Pengaruh Bukaan Sudu Pengarah Terhadap Kerugian Head Dan Performansi Turbin FrancisVertikal PLTA TanggaUnit 4 PT. Inalum Power Plant (Persero)

PENGARUH BUKAAN SUDU PENGARAHTERHADAP
KERUGIAN HEAD DAN PERFORMANSI
TURBIN FRANCIS VERTIKAL PLTA TANGGA
UNIT 4 PT. INALUM POWER PLANT (PERSERO)

Skripsi yang Diajukan untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Oleh:
MARIO MARTIN TAMBUNAN
(110401060)

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2016

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

Abstrak

Pembangkit LIstrik Tenaga Air masih menjadi tumpuan utama
pembangkitan energi listrik di dunia khususnya Indonesia. Data pada tahun 2006
menunjukkan bahwa hampir 20% kebutuhan listrik dunia berasal dari PLTA atau

sekitar 88% sumber energy terbarukan berasal dari pemanfaatan tenaga air. Jan
Andrej Segner mengembangkan turbin air reaksi pada pertengahan 1700. Turbin
ini mempunyai sumbu horizontal dan merupakan awal mula dari turbin air
modern. Hingga pada tahun 1849, James B. Francis meningkatkan efesiensi turbin
reaksi hingga lebih dari 90%. Dia memberikan tes yang memuaskan dan
mengembangkan metode keteknikan untuk desain turbin air. Turbin Francis
dinamakan sesuai dengan namanya, yang merupakan turbin air modern pertama
dengan efesiensi lebih dari 90%. Oleh karena itu dalam pengoperasiaanya turbin
francis harus optimal. Adapun tujuan penelitian ini adalah membahas pengaruh
bukaan sudu pengarah terhadap kerugian head dan performansi turbin francis.
Besarnya nilai kerugian head akan semakin besar seiring dengan bukaan sudu
pengarah. Kerugian head terkecil yaitu 1,955684 mkemudian akan terus naik
hingga bukaan maksimum 195 mm besarnya kerugian head mencapai 10,251029
m, kemudian dihitung besarnya kerugian head pada sebuah instalasi dengan
menggunakan Software Pipe Flow expert untuk mendapatkan ralat perhitungan.
Efesiensi turbin francis akan terus naik seiring bukaan guide vane akan tetapi pada
bukaan 195 mm efisiensi turun pada titik 95,08485631%. Sehingga didapat bahwa
bukaan guide vane yang menghasilkan efesiensi maksimum yaitu pada bukaan
191 mm yaitu sebesar 95,99840019%.
Kata kunci : Turbin Francis, Kerugian Head, Pipe Flow Expert, Daya Air, Daya

Turbin, Efesiensi Turbin Francis.

Universitas Sumatera Utara

Abstract

Hydro Powerplant is the main pillar of the electrics powerplant of the
world especially in Indonesia. Data in 2006 showed that almost 20% of the world
electrics needed coming from Hydro Powerplant or 88% renewable energy
coming from utilization of water power. Jan Andrej Segner design reaction
turbine in the middle of 17th century. This turbine have horizontal shaft and start
of the modern turbine. In 1849, James B. Francis increase the efficiency of
reaction turbine until more 90%. He make a good and developed engineering
method for the design of water turbine. Francis turbine is name by his own, be the
first modern turbine with more of 90% efficiency. The operation of the francis
turbine must be optimal. The purpose of this study is discussed about the influence
off guide vane opening on head losses and performance of the francis turbine. The
minimum value of head losses is on 102mm Guide Vane Opening about 1,955684
m and the maximum is in 195 mm Guide Vane Opening about 10.251029 m. to
calculated head losses value on an installation using software called Pipe Flow

Expert. The efficiency of the francis turbine is allowed the value of Guide Vane
Opening, but in 195 mm Guide Vane Opening the efficiency of francis turbine
decreased 95.08485631%. the most efficient Guide Vane Opening is in 191 mm
about 95.99840019%.

Keywords : Francis Turbine, Head Losses, Pipe Flow Expert, Water Horse, Brake
Horse Power, Francis Turbine’s Efficiency.

Universitas Sumatera Utara

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena
hanya atas berkat dan karunia-Nya penulis dapat mengerjakan dan meyelesaikan
skripsi ini dengan baik.
Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan
untuk mencapai gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara. Adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu
“Pengaruh Bukaan Sudu Pengarah Terhadap Kerugian Head Dan
Performansi Turbin FrancisVertikal PLTA TanggaUnit 4 PT. Inalum Power

Plant (Persero)”.
Selama penulisan skripsi ini begitu banyak hambatan yang dihadapi
penulis. Oleh karena itu penulis secara khusus menyampaikan rasa terimakasih
kepada dosen pembimbing Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu, D.E.A yang dengan
sabar telah membimbing, memberikan arahan dan masukan serta sumbangan
pikiran bagi penulisan skripsi ini.
Dalam penulisan skripsi ini, penulis juga mendapat banyak masukan dan
bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu penulis

juga mengucapkan

terimakasih kepada:
1. Kedua Orang Tua penulis Maruli Tambunan dan Rita br. Siagian yang
selalu mendukung dan mendoakan penulis dalam penyelesaian Skripsi ini.
2. Bapak Dr.Ing.Ir.Ikwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik
Mesin Fakultas Teknik USU.
3. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin USU.
4. Ketiga saudara penulis, Nimsi Tambunan, Wesley Tambunan dan Sara
Tambunan
5. Seluruh teman-teman penulis, baik teman satu angkatan 2011, senior, dan

terkhusus rekan skripsi saya yaitu Salomo Sinaga yang selalu
menyemangati penulis,

serta teman- teman yang tidak dapat penulis

Universitas Sumatera Utara

sebutkan satu-persatu, yang telah menemani dan memberikan masukan
serta semangat kepada penulis.

Penulis menyadari bahwa penulisan skripsi ini masih memiliki berbagai
kekurangan. Untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun
dari berbagai pihak. Penulis juga mengharapkan skripsi ini dapat menjadi
tambahan pengetahuan bagi pembaca dan bermanfaat untuk kita semua.
Terimakasih.

Medan,

Mario Martin Tambunan

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL
LEMBAR PENGESAHAN
ABSTRAK ..........................................................................................................i
KATA PENGANTAR ........................................................................................iii
DAFTAR ISI ......................................................................................................v
DAFTAR TABEL ...............................................................................................viii
DAFTAR GAMBAR .........................................................................................x
DAFTAR SIMBOL.............................................................................................xii
BAB I PENDAHULUAN ..................................................................................1
1.1 Latar Belakang .................................................................................1
1.2 Tujuan Penelitian ..............................................................................2
1.3 Batasan Masalah ...............................................................................3
1.4 Manfaat Penelitian ............................................................................3
1.5 Metodologi Penulisan ........................................................................3
1.6 Sistematika Penulisan .......................................................................4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ........................................................................5

2.1 Mesin Fluida ......................................................................................5
2.2Teori Dasar Mekanika Fluida .............................................................5
2.2.1 Persamaan Energi ...............................................................7
2.2.2 Persamaan Kontinuitas .......................................................8
2.2.3 Bilangan Reynolds ..............................................................12
2.2.4 Persamaan Bernoulli ...........................................................12
2.2.5 Kerugian Head (Head Losses)............................................14

Universitas Sumatera Utara

2.3Turbin Air ..........................................................................................19
2.3.1 Sejarah Turbin Air ..............................................................24
2.3.2 Prinsip Kerja Turbin Air .....................................................25
2.3.3 Klasifikasi Turbin Air.........................................................22
2.3.4 Perbandingan Karakteristik Turbin Air ..............................33
2.3.5 Pemilihan Jenis Turbin .......................................................34
2.4 Dasar-dasar Perhitungan Turbin ........................................................36
2.4.1 Debit Air .............................................................................36
2.4.2 Kecepatan Spesifik .............................................................36
2.4.3 Tinggi Jatuh Air ..................................................................36

2.4.4 Daya Air (Water Horse Power), Daya Turbin (Brake
Horse Power) dan Efisiensi ...............................................37
2.5Turbin Francis ....................................................................................39
2.5.1Prinsip Kerja Turbin Francis ...............................................39
2.5.2Komponen Utama Turbin Francis PLTA Tangga ...............40
2.6 Kavitasi..............................................................................................51
BAB III METODOLOGI PENELITIAN............................................................52
3.1 Waktu dan Tempat ............................................................................52
3.2 Alat dan Bahan ..................................................................................52
3.2.1 Alat .....................................................................................52
3.2.2 Bahan ..................................................................................57
3.3 Instalasi Penelitian.............................................................................58
3.4 Metode Pengolahan Data ..................................................................58
3.5 Prosedur Penelitian ............................................................................59
BAB IV PERHITUNGAN DAN ANALISIS HASIL PERHITUNGAN ...........61
4.1Hubungan Antara Bukaan Sudu Pengarah (GVO)
Terhadap Debit Air Masuk Turbin ....................................................61
4.2Perhitungan Kerugian Head pada Tiap GVO.....................................62
4.2.1 Kerugian Head Mayor (Perhitungan) .................................63

Universitas Sumatera Utara

4.2.2 Kerugian Head Minor (Perhitungan)..................................68
4.2.3 Kerugian Head Total (Perhitungan) ...................................76
4.2.4 Kerugian Head Mayor (Simulasi dan Galat) ......................77
4.2.5 Kerugian Head Minor (Simulasi dan Galat) ......................79
4.2.6 Kerugian Head Total (Simulasi dan Galat) ........................81
4.3 Perhitungan Head Efektif pada Tiap GVO .......................................83
4.3.1 Head Efektif pada Tiap GVO (Perhitungan) ......................84
4.3.2 Head Efektif pada Tiap GVO (Simulasi dan Galat) ...........85
4.4 Hubungan Antara GVOdan Daya Air (Water Horse Power) ...........87
4.5 Hubungan Antara GVO dan Daya Terbangkit ..................................88
4.6 Hubungan Antara GVO dan Daya Turbin .........................................90
4.7 Hubungan Antara GVO dan Efisiensi Turbin ...................................91
BAB V PENUTUP .............................................................................................94
5.1 Kesimpulan .......................................................................................94
5.2 Saran .................................................................................................95
DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................96
LAMPIRAN ........................................................................................................ xiv

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1Tabel nilai k dan n untuk persamaan Hardy Cross ..............................17
Tabel 2.2Pemilihan Jenis Turbin Berdasarkan Tinggi Jatuh Air ........................34
Tabel 2.3Pemilihan Jenis Turbin Berdasarkan Kecepatan Spesifik....................35
Tabel 4.1 Hubungan Bukaan Sudu Pengarah (GVO)dan
debit air masuk turbin (QT) ..................................................................62
Tabel 4.2Kerugian Head Mayor pada GVO 102 mm .........................................67
Tabel 4.3 Kerugian Head Mayor pada GVO132 mm .........................................67
Tabel 4.4 Kerugian Head Mayor pada GVO161 mm .........................................67
Tabel 4.5 Kerugian Head Mayor pada GVO 168 mm ........................................68
Tabel 4.6 Kerugian Head Mayor pada GVO 176 mm ........................................68
Tabel 4.7 Kerugian Head Mayor pada GVO183 mm ........................................68
Tabel 4.8 Kerugian Head Mayor pada GVO186 mm ........................................69
Tabel 4.9 Kerugian Head Mayor pada GVO191 mm ........................................69
Tabel 4.10 Kerugian Head Mayor pada GVO 195 mm .....................................69
Tabel 4.11 Resistance Coefficent (K) pada
Kelengkapan Pipa PLTA Tangga .....................................................70
Tabel 4.12 Kecepatan Aliran Air pada GVO 102mm ........................................71
Tabel 4.13 Kecepatan Aliran Air pada GVO132 mm ........................................71
Tabel 4.14 Kecepatan Aliran Air pada GVO 161 mm ........................................72
Tabel 4.15 Kecepatan Aliran Air pada GVO 168 mm ........................................72
Tabel 4.16 Kecepatan Aliran Air pada GVO 176 mm ........................................72
Tabel 4.17 Kecepatan Aliran Air pada GVO183 mm .........................................72
Tabel 4.18 Kecepatan Aliran Air pada GVO 186 mm ........................................73
Tabel 4.19 Kecepatan Aliran Air pada GVO 191 mm ........................................73
Tabel 4.20 Kecepatan Aliran Air pada GVO 195 mm ........................................73

Universitas Sumatera Utara

Tabel 4.21 Kerugian Head Minor pada GVO 102 mm .......................................75
Tabel 4.22 Kerugian Head Minor pada GVO 132 mm .......................................75
Tabel 4.23 Kerugian Head Minor pada GVO 161 mm .......................................75
Tabel 4.24 Kerugian Head Minor pada GVO 168 mm .......................................76
Tabel 4.25 Kerugian Head Minor pada GVO 176 mm .......................................76
Tabel 4.26Kerugian Head Minor pada GVO 183 mm .......................................76
Tabel 4.27 Kerugian Head Minor pada GVO 186 mm ......................................77
Tabel 4.28 Kerugian Head Minor pada GVO 191 mm ......................................77
Tabel 4.29 Kerugian Head Minor pada GVO 195 mm ......................................77
Tabel 4.30 Kerugian Head Total pada Tiap GVO ..............................................78
Tabel 4.31 Kerugian Head Mayor pada Tiap GVO (Teori dan Simulasi) ..........80
Tabel 4.32 Kerugian Head Minor pada Tiap GVO (Teori dan Simulasi) ..........82
Tabel 4.33 Kerugian Head Total (Simulasi dan Galat) pada Tiap GVO ............84
Tabel 4.34 Head Efektif pada Tiap GVO (Teori) ...............................................86
Tabel 4.35Head Efektif pada Tiap GVO (Simulasi dan Galat) ..........................88
Tabel 4.36 Hubungan GVO Terhadap Daya Air (WHP) ...................................90
Tabel 4.37 Hubungan GVO Terhadap Daya Terbangkit ....................................91
Tabel 4.38Hubungan GVO Terhadap Daya Turbin ............................................93
Tabel 4.39 Hubungan GVO Terhadap Efisiensi Turbin .....................................94

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Aliran Fluida dari Diameter Besar ke Kecil ....................................9
Gambar 2.2 James B. Francis..............................................................................18
Gambar 2.3 Victor Kaplan ..................................................................................22
Gambar 2.4 Lester Pelton....................................................................................23
Gambar 2.5 Turbin Air Poros Vertikal ...............................................................24
Gambar 2.6 Turbin Pelton ...................................................................................28
Gambar 2.7 Turbin Crossflow .............................................................................29
Gambar 2.8 Penampang Turbin Crossflow .........................................................29
Gambar 2.9 Sudu turbin turgo dan nozzle ..........................................................30
Gambar 2.10 Turbin Francis ...............................................................................31
Gambar 2.11 Turbin Kaplan ...............................................................................32
Gambar 2.12 Grafik Perbandingan Karakteristik Turbin ....................................33
Gambar 2.13Tinggi Jatuh Air untuk Turbin Tekanan Sama ...............................37
Gambar 2.14Penstock yang Dihubungkan oleh Inlet Valve ..............................41
Gambar 2.15Rumah Keong (Spiral Case) ...........................................................42
Gambar 2.16 Sudu Tetap (Stay Vane) .................................................................43
Gambar 2.17 Sudu Pengarah (Guide Vane) ........................................................44
Gambar 2.18 Sudu Turbin (Runner) ...................................................................44
Gambar 2.19 Poros Turbin ..................................................................................45
Gambar 2.20 Pipa Hisap (Draft Tube) ................................................................47
Gambar 3.1 Guide Vane Meter ...........................................................................52
Gambar 3.2 Ultrasonic Flowmeter .....................................................................53
Gambar 3.3 Pressure Transducer .......................................................................56
Gambar 3.4 Precise Mercury Thermometer .......................................................54

Universitas Sumatera Utara

Gambar 3.5 Laptop .............................................................................................55
Gambar 3.6 Screenshoot Software Microsoft Office Excel 2010 ........................56
Gambar 3.7 ScreenshootSoftware Pipe Flow Expert V 6.39 ..............................67
Gambar 3.10 Diagram Alir Penelitian (Metode Analisis Perhitungan) ..............60
Gambar 3.11Diagram Alir Penelitian Simulasi
Software Pipe Flow Expert V 6.39 ......................................................................61
Gambar 4.1. Grafik Hubungan Antara Bukaan Sudu Pengarah (GVO)
dan Debit Air Masuk Turbin (QT) ......................................................................63
Gambar 4.2. Grafik Hubungan GVO dengan Kerugian Head Total...................79
Gambar 4.3. Grafik Hubungan Kerugian Mayor
dan GVO(Perhitungan dan Simulasi)..................................................................81
Gambar 4.4. Grafik Hubungan Kerugian Head Minor dan GVO
(Perhitungan dan Simulasi) .................................................................................83
Gambar 4.5. Grafik Kerugian Head Total pada Tiap GVO
(Simulasi dan Galat) ...........................................................................................85
Gambar 4.6. Grafik Hubungan Head Efektif pada Tiap GVO (Perhitungan) .....87
Gambar 4.7. Grafik Hubungan Head Efektif pada Tiap GVO
(Simulasi dan Galat) ............................................................................................89
Gambar 4.8 Hubungan Bukaan Sudu Pengarah Dengan Daya Air .....................91
Gambar 4.9Hubungan Sudu Pengarah Terhadap Daya Terbangkit ....................92
Gambar 4.10Hubungan Sudu Pengarah Terhadap Daya Turbin .........................94
Gambar 4.11Hubungan Sudu Pengarah Terhadap Efisiensi Turbin ...................95

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR SIMBOL

SIMBOL

ARTI

SATUAN

Q

Kapasitas Aliran/Debit Air

m3/s

QT

Debit Air Masuk Turbin

m3/s

A

Luas Penampang

m2

D

Diameter pipa

m

p

Tekanan

kPa

γ

Berat Spesifik

kN/m3

ρ

Massa jenis

kg/m3

v

Kecepatan Aliran

m/s

V

Volume

m3

z

Head Ketinggian

m

L

Panjang Pipa

m

g

Percepatan Gravitasi

m/s2

f

Faktor Gesekan

-

hL

Kerugian Head Total

m

hf

Kerugian HeadMayor

hm

Kerugian HeadMinor

m

heffektif

Head Effektif

m

hmaks

Head Maksimum

m

hs

Jarak
Vertikal
Tail Race Water Level

μ

Viskositas dinamis

Ns/m2

C

Resistance Coefficient di Fitting

-

K

Koefisien Kerugian Komponen Pipa

-

ε

Koefisien Kekasaran Pipa

m

Re

Bilangan Reynolds

-

m

Runner
m

antara

dan

Universitas Sumatera Utara

patm

Head Tekanan Atmosfer

m

pmin

Head Tekanan Minimum

m

pv

Head Tekanan Uap Jenuh

m

σa

Angka Thoma Aktual

-

σc

Angka Thoma Kritis

-

σa/σc

Tingkat Kavitasi

-

Universitas Sumatera Utara