STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH JARAK SUDU TERHADAP LUBANG BUANG PADA KINERJA TURBIN AIR ALIRAN VORTEX MENGGUNAKAN RADIAL SWIRL BLADE

(1)

ABSTRAK

STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH JARAK SUDU

TERHADAP LUBANG BUANG PADA KINERJA TURBIN AIR

ALIRAN VORTEX MENGGUNAKAN RADIAL SWIRL

BLADE

Oleh Z.F ARIF B.S

Aliran vortex yang juga dikenal sebagai aliran pulsating atau pusaran dapat terjadi pada suatu fluida yang mengalir dalam suatu saluran yang mengalami perubahan mendadak. Laju kecepatan dan jumlah dari rotasi dari fluida yang paling besar terjadi pada pusatnya dan secara progresif menurun sebanding dengan jaraknya dari pusat. Hal ini menjadi referensi untuk mengubah aliran

sungai dengan head yang rendah menjadi sebuah aliran vortex, dimana dengan perubahan ini kecepatan dari fluida meningkat. Radial swirl blade adalah sebuah blade dengan bentuk lengkung, dengan dimensi yang sama blade ini akan

(2)

m dan 0,4 m dengan variasi jumlah sudu, yaitu : 3, 4, 6 buah. Variasi jarak sudu terhadap lubang buang yang digunakan, yaitu : 0,03 m, 0,06 m, 0,09 m, 0,12 m. Diameter lubang buang 0,12 m. Dimensi saluran yang digunakan adalah panjang 6,5 m lebar 0,25 m dan tinggi 0,5 m dengan diameter vortex basin sebesar 1 m. Pada penelitian ini data yang diambil adalah data torsi dan putaran poros dengan mempertahankan tinggi level air 0,2 m data tersebut diolah untuk mencari nilai efisiensi.

Hasil analisis yang dilakukan diperoleh nilai efisiensi terbaik kondisi aktual pada jumlah sudu 4 dengan jarak sudu terhadap lubang buang 0,09 m yaitu sebesar 16,54 %, secara perhitungan teoritik nilai efisiensi terbaik pada jumlah sudu 4 dengan jarak sudu terhadap lubang buang 0,09 m yaitu sebesar 59,34%.

(3)

I. PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Pembangkit listrik tenaga air saat ini menjadi salah satu pilihan dalam memanfaatkan sumber energi terbarukan. Namun pemanfaatan yang ada masih menggunakan teknologi yang sedehana. Pembangkit Listrik jenis ini dalam proses pembuatannya sangat ekonomis namun masih dalam skala kecil. Artinya pembangkit-pembangkit ini hanya mampu mencukupi pemakaian energi listrik untuk sejumlah rumah saja. Jenis Pembangkit Listrik Tenaga Air ini sering disebut Microhydro atau sering juga disebut Picohydro tergantung keluaran daya listrik yang dihasilkan.

Microhydro ataupun Picohydro yang dibuat biasanya memanfaatkan air terjun

dengan head jatuh yang besar. Sedangkan untuk aliran sungai dengan head jatuh yang kecil belum termanfaatkan dengan optimal. Hal ini menjadi referensi untuk memanfaatkan aliran sungai dengan mengubahnya menjadi aliran vortex. Aliran vortex yang juga dikenal sebagai aliran pulsating atau pusaran dapat terjadi pada

suatu fluida yang mengalir dalam suatu saluran yang mengalami perubahan mendadak.

Radial swirl blade adalah sebuah blade dengan bentuk lengkung. Bentuk profil

(4)

luas area bidang kontak air dengan blade sehingga energi yang diterima pun akan lebih optimal. Radial Swirl Blade dengan diameter sudu yang sama blade ini akan menghasilkan daya yang lebih besar dibandingkan dengan flat blade.

B. Tujuan dan Manfaat

Tujuan dari pelaksanaan dan penulisan laporan tugas akhir ini adalah untuk mengetahui pengaruh jarak sudu terhadap lubang dan variasi jumlah sudu terhadap:

1. Torsi dan putaran poros maksimum yang dihasilkan turbin.

2. Daya optimal turbin yang dihasilkan.

3. Efisiensi turbin air

Sedangkan manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah agar dapat memberikan informasi kepada khalayak umum bahwa aliran sungai dengan head rendah pun dapat dimanfaatkan menjadi energi listrik secara optimal, terlebih dengan penggunaan tipe sudu radial swirl blade pada turbin air aliran vortex.

C. Batasan Masalah

Dalam penulisan laporan tugas akhir ini ada beberapa batasan masalah yang diberikan agar penelitian ini lebih terarah, yaitu:

(5)

2. Tipe sudu yang digunakan adalah Radial Swirl Blade.

3. Variasi jarak sudu dengan lubang buang adalah 3 cm, 6 cm, 10 cm, 12 cm.

4. Tinggi level air dikondisikan konstan pada level 20 cm

5. Pengujian dilakukan dalam skala laboratorium.

6. Penelitian yang dilakukan adalah untuk mengetahui torsi maksimum dan efisiensi turbin air aliran vortex dengan tipe sudu radial swirl blade.

7. Parameter yang digunakan yaitu: jumlah sudu, jarak sudu terhadap lubang buang.

D. Sistematika Penulisan

Laporan penelitian Tugas Akhir ini menggunakan standar penulisan karya ilmiah yang diterapkan oleh Universitas Lampung antara lain :

BAB I : PENDAHULUAN

Terdiri dari latar belakang, tujuan, batasan masalah, hipotesa, dan sistematika penulisan.

BAB II : TINJAUAN PUSTAKA

(6)

BAB III : METODOLOGI

Berisi beberapa tahapan persiapan sebelum pengujian, prosedur pengujian, dan diagram alir pengujian.

BAB IV : HASIL DAN PEMBAHASAN

Berisikan pembahasan dari data-data yang diperoleh pada pengujian Torsi turbin dan Putaran sudu.

BAB V : SIMPULAN DAN SARAN

Berisikan hal-hal yang dapat disimpulkan dan saran-saran yang ingin disampaikan dari penelitian ini.

DAFTAR PUSTAKA

(7)

III. METODOLOGI PENELITIAN

A. Tempat Pembuatan Dan Pengujian

Pembuatan alat penelitian ini dilakukan di Bengkel Berkah Jaya, Sidomulyo, Lampung Selatan. Kemudian perakitan dan pengujian dilakukan Lab. Mekanika Fluida Jurusan Teknik Mesin Universitas Lampung.

B. Waktu Pembuatan Dan Pengujian

Penelitian ini dilakukan pada bulan Mei - November 2009 bertempat di Laboratorium Teknik Mesin Universitas Lampung. Waktu pembuatan dan pengujian alat ini sebagai berikut :

Tabel 2. Pelaksanaan Kegiatan Pembuatan dan Pengujian

Kegiatan Mei Juni Juli Agus Sept Okt Nov Pembuatan dan perakitan

alat X X X X

Melakukan Pengujian

alat X X X

Proses Pengambilan

(8)

C. Alat-Alat yang Digunakan Dalam Penelitian

Alat- alat yang yang digunakan adalah sebagai berikut:

1. Alat yang digunakan dalam pembuatan saluran vortex

Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini antara lain :

a. Ragum

Ragum digunakan sebagai penjepit pelat dalam pembuatan vortex basin dan pembuatan lengkungan sudu turbin..

Gambar 14. Ragum

b. Kikir

Dalam pembuatan lubang buang dalam penelitian ini menggunakanb las potong, sehingga bentuk dari lubang buang belum bulat. Dalam hak ini kikir digunakan untuk merapikan lubang buang.

(9)

c. Bor

Mesin bor digunakan untuk melubangi bagian sambungan antara poros dengan sudu yang nantinya dipasangi baut.

Gambar 16. Mesin Bor Duduk

d. Las listrik

Las listik atau las busur digunakan untuk menyambung bagian-bagian dari vortex basin dan bagian-bagian sudu

(10)

e. Gerinda potong

Geinda potong digunakan untuk memotong plat dalam permbuatan Vortex basin dan sudu.

Gambar 18. Gerinda Potong

f. Gerinda Tangan

Gerinda tangan digunakan untuk menghaluskan bagian-bagian yang masih tajam dari pengelasan dan pemotongan.

Gambar 19. Gerinda Tangan

g. Mesin Potong Plat

(11)

lengkungan dengan ketelitian yang lebih tinggi dibandingkan dengan gerinda potong.

Gambar 20. Mesin Potong Plat

h. Gergaji tangan

Gergaji tangan digunakan untuk memotong kayu. Kayu tersebut digunakan dalam saluran air sebelum masuk vortex basin.

Gambar 21. Gergaji Tangan

i. Palu

Palu digunakan untuk memukul paku dalam pembuatan saluran air

(12)

2. Alat yang digunakan dalam Pengujian

a. Pompa air

Pompa air merupakan enegi awal yang digunakan untuk menyediakan air dalam saluran. Pompa ini mempunyai kapasitas 60 liter per menit

Gambar 23. Mesin Pompa Air

Nama alat : Pompa air

Merek : Power One Wp 30 Power Maksimum : 5,5 Hp

Pump Lift : 28 m

Putaran Mesin : 3600 rpm Flow rate : 60 m3/h

b. Selang spiral

(13)

Gambar 24. Selang Spiral

c. Pipa PVC

Pipa pvc digunaklan untuk mengalirkan kembali air buangan dari vortex basin yang disimpan dalam bak penampungan ke reservoir. Pipa yang digunakan mempunyai diameter 2,5 dan diameter 4 inci.

Gambar 25. Pipa PVC

d. Bak air penampungan beton dengan dimensi

(14)

e. Tachometer

Untuk mengetahui besarnya putaran yang dihasilkan poros turbin digunakanlah tachometer digital

Gambar 26. Tachometer

Nama alat : Tachometer

Model : PH-200

Ketelitian : Revolutions

6.0～599.9rpm:±1rpm

600.0～99,999rpm:±0.006% and 0.5 digit

f. Torsi meter

(15)

Gambar 27. Torsimeter

Nama alat : Torquemeter Merek : Lutron TQ-8800 Ketelitian : ± (1.5% +5d)

Kapasitas alat ukur : 15 Kgf-cm atau 147 Ncm

g. Mistar ukur

Mistar ukur dan roll meter digunakan untuk mengetahui tinggi level air pada bak penampungan air keluaran vortex basin.

(16)

h. Stopwacth

Stopwatch berfungsi untuk mencatat lama waktu air yang masuk dalam bak penampungan dalam menghitung banyaknya debit yang terpakai.

Gambar 29. Stopwacth

D.Perlengkapan dan Bahan Penelitian

Perlengkapan dan bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain:

1. Saluran air dengan dimensi panjang 5,5 m, lebar 25 cm, tinggi 50 cm, dan diameter vortex basin 1 m.

(17)

Gambar 30. Plat Siku Berlubang

3. Poros vertikal terbuat dari baja pejal dengan diameter 1,6 cm panjang 100 cm. Bagian atas dan bagian bawah poros dipasangkan bearing.

Gambar 31. Besi Baja As

(18)

Gambar 32. Radial Swirl Blade

5. Bearing untuk bantalan poros vertikal dengan diameter lubang 15 mm.

Gambar 33. Bearing As Vertikal

E. Prosedur Penelitian

1. Proses Pembuatan dan Perakitan Alat Uji

Pembuatan alat uji dilaklukan dalam empat tahap selama empat bulan, diantaranya:

a. Tahap pertama merancang saluran air dan vortex basin, poros turbin serta sudu-sudu turbin. Membuat saluran air dengan kayu sebagai bahan dasarnya.

b. Tahap kedua Membuat vortex basin dan sudu turbin dengan bahan plat besi 0.2 mm.

(19)

c. Tahap ketiga membuat bak penampungan air, serta penyangga saluran vortex basin.

d. Tahap keempat meralit semua komponen dan menempatkannya diatas dudukan.

2. Melakukan Pengujian Alat

Ini dilakukan dalam tiga tahap untuk memastikan semua komponen bekerja dengan benar.

a. Tahap pertama melakukan perakitan semua alat dan memastikan semua alat bisa bekerja dengan benar

b. Tahap kedua melakukan pengujian saluran untuk mengetahui ada atau tidaknya kebocoran pada saluran.

c. Tahap ketiga mengatur debit aliran masuk dan debit keluar sehingga adanya kesesuaian antara debit masuk bak penampungan sementara dan pipa penampang saluran keluar.

3. Proses Pengambilan Data

Proses pengambilan data mengikuti tahapan seperti dibawah ini :

a. Penelitian diawali dengan perakitan semua komponen kemudian memposisikan saluran tepat berada pada bak penampungan.

(20)

c. Memasang sudu dengan variasi jumlah sudu 3 buah.

d. Hidupkan pompa kemudian pastikan aliran air menuju ke saluran. e. Mempertahankan tinggi level air sebesar 20 cm

f. Mengukur putaran poros dengan tachometer, kemudian mengukur torsi yang terjadi pada poros turbin dengan torquemeter.

g. Menghitung debit dengan menampung air dari keluaran vortex basin.

h. Memvariasikan jarak blade dengan lubang buang, sebesar 3cm, 6cm, 9cm, 12cm.

i. Ulangi langkah 3 dengan memvariasikan jumlah sudu sebesar 3 buah, 4 buah, dan 6 buah.

F. Metode Pengambilan data

(21)

Tabel 3. Torsi dan putaran poros pada jarak blade dengan lubang buang sebesar 3 cm, 6 cm , 9 cm,12 cm.

No

Jumlah sudu

3 4 5

Torsi Rpm Debit Torsi Rpm Debit Torsi Rpm Debit 1

2 3 4 5 Rata2

G. Skema Alat Uji

Skema pengujian analisa aliran vortex diuraikan pada gambar 3.1 dan gambar 3.2 berikut ini,

(22)

Gambar 35. Skema Vortex Basin dengan Penempatan Alat Ukur

Tabel 4. Komponen Instalasi

No. Nama Komponen No. Nama Komponen

1 Pompa 4 Bak Penampung air

2 Pipa PVC 3 in 5 Poros sudu 3 Pipa PVC 4 in 6 Saluran

Tachometer

(23)

H. Alur Penelitian

 Lubang buang dipastikan pada dia 0.12 m  Tinggi Level Air dipertahankan pada level 0.2 m

Mulai

Studi Literatur

Pembuatan Alat

Uji coba Alat

Tidak

Modifikasi

Ya

Alat Bekerja Perancangan

(24)

Gambar 36. Skema Alur proses penelitian  Pengambilan data kecepatan putaran dan torsi poros turbin

 Variasi jumlah blade : 3 buah, 4 buah, dan 6 buah

 Variasi jarak sudu ke lubang buang: 0.03 m, 0.06 m, 0.09 m, 0.12 m

Analisis dan Perhitungan

 Menghitung efisiensi aktual dari data yang didapat dalam pengujian  Menghitung daya poros turbin

 Menghitung efisiensi  Menghitung efisiensi Teoritik

 Menghitung gaya yang bekerja pada sudu turbin  Menghitung titik berat bidang gaya

 Menghitung torsi dan daya poros  Menghitung Efisiensi teoritik

 Membandingkan Hasil pengukuran aktual dengan perhitungan teoritik

Kesimpulan dan Saran

(25)

II. TINJAUAN PUSTAKA

A. Hydropower

Tenaga air (Hydropower) adalah energi yang diperoleh dari air yang mengalir. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam wujud energi mekanis maupun energi listrik. Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu

sumber air bergantung pada besarnya head dan debit air. Dalam hubungan dengan reservoir air maka head adalah beda ketinggian antara muka air pada reservoir

dengan muka air keluar dari kincir air/turbin air. (Pemanfaatan Tenaga Air, agungchynta.files.wordpress.com/2007/03/pemanfaatan-tenaga-air.doc)

Gambar 1. Energi Dari Aliran Fluida ( Douglas, 1995)

Suatu elemen fluida, seperti gambar 1.1 akan menghasilkan energi potensial

(26)

Energi potensial = mgz

Energi potensial per unit berat = z, (2.1)

Energi kinetik = 1 2

2mv

Enegi kinetik per unit berat = 2

2 v

g (2.2)

Pada fulida yang mengalir steadi dapat juga terjadi tekanan. Itu dapat dilihat pada

penampang melintang, tekanan menghasilkan gaya, dan sebagai fluida yang mengalir penampang melintang ini akan bergerak terus dan kerja akan dihasilkan.

Jika tekanan pada bagian AB adalah p dan area potongan melintang adalah A, Gaya yang diberikan pada AB = pA

Setelah suatu berat mg dari fluida mengalir sepanjang streamtube, bagian AB akan bergerak ke A’B’:

Volume yang lewat AB =mg m g

  

Maka,

Jarak AA’ = m

A



Kerja yang dihasilkan = gaya x jarak AA’

= A m A 



Kerja yang dihasilkan per unit berat = p g

 (2.3)

(27)

B. Hukum Bernoulli

Persamaan Ueler diberikan sebagai berikut:

1

0

dp dv dz

v g

ds ds ds

    (2.4)

Persamaan ini diberikan dalam bentuk deferensial, hubungan antara tekanan p, kecepatan ν, massa jenis ρ, dan beda ketinggian z sepanjang suatu garis alir untuk

aliran steadi. Itu tidak dapat diintegrasikan sampai hubungan antara massa jenis ρ

dan tekanan p diketahui.

Untuk fluida inkompresibel, dimana massa jenis ρ konstan, integrasi dari

persamaan (2.5) sepanjang garis alir, diberikan:

2

konstan 2

p v gz

    (2.5)

Untuk energi per unit massa dibagi dengan g,

2 konstan 2 p v z H g g

     (2.6)

Persamaan inilah yang diketahui sebagai persamaan Bernoulli diamana hubungan antara tekanan p, kecepatan ν, dan beda ketinggian z dalam kondisi aliran steadi,

inkompresibel, tanpa gesekan dan massa jenis ρ konstan.

Dari persamaan (2.7) dapat dilihat bahwa tiga bagian dari persamaan bernouli bahwa energi tekanan per unit berat, energi kinetik per unit berat dan energi

(28)

Persamaan Bernoulli dapat diterapkan pada sembarang 2 (dua) penampang aliran

fluida sepanjang garis arus ( streamline) apabila masih sesuai dengan tiga asumsi lainnya, misalkan antara penampang 1 dan 2 persamaan Bernoulli menjadi :

2 2

1 1 2 2

1 2

1 2 2 2

p v p v

z z

g g g g

       (2.7)

Gambar 2. Aliran fluida pada penampang garis arus

Atau total energi per unit berat pada 1 = total energi per unit berat pada 2. Persamaan (2.8) diasumsikan bahwa tidak ada energi yang ditambahkan dan

diambil dari fulida antara poin 1 dan 2. Energi dapat ditambahkan oleh misalnya pompa, atau energi dapat diambil atau hilang oleh karena gesekan atau kerja

mesin seperti turbin. Persamaan Bernoulli dapat ditulis kembali dengan memasukkan beberapa kondisi diatas, sehingga diberikan: ( Douglas, 1995)

2 2

1 1 2 2

1 2

1 2 2 2

p v p v

z z h w q

g g g g

          (2.8)

C. Vortex

Sebuah vortex merupakan pusaran, seringnya dalam bentuk turbulen yang terjadi dalam aliran fluida. Pergerakan spiral dengan arah aliran tertutup disebut aliran

(29)

vortex. Gerakan dari fluida yang melingkar secara cepat disekeliling pusat disebut

juga vortex. Laju kecepatan dan jumlah dari rotasi dari fluida yang paling besar terjadi pada pusatnya dan secara progresif menurun sebanding dengan jaraknya

dari pusat. Vortex dapat berupa aliran sirkular atau rotari yang memiliki vortisitas. Hal ini dapat dihubungkan pada jumlah dari sirkulasi atau rotasi dalam sebuah fluida. Dalam dinamika fulida, vortisitas adalah sirkulasi persatuan luas pada

sebuah titik dalam medan aliran. (http://en.wikipedia.org/wiki/Vortex)

Gambar 3. Profil Sebuah Vortex

(http://www.newalexandria.org/works/vortex/index.htm)

Vortex memiliki beberapa sifat-sifat khusus:

 Tekanan fluida dalam sebuah vortex bernilai paling rendah dipusatnya

dimana pada kondisi ini kecepatannya paling tinggi, dan naik secara bertahap sesuai dengan pengaruh jarak dari pusat. Hal ini sesuai dengan

persamaan bernouli.

 Inti dari setiap vortex dapat dibayangkan mengandung sebuah garis vortex

(30)

vortex. Garis-garis vortex berawal dan berakhir pada lapis batas dari fluida

tetapi garis-garis tersebut tidak bermula atau berakhir dalam fluida. (http://en.wikipedia.org/wiki/Vortex)

Secara garis besar vortex dikelompokkan menjadi dua jenis yaitu vortex bebas dan vortex paksa.

1. Vortex Paksa (Forced Vortex)

Kalau suatu aliran diputar dengan cara mekanikal, yaitu dengan cara

mengaduk dengan kipas pompa sentrifugal atau dalam bentuk rumah keong dari turbin Francis, maka menjadi pusaran dengan paksaan. Secara sistematis,

suatu pusaran dengan paksaan mempunyai karakteristik bahwa setiap tetes dari cairan didalamnya mempunyai kecepatan sudut ω yang sama, sehingga kecepatan tangensial jari-jari r dari pusat pusaran adalah ν = ωr. Pada pusat, dimana r = 0, ν = 0. (Dugdale, 1986)

Fluida yang berputar sebagai solid dengan kecepatan sudut ω konstan, pada

setiap titik radius r,

vr sehingga dv

dr  dan v

r 

dari persamaan persamaan Bernoulli sepanjang garis arus:

dH v v dv

dr g r dr

 

 _  _

  (2.9)

sehingga,





2

dH r r

dr g g

 _{ } 

(31)

dengan integrasi, 2 2 r H C g 

  (2.10)

Dimana C konstan, tapi untuk beberapa titik dalam fulida,

2 2 2

2

p v p r

H z z

g g g g



 

     

Subtitusikan pada persamaan (2.10),

2 2 2 2

2

p r p r

z C

g g g g

         2 2 2 p r z C g g 

     (2.11)

Jika fluida yang berputar terjadi pada permukaan bebas, tekanan pada permukaan ini berada pada tekanan atmosfer dan menjadi nol (gauge). Dengan p/ρg = 0 pada persamaan (2.11), profil pada permukaan bebas

diberikan: (Douglas, 1995)

2 2 2 r z C g 

   (2.12)

Oleh karena itu, pada permukaan bebas akan profil akan berbentuk sebuah parabola, gambar (2.4). Dengan cara yang sama untuk setiap bidang horizontal, dimana untuk setipa z konstan, distribusi tekanan diberikan

sebagai berikut:





2 2 2 p r C z g g 

(32)

[image:32.595.244.396.92.258.2]

Gambar 4. Profil Vortex Paksa (J.F Douglas, 1995)

2. Vortex Bebas (Free Vortex)

Suatu pusaran bebas (free vortex) adalah fenomena yang timbul ketika air bak dibiarkan keluar melalui lubang keluar (sink). Pusaran merupakan konsep

matematis dari aliran tidak berputar, yang garis-garis arusnya adalah berpusat pada sumbu vertikal yang sama. (Dugdale, 1986)

Pada kasus ini, garis arusnya adalah lingkaran konsentris, tetapi tidak ada

perubahan dari variasi kecepatan dengan radius dari total energi per unit berat dengan radius, sehingga dH/dr = 0. Subtitusi dari persamaan (2.11),

0 v v dv , g r dr

 

 _  _

 

0,

dv dr

(33)

Di integrasikan,

log_evlog_erkonstan

Atau vrC (2.13)

Dimana C adalah konstan diketahui sebagai kekuatan dari vortex pada

tiap-tiap radius r, C

r

v .

Karena pada tiap titik,

2 2 2 p C z H g gr    

Jika fluida pada kondisi permukaan bebas, p 0 g

  dan profil pada permukaan bebas diberikan sebagai berikut:

2 2 2 C H z gr

  (2.14)

Gambar 5. Profil Vortex Bebas (Douglas, 1995)

Untuk tiap-tiap bidang horizontal, z adalah konstan dan variasi tekanan diberikan sebagai: 2 2 ( ) 2 p C H z g gr

(34)

Sehingga pada vortex bebas, tekanan menurun dan circumferensial kecepatan

naik ketika bergerak mendekati pusat vortex. (J.F Douglas, 1995)

3. Sirkulasi

Sirkulasi adalah sifat aliran yang berkaitan dengan gaya angkat (lift), juga

berhubungan dengan putaran yang pengenalannya dapat membantu (secara berlawanan) terhadap pemahaman lebih mendalam tentang aliran tidak

berputar.

Secara matematis sirkulasi (gamma) dapat dituliskan sebagai berikut:

s sv

 



atau  



v ds_s (2.16)

Dimana dan integral meliputi seluruh permukaan S. sebagai

contoh kalau elemen cairan bergerak melingkar dengan jari-jari r dengan kecepatan sudut ω, maka pada setiap titik dari lingkaran :

s

v r dan

s

 



2 0

. .

r ds  r rd

 



 

Yaitu,

2 2r

 (2.17)

Suatu hasil yang penting yang akan dipergunakan lagi, kecuali dalam hal

(35)

dalam aliran berputar setiap elemen fluida berputar terhadap suatu sumbu di dalam alirannya. Г = 0 menandakan aliran tidak berputar.

Sifat lain yang langsung berhubungan dengan sirkulasi adalah perpusaran (vorticity) ζ (chi) yang didefinisikan sebagai sirkulasi persatuan luas. Dalam

contoh di atas luasan yang dibatasi oleh lingkaran adalah πr2

sehingga,

2 2

r

 

 

  (2.18)

Suatu hasil yang benar untuk semua aliran berputar. Jelasnya definisi yang

lebih tepat untuk perpusaran adalah dimana A adalah luas

penampang melintang dari elemen fluida yang perputarannya ω. (Dugdale,

1986)

D. Saluran Terbuka (Open Chanel)

Aliran dalam pipa berbeda dengan aliran saluran terbuka (open channel), karena tidak adanya permukaan bebas, yaitu aliran di dalam pipa terjadi dibawah tekanan.

Permukaan bebas itu seharusnya benar-benar dianggap sebagai permukaan antara fluida yang bergerak dengan udara yang diam atau bergerak (atmosfer). Bentuk permukaan bebas ditentukan oleh gaya-gaya inersia, gaya berat dan tegangan

(36)

adalah permukaan itu sendiri dan oleh karena itu, aliran terbuka juga dinamakan

[image:36.595.193.449.160.294.2]

aliran permukaan bebas (free surface).

Gambar 6. Profil Open channel

(http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Open_Channel_Section.png)

Saluran terbuka dapat diklasifikasikan sebagai saluran buatan (artificial) dan

alami (natural), tergantung pada apakah penampangnya adalah buatan manusia atau sebaliknya. Suatu saluran yang mempunyai penampang dan kemiringan yang

tetap disebut saluran prismatik, apabila salah satu kemiringannya berubah-ubah sepanjang saluran, maka disebut non prismatik. Suatu saluran dengan dasar dan sisinya yang tidak dapat bergerak dikenal sebagai saluran bertepi kukuh (rigid

boundary channel). Apabila batas itu terdiri dari partikel sedimen lepas yang

bergerak dibawah pengaruh air yang sedang bergerak, saluran itu dikenal sebagai

(37)

E. Turbin

1. Pengertian Turbin

Turbin adalah sebuah mesin berputar yang mengambil energi dari aliran

fluida. Secara umum, turbin adalah mekanik yang terdiri dari poros dan sudu. Sudu tetap (stationary blade), tidak ikut berputar bersama poros, dan berfungsi mengarahkan aliran fluida. Sedangkan sudu putar (rotary blade),

mengubah arah dan kecepatan aliran fluida sehingga timbul gaya yang memutar poros. Air biasanya dianggap sebagai fluida inkompresibel, yaitu

yang secara virtual massa jenisnya tidak berubah dengan tekanan.

Teori turbin air bertujuan untuk mendapatkan unjuk kerja optimum dalam pemanfaatan energi air pada suatu kondisi operasi tertentu. Dasar kerja turbin

air yang sangat sederhana sudah diketemukan sebelum dimulainya tahun masehi. Teknologi turbin air merupakan perkembangan dari kincir air (water

wheel). Perbedaan utama dari kincir air dan turbin adalah bahwa kincir air

hanya mengubah kecepatan aliran, sedangkan turbin air mengubah arah dan kecepatan aliran

Turbin air dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk

(38)

2. Jenis-Jenis Turbin

Secara umum terdapat dua jenis utama turbin, yaitu turbin impuls dan turbin reaksi. Pada turbin impuls, pencaran air bebas mendorong bagian turbin yang

berputar yang ditempatkan pada tekanan atmosfer. Pada turbin reaksi, aliran air terjadi dengan tekanan pada ruang tertutup. Meskipun energi yang diberikan kepada turbin impuls adalah semata-mata energi kinetik, tetapi

kedua jenis turbin tersebut tergantung kepada perubahan momentum air, sehingga gaya dinamikalah yang mengenai bagian yang berputar atau runner

dari turbin tersebut.

3. Turbin Impuls

Yang dimaksud dengan turbin impuls adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air (yang terdiri dari energi potensial +

[image:38.595.205.435.499.658.2]

tekanan + kecepatan) yang tersedia menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan energi puntir. (Luknanto, 2003)

(39)

Turbin impuls dikenal juga sebagai roda air tangensial atau roda pelton,

mengambil nama orang yang telah mengembangkannya menjadi rencana dasar yang dipakai saat ini. Turbin ini mempunyai ember terbelah (split

bucket) yang terletak didinding luarnya. Pada saat air menrpa sisi pemisah

dari ember, maka air akan terpisah menjadi dua bagian dan akan keluar lagi dari kedua roda pemisah ember. Pancaran air ini dihasilkan penyemprot atau

biasa disebut nozzle. Jenis-jenis turbin impuls sendiri yaitu: pelton, turgo, Michell-Banki (Crossflow atau ossberger).

4. Turbin Reaksi

Yang dimaksud turbin rekasi adalah turbin air yang cara bekerjanya merubah seluruh energi air (yang terdiri dari energi potensial + tekanan + kecepatan) yang tersedia menjadi puntir. Turbin reaksi secara garis besar dibagi menjadi

[image:39.595.181.446.498.680.2]

dua jenis, yaitu turbin francis dan turbin propeller. (Luknanto, 2003)

(40)

F. Mikrohidro Power

Micro-Hydro Power adalah pemanfaatan energi skala kecil dari air terjun, sebagai

contoh pemanfaatan air sungai untuk energi industri kecil atau perkampungan.

Micro-Hydro Power diklasifikasikan berdasarkan ukurannya sebagai berikut:

(http://phetchabun2.net)

 Large hydro = lebih dari 100 MW dan biasanya untuk memberi energi

jaringan lsitrik yang besar.

 Medium hydro = 15-100 MW biasanya untuk memberi energi pada jaringan

listrik.

 Small hydro = 1-15 MW biasanya untuk memberi energi pada jaringan listrik

 Mini Hydro = diatas 100 kW tapi dibawah 1MW, lebih sering diguynakan

untuk memberi energi pada jaringan listrik

 Micro hydro = dari 5 kW sampai 100 kW, biasanya energi yang diberikan

industri pedesaan di daerah yang jauh dari jaringan listrik.

 Pico Hydro = dari beberapa ratus watt sampai 5 kW.

G. Radial Swirl Blade (RSB)

(41)

[image:41.595.222.401.99.217.2]

(http://www.haywardgordon.com/main.cfm?idB)

H. Perhitungan Pada Turbin

1. Perhitungan Daya Potensial Air

Perhitungan ini dilakukan untuk mengetahui seberapa besar potensi yang

tersedia dari sebuah sumber daya. Hal ini penting untuk kepentingan perancangan suatu pembangkit, sehingga diketahui seberapa besar suatu

pembangkit akan dibuat.

Pemanfaatkan energi air dalam hal ini dapat diperoleh dari aliran air datar. energi yang tersedia merupakan energi potensial.

EmgH (2.19)

Daya air yang tersedia dinyatakan sebagai berikut :

hidro

(42)

2. Perhitungan Daya Teoritik Turbin

Jika pada aliran terdapat sebuah permukaan lengkung dimana aliran dapat melebar, menyempit, atau membelok, distribusi tekanan kemungkinan besar tidak hidrostatik sehingga suatu gaya tambahan dibutuhkan untuk menerangkan pengaruh permukaan tersebut pada fluida. Gaya ini ditentukan atau dihitung dengan menggunakan prinsip momentum.

Kalau kita memeprhatikan elemen fluida dalam gambar (2.10) Dan menerapkan hukum newton kedua dalam arah normal terhadap garis arus (streamline), variasi-variasi beda kecepatan, beda tekanan, dan beda potensial diantara garis-garis arus dapat ditentukan. Walaupun kecepatan V sendiri selalu bersinggungan dengan garis arus pada titik mana pun jika garis itu lengkung, kecepatan pada jarak tak terhingga dari suatu titik yang diukur sepanjang garis arus akan mengalami perubahan arah. Komponen arah yang telah berubah ini dalam arah normal terhadap garis arus pada sebuah titik tertentu dituliskan sebagai Vn. jika Vn merupakan fungsi letak dan waktu, kita boleh menuliskan Vn = Vn (s,t).

n n

n

V V

V ds dt

s t

 

 

  (2.21)

Atau

n n n

dV V ds V

dt s dt t

 

 

 

Argument-argumen dalam gambar (2.10) menyiratkan bahwa Vn V

s r

 _

 ,

(43)

2 n n V V a r t     (2.22)

Suku V2/r menyatakan gerak konveksi dan V_n/tadalah percepatan local.

Sebagaimana terdahulu, kita menerapkan hukum kedua newton pada sebuah elemen fluida yang tidak viscous. Dari gambar 2.10 kalau kita menuliskan ∑F=man normal terhadap garis arus.

Gambar 10. Gaya-Gaya Normal Pada Elemen Fluida yang Bergerak Sepanjang Garis Arus

(a) gaya-gaya normal pada elemen fluida yang bergerak sepanjang sebuah garis arus. (b) aliran sepanjang garis arus yang lengkung (Reuben M Olson, 1993)

2

cos Vn

p V

p A p n A g A n A n

n    r t

  



 

  _    _      _  _

 

  _ _ (2.23)

Dan karena cos θ = Vz/n, kita dapat menyederhanakannya menjadi

2

1 Vp Vn

V z

g

r  n n t

  

   

   (2.24)

[image:43.595.135.475.276.428.2]

(44)

serta Vn keduanya sama dengan nol), persamaan (2.25) boleh diintegrasi sepanjang garis n, untuk fluida berkerapatan konstan, menjadi P+ρgz = tetapan

Yang menunjukkan bahwa, dalam aliran fluida yang kerapatannya konstan apabila tidak ada garis arus yang lengkung, tekanan piezometrik konstan dan normal trhadap garis-garis arus. Pada bidang horizontal dengan kondisi-kondisi yang sama, intensitas tekanan konstan dan normal trhadap garis-garis arus. Untuk aliran steady, Vn/ t 0dan suku terakhir dalam persamaan

(2.25) menjadi hilang.

Jika garis-garis arus berbentuk lengkung, persamaan (2.24) untuk aliran steady pada bidang horizontal menjadi

2

1 1

V dp dp

r   dn  dr (2.25)

Karena arah n berlawanan dengan arah radial r (gambar 2.10, jadi,

2

dp V

dr  r (2.26)

Ini menyatakan bahwa dp/dr ≥0 baik untuk aliran rotasi maupun non rotasi.

(45)

Kita akan mengintegrasi persamaan (2.24) untuk aliran non rotasi dan untuk aliran rotasi yang berputar seperti benda padat.

Untuk aliran non rotasi ω=0, sehingga,

V V

r n

 

 dan 2 V V V r n    (2.27)

Dengan demikian persamaan (2.25) bisa dituliskan untuk aliran steady sebagai berikut

1

0

V p z

V g

n  n n

 _  _  _

   (2.28)

Jadi, untuk aliran non rotasi yang steady, persamaan untuk gerak yang normal terhadap sebuah garis arus tepat sama dengan bentuk persamaan gerak di sepanjang garis arus.

Daya teoritis adalah daya yang seharusnya diterima oleh poros turbin secara utuh, dengan mengabaikan rugi-rugi statis dan dinamis saat sistem bekerja.

Distribusi tekanan yang terjadi pada aliran vortex adalah :

Gambar 11. Distribusi Tekanan aliran vortex

(46)

2 v

dP dr

r 

 (2.29)

Maka distribusi tekanan yang terjadi : 2

dP v

dr  r (2.30)

2 2

2

v r

dP r

dr r

dP r dr

         







(2.31)

Gaya yang bekerja diberikan sebagai berikut:

F  P A (2.32)

Dimana A adalah luas area sudu yang terkena momentum air.

Torsi yang dihasilkan:

T  F r (2.33)

Menghitung daya poros (Pporos)

2 60 nT Pporos _ _

  (2.34)

Menghitung daya hidraulis (Ph)

Ph QgH (2.35)

2 1 2 2 2 2

1

2

r r

r

P



r

(47)

Menghitung efisiensi turbin % 100   Hidro Daya Poros Daya

 (2.36)

3. Perhitungan Daya Aktual Turbin

Energi yang dihasilkan turbin adalah energi yang diperoleh dari kerja turbin,

nilai energi diperoleh dari proses pengambilan data berupa torsi dan kecepatan putar poros turbin.

Kecepatan sudut diberikan dalam:

2 60

N



 (2.37)

Daya poros turbin diberikan dalam pers (2.26):

2

60

poros

NT

p   (2.38)

Efisiensi merupakan perbandingan dari energi yang termanfaatkan dengan potensial energi yang tersedia, secara matematis diberikan:

poros 100%

hidrolis

P P

  (2.39)

4. Kecepatan Spesifik

Kecepatan spesifik (ns), menunjukkan bentuk dari turbin itu dan tidak

(48)

sudah diketahui. Kecepatan spesifik merupakan kriteria utama yang

menunjukkan pemilihan jenis turbin yang tepat berdasarkan karakteristik sumber air. Kecepatan spesifik dari sebuah turbin juga dapat diartikan

sebagai kecepatan ideal, persamaan geometris turbin, yang menghasilkan satu satuan daya tiap satu satuan head.

Kecepatan spesifik tubin diberikan oleh perusahaan (dengan penilaian

yang lainnya) dan dan selalu dapat diartikan sebagai titik efisiensi maksimum. Perhitungan tepat ini menghasilkan performa turbin dalam jangkauan head dan debit tertentu.

3 4

s

Q

n n

H

 (2.40)

Dimana : Ns = Putaran specific turbin n = putaran poros (rpm)

Q = Laju aliran volume (m3/s) H = Head jatuh turbin (m)

Tabel 1. kecepatan spesifik pada pemilihan jenis turbin

Specific Speed in

r.p.m. Turbine type

(49)

From 51 to 72 Pelton of four injectors 400 to 100 From 55 to 70 Very slow Francis 400 to 200 From 70 to 120 Slow Francis 200 to 100 From 120 to 200 Normal Francis 100 to 50 From 200 to 300 Quick Francis 50 to 25 From 300 to 450 Extra-quick Francis 25 to 15 From 400 to 500 Extra-quick helix 15 From 270 to 500 Slow Kaplan 50 to 15 From 500 to 800 Quick Kaplan 15 to 5 From 800 to 1100 Extra-quick Kaplan Less than 5 (http://usuarios.multimania.es/jrcuenca/English/Turbines/T-9.10.html )

Gambar 12. Kecepatan spesifik dari berbagai jenis turbin hidrolik, dalam fungsi tinggi head.

(50)

5. Polygon kecepatan

Segitiga kecepatan ini adalah hubungan antara berbagai kecepatan dapat dipastikan untuk mudahnya komponen-komponen dari V1 dan V2 dalam arah perputaran (tangensial) dan dalam arah radial biasanya terlihat pada segi-segi kecepatan Komponen-komponen Vu1 dan Vu2 disebut sebagai kecepatan putaran dan Vm1 dan Vm2 disaebut sebagai kecepatan meridianal atau kecepatan aliran.

[image:50.595.152.473.459.682.2]

Namun dalam aliran vortex, kecepatan yang ada hanya kecepatan mutlak (V), dimana kecepatan masuk dan kecepatan keluar adalah sama. Fluida menumbuk sudu akibat resultan dari kecepatan tanensial dan kecepatan radial. Resultan ini seragam sepanjang garis alir dan ketinggian sudu. Sehingga resultan kecepatan pada sisi keluar lubang buang bernilai sama.

Gambar 13. Sebaran gaya pada aliran vortex

(51)

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

A. Kondisi Pengujian

Pengujian dilakukan dengan beberapa variabel tetap seperti lubang buang sebesar 0,12 m. Penentuan besarnya diameter lubang buang merupakan hasil dari pengujian pada penelitian sebelumnya, pada kondisi alat yang sama dan variabel yang sama, diameter lubang buang 0,12 m menghasilkan nilai efisiensi tertinggi. Tinggi level air dipertahankan pada level 0,2 m, sehingga jumlah debit yang terpakai pada setiap variasi jarak sudu dengan lubang buang akan berubah seiring dengan besarnya jarak tersebut. Cara mempertahankan tinggi level tersebut adalah dengan menaikkan dan menurunkan pegas daya pompa setelah didapat tinggi level air yang diinginkan pegas ditahan. Hasil pengamatan dan perhitungan ditabelkan sebagai berikut:

B.Data Hasil Pengujian

1. Data Hasil Pengukuran Aktual

Dengan menggunakan persamaan 2

60 nT



kita dapat menentukan besarnya

(52)

dan putaran poros yang dihasilkan. Untuk menentukan efisiensi terlebih dahulu harus diketahui besarnya daya hidrolis (potensial air). Daya hidrolis dalam penelitian ini besarnya ditentukan oleh debit dan head (jarak permukaan air atas dengan jarak permukaan air bawah). Untuk menghitung daya hidrolis dapat ditentukan dengan persamaan hasil perhitungan tersebut dapat kita lihat pada tabel-tabel dibawah ini.

Tabel 5. Pada jumlah sudu 3 dengan variasi jarak sudu dengan lubang buang.

Jarak sudu

(m)

Hasil Perhitungan Aktual Jumlah Sudu 3 Torsi

(Nm)

Rpm Daya Poros (Watt)

ω (rad/sec)

Debit (m3/s)

Daya Hidrolik

(Watt)

(53)

Jarak sudu

(m)

Hasil perhitungan aktual jumlah sudu 4

Torsi (Nm) Rpm Daya Poros (Watt) ω (rad/sec) Debit (m3/s)

Daya Hidrolik

(Watt)

Efisiensi (%) 0,03 0,7826 71,52 5,858 7,488144 0,014979 44,086 13,29 0,06 0,8714 70,92 6,468 7,42532 0,015138 44,554 14,52 0,09 1,0244 69,46 7,448 7,27246 0,015297 45,019 16,54 0,12 0,9088 63,86 6,074 6,68614 0,014851 43,707 13,90

Jarak sudu (m)

Hasil Perhitungan Aktual Jumlah Sudu 6

Torsi (Nm) Rpm Daya Poros (Watt) ω (rad/sec) Debit (m3/s)

Daya Hidrolik

(Watt)

Efisiensi (%) 0,03 0,73 69,38 5,266 7,264086 0,014772 43,47457 12,11 0,06 0,7916 68,74 5,695 7,197078 0,015002 44,15096 12,90 0,09 0,976 67,22 6,867 7,037934 0,015085 44,3945 15,47 0,12 0,8482 61,28 5,440 6,416016 0,014384 42,33124 12,85

2. Analisa dan Pembahasan Aktual

(54)

akibat grafitasi meningkat seiring dengan kedalaman air ditinjau dari permukaan.

Berdasarkan sifat vortex yang menyatakan bahwa tekanan fluida dalam sebuah vortex bernilai paling rendah dipusatnya dimana pada kondisi ini

kecepatannya paling tinggi, dan naik secara bertahap sesuai dengan pengaruh jarak dari pusat. Sehingga semakin besar jarak sudu dengan lubang buang akan membuat luas area yang terkena sudu semakin kecil, hal ini terjadi karena jarak dengan pusat vortex semakin besar, yang pada akhirnya akan membuat putaran poros yang dihasilkan menurun.

Proses pengambilan data aktual dengan memvariasikan jarak sudu dengan lubang buang seperti terlihat pada gambar 37, dari gambar tersebut dapat kita lihat bahwa terjadi kenaikan nilai torsi seiring dengan bertambahnya jarak sudu dengan lubang buang. Namun pada jarak sudu dengan lubang buang sebesar 0,12 m torsi kembali menurun, ini terjadi karena sudu tenggelam sebagian. Hal ini menyebabkan luas bidang kontak berkurang, yang mengakibatkan berkurangnya pula daya yang diterima sudu. Nilai torsi terbesar didapat pada jarak sudu dengan lubang buang sebesar 0,09 m. Terlihat pada grafik bahwa pada semua jumlah sudu, nilai torsi berada pada titik puncak. Pada jarak ini sudu turbin tenggelam dan debit yang terpakai pun cukup besar sehingga torsi yang dihasilkan menjadi besar.

(55)

jumlah sudu yang banyak tidak selalu menghasilkan torsi yang terbesar. Hal ini tampak pada sudu 6, walaupun memiliki jumlah sudu terbanyak namun tenyata torsi yang dihasilkan lebih kecil dibandingkan dengan jumlah sudu 4. Berbeda dengan torsi yang terjadi pada sudu 3, walaupun luas bidang kontak air tiap sudu paling besar tetapi nilai torsi yang dihasilkan justru paling kecil.

[image:55.595.136.507.484.700.2]

Nilai torsi tertinggi yang dihasilkan terjadi pada jumlah sudu 4. Walaupun terjadi penurunan luas bidang kontak air dengan sudu, namun torsi yang dihasilkan adalah terbesar. Ini terjadi karena kecepatan pada kondisi ini paling besar sehingga debit aliran yang diterima adalah yang paling optimal dibandingkan dengan sudu 3 dan 6. Pada sudu 3 debit sebagian langsung turun melalui lubang buang sebelum menumbuk sudu, sedangkan pada sudu 6 terjadi pengurangan energi karena kecepatan aliran yang diterima sudu turun selain itu juga karena ada debit aliran yang berada diantara celah sudu yang justru menghambat putaran poros.

(56)

Pada gambar 38 dapat kita lihat bahwa pola yang terjadi mirip dengan pola yang terjadi pada grafik pada gambar 37, artinya daya poros terbesar terjadi pada jarak sudu dengan lubang buang 0,09 m, sedangkan pada jarak sudu dengan lubang 0,03 m besarnya daya poros bernilai lebih kecil.

Daya poros secara metematis dapat ditulis sebagai :

2 60 nT Pb _ _

 

Dengan demikian dapat kita katakan bahwa daya poros berbanding lurus dengan putaran poros dengan torsi, sehingga semakin besar torsi yang dan putaran poros maka semakin besar pula daya poros yang dihasilkan. Jika kita amati pada sudu 4 terjadi kenaikan daya poros sebesar 0,478 watt dari jarak sudu dengan lubang 0,03 m ke 0,06 m, dan kenikan daya poros sebesar 1,658 watt dari jarak sudu dengan lubang buang 0,03 m ke 0,09 m.

(57)

[image:57.595.134.513.84.297.2]

Gambar 38. Grafik hubungan jarak sudu dengan lubang buang terhadap daya poros aktual.

Efisiensi adalah perbandingan antara daya output yang dihasilkan berbanding dengan input yang diberikan. Variasi jarak sudu terhadap lubang buang terbaik berada pada jarak 0,09 m, pada kondisi ini sudu tenggelam penuh, jarak sudu terhadap lubang buang juga tidak terlalu jauh artinya pada kondisi ini kecepatan aliran masih sangat tinggi. Selain itu pada jarak ini tidak mengganggu proses keluarnya air melalui lubang buang, karena jika terlalu dekat justru akan membuat pembebanan yang diterima sudu semakin kecil.

(58)

jumlah sudu maka luas permukaan kontak akan semakin kecil, sehingga pada kondisi tertentu semakin banyak sudu akan membuat torsi yang dihasilkan bernilai nol, karena tidak ada lagi luas bidang kontak air dengan permukaan sudu.

Kenaikan efisiensi terhadap variasi jarak sudu dengan lubang buang bisa kita lihat pada gambar 39, terlihat bahwa pada sudu 4 terjadi kenaikan sebesar 1,39% dari jarak sudu dengan lubang buang 0,03 m ke jarak sudu dengan lubang buang 0,06. Dan kenaikan sebesar 2,02% dari jarak sudu dengan lubang buang 0,06 m ke jarak sudu dengan lubang buang 0,09.

Efisiensi tertinggi terjadi pada sudu 4 sebesar 16,54% pada jarak sudu dengan lubang buang 0,09 m seperti yang terlihat pada gambar 39 grafik hubungan jarak sudu dengan lubang buang terhadap Efisiensi aktual. Hal tersebut terjadi karena dari daya yang dihasilkan pada kondisi ini yang merupakan daya terbesar yang dihasilkan turbin.

(59)

F P A dF pdA dF p drdz

   





2₂ 2

C

P g H z

gr

  

 _   _

 





2₂ 2

C

dF g H z drdz

gr

  

 _   _

 

C. Data Hasil Pehitungan Teoritik 1. Kondisi Perhitungan Teoritik

Data perhitungan teoritik didapatkan dari beberapa parameter pengukuran aktual yang kemudian di hitung secara teoritik menggunakan beberapa formula. Parameter aktual yang dipakai dalam perhitungan teoritik adalah debit, putararan poros, luas bidang kontak air dengan sudu. Kemudian setelah itu dihitung gaya yang bekerja pada sudu, torsi, daya poros yang dihasilkan, daya hidrolis, dan yang terakhir efisiensi. Untuk variasi jumlah sudu persamaan yang diberikan pun sama yaitu :

Dalam perhitungan ini, tinjauan kita adalah vortex bebas, sehingga formula distribusi tekanan yang digunakan dalam perhitungan adalah :

Sehingga untuk perhitungan gaya yang bekerja pada sudu digunakan formula sebagai berikut:

2. Analisa dan Pembahasan Data Teoritik

(60)

semakin besarya jarak sudu buang. Ini tejadi karena torsi sangat dipengaruhi oleh gaya dan jarak titik bidang gaya. Sedangkan gaya sangat dipengaruhi oleh tekanan dan luas bidang kontak. Artinya semakin luas bidang kontak dan tekanan maka akan memperbesar torsi yang dihasilkan. Nilai torsi tertinggi didapat pada jumlah sudu 4 sebesar 3,8024 Nm pada jarak sudu dengan lubang 0,03 m.

[image:60.595.137.499.429.645.2]

Hal ini terjadi karena distribusi tekanan yang terjadi pada sudu merupakan fungsi dari jari-jari dan z sehingga dapat dikatakan bahwa semakin besar z maka semakin kecil tekanan yang terjadi dan mengakibatkan semakin kecil pula gaya yang diterima oleh sudu. Grafik hubungan jarak sudu dengan lubang terhadap torsi dapat dilihat pada gambar 40.

(61)

Daya poros merupakan daya yang dihasilkan dari perkalian kecepatan sudut dengan torsi secara teoritik. Sehingga besarnya daya poros sangat bergantung pada besarnya tori dan kecepatan sudut yang dihasilkan. Dapat kita lihat pada gambar 41, bahwa pola grafik yang terbentuk mirip dengan pola grafik torsi, artinya besarnya daya poros tertinggi terjadi pada jarak sudu dengan lubang buang 0,03 m, dan menurun seiring dengan bertambahnya jarak sudu dengan lubang buang. Pada variasi jumlah sudu didapat jumlah sudu 4 adalah jumlah sudu terbaik untuk menghasilkan daya poros tertinggi.

Daya poros secara metematis dapat ditulis sebagai :

2 60 nT Pb

T 



 

 _ _

 



[image:61.595.136.499.466.687.2]

Dengan demikian torsi dan dan kecepatan sudutlah yang paling berpengaruh dalam menentukan besarnya nilai daya poros.

(62)

[image:62.595.136.499.301.524.2]

Efisiensi terbaik didapat pada jumlah sudu 4, sebesar 53,76% pada jarak sudu dengan lubang buang 0,03 m. Ini terjadi karena pada jumlah sudu ini nilai kecepatan sudut dan torsi yang dihasilkan adalah sangat besar sehingga daya poros yang dihasilkan juga besar. Sedangkan efisiensi terkecil terjadi pada jumlah sudu 6 dan jarak sudu dengan lubang buang 0,12 m, sebesar 10,165%. hal ini terjadi karena pada kondisi ini sudu tenggelam sebagian, dan putaran yang dihasilkan juga kecil.

Gambar 42. Grafik hubungan jarak sudu dengan lubang buang terhadap Efisiensi teoritik

D.Analisa Perbandingan Data Aktual Dengan Teoritik 1. Torsi

(63)

dipengaruhi oleh besarnya gaya yang bekerja pada sudu, luas bidang kontak air dengan sudu, serta letak titik bidang gaya. Sehingga terlihat pada gambar 43 (b) bahwa nilai torsi teoritik adalah lebih besar dibandingkan dengan kondisi aktual.

Ada hal menarik jika kita amati pola garis torsi pada grafik torsi aktual dengan teoritis. Tampak pada grafik torsi aktual, torsi tertinggi di dapat pada jumlah sudu 4 buah, dengan jarak sudu dengan lubang sebesar 0,09 m. sedangkan pada grafik teoritis torsi tertinggi didapat pada jumlah sudu 4 buah, dengan jarak sudu terhadap lubang buang 0,03 m kemudian turun seiring dengan semakin besarnya jarak sudu dengan lubang buang.

Perbedaan pola grafik torsi aktual dengan teoritis terjadi karena kajian teoritis yang dilakukan masih dasar dan sederhana. Data-data pada kajian teoritik diambil dari data aktual, seperti luas area bidang kontak air dengan sudu dan kecepatan putaran poros. Hal ini dilakukan karena peneliti mengalami kesulitan untuk mengetahui profil vortex yang terbentuk sehingga dalam menentukan kecepatan sudut teoritis berdasarkan data kecepatan putaran poros aktual.

(64)

(a) (b)

Gambar 43. Grafik Perbandingan torsi actual terhadap torsi teoritik

(a) grafik jarak sudu dengan lubang buang terhadap torsi ( aktual) (b) grafik jarak sudu dengan lubang buang terhadap torsi (teoritik)

2. Daya Poros

Hal mendasar yang membuat perbedaan pola grafik daya poros aktual dengan teoritis diantaranya adalah keterbatasan variabel yang diketahui dalam menentukan perhitungan pada kajian teoritik. Kajian teoritik yang seharusnya menggunakan segitiga kecepatan tetapi tidak dilakukan. Hal ini disebabkan pada kondisi aktual kecepatan aliran air yang menumbuk tidak dapat di ukur, karena alat ukur yang dipasang akan tertabrak sudu ketika dilakukan pengukuran. Sehingga kecepatan aliran air yang berputar diasumsikan sama dengan kecepatan putar poros.

(65)

lebih mendalam, hal ini disebabkan karena keterbatasan parameter yang diketahui dalam penelitian.

Pada kajian teoritik terlihat bahwa nilai daya poros tertinggi berada pada jarak sudu dengan lubang buang sebeswar 0,03 m. Hal ini terjadi karena pada perhitungan kita asumsikan pada bagian belakang dinding sudu dalam keadaan kosong, artinya gaya yang bekerja pada sudu hanya menabrak bagian depan sudu dan tidak ada hambatan pada bagian belakang sudu. Pada kondisi aktualnya pada bagian belakang sudu tergenang air, dengan luas permukaan dan massa tertentu, sehingga jika kita tinjau dengan tekanan hidrostatis pada bagian tersebut akan terjadi tekanan pada dinding belakang sudu yang nilainya akan menjadi negatif bagi gaya yang bekerja pada bagian depan sudu.

(66)

Perbedaan tersebut dapat dilihat secara visual pada gambar 44, grafik perbandingan daya poros aktual dan daya poros teoritik.

(a) (b)

Gambar 44. Grafik Perbandingan daya poros actual terhadap daya poros teoritik (a) grafik jarak sudu dengan lubang buang terhadap daya poros

(aktual)

(b) grafik sudu dengan lubang buang terhadap daya poros (teoritik)

3. Efisiensi

(67)

[image:67.595.128.515.85.317.2]

(a) (b)

Gambar 45. Grafik Perbandingan Efisiensi actual terhadap Efisiensi teoritik (a) grafik jarak sudu dengan lubang buang terhadap efisiensi

(aktual)

(68)

ABSTRAK

STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH JARAK SUDU

TERHADAP LUBANG BUANG PADA KINERJA TURBIN AIR

ALIRAN VORTEX MENGGUNAKAN RADIAL SWIRL

BLADE

Oleh Z.F ARIF B.S

Aliran vortex yang juga dikenal sebagai aliran pulsating atau pusaran dapat terjadi pada suatu fluida yang mengalir dalam suatu saluran yang mengalami perubahan mendadak. Laju kecepatan dan jumlah dari rotasi dari fluida yang paling besar terjadi pada pusatnya dan secara progresif menurun sebanding dengan jaraknya dari pusat. Hal ini menjadi referensi untuk mengubah aliran

sungai dengan head yang rendah menjadi sebuah aliran vortex, dimana dengan perubahan ini kecepatan dari fluida meningkat. Radial swirl blade adalah sebuah blade dengan bentuk lengkung, dengan dimensi yang sama blade ini akan

(69)

m dan 0,4 m dengan variasi jumlah sudu, yaitu : 3, 4, 6 buah. Variasi jarak sudu terhadap lubang buang yang digunakan, yaitu : 0,03 m, 0,06 m, 0,09 m, 0,12 m. Diameter lubang buang 0,12 m. Dimensi saluran yang digunakan adalah panjang 6,5 m lebar 0,25 m dan tinggi 0,5 m dengan diameter vortex basin sebesar 1 m. Pada penelitian ini data yang diambil adalah data torsi dan putaran poros dengan mempertahankan tinggi level air 0,2 m data tersebut diolah untuk mencari nilai efisiensi.

Hasil analisis yang dilakukan diperoleh nilai efisiensi terbaik kondisi aktual pada jumlah sudu 4 dengan jarak sudu terhadap lubang buang 0,09 m yaitu sebesar 16,54 %, secara perhitungan teoritik nilai efisiensi terbaik pada jumlah sudu 4 dengan jarak sudu terhadap lubang buang 0,09 m yaitu sebesar 59,34%.

(70)

I. PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Pembangkit listrik tenaga air saat ini menjadi salah satu pilihan dalam memanfaatkan sumber energi terbarukan. Namun pemanfaatan yang ada masih menggunakan teknologi yang sedehana. Pembangkit Listrik jenis ini dalam proses pembuatannya sangat ekonomis namun masih dalam skala kecil. Artinya pembangkit-pembangkit ini hanya mampu mencukupi pemakaian energi listrik untuk sejumlah rumah saja. Jenis Pembangkit Listrik Tenaga Air ini sering disebut Microhydro atau sering juga disebut Picohydro tergantung keluaran daya listrik yang dihasilkan.

Microhydro ataupun Picohydro yang dibuat biasanya memanfaatkan air terjun

dengan head jatuh yang besar. Sedangkan untuk aliran sungai dengan head jatuh yang kecil belum termanfaatkan dengan optimal. Hal ini menjadi referensi untuk memanfaatkan aliran sungai dengan mengubahnya menjadi aliran vortex. Aliran vortex yang juga dikenal sebagai aliran pulsating atau pusaran dapat terjadi pada

suatu fluida yang mengalir dalam suatu saluran yang mengalami perubahan mendadak.

Radial swirl blade adalah sebuah blade dengan bentuk lengkung. Bentuk profil

(71)

luas area bidang kontak air dengan blade sehingga energi yang diterima pun akan lebih optimal. Radial Swirl Blade dengan diameter sudu yang sama blade ini akan menghasilkan daya yang lebih besar dibandingkan dengan flat blade.

B. Tujuan dan Manfaat

Tujuan dari pelaksanaan dan penulisan laporan tugas akhir ini adalah untuk mengetahui pengaruh jarak sudu terhadap lubang dan variasi jumlah sudu terhadap:

1. Torsi dan putaran poros maksimum yang dihasilkan turbin.

2. Daya optimal turbin yang dihasilkan.

3. Efisiensi turbin air

Sedangkan manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah agar dapat memberikan informasi kepada khalayak umum bahwa aliran sungai dengan head rendah pun dapat dimanfaatkan menjadi energi listrik secara optimal, terlebih dengan penggunaan tipe sudu radial swirl blade pada turbin air aliran vortex.

C. Batasan Masalah

Dalam penulisan laporan tugas akhir ini ada beberapa batasan masalah yang diberikan agar penelitian ini lebih terarah, yaitu:

(72)

2. Tipe sudu yang digunakan adalah Radial Swirl Blade.

3. Variasi jarak sudu dengan lubang buang adalah 3 cm, 6 cm, 10 cm, 12 cm.

4. Tinggi level air dikondisikan konstan pada level 20 cm

5. Pengujian dilakukan dalam skala laboratorium.

6. Penelitian yang dilakukan adalah untuk mengetahui torsi maksimum dan efisiensi turbin air aliran vortex dengan tipe sudu radial swirl blade.

7. Parameter yang digunakan yaitu: jumlah sudu, jarak sudu terhadap lubang buang.

D. Sistematika Penulisan

Laporan penelitian Tugas Akhir ini menggunakan standar penulisan karya ilmiah yang diterapkan oleh Universitas Lampung antara lain :

BAB I : PENDAHULUAN

Terdiri dari latar belakang, tujuan, batasan masalah, hipotesa, dan sistematika penulisan.

BAB II : TINJAUAN PUSTAKA

(73)

BAB III : METODOLOGI

Berisi beberapa tahapan persiapan sebelum pengujian, prosedur pengujian, dan diagram alir pengujian.

BAB IV : HASIL DAN PEMBAHASAN

Berisikan pembahasan dari data-data yang diperoleh pada pengujian Torsi turbin dan Putaran sudu.

BAB V : SIMPULAN DAN SARAN

Berisikan hal-hal yang dapat disimpulkan dan saran-saran yang ingin disampaikan dari penelitian ini.

DAFTAR PUSTAKA

(74)

III. METODOLOGI PENELITIAN

A. Tempat Pembuatan Dan Pengujian

Pembuatan alat penelitian ini dilakukan di Bengkel Berkah Jaya, Sidomulyo, Lampung Selatan. Kemudian perakitan dan pengujian dilakukan Lab. Mekanika Fluida Jurusan Teknik Mesin Universitas Lampung.

B. Waktu Pembuatan Dan Pengujian

Penelitian ini dilakukan pada bulan Mei - November 2009 bertempat di Laboratorium Teknik Mesin Universitas Lampung. Waktu pembuatan dan pengujian alat ini sebagai berikut :

Tabel 2. Pelaksanaan Kegiatan Pembuatan dan Pengujian

Kegiatan Mei Juni Juli Agus Sept Okt Nov Pembuatan dan perakitan

alat X X X X

Melakukan Pengujian

alat X X X

Proses Pengambilan

(75)

C. Alat-Alat yang Digunakan Dalam Penelitian

Alat- alat yang yang digunakan adalah sebagai berikut:

1. Alat yang digunakan dalam pembuatan saluran vortex

Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini antara lain :

a. Ragum

[image:75.595.264.410.337.441.2]

Ragum digunakan sebagai penjepit pelat dalam pembuatan vortex basin dan pembuatan lengkungan sudu turbin..

Gambar 14. Ragum

b. Kikir

Dalam pembuatan lubang buang dalam penelitian ini menggunakanb las potong, sehingga bentuk dari lubang buang belum bulat. Dalam hak ini kikir digunakan untuk merapikan lubang buang.

[image:75.595.272.401.629.726.2]

(76)

c. Bor

[image:76.595.288.386.193.347.2]

Mesin bor digunakan untuk melubangi bagian sambungan antara poros dengan sudu yang nantinya dipasangi baut.

Gambar 16. Mesin Bor Duduk

d. Las listrik

Las listik atau las busur digunakan untuk menyambung bagian-bagian dari vortex basin dan bagian-bagian sudu

[image:76.595.268.402.517.644.2]

(77)

e. Gerinda potong

Geinda potong digunakan untuk memotong plat dalam permbuatan Vortex basin dan sudu.

Gambar 18. Gerinda Potong

f. Gerinda Tangan

Gerinda tangan digunakan untuk menghaluskan bagian-bagian yang masih tajam dari pengelasan dan pemotongan.

Gambar 19. Gerinda Tangan

g. Mesin Potong Plat

(78)

[image:78.595.267.406.151.287.2]

lengkungan dengan ketelitian yang lebih tinggi dibandingkan dengan gerinda potong.

Gambar 20. Mesin Potong Plat

h. Gergaji tangan

Gergaji tangan digunakan untuk memotong kayu. Kayu tersebut digunakan dalam saluran air sebelum masuk vortex basin.

Gambar 21. Gergaji Tangan

i. Palu

[image:78.595.259.417.654.710.2]

Palu digunakan untuk memukul paku dalam pembuatan saluran air

(79)

2. Alat yang digunakan dalam Pengujian

a. Pompa air

[image:79.595.282.395.236.343.2]

Pompa air merupakan enegi awal yang digunakan untuk menyediakan air dalam saluran. Pompa ini mempunyai kapasitas 60 liter per menit

Gambar 23. Mesin Pompa Air

Nama alat : Pompa air

Merek : Power One Wp 30 Power Maksimum : 5,5 Hp

Pump Lift : 28 m

Putaran Mesin : 3600 rpm Flow rate : 60 m3/h

b. Selang spiral

(80)

Gambar 24. Selang Spiral

c. Pipa PVC

Pipa pvc digunaklan untuk mengalirkan kembali air buangan dari vortex basin yang disimpan dalam bak penampungan ke reservoir. Pipa yang digunakan mempunyai diameter 2,5 dan diameter 4 inci.

Gambar 25. Pipa PVC

d. Bak air penampungan beton dengan dimensi

(81)

e. Tachometer

Untuk mengetahui besarnya putaran yang dihasilkan poros turbin digunakanlah tachometer digital

Gambar 26. Tachometer

Nama alat : Tachometer

Model : PH-200

Ketelitian : Revolutions

6.0～599.9rpm:±1rpm

600.0～99,999rpm:±0.006% and 0.5 digit

f. Torsi meter