Turbin aliran silang dengan perbandingan L/D 1,25 dan busur sudu 74 derajad - USD Repository

  TURBIN ALIRAN SILANG DENGAN PERBANDINGAN L/D 1,25 ° DAN BUSUR SUDU 74

  TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

  Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Mesin

  Oleh : Julianto NIM : 065214048 PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA

THE CROSSFLOW TURBINE WITH 1.25 RATIO OF L/D AND 74 DEGREE OF CENTRAL ANGLE

  FINAL PAPER Presented as Fulfillment of the Requirements

  For the Degree of Sarjana Teknik In Mechanical Engineering Study Programme

  By : Julianto Student Number : 065214048 MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAMME SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

  

Dig a well before you become thirsty.

Galilah sumur sebelum Anda merasa haus.

  

Ideas are only seeds, to pick the crops needs perspiration.

Gagasan-gagasan hanyalah bibit, menuai hasilnya membutuhkan keringat.

  

A drop of ink can move a million people to think.

Setetes tinta bisa menggerakan sejuta manusia untuk berfikir.

  

Laziness makes a man so slow that poverty soon overtake him.

Kemalasan membuat seseorang begitu lamban sehingga kemiskinan segera menyusul.

  

The man who says he never has time is the laziest man.(lichtenberg)

orang yang mengatakan tidak punya waktu adalah orang yang pemalas.(lichterberg)

Real power does not hit hard , but straight to the point.

Kekuatan yang sesungguhnya tidak memukul dengan keras , tetapi tepat sasaran

One ounce of prevent is equal to one pound of medicine.

  

Satu ons pencegahan sama nilainya dengan satu pon obat.

Politeness is the oil which reduces the friction against each other. (demokritus).

Sopan-santu adalah ibarat minyak yang mengurangi gesekan satu dengan yang lain.

  

(demokritus).

If you leave everything to your good luck, then you make your life a lottery.

Jika anda mengantungkan diri pada keberuntungan saja, anda membuat hidup anda

seperti lotere.

  

Being careful in judging an opinion is a sign of wisdom.

Kehati-hatian dalam menilai pendapat orang adalah ciri kematangan jiwa.

  

Knowledge and skills are tools, the workman is character.

Pengetahuan dan keterampilan adalah alat, yang menentukan sukses adalah tabiat.

  

We can take from our life up to what we put to it.

Apa yang bisa kita dapat dari kehidupan kita tergantung dari apa yang kita

masukkan ke situ.

  

Lihatlah masalah sebagai bagian kehidupan. Ketika masalah muncul, tegakkan

kepala, hadapi, dan katakan, “aku akan lebih besar daripada kamu, kamu tidak

akan bias mengalahkanku.”

(Ann Landers)

  

Saya tidak patah semangat, karena setiap usaha yang salah adalah satu langkah

maju.

  

(Thomas Alva Edison)

Kesuksesan lebih diukur dari rintangan yang berhasil diatasi seseorang saat berusaha

untuk sukses daripada dari posisi yang telah diraihnya dalam kehidupan.

  

(Booker T. Washingtong)

Orang yang bisa mengatasi keinginannya lebih berani daripada orang yang bisa

menaklukkan musuhnya; karena kemenangan yang paling sulit diraih adalah

kemenangan atas dirinya sendiri.

  

(Aristoteles)

Manusia tidak menjadi terhormat atas apa yang ia terima. Kehormatan diberikan

kepada orang yang memberi.

  

(Calvin Coolidge)

  Dipersembahkan untuk Tuhan Yang Maha Esa

  Ayah Bun Kim Sin Ibu Cong Khiun Fa

  INTISARI

  Turbin aliran silang banyak digunakan untuk pembangkit listrik tenaga mikrohidro. Sudu turbin dari plat yang dilengkung sulit dilakukan oleh masyarakat. Pembuatan sudu turbin aliran silang dapat menggunakan 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 2 inch. Diameter runner adalah 156 mm dengan

  ° panjang runner 196 mm. Jumlah sudu pada runner 18 buah dan busur sudu 74 .

  Penelitian dilakukan dengan memvariasikan debit yaitu 6,8 L/s, 7,6 L/s, dan 8,1 L/s dan tinggi nosel 7 mm, 10 mm, 14 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, sampai dengan 250 W. Pada setiap pembeban, putaran turbin diukur dengan tachometer.

  o

  Turbin Aliran Silang dengan busur sudu 74 dan jumlah sudu 18 mampu menghasilkan daya maksimum sebesar 12,43 watt dan memiliki efisiensi 5,30 %. Hasil tersebut didapat pada variasi tinggi nosel 7 mm dan debit 6,8 L/s. Jumlah sudu pada runner dan diameter runner mempengaruhi besarnya daya yang dihasilkan oleh turbin. Selain itu, semakin besar putaran turbin aliran silang, maka efisiensi yang dihasilkan akan semakin besar hingga mencapai titik tertentu dimana tercapai daya maksimum kemudian daya akan turun kembali walaupun putaran turbin aliran silang terus naik. Kata kunci : turbin aliran silang, bilah pipa.

KATA PENGANTAR

  Puji Syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan bimbingan-Nya dalam penyusunan skripsi berjudul “TURBIN ALIRAN SILANG DENGAN PERBANDINGAN L/D 1,25 DAN BUSUR SUDU 74°”.

  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 serta Dosen Pembimbing Tugas Akhir ini.

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

  3. Bapak Ir. YB. Lukiyanto, M.T. selaku Dosen Pembimbing Akademik.

  4. Segenap Dosen di Jurusan Teknik Mesin, yang telah membimbing selama kuliah di Universitas Sanata Dharma.

  5. Kepala Laboratorium Konversi Energi dan Laboratorium Teknologi Mekanik Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma yang telah memberikan ijin dan fasilitas yang dipergunakan selama pembuatan alat dan pengambilan data.

  6. Bapak Intan Widanarko, Bapak Martono DS, Bapak Wardoyo, dan Bapak Rony Windaryawan yang telah banyak membantu saya dalam menyelesaikan alat Tugas Akhir ini.

  7. Bapak Tri Widaryanto dan segenap karyawan Sekertariat Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma serta semua karyawan serta staff Universitas Sanata Dharma.

  8. Ayah dan Ibu tercinta yang telah memberikan semua yang diperlukan dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

  9. Abang, kakak, dan adik-adik saya yang telah memberikan dukungan dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

  10. Elisabeth Jeanny Oetama yang tersayang yang telah memberi dukungan, menemani , dan memberikan saran selama pengerjaan Tugas Akhir ini.

  11. Teman-teman sekelompok penelitian microhydro : Timo Sembiring, Tjen Edison, Valentina Apri Rustiaji dan yang tidak bisa saya sebutkan satu persatu yang telah banyak membantu selama pembuatan alat, pengambilan data, dan penyusunan skripsi.

  12. Florensius Phangestu yang telah memberikan dukungan dan bantuan selama

  13. Teman-teman mahasiswa angkatan 2005 dan 2006 Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma dan semua pihak yang tidak bisa saya sebutkan satu persatu.

  Penulis menyadari sepenuhnya bahwa Tugas Akhir 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 Tugas Akhir ini. Akhir kata, semoga Tugas Akhir ini dapat berguna bagi pembaca semua.

  Penulis

  DAFTAR ISI

  Halaman HALAMAN JUDUL .............................................................................. i HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ................................... iii HALAMAN PENGESAHAN................................................................. iv HALAMAN PERSEMBAHAN ............................................................. v PERNYATAAN KEASLIAN KARYA. ................................................ vii LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH. .................................................................................. viii

  INTISARI................................................................................................ ix KATA PENGANTAR ............................................................................ x DAFTAR ISI........................................................................................... xiii DAFTAR TABEL................................................................................... xvii DAFTAR GAMBAR…………………………………………………. xviii DAFTAR LAMPIRAN………………………………………………... xix BAB I. PENDAHULUAN ......................................................................

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

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

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

  4 1.3.1. Tujuan ...............................................................................

  4

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

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

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

  8 2.2.1. Definisi Turbin Air............................................................

  8 2.2.2. Jenis-Jenis Turbin Air .......................................................

  8 2.3. Turbin Aliran Silang ..................................................................

  9 2.3.1. Bagian Turbin Aliran Silang .............................................

  10 2.4. Pergerakan Air Turbin Aliran Silang .........................................

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

  16 2.5.1. Segitiga Kecepatan............................................................

  16 2.5.2. Perhitungan Dimensi Turbin .............................................

  17 2.5.3 Perhitungan Generator…………………………………...

  24 2.5.4 Perhitungan rasio transmisi……………………………….

  25 BAB III. METODE PENELITIAN ........................................................

  26 3.1. Diagram Alir Penelitian .............................................................

  26 3.2. Bahan Dan Peralatan Penelitian .................................................

  27 3.2.1. Bahan Penelitian ...............................................................

  27 3.2.2. Peralatan Penelitian...........................................................

  27 3.3 Langkah-Langkah Penelitian Alat……………………………...

  27 3.3.1 Persiapan Alat…………………………………………….

  27

  3.3.4 Pengambilan Data……………………………………. .....

  32 3.3.5 Pengolahan dan Analisis Data……………………............

  33 3.4. Pembuatan Alat ..........................................................................

  33 3.4.1. Desain Alat........................................................................

  33 3.4.2. Rancangan Turbin Aliran Silang.......................................

  34 3.4.3. Pembuatan Tower Air .......................................................

  43 3.4.4. Pembuatan Turbin Air.......................................................

  44 A. Pembuatan Rumah Turbin……………………………

  44 B. Pembuatan Roda Jalan (Runner)………………….......

  45 C. Perakitan Turbin Aliran Silang……………………….

  47 D. Langkah-Langkah Pemasangan Turbin Aliran Silang..

  47 BAB IV. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN .......................

  48 4.1. Data Penelitian ...........................................................................

  48 4.2. Hasil Perhitungan .......................................................................

  50

  4.2.1 Grafik Hubungan Putaran Turbin dan Daya Output Generator………………………………………………….

  53 4.2.2 Grafik Hubungan Putaran Turbin dan Efisiensi Total…….

  55 4.3 Pembahasan……………………………………………………..

  57 BAB V. PENUTUP.................................................................................

  61 5.1. Kesimpulan ................................................................................

  61

  LAMPIRAN……………………………………………………………

  64

  DAFTAR TABEL

  Halaman

Tabel 2.1 Pengelompokkan Turbin......................................................................9Tabel 4.1 Data Penelitian Dengan Tinggi Nozzle 14 mm dan Debit 8,1 L/s........48Tabel 4.2 Data Penelitian Dengan Tinggi Nozzle 10 mm dan Debit 7,6 L/s.......48Tabel 4.3 Data Penelitian Dengan Tinggi Nozzle 7 mm dan Debit 6,8 L/s .........49Tabel 4.4 Perhitungan Data Dengan Tinggi Nozzle 14 mm dan Debit 8,1 L/s....51Tabel 4.5 Perhitungan Data Dengan Tinggi Nozzle 10 mm dan Debit 7,8 L/s....51Tabel 4.6 Perhitungan Data Dengan Tinggi Nozzle 7 mm dan Debit 6,8 L/s......52

  DAFTAR GAMBAR

  16 Gambar 2.11 Gabungan Segitiga Kecepatan Pada Turbin Aliran Silang....

  29 Gambar 3.3 Urutan Kerja Alat Uji..........................................................

  29 Gambar 3.2. Rangkaian Listrik ................................................................

  21 Gambar 3.1 Skema Alat Penelitian……………………………………...

  20 Gambar 2.14 Alur Pancaran Air………………………………………….

  19 Gambar 2.13 Jarak Antar Sudu .................................................................

  17 Gambar 2.12. Kelengkungan Sudu ............................................................

  15 Gambar 2.9. Defleksi Pada Pergerakan Air Pada Turbin Crossflow ........ 15 Gambar 2.10. Segitiga kecepatan pada Turbin Crossflow.........................

  Halaman Gambar 2.1. Grafik Hubungan Putaran Turbin dengan Efisiensi .............

  13 Gambar 2.8. Aliran Pergerakan Air pada Turbin Crossflow ....................

  11 Gambar 2.6. Rumah Turbin ...................................................................... 12 Gambar 2.7. Bagian-bagian motor induksi ...............................................

  11 Gambar 2.5. Alat Pengarah ......................................................................

  10 Gambar 2.4. Runner .................................................................................

  7 Gambar 2.3. Turbin Crossflow..................................................................

  7 Gambar 2.2 Grafik Hubungan Putaran Turbin dengan Daya ……………...

  30

Gambar 4.1 Grafik Hubungan Putaran Turbin dan Daya Output Generator

  Untuk Variasi Debit 6,8 L/s dan Tinggi Nosel 7 mm...…… 53

Gambar 4.2 Grafik Hubungan Putaran Turbin dan Daya Output Generator

  Untuk Variasi Debit 7,6 L/s dan Tebal Nosel 10 mm ………. 53

Gambar 4.3 Grafik Hubungan Putaran Turbin dan Daya Output Generator

  Untuk Variasi Debit 8,1 L/s dan Tebal Nosel 14 mm ………. 54

Gambar 4.4 Grafik Hubungan Putaran Turbin dan Daya Output

  Generator …………………………………………………….. 54

Gambar 4.5 Grafik Hubungan Putaran Turbin dan Efisiensi Total

  Untuk Variasi Debit 6,8 L/s dan Tebal Nosel 7 mm...………. 55

Gambar 4.6 Grafik Hubungan Putaran Turbin dan Efisiensi Total

  Untuk Variasi Debit 7,6 L/s dan Tebal Nosel 10 mm....…… 55

Gambar 4.7 Grafik Hubungan Putaran Turbin dan Efisiensi Total

  Untuk Variasi Debit 8,1 L/s dan Tebal Nosel 14 mm....…… 56

Gambar 4.8 Grafik Hubungan Putaran Turbin dan Efisiensi Total……... 56

BAB I PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANG

  Setelah pulih dari krisis moneter pada tahun 1998, Indonesia mengalami lonjakan hebat dalam konsumsi energi. Dari tahun 2000 hingga tahun 2004 konsumsi energi primer Indonesia meningkat sebesar 5,2 % per tahunnya. Peningkatan ini cukup signifikan apabila dibandingkan dengan peningkatan kebutuhan energi pada tahun 1995 hingga tahun 2000, yakni sebesar 2,9 % pertahun. Dengan keadaan yang seperti ini, diperkirakan kebutuhan listrik indonesia akan terus bertambah sebesar 4,6 % setiap tahunnya, hingga diperkirakan mencapai tiga kali lipat pada tahun 2030.

  Hal ini sangat mengkhawatirkan manusia karena ketersediaan sumber energi yang tidak dapat diperbarui akhir-akhir ini mulai menipis 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. 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 masyarakat. Geometri sudu turbin crossflow sebenarnya sama dengan geometri pipa dibuat dari pipa yang dibelah, sehingga pembuatannya lebih mudah. Pembuatan

runner yang mudah akan membuat biaya yang dikeluarkan menjadi lebih 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.

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

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 dirancang untuk memanfaatkan tenaga air yang memiliki head 3 meter dengan debit 10 L/s, 15 L/s, dan 20 L/s. Sudu turbin dibuat

  o

  dari pipa yang berdiameter 2 inch dan dibelah dengan sudut 74 dan jumlah sudu 18 buah.

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. Untuk mengetahui daya dan efesiensi turbin crossflow yang besar busur sudunya 74º dan jumlah sudu 18 buah.

  1.3.2 Manfaat

  a. Menambah kepustakaan teknologi pembangkit listrik tenaga air mikrohidro.

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

  c. Mengurangi ketergantungan terhadap minyak bumi 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).

  Pada penelitian Mockmore dan Fred Merryfield dengan head 16 feet (4,87 m),

  o

  debit 3 cfs (85 L/s), sudut pancaran air masuk ( , dan jumlah sudu 18 buah α) 16 menghasilkan daya 2,75 HP dan efisiensi 68%. Dari grafik hubungan putaran turbin dengan efisiensi terlihat bahwa semakin besaran putaran turbin aliran silang , maka efisiensi yang dihasilkan akan semakin besar hingga mencapai tertentu dimana tercapai efisiensi maksimum kemudian efisiensi akan turun kembali walaupun turbin

Gambar 2.1 Grafik hubungan putaran turbin dengan efisiensi

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 melalui suatu poros untuk mengoperasikan generator. Turbin air digunakan pada Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik, dengan memanfaatkan aliran dan tinggi air jatuh. Air 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 ditentukan 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

Tabel 2.1 Pengelompokan Turbin

  Head Tinggi Head Sedang Head Rendah

  Turbin Impuls Turbin Pelton Turbin Turgo

  Turbin Crossflow Turbin Pelton

  Multi Jet

  Turbin Turgo Turbin Crossflow

  Turbin Reaksi Turbin Francis Turbin Kaplan

2.3 TURBIN ALIRAN SILANG

Gambar 2.3 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 dari tingkat pertama yaitu 72 % dari tingkat kedua. Tingkat kedua, air keluar melalui sudu bagian bawah. Daya yang dihasilkan kurang lebih 28% dari daya yang dihasilkan pada tingkat pertama.

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

  3

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

  3

  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 %. 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 Bagian utama dari turbin crossflow adalah runner yang terdiri dari sudu yang terbuat dari pipa yang dibelah, dua disk/piringan, dan poros yang dirangkai menjadi satu kesatuan.

Gambar 2.4 Runner

  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 2.5 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

  Turbin aliran silang dapat digunakan untuk menggerakkan generator listrik kecil. Untuk itu perlu adanya komponen tambahan yang disebut generator asinkron (motor induksi). Generator asinkron berfungsi mengubah energi mekanis menjadi energi listrik arus bolak-balik.

Gambar 2.6 Rumah Turbin

  Generator asinkron memiliki 3 bagian yang penting, yaitu :

  a. Rotor Rotor merupakan bagian yang berputar pada motor induksi. Generator asinkron (motor induksi) mempunyai 2 jenis rotor yaitu :

• Rotor sangkar tupai terdiri dari batang penghantar tebal yang dilekatkan dalam petak-petak slots paralel. Batang-batang tersebut diberi hubungan pendek pada kedua ujungnya dengan alat cincin hubungan pendek.
• Lingkaran rotor yang memiliki gulungan tiga fase yaitu : lapisan ganda dan terdistribusi.

b.

  Stator Stator dibuat dari sejumlah stampings dengan slots untuk membawa gulungan tiga fase. Gulungan ini dilingkarkan untuk sejumlah kutub yang tertentu.

Gambar 2.7 Bagian-bagian motor induksi

  Prinsip generator asinkron adalah medan magnet yang dari stator bergerak dengan kecepatan sinkron disekitar rotor. Arus rotor menghasilkan medan magnet kedua yang berusaha melawan medan magnet stator sehingga menyebabkan rotor berputar.

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) :

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

  Kecepatan air memasuki runner (V

  runner dan

  V 1 = Kecepatan absolut. C = Koefisien berdasarkan nosel α adalah sudut antara kecepatan absolut dengan kecepatan keliling lingkaran

  Dengan :

  ⋅ ⋅ ⋅ = ........................................................................................2.2

  V

  1 ) dihitung dengan (Mockmore, 1949, hal 6) : ( ) ^{2 1} ₁ C 2 H g

  Pada gambar 2.6 diasumsikan bahwa pancaran air dari nosel masuk ke dalam runner pada titik A dengan membentuk sudut α terhadap kecepatan kelilingnya.

  ρ : Massa jenis air (kg/m

  /s) H : Tinggi air jatuh (m)

  3

  ) Q : Debit air (m

  2

  ) g : Percepatan gravitasi (m/s

  3

  β adalah sudut antara kecepatan relatif dengan kecepatan keliling lingkaran runner. Dengan indek 1 menandakan kecepatan masuk dan indek 2 menandakan kecepatan keluar sudu jalan turbin.

Gambar 2.8 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).

Gambar 2.9 Defleksi pada pergerakan air pada Turbin Crossflow (Sumber : Mockmore, 1949)

2.5 PERANCANGAN TURBIN ALIRAN SILANG

2.5.1 Segitiga Kecepatan

  Sudut

  1 , V 1 , dan u 1 .

  β1 ditentukan oleh nilai α

Gambar 2.10 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 2.11 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) _{1 1}

  144 N Q L ⋅ ⋅ =

  (Mockmore, 1949, hal 15)…….................…2.6 Dengan : L = Panjang turbin crossflow (inch) Q = Debit aliran air (cfs).

  C = Koefisien nosel.

  = 0,98 K = Faktor koreksi.

  = 0,087

  c. Perbandingan 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 2.12 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 2.13 Jarak antar sudu (Sumber : Mockmore, 1949)

  g. Jumlah sudu (n)

  D ₁ n (Mockmore, 1949, hal 17) ...............................................................2.13

  = π ⋅

  t

  h. Jarak pancaran dari poros (y

  1 ) (gambar 2.11) ( , 1986 − , 945 ⋅ k ) d 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 2.14 Alur pancaran air

  

(Sumber : Mockmore, 1949)

  j. Efisiensi turbin

  1 Jika cos α u = ⋅ ₁ V ⋅ _{1 1}

  2

  maka tan

  1 = 2 tan

  1

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

  = Daya rencana (W) P = Daya yang ditransmisikan (W)

  ⎜ ⎝ ⎛

  d

  P

  Parameter-parameter yang digunakan dalam perhitungan poros sebagai berikut : Pd = f c × P (kW) .......................................................................2.20 Dengan :

  δ ..................................................................................2.19 m. Perhitungan poros

  β β

  r r Tan

  1

  2

  l. Sudu pusat sudu jalan (gambar 2.13) ⎟ ⎠ ⎞

  ⎟⎟ ⎠ ⎞

  Q A = (Mockmore, 1949, hal 17) ...............................................................2.17 L A s _o = (Mockmore, 1949, hal 17) ..............................................................2.18

  Meliputi penampang nosel (A) dan tinggi pancaran air nosel (s o ) ₁ V

  α ψ η (Mockmore, 1949, hal 8) ............................2.16 k. Nosel

  V u C _T

  u

  2 V

  − + = ₁ ¹ _{1 1} ^{1 2} ) cos 1 (

  ⎜⎜ ⎝ ⎛

• =
_{1 2 1} ¹ sin cos

  T = 9,74 10 ……………........................................2.21

  Dengan : T = Momen puntir rencana (kg.mm) n = Putaran poros (rpm)

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

  σ _a

  Sf × Sf ( ^{1 2 )}

  Dengan :

  2 A = Tegangan geser yang diizinkan (kg/mm )

  σ

  2

  = Kekuatan tarik bahan (kg/mm ) σ B Sf

  1 dan Sf 2 = Faktor keamanan ₁

  3

  ⎡ 5 , 1 ⎤

  

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

_s

  ⎢ ⎥ τ _a

  ⎣ ⎦ Dengan : d = diameter minimal poros (mm)

  s

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

  K = Faktor Kt dipilih 1,0 jika beban dikenakan secara halus; 1,0-1,5

  t n. Perhitungan Daya Keluaran (P out ) P out = V x I .........................................................................................................2.24 Dimana :

  V = Tegangan (volt) I = Arus (ampere) o. Perhitungan Torsi Guna Turbin (T) ₅ P _out T

  9 ,

  74 10 ...........................................................................................2.25 = × ×

  n

  p. Perhitungan Efisiensi Total ( η)

  P _out

  100 % η = × ..................................................................................................2.26

  P _in

2.5.3 Perhitungan Generator

  1. Kecepatan sinkron (Ns) 120 × f

  Ns

  =

  p

  2. Slip (s)

  3. Putaran turbin (N T )

  N _T =

4 Ng

2.5.4 Perhitungan rasio transmisi (r)

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 BAHAN DAN PERALATAN PENELITIAN

  3.2.1 Bahan Penelitian

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

  o

  Diameter pipa untuk sudu adalah 2 inch. Diameter runner adalah 156 mm dengan lebar runner adalah 196 mm. Runner mempunyai busur sudu

  c. Kunci ring dan kunci pas

  Alat ukur (roll meter, jangka sorong, tachometer, multimeter)

  a. Microhydro Test Bed b.

  Peralatan yang digunakan dalam penelitian adalah:

  3.2.2 Alat Penelitian

  Besi poros diameter 30 mm x 300 mm.

  d.

  Besi siku yang berlubang 15 batang x 3 m.

  c.

  b. Plat dengan tebal 1 mm, panjang 1 m, dan lebar 1 m.

  Pipa hitam diameter 2 inch , panjang 1m.

3.3 LANGKAH-LANGKAH PENELITIAN ALAT

3.3.1 Persiapan Alat

1. Peralatan yang digunakan a. Runner turbin crossflow yang sudunya dibuat dari pipa besi yang dibelah.

  b.

  Tiga buah nozzle berbentuk persegi panjang dengan ukuran penampang 196 x 14 mm

  2

  , 196 x 10 mm

  2

  , dan 196 x 7 mm

  2 .

  c. Pompa air berkapasitas 10 L/s (2 unit) beserta katup Bypas untuk suplai kebutuhan air.

  d. Motor induksi sebagai generator untuk membangkitkan listrik beserta lampu sebagai beban.

  Spesifikasi generator : Daya (P) : 0,5 HP (372,5 Watt) Putaran (N) : 1390 Rpm Frekuensi (f) : 50 HZ Tegangan (V) : 220 V dan 380 V Arus (I) : 1,9 A dan 1,1 A e. Transmisi sabuk dan pulley dengan angka transmisi 1 : 4.

  f.

  Kapasitor 12 µF dan 25 µF.

  g. Bak penampung air 2 buah beserta konstruksi pendukung.

  h.

  Pipa PVC berdiameter 2 inch sebagai penstock dan saluran air. i. Multimeter 2 unit. j. Tachometer.

  Bak air atas Penstock

  Transmisi sabuk Turbin

  Nozle Saluran air

  Generator Katup

  Bypass Bak air bawah

  Pompa

Gambar 3.1 Skema alat penelitian

  Lampu Kapasitor

  Stop kontak Amperemeter Voltmeter Konektor generator

2. Cara Kerja Alat

  Turbin

  Nozzle Generator

  Bak Penampungan

  Air Bawah Konsumen

  Bak Penampungan

  Pompa Air Atas

Gambar 3.3 Urutan kerja alat uji

  Turbin aliran silang akan bekerja jika ada aliran air yang memiliki ketinggian

  

head seperti aliran sungai atau air terjun. Pada penelitian ini, aliran sungai akan

diganti dengan pompa listrik yang berkapasitas 10 l/s (2 unit) dan head 22 m.