Uji Eksperimental Pada Turbin Kaplan dan Analisa Performansi Dengan Variasi Jumlah Sudu Gerak Terhadap Sudut Sudu Pengarah 20o dan Jarak Vertikal 20 Cm Chapter III V
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1.
Tempat dan Waktu Penelitian
3.1.1. Tempat Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di lantai 4, gedung Departemen Teknik Mesin,
Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
3.1.2. Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan selama 8 bulan, yaitu mulai bulan Juni 2016
sampai Januari 2017. Persiapan dan pembuatan turbin Kaplan dilakukan pada bulan
Juni – Desember 2016. Pengujian dan pengambilan data dilakukan pada bulan
Januari 2017.
3.2.
Spesifikasi Turbin Kaplan
Spesifikasi turbin Kaplan dalan uji eksperimental turbin Kaplan dan analisa
perbandingan variasi jumlah sudu gerak adalah sebagai berikut:
Jumlah sudu gerak (blade) = 6, 7, dan 8
Diameter luar sudu gerak
= 16 cm
Tinggi sudu pengarah
= 9 cm
Sudut sudu pengarah
= 20o
Jarak vertikal
= 20 cm
Diameter dalam sudu gerak = 4 cm
Adapun perlengkapan turbin Kaplan meliputi:
3.2.1. Sudu Gerak
Sudu gerak terdiri dari sudu yang terpasang tetap pada poros atau cincin.
Sudu didesain supaya air masuk dan meninggalkan turbin tanpa kejut. Sudu
gerak terpasang pada poros. Jika porosnya vertikal, disebut turbin vertikal,
dan jika poros horisontal maka disebut turbin horisontal. Untuk head
rendah, sudu gerak bisa dibuat dari besi tuang, tetapi untuk head tinggi, sudu
gerak dibuat dari baja atau paduan. Jika air secara kimia tidak murni, sudu
gerak dibuat dari paduan khusus.
26
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.1. Sudu Gerak
3.2.2. Sudu Pengarah
Turbin Kaplan adalah salah satu jenis dari turbin reaksi aliran ke dalam
(inward), yakni turbin reaksi di mana air memasuki turbin pada bagian
lingkaran luar dan mengalir menuju ke dalam pusat turbin melalui sudu
pengarah. Turbin reaksi ini terdiri dari sudu pengarah tetap, yang
mengarahkan air ke sudu bergerak dengan sudut yang benar. Air ketika
mengalir pada sudu pengarah, menghasilkan gaya ke sudu gerak. Gaya ini
menyebabkan sudu gerak berputar.
Sudu pengarah terpasang tetap diantara dua cincin dalam bentuk roda. Roda
ini dipasang tetap pada rumah turbin. Sudu pengarah didesain untuk:
Supaya air masuk ke sudu gerak tanpa kejut.
Supaya sejumlah air bisa memasuki turbin.
Sudu pengarah bisa dibuka dan ditutup dengan memutar poros pengatur,
sehingga jumlah air bisa diatur sesuai keperluan. Poros pengatur
dioperasikan dengan menggunakan governor, yang fungsinya mengatur
turbin (yaitu menjaga kecepatan turbin konstan pada beban yang bervariasi).
Sudu pengarah yang dipakai adalah sudu pengarah dengan sudut 20o.
27
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.2.Sudu Pengarah 20o
3.2.3. Poros
Adapun poros turbin yang digunakan dalam penelitian terbuat dari besi pipa
dengan diameter 19 mm yang dipasang vertikal di dalam rumah turbin.
3.2.4. Rumah Turbin ( Spiral Chasing )
Rumah turbin akan mendistribusikan air secara merata kepada sudu
pengarah. Untuk mencapai aliran seragam pada sudu gerak, maka aliran air
harus seragam masuk ke dalam sudu pengarah. Air dari saluran pipa
didistribusikan di sekeliling cincin rumah turbin. Rumah turbin didesain
sehingga luas penampang melintangnya berkurang secara seragam. Luas
penampangnya melintang maksimum pada sisi masuk dan minimum pada
ujung.
Setelah air melewati sudu pengarah, air di dalam rumah turbin bergerak
menuju sudu gerak. Setelah melewati sudu gerak, maka air menuju draft
tube.
28
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.3. Rumah Turbin (Spiral Chasing)
3.2.5. Draft Tube
Setelah air melewati sudu gerak, air akan mengalir turun melalui sebuah
pipa yang disebut dengan draft tube. Fungsi dari draft tube adalah:
Meningkatkan efisiensi turbin
Mengarahkan air yang jatuh dari sudu pengarah ke sudu gerak.
Meningkatkan tekanan air yang masuk ke sudu gerak
Draft tube memiliki penampang masuk yang kecil dan penampang keluar
yang besar.
Gambar 3.4. Draft Tube
29
Universitas Sumatera Utara
3.2.6. Puli (Pulley)
Puli yang dipergunakan dalam penelitian sebanyak 2 buah puli. Puli dengan
diameter 6 inci ditempatkan di poros turbin dan puli dengan diameter 2 inci
ditempatkan di poros alternator.
3.2.7. Sabuk (Belt)
Sabuk berfungsi untuk meneruskan putaran dari poros turbin ke poros
alternator, dimana daya dari poros tersebut dimanfaatkan untuk pengisian
aki. Berikut merupakan spesifikasi dari sabuk:
Tipe
: V-Belt Mitsuboshi A-52
Jumlah
: 1 buah
3.2.8. Tangki Air
Tempat penampungan air sementara sebelum dialirkankan ke rumah turbin
melalui pipa PVC. Tangki air dengan kapasitas 250 Liter.
Gambar 3.5. Tangki Air
30
Universitas Sumatera Utara
3.3.
Peralatan Pengujian
Adapun beberapa peralatan yang digunakan dalam pengujian adalah:
3.3.1. Hand Tachometer
Alat ini digunakan untuk mengukur putaran (rpm) poros turbin Kaplan yang
digunakan dalam uji eksperimental turbin Kaplan analisa variasi jumlah
sudu gerak pada sudut sudu pengarah 20o ini, hand tachometer yang
digunakan adalah Krisbow KW06-303 dengan spesifikasi:
Ketelitian (akurasi) : ± 0,05% + 1 digit
Range
: autorange
Sampling Time
: 0,8 s (over 60 rpm)
3.3.2. Clamp Meter
Clamp Meter digunakan untuk mengukur besarnya arus listrik (ampere)
yang dihasilkan melalui rangkaian listrik (beban) dengan cara dihubungkan
seri pada rangkaian listrik. Dalam uji eksperimental turbin Kaplan ini, clamp
meter yang digunakan adalah Krisbow KW06-286 dengan spesifikasi:
Tabel 3.1 Jangkauan dan akurasi Clamp meter
FUNGSI
ARUS AC
Jangkauan
Akurasi
2000 AAC
+ (2.5% + 10 digits)
20.00 AAC
200.0 AAC
+ (2.5% + 4 digits)
400 AAC
+ (3.0% + 4 digits)
200.0 mVDC
+ (0.5% + 5 digits)
2.000 VDC
TEGANGAN DC
20.00 VDC
+ (1.2% + 3 digits)
200 VDC
600 VDC
+ (1.5% + 3 digits)
200.0 mVAC
+ (1.5% + 30 digits)
2.000 VAC
TEGANGAN AC
20.00 VAC
+ (1.5% + 3 digits)
200 VAC
600 VAC
+ (2.0% + 4 digits)
31
Universitas Sumatera Utara
200 Ω
+ (1.0% + 4 digits)
2 kΩ
RESISTANSI
20 kΩ
+ (1.5% + 2 digits)
200 kΩ
2 MΩ
+ (2.0% + 3 digits)
20 M Ω
+ (3.0% + 5 digits)
3.3.3. Multimeter
Multimeter digunakan untuk mengukur besarnya tegangan listrik (volt) yang
dibangkitkan oleh dinamo dengan cara dihubungkan paralel pada rangkaian
listrik. Dalam uji eksperimental turbin Kaplan ini, multimeter yang
digunakan adalah tipe fluke 15B digital multimeter dengan spesifikasi:
Range : DC voltage
: 0, 0.2, 2, 20, 200, 1000 V
AC voltage : 0, 200, 750 V
DC current : 0 µA, 200 µA, 2 mA, 20 mA, 200 mA
Resistance
: 200 Ω, 2 kΩ, 20 kΩ, 200 kΩ, 2000 kΩ
32
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.6. Multi Meter
3.3.4. Alternator
Alternator listrik adalah sebuah alat yang memproduksi energi listrik dari
sumber energi mekanik berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik
Gambar 3.7. Alternator
3.3.5. Instalasi Rangkaian Lampu
Pada instalasi ini mengunakan rangkaian paralel yang terdiri dari lampu
LED 5 dan 7 watt masing-masing sebanyak 1 buah. Pada masing-masing
lampu dipasang saklar yang berfungsi untuk menghubungkan dan
memutuskan aliran listrik ke lampu.
33
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.8. Instalasi Rangkaian Lampu
3.3.6. Pompa
Pompa digunakan untuk memompa air dari tangki bawah ke tangki atas agar
menjaga persediaan air di tangki atas konstan selama percobaan. Kapasitas
pompa yang dipakai adalah sebesar 6 Liter / detik.
3.4.
Instalasi Turbin Kaplan
Instalasi pemipaan pada uji eksperimental turbin Kaplan menggunakan
mengalirkan/ menjatuhkan air dari tangki dengan volume 250 Liter ke
rumah turbin melalui pipa. Pipa yang digunakan berdiameter 3 inci dari
bahan PVC. dan dicatat waktu untuk menghabiskan air di dalam tangki
tersebut. Air yang masuk ke dalam rumah turbin menuju sudu pengarah
(guide vane) dan akan diteruskan menuju sudu gerak (runner blade).
Putaran yang dihasilkan oleh turbin diteruskan ke alternator melalui
transmisi puli dan sabuk (belt).
34
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.9. Instalasi Turbin Kaplan
35
Universitas Sumatera Utara
3.5.
Pelaksanaan Pengujiaan
Uji eksperimental turbin Kaplan dengan 6,7, dan 8 sudu gerak pada sudut
sudu pengarah 20o ini dilakukan di Lantai 4, Departemen Teknik Mesin,
Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Pengukuran-pengukuran
yang dilakukan terhadap penelitian ini meliputi:
1.
Pengukuran debit air dengan menggunakan stopwatch dengan cara
menghitung waktu yang habis dipakai untuk menghabiskan tangki..
2.
Pengukuran putaran (rpm) poros turbin Kaplan dan poros alternator
dengan menggunakan Hand Tachometer.
3.
Pengukuran torsi (Nm) pada poros turbin dengan menggunakan
neraca pegas
4.
Pengukuran tegangan listrik (volt) dengan menggunakan voltmeter.
5.
Pengukuran arus listrik (ampere) dengan menggunakan Clamp Meter.
Sebelum dilakukan pengujian turbin Kaplan dan pengambilan data,
terlebih dahulu dilakukan pemeriksaan (checking) terhadap beberapa
instalasi dan peralatan, yang meliputi:
1.
Pemeriksaan sambungan pipa di instalasi tidak terjadi kebocoran.
2.
Pemeriksaan pipa penghubung air masuk ke rumah turbin sudah
terikat kuat dengan tidak ada celah air keluar.
3.
Pemeriksaan pada jarak vertikal sudu gerak sejajar dengan posisi
bawah sudu pengarah.
4.
Pemeriksaan pada sudu pengarah dengan sudut 20o.
5.
Pemeriksaan sudu gerak tidak menyentuh draft tube.
6.
Pemeriksaan kesesuaian jarak puli dan sabuk.
7.
Permeriksaan puli dapat berputar dengan baik.
8.
Pemeriksaan instalasi lampu sebagai beban.
9.
Pemeriksaan poros turbin Kaplan dan poros generator serta
pemberian pelumas pada bearing.
10. Pemeriksaan alternator.
36
Universitas Sumatera Utara
Setelah prosedur pemeriksaan terhadap beberapa instalasi dan peralatan di
atas selesai dilakukan dan pemeriksaan dipastikan dalam kondisi standby,
maka prosedur pengujian pun dapat dimulai. Adapun prosedur pengujian uji
eksperimental turbin Kaplan dengan 6, 7 dan 8 sudu gerak pada sudut sudu
pengarah 20o ini adalah sebagai berikut:
1.
Pengujian pertama dilakukan dengan sudu berjumlah 6 buah.
2.
Buka katup pada pipa dari tangki sehingga air mengalir menuju
rumah turbin.
3.
Dilakukan monitoring terhadap sudu gerak tidak menyentuh draft
tube dan sudu pengarah dan poros dalam keadaan stabil. Air di dalam
tangki juga dikontrol agar selalu dalam kondisi penuh agar
ketinggiannya stabil.
4.
Setelah aliran air pada pipa penghubung dan putaran turbin konstan,
maka dilakukan :
a.
Pengukuran putaran pada poros turbin Kaplan dan poros
generator dengan Hand Tachometer.
b.
Pengukuran tegangan listrik (volt) dengan Multimeter
c.
Pengukuran arus listrik (ampere) dengan Clamp Meter
5.
Setelah pengambilan data selesai dilakukan, pompa dimatikan.
6.
Setelah pengukuran pada turbin Kaplan dengan menggunakan sudu
6 selesai, maka dilakukan penggantian dengan sudu 7 dan 8.
7.
Kemudian dilakukan pengujian kembali seperti prosedur-prosedur
diatas untuk sudu gerak 7 dan 8.
Besaran-besaran yang diukur dan dicatat meliputi:
1.
Putaran poros turbin Kaplan (rpm)
2.
Putaran poros alternator (rpm)
3.
Tegangan listrik yang dihasilkan generator (V)
4.
Arus listrik yang melalui rangkaian (A)
37
Universitas Sumatera Utara
Dari besaran-besaran di atas dapat dihitung besaran turunan lainnya
seperti:
1.
Daya Air
2.
Daya Turbin Kaplan
3.
Daya Alternator
4.
Efisiensi Turbin Kaplan
38
Universitas Sumatera Utara
Flowchart uji eksperimental turbin Kaplan dan analisa perbandingan variasi
jumlah sudu gerak (dengan 6, 7 dan 8 buah sudu)
MULAI
Tinjauan Pustaka
Buku-buku Pedoman,
Jurnal-Jurnal Pendukung,
dan sebagainya
Survei Data
Head dan Debit
Penentuan Jenis
Turbin
Tidak
Perhitungan
Kecepatan Spesifik
Ya
Rancang Bangun Instalasi Turbin
Kaplan Dengan Jumlah Sudu Gerak
6, 7, Dan 8 Sudu
Pengujian Turbin Kaplan
Dengan Variasi Jumlah
Sudu Gerak 6, 7, dan 8 Sudu
Kesimpulan dan Saran
SELESAI
39
Universitas Sumatera Utara
BAB IV
ANALISA DATA DAN HASIL PENGUJIAN
4.1. Perhitungan Dimensi Dasar Turbin Kaplan
4.1.1. Kapasitas Aktual Dan Head Efektif Instalasi
Pengukuran dilakukan dengan menampung air dari instalasi pipa pada
tangki dengan kapasitas 250 L dan head 2 meter, diambil sebanyak 3 kali.
Tabel 4.1. Hasil Pengukuran Kapasitas Aktual Instalasi
Pengujian
Kapasitas (L)
Waktu (s )
1
250
41
2
250
39
3
250
40
Maka dari data dapat diperoleh:
Q=
Q=
Kapasitas L
Waktu s
Q= ,
Q= ,
L
s
L/s
m /s
4.1.2. Dimensi Dasar Turbin Kaplan
Kecepatan aliran air masuk turbin diperoleh melalui persamaan 2.6
sebesar:
v= ,
m/s:
Melalui persamaan 2.3 diperoleh daya air teoritis sebesar:
P ir =
,
Watt:
40
Universitas Sumatera Utara
Putaran rencana = 1200 rpm
ηT = 90 %
Maka, secara teoritis daya turbin yang diperoleh adalah:
P
P
r in
r in
= η x P ir
= ,
kW
Kecepatan Spesifik
Dengan kecepatan spesifik, dapat ditentukan pemilihan jenis turbin. Di awal
putaran rencana ditentukan 1200 rpm. Maka kecepatan spesifiknya dapat
diperoleh dengan persamaan 2.18 sebesar:
Ns =
,
rpm
Dari hasil di atas diperoleh maka dapat memenuhi perancangan turbin
Kaplan.
Diameter luar sudu gerak (D):
Dari persamaan 2.7, maka diperoleh nilai diameter luar sudu gerak:
D= ,
m
D=
D≈
,
cm
cm
Tinggi sudu pengarah (B):
Dari persamaan 2.8, tinggi sudu pengarah yang diperoleh sebesar:
B= ,
B= ,
Diameter dalam sudu gerak (Db):
Dari persamaan 2.9, maka diperoleh nilai diameter dalam sudu gerak :
Db = ,
m
Db =
Db ≈
,
cm
cm
41
Universitas Sumatera Utara
4.1.3. Dimensi Dasar Sudu Gerak
Analisa segitiga kecepatan masuk sudu gerak:
Kecepatan tepi (rim) diameter boss dengan persamaan 2.10 diperoleh:
= ,
/
Kecepatan tepi (rim) diameter dalam dengan persamaan 2.11diperoleh:
=
,
/
Kecepatan pusaran air diameter boss dan diameter dalam dengan persamaan
2.12 diperoleh:
�
= ,
/
Kecepatan pusaran air diameter boss dan diameter dalam dengan persamaan
2.13 diperoleh:
�
= ,
/
Sudut sudu pada area fluida masuk dengan persamaan 2.14 diperoleh
sebesar:
�� =
,
Sudut sudu pada area fluida keluar dengan persamaan 2.15 diperoleh
sebesar:
�
=
,
42
Universitas Sumatera Utara
4.2. Perhitungan Efisiensi Turbin Kaplan Dengan 6 Sudu Gerak Dan Sudut
Sudu Pengarah 20o.
4.2.1. Hasil Pengukuran
Dari hasil pengukuran dengan alat ukur clamp meter, multimeter, dan
tachometer diperoleh data:
a.
Untuk pembebanan tanpa lampu:
1) Arus yang dihasilkan alternator (I0)
: 97,8 mA
2) Tegangan yang dihasilkan alternator (V0)
: 213,6 V
3) Putaran poros turbin (N10)
: 351,7 rpm
4) Putaran poros alternator (N20)
: 946,2 rpm
b. Untuk pembebanan 1 lampu (5 Watt):
1) Arus yang dihasilkan alternator (I5)
: 78,2 mA
2) Tegangan yang dihasilkan alternator (V5)
: 112,3 V
3) Putaran poros turbin (N15)
: 345,9 rpm
4) Putaran poros alternator (N25)
: 930,6 rpm
c. Untuk pembebanan 1 lampu (7 Watt):
1) Arus yang dihasilkan alternator (I7)
: 77,3 mA
2) Tegangan yang dihasilkan alternator (V7)
: 107,9 V
3) Putaran poros turbin (N17)
: 320,8 rpm
4) Putaran poros alternator (N27)
: 863 rpm
d. Untuk pembebanan 2 lampu ( 12 Watt):
1) Arus yang dihasilkan alternator (I12)
: 76,6 mA
2) Tegangan yang dihasilkan alternator (V12)
: 96,9 V
3) Putaran poros turbin (N112)
: 316,9 rpm
4) Putaran poros alternator (N212)
: 852,6 rpm
4.2.2. Analisa Daya dan Putaran Alternator Pemberi Beban
Dari data yang diperoleh dari hasil pengujian, dapat diketahui bahwa
tegangan dan besar arus yang dihasilkan alternator menggunakan alat ukur
tergantung pada besar beban (lampu) yang digunakan, sehingga dapat dihitung
besar dayanya melalui persamaan 2.20.
43
Universitas Sumatera Utara
Maka daya yang dihasilkan alternator adalah sebagai berikut:
a. Tanpa pembebanan lampu:
P0 = I0.V0
P0 = (97,8 x 10-3) x 213,6
P0 = 20,898 Watt
b. Pembebanan 1 lampu (5 Watt):
P5 = I5.V5
P5 = (78,2 x 10-3) x 112,3
P5 = 8,785 Watt
c. Pembebanan 1 lampu (7 Watt):
P7 = I7.V7
P7 = (77,3 x 10-3) x 107,9
P7 = 8,3437 Watt
d. Pembebanan 1 lampu (12 Watt):
P12 = I12.V12
P12 = (76,6 x 10-3) x 96,9
P12 = 7,4287 Watt
Maka dari perhitungan di atas dapat di buat tabel sebagai berikut:
Tabel 4.2. Hasil percobaan dan daya yang dihasilkan alternator dengan 6 sudu
gerak
Beban
Lampu
(Watt)
Arus
(mA)
Tegangan
(Volt)
Putaran
Turbin
(rpm)
Putaran
Alternator
(rpm)
Daya
Alternator
(Watt)
0
97,8
213,6
351,7
946,2
20,898
5
78,2
112,3
345,9
930,6
8,785
7
12
77,3
76,6
107,9
96,9
320,8
316,9
863
852,6
8,3437
7,4287
44
Universitas Sumatera Utara
Dari data yang tertera di tabel 4.2, maka dapat dibuat grafik untuk
mengetahui lebih jelas perubahan daya pada alternator terhadap perubahan beban
lampu yang dipasang.
Beban Lampu vs Daya Alternator
Daya Alternator (Watt)
25
20,898
20
15
8,785
10
8,3437
7,4287
5
0
0
5
7
Beban Lampu (Watt)
12
Gambar 4.1. Grafik Perubahan Beban terhadap Daya pada Alternator dengan 6
sudu gerak
Dengan melihat grafik di atas, dapat dianalisa bahwa semakin besar
penambahan beban, maka semakin kecil daya pada alternator. Selanjutnya
hubungan antara perubahan putaran di poros alternator terhadap penambahan beban
lampu dapat di lihat pada gambar 4.2. Dari gambar 4.2, dapat dianalisa bahwa
semakin besar penambahan beban, maka semakin kecil putaran poros alternator. Di
mana putaran poros alternator tanpa beban lampu adalah 946,2 rpm dan ketika
diberi beban lampu paling besar (12 Watt) putaran alternatornya menjadi 852,6
rpm.
45
Universitas Sumatera Utara
Beban Lampu vs Putaran Alternator
Putaran Alternator (rpm)
1200
930,6
1000
946,2
863
852,6
7
12
800
600
400
200
0
0
5
Beban Lampu (Watt)
Gambar 4.2. Grafik Penambahan Beban Lampu terhadap Putaran Alternator
dengan 6 Sudu Gerak
4.2.3. Pengujian Torsi dan Putaran Berbeban
Data pengujian diperoleh dari pengukuran yang dilakukan dalam waktu
yang bersamaan. Pengujian membutuhkan waktu yang cukup lama untuk
menentukan pembebanan yang tepat sebelum poros berhenti berputar. Pembebanan
ini dilakukan menggunakan gesekan tali yang dikaitkan pada 2 neraca pegas. Waktu
pengujian sampel sepanjang 20 detik, dibutuhkan lebih dari 15 x pengujian untuk
setiap perubahan variasi. Pengukuran putaran dalam kondisi poros terbeban hampir
berhenti.
Tabel 4.3. Hasil Pengujian Torsi dan Putaran Berbeban dengan 6 Sudu Gerak
Beban Lampu ( Watt )
0
5
7
12
Torsi (Nm)
0,56
0,54
0,49
0,47
Putaran (rad/s)
36,8165
36,2094
33,5791
33,1714
46
Universitas Sumatera Utara
Putaran vs Torsi
0,58
0,56
0,56
0,54
Torsi (Nm)
0,54
0,52
0,49
0,5
0,47
0,48
0,46
0,44
0,42
33,1714
33,5791
36,2094
36,8165
Putaran (rad/s)
Gambar 4.3. Grafik Putaran vs Torsi dengan 6 Sudu Gerak
4.2.4. Efisiensi Daya Turbin dan Daya Alternator
Performansi pada turbin merupakan daya mekanik yang dihasilkan dari
sebuah turbin. Untuk mendapatkan nilai tersebut maka data yang dibutuhkan adalah
kecepatan sudut (ω) dan torsi (T).
Untuk menghitung daya turbin, maka digunakan rumus:
=
Dimana:
.�
P = Daya turbin
T = Torsi
ω = Kecepatan sudut (rpm)
Untuk menghitung kecepatan sudut dipakai rumus:
�=
�
Dimana:
N = 351,7 rpm
�=
�
47
Universitas Sumatera Utara
�=
�=
,
,
/
Daya turbin aktual diperoleh:
=
.�
=
,
= 0,56 x 36,8165
Untuk menghitung efisiensi turbin dapat dihitung dengan menggunakan rumus:
�=
�
�
�
Dimana:
%
Pturbin = 20,911 Watt
Pair
,
=
Maka:
�=
�=
,
,
,
Watt
�
%
%
4.2.5. Efisiensi Puli
Untuk mengetahui efisiensi puli dapat menggunakan rumus sebagai berikut:
�
�
=
�
.�
.�
�
�
%
Maka efisiensi puli saat pengujian saat tanpa pembebanan adalah:
�
�
�
�
=
=
Dimana:
,
,
,
.
.
%
,
�
,
%
Diameter puli alternator
= 0,0508 m
Diameter puli turbin
= 0,1524 m
48
Universitas Sumatera Utara
4.3. Perhitungan Efisiensi Turbin Kaplan Dengan 7 Sudu Gerak Dan Sudut
Sudu Pengarah 20o.
4.3.1. Hasil Pengukuran
Dari hasil pengukuran dengan alat ukur clamp meter, multimeter, dan
tachometer diperoleh data:
a. Untuk pembebanan tanpa lampu:
1) Arus yang dihasilkan alternator (I0)
: 92 mA
2) Tegangan yang dihasilkan alternator (V0)
: 215,5 V
3) Putaran poros turbin (N10)
: 342,6 rpm
4) Putaran poros alternator (N20)
: 918,1 rpm
b. Untuk pembebanan 1 lampu (5 Watt):
1) Arus yang dihasilkan alternator (I5)
: 74,5 mA
2) Tegangan yang dihasilkan alternator (V5)
: 106,7 V
3) Putaran poros turbin (N15)
: 335,2 rpm
4) Putaran poros alternator (N25)
: 898,3 rpm
c. Untuk pembebanan 1 lampu (7 Watt):
1) Arus yang dihasilkan alternator (I7)
: 74,3 mA
2) Tegangan yang dihasilkan alternator (V7)
: 102,5 V
3) Putaran poros turbin (N17)
: 287,3 rpm
4) Putaran poros alternator (N27)
: 769,9 rpm
d. Untuk pembebanan 2 lampu ( 12 Watt):
1) Arus yang dihasilkan alternator (I12)
: 70,9 mA
2) Tegangan yang dihasilkan alternator (V12)
: 92 V
3) Putaran poros turbin (N112)
: 274,4 rpm
4) Putaran poros alternator (N212)
: 735,3 rpm
4.3.2. Analisa Daya Dan Putaran Alternator Pemberi Beban
Dari data yang diperoleh dari hasil pengujian, dapat diketahui bahwa
tegangan dan besar arus yang dihasilkan alternator menggunakan alat ukur
tergantung pada besar beban (lampu) yang digunakan, sehingga dapat dihitung
besar dayanya dengan persamaan 2.10.
49
Universitas Sumatera Utara
Maka daya yang dihasilkan alternator adalah sebagai berikut:
a. Tanpa pembebanan lampu:
P0 = I0.V0
P0 = (92 x 10-3) x 215,5
P0 = 19,853 Watt
b. Pembebanan 1 lampu (5 Watt):
P5 = I5.V5
P5 = (74,5 x 10-3) x 106,7
P5 = 7,953 Watt
c. Pembebanan 1 lampu (7 Watt):
P7 = I7.V7
P7 = (74,3 x 10-3) x 102,5
P7 = 7,6194 Watt
d. Pembebanan 1 lampu (12 Watt):
P12 = I12.V12
P12 = (70,9 x 10-3) x 92
P12 = 6,53378 Watt
Maka dari perhitungan di atas dapat di buat tabel sebagai berikut:
Tabel 4.4. Hasil percobaan dan daya yang dihasilkan alternator dengan 7 sudu
gerak
Beban
Lampu
(Watt)
Arus
(mA)
Tegangan
(Volt)
Putaran
Turbin
(rpm)
Putaran
Alternator
(rpm)
Daya
Alternator
(Watt)
0
5
7
12
92
74,5
74,3
70,9
215,5
106,7
102,5
92
342,6
335,2
287,3
274,4
918,1
898,3
769,9
735,3
19,853
7,953
7,6194
6,53378
50
Universitas Sumatera Utara
Dari data yang tertera di tabel 4.4 di atas, maka dapat dibuat grafik untuk
mengetahui lebih jelas perubahan daya pada alternator terhadap perubahan beban
lampu yang dipasang.
Beban Lampu vs Daya Alternator
Daya Alternator (Watt)
25
20
19,853
15
10
7,6194
6,53378
7,953
5
0
0
5
7
12
Beban Lampu (Watt)
Gambar 4.4. Grafik Perubahan Beban terhadap Perubahan Daya pada Alternator
dengan 7 sudu gerak
Dengan melihat grafik di atas, dapat dianalisa bahwa semakin besar
penambahan beban, maka semakin kecil daya pada alternator. Selanjutnya
hubungan antara perubahan putaran di poros alternator terhadap penambahan beban
lampu dapat di lihat pada gambar 4.5. Dari gambar 4.5, dapat dianalisa bahwa
semakin besar penambahan beban, maka semakin kecil putaran poros alternator. Di
mana putaran poros alternator tanpa beban lampu adalah 918,1 rpm dan ketika
diberi beban lampu paling besar (12 Watt) putaran alternatornya menjadi 735,5
rpm.
51
Universitas Sumatera Utara
Beban Lampu vs Putaran Alternator
Putaran Alternator (rpm)
1200
1000
918,1
800
769,9
735,3
7
12
898,3
600
400
200
0
0
5
Beban Lampu (Watt)
Gambar 4.5. Grafik Penambahan Beban Lampu terhadap Putaran Alternator
dengan 7 Sudu Gerak
4.3.3. Pengujian Torsi dan Putaran Berbeban
Data pengujian diperoleh dari pengukuran yang dilakukan dalam waktu
yang bersamaan. Pengujian membutuhkan waktu yang cukup lama untuk
menentukan pembebanan yang tepat sebelum poros berhenti berputar. Pembebanan
ini dilakukan menggunakan gesekan tali yang dikaitkan pada 2 neraca pegas. Waktu
pengujian sampel sepanjang 20 detik, dibutuhkan lebih dari 15 x pengujian untuk
setiap perubahan variasi. Pengukuran putaran dalam kondisi poros terbeban hampir
berhenti.
Tabel 4.5. Hasil Pengujian Torsi Dan Putaran Berbeban Dengan 7 Sudu Gerak
Beban Lampu ( Watt )
0
5
7
12
Torsi (Nm)
0,55
0,53
0,39
0,37
Putaran (rad/s)
35,858
35,084
30,07
28,72
52
Universitas Sumatera Utara
Putaran vs Torsi
0,6
0,53
0,55
0,5
Torsi (Nm)
0,39
0,37
0,4
0,3
0,2
0,1
0
28,72
30,07
35,084
35,858
Putaran (rad/s)
Gambar 4.6. Grafik Putaran vs Torsi dengan 7 Sudu Gerak
4.3.4. Efisiensi Daya Turbin dan Daya Alternator
Performansi pada turbin merupakan daya mekanik yang dihasilkan dari
sebuah turbin. Untuk mendapatkan nilai tersebut maka data yang dibutuhkan adalah
kecepatan sudut (ω) dan torsi (T).
Untuk menghitung daya turbin, maka digunakan rumus:
=
Dimana:
.�
P = Daya turbin
T = Torsi
ω = Kecepatan sudut (rpm)
Untuk menghitung kecepatan sudut dipakai rumus:
�=
�
Dimana:
N = 342,6 rpm
�=
�=
�
,
53
Universitas Sumatera Utara
�=
,
/
Daya turbin aktual diperoleh:
=
.�
=
,
= 0,55 x 35,858
Untuk menghitung efisiensi turbin dapat dihitung dengan menggunakan rumus:
�=
�
�
�
Dimana:
%
Pturbin = 19,865 Watt
Pair
,
=
Maka:
�=
�=
,
,
,
Watt
�
%
%
4.3.5. Efisiensi Puli
Untuk mengetahui efisiensi puli dapat menggunakan rumus sebagai berikut:
�
�
=
�
.�
.�
�
�
%
Maka efisiensi puli saat pengujian saat tanpa pembebanan adalah:
�
�
�
�
=
=
Dimana:
,
,
,
.
.
%
,
�
,
%
Diameter puli alternator
= 0,0508 m
Diameter puli turbin
= 0,1524 m
54
Universitas Sumatera Utara
4.4. Perhitungan Efisiensi Turbin Kaplan dengan 8 Sudu Gerak dan Sudut
Sudu Pengarah 20o.
4.4.1. Hasil Pengukuran
Dari hasil pengukuran dengan alat ukur clamp meter, multimeter, dan
tachometer diperoleh data:
a. Untuk pembebanan tanpa lampu:
1) Arus yang dihasilkan alternator (I0)
: 115,5 mA
2) Tegangan yang dihasilkan alternator (V0)
: 198 V
3) Putaran poros turbin (N10)
: 383,6 rpm
4) Putaran poros alternator (N20)
: 1031,4 rpm
b. Untuk pembebanan 1 lampu (5 Watt):
1) Arus yang dihasilkan alternator (I5)
: 98,45 mA
2) Tegangan yang dihasilkan alternator (V5)
: 134,7 V
3) Putaran poros turbin (N15)
: 335,9 rpm
4) Putaran poros alternator (N25)
: 896,8 rpm
c. Untuk pembebanan 1 lampu (7 Watt):
1) Arus yang dihasilkan alternator (I7)
: 97,6 mA
2) Tegangan yang dihasilkan alternator (V7)
: 132 V
3) Putaran poros turbin (N17)
: 326,7 rpm
4) Putaran poros alternator (N27)
: 872.2 rpm
d. Untuk pembebanan 2 lampu ( 12 Watt):
1) Arus yang dihasilkan alternator (I12)
: 95,1 mA
2) Tegangan yang dihasilkan alternator (V12)
: 118,2 V
3) Putaran poros turbin (N112)
: 306,8 rpm
4) Putaran poros alternator (N212)
: 819,1 rpm
4.4.2.Analisa Daya Dan Putaran Alternator Pemberi Beban
Dari data yang diperoleh dari hasil pengujian, dapat diketahui bahwa
tegangan dan besar arus yang dihasilkan alternator menggunakan alat ukur
tergantung pada besar beban (lampu) yang digunakan, sehingga dapat dihitung
besar dayanya dengan menggunakan persamaan 2.10.
55
Universitas Sumatera Utara
Maka daya yang dihasilkan alternator adalah sebagai berikut:
a. Tanpa pembebanan lampu:
P0 = I0.V0
P0 = (115,5 x 10-3) x 198
P0 = 22,869 Watt
b. Pembebanan 1 lampu (5 Watt):
P5 = I5.V5
P5 = (98,4 x 10-3) x 134,7
P5 = 13,266 Watt
c. Pembebanan 1 lampu (7 Watt):
P7 = I7.V7
P7 = (97,6 x 10-3) x 132
P7 = 12,886 Watt
d. Pembebanan 1 lampu (12 Watt):
P12 = I12.V12
P12 = (95,15 x 10-3) x 118,2
P12 = 11,251 Watt
Maka dari perhitungan di atas dapat di buat tabel sebagai berikut:
Tabel 4.6. Hasil percobaan dan daya yang dihasilkan alternator dengan 8 sudu
gerak
Beban
Lampu
(Watt)
Arus
(mA)
Tegangan
(Volt)
Putaran
Turbin
(rpm)
Putaran
Alternator
(rpm)
Daya
Alternator
(Watt)
0
5
7
12
115,5
98,4
97,6
95,1
198
134,7
132
118,2
386,3
296,6
263,1
234,9
1031,4
792,7
702,4
627,1
22,896
13,266
12,886
11,251
56
Universitas Sumatera Utara
Dari data yang tertera di tabel 4.6, maka dapat dibuat grafik untuk
mengetahui lebih jelas perubahan daya pada alternator terhadap perubahan beban
lampu yang dipasang.
Beban Lampu vs Daya Alternator
25
Daya Alternator (Watt)
22,896
20
13,266
15
12,886
11,251
10
5
0
0
5
7
12
Beban Lampu (Watt)
Gambar 4.7. Grafik Perubahan Beban terhadap Perubahan Daya pada Alternator
dengan 8 Sudu Gerak
Dengan melihat grafik di atas, dapat dianalisa bahwa semakin besar
penambahan beban, maka semakin kecil daya pada alternator. Selanjutnya
hubungan antara perubahan putaran di poros alternator terhadap penambahan beban
lampu dapat di lihat pada gambar 4.8. Dari gambar 4.8, dapat dianalisa bahwa
semakin besar penambahan beban, maka semakin kecil putaran poros alternator. Di
mana putaran poros alternator tanpa beban lampu adalah 1031,4 rpm dan ketika
diberi beban lampu paling besar (12 Watt) putaran alternatornya menjadi 627,1
rpm.
57
Universitas Sumatera Utara
Beban Lampu vs Putaran Alternator
Putaran Alternator (rpm)
1200
1031,4
1000
792,7
702,4
800
627,1
600
400
200
0
0
5
7
12
Beban Lampu (Watt)
Gambar 4.8. Grafik Penambahan Beban Lampu terhadap Putaran Alternator
dengan 8 Sudu Gerak
4.4.3. Pengujian Torsi dan Putaran Berbeban
Data pengujian diperoleh dari pengukuran yang dilakukan dalam waktu
yang bersamaan. Pengujian membutuhkan waktu yang cukup lama untuk
menentukan pembebanan yang tepat sebelum poros berhenti berputar. Pembebanan
ini dilakukan menggunakan gesekan tali yang dikaitkan pada 2 neraca pegas. Waktu
pengujian sampel sepanjang 20 detik, dibutuhkan lebih dari 15 x pengujian untuk
setiap perubahan variasi. Pengukuran putaran dalam kondisi poros terbeban hampir
berhenti.
Tabel 4.7. Hasil Pengujian Torsi dan Putaran Berbeban dengan 8 Sudu Gerak
Beban Lampu ( Watt )
0
5
7
12
Torsi (Nm)
0,57
0,43
0,4
0,34
Putaran (rad/s)
40,43273
35,15753
34,1946
32,11173
58
Universitas Sumatera Utara
Putaran vs Torsi
0,57
0,6
0,5
0,4
Torsi (Nm)
0,4
0,43
0,34
0,3
0,2
0,1
0
32,11173
34,1946
35,15753
40,43273
Putaran (rad/s)
Gambar 4.9. Grafik Putaran vs Torsi dengan 8 Sudu Gerak
4.4.4. Efisiensi Daya Turbin dan Daya Alternator
Performansi pada turbin merupakan daya mekanik yang dihasilkan dari
sebuah turbin. Untuk mendapatkan nilai tersebut maka data yang dibutuhkan adalah
kecepatan sudut (ω) dan torsi (T).
Untuk menghitung daya turbin, maka digunakan rumus:
=
.�
Dimana:
P = Daya turbin
T = Torsi
ω = Kecepatan sudut (rpm)
Untuk menghitung kecepatan sudut dipakai rumus:
�=
�
Dimana:
N = 386,3 rpm
�=
�
59
Universitas Sumatera Utara
�=
�=
,
,
/
Daya turbin aktual diperoleh:
=
.�
=
,
= ,
�
,
Untuk menghitung efisiensi turbin dapat dihitung dengan menggunakan rumus:
�=
�
�
Dimana:
�
%
Pturbin = 23,24882 Watt
Pair
,
=
Maka:
,
�=
�=
,
,
Watt
�
%
%
4.4.5. Efisiensi Puli
Untuk mengetahui efisiensi puli dapat menggunakan rumus sebagai berikut:
�
�
=
�
.�
.�
�
�
%
Maka efisiensi puli saat pengujian saat tanpa pembebanan adalah:
�
�
�
�
=
=
Dimana:
,
,
%
.
.
,
,
�
%
Diameter puli alternator
= 0,0508 m
Diameter puli turbin
= 0,1524 m
60
Universitas Sumatera Utara
Dari pengujian diatas, maka diperoleh data sebagai berikut:
a)
Hasil Perbandingan Jumlah Sudu terhadap Efisiensi
Tabel 4.8. Hasil Perbandingan Jumlah Sudu terhadap Efisiensi
Jumlah Sudu Gerak
Efisiensi (%)
6
17,119
7
16,262
8
19,03
Jumlah Sudu Gerak vs Effisiensi
25
Efisiensi (%)
20
19,03
17
16,262
6
7
15
10
5
0
8
Jumlah Sudu Gerak
Gambar 4.10. Grafik Jumlah Sudu Gerak vs Efisiensi
b) Hasil Perbandingan Pemberian Beban Lampu terhadap Daya Alternator
Tabel 4.9. Hasil Perbandingan Pemberian Beban Lampu terhadap Daya Alternator
Beban Lampu
Daya Alternator (Watt)
(Watt)
6 Sudu Gerak
7 Sudu Gerak
8 Sudu Gerak
0
5
7
12
20,898
8,785
8,3437
7,4287
19,853
7,953
7,6194
6,53378
22,896
13,266
12,886
11,251
61
Universitas Sumatera Utara
Beban Lampu vs Daya Alternator
Daya Alternator (Watt)
24
20
16
12
6 Sudu Gerak
7 Sudu Gerak
8
8 Sudu Gerak
4
0
0
5
7
12
Beban Lampu (Watt)
Gambar 4.11. Grafik Perbandingan Pemberian Beban Lampu terhadap Daya
Alternator
c) Hasil Perbandingan Beban Lampu terhadap Putaran Alternator
Tabel 4.10. Hasil Perbandingan Beban Lampu terhadap Putaran Alternator
Beban Lampu
Putaran Alternator (rpm)
(Watt)
6 Sudu Gerak
7 Sudu Gerak
8 Sudu Gerak
0
946,2
918,1
1031,4
5
930,6
898,3
792,7
7
863
769,9
702,4
12
852,6
735,3
627,1
62
Universitas Sumatera Utara
Beban Lampu vs Putaran Alternator
1200
Putaran Alternator (rpm)
1000
800
6 Sudu Gerak
600
7 Sudu Gerak
400
8 Sudu Gerak
200
0
0
5
7
12
Beban Lampu (Watt)
Gambar 4.12. Grafik Perbandingan Beban Lampu terhadap Putaran Alternator
63
Universitas Sumatera Utara
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan
Dari hasil pengujian turbin Kaplan dengan 6,7, dan 8 sudu gerak pada sudut
sudu pengarah 20o dan jarak vertikal antara sudu gerak dan sudu pengarah 20 cm
dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:
1. Daya air masuk turbin adalah sebesar 122,15412 Watt
2. Putaran maksimum poros turbin dan alternator terdapat pada 8 sudu gerak
tanpa beban lampu yaitu 386 rpm dan 1031,4 rpm.
3. Torsi maksimum pada poros turbin terdapat pada 8 sudu gerak tanpa beban
lampu yaitu 0,57 Nm.
4. Daya listrik yang dihasilkan alternator yang digerakkan oleh turbin Kaplan
dengan 6 sudu gerak tanpa beban lampu sebesar 20,898 Watt , 7 sudu gerak
sebesar 19,853 Watt, dan 8 sudu gerak sebesar 22,896 Watt.
5. Daya turbin yang dihasilkan pada 6 sudu gerak sebesar 20,911 Watt dengan
efisiensi yang dapat dihasilkan turbin Kaplan sebesar 17,119 %. Daya turbin
yang dihasilkan pada 7 sudu gerak sebesar 19,865 Watt dengan efisiensi
yang dapat dihasilkan turbin Kaplan sebesar 16,262%. Daya turbin yang
dihasilkan pada 8 sudu gerak sebesar 23,24882 Watt dengan efisiensi yang
dapat dihasilkan turbin Kaplan sebesar 19,03%.
5.2. Saran
Dari hasil pengujian turbin Kaplan, dapat diambil saran sebagai berikut:
1. Dilakukan perancangan yang lebih teliti lagi pada sudut sudu gerak agar
diperoleh hasil yang lebih efisien.
2. Diperbesar debit air masuk ke turbin agar hasil yang diperoleh lebih
maksimal.
3. Diperhatikan ketelitian dalam merancang rumah turbin dan draft tube yang
sesuai karena sangat berpengaruh terhadap putaran turbin Kaplan.
1. .
64
Universitas Sumatera Utara
METODOLOGI PENELITIAN
3.1.
Tempat dan Waktu Penelitian
3.1.1. Tempat Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di lantai 4, gedung Departemen Teknik Mesin,
Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
3.1.2. Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan selama 8 bulan, yaitu mulai bulan Juni 2016
sampai Januari 2017. Persiapan dan pembuatan turbin Kaplan dilakukan pada bulan
Juni – Desember 2016. Pengujian dan pengambilan data dilakukan pada bulan
Januari 2017.
3.2.
Spesifikasi Turbin Kaplan
Spesifikasi turbin Kaplan dalan uji eksperimental turbin Kaplan dan analisa
perbandingan variasi jumlah sudu gerak adalah sebagai berikut:
Jumlah sudu gerak (blade) = 6, 7, dan 8
Diameter luar sudu gerak
= 16 cm
Tinggi sudu pengarah
= 9 cm
Sudut sudu pengarah
= 20o
Jarak vertikal
= 20 cm
Diameter dalam sudu gerak = 4 cm
Adapun perlengkapan turbin Kaplan meliputi:
3.2.1. Sudu Gerak
Sudu gerak terdiri dari sudu yang terpasang tetap pada poros atau cincin.
Sudu didesain supaya air masuk dan meninggalkan turbin tanpa kejut. Sudu
gerak terpasang pada poros. Jika porosnya vertikal, disebut turbin vertikal,
dan jika poros horisontal maka disebut turbin horisontal. Untuk head
rendah, sudu gerak bisa dibuat dari besi tuang, tetapi untuk head tinggi, sudu
gerak dibuat dari baja atau paduan. Jika air secara kimia tidak murni, sudu
gerak dibuat dari paduan khusus.
26
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.1. Sudu Gerak
3.2.2. Sudu Pengarah
Turbin Kaplan adalah salah satu jenis dari turbin reaksi aliran ke dalam
(inward), yakni turbin reaksi di mana air memasuki turbin pada bagian
lingkaran luar dan mengalir menuju ke dalam pusat turbin melalui sudu
pengarah. Turbin reaksi ini terdiri dari sudu pengarah tetap, yang
mengarahkan air ke sudu bergerak dengan sudut yang benar. Air ketika
mengalir pada sudu pengarah, menghasilkan gaya ke sudu gerak. Gaya ini
menyebabkan sudu gerak berputar.
Sudu pengarah terpasang tetap diantara dua cincin dalam bentuk roda. Roda
ini dipasang tetap pada rumah turbin. Sudu pengarah didesain untuk:
Supaya air masuk ke sudu gerak tanpa kejut.
Supaya sejumlah air bisa memasuki turbin.
Sudu pengarah bisa dibuka dan ditutup dengan memutar poros pengatur,
sehingga jumlah air bisa diatur sesuai keperluan. Poros pengatur
dioperasikan dengan menggunakan governor, yang fungsinya mengatur
turbin (yaitu menjaga kecepatan turbin konstan pada beban yang bervariasi).
Sudu pengarah yang dipakai adalah sudu pengarah dengan sudut 20o.
27
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.2.Sudu Pengarah 20o
3.2.3. Poros
Adapun poros turbin yang digunakan dalam penelitian terbuat dari besi pipa
dengan diameter 19 mm yang dipasang vertikal di dalam rumah turbin.
3.2.4. Rumah Turbin ( Spiral Chasing )
Rumah turbin akan mendistribusikan air secara merata kepada sudu
pengarah. Untuk mencapai aliran seragam pada sudu gerak, maka aliran air
harus seragam masuk ke dalam sudu pengarah. Air dari saluran pipa
didistribusikan di sekeliling cincin rumah turbin. Rumah turbin didesain
sehingga luas penampang melintangnya berkurang secara seragam. Luas
penampangnya melintang maksimum pada sisi masuk dan minimum pada
ujung.
Setelah air melewati sudu pengarah, air di dalam rumah turbin bergerak
menuju sudu gerak. Setelah melewati sudu gerak, maka air menuju draft
tube.
28
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.3. Rumah Turbin (Spiral Chasing)
3.2.5. Draft Tube
Setelah air melewati sudu gerak, air akan mengalir turun melalui sebuah
pipa yang disebut dengan draft tube. Fungsi dari draft tube adalah:
Meningkatkan efisiensi turbin
Mengarahkan air yang jatuh dari sudu pengarah ke sudu gerak.
Meningkatkan tekanan air yang masuk ke sudu gerak
Draft tube memiliki penampang masuk yang kecil dan penampang keluar
yang besar.
Gambar 3.4. Draft Tube
29
Universitas Sumatera Utara
3.2.6. Puli (Pulley)
Puli yang dipergunakan dalam penelitian sebanyak 2 buah puli. Puli dengan
diameter 6 inci ditempatkan di poros turbin dan puli dengan diameter 2 inci
ditempatkan di poros alternator.
3.2.7. Sabuk (Belt)
Sabuk berfungsi untuk meneruskan putaran dari poros turbin ke poros
alternator, dimana daya dari poros tersebut dimanfaatkan untuk pengisian
aki. Berikut merupakan spesifikasi dari sabuk:
Tipe
: V-Belt Mitsuboshi A-52
Jumlah
: 1 buah
3.2.8. Tangki Air
Tempat penampungan air sementara sebelum dialirkankan ke rumah turbin
melalui pipa PVC. Tangki air dengan kapasitas 250 Liter.
Gambar 3.5. Tangki Air
30
Universitas Sumatera Utara
3.3.
Peralatan Pengujian
Adapun beberapa peralatan yang digunakan dalam pengujian adalah:
3.3.1. Hand Tachometer
Alat ini digunakan untuk mengukur putaran (rpm) poros turbin Kaplan yang
digunakan dalam uji eksperimental turbin Kaplan analisa variasi jumlah
sudu gerak pada sudut sudu pengarah 20o ini, hand tachometer yang
digunakan adalah Krisbow KW06-303 dengan spesifikasi:
Ketelitian (akurasi) : ± 0,05% + 1 digit
Range
: autorange
Sampling Time
: 0,8 s (over 60 rpm)
3.3.2. Clamp Meter
Clamp Meter digunakan untuk mengukur besarnya arus listrik (ampere)
yang dihasilkan melalui rangkaian listrik (beban) dengan cara dihubungkan
seri pada rangkaian listrik. Dalam uji eksperimental turbin Kaplan ini, clamp
meter yang digunakan adalah Krisbow KW06-286 dengan spesifikasi:
Tabel 3.1 Jangkauan dan akurasi Clamp meter
FUNGSI
ARUS AC
Jangkauan
Akurasi
2000 AAC
+ (2.5% + 10 digits)
20.00 AAC
200.0 AAC
+ (2.5% + 4 digits)
400 AAC
+ (3.0% + 4 digits)
200.0 mVDC
+ (0.5% + 5 digits)
2.000 VDC
TEGANGAN DC
20.00 VDC
+ (1.2% + 3 digits)
200 VDC
600 VDC
+ (1.5% + 3 digits)
200.0 mVAC
+ (1.5% + 30 digits)
2.000 VAC
TEGANGAN AC
20.00 VAC
+ (1.5% + 3 digits)
200 VAC
600 VAC
+ (2.0% + 4 digits)
31
Universitas Sumatera Utara
200 Ω
+ (1.0% + 4 digits)
2 kΩ
RESISTANSI
20 kΩ
+ (1.5% + 2 digits)
200 kΩ
2 MΩ
+ (2.0% + 3 digits)
20 M Ω
+ (3.0% + 5 digits)
3.3.3. Multimeter
Multimeter digunakan untuk mengukur besarnya tegangan listrik (volt) yang
dibangkitkan oleh dinamo dengan cara dihubungkan paralel pada rangkaian
listrik. Dalam uji eksperimental turbin Kaplan ini, multimeter yang
digunakan adalah tipe fluke 15B digital multimeter dengan spesifikasi:
Range : DC voltage
: 0, 0.2, 2, 20, 200, 1000 V
AC voltage : 0, 200, 750 V
DC current : 0 µA, 200 µA, 2 mA, 20 mA, 200 mA
Resistance
: 200 Ω, 2 kΩ, 20 kΩ, 200 kΩ, 2000 kΩ
32
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.6. Multi Meter
3.3.4. Alternator
Alternator listrik adalah sebuah alat yang memproduksi energi listrik dari
sumber energi mekanik berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik
Gambar 3.7. Alternator
3.3.5. Instalasi Rangkaian Lampu
Pada instalasi ini mengunakan rangkaian paralel yang terdiri dari lampu
LED 5 dan 7 watt masing-masing sebanyak 1 buah. Pada masing-masing
lampu dipasang saklar yang berfungsi untuk menghubungkan dan
memutuskan aliran listrik ke lampu.
33
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.8. Instalasi Rangkaian Lampu
3.3.6. Pompa
Pompa digunakan untuk memompa air dari tangki bawah ke tangki atas agar
menjaga persediaan air di tangki atas konstan selama percobaan. Kapasitas
pompa yang dipakai adalah sebesar 6 Liter / detik.
3.4.
Instalasi Turbin Kaplan
Instalasi pemipaan pada uji eksperimental turbin Kaplan menggunakan
mengalirkan/ menjatuhkan air dari tangki dengan volume 250 Liter ke
rumah turbin melalui pipa. Pipa yang digunakan berdiameter 3 inci dari
bahan PVC. dan dicatat waktu untuk menghabiskan air di dalam tangki
tersebut. Air yang masuk ke dalam rumah turbin menuju sudu pengarah
(guide vane) dan akan diteruskan menuju sudu gerak (runner blade).
Putaran yang dihasilkan oleh turbin diteruskan ke alternator melalui
transmisi puli dan sabuk (belt).
34
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.9. Instalasi Turbin Kaplan
35
Universitas Sumatera Utara
3.5.
Pelaksanaan Pengujiaan
Uji eksperimental turbin Kaplan dengan 6,7, dan 8 sudu gerak pada sudut
sudu pengarah 20o ini dilakukan di Lantai 4, Departemen Teknik Mesin,
Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Pengukuran-pengukuran
yang dilakukan terhadap penelitian ini meliputi:
1.
Pengukuran debit air dengan menggunakan stopwatch dengan cara
menghitung waktu yang habis dipakai untuk menghabiskan tangki..
2.
Pengukuran putaran (rpm) poros turbin Kaplan dan poros alternator
dengan menggunakan Hand Tachometer.
3.
Pengukuran torsi (Nm) pada poros turbin dengan menggunakan
neraca pegas
4.
Pengukuran tegangan listrik (volt) dengan menggunakan voltmeter.
5.
Pengukuran arus listrik (ampere) dengan menggunakan Clamp Meter.
Sebelum dilakukan pengujian turbin Kaplan dan pengambilan data,
terlebih dahulu dilakukan pemeriksaan (checking) terhadap beberapa
instalasi dan peralatan, yang meliputi:
1.
Pemeriksaan sambungan pipa di instalasi tidak terjadi kebocoran.
2.
Pemeriksaan pipa penghubung air masuk ke rumah turbin sudah
terikat kuat dengan tidak ada celah air keluar.
3.
Pemeriksaan pada jarak vertikal sudu gerak sejajar dengan posisi
bawah sudu pengarah.
4.
Pemeriksaan pada sudu pengarah dengan sudut 20o.
5.
Pemeriksaan sudu gerak tidak menyentuh draft tube.
6.
Pemeriksaan kesesuaian jarak puli dan sabuk.
7.
Permeriksaan puli dapat berputar dengan baik.
8.
Pemeriksaan instalasi lampu sebagai beban.
9.
Pemeriksaan poros turbin Kaplan dan poros generator serta
pemberian pelumas pada bearing.
10. Pemeriksaan alternator.
36
Universitas Sumatera Utara
Setelah prosedur pemeriksaan terhadap beberapa instalasi dan peralatan di
atas selesai dilakukan dan pemeriksaan dipastikan dalam kondisi standby,
maka prosedur pengujian pun dapat dimulai. Adapun prosedur pengujian uji
eksperimental turbin Kaplan dengan 6, 7 dan 8 sudu gerak pada sudut sudu
pengarah 20o ini adalah sebagai berikut:
1.
Pengujian pertama dilakukan dengan sudu berjumlah 6 buah.
2.
Buka katup pada pipa dari tangki sehingga air mengalir menuju
rumah turbin.
3.
Dilakukan monitoring terhadap sudu gerak tidak menyentuh draft
tube dan sudu pengarah dan poros dalam keadaan stabil. Air di dalam
tangki juga dikontrol agar selalu dalam kondisi penuh agar
ketinggiannya stabil.
4.
Setelah aliran air pada pipa penghubung dan putaran turbin konstan,
maka dilakukan :
a.
Pengukuran putaran pada poros turbin Kaplan dan poros
generator dengan Hand Tachometer.
b.
Pengukuran tegangan listrik (volt) dengan Multimeter
c.
Pengukuran arus listrik (ampere) dengan Clamp Meter
5.
Setelah pengambilan data selesai dilakukan, pompa dimatikan.
6.
Setelah pengukuran pada turbin Kaplan dengan menggunakan sudu
6 selesai, maka dilakukan penggantian dengan sudu 7 dan 8.
7.
Kemudian dilakukan pengujian kembali seperti prosedur-prosedur
diatas untuk sudu gerak 7 dan 8.
Besaran-besaran yang diukur dan dicatat meliputi:
1.
Putaran poros turbin Kaplan (rpm)
2.
Putaran poros alternator (rpm)
3.
Tegangan listrik yang dihasilkan generator (V)
4.
Arus listrik yang melalui rangkaian (A)
37
Universitas Sumatera Utara
Dari besaran-besaran di atas dapat dihitung besaran turunan lainnya
seperti:
1.
Daya Air
2.
Daya Turbin Kaplan
3.
Daya Alternator
4.
Efisiensi Turbin Kaplan
38
Universitas Sumatera Utara
Flowchart uji eksperimental turbin Kaplan dan analisa perbandingan variasi
jumlah sudu gerak (dengan 6, 7 dan 8 buah sudu)
MULAI
Tinjauan Pustaka
Buku-buku Pedoman,
Jurnal-Jurnal Pendukung,
dan sebagainya
Survei Data
Head dan Debit
Penentuan Jenis
Turbin
Tidak
Perhitungan
Kecepatan Spesifik
Ya
Rancang Bangun Instalasi Turbin
Kaplan Dengan Jumlah Sudu Gerak
6, 7, Dan 8 Sudu
Pengujian Turbin Kaplan
Dengan Variasi Jumlah
Sudu Gerak 6, 7, dan 8 Sudu
Kesimpulan dan Saran
SELESAI
39
Universitas Sumatera Utara
BAB IV
ANALISA DATA DAN HASIL PENGUJIAN
4.1. Perhitungan Dimensi Dasar Turbin Kaplan
4.1.1. Kapasitas Aktual Dan Head Efektif Instalasi
Pengukuran dilakukan dengan menampung air dari instalasi pipa pada
tangki dengan kapasitas 250 L dan head 2 meter, diambil sebanyak 3 kali.
Tabel 4.1. Hasil Pengukuran Kapasitas Aktual Instalasi
Pengujian
Kapasitas (L)
Waktu (s )
1
250
41
2
250
39
3
250
40
Maka dari data dapat diperoleh:
Q=
Q=
Kapasitas L
Waktu s
Q= ,
Q= ,
L
s
L/s
m /s
4.1.2. Dimensi Dasar Turbin Kaplan
Kecepatan aliran air masuk turbin diperoleh melalui persamaan 2.6
sebesar:
v= ,
m/s:
Melalui persamaan 2.3 diperoleh daya air teoritis sebesar:
P ir =
,
Watt:
40
Universitas Sumatera Utara
Putaran rencana = 1200 rpm
ηT = 90 %
Maka, secara teoritis daya turbin yang diperoleh adalah:
P
P
r in
r in
= η x P ir
= ,
kW
Kecepatan Spesifik
Dengan kecepatan spesifik, dapat ditentukan pemilihan jenis turbin. Di awal
putaran rencana ditentukan 1200 rpm. Maka kecepatan spesifiknya dapat
diperoleh dengan persamaan 2.18 sebesar:
Ns =
,
rpm
Dari hasil di atas diperoleh maka dapat memenuhi perancangan turbin
Kaplan.
Diameter luar sudu gerak (D):
Dari persamaan 2.7, maka diperoleh nilai diameter luar sudu gerak:
D= ,
m
D=
D≈
,
cm
cm
Tinggi sudu pengarah (B):
Dari persamaan 2.8, tinggi sudu pengarah yang diperoleh sebesar:
B= ,
B= ,
Diameter dalam sudu gerak (Db):
Dari persamaan 2.9, maka diperoleh nilai diameter dalam sudu gerak :
Db = ,
m
Db =
Db ≈
,
cm
cm
41
Universitas Sumatera Utara
4.1.3. Dimensi Dasar Sudu Gerak
Analisa segitiga kecepatan masuk sudu gerak:
Kecepatan tepi (rim) diameter boss dengan persamaan 2.10 diperoleh:
= ,
/
Kecepatan tepi (rim) diameter dalam dengan persamaan 2.11diperoleh:
=
,
/
Kecepatan pusaran air diameter boss dan diameter dalam dengan persamaan
2.12 diperoleh:
�
= ,
/
Kecepatan pusaran air diameter boss dan diameter dalam dengan persamaan
2.13 diperoleh:
�
= ,
/
Sudut sudu pada area fluida masuk dengan persamaan 2.14 diperoleh
sebesar:
�� =
,
Sudut sudu pada area fluida keluar dengan persamaan 2.15 diperoleh
sebesar:
�
=
,
42
Universitas Sumatera Utara
4.2. Perhitungan Efisiensi Turbin Kaplan Dengan 6 Sudu Gerak Dan Sudut
Sudu Pengarah 20o.
4.2.1. Hasil Pengukuran
Dari hasil pengukuran dengan alat ukur clamp meter, multimeter, dan
tachometer diperoleh data:
a.
Untuk pembebanan tanpa lampu:
1) Arus yang dihasilkan alternator (I0)
: 97,8 mA
2) Tegangan yang dihasilkan alternator (V0)
: 213,6 V
3) Putaran poros turbin (N10)
: 351,7 rpm
4) Putaran poros alternator (N20)
: 946,2 rpm
b. Untuk pembebanan 1 lampu (5 Watt):
1) Arus yang dihasilkan alternator (I5)
: 78,2 mA
2) Tegangan yang dihasilkan alternator (V5)
: 112,3 V
3) Putaran poros turbin (N15)
: 345,9 rpm
4) Putaran poros alternator (N25)
: 930,6 rpm
c. Untuk pembebanan 1 lampu (7 Watt):
1) Arus yang dihasilkan alternator (I7)
: 77,3 mA
2) Tegangan yang dihasilkan alternator (V7)
: 107,9 V
3) Putaran poros turbin (N17)
: 320,8 rpm
4) Putaran poros alternator (N27)
: 863 rpm
d. Untuk pembebanan 2 lampu ( 12 Watt):
1) Arus yang dihasilkan alternator (I12)
: 76,6 mA
2) Tegangan yang dihasilkan alternator (V12)
: 96,9 V
3) Putaran poros turbin (N112)
: 316,9 rpm
4) Putaran poros alternator (N212)
: 852,6 rpm
4.2.2. Analisa Daya dan Putaran Alternator Pemberi Beban
Dari data yang diperoleh dari hasil pengujian, dapat diketahui bahwa
tegangan dan besar arus yang dihasilkan alternator menggunakan alat ukur
tergantung pada besar beban (lampu) yang digunakan, sehingga dapat dihitung
besar dayanya melalui persamaan 2.20.
43
Universitas Sumatera Utara
Maka daya yang dihasilkan alternator adalah sebagai berikut:
a. Tanpa pembebanan lampu:
P0 = I0.V0
P0 = (97,8 x 10-3) x 213,6
P0 = 20,898 Watt
b. Pembebanan 1 lampu (5 Watt):
P5 = I5.V5
P5 = (78,2 x 10-3) x 112,3
P5 = 8,785 Watt
c. Pembebanan 1 lampu (7 Watt):
P7 = I7.V7
P7 = (77,3 x 10-3) x 107,9
P7 = 8,3437 Watt
d. Pembebanan 1 lampu (12 Watt):
P12 = I12.V12
P12 = (76,6 x 10-3) x 96,9
P12 = 7,4287 Watt
Maka dari perhitungan di atas dapat di buat tabel sebagai berikut:
Tabel 4.2. Hasil percobaan dan daya yang dihasilkan alternator dengan 6 sudu
gerak
Beban
Lampu
(Watt)
Arus
(mA)
Tegangan
(Volt)
Putaran
Turbin
(rpm)
Putaran
Alternator
(rpm)
Daya
Alternator
(Watt)
0
97,8
213,6
351,7
946,2
20,898
5
78,2
112,3
345,9
930,6
8,785
7
12
77,3
76,6
107,9
96,9
320,8
316,9
863
852,6
8,3437
7,4287
44
Universitas Sumatera Utara
Dari data yang tertera di tabel 4.2, maka dapat dibuat grafik untuk
mengetahui lebih jelas perubahan daya pada alternator terhadap perubahan beban
lampu yang dipasang.
Beban Lampu vs Daya Alternator
Daya Alternator (Watt)
25
20,898
20
15
8,785
10
8,3437
7,4287
5
0
0
5
7
Beban Lampu (Watt)
12
Gambar 4.1. Grafik Perubahan Beban terhadap Daya pada Alternator dengan 6
sudu gerak
Dengan melihat grafik di atas, dapat dianalisa bahwa semakin besar
penambahan beban, maka semakin kecil daya pada alternator. Selanjutnya
hubungan antara perubahan putaran di poros alternator terhadap penambahan beban
lampu dapat di lihat pada gambar 4.2. Dari gambar 4.2, dapat dianalisa bahwa
semakin besar penambahan beban, maka semakin kecil putaran poros alternator. Di
mana putaran poros alternator tanpa beban lampu adalah 946,2 rpm dan ketika
diberi beban lampu paling besar (12 Watt) putaran alternatornya menjadi 852,6
rpm.
45
Universitas Sumatera Utara
Beban Lampu vs Putaran Alternator
Putaran Alternator (rpm)
1200
930,6
1000
946,2
863
852,6
7
12
800
600
400
200
0
0
5
Beban Lampu (Watt)
Gambar 4.2. Grafik Penambahan Beban Lampu terhadap Putaran Alternator
dengan 6 Sudu Gerak
4.2.3. Pengujian Torsi dan Putaran Berbeban
Data pengujian diperoleh dari pengukuran yang dilakukan dalam waktu
yang bersamaan. Pengujian membutuhkan waktu yang cukup lama untuk
menentukan pembebanan yang tepat sebelum poros berhenti berputar. Pembebanan
ini dilakukan menggunakan gesekan tali yang dikaitkan pada 2 neraca pegas. Waktu
pengujian sampel sepanjang 20 detik, dibutuhkan lebih dari 15 x pengujian untuk
setiap perubahan variasi. Pengukuran putaran dalam kondisi poros terbeban hampir
berhenti.
Tabel 4.3. Hasil Pengujian Torsi dan Putaran Berbeban dengan 6 Sudu Gerak
Beban Lampu ( Watt )
0
5
7
12
Torsi (Nm)
0,56
0,54
0,49
0,47
Putaran (rad/s)
36,8165
36,2094
33,5791
33,1714
46
Universitas Sumatera Utara
Putaran vs Torsi
0,58
0,56
0,56
0,54
Torsi (Nm)
0,54
0,52
0,49
0,5
0,47
0,48
0,46
0,44
0,42
33,1714
33,5791
36,2094
36,8165
Putaran (rad/s)
Gambar 4.3. Grafik Putaran vs Torsi dengan 6 Sudu Gerak
4.2.4. Efisiensi Daya Turbin dan Daya Alternator
Performansi pada turbin merupakan daya mekanik yang dihasilkan dari
sebuah turbin. Untuk mendapatkan nilai tersebut maka data yang dibutuhkan adalah
kecepatan sudut (ω) dan torsi (T).
Untuk menghitung daya turbin, maka digunakan rumus:
=
Dimana:
.�
P = Daya turbin
T = Torsi
ω = Kecepatan sudut (rpm)
Untuk menghitung kecepatan sudut dipakai rumus:
�=
�
Dimana:
N = 351,7 rpm
�=
�
47
Universitas Sumatera Utara
�=
�=
,
,
/
Daya turbin aktual diperoleh:
=
.�
=
,
= 0,56 x 36,8165
Untuk menghitung efisiensi turbin dapat dihitung dengan menggunakan rumus:
�=
�
�
�
Dimana:
%
Pturbin = 20,911 Watt
Pair
,
=
Maka:
�=
�=
,
,
,
Watt
�
%
%
4.2.5. Efisiensi Puli
Untuk mengetahui efisiensi puli dapat menggunakan rumus sebagai berikut:
�
�
=
�
.�
.�
�
�
%
Maka efisiensi puli saat pengujian saat tanpa pembebanan adalah:
�
�
�
�
=
=
Dimana:
,
,
,
.
.
%
,
�
,
%
Diameter puli alternator
= 0,0508 m
Diameter puli turbin
= 0,1524 m
48
Universitas Sumatera Utara
4.3. Perhitungan Efisiensi Turbin Kaplan Dengan 7 Sudu Gerak Dan Sudut
Sudu Pengarah 20o.
4.3.1. Hasil Pengukuran
Dari hasil pengukuran dengan alat ukur clamp meter, multimeter, dan
tachometer diperoleh data:
a. Untuk pembebanan tanpa lampu:
1) Arus yang dihasilkan alternator (I0)
: 92 mA
2) Tegangan yang dihasilkan alternator (V0)
: 215,5 V
3) Putaran poros turbin (N10)
: 342,6 rpm
4) Putaran poros alternator (N20)
: 918,1 rpm
b. Untuk pembebanan 1 lampu (5 Watt):
1) Arus yang dihasilkan alternator (I5)
: 74,5 mA
2) Tegangan yang dihasilkan alternator (V5)
: 106,7 V
3) Putaran poros turbin (N15)
: 335,2 rpm
4) Putaran poros alternator (N25)
: 898,3 rpm
c. Untuk pembebanan 1 lampu (7 Watt):
1) Arus yang dihasilkan alternator (I7)
: 74,3 mA
2) Tegangan yang dihasilkan alternator (V7)
: 102,5 V
3) Putaran poros turbin (N17)
: 287,3 rpm
4) Putaran poros alternator (N27)
: 769,9 rpm
d. Untuk pembebanan 2 lampu ( 12 Watt):
1) Arus yang dihasilkan alternator (I12)
: 70,9 mA
2) Tegangan yang dihasilkan alternator (V12)
: 92 V
3) Putaran poros turbin (N112)
: 274,4 rpm
4) Putaran poros alternator (N212)
: 735,3 rpm
4.3.2. Analisa Daya Dan Putaran Alternator Pemberi Beban
Dari data yang diperoleh dari hasil pengujian, dapat diketahui bahwa
tegangan dan besar arus yang dihasilkan alternator menggunakan alat ukur
tergantung pada besar beban (lampu) yang digunakan, sehingga dapat dihitung
besar dayanya dengan persamaan 2.10.
49
Universitas Sumatera Utara
Maka daya yang dihasilkan alternator adalah sebagai berikut:
a. Tanpa pembebanan lampu:
P0 = I0.V0
P0 = (92 x 10-3) x 215,5
P0 = 19,853 Watt
b. Pembebanan 1 lampu (5 Watt):
P5 = I5.V5
P5 = (74,5 x 10-3) x 106,7
P5 = 7,953 Watt
c. Pembebanan 1 lampu (7 Watt):
P7 = I7.V7
P7 = (74,3 x 10-3) x 102,5
P7 = 7,6194 Watt
d. Pembebanan 1 lampu (12 Watt):
P12 = I12.V12
P12 = (70,9 x 10-3) x 92
P12 = 6,53378 Watt
Maka dari perhitungan di atas dapat di buat tabel sebagai berikut:
Tabel 4.4. Hasil percobaan dan daya yang dihasilkan alternator dengan 7 sudu
gerak
Beban
Lampu
(Watt)
Arus
(mA)
Tegangan
(Volt)
Putaran
Turbin
(rpm)
Putaran
Alternator
(rpm)
Daya
Alternator
(Watt)
0
5
7
12
92
74,5
74,3
70,9
215,5
106,7
102,5
92
342,6
335,2
287,3
274,4
918,1
898,3
769,9
735,3
19,853
7,953
7,6194
6,53378
50
Universitas Sumatera Utara
Dari data yang tertera di tabel 4.4 di atas, maka dapat dibuat grafik untuk
mengetahui lebih jelas perubahan daya pada alternator terhadap perubahan beban
lampu yang dipasang.
Beban Lampu vs Daya Alternator
Daya Alternator (Watt)
25
20
19,853
15
10
7,6194
6,53378
7,953
5
0
0
5
7
12
Beban Lampu (Watt)
Gambar 4.4. Grafik Perubahan Beban terhadap Perubahan Daya pada Alternator
dengan 7 sudu gerak
Dengan melihat grafik di atas, dapat dianalisa bahwa semakin besar
penambahan beban, maka semakin kecil daya pada alternator. Selanjutnya
hubungan antara perubahan putaran di poros alternator terhadap penambahan beban
lampu dapat di lihat pada gambar 4.5. Dari gambar 4.5, dapat dianalisa bahwa
semakin besar penambahan beban, maka semakin kecil putaran poros alternator. Di
mana putaran poros alternator tanpa beban lampu adalah 918,1 rpm dan ketika
diberi beban lampu paling besar (12 Watt) putaran alternatornya menjadi 735,5
rpm.
51
Universitas Sumatera Utara
Beban Lampu vs Putaran Alternator
Putaran Alternator (rpm)
1200
1000
918,1
800
769,9
735,3
7
12
898,3
600
400
200
0
0
5
Beban Lampu (Watt)
Gambar 4.5. Grafik Penambahan Beban Lampu terhadap Putaran Alternator
dengan 7 Sudu Gerak
4.3.3. Pengujian Torsi dan Putaran Berbeban
Data pengujian diperoleh dari pengukuran yang dilakukan dalam waktu
yang bersamaan. Pengujian membutuhkan waktu yang cukup lama untuk
menentukan pembebanan yang tepat sebelum poros berhenti berputar. Pembebanan
ini dilakukan menggunakan gesekan tali yang dikaitkan pada 2 neraca pegas. Waktu
pengujian sampel sepanjang 20 detik, dibutuhkan lebih dari 15 x pengujian untuk
setiap perubahan variasi. Pengukuran putaran dalam kondisi poros terbeban hampir
berhenti.
Tabel 4.5. Hasil Pengujian Torsi Dan Putaran Berbeban Dengan 7 Sudu Gerak
Beban Lampu ( Watt )
0
5
7
12
Torsi (Nm)
0,55
0,53
0,39
0,37
Putaran (rad/s)
35,858
35,084
30,07
28,72
52
Universitas Sumatera Utara
Putaran vs Torsi
0,6
0,53
0,55
0,5
Torsi (Nm)
0,39
0,37
0,4
0,3
0,2
0,1
0
28,72
30,07
35,084
35,858
Putaran (rad/s)
Gambar 4.6. Grafik Putaran vs Torsi dengan 7 Sudu Gerak
4.3.4. Efisiensi Daya Turbin dan Daya Alternator
Performansi pada turbin merupakan daya mekanik yang dihasilkan dari
sebuah turbin. Untuk mendapatkan nilai tersebut maka data yang dibutuhkan adalah
kecepatan sudut (ω) dan torsi (T).
Untuk menghitung daya turbin, maka digunakan rumus:
=
Dimana:
.�
P = Daya turbin
T = Torsi
ω = Kecepatan sudut (rpm)
Untuk menghitung kecepatan sudut dipakai rumus:
�=
�
Dimana:
N = 342,6 rpm
�=
�=
�
,
53
Universitas Sumatera Utara
�=
,
/
Daya turbin aktual diperoleh:
=
.�
=
,
= 0,55 x 35,858
Untuk menghitung efisiensi turbin dapat dihitung dengan menggunakan rumus:
�=
�
�
�
Dimana:
%
Pturbin = 19,865 Watt
Pair
,
=
Maka:
�=
�=
,
,
,
Watt
�
%
%
4.3.5. Efisiensi Puli
Untuk mengetahui efisiensi puli dapat menggunakan rumus sebagai berikut:
�
�
=
�
.�
.�
�
�
%
Maka efisiensi puli saat pengujian saat tanpa pembebanan adalah:
�
�
�
�
=
=
Dimana:
,
,
,
.
.
%
,
�
,
%
Diameter puli alternator
= 0,0508 m
Diameter puli turbin
= 0,1524 m
54
Universitas Sumatera Utara
4.4. Perhitungan Efisiensi Turbin Kaplan dengan 8 Sudu Gerak dan Sudut
Sudu Pengarah 20o.
4.4.1. Hasil Pengukuran
Dari hasil pengukuran dengan alat ukur clamp meter, multimeter, dan
tachometer diperoleh data:
a. Untuk pembebanan tanpa lampu:
1) Arus yang dihasilkan alternator (I0)
: 115,5 mA
2) Tegangan yang dihasilkan alternator (V0)
: 198 V
3) Putaran poros turbin (N10)
: 383,6 rpm
4) Putaran poros alternator (N20)
: 1031,4 rpm
b. Untuk pembebanan 1 lampu (5 Watt):
1) Arus yang dihasilkan alternator (I5)
: 98,45 mA
2) Tegangan yang dihasilkan alternator (V5)
: 134,7 V
3) Putaran poros turbin (N15)
: 335,9 rpm
4) Putaran poros alternator (N25)
: 896,8 rpm
c. Untuk pembebanan 1 lampu (7 Watt):
1) Arus yang dihasilkan alternator (I7)
: 97,6 mA
2) Tegangan yang dihasilkan alternator (V7)
: 132 V
3) Putaran poros turbin (N17)
: 326,7 rpm
4) Putaran poros alternator (N27)
: 872.2 rpm
d. Untuk pembebanan 2 lampu ( 12 Watt):
1) Arus yang dihasilkan alternator (I12)
: 95,1 mA
2) Tegangan yang dihasilkan alternator (V12)
: 118,2 V
3) Putaran poros turbin (N112)
: 306,8 rpm
4) Putaran poros alternator (N212)
: 819,1 rpm
4.4.2.Analisa Daya Dan Putaran Alternator Pemberi Beban
Dari data yang diperoleh dari hasil pengujian, dapat diketahui bahwa
tegangan dan besar arus yang dihasilkan alternator menggunakan alat ukur
tergantung pada besar beban (lampu) yang digunakan, sehingga dapat dihitung
besar dayanya dengan menggunakan persamaan 2.10.
55
Universitas Sumatera Utara
Maka daya yang dihasilkan alternator adalah sebagai berikut:
a. Tanpa pembebanan lampu:
P0 = I0.V0
P0 = (115,5 x 10-3) x 198
P0 = 22,869 Watt
b. Pembebanan 1 lampu (5 Watt):
P5 = I5.V5
P5 = (98,4 x 10-3) x 134,7
P5 = 13,266 Watt
c. Pembebanan 1 lampu (7 Watt):
P7 = I7.V7
P7 = (97,6 x 10-3) x 132
P7 = 12,886 Watt
d. Pembebanan 1 lampu (12 Watt):
P12 = I12.V12
P12 = (95,15 x 10-3) x 118,2
P12 = 11,251 Watt
Maka dari perhitungan di atas dapat di buat tabel sebagai berikut:
Tabel 4.6. Hasil percobaan dan daya yang dihasilkan alternator dengan 8 sudu
gerak
Beban
Lampu
(Watt)
Arus
(mA)
Tegangan
(Volt)
Putaran
Turbin
(rpm)
Putaran
Alternator
(rpm)
Daya
Alternator
(Watt)
0
5
7
12
115,5
98,4
97,6
95,1
198
134,7
132
118,2
386,3
296,6
263,1
234,9
1031,4
792,7
702,4
627,1
22,896
13,266
12,886
11,251
56
Universitas Sumatera Utara
Dari data yang tertera di tabel 4.6, maka dapat dibuat grafik untuk
mengetahui lebih jelas perubahan daya pada alternator terhadap perubahan beban
lampu yang dipasang.
Beban Lampu vs Daya Alternator
25
Daya Alternator (Watt)
22,896
20
13,266
15
12,886
11,251
10
5
0
0
5
7
12
Beban Lampu (Watt)
Gambar 4.7. Grafik Perubahan Beban terhadap Perubahan Daya pada Alternator
dengan 8 Sudu Gerak
Dengan melihat grafik di atas, dapat dianalisa bahwa semakin besar
penambahan beban, maka semakin kecil daya pada alternator. Selanjutnya
hubungan antara perubahan putaran di poros alternator terhadap penambahan beban
lampu dapat di lihat pada gambar 4.8. Dari gambar 4.8, dapat dianalisa bahwa
semakin besar penambahan beban, maka semakin kecil putaran poros alternator. Di
mana putaran poros alternator tanpa beban lampu adalah 1031,4 rpm dan ketika
diberi beban lampu paling besar (12 Watt) putaran alternatornya menjadi 627,1
rpm.
57
Universitas Sumatera Utara
Beban Lampu vs Putaran Alternator
Putaran Alternator (rpm)
1200
1031,4
1000
792,7
702,4
800
627,1
600
400
200
0
0
5
7
12
Beban Lampu (Watt)
Gambar 4.8. Grafik Penambahan Beban Lampu terhadap Putaran Alternator
dengan 8 Sudu Gerak
4.4.3. Pengujian Torsi dan Putaran Berbeban
Data pengujian diperoleh dari pengukuran yang dilakukan dalam waktu
yang bersamaan. Pengujian membutuhkan waktu yang cukup lama untuk
menentukan pembebanan yang tepat sebelum poros berhenti berputar. Pembebanan
ini dilakukan menggunakan gesekan tali yang dikaitkan pada 2 neraca pegas. Waktu
pengujian sampel sepanjang 20 detik, dibutuhkan lebih dari 15 x pengujian untuk
setiap perubahan variasi. Pengukuran putaran dalam kondisi poros terbeban hampir
berhenti.
Tabel 4.7. Hasil Pengujian Torsi dan Putaran Berbeban dengan 8 Sudu Gerak
Beban Lampu ( Watt )
0
5
7
12
Torsi (Nm)
0,57
0,43
0,4
0,34
Putaran (rad/s)
40,43273
35,15753
34,1946
32,11173
58
Universitas Sumatera Utara
Putaran vs Torsi
0,57
0,6
0,5
0,4
Torsi (Nm)
0,4
0,43
0,34
0,3
0,2
0,1
0
32,11173
34,1946
35,15753
40,43273
Putaran (rad/s)
Gambar 4.9. Grafik Putaran vs Torsi dengan 8 Sudu Gerak
4.4.4. Efisiensi Daya Turbin dan Daya Alternator
Performansi pada turbin merupakan daya mekanik yang dihasilkan dari
sebuah turbin. Untuk mendapatkan nilai tersebut maka data yang dibutuhkan adalah
kecepatan sudut (ω) dan torsi (T).
Untuk menghitung daya turbin, maka digunakan rumus:
=
.�
Dimana:
P = Daya turbin
T = Torsi
ω = Kecepatan sudut (rpm)
Untuk menghitung kecepatan sudut dipakai rumus:
�=
�
Dimana:
N = 386,3 rpm
�=
�
59
Universitas Sumatera Utara
�=
�=
,
,
/
Daya turbin aktual diperoleh:
=
.�
=
,
= ,
�
,
Untuk menghitung efisiensi turbin dapat dihitung dengan menggunakan rumus:
�=
�
�
Dimana:
�
%
Pturbin = 23,24882 Watt
Pair
,
=
Maka:
,
�=
�=
,
,
Watt
�
%
%
4.4.5. Efisiensi Puli
Untuk mengetahui efisiensi puli dapat menggunakan rumus sebagai berikut:
�
�
=
�
.�
.�
�
�
%
Maka efisiensi puli saat pengujian saat tanpa pembebanan adalah:
�
�
�
�
=
=
Dimana:
,
,
%
.
.
,
,
�
%
Diameter puli alternator
= 0,0508 m
Diameter puli turbin
= 0,1524 m
60
Universitas Sumatera Utara
Dari pengujian diatas, maka diperoleh data sebagai berikut:
a)
Hasil Perbandingan Jumlah Sudu terhadap Efisiensi
Tabel 4.8. Hasil Perbandingan Jumlah Sudu terhadap Efisiensi
Jumlah Sudu Gerak
Efisiensi (%)
6
17,119
7
16,262
8
19,03
Jumlah Sudu Gerak vs Effisiensi
25
Efisiensi (%)
20
19,03
17
16,262
6
7
15
10
5
0
8
Jumlah Sudu Gerak
Gambar 4.10. Grafik Jumlah Sudu Gerak vs Efisiensi
b) Hasil Perbandingan Pemberian Beban Lampu terhadap Daya Alternator
Tabel 4.9. Hasil Perbandingan Pemberian Beban Lampu terhadap Daya Alternator
Beban Lampu
Daya Alternator (Watt)
(Watt)
6 Sudu Gerak
7 Sudu Gerak
8 Sudu Gerak
0
5
7
12
20,898
8,785
8,3437
7,4287
19,853
7,953
7,6194
6,53378
22,896
13,266
12,886
11,251
61
Universitas Sumatera Utara
Beban Lampu vs Daya Alternator
Daya Alternator (Watt)
24
20
16
12
6 Sudu Gerak
7 Sudu Gerak
8
8 Sudu Gerak
4
0
0
5
7
12
Beban Lampu (Watt)
Gambar 4.11. Grafik Perbandingan Pemberian Beban Lampu terhadap Daya
Alternator
c) Hasil Perbandingan Beban Lampu terhadap Putaran Alternator
Tabel 4.10. Hasil Perbandingan Beban Lampu terhadap Putaran Alternator
Beban Lampu
Putaran Alternator (rpm)
(Watt)
6 Sudu Gerak
7 Sudu Gerak
8 Sudu Gerak
0
946,2
918,1
1031,4
5
930,6
898,3
792,7
7
863
769,9
702,4
12
852,6
735,3
627,1
62
Universitas Sumatera Utara
Beban Lampu vs Putaran Alternator
1200
Putaran Alternator (rpm)
1000
800
6 Sudu Gerak
600
7 Sudu Gerak
400
8 Sudu Gerak
200
0
0
5
7
12
Beban Lampu (Watt)
Gambar 4.12. Grafik Perbandingan Beban Lampu terhadap Putaran Alternator
63
Universitas Sumatera Utara
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan
Dari hasil pengujian turbin Kaplan dengan 6,7, dan 8 sudu gerak pada sudut
sudu pengarah 20o dan jarak vertikal antara sudu gerak dan sudu pengarah 20 cm
dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:
1. Daya air masuk turbin adalah sebesar 122,15412 Watt
2. Putaran maksimum poros turbin dan alternator terdapat pada 8 sudu gerak
tanpa beban lampu yaitu 386 rpm dan 1031,4 rpm.
3. Torsi maksimum pada poros turbin terdapat pada 8 sudu gerak tanpa beban
lampu yaitu 0,57 Nm.
4. Daya listrik yang dihasilkan alternator yang digerakkan oleh turbin Kaplan
dengan 6 sudu gerak tanpa beban lampu sebesar 20,898 Watt , 7 sudu gerak
sebesar 19,853 Watt, dan 8 sudu gerak sebesar 22,896 Watt.
5. Daya turbin yang dihasilkan pada 6 sudu gerak sebesar 20,911 Watt dengan
efisiensi yang dapat dihasilkan turbin Kaplan sebesar 17,119 %. Daya turbin
yang dihasilkan pada 7 sudu gerak sebesar 19,865 Watt dengan efisiensi
yang dapat dihasilkan turbin Kaplan sebesar 16,262%. Daya turbin yang
dihasilkan pada 8 sudu gerak sebesar 23,24882 Watt dengan efisiensi yang
dapat dihasilkan turbin Kaplan sebesar 19,03%.
5.2. Saran
Dari hasil pengujian turbin Kaplan, dapat diambil saran sebagai berikut:
1. Dilakukan perancangan yang lebih teliti lagi pada sudut sudu gerak agar
diperoleh hasil yang lebih efisien.
2. Diperbesar debit air masuk ke turbin agar hasil yang diperoleh lebih
maksimal.
3. Diperhatikan ketelitian dalam merancang rumah turbin dan draft tube yang
sesuai karena sangat berpengaruh terhadap putaran turbin Kaplan.
1. .
64
Universitas Sumatera Utara