Turbin aliran silang dengan busur sudu 60° - USD Repository

  TURBIN ALIRAN SILANG DENGAN BUSUR SUDU 60 O

  TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

  Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Mesin

  Oleh : Stefanus Dwi Winarno NIM : 055214010 PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2009

  THE CROSSFLOW TURBINE WITH 60 O ANGLE OF BLADE

  FINAL PROJECT

  Presented as Partial Fulfillment of the Requirements to Obtain the Sarjana Teknik Degree in Mechanical Engineering By : Stefanus Dwi Winarno Student Number : 055214010 MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA 2009

HALAMAN PERSEMBAHAN

  Tugas akhir ini saya persembahkan untuk :

  1. Ibu Mardiningsih

  2. Bapak Suharno

  3. Oma Hommes

  4. Alm. Opa Hommes 5. Silvia Ajeng P.N.

   

  

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 1,25 inch. Diameter runner adalah 98 mm dengan

  o lebar runner 104 mm. Besar sudut busur sudu 60 dan jumlah sudu 20 buah.

  Penelitian dilakukan dengan memvariasikan debit, beban dan tinggi bukaan nozzle. Debit air yang digunakan adalah 10,6L/s, 9,3L/s, dan 8,3L/s. Tinggi bukaan nozzle pada 4 mm , 9 mm dan 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 10 watt, 15 watt, 25 watt, 40 watt, 60 watt, 100 watt. Pada setiap pembebanan putaran turbin diukur dengan tachometer.

  Hasil dari penelitian ini, daya terbesar terjadi pada debit 10,6 L/s dan tinggi bukaan nosel 9 mm yaitu 36,4 watt. Efisiensi tertinggi terjadi pada debit 10,6 L/s dan tinggi bukaan nosel 14 mm yaitu 9,08%.

KATA PENGANTAR

  Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian untuk Tugas Akhir dengan judul

  “Turbin Aliran Silang dengan Busur Sudu 60 o ”. Penulisan Tugas Akhir ini

  merupakan salah satu syarat untuk merarih gelar Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Melalui penyusunan tugas akhir ini mahasiswa diharapkan mampu mempunyai daya analisa yang tajam serta membantu memperdalam ilmu yang telah diperoleh selama masa kuliah.

  Penulis menyadari bahwa dalam proses belajar di Program Studi Teknik Mesin, sejak awal studi sampai berakhirnya studi melibatkan banyak hal. Atas segala saran, bimbingan, dukungan dan bantuan, pada kesempatan ini dengan penuh kerendahan hati penulis mengucapkan terima kasih sebesar-besarnya kepada :

  1. Romo Ir. Gregorius Heliarko, S.J., S.S., B.S.T., M.A., Msc., Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.

  2. Budi Sugiharto, S.T., M.T., Ketua Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma, Serta dosen pembimbing akademik.

  3. Yosef Agung Cahyanta, S.T, M.T sebagai Dosen Pembimbing Tugas Akhir yang telah memberikan bimbingan dan pengarahan dalam penyelesaian Tugas Akhir ini.

  4. Ir. FA. Rusdi Sambada, M.T., yang telah memberi masukan dan peminjaman alat.

  5. Ir. YB. Lukiyanto, M.T., yang telah memberikan ijin dan tempat untuk melaksanakan penelitian

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

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

  8. Kepala Laboratorium Konversi Energi Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma yang telah memberikan ijin dan fasilitas yang dipergunakan serta karyawan yang telah membantu dalam penelitian ini.

  9. Silvia Ajeng Putri Natalia, yang selalu memberikan dukungan dan doa.

  10. _{Teman-teman mahasiswa khususnya angkatan 2005 Jurusan Teknik Mesin} Universitas Sanata Dharma dan semua pihak yang tidak bisa saya sebutkan satu persatu.

  Penulis menyadari bahwa dalam penulisan Tugas Akhir ini masih banyak terdapat kekurangan dan kesalahan serta jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang sifatnya membangun untuk penyempurnaan Tugas Akhir ini. Akhirnya harapan penulis, semoga Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi semua pihak dan dapat dijadikan bahan kajian lebih lanjut.

  DAFTAR ISI

  Halaman HALAMAN JUDUL ............................................................................. i 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 GAMBAR .............................................................................. xv DAFTAR TABEL................................................................................... xvii BAB I. PENDAHULUAN......................................................................

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

  1 1.2. Perumusan Masalah ...................................................................

  3 1.3. Tujuan Penelitian .......................................................................

  3 1.4. Manfaat Penelitian ....................................................................

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

  5

  2.1 _{Tinjauan Pusataka .......................................................................}

  5

  2.2 _{Landasan Teori............................................................................}

  6 2.2.1 Pengertian Turbin Air ........................................................

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

  7 2.2.3 Turbin Aliran Silang ..........................................................

  8 2.2.3.1 Definisi Turbin Aliran Silang ................................

  8 2.2.3.2 Bagian-bagian Turbin Aliran Silang ......................

  9 2.2.3.3 Pergerakan Air Turbin Aliran Silang .....................

  13 2.3 Perancangan Turbin Aliran Silang..............................................

  15 2.3.1 Segitiga Kecepatan.............................................................

  15 2.3.2 Perhitungan Dimensi Turbin..............................................

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

  23 3.1.Diagram Alir Penelitian ..............................................................

  23 3.2. Bahan Penelitian ........................................................................

  24 3.3.Peralatan Penelitian.....................................................................

  24 3.4.Tahap Penelitian..........................................................................

  24 3.4.1 Persiapan ............................................................................

  24 3.4.2 Pembuatan Alat ..................................................................

  25 3.4.2.1 Desain Alat.............................................................

  25 3.4.2.2 Perancangan Runner ..............................................

  25 3.4.2.3 Pembuatan Runner .................................................

  32 3.4.3 Uji Prestasi .........................................................................

  35

  3.4.3.1 Gambar Alat Penguji..............................................

  36 3.4.3.2 Cara Kerja Turbin ..................................................

  37 3.4.3.2 Langkah Pengambilan Data ...................................

  38 3.4.4 Analisa Data.......................................................................

  39 BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN........................

  40 4.1. Hasil Penelitian ..........................................................................

  40

  4.1.1 _{Data Penelitian ...................................................................}

  40 4.2. Perhitungan Data........................................................................

  42 4.3. Pembahasan Data .......................................................................

  47 4.3.1 Pembahasan Daya Keluaran Hasil Penelitian...................

  47 4.3.2 Pembahasan Efisiensi Hasil Penelitian.............................

  52 BAB V PENUTUP .................................................................................

  55 5.1 Kesimpulan .................................................................................

  55 5.1 Saran ...........................................................................................

  55 DAFTAR PUSTAKA .............................................................................

  57 LAMPIRAN

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Runner dari Cihanjuang .....................................................

  19 Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian .....................................................

  37 Gambar 4.1. Grafik hubungan daya keluaran total dengan putaran generator pada debit 10,6 l/s serta bukaan nozzle 9 mm ....................

  35 Gambar 3.8. Alat Penguji........................................................................

  35 Gambar 3.7. Runner Penelitian ...............................................................

  34 Gambar 3.6. Piringan yang dilas pada poros ..........................................

  33 Gambar 3.5. Plat beralur .........................................................................

  33 Gambar 3.4. Piringan Runner .................................................................

  32 Gambar 3.3. Poros Runner......................................................................

  23 Gambar 3.2. Sudu yang Sudah Dibelah ..................................................

  18 Gambar 2.11. Alur pancaran air..............................................................

  9 Gambar 2.2. Alat pengarah .....................................................................

  17 Gambar 2.10. Jarak antar sudu................................................................

  16 Gambar 2.9. Kelengkungan sudu............................................................

  15 Gambar 2.8. Gabungan segitiga kecepatan pada Turbin Aliran .............

  14 Gambar 2.7. Segitiga kecepatan pada Turbin .........................................

  14 Gambar 2.6. Defleksi pada pergerakan air Turbin Aliran Silang ...........

  12 Gambar 2.5. Aliran pergerakan air pada Turbin Aliran Silang...............

  11 Gambar 2.4. Alternator ...........................................................................

  10 Gambar 2.3. Rumah turbin......................................................................

  47

Gambar 4.2. Grafik hubungan daya keluaran total dengan putaran generator pada debit 10,6 l/s serta bukaan nozzle 14 mm ..................

  47 Gambar 4.3. Grafik hubungan daya keluaran total dengan putaran generator pada debit 9,3 l/s serta bukaan nozzle 9 mm ......................

  48 Gambar 4.4. Grafik hubungan daya keluaran total dengan putaran generator pada debit 9,3 l/s serta bukaan nozzle 14 mm ....................

  49 Gambar 4.5. Grafik hubungan daya keluaran total dengan putaran generator pada debit 8,3 l/s serta bukaan nozzle 9 mm ......................

  50 Gambar 4.6. Grafik hubungan daya keluaran total dengan putaran generator pada debit 8,3 l/s serta bukaan nozzle 14 mm ....................

  50 Gambar 4.7. Grafik hubungan effisiensi total dengan putaran generator pada tinggi nozzle 9 mm ....................................................

  53 Gambar 4.8. Grafik hubungan effisiensi total dengan putaran generator pada tinggi nozzle 14 mm ..................................................

  53

  

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Klasifikasi turbin air ..............................................................

  8 Tabel 4.1. Data penelitian pada nozzle 9 mm dan debit 10,6 L/s ...........

  40 Tabel 4.2. Data penelitian pada nozzle 9 mm dan debit 9,3 L/s .............

  41 Tabel 4.3. Data penelitian pada nozzle 9 mm dan debit 8,3 L/s .............

  41 Tabel 4.4. Data penelitian pada nozzle 14 mm dan debit 10,6 L/s .........

  41 Tabel 4.5. Data penelitian pada nozzle 14 mm dan debit 9,3 L/s ...........

  42 Tabel 4.6. Data penelitian pada nozzle 14 mm dan debit 8,3 L/s ...........

  42 Tabel 4.7. Hasil perhitungan pada nozzle 9 mm dan debit 10,6 L/s.......

  44 Tabel 4.8. Hasil perhitungan pada nozzle 9 mm dan debit 9,3 L/s.........

  44 Tabel 4.9. Hasil perhitungan pada nozzle 9 mm dan debit 8,3 L/s.........

  44 Tabel 4.10. Hasil perhitungan pada nozzle 14 mm dan debit 10,6 L/s...

  46 Tabel 4.11. Hasil perhitungan pada nozzle 14 mm dan debit 9,3 L/s.....

  46 Tabel 4.12. Hasil perhitungan pada nozzle 14 mm dan debit 8,3 L/s.....

  46

BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi pada jaman sekarang sangat

  pesat, salah satu hasilnya adalah teknologi alat pembangkit energi. Salah satu energi utama yang dibutuhkan manusia adalah listrik. Pada umumnya pembangkit listrik tersebut menggunakan bahan bakar fosil, berupa gas bumi, minyak bumi, dan batu bara. Bahan bakar fosil merupakan bahan bakar yang tidak dapat diperbaharui, dan dewasa ini manusia dikhawatirkan dengan adanya krisis energi bahan bakar fosil. Oleh karena itu, manusia dituntut untuk mengembangkan sumber energi alternatif khususnya sebagai penghasil energi listrik. Sumber energi alternatif tersebut dapat memanfaatkan energi yang berasal dari alam, dapat berupa surya, angin, gelombang, panas bumi, dan khususnya air.

  Air merupakan salah satu sumber daya alam yang mempunyai massa jenis besar dan jumlahnya tidak terbatas, oleh karena itu air mempunyai potensi besar digunakan sebagai energi alternatif pengganti energi fosil. Pada umumnya selama ini air hanya digunakan untuk minum, mandi, pengairan, serta masih banyak yang lainnya. Dengan memanfaatkan energi air, manusia dapat sedikit mengurangi polusi, sehingga tidak berpotensi merusak lapisan ozon dan tidak mengakibatkan pemanasan global.

  Di Indonesia pemanfaatan energi air hampir seluruhnya hanya energi air yang besar saja. Potensi sumber-sumber pembangkit listrik tenaga air yang kecil masih jarang dimanfaatkan. Di lain pihak banyak masyarakat dari daerah terpencil belum bisa menikmati energi listrik distribusi dari pusat, padahal daerah tersebut memiliki potensi energi listrik walaupun hanya kecil. Untuk memanfaatkan potensi tersebut dibutuhkan suatu teknologi terapan agar masyarakat terpencil dapat menyediakan listrik sendiri.

  Turbin aliran silang (crossflow) merupakan salah satu alat pembangkit listrik tenaga air yang mengkonversi energi potensial air menjadi energi mekanik untuk menggerakan generator listrik. Turbin aliran silang banyak digunakan untuk daerah- daerah yang mempunyai potensi airnya kecil. Sudu turbin crossflow biasanya menggunakan pelat yang dilengkung, sehingga sangat susah dibuat oleh masyarakat awam. Untuk bentuk sudu turbin crossflow tersebut sebenarnya hampir sama dengan bentuk sebuah pipa yang dibelah dengan sudut busur tertentu. Oleh karena itu, jika sudu turbin tersebut dibuat menggunakan pelat yang di belah maka akan lebih mudah dalam pengerjaan serta biayanya akan lebih murah. Akan tetapi pemanfaatan pipa yang dibelah sebagai sudu turbin crossflow masih asing di kalangan masyarakat umum.

  1.2. Perumusan Masalah

  Pembuatan sudu turbin crossflow menggunakan pelat yang dilengkung sangat sulit, maka untuk mempermudah pembuatannya digunakan pipa besi yang dibelah dengan sudut busur tertentu. Informasi tentang unjuk kerja turbin crossflow dengan sudu dibuat dari pipa dibelah tidak diketahui. Pada penelitian ini akan dibuat turbin

  

crossflow dengan sudu dari pipa yang dibelah. Turbin dibuat dari pipa berdiameter

  1,25 inchi yang dibelah menjadi empat dengan besar busur sudu 60 dan jumlah sudu 20 buah.

  Untuk mengetahui unjuk kerja turbin tersebut, dilakukan penelitian dengan variasi debit 10,6 l/s, 9,3 l/s, 8,3 l/s dan tinggi bukaan nozzle 4 mm, 9 mm, 14 mm.

  1.3. Tujuan Penelitian o

  a) _{Mengetahui daya serta efisiensi turbin dengan busur sudu 60} dan jumlah sudu 20 buah.

  b) _{Membuat sudu turbin crossflow dengan sudu dari pipa yang dibelah} agar lebih mudah dibuat oleh masyarakat umum.

  1.4. Manfaat Penelitian

  Hasil penelitian yang dilakukan penulis diharapkan dapat : a. _{Menambah kepustakaan teknologi pembangkit listrik tenaga air.} 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.}

  d. _{Membangunkan 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 air 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 pernah dibuat dan diuji (Olgun, 2000). Saluran pengarah dibuat dengan

  runnernya

  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 didalam 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,

  dan lebar 114 mm. Perbandingan diameter dalam dan diameter luar untuk tiap runner dibuat berbeda. Perbandingan diameter dalam dan diameter luar yang digunakan o

  adalah 0,75; 0,67; 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 tertinggi yang bisa 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. Landasan Teori

2.2.1 Pengertian Turbin Air

  Turbin air adalah salah suatu mesin berputar yang mengkonversi energi dari suatu gerakan aliran air menjadi energi mekanis. Energi mekanis ini kemudian ditransfer melalui suatu poros untuk mengoperasikan mesin atau 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 akan menggerakan 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 lokasi ini menentukan tinggi air jatuh dan kapasitas air. Selain itu pemilihan turbin juga tergantung dari kecepatan putar yang dibutuhkan oleh generator.

2.2.2 Jenis-jenis Turbin Air

  Terdapat berbagai jenis turbin air yang digunakan untuk penyediaan kebutuhan energi listrik. Turbin air biasanya dikelompokan berdasarkan kegunaan, kapasitas dan tinggi air jatuh (Head). Secara umum turbin air dikelompokan menurut tinggi air jatuh dan prinsip kerja turbin tersebut. Berdasarkan klasifikasi ini turbin air dibagi menjadi :

  a. Turbin Impuls Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan.

  b. Turbin Reaksi Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Perbedaan tekanan ini memberikan gaya pada sudu sehingga runner (bagian turbin yang berputar) dapat berputar. Turbin yang bekerja berdasarkan prinsip ini dikelompokkan sebagai turbin reaksi.

  Runner turbin reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah turbin.

Tabel 2.1. Klasifikasi turbin air (Pemanfaatan tenaga air)

  Head tinggi Head sedang Head rendah Turbin impuls Turbin

  

  Turbin Turbin

   Turbin reaksi Turbin Turbin

  Kaplan

2.2.3 Turbin Aliran Silang

2.2.3.1 Definisi Turbin Aliran Silang

  Turbin aliran silang (cross flow) 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 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 dihasilkan pada tingkat pertama.

2.2.3.2 Bagian-bagian Turbin Aliran Silang

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

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

Gambar 2.1. Runner dari Cihanjuang b. Alat Pengarah Alat pengarah pada turbin sering disebut dengan nozel. Nozzle pada turbin aliran silang berbentuk persegi panjang. Ukuran nosel disesuaikan dengan ukuran

  runner turbin.

Gambar 2.2. Alat pengarah

  c. 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 berputa pada posisi yang sama.

Gambar 2.3. Rumah turbin Turbin aliran silang dapat digunakan untuk mengerakan generator listrik kecil.

  Untuk itu perlu adanya komponen tambahan yang disebut generator. Pada prinsipnya generator dapat juga disebut sebagai alternator, tetapi biasanya altenator lebih mengacu pada bentuk yang lebih kecil yang biasa digunakan pada otomotif. Altenator adalah suatu alat elektromekanikal yang mengkonversi daya mekanis menjadi energi elektrik. Altenator memiliki 3 bagian yang penting, yaitu :

  a. Rotor Yang dimakud dengan 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. 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 2.4. Altenator (Forcefield, 2003)

  Besarnya arus yang dihasilkan oleh altenator 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.

2.2.3.3 Pergerakan Air Turbin Aliran Silang

  Pada gambar 2.5 diasumsikan bahwa pancaran air dari nosel masuk kedalam

  runner

  pada titik A dengan sudut α yang bersinggungan dengan keliling runner. Kecepatan air sebelum memasuki runner dapat dihitung dengan persamaan :

  V

  1

  = C(2gH)

  1/2

  (Banki, 2004, hal 6) .......................... 2.1 dengan :

  V

  1 = Kecepatan absolut.

  H = Head ketinggian C = Koefisien berdasarkan nosel

  Dalam turbin berhubungan dengan komponen – komponen kecepatan yaitu: V = Kecepatan mutlak v = Kecepatan relatif u = Kecepatan tangensial roda turbin. α adalah sudut antara kecepatan absolut dengan kecepatan keliling lingkaran

  runner dan

  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 2.5. Aliran pergerakan air pada Turbin Aliran Silang

  (Mockmore, 2004, hal. 6) Alur pergerakan air pada kenyataannya tidak seperti yang terdapat dalam

gambar 2.5 karena terdapat defleksi sebesar θ seperti dalam gambar 2.6.Gambar 2.6. Defleksi pada pergerakan air Turbin Aliran

  Silang (Mockmore, 2004, hal. 8)

2.3 Perancangan Turbin Aliran Silang

2.3.1 Segitiga Kecepatan Sudut ditentukan oleh nilai ,V , dan u .

  β α

  1

  1

  

1

  1 Gambar 2.7. Segitiga kecepatan pada Turbin

  (Mockmore, 2004, hal. 8) Jika u = ½ V cos ............................... .................................................................. 2.2

  α

  1

  1

  1

  maka tan = 2 tan ................................................................................................ 2.3 β α

  1

  1 o o o o

  jika = 16 , maka =29 ,50 atau 30 atau nilai pendekatan.

  α β

  1

  1

  (Mockmore, 2004, hal 10) ' adalah sudut sudu keluar sisi atas pada keliling dalam runner. Dengan asumsi v =

  1

  β

  2 o

  v

  2 dan 1 = 2 untuk membuat aliran pancaran air radial maka besarnya ' = 90 .

  α α β

  2

Gambar 2.8. Gabungan segitiga kecepatan pada Turbin Aliran

  Silang (Mockmore, 2004, hal 11)

2.3.2 Perhitungan Dimensi Turbin

  a. Diameter Luar runner (D )

  1 ½

  D1 = 862H /N (Mockmore, 2004, hal 14) .................................................... 2.4 dengan : H = head ketinggian (in) N = putaran turbin (rpm)

  b. Panjang Turbin (L)

  ½ ½

  L = 144QN/862 H Ck(2gH) (Mockmore, 2004, hal 15 ) …………………….. 2.5 Dengan :

  C = Koefisien nosel = 0.98 k = Faktor koreksi = 0.087 c. Perbandingan panjang dan diameter turbin

  1/2

  LD

  1 = 210.6Q/H (Mockmore, 2004, hal 17) ........ 2.6

  d. Jari-jari kelengkungan sudu ( ρ)

  1 (Mockmore, 2004, hal 15) ......... 2.7

  ρ = 0.3261 r dengan : r

  1 = jari-jari luar runner (in)

  e. Lebar velk radial (a ) a = 0,17D

  1 (Mockmore, 2004, hal 12) ......... 2.8

Gambar 2.9. Kelengkungan sudu (Mockmore, 2004, hal. 16) f. Jarak antar sudu (t) Jarak antar sudu meliputi jarak antar sudu pancaran air masuk (s ), jarak sudu

  1 pancaran air keluar (s ) dan jarak antar sudu (t).

  2

  s = kD (Mockmore, 2004, hal 14) .................... 2.9

  1

  1

  s = t(r /r ) (Mockmore, 2004, hal 11) .................... 2.10

  2

  2

  1

  t = s

  1 /sin 1 (Mockmore, 2004, hal 10) .................... 2.11

  β

Gambar 2.10. Jarak antar sudu (Mockmore, 2004, hal. 9)

  g. Jumlah sudu (n) n = /t (Mockmore, 2004, hal 17) .......................... 2.12

  1

  л D h. Jarak pancaran dari poros (y )

  1

  y = (0.1986-0.945k) D (Mockmore, 2004, hal 14)........ 2.13

  1

  1

  i. Jarak pancaran dari keliling dalam (y

  

2 )

  y

  2 = (0.1314-0.945k) D 1 (Mockmore, 2004, hal 14) ...... 2.14

Gambar 2.11. Alur pancaran air (Mockmore, 2004, hal. 13)

  j. Efisiensi maksimal turbin jika u = ½ V cos α

  1

  1

  1

  maka tan = 2 tan β α

  1

  1

  ψ = koefisien empiris yang nilainya sekitar (0,98) (Mockmore, 2004, hal 9)

  2

  2

  (1 +

  1 (Mockmore, 2004, hal 9). 2.15

  ε max = 0,5 C ψ ) cos α

  k. Nosel

  Nozzle pada turbin crossflow berbentuk persegi panjang. Ukuran nozzle

  ditentukan dengan : A = Q/V

  1 (Mockmore, 2004, hal 17) ……….............. 2.16

  So = A / L (Mockmore, 2004, hal 17) .......................... 2.17 l. Sudut pusat sudu jalan (gambar 2.12)

  Tan ½ /(sin + r /r ) (Mockmore, 2004, hal 15) .......................... 2.18

  1

  1

  2

  1

  δ = cosβ β m. _{Perhitungan poros} Parameter-parameter yang digunakan dalam perhitungan poros sebagai berikut ;

  1. P = daya yang ditransmisikan (kW)

  2. Fc = faktor koreksi (Sularso, 2004, hal. 7) 3. n = putaran poros (rpm)

  4. Pd = fc×P (kW) ………………................................................................... 2.19 5. = momen puntir rencana (kg.mm)

  T

  5 T = 9,74 × 10 × nPd ................................................................................... 2.20 _B

  2

  6. = kekuatan tarik bahan (kg/mm ) σ

  7. Sf

  1 dan Sf 2 = faktor keamanan

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

  9. 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.

  2

  σ _B 10. τ = (kg/mm ) ......................................................................... 2.21 _a

  Sf

  1 Sf ×

  2

  ( )

  11. = diameter minimal poros (mm) _d

  s _{3 1}

  ⎡ 5 , 1 ⎤ d s = × Kt × Cb × T ............................................................................. 2.22 ⎢ ⎥

  τ _a ⎣ ⎦ n. Perhitungan Daya yang tersedia (P )

  in QHe

  P = 8 ,

  8 QH P = (HP) .................................................................................................... 2.23 8 ,

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

  P out = V x I ........................................................................................................ 2.24 V = Tegangan (volt) I = Arus (ampere) p. Perhitungan Torsi Guna Turbin (T)

  p _out

  T = 9 , 55 ...................................................................................................... 2.25

  n

  n = Putaran q. Perhitungan Efisiensi Total (

  η)

  P _out

  × 100 % ................................................................................................. 2.26 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

Gambar 3.1. Diagram alir penelitian

  3.2. Bahan Penelitian

  Bahan-bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah : a. Pipa hitam berdiameter 1,25 inch, panjang 1 meter.

  b. Plat tebal 15 mm x 100 mm x 100 mm, 2 buah.

  c. Besi poros berdiameter 30 mm x 300 mm.

  3.3. Peralatan Penelitian

  Alat-alat yang digunakan pada penelitian ini sebagai berikut :

  a. Alat uji turbin

  b. Tachometer

  c. Multimeter

  d. Peralatan kerja bangku

  e. Jangka sorong dan roll meter

  f. Mesin bubut, mill, bor

  g. Gergaji besi

  h. Las asetelin 3.4.

   Tahap Penelitian

3.4.1 Persiapan

  Tahap awal penelitian ini adalah studi pustaka. Bahan-bahan referensi dikumpulkan pada tahap ini. Referensi yang dikumpulkan berasal dari berbagai sumber, dan kebanyakan referensi berasal dari internet. Referensi ini berupa hasil penelitian dari suatu lembaga maupun perseorangan serta buku-buku acuan.

3.4.2 Pembuatan Alat

  3.4.2.1 Desain Alat

  Pada tahapan ini, gambar kerja dibuat. Sebelum gambar kerja dibuat, terlebih dahulu membuat sketsa gambar.

  Alat uji turbin digunakan pada pelaksanaan uji prestasi. Penelitian yang akan dilaksanakan adalah dengan membuat runner dengan ukuran diameter dan panjang yang sama dengan runner bawaan dari alat uji turbin. Perbedaan dengan runner bawaan terletak pada jumlah sudu, sudut busur sudu, bahan sudu dan proses pembuatannya.

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

  dibuat oleh penulis. Untuk kompenen yang lain seperti rumah turbin, generator, transmisi sabuk puli, panel-panel listrik serta nozzle akan tetap dipakai pada penelitian ini.

  Runner

  3.4.2.2 Perancangan Untuk pembuatan runner, digunakan pipa yang dibelah sebagai sudunya.

  Perancangan dan perhitungannya adalah sebagai berikut : a. Data perancangan Debit (Q) =

  8 L/s = 0,283 ft³/s

  Head (H) = 4,5 m = 14,764 ft

  Koefisien kecepatan nozzle (C) = 0,98 Faktor koreksi nozzle (k) = 0,087 Sudut masuk ( = 16⁰

  α)

  2 Gravitasi (g) = 32,18 ft/s

  Diameter pipa untuk sudu (d

  1 ) = 1,25 inch

  b. Velocity of jet nozzle (V)

  V C

  2 gH =

  ,

  98

  2 32 ,

  18 14 , 764

  V = × × V =

  30 , 211 ft/s

  c. Radius sudu ( ρ)

  ρ = , 5 ⋅ d ₁ ρ = ⋅

  ,

  5 1 ,

  25   ρ = , 625  inch d. Diameter runner (D )

  1

  1

  ρ = 0,326 r , 625 r

  1 =

  , 326

  D ^{1 = 3,834 inch (pada penelitian ini diameter runner 3,858 inch)}  

  e. Panjang dan diameter runner (LD

  1 ) 210 × Q

  LD

  1 = _{1 / 2} H 210 × , 283

  = _{1 / 2}

  ( 14 , 764 )

  = 15,485 inchi

  f. Panjang runner (L)

  15 , 485

  L =

  D ₁

  15 , 485 = 3 , 834

    = 4,038 inch (pada penelitian ini panjang runner 4,095 inch)

  g. Kecepatan putar runner (N) _{1 / 2} 862 × H N =

  D ₁

  1 / ²

  862 × ( 14 , 764 ) = 3 , 834

  = 863,796 rpm

  h. Lebar nozzle (S o )

  Q

  A =

  V

  , 283 = 30 , 211

  2

  = 0,009 ft

  A

  S =

  L

  , 009 × 144 = 4 , 038

  = 0,321 inch i. Jarak sudu pada runner (S

  1 , t)

  s

  1 = k x D

  1

  = 0,087 x 3,834 = 0,334 inchi

  s ₁

  t = sin β ₁

  , 334

  = ₁

  − sin tan 2 × tan

  16

  = 0,671 inch (pada penelitian ini jarak sudu pada runner 0,604 inch) j. Jumlah sudu (n) n =

  t D ₁

  × π = 671 ,

  834 ,

  3 14 , 3 ×

  = 18 buah (pada penelitian ini jumlah sudu 20 buah) k. Radial rim width (a) a = 0,17 x D

  1

  = 0,17 x 3,843 = 0,625 inch (pada penelitian ini radial rim width 0,567 inch) l. Diameter dalam runner (D

  2

  ) D

  2 = D 1 – 2(a)

  = 3,834 – 2(0,652) = 2,531 inch (pada penelitian ini diameter dalam runner 2,724 inch) m. Daya air (P air )

  P air = 8 ,

  8 QxH

  , 283 × 14 , 764 = 8 ,

  8 = 0,475 HP n. Daya turbin maksimum (P , P )

  turbin d

  P turbin = P in x η

  = 0,475 x 0,878 = 0,416 kw o. Torsi (T)

  P 5 d

  T = 9,74 x 10

  N 5 354

  = 9,74 x 10 1287 ,

  67 = 267,70 kw p. Bahan poros

  2 b = 10 Kg/mm

  σ σ _b

  a =

  τ

  Sf × Sf _{1 2}

  10

  =

  3 ×

  4

  2

  = 0,833 Kg/mm q. Diameter poros (d

  s

  Diameter pipa untuk sudu (d

  α) = 16⁰

  Lebar nozzle (S o ) = 0,321 inch = 8,150 mm Jarak sudu pada runner (t) = 0,604 inch = 15,330 mm Diameter poros = 0,984 inch = 25,000 mm Sudut busur sudu = 60⁰ (untuk variasi pada penelitian) Sudut masuk (

  2 ) = 2,724 inch = 69,200 mm

  ) = 3,858 inch = 98,000 mm Panjang runner (L) = 4,095 inch = 104,000 mm Radial rim width (a) = 0,567 inch = 14,400 mm Diameter dalam (D

  1

  Diameter runner (D

  1 ) = 0,625 inch = 15,875 mm

  ) = 1,250 inch = 31,750 mm Radius sudu (r

  1

  = 13,5 mm (pada penelitian ini diameter poros 25 mm) r. Geometri turbin

  ) d s = ^{3 1} 1 ,

  ⎢ ⎣ ⎡ × × ×

  5 ⎥ ⎦ ⎤

  1 ,

  1 5 , 1 833 ,

  267 70 ,

  = ^{3 1}

  × × × T C K _{b t a} τ

  ⎢ ⎣ ⎡

  5 ⎥ ⎦ ⎤

  Jumlah sudu (n) = 20 buah

3.4.2.3 Pembuatan Runner

  Setelah perancangan selesai, dilanjutkan dengan pembuatan runner. Langkah pertama adalah pembuatan sudu. Pipa hitam dipotong dengan panjang 104 mm,

  o

  kemudian dibelah dengan sudut 60 sebanyak 20 buah. Pembelahan dapat dilakukan dengan mesin sekrap atau gergaji.

Gambar 3.2. Sudu yang Sudah Dibelah

  Pembuatan alat dilanjutkan dengan pembuatan poros. Poros dibentuk menggunakan mesin bubut, dengan ukuran yang telah ditetapkan yaitu berdiameter 28 mm dan panjang 300 mm.

Gambar 3.3. Poros Runner Langkah selanjutnya adalah membuat piringan runner, sebanyak 2 buah.

  Piringan tersebut berfungsi sebagai menempelnya sudu-sudu runner. Piringan dibentuk dengan mesin bubut juga dengan ukuran diameter 98 mm dan tebal 5 mm.

Gambar 3.4. Piringan Runner Selain membuat piringan runner, penulis juga membuat plat yang mempunyai

  o

  alur sudu, yaitu berjumlah 20 buah dan membentuk busur sudu 60 . Plat ini berfungsi untuk memudahkan dalam pengelasan dan menjaga saat pengelasan sudu tetap lurus.

  Plat ini dibuat dengan menggunakan mesin CNC dan mempunyai ukuran sama dengan piringan runner. Plat tersebut berjumlah 2 buah.

Gambar 3.5. Plat beralur

  Setelah semua selesai dibentuk, 1 piringan dilas pada poros. Sudu-sudu dari pipa dilas pada plat alur, kemudian dilas pada poros dan piringan tersebut. Piringan yang kedua kemudian dilas terakhir.

Gambar 3.6. Piringan yang dilas pada poros

  Setelah semua telah dilas menjadi bentuk runner, dengan mesin bubut dilakukan pengerjaan akhir. Dengan menggunakan mesin bubut jugas, dilakukan balancing geometri pada runner tersebut.

Gambar 3.7. Runner Penelitian

3.4.3 Uji Prestasi

  Runner kemudian dipasangkan pada alat uji turbin. Setelah selesai dipasang ke rumah turbin kemudian poros dipasang kopling transmisi sabuk dan puli.

  Pada tahap ini dilakukan pengambilan data untuk mengetahui unjuk kerja turbin tersebut. Dalam penelitian ini ada beberapa variable yang di variasikan dan variable yang dihitung, antara lain :

  1. Variabel yang divariasikan :

  a. Debit air : 10,6 L/s, 9,3 L/s, 8,3 L/s

  b. Beban generator : 10 watt, 15 watt, 25 watt, 40 watt, 60 watt, 100 watt

  c. Lebar nozzle : 4 mm, 9 mm, 14 mm

  2. Varibel yang diukur :

  a. Tekanan air

  b. Tegangan yang dihasilkan generator

  c. Arus yang dihasilkan generator

  d. Putaran generator

  3.4.3.1 Gambar Alat Penguji

Gambar 3.8. Alat penguji

3.4.3.2 Cara Kerja Turbin