Rancang Bangun Turbin Vortex Dengan Casing
Berpenampang Lingkaran Yang Menggunakan Sudu
Diameter 46cm Pada 3 Variasi Jarak Antara Sudu Dan
Saluran Keluar
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
GIBRAN 110421052
PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
KATA PENGANTAR
Puji Syukur Penulis Panjatkan kehadiran Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan karunia-Nyalah penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul
“Rancang Bangun Turbin Vortex Dengan Casing Berpenampang Lingkaran Yang Menggunakan Sudu Diameter 46cm Pada 3 Variasi Jarak Antara Sudu Dan Saluran Keluar”.
Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan pendidikan
Strata-1 (S1) Ekstensi pada Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik,
Universitas Sumatera Utara.
Dalam menyelesaikan Skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi
penulis, namun berkat dorongan, semangat, Doa dan bantuan baik materiil, moril,
maupun spirit dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Untuk itu
sebagai manusia yang harus tahu terimakasih, degan penuh ketulusan hati penulis
mengucapkan terima kasih yang tak terhingga :
1. Bapak Dr. Ing. Ir Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik
Mesin Universitas Sumatera Utara.
2. Bapak Ir. M . Syahril Gultom,. MT. Selaku Sekretaris Departemen Teknik
Mesin Universitas Sumatera Utara dan Selaku dosen pembimbing, yang
dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada
penulis.
3. Kedua orang tua penulis, KOMAR JAYA dan SITI SAHARA, serta adik
saya ADE IRMA yang tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan,
doa, moril serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.
4. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang
telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis
kuliah.
5. Seluruh Saudara penulis, yang selalu saling membantu demi mencapai
cita-cita.
6. Rekan-rekan satu tim kerja, Bayu, Boy, Endi, Stefanus, dan Musa yang telah
7. Seluruh rekan mahasiswa Ekstensi angkatan 2011 yang telah bersama-sama
melewati masa-masa selama kuliah di teknik Mesin Universitas Sumatra
Utara.
8. Kepada Abangda Lilik yang selama ini telah memberikan nasehat dan
masukan yang membuat penulis semakin bersemangat didalam
menyelesaikan Skripsi ini.
9. Kepada Keluarga Besar Bengkel Las Putra Banjar yang telah bekerja sama
dalam menyelesaikan rancang bangun turbin vortex.
Penulis meyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena
itu penulis akan sangat berterima kasih dan dengan senang hati menerima saran,
usul, dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir
kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca.
Terima Kasih .
Medan, Mei 2014
Penulis,
Gibran
ABSTRAK
Energi pada saat sekarang ini semakin berkurang akibat penggunaan
energy fosil secara berlebihan di semua bidang, Ilmuwan di seluruh dunia
menyadari hal ini dan mencoba berbagai energi alternatif. Salah satu sumber
energi saat ini yang banyak dilakukan penelitian adalah arus air. Indonesia adalah
Negara agraris yang menghasilkan air secara terus menerus, sehingga turbin air
lebih diutamakan dari turbin angin karena angin di Indonesia relatif stabil.
Microhydro ataupun picohydro yang dibuat biasanya memanfaatkan air terjun
dengan head jatuh yang besar, sedangkan untuk aliran sungai dengan head jatuh
yang kecil dimanfaatkan dengan optimal. Hal ini menjadi referensi untuk
memanfaatan aliran sungai dengan mengubahnya menjadi aliran vortex. Tujuan
dari rancang bangun ini adalah untuk mendapatkan rancangan casing turbin
vortex, rancangan poros, rancangan sudu dan bantalan serta bahan- yang sesuai.
Turbin Vortex ini dirancang dengan debit air 0.0052 dan kecepatan air
1.44 m/s. Menggunakan casing berpenampang lingkaran berbahan Akrilik, dengan
sudu berbahan seng. Hasil dari rancang bangun ini diharapkan akan bermanfaat
untuk pengguna turbin vortex, sehingga didapat turbin vortex yang aman pada saat
digunakan.
DAFTAR ISI
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang... 1
1.2 Tujuan Penelitian…... 2
1.3 Manfaat Penelitian... 2
1.4 Batasan Masalah... 2
1.5 Metodologi Penelitian... 3
1.6 Sistem Penulisan ... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1Potensi Energi Air...5
2.2Mesin-Mesin Fluida...6
2.3Pengertian Turbin Air...6
2.4Komponen – Komponen Turbin...8
2.5Jenis-Jenis Turbin Air...9
2.5.1 Turbin Impuls...10
2.5.2 Turbin Reaksi...13
2.6Klasifikasi Turbin...16
2.6.2 Klasifikasi Berdasarkan Kecepatan Spesifik Turbin...17
2.6.3 Klasifikasi Berdasarkan Arah Aliran Fluida...18
2.7 Turbin Vortex (Pusaran Air)...18
2.7.1 Cara Kerja Turbin Vortex...19
2.7.2 Komponen Utama Turbin Vortex...20
2.7.3 Keunggulan Turbin Vortex...20
2.7.4 Pengaruh Turbin Vortex Pada Lingkungan...21
2.7.5 Pengembangan Turbin Vortex di Air Sungai...22
2.8 Aliran Vortex...24
2.8.1 Aliran Vortex Bebas...24
2.8.2 Aliran Vortex Paksa...25
2.8.3 Aliran Vortex Kombinasi...25
2.9 Penampang Air...26
2.10 Saluran Masuk (Inlet area)...26
BAB III METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN 3.1 Umum...28
3.2 Rancang Bangun Instalasi...29
3.2.1 Rumah Turbin…………...29
3.2.2 Poros Turbin...30
3.2.3 Sudu Turbin…………...30
3.2.4 Bantalan (bearing)………...31
3.2.6 Saluran Keluar……….……….32
3.2.7 Talang...32
3.3 Peralatan Pengujian...33
3.3.1 Hand Tachometer...33
3.3.2 Timbangan Pegas………..33
3.3.3 Pulley………34
3.3.4 Pompa………..……….35
3.4 Pelaksanaan Pengujian………36
3.5 Penentuan Debit Aliran Air………...………….39
3.6 Analisa Segitiga Kecepatan……….………40
3.6.1 Analisa Segitiga Kecepatan Pada Sisi Masuk………...43
3.6.2 Analisa Segitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar…...…43
BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA 4.1 Perhitungan Efisiensi Turbin Vortex Rumah Sudu (casing) Berpenampang Lingkaran Dengan Diameter Saluran Keluar 6cm (Dengan Ketinggian Antara Sudu Dengan Saluran Keluar 2, 4, 6cm)……….45
4.1.1 Efisiensi Turbin Vortex Dengan Jarak Antara Sudu dengan Saluran Keluar Ketinggian 2cm………..46
4.1.2 Efisiensi Turbin Vortex Dengan Jarak Antara Sudu dengan Saluran Keluar Ketinggian 4cm……….………….49
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan………..……56
5.2 Saran………...57
DAFTAR PUSTAKA
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Sudu Turbin Pelton………...10
Gambar 2.2 Turbin Pelton………..…...…….11
Gambar 2.3 Turbin Crossflow………..…………..13
Gambar 2.4 Turbin Kaplan………...………..14
Gambar 2.5 Turbin Francis……….15
Gambar 2.6 Turbin Vortex………...………..15
Gambar 2.7 Rumah Turbin Vortex……….…20
Gambar 2.8 Pembangkit Listrik Pusaran Air Sebagai Bio-Reaktor……….…..22
Gambar 2.9 Gravitasi Pembangkit Listrik Pusaran Air………..…23
Gambar 2.10 Tipe – Tipe Vortex………...………...………….26
Gambar 2.11 Beberapa Tipe Saluran Masuk……….………….27
Gambar 3.1 Rumah Turbin (Casing) Lingkaran………...………….…………29
Gambar 3.2 Sudu Turbin Vortex……….……..….31
Gambar 3.3 Bantalan (Bearing)……….….….…..31
Gambar 3.4 Dudukan Turbin……….……….32
Gambar 3.5 Saluran Keluar………32
Gambar 3.6 Instalasi Turbin Vortex Tampak Samping……….…33
Gambar 3.7 Hand Tachometer………...33
Gambar 3.8 Timbangan Pegas………...34
Gambar 3.10 Pompa Pengumpan………..…..…………..35
Gambar 3.11 Segitiga Kecepatan Pada Kontstruksi Roda Jalan…………...…40
Gambar 3.12 Segitiga Kecepatan Pada Sisi Masuk dan Sisi Keluar………….44
Gambar 4.1 Grafik Torsi vs Efisiensi Pada Jarak Sudu Dengan Saluran
Keluar Ketinggian 2cm………..………47
Gambar 4.2 Grafik Torsi vs Kecepatan Sudut (ω) Pada Jarak Sudu Dengan
Saluran Keluar Ketinggian 2cm……….……48
Gambar 4.3 Grafik Kecepatan Sudut (ω) vs Daya Turbin Pada Jarak Sudu
Dengan Saluran Keluar Ketinggian 2cm…………...………….49
Gambar 4.4 Grafik Torsi vs Efisiensi Pada Jarak Sudu Dengan Saluran
Keluar Ketinggian 4cm………...…….………..51
Gambar 4.5 Grafik Torsi vs Kecepatan Sudut (ω) Pada Jarak Sudu Dengan
Saluran Keluar Ketinggian 4cm……….……51
Gambar 4.6 Grafik Kecepatan Sudut (ω) vs Daya Turbin Pada Jarak Sudu
Dengan Saluran Keluar Ketinggian 4cm……….………..52
Gambar 4.7 Grafik Torsi vs Efisiensi Pada Jarak Sudu Dengan Saluran
Keluar Ketinggian 6cm……….….………54
Gambar 4.8 Grafik Torsi vs Kecepatan Sudut (ω) Pada Jarak Sudu Dengan
Saluran Keluar Ketinggian 6cm……….………55
Gambar 4.9 Grafik Kecepatan Sudut (ω) vs Daya Turbin Pada Jarak Sudu
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Klasifikasi Turbin Air Berdasarkan Tinggi Jatuh Air………...……16
Tabel 2.2 Klasifikasi Berdasarkan Putaran Spesifik………..18
Tabel 2.3 Klasifikasi Berdasarkan Arah Aliran Fluida……….….18
Tabel 3.1 Percobaan Aliran Debit Air Berdasarkan Tekanan Pompa Air…….39
Tabel 4.1 Nilai Laju Aliran Massa Pada Jarak Antara Sudu dan Saluran
Keluar 2,4,6cm……….……….46
Tabel 4.2 Hasil Perhitungan Percobaan Pada Jarak Sudu Antara Sudu Dengan
Saluran Keluar Ketinggian 2cm……….47
Tabel 4.3 Hasil Perhitungan Percobaan Pada Jarak Sudu Antara Sudu Dengan
Saluran Keluar Ketinggian 4cm……….50
Tabel 4.4 Hasil Perhitungan Percobaan Pada Jarak Sudu Antara Sudu Dengan
DAFTAR SIMBOL
D2 Diameter Roda Jalan Sisi Keluar (m)
Dt Diameter Turbin (m)
g konstanta Gravitasi (9,81 m/s)
H Head (m)
k Koefisien Losses
ABSTRAK
Energi pada saat sekarang ini semakin berkurang akibat penggunaan
energy fosil secara berlebihan di semua bidang, Ilmuwan di seluruh dunia
menyadari hal ini dan mencoba berbagai energi alternatif. Salah satu sumber
energi saat ini yang banyak dilakukan penelitian adalah arus air. Indonesia adalah
Negara agraris yang menghasilkan air secara terus menerus, sehingga turbin air
lebih diutamakan dari turbin angin karena angin di Indonesia relatif stabil.
Microhydro ataupun picohydro yang dibuat biasanya memanfaatkan air terjun
dengan head jatuh yang besar, sedangkan untuk aliran sungai dengan head jatuh
yang kecil dimanfaatkan dengan optimal. Hal ini menjadi referensi untuk
memanfaatan aliran sungai dengan mengubahnya menjadi aliran vortex. Tujuan
dari rancang bangun ini adalah untuk mendapatkan rancangan casing turbin
vortex, rancangan poros, rancangan sudu dan bantalan serta bahan- yang sesuai.
Turbin Vortex ini dirancang dengan debit air 0.0052 dan kecepatan air
1.44 m/s. Menggunakan casing berpenampang lingkaran berbahan Akrilik, dengan
sudu berbahan seng. Hasil dari rancang bangun ini diharapkan akan bermanfaat
untuk pengguna turbin vortex, sehingga didapat turbin vortex yang aman pada saat
digunakan.
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Energi pada saat sekarang ini semakin berkurang akibat penggunaan
energi fosil secara berlebihan di semua bidang, ilmuwan diselurah dunia
menyadari hal ini dan mencoba berbagai energi alternatif. Salah satu sumber
energy saat ini yang banyak dilakukan penelitian adalah arus air. Penggunaan
berbagai macam turbin semakin maju. Indonesia adalah negara agraris yang
menghasilkan air secara terus menerus, sehingga turbin air lebih diutamakan dari
turbin angin karena angin di indonesia relatif stabil. Alih fungsi turbin angin
menjadi turbin air perlu dilakukan studi lebih lanjut. Massa jenis air yang hampir
1000 kali lipat massa jenis udara menyebabkan gaya dan torsi yang
mempengaruhi turbin semakin besar.
Pembangkit listrik tenaga air saat ini menjadi salah satu pilihan dalam
memanfaatkan sumber energi terbaru, namun pemanfaatan yang ada masih
menggunakan teknologi yang sederhana. Pembangkit Listrik jenis ini dalam
proses pembuatannya sangat ekonomis, tapi 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.
Seorang Peneliti dari Jerman Viktor Schauberger mengembangkan
teknologi aliran vortex (pusaran) untuk diterapkan pada pemodelan turbin air.
Aliran vortex yang juga dikenal sebagai aliran pulsating atau pusaran dapat terjadi
pada suatu fluida yang mengalir dalam suatu saluran yang mengalami perubahan
mendadak. Fenomena aliran vortex sering dijumpai pada pemodelan sayap
aliran fluida. Dalam penelitiannya Viktor Schauberger, memanfaatkan aliran
irigasi yang kemudian diubah menjadi aliran vortex (pusaran), kemudian
dimanfaatkan untuk menggerakkan sudu turbin. Dari penelitian ini didapatkan
efisiensi sebesar 75 % dengan tinggi air jatuh 0,6 m. Namun pada penelitiannya
Viktor Schauberger tidak menjelaskan pengaruh tinggi sudu turbin. Bertolak dari
kondisi tersebut di atas maka penyusun melakukan penelitian untuk melihat
pengaruh tinggi sudu turbin terhadap performansi turbin.
Penelitian tentang “turbin vortex” belum sempurna, bukan dikarenakan
Indonesia kekurangan penemu tetapi pengaplikasiannya belum banyak sehingga
dapat dijadikan tolak ukur. Oleh karena itu perlu dibuat penganalisaan disamping
pembuatan turbin vortex itu sendiri, agar nantinya effisiensi dari turbin air didapat
maksimal.
1.2. Tujuan Penelitian
Tujuan dari pelaksanaan dan penulisan laporan tugas akhir ini adalah
untuk mengetahui pengaruh luas saluran buang dan jarak sudu dari dasar casing
terhadap:
1. Torsi dan putaran poros maksimum yang dihasilkan turbin.
2. Daya optimal turbin yang dihasilkan.
3. Efisiensi turbin.
1.3. Manfaat Penelitian
Adapun manfaat dari penelitian ini adalah menambah pengetahuan bahwa
aliran sungai pun dapat dimanfaatkan menjadi energi listrik secara optimal.
1.4. Batasan Masalah
Dalam penulisan laporan tugas akhir ini ada beberapa batasan masalah
yang diberikan agar penelitian ini lebih terarah, yaitu:
1. Pengamatan kinerja turbin dianalisa terhadap aliran vortex,pada casing
rumah sudu Spiral dan Lingkaran
2. Tipe sudu yang digunakan adalah lengkung.
4. Jumlah sudu yang digunakan adalah 8
5. Tinggi sudu turbin adalah 90 cm.
1.5. Metodologi Penelitian
Adapun metode pengumpulan data dalam skripsi ini adalah sebagai
berikut:
1) Pengujian
Penulis melakukan pengujian langsung pada turbin air vortex untuk
memperoleh data yang akan diolah.
2) Studi Pustaka
a) Membaca dan mempelajari buku-buku literatur untuk dapat
mengetahui dasar teori yang berhubungan dengan permasalahan
yang dibahas.
b) Melakukan diskusi dengan dosen pembimbing dan sesama
mahasiswa.
1.6. Sistematika Penulisan
Agar penyusunan skripsi ini dapat tersusun secara sistematis dan
mempermudah pembaca memahami tulisan ini, maka skripsi ini dibagi dalam
beberapa bagian, yaitu:
BAB I : PENDAHULUAN
Bab ini menjelaskan pendahuluan tentang studi kasus dan pemecahan masalah
yang berisi antara lain : latar belakang, tujuan penelitian, manfaat penelitian,
batasan masalah dan sistematika penulisan.
BAB II : TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini berisi tentang dasar teori dari topik yang dikaji dan digunakan sebagai
landasan dalam memecahkan masalah dan menganalisis permasalahan tersebut
meliputi penjelasan mengenai Fluida, Hukum Bernoulli, Aliran vortex, Turbin air,
BAB III : METODOLOGI PENELITIAN
Bab ini berisi tentang beberapa tahapan persiapan sebelum pengujian, prosedur
pengujian, dan diagram alir pengujian.
BAB IV : PENGOLAHAN DATA DAN ANALISA DATA
Bab ini berisi tentang pembahasan dari data-data yang diperoleh yakni analisa
torsi turbin, daya turbin dan efisiensi turbin.
BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini berisi tentang kesimpulan dari hasil analisa dan saran untuk
penyempurnaan hasil penelitian untuk penelitian berikutnya.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Potensi Energi Air
Air merupakan sumber energi yang murah dan relatif mudah didapat,
karena pada air tersimpan energi potensial (pada air jatuh) dan energi kinetik
(pada air mengalir). 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 listri. Pemanfaatan energi air banyak
dilakukan dengan kincir air atau turbin air yang memanfaatkan adanya suatu air
terjun ataupun aliran air disungai. Turbin air dikembangkan pada abad 19 dan
digunakan secara luas untuk pembangkit tenaga listrik. Berdasarkan prinsip kerja
turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi kinetik.
Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada
besarnya head dan debit air. Banyaknya sungai dan danau air tawar yang ada di
Indonesia merupakan modal awal untuk pengembangan energi air ini. Namun
eksploitasi terhadap sumber energi yang satu ini juga harus memperhatikan
ekosistem lingkungan yang sudah ada. Pemanfaatan energi air pada dasarnya
adalah pemanfaatan energi potensial gravitasi. Energi mekanik aliran air yang
merupakan transformasi dari energi potensial gravitasi dimanfaatkan untuk
menggerakkan turbin atau kincir. Umumnya turbin digunakan untuk
membangkitkan energi listrik sedangkan kincir untuk pemanfaatan energi
mekanik secara langsung. Untuk aliran yang melewati turbin, maka besar daya
yang dihasilkan dapat dihitung dengan persamaan :
2.2 Mesin – Mesin Fliuda
Mesin-mesin fluida adalah mesin-mesin yang berfungsi untuk mengubah
energi mekanis menjadi energi fluida ( energi potensial dan energi mekanis ) atau
sebaliknya yaitu merubah energi fluida menjadi energi mekanis sesuai dengan
pengertian diatas, maka klasifikasi mesin-mesin fluida secara umum adalah :
1. Mesin-mesin tenaga
Mesin-mesin tenaga merupakan mesin fluida yang dapat merubah energi
fluida menjadi energi mekanis. Yang termasuk dalam kelompok ini adalah
turbin air dan kincir air
2. Mesin-mesin kerja
Mesin-mesin kerja merupakan mesin fluida yang dapat merubah energi
mekanis menjadi energi fluida. Yang termasuk dalam kelompok ini adalah
pompa, blower, kompresor, dan fan.
Sesuai dengan spesifikasi tugas yang diberikan maka dalam tulisan ini
akan dibahas mengenai turbin air secara khusus.
2.3 Pengertian Tubin Air
Turbin air yaitu suatu mesin yang dipergunakan untuk mengamil tenaga
air untuk diubah menjadi tenaga listrik, jadi berfungsi untuk mengubah tenaga air
menjadi tenaga mekanis, sedangkan tenaga mekanis ini diubah menjadi tenaga
listrik oleh generator.
Turbin adalah mesin penggerak dimana energi fluida kerja dipergunakan
langsung untuk memutar sudu turbin. Bagian turbin yng bergerak dinamakan rotor
atau sudu turbin, sedangkan bagian yang tidak berputar dinamakan stator atau
rumah turbin. Secara umum, turbin adalah alat mekanika yang terdiri dari poros
dan sudu-sudu. Sudu tetap ataupun stationary blade, tidak ikut berputar bersama
poros, dan berfungsi mengarahkan aliran fluida. Sedangkan sudu putar atau
rotary blade, mengubah arah dan kecepatan aliran fluida sehingga timbul gaya
yang memutar poros. Air biasnya dianggap sebagai fluida yang tak kompresibel,
Ada beberapa kesamaan teori dari turbin air dan pompa air, dengan
perbedaan utama energi transfer yang berkebalikan. Turbin air mengubah energi
potensial dari air menjadi energi mekanis putaran poros. Sedangkan pompa air
mengubah energi mekanis putaran poros menjadi gerak aliran air.
Turbin konvensional, dalam kelompok mesin penggerak mula atau prime
movers ada tiga macam yaitu :
1. Turbin air dengan media kerja air.
2. Turbin gas dengan media kerja gas panas yang bertekanan.
3. Turbin uap dengan media kerja uap.
Ketiga macam turbin tersebut mempunyai kemiripan dalam konstruksi,
namun beda dalam termodinamikanya, karena fluida kerjanya yang tidak sama.
Teori turbin air bertujuan terutama untuk mendapatkan kerja optimum
dalam pemanfaatan energi air pada suatu kondisi oprasi tertentu. Dasar kerja
turbin air sangat sederhana ini sudah ditemukan sebelum dimulainya tahun
masehi. Teknologi turbin air merupakan perkembangan dari kincir air (water
wheel). Perbedaan utama antara kinci air dan turbin air adalah bahwa kincir air
hanya mengubah kecepatan aliran, sedangkan turbin air mengubah arah dan
kecepatan aliran.
Pada saat sekarang, penggunaan turbin air lebih banyak digunakan
dibandingkan kincir air. Hal ini disebabkan karena turbin air mempunyai
keuntungan-keuntungan antara lain :
1. Ruang yang diperlukan lebih kecil.
2. Dapat beroperasi dengan kecepatan yang lebih tinggi.
3. Mampu membangkitkan daya yang lebih besar dengan ukuran yang relatif
kecil.
4. Daerah putaran (rpm) yang lebih luas, sehinga memungkinkan hubungan
langsung dengan generator.
5. Mampu memanfaatkan beda ketinggian permukaan air dari yang sangat
rendah sampai yang ekstrim tinggi.
6. Dapat bekerja terendam didalam air.
7. Mempunyai efisiensi yang relatif lebih baik.
2.4 Komponen-komponen Turbin
1. Stator
Stator turbin terdiri dari dua bagian, yaitu casing dan sudu diam (fixed blade).
Namun untuk tempat kedudukan sudu-sudu diam yang pendek dipasang
diapragma.
a. Casing
Casing atau shell adalah suatu wadah berbentuk menyerupai sebuah
tabung dimana rotor ditempatkan. Pada ujung casing terdapat ruang besar
mengelilingi poros turbin disebut exhaust hood, dan diluar
casing dipasang bantalan yang berfungsi untuk menyangga rotor.
b. Sudu Tetap
Sudu merupakan bagian dari turbin dimana konversi energi terjadi. Sudu
terdiri dari bagian akar sudu, badan sudu dan ujung sudu. Sudu kemudian
dirangkai sehingga membentuk satu lingkaran penuh.
Sudu-sudu tetap dipasang melingkar pada dudukan berbentuk piringan
yang disebut diapragma. Pemasangan sudu-sudu tetap ini pada diapragma
menggunakan akar berbentuk T sehingga memberi posisi yang kokoh
pada sudu.
Diapragma terdiri dari dua bagian (atas dan bawah) dan dipasang pada
alur-alur yang ada didalam casing. Setiap baris dari rangkaian sudu-sudu
tetap ini membentuk suatu lingkaran penuh dan ditempatkan langsung
didepan setiap baris dari sudu-sudu gerak
2. Rotor
Rotor adalah bagian yang berutar terdiri dari poros dan sudu-sudu gerak yang
terpasang mengelilingi rotor. Jumlah baris sudu gerak pada rotor sama dengan
jumlah baris sudu diam pada casing. Pasangan antara sudu diam dan sudu gerak
a. Poros
Poros dapat berupa silinder panjang yang solid (pejal) atau berongga
(hollow). Pada umumnya poros turbin sekarang terdiri dari silinder
panjang yang solid. Sepanjang poros dibuat alur-alur melingkar yang biasa
disebut akar (root) untuk tempat dudukan, sudu-sudu gerak (moving
blade).
b. Sudu Gerak
Sudu gerak adakah sudu-sudu yang dipasang di sekeliling rotor
membentuk suatu piringan. Dalam suatu rotor turbin terdiri dari beberapa
baris piringan dengan diameter yang berbeda-beda, banyaknya baris sudu
gerak biasanya disebut banyaknya tingkat.
c. Bantalan
Bantalan berfungsi sebagai penyangga rotor sehingga membuat rotor dapat
stabil/lurus pada posisinya didalam casing dan rotor dapat berputar dengan
aman dan bebas. Adanya bantalan yang menyangga turbin selain
bermanfaat untuk menjaga rotor turbin tetap pada posisinya juga
menimbulkan kerugian mekanik karena gesekan. Sebagai bagian yang
berputar, rotor memiliki kecenderungan untuk bergerak baik dalam arah
radial maupun dalam arah aksial. Karena itu rotor harus ditumpu secara
baik agar tidak terjadi pergeseran radial maupun aksial yang berlebihan.
Komponen yang dipakai untuk keperluan ini disebut bantalan (bearing).
2.5 Jenis – Jenis Turbin
Berdasarkan prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air
menjadi energi mekanis, turbin dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin
Impuls dan turbin Reaksi. Turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu
turbin impuls dan turbin reaksi.
Sebelum berkembang menjadi turbin Pelton dan turbin Crossflow (jenis
impuls), dan turbin Francis dan turbin Kaplan (jenis reaksi) seperti yang banyak
sederhana telah mengawalinya. Di samping itu juga telah dilakukan upaya
penyempurnaan dengan memodifikasi rancangan dari turbin-turbin yang sudah
mapan seperti turbin Pelton, turbin Crossflow, turbin Francis, dan turbin Kaplan.
Beberapa jenis turbin air dapat disebut seperti turbin Banki, turbin Fourneyron,
turbin Girard, turbin Turgo, turbin Jonval, turbin Thomson, turbin Deriaz, turbin
Heber, turbin Schwan-Krug. Turbin-turbin tersebut dinamakan sesuai dengan
nama penemunya. Walaupun dari segi kepentingan tidak begitu besar artinya,
namun dari kepentingan akademik, beberapa jenis turbin air ini perlu juga dikenal.
2.5.1 Turbin Impuls
Pada turbin impuls energi potensial air diubah menjadi energi kinetik
pada nosel. Air keluar nosel yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu
tubir. Setelah membentur sudu turbin arah kecepatan aliran berubah sehingga
terjadi perubahan momentum (impuls). Akibatnya roda turbin akan berputar.
Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel
tekananya adalah sama dengan tekanan atmosfil sekitarnya. Beberapa contoh dari
turbin impuls tubin pelton dan turbin crossflow.
1. Turbin Pelton.
Turbin pelton merupakan turbin impuls. Turbin Pelton terdiri dari satu set
sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari satu atau lebih
alat yang disebut nosel. Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang
paling efisien. Turbin Pelton adalah turbin yang cocok digunakan untuk head
tinggi.
Gambar 2.1 Sudu Tubin Pelton
Bentuk sudu turbin terdiri dari dua bagian yang simetris. Sudu dibentuk
sedemikian sehingga pancaran air akan mengenai tengah-tengah sudu dan
pancaran air tersebut akan berbelok ke kedua arah sehinga bisa membalikkan
pancaran air dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya-gaya samping. Untuk
turbin dengan daya yang besar, sistem penyemprotan airnya dibagi lewat beberapa
nosel. Dengan demikian diameter pancaran air bisa diperkecil dan ember sudu
lebih kecil. Turbin Pelton untuk pembangkit skala besar membutuhkan head lebih
kurang 150 meter tetapi untuk skala mikro head 20 meter sudah mencukupi.
Gambar 2.2 Turbin Pelton
Sumber :
2. Turbin Crossflow (Turbin Michell-Banki).
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 crossflow atau turbin impuls aliran ossberger. Turbin
crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 litres/sec hingga 10 m3/sec dan head
antara 1 s/d 200 m. Komponen – komponen utama konstruksi turbin crossflow
1. Rumah Turbin.
2. Alat Pengarah (distributor).
3. Roda Jalan.
4. Penutup.
5. Katup Udara.
6. Pipa Hisap.
7. Bagian Peralihan.
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 keluar silinder. Energi yang diperoleh dari tahap kedua
adalah 20% nya dari tahap pertama.
Gambar 2.3 Turbin Crossflow
Sumber :
Air yang masuk sudu diarahkan oleh alat pengarah yang sekaligus
berfungsi sebagai nosel seperti pada turbin pelton. Prinsip perubahan energi
adalah sama dengan turbin impuls pelton yaitu energi kinetik dari pengarah
menggunakan nozle persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner.
Pancaran air masuk turbin dan mengenai sudu sehingga terjadi konversi energi
kinetik menjadi energi mekanis. Air mengalir keluar membentur sudu dan
memberikan energinya (lebih rendah dibanding saat masuk) kemudian
meninggalkan turbin. Runner turbin dibuat dari beberapa sudu yang dipasang
pada sepasang piringan paralel.
Ciri utama tubin impuls adalah tekanan jatuh hanya terjadi pada sudu
tetap, dan tidak terjadi pada sudu berputar. Turbin impuls disebut turbin tak
bertekanan karena sudu gerak beroperasi pada tekanan atmosfer. Banyak turbin
air jenis impuls yang pernah dibuat, namun yang masih banyak ditemukan pada
saat sekarang adalah turbin pelton dengan bentuk bucket yang terbelah ditengah.
Posisi poros dapat dibuat tegak (vertikal) atau mendatar (horizontal).
2.5.2 Turbin Reaksi
Pada turbin reaksi, energi yang tersedia pada saluran masuk hanya
sebagaian saja yang dirubah menjadi energi kinetik sedangkan sisanya tetap dalam
bentuk energi tekan. Ketika air mengalir melalui rod gerak/runner terjadi
perubahan energi tekan menjadi energi kinetik secara berangsur-angsur. Tekanan
pada sisi masuk roda gerak lebih tinggi dibandingkan tekanan pada sisi keluar
roda gerak turbin, dimana tekanan tersebut bervariasi terhadap laju aliran fluida
yang melalui turbin. Selanjutnya agar perubahan tekanan ini dapat terjadi, maka
roda/runner dalam hal ini harus tertutup dari udara luar dan seluruhnya terisi air
selama turbin beroperasi. Beberapa contoh dari turbin reaksi adalah turbin francis,
turbin kaplan, dan turbin vortex
1. Turbin Kaplan.
Tidak berbeda dengan turbin francis, turbin kaplan cara kerjanya
menggunakan prinsip reaksi. Turbin ini mempunyai roda jalan yang mirip dengan
baling-baling pesawat terbang. Bila baling-baling pesawat terbang berfungsi
untuk menghasilkan gaya dorong, roda jalan pada kaplan berfungsi untuk
mendapatkan gaya F yaitu gaya putar yang dapat menghasilkan torsi pada poros
dapat diputar posisinya untuk menyesuaikan kondisi beban turbin. Turbin kaplan
banyak dipakai pada instalasi pembangkit listrik tenaga air sungai, karena turbin
ini mempunyai kelebihan dapat menyesuaikan head yang berubah-ubah sepanjang
tahun. Turbin Kaplan dapat beroperasi pada kecepatan tinggi sehingga ukuran
roda turbin lebih kecil dan dapat dikopel langsung dengan generator. Pada kondisi
pada beban tidak penuh turbin kaplan mempunyai efisiensi paling tinggi, hal ini
dikarenakan sudu-sudu turbin kaplan dapat diatur menyesuaikan dengan beban
yang ada.
Gambar 2.4 Turbin Kaplan dengan sudu jalan yang dapat diatur.
Sumber :
2. Turbin Francis
Turbin francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin dipasang
diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di
bagian keluar. Turbin Francis menggunakan sudu pengarah. Sudu pengarah
mengarahkan air masuk secara tangensial. Sudu pengarah pada turbin francis
dapat merupakan suatu sudu pengarah yang tetap ataupun sudu pengarah yang
dapat diatur sudutnya. Untuk penggunaan pada berbagai kondisi aliran air
Gambar 2.5 Turbin Francis
Sumber
3. Turbin Vortex (Pusaran Air)
Turbin vortex merupakan turbin yang memanfaatkan pusaran air sebagai
media perantara energi terhadap sumbu vertikal sehingga terjadi perbedaan
tekanan antara bagian sumbu dan sekelilingnya. Turbin air ini dioperasikan pada
daerah yang memiliki head yang rendah dan memanfaatkan pusaran gravitasi air
sehingga akan menimbulkan perbedaan tekanan air dengan bagian sumbu. Hal ini
ditemukan oleh insinyur Austria Franz Zotloterer ketikan mencoba untuk
menemukan cara untuk menganginkan air tanpa sumber daya eksternal.
Gambar 2.6 Turbin Vortex
Ciri utama turbin reaksi pada semua jenis turbin , baik turbin uap, turbin
gas dan turbin air, adalah sebagian dari tekanan jatuh terjadi pada sudu tetap dan
sebagian lagi pada sudu berputar. Persamaan kontinuitas dapat digunakan pada
perhitungan aliran melalui sudu berputar, karena seluruh fluida kerja memenuhi
seluruh saluran sudu. Karena fluda masuk sudu berputar melalui seluruh tepi seksi
masuk, maka untuk daya dan putran yang sama, diameter nominalnya relatif lebih
kecil dibandingkan turbin impuls.
2.6 Klasifikasi Turbin
Pemilihan turbin kebanyakan didasarkan pada head air yang yang
didapatkan dan pada rata-rata alirannya. Umumnya, turbin impuls digunakan
untuk tempat dengan head tinggi, dan turbin reaksi digunakan untuk tempat
dengan head rendah.
2.6.1 Klasifikasi Berdasarkan Ketinggian Jatuh Air
Pemakaian jenis turbin dibedakan atas ketinggian air jatuh, dimana untuk
ketinggian air jatuh tertentu maka berbeda pula jenis turbin yang digunakan. Pada
tabel berikut dapat dilihat jenis turbin yang digunakan menurut tinggi air jatuh.
Tabel Klasifikasi Turbin air berdasarkan tinggi jatuh air
Ketinggian Air Jatuh (m) Jenis Turbin
Tinggi tekan sangat rendah (<2m) Turbin Vortex
Tinggi tekan rendah (<15) Turbin Baling-baling/Kaplan
Tinggi tekan menengah (16-70) Turbin Kaplan/Francis
Tinggi tekan tinggi (71-500) Turbin Francis/Pelton
Tinggi tekan sangat tinggi (>500) Turbin Pelton
Sumber : M. M. Dhandekar, K. N Sharma,
2.6.2 Klasifikasi Berdasarkan Kecepatan Spesifik Turbin
Kecepatan spesifik (ns), menunjukkan bentuk dari turbin itu dan tidak
berhubungan dengan ukurannya. Hal ini menyebabkan desain turbin baru yang
diubah skalanya dari desain yang sudah ada, dengan performa yang 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 turbin dapat diartikan sebagai titik
efisiensi maksimum. Perhitungan tepat ini menghasilkan performa turbin dalam
jangkauan head dan debit tertentu.
Kecepatan spesifik juga merupakan titik awal dari analisis desain dari
sebuah turbin baru. Setelah kecepatan spesifik yang diinginkan diketahui, dimensi
dasar dari bagian - bagian turbin dapat dihitung dengan mudah.
Keluaran turbin dapat diperkirakan berdasarkan dari test permodelan.
Replika miniatur dari desain yang diusulkan, diameter sekitar satu kaki (0,3 m),
dapat diuji dan hasil pengukuran laboratorium dapat digunakan sebagai
kesimpulan dengan tingkat keakuratan yang tinggi.
Debit yang melalui turbin dikendalikan dengan katub yang besar atau
pintu gerbang yang disusun diluar sekeliling pengarah turbin. Perubahan head dan
debit dapat dilakukan dengan variasi bukaan pintu, akan menujukkan efisiensi
turbin dengan kondisi yang berubah-ubah.
Kecepatan spesifik dapat dihitung dengan menggunakan rumus :
Dimana :
n = Putaran turbin (rpm)
ns = Putaran spesifik (rpm)
H = Tinggi effektif (m)
Tabel Klasifikasi berdasarkan putaran spesifik
2.6.3 Klasifikasi Berdasarkan Arah Aliran Fluida
Pada tabel berikut dapat dilihat pemakaian jenis turbin berdasarkan arah
alirannya.
Tabel Jenis-jenis turbin berdasarkan arah alirannya
Jenis Turbin Arah Aliran
Francis Radikal atau gabungan
Pelton Tangensial
Kaplan Aksial
Vortex Vertikal
2.7 Turbin Vortex ( Pusaran Air )
Turbin vortex adalah turbin yang mengubah energi kinetik dari vortex
(pusaran) menjadi torsi. Vortex atau pusaran sendiri didefenisikan sebagai aliran
fluida yang bergerak disepanjang lintasan melengkung atau aliran massa fluida
yang bergerak melingkar.
Turbin vortex merupakan turbin yang memanfaatkan pusaran air sebagai
media perantara energi terhadap sumbu vertikal sehingga terjadi perbedaan
tekanan antara bagian sumbu dan sekelilingnya. Turbin air ini dioperasikan pada
daerah yang memiliki head yang rendah dan memanfaatkan pusaran gravitasi air
sehingga akan menimbulkan perbedaan tekanan air dengan bagian sumbu. Hal ini
ditemukan oleh insinyur Austria Franz Zotloterer ketikan mencoba untuk
menemukan cara untuk menganginkan air tanpa sumber daya eksternal.
Tanaman pusaran air gravitasi yang dibangun langsung diatas sungai.
Tingkat tinggi air minimal 0.7 m dan maksimum 2 m. Turbin pusaran air gravitasi
CO2. Turbin air jenis vortex ini baik bagi lingkungan karena tidak menimbulkan
ancaman bagi kehidupan air seperti ikan dan udang, karena merekan dapat
melewati hilir rotor dan hulu. Efesiensi pembersihan peningkatan
mikro-organisme alami berkat kadar oksigen yang lebih tinggi dihasilkan dari aerasi
rutin air
Pada tahun 2003, gravitasi air pembangkit listrik pusaran oleh Austria
Insinyur DI Franz Zotlöterer dikembangkan. Paten pertama dikeluarkan pada
tahun 2004 pendirian perusahaan Zotlöterer untuk perencanaan dan konstruksi
pembangkit listrik pusaran air gravitasi. 2005, sebuah pabrik percontohan pertama
7.5 kW tenaga listrik dan Pembangkit listrik tahunan sekitar 43.000 kWh di
Obergrafendorf di Lower Austria didirikan. Pada tahun 2009 pilot plant dengan
gravitasi untuk pembangkit listrik pusaran air dioptimalkan Turbin Zotlöterer
turbin, dan Generator kuat dilengkapi dimana tenaga listrik untuk bisa meningkat
menjadi 10 kW. Diikuti antara tahun 2007 dan 2010 lainnya Air pembangkit
listrik pusaran gravitasi di Indonesia, Swiss, Irlandia dan di Austria.
2.7.1 Cara Kerja Turbin Vortex
Sistem PLTA pusaran air adalah sebuah teknologi baru yang memanfaatkan
energi yang terkandung dalam pusaran air yang besar dengan diciptakan melalui
perbedaan head rendah di sungai.
Cara kerja turbin Vortex :
1. Air Sungai dari tepi sungai disalurkan dan dibawake tangki sirkulasi.
Tangki sirkulasi ini memiliki suatu lubang lingkaran pada dasarnya.
2. Tekanan rendah pada lubang dasar tangki dan kecepatan air pada titik
masuk tangki sirkulasi mempengaruhi kekuatan aliran vortex.
3. Energi potensial seluruhnya diubah menjadi energy kinetic rotasi diinti
vortex yang selanjutnya diekstraksi melalui turbin sumbu vertikal.
Gambar 2.7 Rumah Turbin Vortex
Sumber :
2.7.2 Komponen Utama Turbin Vortex
Komponen utama pada turbin vortex sama dengan turbin-turbin lain hanya
saja turbin vortex lebih mudah dalam pemasangannya dan pemeliharaannya.
Turbin ini kuat dan dibangun untuk terakhir, dengan maksimum rak-hidup 50-100
tahun. Beberapa bagian diantaranya sebagai berikut : Rumah (casing), Poros,
Sudu (Moving Blades), dan Bantalan (Bearing).
2.7.3 Keunggulan Turbin Vortex
1. Baik dikembangkan pada daerah yang memiliki sumber air dengan debit
yang cukup besar namun hanya memiliki head yang rendah.
2. Tidak memerlukan sistem kontrol yang sangat rumit seperti turbin lainnya.
3. Tekanan air yang terjadi tidak merusak ekologi, dalam hal ini dampak
terhadap kehidupan air (ikan) dan microorganisme lainya tetap terjaga.
4. Tidak membutuhkan draft tube, sehingga dapat mengurangi pengeluaran
untuk penggalian pemasangan draft tube.
5. Memiliki efisiensi yang tinggi, dengan variasi debit yang besar dan sangat
baik untuk debit air yang kecil.
6. Tidak memerlukan jaring- jaring halus sebagai pencegah masuknya
2.7.4 Pengaruh Turbin Vortex pada lingkungan
Turbin air mempunyai pengaruh positif dan negatif bagi lingkungan.
Adapun pengaruh positif yaitu :
1. Turbin adalah salah satu penghasil tenaga terbersih, menggantikan
pembakaran bahan bakar fosil dan menghapuskan limbah nuklir.
2. Turbin menggunakan energi yang dapat diperbarui dan didesain untuk
beroperasi dalam jangka waktu puluhan tahun.
3. Turbin memproduksi sumber energi listrik dunia dengan jumlah yang
besar.
Adapun pengaruh negatif dari pembangunan turbin adalah : putaran sudu
atau gerbang pengarah dari turbin air dapat mengganggu ekologi natural sungai,
membunuh ikan, menghentikan migrasi dan menggangu mata pencaharian
manusia. Contohnya: suku Indian Amerika di Northwest Pasific mempunyai mata
pencaharian memancing ikan salmon, tapi pembangunan secara agresif
menghancurkan jalan hidupnya.
Berbeda dengan turbin vortex (pusaran air), bukan saja didorong oleh
teknologi sederhana dan dapat diandalkan. Turbin vortex adalah teknologi bersih
karena fakta bahwa 97% dari produk listrik bebas CO2, dan turbin vortex juga
baik bagi lingkungan air. Kontruksi turbin vortex mengembalikan badan air
(misalnya sungai) dimana turbin dibangun dan kecepatan aliran maksimum
1,5-1,8 m/s, maka turbin tidak menimbulkan ancaman bagi populasi ikan. Karena ikan
mampu melawati hilir rotor dan hulu (lihat gambar 2.8) . Keuntungan selanjutnya
adalah efesiensi pembersih peningkatan mikro-organisme alami berkat kadar
Gambar 2.8 Pembangkit Listrik Pusaran Air Sebagai Bio-reaktor
Sumber :
2.7.5 Pengembangan turbin vortek di Air Sungai
Pengembangan sungai kita dipengaruhi oleh peradaban modern abad ke-20
. Di daerah padat penduduk sebagian besar sungai diatur dengan rapi. Di masa
lalu sungai berliku-liku alami . Hari ini sungai lurus dan diatur . Sungai-sungai
diatur lebih dalam ke tanah dan pada musim kemarau juga air tanah masuk ke
sungai . Dalam hal regulasi mengukur megurangi kapasitas asimilatif alami sungai
Gambar 2.9 Gravitasi Pembangkit Listrik Pusaran Air
Sumber :
Dengan turbin vortex yang proses pemurnian air alami juga dapat
diaktifkan dalam sungai diatur. Dalam jarak didefinisikan pada turbin sungai
dapat ditempatkan untuk menganginkan air. Semakin banyak tanaman air
menghasilkan area biodegradasi , yang mengurangi zat berbahaya dalam air
sungai. Jadi turbin vortex ekologis lumayan menghasilkan listrik, tanaman air,
mikroba dan ikan.
Sebaliknya pembangkit listrik tenaga air konvensional tidak memiliki efek
positif terhadap sungai. Karena tingkat tekanan air besar melewati turbin tidak ada
makhluk air bisa bertahan, tapi turbin vortex adalah sistem hidrolik terbuka tanpa
tingkat tekanan air yang tinggi. Gravitasi Vortex Air ( GWV ) dengan tabung
udara di tengah memungkinkan bahwa banyak udara dapat diserap oleh air.
Turbin vortex adalah modus dasar air mengalir dan menunjukkan proses aerasi
alami air di sungai .
Untuk alasan ini kualitas ekologi positif tenaga air dengan turbin vortex
benar-benar berbeda dengan pembangkit listrik tenaga air tradisional, yang
menghancurkan kehidupan di sungai, karena perbedaan besar tingkat tekanan air
Pengetahuan ini menunjukkan kepada kita, bahwa sungai-sungai diatur
dan pembangkit listrik tenaga air tradisional bertanggung jawab untuk degenerasi
mikroba dan ikan - ikan di sungai kita, karena itu turbin vortex merupakan modul
penting di dunia modern kita .
2.8 Aliran vortex
vortex adalah massa fluida yang partikel-partikelnya bergerak berputar
dengan garis arus (streamline) membentuk lingkaran konsentris. Gerakan vortex
berputar disebabkan oleh adanya perbedaan kecepatan antara lapisan fluida yang
berdekatan. Dapat diartikan juga sebagai gerak alamiah fluida yang diakibatkan
oleh parameter kecepatan dan tekanan. Vortex sebagai pusaran yang merupakan
efek dari putaran rotasional dimana viskositas berpengaruh didalamnya.
Pergerakan aliran fluida dapat dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu:
1. Translasi murni atau translasi irotasional
2. Rotasi murni atau translasi rotasional
3. Distorsi atau deformasi murni, baik angular ataupun linier
Aliran irotasional terjadi apabila elemen fluida di setiap titik tidak
mempunyai kecepatan sudut netto terhadap titik tersebut. Sebaliknya aliran
rotasional terjadi apabila elemen fluida mempunyai kecepatan sudut netto. Gerak
vortex dapat dikategorikan sebagai dalam aliran rotasional. Vor tex digambarkan
sebagai aliran yang bergerak dan berputar terhadap sumbu vertical sehingga
terjadi perbedaan tekanan antara bagian sumbu dan sekelilingnya
Berdasarkan klasifikasi aliran berputar yang terjadi dalam kehidupan
sehari-hari maka aliran vortex dapat dibedakan menjadi tiga bagian, yaitu :
2.8.1 Aliran vortex Bebas
Aliran vortex terjadi walaupun tidak adanya gaya yang dilakukan pada
fluida tersebut. Karateristik dari vortex bebas adalah kecepatan tangensial dari
partikel fluida yang berputar pada jarak tertentu dari pusat vortex. Hubungan
kecepatan partikel fluida v terhadap jaraknya dari pusat putaran r dapat dilihat
Dimana:
V = kecepatan tangensial fluida (m s-1)
r = jari-jari putaran partikel fluida dari titik pusat (m)
= sirkulasi
2.8.2 Aliran Vor tex Paksa
Apabila suatu gaya diberikan pada suatu fluida dengan maksud membuat
aliran fluida berputar. Hubungan kecepatan partikel fluida v terhadap jaraknya
dari pusat putaran r dapat dilihat pada persamaanberikut:
<
Dimana:
= kecepatan sudut
r = jari-jari putaran (m)
2.8.3 Aliran Vortex Kombinasi
Aliran Vortex Kombinasi adalah vortex dengan vortex paksa pada inti
pusatnya dan distribusi kecepatan yang sesuai dengan vortex bebas pada luar
intinya. Jadi untuk sebuah votex kombinasi dapat dilihat pada persamaan berikut:
Vθ = ωr r ≤ r0
Vθ = r < r0
Dimana :
K dan = konstanta
ro = jari-jari inti pusat
Sebuah konsep matematika yang biasanya berhubungan dengan gerakan
vortex adalah sirkulasi. Sirkulasi didefenisikan sebagai sebuah integral garis dari
komponen tangensial kecepatan yang diambil dari sekeliling kurva tertutup di
medan aliran. Konsep sirkulasi sering digunakan untuk mengevaluasi gaya-gaya
Gambar 3.0 Tipe-tipe Vortex
Sumber :
Tipe vortex 1 merupakan awal aliran air berputar di permukaan. Tipe 2
putaran air mulai menunjukkan adanya cekungan kedalam di bagian tengah
pusaran. Tipe 3 pusaran air mulai membentuk kolom udara (vortex) yang bergerak
menuju oulet. Tipe 4 kekuatan vortex mampu menarik material apung masuk ke
dalam pusaran. Tipe 5 adalah vortex dimana gelembung-gelembung udara pecah
di ujung pusat pusaran yang masuk konstruksi silinder. Tipe 6 vortex dengan
lubang udara penuh menuju outlet.
2.9 Penampang Air
Penampang merupakan saluran yang digunakan mengalirakan air dari
reservoar atas menuju turbin. Panjang Penampang air adalah :
L
total= L
1+ L
2+ L
32.10 Saluran masuk (Inlet area)
Ada beberapa tipe dari saluran masuk (Inlet area), yaitu : saluran masuk
tipe involute, saluran masuk tipe ramp dan saluran masuk tipe scroll. Berbagai
tipe tersebut dimaksudkan untuk lebih memaksimalkan kinerja dari turbin.
Dengan konstruksi lubang masuk dengan tipe involute, saluran masuk tipe ramp
dan saluran masuk tipe scroll dapat mengurangi efek dari turbulensi yang terjadi
Gambar 3.1 Beberapa tipe dari lubang masuk (Inlet area)
Sumber :
METODELOGI PENELITIAN
3.1 Umum
Turbin pusaran air (vortex) merupakan turbin yang memanfaatkan pusaran
air sebagai media perantara energi terhadap sumbu vertikal sehingga terjadi
perbedaan tekanan antara bagian sumbu dan sekelilingnya. Turbin pusaran air
(vortex) ini dioperasikan pada daerah yang memiliki head yang rendah dan
memanfaatkan pusaran gravitasi air sehingga akan menimbulkan perbedaan
tekanan air dengan bagian sumbu.
Turbin pusaran air (vortex) merupakan salah satu turbin yang sangat spesial,
karena dapat beroperasi pada daerah yang memiliki head yang sangat rendah.
Turbin pusaran air (vortex) bekerja pada head rendah dengan ketinggian air jatuh
antara 0,7 m– 1,4 m. Sebagai simulasi atau pengkondisian dari air mengalir yang
berada di alam. Dalam uji eksperimental turbin vortex ini, dibuat turbin vortex,
adapun beberapa pekerjaan yang dilakukan adalah:
Pembuatan sudu dari bahan Seng.
Pembuatan poros dari bahan S45 C-D.
Pembuatan dudukan turbin dari bahan besi siku.
Pembuatan rumah turbin (casing) dari bahan akrilik .
Pembuatan saluran buang dari bahan akrilik
Ditambah beberapa instalasi yang mendukung turbin vortex. Adapun penambahan
beberapa instalasi yang dilakukan adalah:
Instalasi saluran perpipaan untuk air masuk.
Instalasi dudukan talang.
Instalasi dudukan pengujian Turbin vortex.
Instalasi saluran buangan air pada Turbin vortex.
Aliran air yang digunakan berasal dari tempat penampungan bawah yang terletak di bawah bak kemudian dipompakan ke talang oleh satu unit pompa
pengumpan. Aliran air yang mengalir melalui talang memiliki energi
potensial sehingga akan membentuk pusaran yang akan menggerakkan sudu
sudu akan keluar tepat dibawah turbin vortex melalui saluran buangan dari
rumah turbin (casing).
3.2 Rancang Bangun Instalasi
Rancang bangun instalasi uji eksperimental Turbin Vortex terdapat pada
rooftop lantai empat Teknik Mesin USU.
Adapun elemen yang meliputi perancangan turbin vortex adalah :
3.2.1 Rumah turbin ( casing )
Rumah turbin berbentuk lingkaran yang terbuat dari Akrilik dengan
diameter 0,9 m dan tingginya 1 m (diukur dari saluran keluaran
tempat penampungan bawah ke permukaan bak) dan memiliki
lubang saluran buang pada dasar bak.
Gambar 3.1 Casing Lingkaran
Poros yang digunakan terbuat dari bahan besi S45 C-D. Dengan
diameter 1,9 cm dan tinggi poros 1,50 m.
3.2.3 Sudu turbin
Sudu turbin ada 8 buah dengan tinggi sudu cm 0,9 m dan 3 variasi
lebar sudu. Ukuran – ukuran utama sudu roda jalan yang akan
dihitung terdiri dari beberapa bagian yaitu:
Diameter Sudu Roda Jalan Pada Sisi Masuk
Diameter sudu roda jalan sisi masuk (D1) dan diameter roda
jalan sisi keluar (D2) direncanakan adalah :
D1 = 0,46 m
D2 = 0,12 m
ϕ = 30o
Jarak Antara Sudu
Jarak antara sudu dapat ditentukan dengan persamaan :
L =
Dimana : D1 = Diameter sudu pada sisi masuk
z = Jumlah sudu (direncanakan 8)
maka :
L =
=
0,18 m Tebal Sudu Roda Jalan
Sudu roda jalan dalam perancangan ditentukan dengan
menggunaka bahan seng dengan ketebalan 0.20 mm.
Tinggi roda jalan dapat ditentukan dengan dengan persamaan :
Hrj = tinggi turbin – tinggi penampang
= 1 m – 0,10 m = 0,90 m
Gambar 3.2 Sudu Turbin Vortex
3.2.4 Bantalan ( bearing )
Bantalan yang digunakan adalah P204 dengan jumlah 2 buah dan
bantalan ini dibautkan di dudukan turbin.
Gambar 3.3 Bantalan
Dudukan turbin terbuat dari besi siku yang sudah dilas.
Gambar 3.4 Dudukan Turbin
3.2.6 Saluran Keluar
Saluran buang terbuat dari akrilik dan diletakkan di bagian tengah
dasar rumah turbin. Saluran buang yang digunakan adalah diameter
6 cm.
Gambar 3.5 Saluran Keluar
Talang yang digunakan terbuat dari plastik dengan panjang 2 m.
Pipa yang digunakan adalah pipa 2 inchi dengan panjang
keseluruhan 3,7 m.
Gambar 3.6 Instalasi Turbin Vortex Tampak Samping.
3.3
Peralatan Pengujian
3.3.1 Hand TachometerAlat ini digunakan untuk mengukur putaran (rpm) poros turbin vortex.
Dalam uji eksperimental turbin vortex pada debit, hand tachometer yang
digunakan adalah Krisbow KW06-303 dengan spesifikasi:
Ketelitian (akurasi) : ± 0,05% + 1 digit
Range : autorange
Sampling time : 0,8 s (over 60 rpm)
Gambar 3.7 Hand Tachometer.
Timbangan Pegas digunakan untuk mengukur besarnya
momen puntir (kilogram) yang dihasilkan melalui pulley pada poros
dengan cara melingkarkan tali pada pulley kemudian diikatkan ke
timbangan pegas. Dalam uji eksperimental turbin vortex pada debit,
timbangan pegas yang digunakan adalah PROHEX made in china
dengan spesifikasi 25 kilogram.
Gambar 3.8 Timbangan Pegas.
3.3.3 Pulley
Pulley digunakan untuk mengukur besarnya momen puntir
yang dihasilkan oleh putaran sudu melalui poros dengan cara
dihubungkan ketimbangan pegas menggunakan tali. Dalam uji
eksperimental turbin vortex pada debit, pulley yang digunakan
Gambar 3.9 Pulley.
3.3.4 Pompa
Pompa ini digunakan untuk mengumpankan air dari tempat
penampungan bawah ke talang. Dalam uji eksperimental turbin
vortex pada debit, pompa pengumpan yang digunakan adalah pompa
sentrifugal 2 (dua) inchi dengan daya motor penggerak (P) 0,75 kW,
keluaran air maksimal (Omaks) 311 L/min setelah melewati talang
sepanjang 2 meter.
3.4 Pelaksanaan Pengujian
Uji eksperimental turbin vortex dengan menggunakan jumlah sudu
sebanyak 8 sudu dilakukan di rooftop lantai empat, Departemen Teknik Mesin,
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Pengukuran-pengukuran yang
dilakukan tehadap penelitian ini meliputi:
1. Pengukuran putaran (rpm) poros turbin vortex dengan menggunakan Hand
Tachometer.
2. Pengukuran momen puntir (kilogram) dengan menggunakan Timbangan
Pegas.
Sebelum dilakukan pengujian turbin vortex dan pengambilan data, terlebih
dahulu dilakukan pemeriksaan (checking) terhadap beberapa instalasi dan
peralatan, yang meliputi:
1. Pemeriksaan debit air di dalam tempat penampungan bawah.
2. Pemeriksaan pipa penghubung antara pompa pengumpan dan talang.
3. Pemeriksaan poros turbin vortex serta pemberian pelumas pada bearing.
4. Pemeriksaan tali dan pulley.
5. Pemeriksaan pompa pengumpan.
Setelah prosedur pemeriksaan terhadap beberapa instalasi dan peralatan di
atas selesai dilakukan dan pemeriksaan dipastikan dalam kondisi standby, maka
prosedur pengujian pun dapat dimulai. Adapun prosedur pengujian uji
eksperimental turbin vortex dengan jumlah sudu 8 adalah sebagai berikut:
1. Pengujian pertama dilakukan pada rumah turbin (casing) berpenampang
2. Hidupkan pompa pengumpan.
3. Dilakukan monitoring terhadap ketinggian air di dalam rumah sudu
(casing).
4. Setelah ketinggian air di rumah sudu (casing) konstan, maka dilakukan
pengujian serta pengambilan data terhadap:
a. Pengukuran putaran (rpm) pada poros Turbin Vortex dengan
menggunakan Hand Tachometer.
b. Pengukuran momen puntir (kilogram) dengan menggunakan
Timbangan Pegas.
5. Pengukuran terhadap beberapa variabel di atas dilakukan terhadap
ketinggian antara sudu dengan lubang buang dengan jarak 2cm,4cm, dan
6cm dengan diameter saluran keluar 6cm.
6. Setiap pengambilan data dilakukan sebanyak sepuluh kali untuk
mendapatkan data pengujian yang lebih akurat.
Besaran-besaran yang diukur dan dicatat meliputi:
1. Putaran poros Turbin Vortex (rpm)
2. Momen Puntir Turbin Vortex (kilogram)
Dari besaran-besaran di atas dapat dihitung besaran turunan lainnya seperti:
1. Torsi Turbin Vortex
2. Daya Turbin Vortex
Flowchart Uji Eksperimental Turbin Vortex.
Survey tempat pengujian
akan dilakukan
Rancang bangun instalasi Uji eksperimental turbin vortex
Pengambilan data hasil pengujian Pelaksanaan pengujian
Perhitungan dan analisa hasil
pengujian
Penulisan laporan hasil pengujian
3.5 Penentuan Debit Aliran Air
Debit aliran air dalam rancangan ini ditentukan berdasarkan tekanan
pompa air serta luas penampang pipa. Dengan metode uji langsung sebanyak 10
kali.
Percobaan Liter/Menit
1 312
2 315
3 313
4 312
5 312
6 307
7 306
8 307
9 312
10 312
Tabel 3.1 Percobaan Aliran Debit Air Berdasarkan Tekanan Pompa Air.
Untuk mendapatkan nilai rata-rata debit air, dengan menggunakan rumus :
Q = q1 + q2 + q3 +...+ qn
Dimana :
Q = Debit rata-rata (m3/s)
Konversi satuan volume : ( 1 liter = 1 dm³ = 1.000 cm³ = 1.000.000 mm³ = 0.001
Maka :
Q = 312 +315 +313+312+312+307+306+307+312+312
= 310,8 liter/menit ≈ 311 ℓ/m
= 5,2 ℓ/s
= 5,2 dm3/s
= 0,0052 m3/s
3.6 Analisa Segitiga Kecepatan
Kecepatan air yang mengalir melalui sudu runner dan kecepatan tangensial
akibat perputaran runner akan membentuk hubungan segitiga kecepatan,
hubungan segitiga kecepatan ini dapat terjadi pada sisi masuk dan sisi keluar
runner. Penggunaaan segitiga kecepatan pada kontruksi runner dapat dilihat pada
gambar 3.11 berikut ini :
Keterangan gambar :
U = Kecepatan sekeliling roda jalan
V = Kecepatan absolud fluida
Vw = Kecepatan air memutar roda jalan
Vr = Kecepatan relatif fluida
Vf = Kecepatan aliran
α
= Sudut yang dibuat oleh kecepatan absolud dengan kecepatan tangensialθ = sudut yang terbentuk oleh kecepatan relatif dengan kecepatann tangensial
V2, Vw2, Vr2, Vf2,β dan ϕ = Nilai- nilai yang sesuai pada sisi keluar.
- Kecepatan segitiga pada inlet akan menjadi garis lurus di mana :
Vr1 = V1 – U1 = V1 – U
Vw1 = V1
α = 0 dan θ = 0
- Dari segitiga kecepatan pada outlet, dimana :
Vr2 = KVr1
Dimana, K = sudu gesekan co-efisien, sedikit kurang dari satu. Idealy ketika
permukaan casing yang sangat halus dan kerugian energi akibat dampak di splitter
diabaikan, k = 1
Kekuatan yang diberikan oleh air dalam arah gerakan diberikan sebagai
F = ρaV1(Vw1 + Vw2)
Energi yang masuk pada inlet adalah dalam bentuk energi kinetik : mV1
Energi kinetik (E.K) dari penampang per kedua = (ρaV1)V1
Efisiensi hidrolik,
ɳh
==
=
Dari inlet dan outlet segitiga kecepatan :
Vw1 = V1
Vr1 = V1 – u1 = V1 – u
Vw2 = Vr2 cos ϕ – u2 = Vr2 cos ϕ – u = KVr1 cos ϕ – u = K(V1 – u) cos ϕ – u
Substitusikan nilai-nilai Vw1 and Vw2 :
ɳh
==
Efisiensi hidrolik akan maksimum untuk memberikan nilai V1:
(ɳh) = 0
= 0
x (V1u – u2) = 0
V1 – 2u = 0 or u =
3.6.1 Analisa Segitiga Kecepatan Pada Sisi Masuk
- Kecepatan absolut pada sisi masuk (V1)
V1 =
=
= 2.70 m/s
- Kecepatan sekeliling roda jalan pada sisi masuk (U1)
U1 =
= 1.35
- Kecepatan relatif pada sisi masuk (Vr1)
Vr1 = V1 – U
= 2.70 – 1.35
= 1.35 m/s
- Kecepatan air memutar roda jalan (Vw1)
Vw1 = V1 = 2.70 m/s
Karena air bergerak dalam arah yang sama seperti di baling-baling, Oleh
karena itu segitiga kecepatan pada sisi masuk akan menjadi garis lurus, seperti
pada gambar 3.4
3.6.2 Analisa Segitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar
Karena sudu licin, sehingga analisa segitiga pada sisi keluar :
- Kecepatan relatif pada sisi keluar (Vr2)
Vr2 = Vr1 = 1.35 m/s
- Kecepatan sekeliling roda pada sisi keluar (V2)
- Kecepatan air memutar roda pada sisi keluar (Vw2)
Vw2 = Vr2 cos ϕ – u
= 1.35 cos 60 – 1.35
= - 0.67 m/s
- Kecepatan air keluar (Vf2)
Vf2 = V2 sin
ϕ
= 2.70 . sin 60
= 2.33 m/s
Dari hasil perhitungan diatas maka dapat digambar segitiga kecepatan pada sisi
keluar roda jalan seperti pada gambar 3.4
Gambar 3.12 Segitiga kecepatan pada sisi masuk dan sisi keluar.
BAB IV
4.1 PERHITUNGAN EFISIENSI TURBIN VORTEX RUMAH SUDU (CASING) BERPENAMPANG LINGKARAN DENGAN DIAMETER SALURAN KELUAR 6 CM (DENGAN KETINGGIAN ANTARA SUDU DENGAN LUBANG BUANG 2, 4, 6 CM)
Rumah Turbin Lingkaran
sudu = 2 ,Do = 6
Putaran (min-max)(rpm) Tinggi air (min-max)(Cm)
Tabel 4.1 Nilai Laju Aliran Massa pada jarak antara Sudu
4.1.1 EFISIENSI TURBIN VORTEX DENGAN JARAK ANTARA SUDU DENGAN SALURAN KELUAR KETINGGIAN 2 CM
Daya air ;
= 18.954 watt
Kecepatan sudut (ω) ;
ω = 2
=
= 6.6254 rad/s
Maka daya turbin ;
PT = T . ω
=1.53 Nm . 6.6254 rad/s
= 10.13686 watt
Sehingga Efisiensi Turbin adalah ;
=
= 53.48138 %
Dengan cara yang sama maka di dapat data sebagai berikut :
Rumah Turbin Lingkaran
ω (Rad/s) Torsi
9.273466667 0.45 4.17306 18.954 22.01677746
8.771066667 0.63 5.525772 18.954 29.15359291
8.331466667 0.9 7.49832 18.954 39.56062045
7.5046 1.35 10.13121 18.954 53.45156695
6.6254 1.53 10.136862 18.954 53.48138651
4.322733333 1.8 7.78092 18.954 41.05159861
3.223733333 2.07 6.673128 18.954 35.20696423
2.2922 2.25 5.15745 18.954 27.21035138
1.140866667 2.43 2.772306 18.954 14.62649573
Tabel 4.2 Hasil perhitungan percobaan pada jarak antara sudu dengan saluran keluar ketingggian 2 cm.
Gambar 4.1 Grafik Torsi vs Efisiensi pada jarak sudu
dengan saluran keluar ketinggian 2cm.
Dari gambar 4.1 Torsi vs Efisiensi didapat hubungan antara Torsi dengan
Efisiensi, dimana torsi yang digunakan mulai dari 0 sampai 2.43 Nm (turbin
pada ketinggian 2cm jarak antara sudu dengan lubang buang adalah sebesar
53.48138 %.
Gambar 4.2 Grafik Torsi vs Kecepatan sudut (ω) pada jarak sudu
dengan saluran keluar Ketinggian 2cm.
Dari gambar 4.2 Torsi vs Kecepatan sudut (ω), didapat hubungan antara
Kecepatan sudut (ω) dengan Torsi dimana torsi yang digunakan mulai dari 0
sampai 2.43 Nm (turbin berhenti). Sehingga didapat hasil grafik di atas adalah
semakin besar torsi yang digunakan semakin kecil putaran yang diperoleh. Dan
sebaliknya semakin kecil torsi yang digunakan semakin besar putaran yang
Gambar 4.3 Grafik Kecepatan sudut (ω) vs Daya Turbin pada jarak sudu
dengan saluran keluar Ketinggian 2cm
Dari gambar 4.3 Kecepatan sudut (ω) vs Daya di dapat hubungan antara
Kecepatan sudut (ω) dengan Daya turbin. Dari grafik di atas di dapat data bahwa
daya turbin maksimum di dapat pada putaran 6.6254 rad/s.
4.1.2 EFISIENSI TURBIN VORTEX DENGAN JARAK ANTARA SUDU DENGAN SALURAN KELUAR KETINGGIAN 4 CM
Daya Air ;
Pair = 18.954 watt
Kecepatan sudut (ω) ;
ω = 2
Maka daya turbin;
PT = T . ω
= 1.8 Nm . 6.76146 rad/s
= 12.17064 watt
Sehingga Efisiensi Turbin adalah
=
= 64.21145 %
Dengan cara yang sama maka di dapat data sebagai berikut :
Rumah Turbin Lingkaran
9.399066667 0.45 4.22958 18.954 22.31497309
9.032733333 0.63 5.690622 18.954 30.02333017
8.394266667 0.9 7.55484 18.954 39.85881608
7.766266667 1.35 10.48446 18.954 55.31528965
7.263866667 1.53 11.113716 18.954 58.63520101
6.761466667 1.8 12.17064 18.954 64.21145932
5.128666667 2.07 10.61634 18.954 56.01107946
3.495866667 2.25 7.8657 18.954 41.49889205
1.747933333 2.43 4.247478 18.954 22.40940171
Tabel 4.3 Hasil perhitungan percobaan pada jarak antara sudu dengan saluran
