YANG DIBUAT DARI PIPA DIBELAH DENGAN RADIUS SUDU 0,875 INCI

  o TURBIN ALIRAN SILANG DENGAN BUSUR SUDU 74 YANG DIBUAT DARI PIPA DIBELAH DENGAN RADIUS SUDU 0,875 INCI

  TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

  Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Mesin

  Oleh : Yohanes Erwan Sutarja NIM : 055214029 PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

  

THE CROSSFLOW TURBINE

WITH 74 OF CENTRAL ANGLE

THAT MADE FROM CUTTING PIPE LENGTHWISE

WITH BLADE RADIUS 0,875 INCH

  FINAL PAPER Presented as Fulfillment of the Requirements

  For the Degree of Mechanical Engineers Mechanical Engineering Study Programme

  

By :

Yohanes Erwan Sutarja

Student Number : 055214029

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAMME

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

  

Lari dan ikuti matahari hidupmu dengan

kemantapan dan warnailah jiwamu dengan

tantangan

  Kupersembahkan teruntuk : Tuhan Yesus Kristus yang selalu membimbing dan menjadi pelita dalam kegelapan dunia, segenap keluarga besar di Sleman,

  Gunungkidul dan semua pihak yang

  INTISARI Turbin aliran silang banyak digunakan untuk pembangkit listrik skala mikro.

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

  Peralatan yang digunakan adalah sebuah turbin aliran silang. Sudu turbin dibuat dari pipa dengan diameter 1,75 inci. Diameter runner adalah 98 mm dengan panjang runner 104 mm. Jumlah sudu pada runner 18 buah dan busur sudu 74 . Penelitian dilakukan dengan memvariasikan debit dan tinggi bukaan nosel 9 mm, 14 mm, 19 mm. Untuk menghasilkan listrik, turbin dihubungkan dengan generator. Pengukuran daya yang dihasilkan turbin dilakukan dengan mengukur tegangan dan arus yang dihasilkan generator pada kondisi generator diberi variasi pembebanan dari

  10 W, 20 W, 30 W, 40 W, 50 W, 60 W, 70 W, 80 W, 90 W, dan 100 W. Pada setiap pembeban, putaran turbin diukur dengan tachometer.

  o

  Turbin Aliran Silang dengan busur sudu 74 dan jumlah sudu 18 mampu menghasilkan daya sebesar 68,9 watt pada variasi tinggi bukaan nosel 9 mm dan debit 8,2 l/s, dan memiliki efisiensi sebesar 17,26 % pada variasi tinggi nosel 14 mm dan debit 10,7 l/s. Semakin tinggi putaran poros, maka daya dan efisiensi yang dihasilkan juga akan semakin kecil. Kata kunci : Turbin aliran silang, bilah pipa.

KATA PENGANTAR

  Puji Syukur penulis panjatkan kepada Allah Bapa yang Maha Kasih dan Yesus Kristus atas segala berkat dan bimbingan-Nya dalam penyusunan skripsi

  o

  berjudul “TURBIN ALIRAN SILANG DENGAN BUSUR SUDU 74 YANG DIBUAT DARI PIPA DIBELAH DENGAN RADIUS SUDU 0,875 INCI”.

  Skripsi ini disusun sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta, sekaligus sebagai wujud harapan dan cita-cita penulis untuk selalu belajar tanpa batas.

  Penyusunan skripsi ini tidak mungkin dapat terlaksana dengan baik tanpa adanya bantuan dan kerjasama dari berbagai pihak yang terkait. Pada kesempatan ini, dengan segala kerendahan hati, penulis ingin menyampaikan terima kasih kepada :

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

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

  3. Bapak Ir. FA. Rusdi Sambada, M.T. yang telah banyak membantu kami dalam proses pengambilan data.

  4. Segenap Dosen di Jurusan Teknik Mesin, yang telah membimbing selama

  5. Kepala Laboratorium Konversi Energi Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma yang telah memberikan ijin dan fasilitas yang dipergunakan.

  6. Kepala Laboratorium Teknik Tenaga Listrik Jurusan Elektro Universitas Sanata Dharma yang telah memberikan ijin dan fasilitas yang dipergunakan.

  7. Segenap karyawan Sekretariat Teknik Universitas Sanata Dharma dan semua karyawan dan staff Universitas Sanata Dharma.

  8. Drs. Dwi Sujoko M.T., Guru STM Pembangunan yang telah membantu dalam pengelasan runner.

  9. Nenekku Asmo Pawiro untuk segala petuah-petuah dan perhatian selama ini.

  10. Bapak Mateus Sutardjo dan Ibu Indarti yang selalu mencurahkan tenaga, pikiran, kasih sayang, doa serta dukungan dalam segala hal selama ini.

  11. Adikku Petrus Santosa yang membuat lika-liku kehidupan ini benar-benar nyata.

  12. Teman-teman Mudika Stasi Santo Thomas dan Mudika Gregorius Margokaton Seyegan yang telah mendukung dalam penyelesaian tugas akhir ini.

  13. Teman-teman kelompok penelitian microhydro yang tidak bisa saya sebutkan satu persatu yang telah banyak membantu selama pengambilan data dan penyusunan skripsi.

  14. Teman-teman mahasiswa angkatan 2005 khususnya dan semua angkatan Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma serta semua pihak yang tidak

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

  Penulis

  DAFTAR ISI

  Halaman HALAMAN JUDUL .............................................................................. i TITLE PAGE ......................................................................................... ii HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ................................... iii HALAMAN PENGESAHAN................................................................. iv HALAMAN PERSEMBAHAN ............................................................. v PERNYATAAN KEASLIAN KARYA. ................................................ vi LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH. .................................................................................. vii

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

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

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

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

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

  3

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

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

  5 2.2. Turbin Air ..................................................................................

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

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

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

  8 2.3.1. Bagian Turbin Aliran Silang .............................................

  9 2.4. Pergerakan Air Turbin Aliran Silang .........................................

  13 2.5. Perancangan Turbin Aliran Silang .............................................

  15 2.5.1. Segitiga Kecepatan............................................................

  15 2.5.2. Perhitungan Dimensi Turbin .............................................

  16 BAB III. METODE PENELITIAN ........................................................

  24 3.1. Diagram Alir Penelitian .............................................................

  24 3.2. Pembuatan Alat ..........................................................................

  25 3.2.1. Desain Alat........................................................................

  25 3.2.2. Rancangan Turbin Aliran Silang.......................................

  26 3.2.3. Pembuatan Turbin .............................................................

  33 A. Pembuatan Kerangka Turbin.........................................

  33 B. Pembuatan Roda Jalan (Runner) ...................................

  34 C. Perakitan Turbin Aliran Silang......................................

  36

  3.3.2. Variabel yang Diukur........................................................

  41 3.3.3. Variabel yang Divariasikan...............................................

  41 3.3.4. Pengambilan Data .............................................................

  41 3.3.5. Pengolahan dan Analisa Data............................................

  43 BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ...............................................

  44 4.1. Hasil Penelitian ..........................................................................

  44 4.1.1. Data Hasil Penelitian.........................................................

  44 4.2. Perhitungan Data........................................................................

  47 4.3. Pembahasan Data .......................................................................

  53 4.3.1. Pembahasan Daya Keluaran Hasil Penelitian ...................

  53 4.3.2. Pembahasan Efisiensi Total Hasil Penelitian....................

  55 BAB V. PENUTUP.................................................................................

  59 5.1. Kesimpulan ................................................................................

  59 5.1. Saran...........................................................................................

  60 DAFTAR PUSTAKA .............................................................................

  61 LAMPIRAN

  

DAFTAR TABEL

  Halaman Tabel 2.1. Pengelompokan Turbin ..........................................................

  7 Tabel 4.1. Data Penelitian pada Tinggi Nosel 9 mm dan Debit 8,2 l/s Tekanan 10 Psi ......................................................................

  44 Tabel 4.2. Data Penelitian pada Tinggi Nosel 9 mm dan Debit 7,9 l/s Tekanan 8,5 Psi .....................................................................

  45 Tabel 4.3. Data Penelitian pada Tinggi Nosel 14 mm dan Debit 10,7 l/s Tekanan 5 Psi ........................................................................

  45 Tabel 4.4. Data Penelitian pada Tinggi Nosel 14 mm dan Debit 9,5 l/s Tekanan 5 Psi ........................................................................

  46 Tabel 4.5. Data Penelitian pada Tinggi Nosel 19 mm dan Debit 12 l/s Tekanan 3 Psi ........................................................................

  46 Tabel 4.6. Data Penelitian pada Tinggi Nosel 19 mm dan Debit 11,3 l/s Tekanan 3 Psi ........................................................................

  46 Tabel 4.7. Perhitungan pada Tinggi Nosel 9 mm dan Debit 8,2 l/s Tekanan 10 Psi ......................................................................

  48 Tabel 4.8. Perhitungan pada Tinggi Nosel 9 mm dan Debit 7,9 l/s Tekanan 8,5 Psi .....................................................................

  48

Tabel 4.10. Perhitungan pada Tinggi Nosel 14 mm dan Debit 9,5 l/s Tekanan 5 Psi ........................................................................

  50 Tabel 4.11. Perhitungan pada Tinggi Nosel 19 mm dan Debit 12 l/s Tekanan 3 Psi ........................................................................

  52 Tabel 4.12. Perhitungan pada Tinggi Nosel 19 mm dan Debit 11,3 l/s Tekanan 3 Psi ........................................................................

  52

  DAFTAR GAMBAR

  Halaman

Gambar 2.1. Turbin Crossflow.................................................................. 8 Gambar 2.2 Runner dari Cihanjuang ........................................................

  9 Gambar 2.3. Alat Pengarah .......................................................................

  10 Gambar 2.4. Rumah Turbin ......................................................................

  10 Gambar 2.5. Generator..............................................................................

  12 Gambar 2.6. Aliran Pergerakan Air pada Turbin Crossflow.................... 14

Gambar 2.7. Defleksi Pada Pergerakan Air pada Turbin Crossflow......... 14Gambar 2.8. Segitiga Kecepatan pada Turbin Crossflow ......................... 15 Gambar 2.9. Gabungan Segitiga Kecepatan pada Turbin Aliran Silang...

  16 Gambar 2.10. Kelengkungan Sudu ............................................................

  18 Gambar 2.11. Jarak Antar Sudu .................................................................

  19 Gambar 2.12. Alur Pancaran Air................................................................

  20 Gambar 3.1. Alat Uji Turbin ....................................................................

  39 Gambar 3.2. Urutan Kerja Alat Uji Turbin Aliran Silang........................

  40 Gambar 3.3. Diagram Alir Pengambilan Data .........................................

  42 Gambar 4.1. Grafik Daya vs Putaran Poros dengan Tinggi Nozzle 9 mm dan Variasi Debit................................................................

  53

Gambar 4.3. Grafik Daya vs Putaran Poros dengan Tinggi Nozzle 19 mm dan Variasi Debit...................................................................

  54 Gambar 4.4. Grafik Efisensi Total vs Putaran Poros Dengan Tinggi Nozzle 9 mm dan Variasi Debit..........................................

  55 Gambar 4.5. Grafik Efisensi Total vs Putaran Poros Dengan Tinggi Nozzle 14 mm dan Variasi Debit........................................

  56 Gambar 4.6. Grafik Efisensi Total vs Putaran Poros Dengan Tinggi Nozzle 19 mm dan Variasi Debit........................................

  56

BAB I PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANG MASALAH Listrik sudah menjadi kebutuhan sehari-hari yang digunakan oleh manusia.

  Beberapa contoh yang merupakan penghasil/pembangkit listrik adalah sebagai berikut : Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA), Pembangkit Listrik Tenaga Gas Bumi (PLTG), Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU), Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD), dan Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN). Dari semuanya itu ada sebagian yang menggunakan minyak bumi, batu bara dan gas alam.

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

  Air merupakan salah satu sumber daya alam yang tidak terbatas jumlahnya. Air juga memiliki potensi yang sangat besar dan dapat digunakan sebagai sumber energi yang bersih karena tidak menghasilkan polutan, selain itu air juga tidak mempunyai potensi merusak ozon maupun potensi pemanasan global.

  Dari data yang dikeluarkan oleh Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral Republik Indonesia, pemanfaatan energi air di Indonesia masih sangat kecil, baru sekitar 25 % dari potensi yang bisa mencapai 75000 MW. Di Indonesia terdapat 1315 kawasan yang berpotensi menjadi sumber energi tenaga air, dan daerah-daerah tersebut tersebar di seluruh kepulauan Indonesia. Daerah-daerah yang diprediksi memiliki potensi tersebut, antara lain : Papua 22371 MW, Kalimantan 21611 MW, Sumatera 15804 MW, Sulawesi 10203 MW, Jawa 4531 MW, Nusa Tenggara (Bali, NTB dan NTT) 674 MW dan Maluku 430 MW. Data-data di atas merupakan sumber pembangkit tenaga air dengan kapasitas besar, belum termasuk sumber-sumber pembangkit tenaga air dengan kapasitas kecil. Untuk memanfaatkan potensi tersebut diperlukan suatu teknologi terapan agar masyarakat kecil dapat menyediakan energi listrik secara swadaya.

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

  1.2 RUMUSAN MASALAH

  Informasi tentang unjuk kerja turbin crossflow dengan sudu dibuat dari pipa yang dibelah tidak diketahui. Pada penelitian ini akan dibuat turbin crossflow dengan sudu dari pipa yang dibelah. Turbin tersebut akan diteliti unjuk kerjanya pada berbagai variasi debit, tinggi nozzle dan variasi beban.

  1.3 TUJUAN DAN MANFAAT

1.3.1 Tujuan

  a. Membuat turbin crossflow dengan menggunakan sudu dari pipa yang dibelah untuk pembangkit listrik agar mudah dibuat oleh masyarakat.

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

   Manfaat

  1.3.2

  a. Menambah kepustakaan teknologi pembangkit listrik tenaga air mikrohidro.

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

  c. Mengurangi ketergantungan terhadap minyak bumi yang semakin menipis dan mahal.

  d. Mengurangi polusi dan pemanasan global.

  e. Membangun kepedulian masyarakat terhadap upaya konservasi air.

BAB II DASAR TEORI

2.1 TINJAUAN PUSTAKA

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

  Penelitian tentang turbin crossflow banyak dilakukan untuk sudu yang dibuat dari plat yang dilengkung. Turbin crossflow yang dilengkapi dengan saluran pengarah di dalam runner-nya pernah dibuat dan diuji (Olgun, 2000). Saluran pengarah dibuat dengan tujuan untuk mengumpulkan dan mengarahkan air yang keluar dari sudu atas agar dapat menuju sudu bawah dengan lebih baik. Tiga bentuk saluran telah dibuat dan diuji dengan berbagai variasi posisi saluran pengarah serta variasi bukaan nozzle.

  Penambahan saluran di dalam runner ternyata tidak menaikkan efisiensi tetapi justru menurunkan efisiensi turbin crossflow sebesar 5%.

  Penelitian terhadap pengaruh perbandingan diameter dalam dan diameter luar

  

runner juga telah dilakukan (Olgun, 1998). Dalam penelitian ini digunakan 4 buah

runner . Runner yang diuji mempunyai jumlah sudu 28 buah, diameter luar 170 mm, dibuat berbeda. Perbandingan diameter dalam dan diameter luar yang digunakan

  o

  adalah 0,75, 0,65, 0,58 dan 0,54. Sudut masuk pancaran air dipilih sebesar 16 . Hasil penelitian menunjukkan bahwa efisiensi tertinggi dicapai pada perbandingan 0,75 dan terendah pada perbandingan 0,54 dengan perbedaan sebesar 3%. Efisiensi yang biasa dicapai adalah sebesar 72%.

  Penelitian terhadap pengaruh sudut nozzle menunjukkan bahwa efisiensi akan semakin besar jika sudut nozzle semakin besar (Khosrowpanah, 1988). Penelitian ini menggunakan 3 buah runner dengan jumlah sudu 20, 15, dan 10 serta 1 buah runner dengan diameter setengah dari diameter runner yang lain, sedangkan jumlah sudunya

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

2.2 TURBIN AIR

2.2.1 Definisi Turbin Air

  Turbin air adalah suatu mesin berputar yang mengkonversi energi dari suatu gerakan aliran air menjadi energi mekanis. Energi mekanis ini kemudian ditransfer digunakan pada Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik, dengan memanfaatkan aliran dan tinggi air jatuh. Air di bawah tekanan tinggi di dalam dam dilepaskan ke dalam suatu saluran dimana akan menggerakkan impeler turbin sehingga menyebabkan putaran yang cepat. Daya mekanis ini kemudian ditransfer ke generator oleh suatu poros dan kemudian akan menghasilkan energi listrik. Pemilihan suatu turbin tergantung pada 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 Jenis-Jenis Turbin Air

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

Tabel 2.1 Pengelompokan Turbin

  Head Tinggi Head Sedang Head Rendah

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

  Multi Jet

  Turbin Turgo

2.3 TURBIN ALIRAN SILANG

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

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

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

  2

  digunakan yaitu diatas 1 m sampai dengan 200 m. Kapasitas aliran air 0,02 m /detik

  2

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

2.3.1 Bagian Turbin Aliran Silang

  Pada dasarnya turbin aliran silang terdiri dari tiga bagian utama, yaitu:

  1. Roda Jalan Roda jalan (runner) turbin aliran silang terdiri dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel.

  2. Alat Pengarah Alat pengarah pada turbin sering disebut dengan nozzle. Nozzle pada turbin aliran silang berbentuk persegi panjang. Ukuran nozzle disesuaikan dengan ukuran

  runner turbin.

Gambar 2.3 Alat Pengarah

  3. Rumah Turbin Rumah turbin digunakan untuk memasang turbin agar dapat berputar. Rumah turbin dilengkapi dengan bantalan agar poros turbin dapat berputar tanpa adanya gesekan dan berputar pada posisi yang sama.

  Turbin aliran silang dapat digunakan untuk menggerakkan generator listrik kecil. Untuk itu perlu adanya komponen tambahan yang disebut generator. Generator berfungsi mengubah tenaga mekanis menjadi tenaga listrik arus bolak-balik. Generator arus bolak-balik sering disebut juga sebagai alternator, generator AC (alternating current), atau generator sinkron. Dikatakan generator sinkron karena jumlah putaran rotornya sama dengan jumlah putaran medan magnet pada stator.

  Kecepatan sinkron ini dihasilkan dari kecepatan putar rotor dengan kutub-kutub magnet yang berputar dengan kecepatan yang sama dengan medan putar pada stator.

  Generator memiliki 3 bagian yang penting, yaitu :

  a. Rotor Rotor adalah bagian yang berputar yang menjadi satu dengan poros alternator yang terdapat magnet permanen atau lilitan induksi magnet. Pada rotor terdapat bagian yang berfungsi sebagai kutub magnet yang terletak pada sisi luar dari lilitan. Rotor ditumpu oleh dua buah bearing, pada bagian depannya terdapat puli. Rotor berfungsi menghasilkan medan magnet yang menginduksikan ke stator.

  b. Stator Stator adalah bagian yang statis pada altenator yang berupa inti besi yang dibungkus dengan kawat tembaga. Bagian ini berupa lilitan yang berfungsi untuk menghasilkan arus bolak-balik (AC). c. Dioda Dioda mengkonversi arus bolak-balik yang dihasilkan oleh pasangan rotor dan stator menjadi arus searah.

Gambar 2.5 Generator

  Besarnya arus yang dihasilkan oleh motor induksi tergantung pada besarnya putaran alternator dan kekuatan medan magnet. Altenator menghasilkan listrik dengan prinsip yang sama pada DC generator, yakni adanya arus pengumpan yang disebut arus eksitasi saat terjadi medan magnet disekitar kumparan. Dari alternator dapat di ukur arus (I) dan tegangan keluaran (V) yang kemudian digunakan untuk menentukan besarnya daya yang dihasilkan.

2.4 PERGERAKAN AIR TURBIN ALIRAN SILANG

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

  P = ⋅ g ⋅ Q ⋅ H .............................................................................................2.1 _in ρ

  Dengan : P in : Daya yang tersedia (W).

  3

  : Massa jenis air (kg/m ) ρ

  2

  g : Percepatan gravitasi (m/s )

3 Q : Debit air (m /s)

  H : Tinggi air jatuh (m) Pada gambar 2.6 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 ) dihitung dengan (Mockmore, 1949, hal 6) : _{1 2}

1 V = C ⋅ (

  ₁ 2 ⋅ g ⋅ H ) ........................................................................................2.2 Dengan : V = Kecepatan absolut.

1 C = Koefisien berdasarkan nosel

  lingkaran runner. Dengan indek 1 menandakan kecepatan masuk dan indek 2 menandakan kecepatan keluar sudu jalan turbin.

Gambar 2.6 Aliran pergerakan air pada Turbin Crossflow (Sumber : Mockmore, 1949, hal. 6)

  Alur pergerakan air pada kenyataannya tidak seperti yang terdapat dalam (gambar 2.6) karena terdapat defleksi sebesar θ seperti dalam (gambar 2.7).

2.5 PERANCANGAN TURBIN ALIRAN SILANG

2.5.1 Segitiga Kecepatan

  Sudut

  1 , V 1 , dan u 1 .

  β1 ditentukan oleh nilai α

Gambar 2.8 Segitiga kecepatan pada Turbin Crossflow (Sumber : Mockmore, 1949)

  Jika u = ½ V cos .................................................................................................2.3

  1

  1

  1

  α maka tan

  2 = 2 tan 1 .................................................................................................2.4

  β α

  o o o o

  jika

  1 = 16 , maka 1 = 29 , 30 atau 50 atau nilai pendekatan. (Mockmore,

  α β 1949, hal 10).

  ’ 2 adalah sudut sudu keluar sisi atas pada keliling dalam runner. Dengan

  Β asumsi v = v dan = , untuk membuat aliran pancaran air radial maka besarnya

  1

  2

  1

  2

  α α

  o 2 ’ = 90 .

  β

Gambar 2.9 Gabungan Segitiga Kecepatan Pada Turbin Aliran Silang (Sumber : Mockmore, 1949)

2.5.2 Perhitungan Dimensi Turbin

  a. Diameter Luar Runner (D

  1 ) N H D ^{2 1} ₁

  862 ⋅ =

  (Mockmore, 1949, hal 14) .........................................................2.5 Dengan :

  H = Head ketinggian (inch) N = Putaran turbin (rpm)

  b. Panjang Turbin (L)

  Dengan : Q = Debit aliran air (cfs).

  C = Koefisien nosel.

  = 0.98 K = Faktor koreksi.

  = 0.087

  c. Panjang dan diameter turbin _{2 1 1} 210 6 ,

  H Q D L

  ⋅ = ⋅

  (Mockmore, 1949, hal 17)......................................................2.7

  d. Jari-jari kelengkungan sudu ( ρ) ₁

  = 326 , r ⋅ ρ (Mockmore, 1949, hal 15) .............................................................2.8

  Dengan : r

  1 = jari-jari luar runner (inci)

  e. Lebar velk radial (a ) ₁ = 17 , D a ⋅ (Mockmore, 1949, hal 12) ..............................................................2.9

Gambar 2.10 Kelengkungan sudu (Sumber : Mockmore, 1949)

  f. Jarak antar sudu (t) Jarak antar sudu meliputi jarak antar sudu pancaran air masuk (s ), jarak sudu

  1

  pancaran air keluar (s

  2 ) dan jarak antar sudu (t) (gambar 2.10) s = k ⋅ D (Mockmore, 1949, hal 14) ...............................................................2.10 _{1 1}

  ⎛ r ⎞ ₂

  s = t ⋅ (Mockmore, 1949, hal 11) .............................................................2.11 ₂

  ⎜⎜ ⎟⎟

  r ₁

  ⎝ ⎠

Gambar 2.11 Jarak antar sudu (Sumber : Mockmore, 1949)

  g. Jumlah sudu (n)

  D ₁ n = π ⋅ (Mockmore, 1949, hal 17) ...............................................................2.13 t

  h. Jarak pancaran dari poros (y

  1 ) (gambar 2.11) i. Jarak pancaran dari keliling dalam (y ) (gambar 2.11)

  2 y = , 1314 − , 945 ⋅ k ⋅ D (Mockmore, 1949, hal 14) ...................................2.15 ₂ ( ) ₁ Gambar 2.12 Alur pancaran air

  

(Sumber : Mockmore, 1949)

  j. Efisiensi maksimal turbin

  1 Jika cos α u = ⋅ ₁ V ⋅ _{1 1}

  2

  maka tan = 2 tan

  1

  1

  β α ψ = Koefisien empiris yang nilainya sekitar (0,98). (Mockmore, 1949, hal 9).

  1

  ε ψ α _max = ⋅ C ⋅ ( ^{2 2}

• 1 ) ⋅ cos ⋅ (Mockmore, 1949, hal 9) .................................2.16
₁

  2

  k. Nosel Meliputi penampang nosel (A) dan tinggi pancaran air nosel (s o )

  Q

  (Mockmore, 1949, hal 17) ...............................................................2.17

  A =

  V ₁ A s = (Mockmore, 1949, hal 17) ..............................................................2.18 _o L

  l. Sudu pusat sudu jalan (gambar 2.13) 1 cos β ¹ Tan δ = ..................................................................................2.19 2 r

  ⎛ ^{2 ⎞} sin β + ₁ ⎜ ⎟

  r ₁

  ⎝ ⎠ m. Perhitungan poros

  Parameter-parameter yang digunakan dalam perhitungan poros sebagai berikut ; P = Daya yang ditransmisikan (kW) Fc = Faktor koreksi (Sularso, 2004, hal. 7) n = Putaran poros (rpm) Pd = fc × P (kW) .......................................................................2.20 T = Momen puntir rencana (kg.mm) T = 9,74 × 105..........................................................................2.21

  B = Kekuatan tarik bahan (kg/mm2)

  σ

  Cb = Faktor Cb nilainya 1,2 sampai 2,3. Jika diperkirakan tidak terjadi pembebanan lentur maka Cb = 1.

  Kt = Faktor Kt dipilih 1,0 jika beban dikenakan secara halus; 1,0-1,5 jika dikenakan sedikit beban kejutan atau tumbukan; dan 1,5-3,0 jika beban kejutan atau tumbukan besar.

  σ _B = (kg/mm2) .............................................................................2.22

  σ _a

  Sf × Sf ( ^{1 2 )}

  ds = diameter minimal poros (mm) _{3 1} ⎡ ⎤ 5 ,

  1

  d = × Kt × Cb × T …................................................................................2.23 _s

  ⎢ ⎥ τ _a

  ⎣ ⎦ n. Perhitungan Daya yang tersedia (P in )

  QHe P =

  8 ,

  8 QH (HP)..................................................................................................2.24

  P =

  8 ,

  8 Dimana : Q = Debit air (cfs) H = Tinggi air jatuh (head) (feet) o. Perhitungan Daya Keluaran (P )

  out

  P out = V x I .........................................................................................................2.25 Dimana :

  V = Tegangan (volt) I = Arus (ampere) p. Perhitungan Torsi Guna Turbin (T)

  P _out T = 55

  9 , × ....................................................................................................2.26

  n

  Dimana : n = Putaran q. Perhitungan Efisiensi Total (

  η)

  P _out

  = × 100 % ..................................................................................................2.27 η

  P _in

BAB III METODE PENELITIAN

3.1 DIAGRAM ALIR PENELITIAN

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

3.2 PEMBUATAN ALAT

3.2.1 Desain Alat

  Pada tahapan ini, gambar kerja dibuat. Sebelum membuat gambar kerja, terlebih dahulu dibuat sketsa alat dan menentukan ukuran alat yang akan dibuat.

  Alat uji turbin juga akan digunakan pada pelaksanaan uji prestasi. Penelitian akan dilaksanakan dengan membuat sebuah runner dengan diameter dan panjang yang sama dengan runner bawaan dari alat uji turbin. Sedangkan perbedaannya terletak pada jumlah sudu, sudut sudu, bahan sudu dan proses manufacturing runner.

  Runner bawaan dari alat uji turbin akan dilepas, dan digantikan dengan runner

  yang akan dibuat sendiri. Sedangkan komponen lain seperti rumah runner, generator, transmisi belt, dan puli, panel-panel listrik dan nosel 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 pompa berkapasitas 10 liter/detik dan head 21 m.

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

  

penstock . Air yang masuk ke nosel akan digunakan untuk memutar runner di dalam rumah runner, kemudian masuk kembali ke dalam bak penampung. Poros runner dihubungkan ke poros generator menggunakan transmisi sabuk dan puli.

  Generator berfungsi mengubah energi mekanis menjadi tenaga listrik arus bolak-balik. Besarnya arus yang dihasilkan oleh generator tergantung pada besarnya putaran generator dan kekuatan medan magnet. Listrik yang dihasilkan oleh generator kemudian diukur saat pengambilan data.

3.2.2 Rancangan Turbin Aliran Silang

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

  Dalam perancangan ini terdapat parameter yang diketahui yaitu : Head (H) = 4,5 meter

  = 14,765 ft Debit (Q) = 8 L/s

  = 0,283 cfs Diameter pipa untuk sudu (d

  1

  ) = 1,75 inch Koefisien nosel (C) = 0,98 Faktor koreksi (k) = 0,087 Sudut masuk (

  α

  1

  ) = 16º Sudut busur sudu ( =

  90

  Perhitungan :

  Perancangan Turbin Aliran Silang dengan sudu jalan yang terbuat dari pipa berdiameter 1,75 in (0,146 ft).

  a. Kecepatan pancaran nosel (V) V = C ⋅

  2 ⋅ g ⋅ H

  V = ,

  98 × 2 × 32 , 18 × 14 , 765

  V = 30 , 209 ft/s

  b. Radius sudu ( ρ)

  = , 5 × d ρ ₁

  = ×

  ρ ,

  5 1 ,

  75 =

  ρ , 875 inch

  runner (D

  c. Diameter 1 )

  ρ = , 326 × r ₁ , 875

  r = ₁

  , 326

  inc h D = ₁ 2 , 684 (pada penelitian ini diameter runner 3,858 inch)

d. Panjang dan diameter runner (LD 1 )

  210 × Q

  LD = _{1 1 2} H

  210 , 283 ×

  LD = _{1 1 2}

  15 , 467

  ( ) LD = ₁ 15 , 467 inch e. Panjang runner (L)

  15 , 467 L =

  D ₁

  15 , 467

  L =

  2 , 684

  L = 5 , 763 inch (pada penelitian ini panjang runner 4,095 inch)

  f. Kecepatan putar runner (N) _{1 2}

  862 × H

  N = D _{1 1 2}

  862 × ( 14 , 765 )

  N =

  2 , 684

  N = 1234,1 rpm (pada perhitungan menggunakan D 1 = 3,86 inch didapat

g. Lebar nozzle (s o )

  Q A =

  V

  , 283

  A =

  30 , 209

2 A =

  , 009 ft A s = _o L

  , 009 144 ×

  s = _o

  5 , 763

  s = , 225 inch _o

h. Jarak antar sudu pada runner (s , t)

  1 s = k × D _{1 1} s = , 087 × ₁ 2 , 684 s = , 233 inch ₁ s ₁ t =

  sin β ₁

  , 233 t = ₁

  − sin tan 2 tan

  16 ( × ) [ ] inc h t =

  , 448 (pada penelitian ini jarak sudu pada runner 0,673 inch)

i. Jumlah sudu (n)

  k. Diameter dalam runner (D

  = (0,1986 – 0,945 x k) x D1 = (0,1986 – 0,945 x 0,087) x 2,684

  1

  y

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

  1 ₂ = D inch (pada penelitian ini diameter dalam runner 1,96 inch)

  2 ₂ ⋅ − = D 904 ,

  39 , , 2 684

  ( )

  2 _{1 2}

  2 ) D a D ⋅ − =

  t D n ¹

  × =

  = a

  2 17 , × = a 456 ,

  684 ,

  = 17 , D a ×

  ≈ 18 (Dari perancangan telah ditentukan jumlah sudu 18 buah). j. Lebar sudu (a) ₁

  81 , 18 = n

  = n

  3 ×

  2 14 ,

  π 448 , 684 ,

  inch (pada penelitian ini radial rim width 0,95 inch)

  m. Daya yang tersedia (P in )

  , 475 877 , × = _turbin

  1234,1 417 , = 329,11

  5

  = 9,74 x 10

  5 N P _d

  1. Menghitung torsi : T = 9,74 x 10

  P HP o. Perhitungan Poros

  = 417 , _turbin

  P

  P P

  8 ,

  η × = _{in turbin}

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

  = 475 , _in

  P

  , 14 283 × = _in

  (Mockmore, 1949, hal 8) 8 , 8 765 ,

  × =

  P _in

  8 H Q

  2. Bahan poros :

  2 ¹ Sf Sf ^{B a}

  259 336 ,

  Diameter dalam (D

  Radial rim width (a) = 0,95 inch = 24,13 mm

  ) = 3,86 inch = 98 mm Panjang turbin (L) = 4,094 inch = 104 mm

  1

  Jari-jari kelengkungan sudu = 0,875 inch = 22,23 mm Diameter luar turbin (D

  1 ) = 1,75 inch = 44,45 mm

  Diameter pipa untuk sudu (d

  p. Geometri Turbin Aliran Silang dalam pembuatan

  = 13,353 mm (Diameter poros perancangan menggunakan 25 mm).

  ⎢ ⎣ ⎡ × × ×

  5 ⎥ ⎦ ⎤

  1 ,

  1 5 , 1 833 ,

  = ^{3 1}

  × =

  × × × T C K _{b t a} τ

  ⎢ ⎣ ⎡

  5 ⎥ ⎦ ⎤

  1 ,

  1 = ^{3 1}

  3. Diameter poros: d

  2

  τ kg/mm

  τ = 833 , _a

  10 × = _a

  3

  4

  σ τ

  

2 ) = 1,96 inch = 49,78 mm Jumlah sudu (n) = 18 buah Sudut busur sudu (

  74 δ) =