Turbin aliran silang menggunakan sudu dari bilah pipa dengan jumlah sudu 12 - USD Repository

  

TURBIN ALIRAN SILANG MENGGUNAKAN SUDU DARI BILAH PIPA DENGAN

JUMLAH SUDU12

TUGAS AKHIR

Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

  

Jurusan Teknik Mesin

Disusun oleh :

  

VALENTINA APRI RUSTIAJI

NIM : 055214044

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

  

2010

  

THE CROSSFLOW TURBINE USING BLADE THAT MADE FROM

CUTTING PIPE LENGTHWISE WITH 12 NUMBER OF BLADES

FINAL PROJECT

Presented as Partial Fulfillment of the Requirements

To Obtain the Sarjana Teknik Degree

in Mechanical Engineering

  

By :

  

VALENTINA APRI RUSTIAJI

Student Number : 055214044

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

  

2010

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 jumlah sudu 12 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. Budi Sugiharto, S.T., M.T. Ketua Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  2. Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T. Dosen Pembimbing Tugas Akhir.

  3. 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.

  4. Ayah, ibu, adik, serta keluarga saya yang selalu memberikan dukungan moril maupun materiil.

  5. Teman-teman seperjuangan di Teknik Mesin yang selalu mendorong dan memberi dukungandalam 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

aliran silang. Atas kritik dan saran yang bersifat membangun guna sempurnanya karya tulis ini

penulis mengucapkan terima kasih.

  Yogyakarta, 25 Januari 2010 Penulis

  

INTISARI

Listrik merupakan salah satu kebutuhan mendasar bagi manusia untuk memudahkan

melakukan pekerjaan. Krisis energi dewasa ini membuat manusia banyak beralih ke energi

alternatif. Salah satunya adalah dengan pemanfaatan energi yang berasal dari air dengan

menggunakan turbin aliran silang. Turbin aliran silang banyak digunakan untuk pembangkit

listrik skala mikro. Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari unjuk kerja turbin aliran silang

dengan sudu dari bilah pipa yang digunakan untuk pembangkit listrik.

  Peralatan yang digunakan adalah sebuah turbin aliran silang. Sudu turbin dibuat dari pipa

dengan diameter 2 in. Diameter runner adalah 156 mm dengan lebar runner 196 mm. Jumlah

sudu pada runner 12 buah. Penelitian dilakukan dengan memvariasikan penampang nozzle,dan

  2

  2

  2

beban lampu. Nozzle yang divariasikan adalah 14x196 mm ,10x196 mm ,dan 7x196 mm . Untuk

menghasilkan listrik turbin dihubungkan dengan generator. Pengukuran daya yang dihasilkan

turbin dilakukan dengan mengukur tegangan dan arus generator pada kondisi generator diberi

variasi pembebanan 10W, 20W, 30W, 40W, 50W, 60W, 70W, 80W, 90W dan 100W. Pada

setiap pembeban, putaran turbin diukur dengan tachometer.

  Analisis dilakukan dengan membuat grafik hubungan daya dengan putaran turbin dan

grafik hubungan efisiensi dengan putaran turbin untuk tiap variasi penampang nozzle, debit dan

beban lampu. Daya maksimum yang diperoleh adalah 11,7 Watt, dengan efisiensi maksimal

mencapai 4,6%, kondisi tersebut terjadi pada debit = 7,6 L/s.

  DAFTAR ISI Halaman

HALAMAN JUDUL ....................................................................................... i

  17 3.1. Diagram Alir ...........................................................................

  31 3.4.5. Analisis Data ………………………………………..

  31 3.4.4. Uji Prestasi ...................................................................

  30 3.4.3. Cara Kerja Turbin ........................................................

  26 3.4.2.4. Pemasangan Runner ke Alat Uji Turbin .......

  20 3.4.2.3. Pembuatan Runner ........................................

  20 3.4.2.2. Perancangan Runner ......................................

  20 3.4.2.1. Desain Alat ....................................................

  19 3.4.2. Pembuatan Alat ...........................................................

  19 3.4.1. Persiapan ......................................................................

  18 3.4. Jalannya Penelitian ..................................................................

  18 3.3. Peralatan Penelitian .................................................................

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

  9 BAB III METODE PENELITIAN ...............................................................

  

HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ............................................. iii

HALAMAN PENGESAHAN ......................................................................... iv

HALAMAN PERNYATAAN ........................................................................ v

HALAMAN PERSETUJUAN PUBLIKASI .................................................. vi

KATA PENGANTAR ..................................................................................... vii

  8 2.3. Turbin Crossflow .....................................................................

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

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

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

  5 2.2. Landasan Teori ........................................................................

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

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

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

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

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

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

  1 1.1 Latar Belakang Masalah .........................................................

  

INTISARI ....................................................................................................... ix

DAFTAR ISI.................................................................................................... x

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

DAFTAR GAMBAR ...................................................................................... xiii

DAFTAR LAMBANG ................................................................................... xv

BAB I PENDAHULUAN ..........................................................................

  33

  BAB IV PEMBAHASAN ...........................................................................

  34

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

  34

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

  35

  2

  4.2.1. Perhitungan Nozzle 14x196mm dengan debit 8,1 L/s

  35

  2

  4.2.2. Perhitungan Nozzle 10x196mm dengan debit 7,6 L/s

  37

  2 4.2.3. Perhitungan Nozzle 7x196mm dengan debit 6,8 L/s ..

  39

4.3. Grafik Hasil Penelitian .............................................................

  41 4.3.1. Grafik Dengan Debit 8,1 L/s..........................................

  41 4.3.2. Grafik Dengan Debit 7,6 L/s ........................................

  42 4.3.3. Grafik Dengan Debit 6,8 L/s ........................................

  43 4.3.4. Grafik perbandingan Daya Dengan Putaran .................

  44 4.3.5. Grafik Perbandingan Efisiensi Dengan Putaran ...........

  45

4.4. Analisa .....................................................................................

  45 BAB V KESIMPULAN ..............................................................................

  48

5.1. Kesimpulan ..............................................................................

  48

5.2. Saran ........................................................................................

  48 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

  DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Klasifikasi Turbin Terhadap Head ...........................................

  8 Tabel 4.1 Data Penelitian Pada Penampang Nozzle 14 x 196 mm dan Debit 8,1 L/s.....................................................................

  34 Tabel 4.2 Data Penelitian Pada Penampang Nozzle 10 x 196 mm dan Debit 7,6 L/s ......................................................................

  34 Tabel 4.3 Data Penelitian Pada Penampang Nozzle 7 x 196 mm dan Debit 6,8 L/s.....................................................................

  35 Tabel 4.4 Perhitungan Data Dengan Debit 8,1 L/s...................................

  37 Tabel 4.5 Perhitungan Data Dengan Debit 7,6 L/s...................................

  39 Tabel 4.6 Perhitungan Data Dengan Debit 6,8 L/s...................................

  41

  DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Runner Turbin Crossflow ........................................................

  27 Gambar 3.4 Poros Runner ...........................................................................

  42 Gambar 4.4 Grafik Efisiensi VS Putaran Altenator untuk debit 7,6 L/s......

  42 Gambar 4.3 Grafik Daya yang Dihasilkan VS Putaran Altenator untuk debit 7,6 L/s....................................................................

  41 Gambar 4.2 Grafik Efisiensi VS Putaran Altenator untuk debit 8,1 L/s......

  30 Gambar 4.1 Grafik Daya yang Dihasilkan VS Putaran Altenator untuk debit 8,1 L/s....................................................................

  29 Gambar 3.7 Dudukan Runner .....................................................................

  29 Gambar 3.6 Tower .......................................................................................

  28 Gambar 3.5 Runner yang Sudah Dilas ........................................................

  26 Gambar 3.3 Piringan Runner setelah Pengaluran .......................................

  3 Gambar 2.1 Turbin Crossflow .....................................................................

  17 Gambar 3.2 Sudu yang Sdah Dibelah .........................................................

  15 Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian ..........................................................

  15 Gambar 2.6 Penampang Nozzle ..................................................................

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

  14 Gambar 2.4 Sketsa Pipa yang Dibelah ........................................................

  10 Gambar 2.3 Kelengkungan Sudu .................................................................

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

  43 Gambar 4.5 Grafik Daya yang Dihasilkan VS Putaran Altenator

  untuk debit 6,8 L/s....................................................................

  43 Gambar 4.6 Grafik Efisiensi VS Putaran Altenator untuk debit 6,8 L/s......

  44 Gambar 4.7 Grafik Daya Yang Dihasilkan VS Putaran Altenator ................

  44 Gambar 4.8 Grafik Efisiensi VS Putaran Altenator.......................................

  45

DAFTAR LAMBANG

  H = Head (m) Q = Debit (m

  3 /detik) η = Efisiensi turbin

  (%) D 1 = Diameter turbin

  (m) L = Panjang Turbin (m) ρ = Jari-jari kelengkungan sudu turbin (m) a = Lebar velk radial (m) s

  1 = Jarak antar sudu pancaran air masuk (m) t = Jarak antar sudu

  (m) β 1 = Sudut masuk

  ( o

  ) s 2 = Jarak antar sudu pancaran air keluar (m) n = Jumlah sudu

  (buah) y 1 = Jarak pancaran dari poros (m) y 2 = Jarak pancaran dari keliling dalam (m) A = Penampang nosel

  (m) s o

  = Tinggi pancaran air nosel (m) N = Kecepatan Putar (rpm) Δ = Sudut pusat sudu jalan ( o

  ) P in = Daya yang tersedia (W) P out = Daya yang dihasilkan generator (W)

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

  Listrik merupakan salah satu kebutuhan pokok manusia. Tidak dapat dipungkiri bahwa listrik memudahkan manusia untuk melakukan pekerjaan.

  Listrik dihasilkan dari suatu sistem pembangkit listrik. Pembangkit yang banyak digunakan adalah pembangkit listrik tenaga air (PLTA), pembangkit listrik tenaga uap (PLTU), pembangkit listrik tenaga panas bumi (PLTG), 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 krisis energi yang melanda dunia dewasa ini sebagai akibat menipisnya persediaan batubara dan minyak bumi membuat manusia banyak beralih ke energi alternatif, salah satunya adalah dengan pemanfaatan energi yang berasal dari air.

  Air merupakan salah satu sumber daya alam yang dapat diperbarui atau tidak terbatas jumlahnya. Air juga memiliki potensi yang sangat besar dan dapat digunakan sebagai sumber energi yang dapat menggantikan penggunaan energi fosil. Air merupakan sumber energi yang bersih karena tidak menghasilkan polutan. Berbeda dengan sumber energi fosil, air 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 2,5% dari potensi yang bisa mencapai 75000 MW. Di Indonesia terdapat 1315 kawasan yang berpotensi menjadi sumber energi tenaga air, dan daerah-daerah tersebut tersebar dari Sabang sampai Marauke. Daerah-daerah yang diprediksi memiliki potensi tersebut, antara lain : Pulau Papua 22371 MW, pulau Kalimantan 21611 MW, pulau Sumatra 15804 MW, pulau Sulawesi 10203 MW, pulau Jawa 4531 MW, kepulauan Nusa Tenggara (Bali, NTB dan NTT) 674 MW dan kepulauan 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 (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 belum banyak dilakukan sehingga informasi mengenai unjuk kerjanya kurang diketahui.

  Sudu Piringan Runner

  Poros

Gambar 1.1 Runner Turbin Crossflow

  1.2 Rumusan Masalah

  Informasi tentang unjuk kerja turbin crossflow dengan sudu dibuat dari pipa yang dibelah belum banyak diketahui. Selama ini yang banyak dibuat dan diteliti adalah turbin dengan pipa dari sudu yang dilengkung. Pada penelitian ini akan dibuat turbin crossflow dengan sudu dari pipa yang dibelah dengan diameter 2 inchi, dan jumlah sudu 12 buah. Turbin akan diteliti unjuk kerjanya pada berbagai variasi debit dan head air masuk.

  1.3 Tujuan dan Manfaat

1.3.1 Tujuan

  Tujuan penelitian ini adalah : a.

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

  b.

   Mengetahui daya dan efisiensi turbin crossflow dengan variasi tiga

  penampang nozzle (7 mm x 196 mm

  2 , 10 mm x 196 mm

  2 , dan 14 mm x

  196 mm

  2 ).

1.3.2 Manfaat

  Hasil penelitian ini diharapkan dapat: a.

  Menambah kepustakaan teknologi pembangkit listrik tenaga air mikrohidro.

  b.

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

  c.

  Mengurangi ketergantungan terhadap minyak bumi.

  d.

  Membangunkan kepedulian masyarakat terhadap upaya konservasi air.

BAB II DASAR TEORI

2.1 Tinjauan Pustaka

  Turbin air adalah suatu alat yang mengkonversi energi potensial menjadi energi mekanik. 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 nozzle. Geometri runner turbin crossflow dapat dilihat pada Gambar 2.3 dan 2.5.

  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 bertujuan 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.

  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 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 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 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. 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 memenuhi kebutuhan energi listrik. Turbin air biasanya diklasifikasikan berdasarkan kegunaan tertentu, kapasitas aliran dan tinggi air jatuh. Secara umum turbin air diklasifikasikan 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 Turbin pelton multi jet Turbin turgo

  Turbin reaksi Turbin francis Turbin kaplan

2.3 Turbin Crossflow

  Turbin Crossflow atau yang juga dikenal dengan nama Turbin Michell- Banki merupakan salah satu jenis turbin impuls. Turbin crossflow terdiri dari dua bagian yaitu nozzle dan runner. Turbin crossflow menggunakan nozzle berpenampang persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner. Tinggi

  

nozzle dapat diubah-ubah karena menggunakan sebuah katup yang dapat diset

  ketinggiannya. Runner turbin dibuat dari 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 %.

  Katup nozzle poros sudu aliran air

Gambar 2.1 Turbin Crossflow Dari kapasitas air dan tinggi air jatuh dapat diperoleh potensi daya air yang tersedia yaitu (Dietzel, 1996, hal. 2) :

  P = g Q H

  ρ

  2.1

  in

  Dengan

  P : daya yang tersedia (W),

  3

  : massa jenis air (kg/m ),

  ρ

  

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)

  Pada Gambar 2.2 diasumsikan bahwa pancaran air dari nosel 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 nosel Daya teoritis yang dihasilkan turbin adalah

  V cos

• P = Q

  V cos u

  ρ ( α α )

  th

  1

  1

  2

  2

  1

  ⎛ cos ⎞ β ₁ +

  Atau P Q u

  V cos u

  1

  2.3 _th = ρ α − ψ _{1 ( 1 1 )} ² ⎜⎜ ⎟⎟ cos β ₁

  ⎝ ⎠ Dengan

  u 1 : kecepatan keliling runner,

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

  2 =

1 maka :

β β P = ρ Q − u ψ + u

  V cos α

  1

  2.4

  ( )( ) th

  1

  1

  1

1 Efisiensi turbin yang merupakan perbandingan antara daya yang dihasilkan turbin

  dengan daya air yang tersedia adalah (Mockmore, 1949, hal 8):

  u ⎛ u ⎞

  = ^{1 1} _T

• 2 C
² 1 cos −

  2.5 η ( ψ ) α ₁

  ⎜⎜ ⎟⎟

  V ₁ V ₁

  ⎝ ⎠ Secara teoritis efisiensi turbin dipengaruhi oleh kecepatan pancaran air masuk turbin dan sudut pancaran air. Untuk menghasilkan listrik poros turbin dihubungkan dengan poros altenator. Hubungan ini melalui sistem transmisi yang ditentukan berdasarkan putaran poros turbin dan putaran kerja altenator. Daya listrik (P) yang dihasilkan altenator dapat diketahui setelah arus dan tegangan yang dihasilkan diukur.

  Besarnya daya listrik adalah P out =

  V I

  2.6 dengan P : Daya yang dihasilkan generator (watt)

  out

  V : tegangan listrik yang dihasilkan (volt) I : kuat arus listrik yang dihasilkan (ampere)

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

  P _in

  x 100%

  2.7 η = _total

  P _out

  Perhitungan ukuran-ukuran turbin menggunakan asumsi sudut pancaran air

  o

  masuk (

  1 ) sebesar 16 dan nilai

  α 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).

  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 altenator. 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 / 0.326

  2.11

  ρ

  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 ( 28’

  α δ) adalah 73 (Mockmore, 1949, hal. 15). Dengan demikian untuk sudu dari pipa maka sudu

  o dibuat dengan membelah pipa dengan sudut busur 73 28’. o

Gambar 2.4 Sketsa Pipa Dibelah Dengan Sudut 73 28’

  , hal 10)

  Jarak antar sudu (t) dihitung dengan persamaan (Mockmore, 1949 t = s /sin

  2.14

  1

  1

  β dengan s

  1 = kD 1 (Mockmore, 1949 , hal 14),

  β

  1 = 30 ^o

  (Mockmore, 1949 , hal 10), untuk

  α =16

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

  Jumlah sudu (n) ditentukan dengan (

  Mockmore, 1949, hal 17)

  n = л D

  1

  /t

  2.15 Nozzle turbin Crossflow berbentuk persegi panjang.

  Perhitungan ukuran nozzle: s o = Q / (V

1 L)

  2.16 Torsi yang terjadi adalah sebagai berikut _{5 d} P T = 9 , 74 x

  10

  2.17 N Untuk menentukan diameter poros d ѕ , digunakan persamaan berikut ini _{1 3}

  ⎡ ⎤ 5 ,

  1

  d = K C T _{s t b}

  2.18 ⎢ ⎥

  τ _a ⎣ ⎦ dengan d s = diameter poros (mm)

  K t = faktor koreksi 1 C = faktor koreksi 2

  b

  2 τ = tegangan bahan yang diizinkan (kg/mm ) a

  Perhitungan kecepatan spesifik

  Q

  n q = n _{, 75}

  2.19 H

BAB III METODE PENELITIAN

3.1 Diagram Alir

           

Gambar 3.1 Diagram Alir Metode Penelitian

  3.2 Bahan Penelitian

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

  Pipa besi diameter 2 in, dengan panjang 60 cm b. Plat besi dengan tebal 5 mm, diameter 156 mm c. Poros 1 buah dengan panjang 404 mm diameter 30 mm d. Bantalan, 2 buah e. System transmisi sabuk & pulley f. Alternator, 1 buah g.

  Pipa PVC diameter 2 in, 2 batang h. Pipa PVC diameter 1,5 in 1 batang i. Lampu j. Bak air sebagai reservoir atas dan bawah k.

  Besi siku untuk kontruksi pendukung

  3.3 Peralatan Penelitian

  Peralatan yang digunakan pada penelitian ini adalah: a.

  Satu buah runner turbin crossflow yang sudunya dibuat dari pipa besi yang dibelah. Diameter pipa 2 in untuk sudu. Diameter runner adalah 156 mm dengan lebar runner 196 mm. tiap runner mempunyai jumlah sudu 12 b. Tiga buah nozzle berbentuk persegi panjang dengan ukuran penampang

  2

  2

  2

  196 x 14 mm , 196 x 10 mm , 196 x 7 mm c. Pompa air berkapasitas 20 l/s beserta katup bypass untuk suplay kebutuhan air d.

  Alternator untuk membangkitkan listrik beserta lampu sebagai beban e. Transmisi sabuk dan pulley dengan angka transmisi 4 f. Bak penampung air 2 buah beserta kontruksi pendukung g.

  Pipa PVC berdiameter 2 in sebagai penstock dan saluran air h. Pipa PVC berdiameter 1,5 in sebagai saluran pelimpah i. Peralatan kerja bangku j. Mesin bubut, sekrap, gerinda tangan k.

  Las listrik l. Alat ukur (roll meter, jangka sorong, tachometer, multimeter)

3.4 Jalannya Penelitian

  3.4.1 Persiapan

  Persiapan yang dilakukan sebelum penelitian dilaksanakan adalah sebagai berikut. Tahap awal adalah studi pustaka. Pada tahap ini, bahan-bahan yang akan digunakan sebagai referensi penelitian dikumpulkan. Referensi yang dikumpulkan berupa buku-buku ilmiah, hasil penelitian lembaga lain, dan beberapa sumber dari internet. Referensi tersebut kemudian dipelajari, dan digunakan sebagai dasar teori dalam penelitian ini.

  Tahapan selanjutnya adalah pembuatan jadwal pelaksanaan penelitian yang akan digunakan sebagai pedoman untuk mencapai efisiensi waktu yang maksimal.

  3.4.2 Pembuatan Alat

  3.4.2.1 Desain Alat

  Pada tahapan ini, gambar kerja dibuat. Sebelum membuat gambar kerja, terlebih dahulu dibuat sketsa alat yang digunakan dalam penelitian.

  Alat uji turbin juga akan digunakan pada pelaksanaan uji prestasi. Penelitian akan dilaksanakan dengan membuat sebuah runner. Sedangkan komponen lain seperti rumah runner, alternator, transmisi sabuk dan puli, panel-panel listrik, dan nozzle akan tetap 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 sebuah pompa berkapasitas maksimum 20 L/s, Head 3 m.

  Pompa mengalirkan air yang ditampung pada sebuah bak penampung atas yang berkapasitas 160 liter. Air dialirkan menuju nozzle melalui pipa penstock berdiameter 2 inch. Air yang masuk ke nozzle digunakan untuk memutar runner di dalam rumah runner, dan masuk kembali ke dalam bak penampung bawah yang berkapasitas 240 liter. Runner akan memutar altenator yang dihubungkan dengan runner menggunakan transmisi sabuk dan puli.

  3.4.2.2 Perancangan Runner

  Untuk pembuatan runner, dipakai sudu dari pipa yang dibelah. Perancangan dan perhitungannya adalah sebagai berikut: Data perancangan Debit (Q) =

  20 L/s

  3 Head (H) = 3 m = 9,84 ft Koefisien kecepatan nozzle (C) = 0,98 Faktor koreksi nozzle (k) = 0,087 Sudut masuk (

  α) = 16°

  2 Gravitasi (g) = 32,18 ft/s

  Diameter pipa untuk sudu (d

  1 ) = 2 in

  Perhitungan : Perancangan Turbin crossflow dengan runner yang terbuat dari pipa berdiameter 2 inch (0,166 ft).

  a.

  Velocity of jet nozzle /kecepatan air masuk nozzle (V)

  V C

  2 gH =

  V ,

  98

  2 32 ,

  18 9 ,

  84 = × ×

  =

  V 24 , 66 ft/s V = 7,52 m/s b.

  Radius sudu (ρ)

  ρ = 0,5 d

  1 = 0,5 . 2

  = 1 in = 25,4 mm c.

  1 )

  Diameter runner (D

  1 ρ = 0,326 r

  r = 1 / 0,326

  1

  r

  1 = 3,067 in

  D

  1 = 2 r 1 = 6,134 inch

  = 155,8 mm

  d. )

  

1

Panjang dan diameter runner (LD ½

  LD

  1 = 210,6 . Q/H ½

  = 210,6 . 0,7 / (9,84) = 46,86 in = 1190,2 mm e.

  Panjang runner (L) L = 43,883/D

  1

  = 46,86/6,134 = 7,64 in = 194,06 mm f.

  Kecepatan putar runner (N)

  ½

  N = 862 . H / D

  1 ½

  = 862 . (9,84) / 6,134 = 441 rpm g. ) Lebar nozzle (s

  A = Q / V = 0,7 / 24,66

  2

  = 0,028 ft

  2

  = 0,0007 m S = A / L

  = 0,028. 144 / 7,64 = 0,53 in = 13,46 mm

  h. t)

  1,

  Jarak sudu pada runner (s s

  1 = k . D

  1

  = 0,087 . 6,134 = 0,53 in = 13,462 mm t = s

  1 / sin

  1

  β

• 1

  = 0,53 / sin ( tan ( 2.tan16°)) = 1,065 in

  = 27,05 mm i.

  Jumlah sudu (n) n =

  1 / t

  π . D = 3,14 . 6,134 / 1,065

  = 18 buah (pada penelitian ini, jumlah sudu dibuat menjadi 12 buah untuk variasi) j.

  Radial rim width (a) a = 0,17 . D

  1

  = 0,17 . 6,134 = 1,043 in = 26,49 mm k. D -2(a)

  

1

Diameter dalam runner =

  = 6,134– 2 (1,043 ) = 4,05 in = 103,12 mm l. )

  air

  Daya air (P P air =

  ρ.g.Q.H = 1000 . 9,81 .0,02 .3 = 588,6 watt = 0,789 HP m.

  Daya turbin maksimum (P

  ⋅ =

  ⎢ ⎣ ⎡

  5 ⎥ ⎦ ⎤

  Diameter poros _{3 1} 1 ,

  2 p.

  10 ⋅ = 833 , = kg/mm

  3

  4

  σ τ

  2 ¹ Sf Sf ^{B a}

  turbin, P d ) P turbin = P air .

  2

  Bahan poros _B σ = 10 kg/mm

  1530 =  kgmm o.

  9 ⁵ =

  441 693 , 10 x 74 ,

  10 x 74 , 9 =

  N P T ^{d 5}

  Torsi (T)

  η = 0,789. 0,878 = 0,693 HP n.

  = T C K d _{b t a s} τ

  3 ¹ 1530

  1 5 , 1 833 ,

  1 ,

  5 ⎥ ⎦ ⎤

  ⎢ ⎣ ⎡ ⋅ ⋅ ⋅ =

  = 23,37 mm (dipilih 25 mm)

3.4.2.3 Pembuatan Runner

  Sesudah perancangan selesai, dilanjutkan dengan pembuatan runner. Bagian terpenting dari turbin crossflow adalah roda jalan atau runner. Proses pembuatan

  runner memerlukan tahapan. Tahapan dalam membuat runner adalah 1.

  Pembuatan Sudu Sudu turbin dibuat dari pipa diameter 2 in yang dibelah dengan sudut 73,28 sebanyak 12 buah, kemudian pipa dipotong dengan panjang 196 mm. Pipa yang akan dibelah diberi mal dan digaris, yang bertujuan memudahkan dalam pembelahan. Pembelahan dapat dilakukan dengan gergaji tangan atau dengan mesin skrap.

   

Gambar 3.2 Sudu yang Sudah Dibelah

2. Pembuatan Piringan

  Piringan dibuat dari plat besi dengan diameter 156 mm dan tebal 20 mm yang berjumlah 2 buah. Piringan dibuat dimesin bubut dan setelah mendapat hasil yang diinginkan piringan diberi alur berdiameter 2 mm dengan kedalaman 3 mm sebanyak 12 alur setiap 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 3.3 Piringan Runner setelah Pengaluran 3.

  Pembuatan Poros Poros dibuat dari besi silinder pejal dengan panjang 404 mm dan diameter 30 mm. Poros dibuat dengan cara dibubut. Bagian tengah poros dibuat kecil dengan diameter 10 mm bertujuan untuk menghindari terjadinya pancaran air masuk dan keluar dari sudu- sudu turbin yang terhambat oleh poros yang berada ditengah-tengah turbin.  Selain itu juga untuk mempermudah centering dalam proses pengelasan nantinya.

Gambar 3.4 Poros Runner

  Setelah pembuatan poros selesai, tinggal piringan dan poros disambung dengan cara dilas. Pengelasan dilakukan harus dengan teliti supaya didapatkan hasil yang simetris dan tidak oleng. 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.

  Setelah semua sudu dilas, dilakukan finishing dengan gerinda tangan. Sisa-sisa pengelasan diratakan. Sesudah itu, dilakukan

  balancing geometri dengan mesin bubut.

4. Perakitan Runner Bagian runner yang masih terpisah disatukan dengan pengelasan.

  Poros dan piringan dilas dengan menggunakan las asetilin (las 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 yang sudah dilas 5.

  Pembuatan Tower Tower digunakan untuk tempat bak penampung atas. Untuk membuat tower digunakan besi siku berlubang, dengan ukuran tower : tinggi 5,5 m, lebar 0,5 m dan panjang 1,8 m, dan untuk penyambungannya menggunakan mur baut.

6. Pembuatan Dudukan Runner

  Dudukan Runner terdiri dari rumah Runner dan kerangka dari modul Mikrohidro dari Cihanjuang, tetapi komponen lain seperti rumah runner, generator, transmisi sabuk dan puli, panel-panel listrik, dan nosel akan dilepas/tidak digunakan dalam penelitian ini.

  Rumah Runner terbuat dari besi siku 2,5 cm x 2,5 cm dan plat yang setebal 2 mm, disambung dengan sambungan las busur listrik.