UJI PERFORMANSI TURBIN PELTON DENGAN 24 SUDU PADA HEAD 9,41 METER DENGAN MENGGUNAKAN SATU NOSEL DAN ANALISA PERBANDINGAN MENGGUNAKAN VARIASI BENTUK SUDU SKRIPSI
UJI PERFORMANSI TURBIN PELTON DENGAN 24 SUDU PADA HEAD 9,41 METER DENGAN MENGGUNAKAN SATU NOSEL DAN ANALISA PERBANDINGAN MENGGUNAKAN
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
MAY MARTIN SITUMORANG NIM. 080401051 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013
UJI PERFORMANSI TURBIN PELTON DENGAN 24 SUDU PADA HEAD 9,41 METER DENGAN MENGUNKAN SATU NOSEL DAN ANALISA PERBANDINGAN DENGAN MENGUNAKAN
VARIASI BENTUK SUDU MAY MARTIN SITUMORANG NIM. 08 0401 051 Telah Disetujui Oleh:
ABSTRAK
Penelitian ini bertujuan untuk meneliti Turbin Pelton untuk Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) dengan variasi bentuk sudu dan variasi bukaan katup. Variasi bentuk sudu yang digunakan adalah bentuk sudu mangkok dan bentuk sudu setengah silinder sedangkan variasi bukaan katupnya
o o o
adalah 60 , 75 , 90 . Langkah-langkah yang dilakukan dalam penelitian ini meliputi, perancangan, pembuatan, dan pengujian menggunakan dinamometer untuk mengetahui karakteristik turbin. Turbin yang diuji memiliki nosel tunggal, dengan jumlah sudu 24 buah. Dari data pengujiaan pada sudu mangkok maupun sudu setengah silinder memiliki kecenderungan yang sama pada karakteristik grafiknya. Tetapi daya dan efisiensi yang dihasilkan turbin pada sudu mangkok lebih besar dibandingkan dengan sudu setengah silinder yaitu sebesar 112,99 Watt dan 55,92 % pada sudu mangkok dan sebesar 73,49 Watt dan 36,37 % pada sudu setengah silinder.
Kata Kunci : Turbin Pelton, sudu mangkok, sudu setengah silinder.
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kehadiran Tuhan Yang Maha Esa karena atas berkat dan karunia-Nya penulis akhirnya dapat menyelesaikan skripsi ini dengan judul “UJI PERFORMANSI TURBIN PELTON DENGAN 24 SUDU PADA
HEAD 9,41 METER DENGAN MENGGUNAKAN SATU NOSEL DAN
ANALISA PERBANDINGAN MENGGUNAKAN VARIASI BENTUK
SUDU”.Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub Bidang Konversi Energi, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi penulis, namun berkat dorongan, semangat, doa dan bantuan baik materil maupun moril dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Oleh karena itu dengan penuh ketulusan hati penulis mengucapkan terima kasih kepada :
1. Bapak Ir. Tekad Sitepu selaku dosen pembimbing, yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.
2. Bapak Dr. Ing. Ir Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
3. Bapak Ir. M. Syahril Gultom MT. Selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
4. Bapak Ir. M. Syahril Gultom MT selaku dosen pembanding I dan dan Bapak Dr. Ing. Ir Ikhwansyah Isranuri selaku dosen pembanding II yang memberikan masukan kepada penulis.
5. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin yang telah berjasa membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis kuliah.
6. Kedua orang tua penulis, J. Situmorang dan R. br Sitorus yang sangat berjasa memberikan bantuan dan dorongan dalam bentuk apapun dan tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan, doa serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.
7. Kakak penulis Nora Novitauly Situmorang dan adik-adik penulis Novita Sari Situmorang dan Putri Abigel Situmorang yang selalu memberikan dukungan.
8. Rekan-rekan satu tim kerja, Frans Ade P. Tampubolon, Bernardus L. Gaol, Bona Halasan Nababan yang telah bersama-sama untuk menyelesaikan skripsi ini.
9. Teman-teman seperjuangan dari Tim HORAS, Tim Vortex, Tim NACA, Tim Hidram, dan Tim Pengering yang turut membantu dan mendukung untuk menyelesaikan skripsi ini.
10. Rekan-rekan mahasiswa stambuk 2008 yang tidak mungkin disebutkan satu- persatu, para abang senior dan adik-adik junior semua yang telah mendukung dan memberi semangat kepada penulis.
Penulis menyadari bahwa mungkin ada beberapa kesalahan dan kekeliruan dalam penulisan skripsi ini. Oleh karena itu penulis akan sangat berterima kasih dan dengan senang hati menerima kritik dan saran yang membangun untuk memperbaiki skripsi ini untuk kepentingan ilmu pengetahuan.Semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca dan akhir kata Penulis mengucapkan banyak terima kasih.
Medan, April 2013 May Martin Situmorang
DAFTAR ISI
ABSTRAK ....................................................................................................... i KATA PENGANTAR ..................................................................................... ii DAFTAR ISI ................................................................................................... iv DAFTAR TABEL ........................................................................................... vii DAFTAR GAMBAR ...................................................................................... vii DAFTAR SIMBOL ......................................................................................... ix AKSARA YUNANI ........................................................................................ xiiBAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang ..................................................................... 1
1.2 Maksud dan Tujuan Penelitian ............................................. 3
1.3 Batasan Masalah ................................................................... 4
1.4 Metodologi Penelitian .......................................................... 4
1.5 Keluaran Skripsi ................................................................... 5
1.6 Sistematika Penulisan........................................................... 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Turbin Air ................................................................................ 7
2.1.1 Klasifikasi Turbin Air ..................................................... 8
2.1.2 Perbandingan Karakteristik Turbin Air .......................... 13
2.1.3 Head Turbin .................................................................... 15
2.2 Turbin Pelton ........................................................................... 19
2.2.1 Pengenalan Turbin Pelton ............................................... 20
2.2.2 Karakteristik Grafik Turbin Pelton ................................. 23
2.3 Karakteristik Turbin Pelton Yang Digunakan.......................... 25
2.4 Dinamometer ........................................................................... 26
2.5 ) ............................................................. 27
Efisiensi Turbin (
BAB III METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN
3.1 Umum................................................................................... 29
3.2 Pengujian Turbin Pelton ....................................................... 30
3.3 Rancang Bangun Instalasi .................................................... 36
3.4 Peralatan Pengujian .............................................................. 37
3.4.1 Hand Tachometer ............................................................ 37
3.4.2 Meteran ........................................................................... 38
3.4.3 Flow Meter Digital .......................................................... 39
3.4.4 Pompa Pengumpan .......................................................... 40
3.5 Pelaksanaan Pengujian .......................................................... 41
BAB IV HASIL DAN ANALISA PENGUJIAN
4.1 Perhitungan Efisiensi Turbin Pelton Pada Head 9,41 Meter Denagn Menggunakan Satu Nosel (Bukaan Nosel 90º) Dengan Menggunakan 24 Sudu Mangkok ........................... 45
4.2 Grafik Hasil Pengujian Dengan 24 Sudu Mangkok Bukaan Katub 90° ................................................................ 53
4.3 Perhitungan Efisiensi Turbin Pelton Pada Head 9,41 Meter Denagn Menggunakan Satu Nosel (Bukaan Nosel 75º)
Dengan Menggunakan 24 Sudu Mangkok ........................... 55
4.4 Grafik Hasil Pengujian Dengan 24 Sudu Mangkok Bukaan Katub 75° ................................................................ 62
4.5 Perhitungan Efisiensi Turbin Pelton Pada Head 9,41 Meter Denagn Menggunakan Satu Nosel (Bukaan Nosel 60º)
Dengan Menggunakan 24 Sudu Mangkok ........................... 64
4.6 Grafik Hasil Pengujian Dengan 24 Sudu Mangkok Bukaan Katub 60° ................................................................ 71
4.7 Perhitungan Efisiensi Turbin Pelton Pada Head 9,41 Meter Denagn Menggunakan Satu Nosel (Bukaan Nosel 90º)
Dengan Menggunakan 24 Sudu Setengah Silinder .............. 73
4.8 Grafik Hasil Pengujian Dengan 24 Sudu Setengah Silinder Bukaan Katub 90° .................................................. 76
4.9 Perhitungan Efisiensi Turbin Pelton Pada Head 9,41 Meter Denagn Menggunakan Satu Nosel (Bukaan Nosel 75º)
Dengan Menggunakan 24 Sudu Setengah Silinder .............. 78
4.10 Grafik Hasil Pengujian Dengan 24 Sudu Setengah Silinder Bukaan Katub 75° .................................................. 81
4.11 Perhitungan Efisiensi Turbin Pelton Pada Head 9,41
Meter Denagn Menggunakan Satu Nosel (Bukaan Nosel 60º)
Dengan Menggunakan 24 Sudu Setengah Silinder .............. 83
4.12 Grafik Hasil Pengujian Dengan 24 Sudu Setengah Silinder Bukaan Katub 60° .................................................. 86
4.13 Grafik Perbandingan Hasil Pengujian Turbin Dengan 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katub 60°,75°,90° ........................................................................... 89
4.14 Grafik Perbandingan Hasil Pengujian Turbin Dengan 24 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katub 60°,75°,90° ........................................................................... 92
4.15 Grafik Karakteristik Turbin Pelton Sudu Mangkok ............. 95
4.16 Grafik Karakteristik Turbin Pelton Sudu Setengah Silinder ................................................................................. 98
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan .......................................................................... 101
5.2 Saran..................................................................................... 103
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Kecepatan Spesifik Turbin ............................................................. 14Tabel 2.2 Kecepatan Spesifik ( ) .................................................................. 19Tabel 4.1 Head Losses Minor pada Pipa 4 inci. ............................................. 47Tabel 4.2 Head Losses Minor pada Pipa 2 inci. ............................................. 48Tabel 4.3 Tabel Hubungan Antara Beban dengan Efisiensi Turbin 24 Buah SuduMangkok Bukaan Katup 90º .......................................................... 52
Tabel 4.4 Head Losses Minor pada Pipa 4 inci .............................................. 57Tabel 4.5 Head Losses Minor pada Pipa 2 inci .............................................. 58Tabel 4.6 Tabel Hubungan Antara Beban dengan Efisiensi Turbin 24 Buah SuduMangkok Bukaan Katup 75º .......................................................... 60
Tabel 4.7 Head Losses Minor pada Pipa 4 inci .............................................. 66Tabel 4.8 Head Losses Minor pada Pipa 2 inci .............................................. 67Tabel 4.9 Tabel Hubungan Antara Beban dengan Efisiensi Turbin 24 Buah SuduMangkok Bukaan Katup 60º .......................................................... 69
Tabel 4.10 Tabel Hubungan Antara Beban dengan Efisiensi Turbin 24 Buah SuduSetengah Silinder Bukaan Katup 90º ........................................... 75
Tabel 4.11 Tabel Hubungan Antara Beban dengan Efisiensi Turbin 24 Buah SuduMangkok Bukaan Katup 75º ........................................................ 80
Tabel 4.12 Tabel Hubungan Antara Beban dengan Efisiensi Turbin 24 Buah SuduSetengah Silinder Bukaan Katup 60º ........................................... 84
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Turbin Cross Flow ......................................................................25 Gambar 2.16 Dinamo Meter. ..........................................................................
54 Gambar 4.3 Grafik Putaran Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 90º. ......................................................
53 Gambar 4.2 Grafik Beban (N) vs Putaran (rpm) 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 90º ....................................................................................
24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 90º ....................................................................................
%)
40 Gambar 4.1 Grafik Beban (N) vs Efisiensi (
40 Gambar 3.7 Pompa Pengumpan .....................................................................
38 Gambar 3.6 Flow Meter Digital .....................................................................
38 Gambar 3.5 Meteran. ......................................................................................
37 Gambar 3.4 Hand Tachometer ........................................................................
31 Gambar 3.3 Instalasi Pipa untuk Turbin Pelton. ............................................
31 Gambar 3.2 Turbin Pelton Setelah Dirakit. ...................................................
27 Gambar 3.1 Sudu dan Runner Turbin Pelton Sebelum Dirakit. ....................
24 Gambar 2.15 Gambar Kecepatan Turbin vs Efisiensi (rpm vs ɳ). .................
9 Gambar 2.2 Turbin Pelton ..............................................................................
24 Gambar 2.14 Gambar Kecepatan Turbin vs Daya Turbin (rpm vs P). ...........
23 Gambar 2.13 Gambar Daya vs Efisiensi (P vs ɳ). ..........................................
22 Gambar 2.12 Gambar Debit vs Efisiensi (Q vs ɳ). .........................................
22 Gambar 2.11 Rumah Turbin Pelton. ...............................................................
21 Gambar 2.10 Nosel. ........................................................................................
20 Gambar 2.9 Sudu (Bucket). ...........................................................................
17 Gambar 2.8 Runner Turbin Pelton. ................................................................
15 Gambar 2.7 Diagram Bernoulli Untuk Turbin Air. ........................................
14 Gambar 2.6 Daerah penggunaan dari beberapa jenis konstruksi turbin yang berbeda ........................................................................................
13 Gambar 2.5 Perbandingan Karakteristik Turbin ............................................
12 Gambar 2.4 Turbin Propeler ...........................................................................
10 Gambar 2.3 Turbin Francis .............................................................................
55
Gambar 4.4 Grafik Beban (N) vs Efisiensi Turbin (%) 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 75º. ......................................................................78 Gambar 4.13 Grafik Beban (N) vs Efisiensi Turbin (%) 24 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 75º. .........................................................
88 Gambar 4.19 Grafik Perbandingan Beban (N) vs Efisiensi Turbin (%) 24 Buah Sudu Mangkok Pada Bukaan 60º, 75º, 90º. ................................
87 Gambar 4.18 Grafik Putaran Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) 24 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 60º. .........................................
86 Gambar 4.17 Grafik Beban (N) vs Putaran Turbin (rpm) 24 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 60º. .........................................................
83 Gambar 4.16 Grafik Beban (N) vs Efisiensi Turbin (%) 24 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 60º. .........................................................
82 Gambar 4.15 Grafik Putaran Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) 24 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 75º. .........................................
81 Gambar 4.14 Grafik Beban (N) vs Putaran Turbin (rpm) 24 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 75º. .........................................................
77 Gambar 4.12 Grafik Putaran Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) 24 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 90º. .........................................
62 Gambar 4.5 Grafik Beban (N) vs Putaran Turbin (rpm) 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 75º .......................................................................
76 Gambar 4.11 Grafik Beban (N) vs Putaran Turbin (rpm) 24 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 90º. .........................................................
73 Gambar 4.10 Grafik Beban (N) vs Efisiensi Turbin (%) 24 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 90º ..........................................................
72 Gambar 4.9 Grafik Putaran Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 60º .......................................................
71 Gambar 4.8 Grafik Beban (N) vs Putaran Turbin (rpm) 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 60º. ......................................................................
64 Gambar 4.7 Grafik Beban (N) vs Efisiensi Turbin (%) 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 60º. ......................................................................
63 Gambar 4.6 Grafik Putaran Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 75º. ......................................................
89
Gambar 4.20 Grafik Perbandingan Beban (N) vs Putaran Turbin (rpm) 24 Buah Sudu Mangkok Pada Bukaan 60º, 75º, 90º. ................................90 Gambar 4.21 Grafik Perbandingan Putaran Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) 24 Buah Sudu Mangkok Pada Bukaan 60º, 75º, 90º. .......................
91 Gambar 4.22 Grafik Perbandingan Beban (N) vs Efisiensi Turbin (%) 24 Buah Sudu Setengah Silinder Pada Bukaan 60º, 75º, 90º ....................
92 Gambar 4.23 Grafik Perbandingan Beban (N) vs Putaran Turbin (rpm) 24 Buah Sudu Setengah Silinder Pada Bukaan 60º, 75º, 90º ...................
93 Gambar 4.24 Grafik Perbandingan Putaran Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) 24 Buah Sudu Setengah Silinder Pada Bukaan 60º, 75º, 90º ...........
93 Gambar 4.25 Grafik Karakteristik Debit (Q) vs Efisiensi Maksimal Turbin (%) Sudu Mangkok. ...........................................................................
95 Gambar 4.26 Grafik Karakteristik Daya Air (W) vs Efisiensi Turbin (%) Sudu Mangkok. ....................................................................................
95 Gambar 4.27 Grafik Karakteristik Kecepatan Turbin (rpm) vs Efisiensi Turbin (W) Sudu Mangkok. ...........................................................................
96 Gambar 4.28 Grafik Karakteristik Kecepatan Turbin (rpm) vs Efisiensi Turbin (%) Sudu Mangkok. ...........................................................................
97 Gambar 4.29 Grafik Karakteristik Debit (Q) vs Efisiensi Maksimal Turbin (%) Sudu Setengah Silinder. ..............................................................
98 Gambar 4.30 Grafik Karakteristik Daya Air (W) vs Efisiensi Turbin (%) Sudu Setengah Silinder. .......................................................................
99 Gambar 4.31 Grafik Karakteristik Kecepatan Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) Sudu Setengah Silinder. ..............................................................
99 Gambar 4.32 Grafik Karakteristik Kecepatan Turbin (rpm) vs Efisiensi Turbin (%) Sudu Setengah Silinder.............................................................. 100
DAFTAR SIMBOL SIMBOL ARTI SATUAN
m Massa kg g Kecepatan gravitasi bumi 9,81 m/s z Selisih ketinggian m P Tekanan absolut N/m
Daya air watt Daya turbin watt
Head losses minor m Ƭ Torsi Nm
ℎ
Head losses mayor m
ℎ
ω Kecepatan sudut rad/s C Koefisien kerugian pipa -
l Panjang lengan dinamo meter m
F Beban N
n Kecepatan turbin rpm P Daya Turbin kW Ns Putaran spesifik rpm H Tinggi air jatuh m d Diameter pancaran air nosel m U Kecepatan tangensial m/s b Lebar sudu m h Tinggi sudu m t Kedalaman sudu m
2 V Kecepatan m/s
2
V Kecepatan aliran m/s A Luas penampang pipa m
/s
3
Head loses pada pipa m H eff Head efektif m Q Debit aliran m
l
H
AKSARA YUNANI
LAMBANG ARTI SATUAN Efisiensi turbin % 3 Berat Jenisa N/m
γ (gamma)
3
ρ (rho) Massa Jenis kg/m
υ Viskositas Kinematik
2
m /s