan putar yang diminta oleh generator.

2.2.2 Jenis-Jenis Turbin Air

  Terdapat berbagai jenis turbin air yang digunakan untuk penyediaan kebutuhan energi listrik. Turbin air biasanya dikelompokkan berdasarkan kegunaan tertentu, kapasitas aliran, dan tinggi air jatuh. Oleh karena itu, turbin air diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara. Secara umum 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 Pengelompokan Turbin

  Head Tinggi Head Sedang Head Rendah

  Turbin Impuls Turbin Pelton Turbin Crossflow Turbin Crossflow Turbin Turgo Turbin Pelton

  Multi Jet

  Turbin Turgo Turbin Reaksi Turbin Francis Turbin Kaplan

  8

2.3 TURBIN ALIRAN SILANG

Gambar 2.1 Turbin Crossflow (Sumber : http://europa.eu.int/en/com/dg17/hydro/layman2.pdf)

  Turbin aliran silang (crossflow) dikembangkan oleh Michell (Australia) dan Bangki (Honggaria), sehingga turbin ini disebut juga turbin Michell-Bangki. Turbin aliran silang disebut juga turbin ossberger, yaitu arah aliran masuk air ke sudu turbin secara radial. Air dialirkan melewati sudu-sudu jalan yang berbentuk silinder, pertama-tama air dari luar masuk melalui sudu-sudu silinder dan kemudian dari dalam keluar melalui sudu-sudu. Aliran air yang melewati sudu ada dua tingkatan. Tingkatan pertama, air masuk melalui sudu atas. Daya yang dihasilkan lebih besar dari tingkat pertama yaitu 80 % dari tingkat kedua. Tingkat kedua, air keluar melalui sudu bagian bawah. Daya yang dihasilkan kurang lebih 20% dari daya yang dihasilkan pada tingkat pertama.

  Turbin aliran silang (crossflow) sangat baik digunakan untuk pusat tenaga air yang kecil dengan daya yang dihasilkan ± 750 KW.

  9 Ketinggian head yang bisa digunakan yaitu diatas 1 m sampai dengan 200 m.

  2

  2 Kapasitas aliran air 0,02 m /detik sampai dengan 7 m /detik. Kecepatan putaran

  turbin aliran silang antara 60 rpm sampai 200 rpm. Hal ini dipengarui oleh diameter roda jalan. Aliran turbin aliran silang sangat besar yaitu mencapai 87,7 %. Dengan daerah daya turbin yang disebut di atas, turbin aliran silang cocok digunakan untuk menggerakan penggilingan, penggergaji kayu, generator listrik kecil, pompa-pompa.

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

  P = ρ g Q H

  (2.1)

  in

  Dengan

  P

  : daya yang tersedia (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 2.2 Aliran Air Pada Turbin Crossflow (Mockmore, 1949, hal. 6)

  10 Pada gambar 2.2 diasumsikan bahwa pancaran air dari nozzle masuk ke dalam runner pada titik A dengan membentuk sudut α terhadap kecepatan kelilingnya.

  Kecepatan air memasuki runner (V

  1 ) dihitung dengan (Mockmore,1949,hal 6) : ½

  V =C (2gH) (2.2)

  1 dengan C merupakan koefisien kerugian pada nozzle.

  Daya teoritis yang dihasilkan turbin adalah

  V cos α

• P = ρ Q (

  V cos α ) u th

  1

  1

  2

  2

  1

   cos  β ²

  V cos − u

• Atau P = Q u

  1 (2.3) _th ρ ( ) _{1 1} α ψ _{1 1}   cos β ₁

    Dengan

  u : kecepatan keliling runner,

  1 1 : sudut antara kecepatan relatif air masuk pada sudu atas dengan

  β

  kecepatan keliling,

  2 : sudut antara kecepatan relatif air masuk pada sudu bawah dengan β kecepatan keliling.

  Dengan mengambil besar sudut = maka :

  β 2 β

  1 _{th 1} V cos α − u )( _{1 1 1} 1 ψ ) (2.4) + P = ρ Q u (

  Efisiensi turbin yang merupakan perbandingan antara daya yang dihasilkan turbin dengan daya air yang tersedia adalah (Mockmore, 1949, hal 8):

  u  u 

  = ^{2 1 1}

  1 cos − (2.5) η ( ψ ) α _{T 1}

• 2 C

   

  V ₁ V ₁

   

  11 Secara teoritis efisiensi turbin dipengaruhi oleh kecepatan pancaran air masuk turbin dan sudut pancaran air.

  Untuk menghasilkan listrik poros turbin dihubungkan dengan poros generator. Hubungan ini melalui sistem transmisi yang ditentukan berdasarkan putaran poros turbin dan putaran kerja generator. Daya listrik (P) yang dihasilkan generator dapat diketahui setelah arus dan tegangan yang dihasilkan diukur. Besarnya daya listrik adalah

  P out = V I (2.6) dengan

  P out : Daya yang dihasilkan generator (watt) V : tegangan listrik yang dihasilkan (volt) I : kuat arus listrik yang dihasilkan (ampere)

  Efisiensi menyeluruh (efisiensi nozzle, turbin, transmisi dan generator) dihitung dengan persamaan

  P _in

  η = x 100% _total (2.7)

  P _out

  Perhitungan ukuran-ukuran turbin menggunakan asumsi sudut pancaran air

  o

  masuk ( ) sebesar 16 dan nilai α

  1 ψ = 0,98 , C = 0,98 dan k = 0,087 (Mockmore,1949,

  hal 17). Dengan asumsi tersebut secara teoritis dapat dicapai efisiensi maksimum turbin sebesar 87,8% (Mockmore,1949, hal 9).

  12 Ukuran turbin crossflow ditentukan berdasarkan lebar dan diameter runner. Lebar dan diameter runner dapat ditentukan dengan persamaan (Mockmore,1949, hal 17):

  ½

  LD

  1 = 210,6 Q/H

  (2.8) dengan L : lebar runner (inch) D : diameter runner (inch)

  1

3 Q : debit air (ft /s)

  H : tinggi jatuh air (ft) Lebar runner ditentukan dengan terlebih dahulu menentukan diameter turbin yang direncanakan. Pemilihan diameter turbin akan menentukan putaran kerja turbin, sehingga dalam pemilihannya mempertimbangkan putaran kerja generator. Putaran kerja turbin (N) adalah (Mockmore,1949, hal 15):

  ½

  N =862H / D

  1

  (2.9) Setelah diameter runner ditentukan maka dapat dihitung besarnya jari-jari kelengkungan sudu (

  ρ) yaitu (Mockmore,1949, hal 15) :

  /2 (2.10)

  ρ = 0,326 D

1 Karena sudu akan dibuat dari pipa yang dibelah maka kemudian dipilih pipa dengan

  jari-jari mendekati jari-jari kelengkungan sudu hasil perhitungan. Setelah pipa untuk sudu ditentukan maka diameter runner dihitung kembali dengan : D

  1 = 2

  (2.11)

  ρ / 0,326

  13 Lebar runner ditentukan dengan

  ½

  L = 210,6 Q/(H D

  1 )

  (2.12)

  , 1949, hal 12)

  Lebar velk radial (a ) ditentukan dari persamaan (Mockmore : a = 0,17 D

  1

  (2.13)

Gambar 2.3 Kelengkungan Sudu (Mockmore, 1949, hal. 16)

  o o

  Untuk sudut pancaran air (

  1 ) sebesar16 maka sudut sudu ( δ) adalah 73 28’

  α (Mockmore, 1949, hal. 15). Dengan demikian untuk sudu dari pipa maka sudu dibuat

  o dengan membelah pipa dengan sudut busur 73 28’.

  14

  o

Gambar 2.4 Sketsa Pipa Dibelah Dengan Sudut 73 28’

  Jarak antar sudu (t) dihitung dengan persamaan (Mockmore, 1949 , hal 10) t = s

  1 /sin

  1

  (2.14) β dengan s

  1 = kD _o 1 (Mockmore, 1949 , hal 14), = 30

  1 (Mockmore, 1949 , hal 10), untuk α = 16

  β

Gambar 2.5 Jarak Antar Sudu (Mockmore, 1949, hal. 9)

  15 Jumlah sudu (n) ditentukan dengan ( Mockmore, 1949, hal 17) n =

  1 /t

  (2.15) л D

  Nozzle turbin Crossflow berbentuk persegi panjang. Perhitungan ukuran nozzle:

  s o = Q / (V

1 L)

  (2.16)

Gambar 2.6 Penampang Nozzle

  p. Perhitungan Torsi Turbin (T) _{5 out} P T = 9 , 74 ×

  10 (2.17)

  n

  Dimana : n = Putaran Untuk menentukan diameter poros d , digunakan persamaan berikut ini: _{1 3} ѕ

    5 ,

  1

  d = K C T _{s t b}

  (2.18)  

  τ _a   dengan d s = diameter poros (mm)

  K = faktor koreksi 1

  t

  C b = faktor koreksi 2

  2

  τ = tegangan bahan yang diizinkan (kg/mm _a )

BAB III METODE PENELITIAN

3.1 DIAGRAM ALIR PENELITIAN

Gambar 3.1. Daiagram Alir Penelitian

  START STUDI PUSTAKA PERANCANGAN TURBIN ALIRAN SILANG PEMBUATAN TURBIN ALIRAN SILANG UJI COBA TURBIN ALIRAN SILANG PENGAMBILAN DATA PENGOLAHAN DATA SELESAI

3.2 PERALATAN DAN BAHAN PENELITIAN

  3.2.1 Bahan Penelitian

  Bahan-bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah: a.

  Pipa hitam diameter 2 inch, panjang 1,2 m b. Pelat tebal 15 mm, diameter 156 mm, 2 buah c. Besi poros diameter 30 mm, panjang 404 mm.

  3.2.2 Peralatan Penelitian

  Peralatan yang digunakan dalam penelitian adalah: a.

  Kerangka untuk dudukan turbin dan menara dengan tinggi 5 meter, untuk mendapatkan head 3 meter.

  b.

  Bak penampung air 2 buah c. Pipa PVC 2 inch untuk saluran air masuk dan keluar, pipa PVC 1,5 inch untuk saluran pelimpah d.

  Peralatan kerja bangku e. Alat ukur (roll meter, jangka sorong, tachometer, multimeter) f. Mesin bubut, mill, skrap, dan las busur listrik g.

  Runner turbin crossflow dengan jumlah sudu 24 h. Tiga buah nozzle dengan berbentuk persegi panjang dengan ukuran

  2

  2

  2

  penampang 196 x 14 mm , 196 x 10 mm , dan 196 x 7 mm i. Pompa air berkapasitas 20 L/s 2 buah j.

  Alternator pembangkit listrik beserta lampu sebagai beban

3.3 TAHAPAN PENELITIAN

  3.3.1 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. Referensi ini berupa hasil penelitian lembaga lain dan buku-buku acuan.

  3.3.2 Pembuatan Alat

3.3.2.1 Desain Alat

  Pada tahapan ini, gambar kerja dibuat. Sebelum membuat gambar kerja, terlebih dahulu sketsa alat dibuat.

  Penelitian ini tidak dilakukan di lapangan, melainkan disimulasikan dengan menggunakan peralatan-peralatan yang telah direncanakan. Untuk menggantikan laju aliran sungai, digunakan pompa berkapasitas 20 L/detik dan menara untuk mendapatkan head 3 m.

  Pompa mengalirkan air yang ditampung pada sebuah bak penampung atas berkapasitas 160 liter. Air tersebut di alirkan menuju nozzle melalui pipa penstock berdiameter 2 inch. Air yang masuk ke nozzle akan digunakan untuk memutar

  

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

  penampung bawah yang berkapasitas 240 liter. 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.

3.3.2.2 Perancangan Runner

  Dalam merancang sebuah Turbin Aliran Silang diperlukan parameter yang diketahui sebagai dasar perancangan untuk perhitungan parameter-parameter lain.

  Dalam perancangan ini terdapat parameter yang diketahui yaitu :

  Head (H) = 3 meter

  = 9,84 ft Debit (Q) = 20 L/s

  = 0,7 cfs Diameter pipa untuk sudu (d

  1 ) = 2 inch

  Koefisien nozzle (C) = 0,98 Faktor koreksi (k) = 0,087 Sudut masuk (

  1 ) = 16º

  α Sudut busur sudu ( = 74

  β2)

  2 Percepatan gravitasi = 32,18 ft/s Perhitungan :

  Perancangan Turbin Aliran Silang dengan sudu jalan yang terbuat dari pipa berdiameter 2 inch (0,166 ft).

  nozzle

a. Kecepatan pancaran (V)

  V = C ⋅

  2 ⋅ g ⋅ H

  V = ,

  98 , × 2 × 32 , 18 × 9,84

  b. Radius sudu (ρ) ρ d

  = , 5 ×

  1

  ρ

  = , 5 ×

  2

  ρ = 1 inch = 25,4 mm

  c. Diameter runner (D )

  1

  = , 326 × r

  ρ

  1

  1 r = ₁

  , 326 D =

  6 , 13 inch = 155,7 mm

  1

  d. Panjang dan diameter runner (LD )

  1

  210 × Q

  LD = _{1 1 2} H

  210 × ,

  7 =

  LD _{1 1 2}

  9,84

  ( ) LD =

  46 ,

  86 inch = 1190,244 mm

  1

e. Panjang runner (L)

  46 ,

  86

  =

  L D ₁ 46 ,

  86 L = 6 ,

  13 L = 7 , 64 inch = 194 mm

  f. Kecepatan putar runner (N)

  1

  24,66 0,7

  s t =

  sin β

  1

  1 ¹ D k s × =

  V Q A = L A s _o =

  × =

  D H N

  = s inch ^{1 2 1} 862

  1

  × = s 53 ,

  13 , , 6 087

  13 ,

  1 , t)

  h. Jarak antar sudu pada runner (s

  inch = 13,385 mm

  s

  = 527 , _o

  7 , 144 028 × = _o s

  2 64 ,

  = 028 , A ft

  g. Lebar nozzle (s o )

  = N = N 441 rpm

  862 9 ( ^{2 1} ×

  6 ) 84 ,

  = A

  ( ) [ ] ¹ 16 tan 2 tan sin

  53 , × =

  − t

  06 , 1 = t inch = 26,924 mm

i. Jumlah sudu (n)

  1 13 , 6 × =

  = D inch = 102,87 mm

  2 _{1 2}

  D a D ⋅ − =

  = 17 , D a ×

  1

  ≈

  π

  × =

  t D n ¹

  = (0,1986 – 0,945 x k) x D1 = (0,1986 – 0,945 x 0,087) x 6,13 = 0,71 inch = 18,03 mm

  1

  y

  l. Jarak pancaran air dari pusat poros (y 1 )

  2

  π

  4

  × − = D 05 ,

  06 ,

  6

  2 13 ,

  1

  04 ,

  2 ) ( )

  6 = 17 , × a 04 , 1 = a inch = 26,416 mm k. Diameter dalam runner (D

  j. Lebar sudu (a) 13 ,

  18 (pada perancangan telah ditentukan jumlah sudu 24 buah)

  18 = n

  n 16 ,

  2

  m. Daya yang tersedia (P in ) P = ρ g Q H in

  = 588,6 watt

  n. Daya turbin teoritis maksimum (P turbin , P d )

  η

  P = P × _{turbin in} P = 516 , _turbin 2 watt o. Perhitungan Poros

  1. Menghitung torsi :

  P _d

5 T = 9,74 x 10

  n 5 , 685

  = 9,74 x 10

  441

  = 1512,9

  2. Bahan poros : =

  σ 10 kg/mm2 _B

  σ _B τ = _a

  Sf × Sf _{1 2}

  10

  τ _a = 3 ×

  4

  2

  , 833 τ = kg/mm _a

  3. Diameter poros: _{3 1}  5 , 1  d

  1 = × K × C × T _{t b}

    τ _a

    _{1 3}

   5 , 1 

  =

  1 ,

  5 1 1512 ,

  9 × × ×   , 833   = 21,28 mm (Diameter poros perancangan menggunakan 25 mm). p. Geometri Turbin Aliran Silang

Tabel 3.1 Geometri dan Ukuran Turbin

  Geometri Ukuran (inch) Ukuran (mm) Diameter pipa untuk sudu (d ) 2 50,8

1 Radius sudu (ρ)

  1 25,4 Diameter luar turbin (D

  1 ) 6,13 155,7

  Panjang turbin (L) 7,64 194,26 Lebar sudu (a) 1,04 26,4 Diameter dalam (D

  2 ) 4,05 102,87

  Jarak sudu pada piringan (t) 0,497 12,62 Diameter poros maksimal 0,984

  25 Jumlah sudu (n) = 24 buah = 74

  Sudut busur sudu (δ) Sudut masuk pancaran air (α) = 16

3.3.2.3 Pembuatan Runner

  Bagian penting dari turbin aliran silang yaitu roda jalan atau runner. Proses pembuatan roda jalan memerlukan tahapan-tahapan tertentu dan berbeda-beda.

  Tahapan yang dilakukan penulis dalam membuat runner yaitu : 1.

   Pembuatan Sudu

  Sudu turbin dibuat dari pipa yang dibelah. Pipa yang digunakan berdiameter 50,8 mm, panjang pipa untuk sudu 196 mm, dan tebal 2 mm. Pipa yang akan dibelah diberi mal dan digaris. Tujuannya untuk memudahkan dalam pembelahan. Pipa dibelah dengan menggunakan mesin sekrap. Pipa dibelah menjadi empat bagian dengan besar busur sudu 74 . Jumlah sudu yang digunakan dalam pembuatan turbin 24 buah.

Gambar 3.2. Pembelahan Pipa Untuk Sudu

2. Pembuatan Piringan dan Alur Sudu

  Piringan runner dibuat dari plat besi dengan diameter 156 mm dan tebal 5 mm dan berjumlah 2 buah. Piringan digunakan sebagai tempat menempelnya sudu- sudu turbin. Untuk mempermudah proses pemasangan sudu, pada piringan Proses pembuatan alur sudu pada piringan dikerjakan dengan menggunakan CNC. Selain untuk mempermudah pemasangan, pembuatan alur juga bertujuan agar pemasangan sudu pada runner menjadi lebih presisi.

Gambar 3.3. Piringan Sebelum dan Sesudah Diberi Alur

3. Pembuatan Poros

  Poros dibuat dari besi pejal dengan panjang 404 mm dengan diameter 28 mm untuk piringan dan diameter 25 mm untuk pulley. Pembuatan poros menggunakan mesin bubut. Bagian tengah poros dibuat kecil dengan diameter 10 mm. Hal ini bertujuan untuk menghindari terjadinya pancaran air terhambat oleh poros sehingga aliran tidak silang.

Gambar 3.4. Pembuatan Poros Runner

5. Perakitan Roda Jalan (runner)

  Komponen runner yang sudah dibuat kemudian dilas. Poros dan piringan dilas dengan menggunakan las asetilin (las kuningan). Pengelasan harus dilakukan dengan benar dan teliti agar hasilnya simetris dan tidak oleng.

  

Runner yang sudah dilas, dilakukan finishing dengan mesin bubut. Tujuannya agar

permukaan turbin rata dengan pengelasan dan runner seimbang (balance).

Gambar 3.5. Runner Penelitian.

3.3.2.4 Pembuatan Menara

  Menara terbuat dari besi siku berlubang 4 cm x 4 cm, dengan sambungan mur dan baut. Menara dibuat dengan tinggi 5,5 meter, panjang 1,8 meter dan lebar 0,5 meter.

3.3.2.5 Pembuatan Dudukan Runner

  Dudukan runner terdiri dari rumah runner dan kerangka modul Mikrohidro dari Cihanjuang, tetapi komponen seperti rumah runner, generator, transmisi sabuk dan puli, dan nozzle akan dilepas/tidak digunakan pada penelitian ini. Rumah runner terbuat dari besi siku 2,5 cm x 2,5 cm dan plat dengan tebal 2 mm, di sambung dengan sambungan las busur listrik.

Gambar 3.7 Dudukan Runner

3.3.3 Uji Pretasi