Rancangan Turbin Ossberger (cross flow). Daya Turbin = 2,6 kW. Head = 12 meter

(1)

RANCANGAN TURBIN OSSBERGER ( CROSS FLOW ) DAYA TURBIN = 2,6 KW

HEAD = 12 METER

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana

DARWIN TAN NIM : 050401077

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

RANCANGAN TURBIN OSSBERGER ( CROSS FLOW ) DAYA TURBIN = 2,6 KW

HEAD = 12 METER

DARWIN TAN NIM : 050401077

Diketahui / Disahkan: Disetujui:

Departemen Teknik Mesin Dosen Pembimbing, Fakultas Teknik USU

Ketua,

(3)

MESIN FLUIDA

Rancangan Turbin Ossberger (crossflow) Daya turbin = 2,6 kW,

Head = 12 meter.

DARWIN TAN 05 0401 077

Telah diseminarkan dan disetujui pada Seminar Tugas Sarjana Periode ke - 569, Sabtu 20 Maret 2010

Dosen Pembanding I, Dosen Pembanding II,

(4)

Rancangan Turbin Ossberger (cross flow)

Daya turbin = 2,6 kW,

Head = 12 meter.

DARWIN TAN NIM. 050401077

Telah Diketahui Oleh: Pembimbing/Penguji

Ir. Isril Amir NIP. 194510271974121001

Diketahui Oleh:

Ketua Departemen Teknik Mesin

Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri NIP.1964 1224 1992 111001 Penguji I

Ir. Mulfi Hazwi, Msc NIP. 194910121981031002

Penguji II

(5)

TUGAS SARJANA

NAMA : DARWIN TAN NIM : 05 0401 077 MATA PELAJARAN : MESIN FLUIDA

SPESIFIKASI : Rancangan turbin ossberger (cross flow). Daya Turbin = 2,6 kW. Head = 12 meter.

DIBERIKAN TANGGAL : 14 / November / 2009 SELESAI TANGGAL : 05/ Maret / 2010

MEDAN, 14 November 2009 KETUA DEPT. TEKNIK MESIN DOSEN PEMBIMBING,

Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri Ir. Isril Amir

(6)

KARTU BIMBINGAN

TUGAS SARJANA MAHASISWA

No : 915/ TS/ 2007

Sub. Program Studi : Konversi Energi. Bidang Tugas : Mesin Fluida.

Judul Tugas : Rancangan Turbin ossberger (cross flow). Daya Turbin = 2 kW, head = 12 meter.

Diberikan Tanggal : 14 November 2009 Selesai Tanggal : 5 Maret 2010 Dosen Pembimbing : Ir.Isril Amir Nama Mahasiswa : DARWIN TAN NIM : 05 0401 077

CATATAN : diketahui,

1. Kartu ini harus diperlihatkan kepada dosen Ketua Departemen Teknik Mesin pembimbing setiap asistensi. F.T U.S.U

2. Kartu ini harus dijaga bersih dan rapi. 3. Kartu ini harus dikembalikan kejurusan,

(7)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan anugrah-Nya yang telah diberikan kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini tepat pada waktunya.

Tugas sarjana ini merupakan salah satu persyaratan guna menyelesaikan pendidikan pada Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Adapun judul Tugas Sarjana ini adalah “Rancangan turbin

ossberger ( Cross flow ) ; Daya Turbin = 2,6 kW, head = 12 meter.”

Dalam mengerjakan tugas sarjana ini, penulis mendapat bantuan dan dukungan berupa materil dan spiritual yang diberikan oleh berbagai pihak, oleh karena itu pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih setulus – tulusnya kepada :

1. Orang tuaku yang menjadi teladan dan panutanku, yang selalu memotivasi dan memberi semangat bagi penulis.

2. Bapak Ir. Isril Amir, selaku Dosen Pembimbing Tugas Sarjana yang telah banyak memberikan arahan, bimbingan, dan nasehat serta telah banyak meluangkan waktunya membimbing penulis dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini.

3. Bapak Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

4. Bapak Ir. Tulus B Sitorus, ST, MT, selaku Sekretaris Jurusan Departemen Teknik Mesin-Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

5. Bapak / Ibu Staf Pengajar pada Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

(8)

7. Seluruh Asisten Laboratorium Pada Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

8. Mbak Melani, Mbak Ari dan Bang Sidik atas kemurahan hatinya selalu siap membantu penulis dalam penyelesaian tugas akhir ini di gedung S2 Teknik Mesin USU.

9. Rekan-rekan saya mahasiswa Mesin USU khususnys stambuk 2005. 10. Buat semua pihak yang ikut membantu penulis dalam menyelesaikan

turbin air yang tidak dapat disebutkan oleh penulis satu persatu.

Terimakasih saya ucapkan atas perhatian dan dukungan dari semua pihak sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini.

Medan,14November2009

Penulis,

(9)

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL………..………...………i

LEMBAR PENGESAHAN………..………...ii

LEMBAR PERSETUJUAN SEMINAR………..………..iii

SPESIFIKASI TUGAS...v

LEMBAR EVALUASI…………...vi

KATA PENGANTAR...x

DAFTAR ISI ...xii

DAFTAR GAMBAR ...xv

DAFTAR GRAFIK………...xvii

DAFTAR SIMBOL...xviii

AKSARA YUNANI...xx

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang………....……….... 1

1.2 Tujuan Perancangan……….……….…..…… 5

1.3 Manfaat perancangan………...……6

1.4 Batasan Masalah………..….…….6

1.5 Sistematika pembahasan ……..………...…………6

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pengertian Dasar Tentang Turbin Air………..……7

2.2 Jenis-jenis Turbin Air……….9

2.3 Turbin Air Aliran Silang ( Ossberger ) ………...10

2.3.1 Pengertian Dasar Turbin Air Aliran Silang ………10

2.3.2 Jenis-Jenis Turbin Aliran Silang Berdasarkan Posisi Penyemburan….………..12

2.3.3 Definisi dan Rumusan Dasar …..………..14

2.3.3.1 Tinggi Jatuh Air ( Head ) ………15

2.3.3.2 Daya Yang Dihasilkan Turbin ………16

2.3.3.3 Penentuan Luas Penampang Saluran …………17

(10)

2.3.3.5 Geometri Sudu………..………. 19

2.3.3.6 Kecepatan Aliran Fluida……… 23

BAB III METODOLOGI PERANCANGAN 3.1 Tempat dan Waktu……… 26

3.2 Bahan dan Alat ………27

3.3 Pengamatan dan Tahap Pengujian……… 28

BAB IV ANALISA DATA 4.1 Daya Turbin ……… 33

4.2 Putaran Spesifik Turbin …….………..…34

4.3 Generator …….………34

4.4 Diameter Pipa Penstock………..………… 35

4.5 Diameter Luar Roda Runner ………...………… 36

4.6 Lebar Lingkaran Sudu atau Lebar Rim……….... 38

4.7 Diameter Dalam Roda Runner……….… 38

4.8 Kecepatan Relative Pada Sisi Masuk………...… 38

4.9 Kecepatan Relative Pada Sisi Keluar………...… 39

4.10 Kecepatan Tangensial Pada Sisi Keluar……… 39

4.11 Kecepatan Mutlak Pada Sisi Keluar………..……40

4.12 Kecepatan Absolut Fluida Pada Sisi Keluar………….…… 40

4.13 Jarak Antar Sudu……….. 40

4.14 Jumlah Sudu Dalam Runner………...………...… 41

4.15 Tebal Sudu ………..….…41

4.16 Radius Garis Lengkung Sudu Runner………....…… 42

4.17 Sudut Kelengkungan Sudu ………42

(11)

BAB V KESIMPULAN

5.1 Turbin……… ………...44

5.2 Generator ………..…45

5.3 Pipa Penstock……….………45

5.4 Sudu Jalan (runner) ………...…45

(12)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Roda air kuno ……….1

Gambar 1.2 Turbin Fourneyron……… ……….2

Gambar 1.3 Turbin Fourneyron………..…… 3

Gambar 1.4 Turbin francis……… ….……….……...3

Gambar 1.5 Turbin pelton ………...…………3

Gambar 1.6 turbin Kaplan ………...……...4

Gambar 1.7 Instalasi secara keseluruhan……….5

Gambar 2.1. konstruksi dari turbin aliran ossberger ………...…11

Gambar 2.2. Aliran masuk turbin ossberger ………...11

Gambar 2.3 Posisi Penyemburan Vertical ……….13

Gambar 2.4 Posisi Penyemburan Horizontal……….13

Gambar 2.5 Posisi Penyemburan Miring ……….14

Gambar 2.6 Luasan Pemasukan Aliran Turbin Aliran Silang ………...19

Gambar 2.7 Konstruksi Geometri Sudu ………20

Gambar 2.8 segitiga kecepatan dan rumus turbin aliran silang ………..22

Gambar 2.9 Alur pancaran dalam runner ………..….23

Gambar 2.10 Istilah segitiga kecepatan yang terpakai ………..….……24

Gambar 3.1 Pressure Gauge ………..…….………28

(13)

Gambar 3.3 Tangmeter ………..…… 29

Gambar 3.4 Sketsa konstruksi bangun yang dirancang………..………….30

Gambar 3.5 Reservoar bawah ……… 31

Gambar 3.6 Reservoar atas ………...… 31

(14)

DAFTAR GRAFIK

(15)

DAFTAR SIMBOL

Simbol Arti Satuan

A : Luas penampang m2

D : Diameter mm

D(1,2) : Diameter pada roda jalan mm

D : Diameter penstock mm

a : Lebar sudu mm

f : Frekuensi Hz

g : Percepatan gravitasi m/s2

H : Tinggi air jatuh m

L : Panjang busur pemasukan m

t : Jarak antar sudu mm

n : Putaran operasi rpm

nG : Putaran generator rpm

ns : Putaran spesifik rpm

nt : Putaran turbin rpm

P : Daya Watt

Pt : Daya turbin Watt

Pg : Daya generator Watt

p : Jumlah kutub generator

Q : Debit aliran m3/s

(16)

u : Kecepatan keliling / tangensial m/s

c : Kecepatan absolut m/s

w : Kec. relatif fluida terhadap roda jalan m/s

(17)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Orang Cina dan Mesir kuno sudah mengunakan turbin air sebagai tenaga penggerak. Pada gambar 1.1 adalah contoh turbin air paling kuno, biasa dinamai roda air. Roda air dengan poros horizontal dipasang pada aliran sungai, sebagian dari roda air dimasukan ke aliran sungai sehingga bucket-bucket terisi air dan terdorong. Karena dorongan itulah roda air berputar. Karena teknologinya masih kuno, roda air hanya menghasilkan daya rendah dengan efisiensi rendah.

Gambar 1.1. Roda air kuno

(18)

Gambar 1.2 Turbin Fourneyron

Pada tahun 1850, seorang insinyur Inggris mengenalkan teknologi turbinnya, turbin ini kemudian dinamakan menggunakan namanya yaitu Francis. Turbin francis terdiri dari sudu pengarah dan roda jalan. Aliran air masuk turbin melalui sudu pengarah, selanjutnya masuk roda jalan. Pada tahun 1870, seorang profesor memperbaiki turbin francis, yaitu dengan memodifikasi sudu pengarahnya. Sudu pengarah dapat diatur untuk merespon kapasitas aliran air yang masuk turbin [gambar 1.4]. Pada tahun 1890, insinyur Amerika mengenalkan turbinnya, yang kemudian dinamakan menggunakan namanya pelton.

(19)

Gambar 1.3 Turbin Fourneyron

Gambar 1.4 Turbin francis

(20)

Gambar 1.6 turbin Kaplan

Keadaan Kelistrikan indonesia sekarang ini sangat memperhatinkan apalagi sekarang ini sumber migas yang terdapat di Bumi kita sangat terbatas, dan pada suatu saat akan habis, oleh karena itu berbagai penelitian dilakukan para peneliti untuk menemukan sumber energi diluar migas, sebagai sumber energi alternatif yang dapat dimanfaatkan sesuai kebutuhannya. Indonesia sebagai negara yang terletak digaris khatulistiwa, yang mempunyai daratan yang ditumbuhi hutan belantara yang luas beserta gunung / pegunungan yang di dalamnya banyak sungai-sungai mengalirkan air dari hulu ke hilir sampai ke lautan lepas yang terhampar luas disertai gemuruhnya ombak , dengan penyinaran sinar surya sepanjang tahun, dengan hembusan angin yang terdapat di seluruh wilayah Indonesia. Keberadaan wilayah Indonesia yang begitu beragamnya sumber energi alternatif yang dapat dimanfaatkan, merupakan tantangan bagi kita untuk melakukan penelitian/ kajian agar memperoleh sumber energi alternatif yang dapat digunakan untuk memenuhi kebutuhan energi yang terus meningkat. Salah satu sumber energi alternatif yang dapat dikembangkan adalah Turbin air.

(21)

keharusan untuk dimiliki, dengan demikian kontrol terhadap air yang masuk maupun yang didistribusikan ke pintu saluran air untuk menggerakkan turbin harus dilakukan dengan baik, sehingga dalam operasi Turbin air tersebut, dapat dijadikan sebagai dasar tindakan pengaturan efisiensi penggunaan air maupun pengamanan seluruh sistem, sehingga Turbin air tersebut, dapat beroperasi sepanjang tahun, walaupun pada musim kemarau panjang.

1.2. Tujuan perancangan

Tujuan umum perancangan ini adalah untuk :

1. Mengetahui diameter pipa penstock yang harus digunakan pada rancang bangun sistem air terjun buatan.

2. Membuat rancangan ukuran komponen utama turbin air.

3. Membuat rancang bangun sistem aliran air terjun buatan. Adapun gambar rancang bangun sistem aliran air terjun buatan seperti yang terlihat pada gambar dibawah ini.

(22)

1.3. Manfaat perancangan

Adapun manfaat yang didapatkan dari perancangan ini yaitu :

1. Diharapkan dapat memberikan kontribusi yang positif terhadap pengetahuan mahasiswa-mahasiswa yang melakuan percobaan.

2. Dapat mengetahui daya yang dihasilkan turbin secara praktek.

3. Memberikan informasi untuk digunakan sebagai pengembangan pengetahuan.

1.4. Batasan Masalah

Untuk menyederhanakan masalah dan menghindari penyajian yang terlalu luas, maka penulis membatasi pembahasan tugas sarjana ini. Hal-hal yang dibahas dalam laporan ini yaitu :

1. Perancangan turbin aliran silang

2. Perilaku turbin sebagai sumber tenaga air pembangkit dengan parameter debit, tinggi terjun, putaran turbin, putaran dinamo yang dipasang, voltase dan amphere atau jumlah watt yang dihasilkan.

1.5. Sistematika pembahasan

Laporan penelitian ini disusun dalam lima bab. Secara garis besar masing-masing bab akan membahas hal-hal sebagai berikut:

BAB I pendahuluan berisi penjelasan secara ringkas mengenai latar belakang, sejarah perkembangan turbin air, maksud dan tujuan perancangan, pembatasan masalah dan sistematika pembahasan.

BAB II Tinjauan Pustaka berisi penjelasan mengenai, jenis-jenis turbin air, pengertian dasar turbin air.

BAB III instalasi dan peralatan pengujian berisi penjelasan mengenai konstruksi turbin cross flow yang diuji dan peralatan yang digunakan dalam pelaksanaan pengujian.

BAB IV Pelaksanaan dan Hasil Pengujian berisi penjelasan tentang pelaksanaan pengujian. Besaran-besaran yang didapatkan dan analisis hasil pengujian.

(23)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pengertian dasar tentang turbin air

Turbin berfungsi mengubah energi potensial fluida menjadi energi mekanik yang kemudian diubah lagi menjadi energi listrik pada generator. Komponen -komponen turbin yang penting adalah sebagai berikut :

1. Sudu pengarah

biasanya dapat diatur untuk mengontrol kapasitas aliran yang masuk turbin.

2. Roda jalan atau runner turbin

pada bagian ini terjadi peralihan energi potensial fluida menjadi energi mekanik.

3. Poros turbin

pada poros turbin terdapat runner dan ditumpu dengan bantalan radial dan bantalan axial.

4. Rumah turbin

biasanya berbentuk keong atau spiral, berfungsi untuk mengarahkan aliran masuk sudu pengarah.

5. Pipa hisap

mengalirkan air yang ke luar turbin ke saluran luar.

Adapun perbandingan karakteristik turbin dapat kita lihat pada grafik net head (m) VS flow (m3/s) di bawah ini.

(24)

Grafik 2.1. Perbandingan karakteristik Turbin.

Dapat dilihat pada grafik 2.1 turbin kaplan adalah turbin yang beroperasi pada head yang rendah dengan kapasitas aliran yang tinggi atau bahkan beroperasi pada kapasitas yang sangat rendah. Hal ini karena sudu – sudu turbin kaplan dapat diatur secara manual atau otomatis untuk merspon perubahan kapasitas.

Berkebalikan dengan turbin kaplan, turbin pelton adalah turbin yang beroperasi pada head tinggi dengan kapasitas yang rendah. Untuk turbin francis mempunyai karakteristik yang berbeda dengan yang lainnya yaitu turbin francis dapat beroperasi pada head yang rendah atau beroperasi pada head yang tinggi.

(25)

Aplikasi penggunaan turbin berdasarkan tinggi head yang didapatkan adalah sebagai berikut ini :

1) Turbin Kaplan : 2 < H < 100 meter 2) Turbin Francis : 5 < H < 500 meter 3) Turbin Pelton : H < 30 meter 4) Turbin Banki : 2 < H < 200 meter

2.2. Jenis-jenis turbin air

Turbin air dapat dikelompokan menjadi 2 tipe yaitu :

a) Turbin Reaksi

Turbin reaksi adalah turbin yang memanfaatkan energi potensial untuk menghasikan energi gerak. 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.

b) Turbin Impuls

(26)

Adapun contoh – contoh turbin reaksi dan turbin impuls yaitu :

a) Turbin reaksi

· Francis

· Kaplan, Propeller, Bulb, Tube, Straflo

· Tyson

· Kincir air

b) Turbin Impuls

· Pelton

· Turgo

· Michell-Banki (juga dikenal sebagai turbin crossflow atau ossberger).

2.3. Turbin Air Aliran Silang (ossberger) 2.3.1. Pengertian Dasar Turbin Air Aliran Silang

Pada turbin impuls pelton beroperasi pada head relatif tinggi, sehingga pada head yang rendah operasinya kurang efektif atau efisiensinya rendah. Karena alasan tersebut, turbin pelton jarang dipakai secara luas untuk pembangkit listrik skala kecil. Sebagai alternatif turbin jenis impuls yang dapat beroperasi pada head rendah adalah turbin impuls aliran ossberger atau turbin crossflow. Pada gambar 2.1 adalah turbin crossflow, konstruksi turbin ini terdiri dari komponen utama yaitu;

(27)

Aliran air dilewatkan melalui sudu sudu jalan yang berbentuk silinder, kemudian aliran air dari dalam silinder ke luar melalui sudu-sudu. Jadi perubahan energi aliran air menjadi energi mekanik putar terjadi dua kali yaitu pada waktu air masuk silinder dan air ke luar silinder. Energi yang diperoleh dari tahap kedua adalah 20%nya dari tahap pertama.

Gambar 2.1. konstruksi dari turbin aliran ossberger

Gambar 2.2. Aliran masuk turbin ossberger

Perkembangan teori rancang bangun dimulai dari mencari hubungan parameter air terjun terhadap ukuran keseluruhan roda jalan dengan persamaan :

(28)

Dimana : A = Luas penampang pipa pancar (semburan) berbentuk empat persegi panjang (m2),

Q = debit air atau laju aliran (m3/detik), dan

H = tinggi tekanan atau head bersih (m).

2.3.2. Jenis-Jenis Turbin Air Aliran Silang Berdasarkan Posisi Penyemburan

Telah diuraikan bahwa energi potensial air telah dirubah melalui penyembur menjadi energi kinetik pada sudu atau tenaga putar roda jalan. Daya keluaran ini sangat dipengaruhi oleh komponen – komponen kecepatan memasuki sudu – sudu, juga telah dinyatakan c1 = 2(u1/cosα1) untuk α1 = 120 harga ini tidak jauh berubah c1 = 2,07u1 hal ini berarti saat berikutnya c1 kembali memasuki sudu yang lain berlawanan arah, keluar dari sisi masuk kali ini sebagai w1.

Disatu sisi keadaan ini menguntungkan yaitu dapat memanfaatkan secara maksimal energi air. Disisi lain akan merugikan karena kecepatan c1 menimbulkan arus putar balik (tahanan) yang seharusnya menuju pipa lepas. Kajian ini untuk menetapkan posisi terbaik dari penyembur terhadap sumbu poros.

Posisi penyemburan terhadap sumbu roda jalan dapat dibedakan atas tiga jenis yaitu :

1) Posisi vertikal.

(29)

Gambar 2.3 Posisi Penyemburan Vertical

2) Posisi Horizontal.

Dari segi pengaruh komponen keceptan dari roda jalan meskipun persis berada diatas pipa lepas tetapi masih terjadi arus pusar pada dinding belakang. Pada kecepatan arus normal terjadi pula arus perlawanan dari sisi depan poros dengan meniadakan letak pipa. Di lapangan sisi masuk tertentu lebih banyak digunakan.

Gambar 2.4 Posisi Penyemburan Horizontal

3) Posisi miring.

(30)

[image:30.595.222.404.156.263.2]

menjauhi roda turbin atau jatuh ke pipa lepas dengan tambahan gaya berat sendiri. Lebih besar dari 300 kecendrungan terjadinya arus pusar diantara roda jalan dan dinding mulai terlihat.

Gambar 2.5 Posisi Penyemburan Miring

2.3.3. Definisi dan Rumusan Dasar 2.3.3.1. Tinggi jatuh air (Head)

Menurut persamaan Bernoulli maka persamaan tinggi jatuh air sebagai berikut:

a) Komponen energi potensial, sebesar EZ = W . z

Dimana :

W = Berat fluida (N)

z = Jarak tegak / Head diatassuatu elevasi acuan (m)

b) Komponen energi tekanan Ep = W.P / Dimana:

P = tekanan air (N/m2) = berat jenis fluida (N/m3) c) Komponen energi kecepatan

Ek = W. c2/2.g

c = kecepatan fluida =

(31)

Apabila ruas kanan dan kiri dibagi dengan mg, maka persamaan diatas menjadi persamaan tinggi jatuh atau head

Dimana H = tinggi jatuh air atau head total (m) z = tinggi tempat atau head potensial (m) = tinggi tekan atau head tekan (m)

= tinggi kecepatan atau head kecepatan (m)

2.3.3.2. Daya Yang Dihasilkan Turbin P

Dari kapasitas air V dan tinggi air jatuh H dapat diperoleh Daya air

Pa = Q . g . H

Dimana:

Pa = Daya air (kW)

Q = kapasitas air (m3/detik) = kerapatan air (kg/m3) g = gaya gravitasi (m/detik2) H = tinggi air jatuh (m) Dan efisiensi turbin:

= Pt / Pa

Maka daya turbin yang diperoleh Pt = Pa

Pt = Q . . g . H . Dimana :

Pt = Daya Turbin(kW) = efisiensi turbin

(32)

berlaku sebaliknya, yaitu untuk tinggi jatuh air yang sama, energi potensial yang dimiliki akan lebih besar apabila kapasitas aliran air juga besar.

2.3.3.3. Penentuan Luas Penampang Saluran H

Diameter pipa dan luas penampang lintang saluran dalam turbin dapat dihitung dengan menggunakan persamaan kontinuitas. Yang dimaksud dengan luas penampang lintang saluran adalah suatu luasan permukaan irisan saluran yang dibuat tegak lurus dengan arah aliran cairan.

Q = A .cn

Dimana : Q = kapasitas air yang mengalir (m3/detik)

A = luas penampang pipa yang dipakai (m2)

Cn = kecepatan aliran air (m/detik)

Kecepatan aliran air akan besar pada penampang yang semakin kecil, pada kapasitas aliran air yang sama. Adapun kecepatan pancaran air yang ke luar

dari nosel (turbin pelton) adalah

2.3.3.4. Diameter Dan Lebar Runner

Diameter luar runner dihitung dengan memakai rumus sebagai berikut.

u1 =

Maka :

D1 =

Dimana :

D1 = diameter luar runner ( m )

n = putaran turbin (rpm) u1 = kecepatan runner (m/s)

(33)

A = b0 . L (Literatur 9 hal 21)

dimana :

A = Luas penampang pipa pancar (m2)

b0 = Lebar pipa pancar (m)

L = Panjang busur pemasukan (m)

L ditentukan oleh busur pemasukan, φ (0), dan diameter raner, D1 = 2.R1

° ° = 360 . . 1 . 2R πφ

L (Literatur 9 hal 21)

Dengan tinggi terjun tertentu, luas pemasukan tergantung kepada kebuthan debit aliran.

Q = A .v (Literatur 9 hal 21)

dimana:

Q = Debit air atau laju aliran (m3/dtk)

A = Luas penampang pipa pancar (m2)

v = kecepatan aliran (m/dtk), tegak lurus terhadap luasan pemasukan

Komponen kecepatan yang berarah tegak lurus terhadap luasan pemasukan adalah komponen kecepatan mutlak di arah bujur, cm. Sehingga dengan demikian maka :

Q = A . cm (Literatur 9 hal 21)

Komponen kecepatan di arah bujur ini dapat dinyatakan sebagai :

cm= c . sin α (Literatur 9 hal 21)

dimana :

Q = Debit air atau laju aliran (m3/dtk)

(34)

cm = Komponen kecepatan mutlak di arah bujur

c = Kecepatan mutlak

α = Sudut kecepatan mutlak

Bila kecepatan pancar bebas, dengan mengabaikan kerugian tinggi terjun akibat gesekan aliran, menggantikan kecepatan mutlak, maka :

H g c

c= _v 2. . (Literatur 10 hal 77)

dimana:

c = Kecepatan mutlak

cv = Koefisien kecepatan nosel = 0,70

g = Percepatan gravitasi (m/dtk2)

H = Head air (m)

Menggunakan hubungan tersebut diatas, debit air masuk turbin dapat dinyatakan dengan :

m

c

A

Q

=

.

m

c

L

b

Q

=

₀

.

°° = 360 . . . 2 . ₁

0 R cm

b

Q πφ (Literatur 9 hal 22)

° ° = 360 sin . . . . 2 . ₁

0 R πφ c α

b Q ° ° = 360 sin . . . 2 . . . 2 . ₁

0 R πφ gH α

(35)

Persamaan diatas ini memuat semua besaran yang berpengaruh terhadap debit aliran masuk turbin, yaitu :

b0 = Lebar pemasukan

R1 = Jari –jari lingakaran luar raner

φ = Sudut busur pemasukan

H 1/2 = akar tinggi terjun netto

sin α = sinus sudut kecepatan mutlak di sisi masuk raner

[image:35.595.170.456.467.610.2]

Juga menjadi jelas bahwa baik lebar pemasukan maupun jari – jari raner berpengaruh secara linear terhadap besar debit aliran. Dengan kata lain, suatu turbin dengan lebar pemasukan, b0 = 300 mm dan diameter raner, D = 400 mm, mempunyai debit yang sama besar dengan turbin berdiameter, D = 300 mm dengan lebar pemasukan b0 = 400 mm. Ini menyebabkan kedua turbin bekerja dengan tinggi terjun dan busur pemasukan bersih yang sama. Walaupun kecepatan keliling kedua turbin sama, akan tetapi karena berbeda diameter maka kecepatan masing – masing tidak sama.

Gambar 2.6 Luasan Pemasukan Aliran Turbin Aliran Silang

(36)

Untuk menyatakan hubungan geometri antara besaran-besaran R1, R2, β1,

[image:36.595.151.533.156.588.2]

β2, rb, rp dan δ diperlukan adanya para menter seperti tampak pada Gb. Yaitu ε, ζ, Ø, c dan d.

Gambar 2.7. Konstruksi Geometri Sudu

Gambar tersebut juga memberikan penyelesaian grafis atas persoalan ; sudut (β1 +

(37)

Menarik garis atas jarak 2d ini menghasilkan garis tempat kedudukan pusat kelengkungan sudu rb. Titik pusat kelengkungan sudu didapatkan

merupakan titik potong antara garis bersudut β1 yang ditarik dari tiitk potong atas lingkaran berjari-jari R1 dengan garis bagi tersebut. Pusat jari-jari sudu terletak sejauh jari-jari lingkaran tusuk rp dari sumbu runner

Jari-jari rb digambarkan sampai juga memotong lingkar dalam runner berjari-jari R2. Bila kedua titik potong di kedua lingkar runner dihubungkan berturut-turut dengan pusat jari-jari rb dan sumbu runner diperoleh sudut δ dan Ø. Dengan demikian sudut lainnya pun dapat dibuat seperti tampak pada gambar.

Rumus –rumus berikut disusun dengan urutan yang diperlukan untuk menghitung harga δ, rb,dan rp berdasarkan besaran R1, R2, β1 dan β2 yang sudah diketahui. Konstruksi grafis geometri sudu dapat digunakan untuk memeriksa harga-harga besaran hasil perhitungan.

2 )

d =

rb =

(38)

[image:38.595.115.465.84.608.2]

(39)

[image:39.595.150.474.86.399.2]

Gambar 2.9 Alur pancaran dalam runner

2.3.3.6. Kecepatan aliran fluida

Menurut persamaan Euler, persyaratan awal bagi pertukaran energi antara fluida yang bergerak degnan sudu runner, yang juga bergerak, suatu mesin hidrolis adalah bahwa sudu runner menuyebabkan berubahnya kecepatan fluida. Dalam hal fluida dipercepat oleh sudu runner, terjadi penyerahan energy oleh sudu kepada fluida seperti terjadi pada pompa. Sebaliknya, dimana fluida diperlambat oleh sudu, terjadi penyerahan energi dari fluida kerja kepada runner mesin, merupakan prinsip kerja semua turbin air.

(40)

[image:40.595.216.446.85.211.2]

Gambar 2.10 Istilah segitiga kecepatan yang terpakai

harga masing-masing energi sisi masuk dan keluar harus diperbandingakn sehingga dihasilkan istilah energi berikut :

(Literatur 9 hal 4)

Selisih tekanan statis akibat gaya sentrifugal

(Literatur 9 hal 4)

Selisih tekanan dinamis akibat perubahan kecepatan mutlak

(Literatur 9 hal 4)

Berdasarkan ini, energy teoritis Hth suatu system runner yang mengubah energy aliran tanpa kerugian menjadi daya, dituliskan dalam bentuk persamaan EULER berikut:

Hth = + -

Hukum cosinus membuat rumusan berikut berlaku:

w2 = u2 + c2 – 2 u .c .cosα (Literatur 9 hal 5)

dimana:

α = sudut antara vektor-vektor kecepatan mutlak dan keliling.

dengan,

(41)

dimana:

cu = komponen vector kecepatan mutlak diarah keliling

dari persamaan diatas maka dapat dituliskan sebagai :

(42)

BAB III

METODOLOGI PERANCANGAN

3.1 Tempat dan waktu

Perancangan turbin air ini dilakukan di Laboratorium konversi energi departemen teknik mesin USU selama 3 bulan dan perancangan serta pengambilan data Turbin air jenis aliran silang dilaksanakan di Laboratorium konversi energi departemen teknik mesin USU selama 1 minggu. (Des 2009 s/d Feb 2010).

Adapun perancangan yang dilakukan di laboratorium konversi energi departemen teknik mesin USU adalah sebagai berikut :

1. Mengukur dimensi dari peralatan yang akan dirancang sehingga dapat meletakkan rancangan tersebut sesuai dengan tempat yang diinginkan.

2. Melepaskan peralatan yang akan dirancang sehingga terpisah satu persatu. 3. Menggeser peralatan yang akan dirancang ke tempat yang diinginkan.

4. Menyesuaikan tata letak peralatan yang akan dirancang sehingga dapat melakukan instalasi pipa dengan mudah.

5. Membuat pondasi pada reservoar bawah dan pompa. 6. Merancang reservoar atas yang akan menampung air.

7. Menginstalasi pemipaan yang akan digunakan pada perancangan ini. 8. Memasang alat ukur pressure gage.

(43)

Diagram Alir pengujian Turbin Air jenis aliran silang.

3.2 Bahan Dan Alat

Bahan – bahan yang digunakan dalam pengujian ini adalah : air.

Adapun alat – alat yang digunakan dalam pengujian ini adalah :

1) 1 (satu) unit turbin air jenis aliran silang (cross flow) 2) 1(satu) unit generator

3) 1 (satu) unit pompa air dengan daya 5,5 kW

4) 1 (satu) unit tachometer, alat untuk mengukur putaran turbin dan generator 5) 1 (satu) unit tangmeter, alat untuk mengukur arus dan tegangan yang dihasilkan

• Mencatat tekanan air masuk turbin air dengan Pressure Gage • Mencatat putaran poros turbin air dengan Tachometer • Mencatat putaran poros generator dengan Tachometer • Mencatat tegangan keluaran generator dengan Tangmeter

Menganalisa data hasil pembacaan alat ukur kemudian disesuaikan dengan perhitungan yang telah dibuat.

Mengulangi pengujian dengan cara yang sama Mulai

• Volume reservoar bawah = a m3

• Volume reservoar atas = b m3

• Tekanan udara = 1 bar

• Kecepatan aliran masuk = d m/s

• Kapasitas aliran = e m3/s

• Putaran Turbin = c rpm

• Putaran Generator = c rpm

• Tegangan = v Volt

• Beban = p Watt

(44)

6) 2 (dua) unit pressure gauge, alat untuk mengukur tekanan air pada saat keluar pompa dan pada saat masuk ke turbin

7) Alat – alat bantu perbengkelan seperti : kunci pas, kunci inggris, kunci ring, kunci L, tang, obeng dsb.

3.3 Pengamatan dan Tahap Pengujian

Pada pengujian ini yang akan diamati adalah :

1) Tekanan air masuk pada turbin air, tekanan air keluar pompa.

[image:44.595.252.373.386.544.2]

2) Putaran poros pada turbin air, diukur dengan menggunakan alat Tachometer. 3) Putaran poros pada generator, diukur dengan menggunakan alat Tachometer. 4) Tegangan yang dihasilkan generator, diukur dengan menggunakan alat Voltmeter

(45)

[image:45.595.225.399.83.276.2]

Gambar 3.2 Tachometer

[image:45.595.224.401.399.615.2]

(46)

[image:46.595.190.431.81.440.2]

Gambar 3.4 Sketsa instalasi turbin air aliran silang.

(47)

[image:47.595.209.416.85.359.2]

Gambar 3.5 Resevoar bawah

[image:47.595.211.413.414.660.2]

(48)

[image:48.595.146.480.85.333.2]

(49)

BAB IV

Analisa Data Dan Rancangan Turbin

4.1. Daya Turbin

Turbin adalah alat yang berfungsi mengubah energi potensial air menjadi

energi mekanis. Daya turbin dapat dihitung berdasarkan persamaan :

t

g

H

Q

P

=

ρ

.

η

(literatur 1)

Dimana :

Q = Kapasitas Air (m3/dtk) = 0,04 m3/dtk

ρ

= Massa jenis air = 1000 kg/m3

g = Percepatan gravitasi = 9,81 m/s2

H = Tinggi jatuh air = 12 m

t

η

= Efisiensi turbin = 0,555 (menurut daya kerja turbin)(literature 10

Maka :

=

t

P

1000 kg/m3. 9,81 m/s2.12 m. 0,04 m3/dtk. 0,555

(50)

4.2. Putaran Spesifik Turbin

Putaran spesifik adalah putaran yang diperlukan untuk menganalisa

hubungan antara putaran yang dihasilkan oleh daya turbin terhadap besarnya

energi potensial yang diberikan.

Ns = 3,65 . n /H3/4

Dimana:

Ns = kecepatan spesifik turbin aliran silang ( rpm )

H = Tinggi jatuh air (m)

Q = Kapasitas Air (m3/dtk)

Maka :

Ns = 3,65 . 500 /123/4

= 56,612 rpm

4.3. Generator

Generator berfungsi sebagai alat pengubah energi mekanik menjadi energi

listrik. Generator dipilih berdasarkan standarisasi yang sudah ditetapkan.

Generator yang digunakan memiliki jumlah kutub 2 pasang dan putaran 1500

rpm. Pada perancangan ini daya dan putaran dari poros turbin dikopel langsung ke

putaran generator, sehingga putaran turbin sama dengan putaran generator.

Generator yang digunakan mempunyai faktor daya (cos

ϕ

) sebesar 0,85

(literature 10). Besarnya daya yang dihasilkan generator berdasarkan persamaan :

NG = Pt

(51)

NG = Daya generator (kVA)

Pt = Daya turbin (W)

= effisiensi generator = 0,96

= efisiensi transmisi = 0,95

Maka ;

NG = 2.613W. 0,96. 0,95

= 2383,056 VA

= 2,4 kVA

Jadi daya generator dalam satuan kW adalah:

NG = kVA. Cos φ

= 2,4. 0,85

= 2,04 kW

4.4. Diameter pipa penstock

Untuk mencari diameter pipa penstock lebih dahulu kita harus mencari luas penampang pipa penstock yaitu dengan menggunakan persamaan:

Q = A . C1

Dimana :

C1 = kecepatan absolute fluida pada sisi masuk / kecepatan fluida keluar

dari nozel (m/dtk)

Cv = Koefisien kecepatan nosel = 0,3

(52)

C1= Cv

= 0,3

= 4,6 m/dtk

Maka :

A = Q / C1

=

= 0,0087 m2

Maka :

D =

=

= 0,105 m

= 4,134 inci (jadi diambil pipa 4 inci)

4.5. Diameter luar roda runner

Diameter luar roda runner dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan:

D1 =

Dimana :

U1 = kecepatan tangensial pada sisi masuk

(53)

n = putaran turbin (rpm) = 500 rpm

Dimana:

= kecepatan absolute fluida pada sisi masuk / kecepatan fluida keluar dari nozel

Dimana:

Cv = koefisien kecepatan nozel = 0,3

g = percepatan gravitasi (9,81m/s2)

H = Tinggi jatuh air (12 m )

Maka :

C1 = 0,3

C1 = 4,6 m/s

U1 = 2,211 m/s

Maka diameter luar roda runner (D1)

D1 =

(54)

4.6. Lebar Lingkaran Lingkaran Sudu Atau Lebar Rim

Lebar lingkaran sudu atau lebar rim dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan:

a = 0,17D1 ...( literatur 9 halaman 11)

dimana :

D1=Diameter luar roda runner

Maka:

a = 0,17.0,085 = 0,01445

4.7. Diameter Dalam Roda Runner

Diameter dalam roda runner dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan:

D2 = D1 – 2a

Maka:

D2 = 0,085 – (2 x 0,01445) D2 = 0,0561 m

4.8. Kecepatan Relative Pada Sisi Masuk

Kecepatan relative pada sisi masuk dapat dihitung dari persamaan:

Dimana :

C1 = kecepatan absolute fluida pada sisi masuk atau kecepatan fluida keluar

α1 = 160(sudut pancaran fluida masuk)

(55)

β1 = sudut sudu sisi masuk (300) (literature 10)

maka :

° −

+

= 4,62 2,2112 2.4,6.2,211.cos16

1 W 549 , 2 1 =

W m/s

4.9. Kecepatan Relative Pada Sisi Keluar

Kecepatan relative pada sisi keluar dapat dihitung dari persamaan:

W2 = W1

Dimana:

D1 = diameter lingkaran luar runner D2 = diameter lingkaran dalam runner

Maka : °      

= sin30

0561 , 0 085 , 0 549 , 2 2 W 931 , 1 2 =

W m/s

4.10. Kecepatan Tangensial Pada Sisi Keluar

Kecepatan tangensial pada sisi keluar dpaat dihitung dengan persamaan:

U2 = x U1

Maka:

U2 = x 2,211

(56)

4.11. Sudut Kecepatan Mutlak Sisi Keluar

Sudut kecepatan mutlak sisi keluar dapat dihitung dengan persamaan: Tanα2 =

Maka:

Tanα2 =

Tanα2 = 0,757

° = °

=37,146 37,2

2 α

4.12. Kecepatan Absolut Fluida Pada Sisi Keluar

Kecepatan absolut fluida pada sisi keluar dapat dihitung dengan persamaan:

C2 =

Maka : ° = 2 , 37 cos 459 , 1 2 C 831 , 1 2 =

C m/s

4.13. Jarak antar sudu

Jarak antar sudu dapat dihitung dengan persamaan:

t = S1/sinβ1

Dimana:

S1 = tebal pancaran runner = k.D1

Dimana:

k = 0,075-0,1 diambil k = 0,09

(57)

t=

t=0,0153 m = 15,3 mm

4.14. Jumlah sudu dalam runner

Jumlah sudu dalam runner dapat dihitung dengan persamaan;

N =

N = 18 buah

4.15. Tebal Sudu

Tebal sudu dapat dihitung dengan persamaan:

ts =

dimana:

k= factor tebal sudu runner = 0,9-0,95 diambil 0,925 maka :

ts =

ts = 0,0011m ts = 1,1 mm

C = )

= )

= 0,061m/s

= Arc sin

(58)

ξ = 1800

– 0

= 1800 - (30+90+23,423)0 = 36,577

- (1800- 2 ξ)0 - (1800- 2. 36,577)0 = 13,1540

d =

=

= 0,0325 m

4.16. Radius Garis Lengkung Sudu Runner

Radius garis lengkung sudu runner dapat dihitung dengan persamaan :

Rb =

Maka:

Rb =

= 0,054 m

4.17. Sudut Kelengkungan Sudu

Sudut kelengkungan sudu dapat dihitung dengan persamaan:

δ = 1800

-2(β1+ε)

= 1800-2( )

(59)

4.18 Perhitungan nosel

Panjang busur pemasukan (L) ditentukan oleh busur pemasukan, φ (0), dan

diameter runner, D1 = 2.R1.

° ° = 360 . . . 2R1πφ

L ° ° = 360 2 , 13 . . 0425 , 0 . 2 π

=0,0098 m

Lebar pipa pancar dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

° ° = 360 sin . . . 2 . . . 2 . ₁

0 R πφ g H α

b Q

α φ

π. . 2. . .sin

. 2 360 . 1 0 H g R Q

b = °

12 . 81 , 9 . 2 2 , 13 . . 0425 , 0 . 2 360 . 037 , 0 ° ° = π

(60)

BAB V

KESIMPULAN

Pembangkit listrik tenaga air sangat tepat dikembangkan di Indonesia mengingat potensi tenaga air yang sangat besar dan masih dimanfaatkan secara maksimal.

Energi potensial air adalah merupakan salah satu energi alternatif untuk menggantikan energi konvensional (bahan bakar fosil) dan sangat bersahabat dengan lingkungan. Masalah yang menjadi hambatan dalam pembangunan sistem pembangkit listrik tenaga air adalah investasi awal yang sangat besar, sehingga investasi per kilowatt lebih tinggi dibandingkan dengan sistem pembangkit listrik yang lain. Namun apabila dibandingkan ke masa yang akan datang, pembangkit listrik tenaga air sangat mengguntungkan karena biaya operasi dan perawatan relatif kecil.

Dari hasil perhitungan yang dilakukan dalam perancangan ini dapat ditampilkan yaitu sebagai berikut: