Uji Performansi Turbin Pelton Dengan 24 Sudu Pada Head 9,41 Meter Dengan Menggunakan Satu Nosel Dan Analisa Perbandingan Menggunakan Variasi Bentuk Sudu

(1)

UJI PERFORMANSI TURBIN PELTON

DENGAN 24 SUDU PADA HEAD 9,41 METER

DENGAN MENGGUNAKAN SATU NOSEL

DAN ANALISA PERBANDINGAN MENGGUNAKAN

VARIASI BENTUK SUDU

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

MAY MARTIN SITUMORANG

NIM. 080401051

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

UJI PERFORMANSI TURBIN PELTON

DENGAN 24 SUDU PADA HEAD 9,41 METER

DENGAN MENGUNKAN SATU NOSEL

DAN ANALISA PERBANDINGAN DENGAN MENGUNAKAN

VARIASI BENTUK SUDU

MAY MARTIN SITUMORANG NIM. 08 0401 051

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

ABSTRAK

Penelitian ini bertujuan untuk meneliti Turbin Pelton untuk Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) dengan variasi bentuk sudu dan variasi bukaan katup. Variasi bentuk sudu yang digunakan adalah bentuk sudu mangkok dan bentuk sudu setengah silinder sedangkan variasi bukaan katupnya adalah 60o_{, 75}o_{, 90}o_{. Langkah}_-_{langkah yang dilakukan dalam penelitian ini}

meliputi, perancangan, pembuatan, dan pengujian menggunakan dinamometer untuk mengetahui karakteristik turbin. Turbin yang diuji memiliki nosel tunggal, dengan jumlah sudu 24 buah. Dari data pengujiaan pada sudu mangkok maupun sudu setengah silinder memiliki kecenderungan yang sama pada karakteristik grafiknya. Tetapi daya dan efisiensi yang dihasilkan turbin pada sudu mangkok lebih besar dibandingkan dengan sudu setengah silinder yaitu sebesar 112,99 Watt dan 55,92 % pada sudu mangkok dan sebesar 73,49 Watt dan 36,37 % pada sudu setengah silinder.

(12)

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kehadiran Tuhan Yang Maha Esa karena atas berkat dan karunia-Nya penulis akhirnya dapat menyelesaikan skripsi ini dengan judul “UJI PERFORMANSI TURBIN PELTON DENGAN 24 SUDU PADA HEAD 9,41 METER DENGAN MENGGUNAKAN SATU NOSEL DAN ANALISA PERBANDINGAN MENGGUNAKAN VARIASI BENTUK

SUDU”.

Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub Bidang Konversi Energi, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi penulis, namun berkat dorongan, semangat, doa dan bantuan baik materil maupun moril dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Oleh karena itu dengan penuh ketulusan hati penulis mengucapkan terima kasih kepada :

1. Bapak Ir. Tekad Sitepu selaku dosen pembimbing, yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.

2. Bapak Dr. Ing. Ir Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

3. Bapak Ir. M. Syahril Gultom MT. Selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

4. Bapak Ir. M. Syahril Gultom MT selaku dosen pembanding I dan dan Bapak Dr. Ing. Ir Ikhwansyah Isranuri selaku dosen pembanding II yang memberikan masukan kepada penulis.

5. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin yang telah berjasa membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis kuliah.

6. Kedua orang tua penulis, J. Situmorang dan R. br Sitorus yang sangat berjasa memberikan bantuan dan dorongan dalam bentuk apapun dan tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan, doa serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.

(13)

8. Rekan-rekan satu tim kerja, Frans Ade P. Tampubolon, Bernardus L. Gaol, Bona Halasan Nababan yang telah bersama-sama untuk menyelesaikan skripsi ini.

9. Teman-teman seperjuangan dari Tim HORAS, Tim Vortex, Tim NACA, Tim Hidram, dan Tim Pengering yang turut membantu dan mendukung untuk menyelesaikan skripsi ini.

10. Rekan-rekan mahasiswa stambuk 2008 yang tidak mungkin disebutkan satu -persatu, para abang senior dan adik-adik junior semua yang telah mendukung dan memberi semangat kepada penulis.

Penulis menyadari bahwa mungkin ada beberapa kesalahan dan kekeliruan dalam penulisan skripsi ini. Oleh karena itu penulis akan sangat berterima kasih dan dengan senang hati menerima kritik dan saran yang membangun untuk memperbaiki skripsi ini untuk kepentingan ilmu pengetahuan.Semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca dan akhir kata Penulis mengucapkan banyak terima kasih.

Medan, April 2013

(14)

DAFTAR ISI

ABSTRAK ... i

KATA PENGANTAR ... ii

DAFTAR ISI ... iv

DAFTAR TABEL ... vii

DAFTAR GAMBAR ... vii

DAFTAR SIMBOL ... ix

AKSARA YUNANI ... xii

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Maksud dan Tujuan Penelitian ... 3

1.3 Batasan Masalah ... 4

1.4 Metodologi Penelitian ... 4

1.5 Keluaran Skripsi ... 5

1.6 Sistematika Penulisan... 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1Turbin Air ... 7

2.1.1 Klasifikasi Turbin Air ... 8

2.1.2 Perbandingan Karakteristik Turbin Air ... 13

2.1.3 Head Turbin ... 15

2.2Turbin Pelton ... 19

(15)

2.2.2 Karakteristik Grafik Turbin Pelton ... 23

2.3Karakteristik Turbin Pelton Yang Digunakan... 25

2.4Dinamometer ... 26

2.5Efisiensi Turbin (

�

_� ) ... 27

BAB III METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN 3.1 Umum... 29

3.2 Pengujian Turbin Pelton ... 30

3.3 Rancang Bangun Instalasi ... 36

3.4 Peralatan Pengujian ... 37

3.4.1 Hand Tachometer ... 37

3.4.2 Meteran ... 38

3.4.3 Flow Meter Digital ... 39

3.4.4 Pompa Pengumpan ... 40

3.5 Pelaksanaan Pengujian ... 41

BAB IV HASIL DAN ANALISA PENGUJIAN 4.1 Perhitungan Efisiensi Turbin Pelton Pada Head 9,41 Meter Denagn Menggunakan Satu Nosel (Bukaan Nosel 90º) Dengan Menggunakan 24 Sudu Mangkok ... 45

4.2 Grafik Hasil Pengujian Dengan 24 Sudu Mangkok Bukaan Katub 90° ... 53

4.3 Perhitungan Efisiensi Turbin Pelton Pada Head 9,41

Meter Denagn Menggunakan Satu Nosel

(16)

Dengan Menggunakan 24 Sudu Mangkok ... 55

4.4 Grafik Hasil Pengujian Dengan 24 Sudu Mangkok

Bukaan Katub 75° ... 62

4.5 Perhitungan Efisiensi Turbin Pelton Pada Head 9,41

(Bukaan Nosel 60º)

Dengan Menggunakan 24 Sudu Mangkok ... 64 4.6 Grafik Hasil Pengujian Dengan 24 Sudu Mangkok

Bukaan Katub 60° ... 71 4.7 Perhitungan Efisiensi Turbin Pelton Pada Head 9,41

(Bukaan Nosel 90º)

Dengan Menggunakan 24 Sudu Setengah Silinder ... 73 4.8 Grafik Hasil Pengujian Dengan 24 Sudu Setengah

Silinder Bukaan Katub 90° ... 76 4.9 Perhitungan Efisiensi Turbin Pelton Pada Head 9,41

(Bukaan Nosel 75º)

Dengan Menggunakan 24 Sudu Setengah Silinder ... 78 4.10 Grafik Hasil Pengujian Dengan 24 Sudu Setengah

Silinder Bukaan Katub 75° ... 81

(17)

(Bukaan Nosel 60º)

Dengan Menggunakan 24 Sudu Setengah Silinder ... 83

4.12 Grafik Hasil Pengujian Dengan 24 Sudu Setengah

Silinder Bukaan Katub 60° ... 86

4.13 Grafik Perbandingan Hasil Pengujian Turbin

Dengan 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katub

60°,75°,90° ... 89 4.14 Grafik Perbandingan Hasil Pengujian Turbin

Dengan 24 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katub

60°,75°,90° ... 92 4.15 Grafik Karakteristik Turbin Pelton Sudu Mangkok ... 95 4.16 Grafik Karakteristik Turbin Pelton Sudu Setengah

Silinder ... 98

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan ... 101 5.2 Saran... 103

DAFTAR PUSTAKA

(18)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Kecepatan Spesifik Turbin ... 14

Tabel 2.2 Kecepatan Spesifik (� ) ... 19

Tabel 4.1 Head Losses Minor pada Pipa 4 inci. ... 47

Tabel 4.2 Head Losses Minor pada Pipa 2 inci. ... 48

Tabel 4.3 Tabel Hubungan Antara Beban dengan Efisiensi Turbin 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 90º ... 52

Tabel 4.4 Head Losses Minor pada Pipa 4 inci ... 57

Tabel 4.10 Tabel Hubungan Antara Beban dengan Efisiensi Turbin 24 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 90º ... 75

Tabel 4.12 Tabel Hubungan Antara Beban dengan Efisiensi Turbin 24 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 60º ... 84

(19)

Gambar 2.1 Turbin Cross Flow ... 9

Gambar 2.2 Turbin Pelton ... 10

Gambar 2.3 Turbin Francis ... 12

Gambar 2.4 Turbin Propeler ... 13

Gambar 2.5 Perbandingan Karakteristik Turbin ... 14

Gambar 2.6 Daerah penggunaan dari beberapa jenis konstruksi turbin yang berbeda ... 15

Gambar 2.7 Diagram Bernoulli Untuk Turbin Air. ... 17

Gambar 2.8 Runner Turbin Pelton. ... 20

Gambar 2.9 Sudu (Bucket). ... 21

Gambar 2.10 Nosel. ... 22

Gambar 2.11 Rumah Turbin Pelton. ... 22

Gambar 2.12 Gambar Debit vs Efisiensi (Q vs ɳ). ... 23

Gambar 2.13 Gambar Daya vs Efisiensi (P vs ɳ). ... 24

Gambar 2.14 Gambar Kecepatan Turbin vs Daya Turbin (rpm vs P). ... 24

Gambar 2.15 Gambar Kecepatan Turbin vs Efisiensi (rpm vs ɳ). ... 25

Gambar 2.16 Dinamo Meter. ... 27

Gambar 3.1 Sudu dan Runner Turbin Pelton Sebelum Dirakit. ... 31

Gambar 3.2 Turbin Pelton Setelah Dirakit. ... 31

Gambar 3.3 Instalasi Pipa untuk Turbin Pelton. ... 37

Gambar 3.4 Hand Tachometer ... 38

Gambar 3.5 Meteran. ... 38

Gambar 3.6 Flow Meter Digital ... 40

Gambar 3.7 Pompa Pengumpan ... 40

Gambar 4.1 Grafik Beban (N) vs Efisiensi (% 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 90º ... 53

Gambar 4.2 Grafik Beban (N) vs Putaran (rpm) 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 90º ... 54

(20)

Gambar 4.4 Grafik Beban (N) vs Efisiensi Turbin (%) 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 75º. ... 62 Gambar 4.5 Grafik Beban (N) vs Putaran Turbin (rpm) 24 Buah Sudu Mangkok

Bukaan Katup 75º ... 63 Gambar 4.6 Grafik Putaran Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) 24 Buah Sudu

Mangkok Bukaan Katup 75º. ... 64 Gambar 4.7 Grafik Beban (N) vs Efisiensi Turbin (%) 24 Buah Sudu Mangkok

Bukaan Katup 60º. ... 71 Gambar 4.8 Grafik Beban (N) vs Putaran Turbin (rpm) 24 Buah Sudu Mangkok

Bukaan Katup 60º. ... 72 Gambar 4.9 Grafik Putaran Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) 24 Buah Sudu

Mangkok Bukaan Katup 60º ... 73 Gambar 4.10 Grafik Beban (N) vs Efisiensi Turbin (%) 24 Buah Sudu Setengah

Silinder Bukaan Katup 90º ... 76 Gambar 4.11 Grafik Beban (N) vs Putaran Turbin (rpm) 24 Buah Sudu Setengah

Silinder Bukaan Katup 90º. ... 77 Gambar 4.12 Grafik Putaran Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) 24 Buah Sudu

Setengah Silinder Bukaan Katup 90º. ... 78 Gambar 4.13 Grafik Beban (N) vs Efisiensi Turbin (%) 24 Buah Sudu Setengah

Silinder Bukaan Katup 75º. ... 81 Gambar 4.14 Grafik Beban (N) vs Putaran Turbin (rpm) 24 Buah Sudu Setengah

Setengah Silinder Bukaan Katup 75º. ... 83 Gambar 4.16 Grafik Beban (N) vs Efisiensi Turbin (%) 24 Buah Sudu Setengah

Silinder Bukaan Katup 60º. ... 86 Gambar 4.17 Grafik Beban (N) vs Putaran Turbin (rpm) 24 Buah Sudu Setengah

Setengah Silinder Bukaan Katup 60º. ... 88 Gambar 4.19 Grafik Perbandingan Beban (N) vs Efisiensi Turbin (%) 24 Buah

(21)

Gambar 4.20 Grafik Perbandingan Beban (N) vs Putaran Turbin (rpm) 24 Buah Sudu Mangkok Pada Bukaan 60º, 75º, 90º. ... 90 Gambar 4.21 Grafik Perbandingan Putaran Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) 24

Buah Sudu Mangkok Pada Bukaan 60º, 75º, 90º. ... 91 Gambar 4.22 Grafik Perbandingan Beban (N) vs Efisiensi Turbin (%) 24 Buah

Sudu Setengah Silinder Pada Bukaan 60º, 75º, 90º ... 92 Gambar 4.23 Grafik Perbandingan Beban (N) vs Putaran Turbin (rpm) 24 Buah

Sudu Setengah Silinder Pada Bukaan 60º, 75º, 90º ... 93 Gambar 4.24 Grafik Perbandingan Putaran Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) 24

Buah Sudu Setengah Silinder Pada Bukaan 60º, 75º, 90º ... 93 Gambar 4.25 Grafik Karakteristik Debit (Q) vs Efisiensi Maksimal Turbin (%)

Sudu Mangkok. ... 95 Gambar 4.26 Grafik Karakteristik Daya Air (W) vs Efisiensi Turbin (%) Sudu

Mangkok. ... 95 Gambar 4.27 Grafik Karakteristik Kecepatan Turbin (rpm) vs Efisiensi Turbin (W)

Sudu Mangkok. ... 96 Gambar 4.28 Grafik Karakteristik Kecepatan Turbin (rpm) vs Efisiensi Turbin (%)

Sudu Mangkok. ... 97 Gambar 4.29 Grafik Karakteristik Debit (Q) vs Efisiensi Maksimal Turbin (%)

Sudu Setengah Silinder. ... 98 Gambar 4.30 Grafik Karakteristik Daya Air (W) vs Efisiensi Turbin (%) Sudu

Setengah Silinder. ... 99 Gambar 4.31 Grafik Karakteristik Kecepatan Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W)

Sudu Setengah Silinder. ... 99 Gambar 4.32 Grafik Karakteristik Kecepatan Turbin (rpm) vs Efisiensi Turbin (%)

Sudu Setengah Silinder... 100

DAFTAR SIMBOL

(22)

m Massa kg g Kecepatan gravitasi bumi 9,81 m/s z Selisih ketinggian m

P Tekanan absolut N/m2

V Kecepatan m/s

Hl Head loses pada pipa m

Heff Head efektif m

Q Debit aliran m3/s

V Kecepatan aliran m/s

A Luas penampang pipa m2

n Kecepatan turbin rpm

P Daya Turbin kW

Ns Putaran spesifik rpm

H Tinggi air jatuh m

d Diameter pancaran air nosel m U Kecepatan tangensial m/s

b Lebar sudu m

h Tinggi sudu m

t Kedalaman sudu m

�� Daya air watt

Daya turbin watt

F Beban N

l Panjang lengan dinamo meter m

ω Kecepatan sudut rad/s

C Koefisien kerugian pipa -

ℎ Head losses mayor m

ℎ Head losses minor m

Ƭ Torsi Nm

(23)

LAMBANG ARTI SATUAN

� Efisiensi turbin %

γ (gamma) Berat Jenisa N/m3 ρ (rho) Massa Jenis kg/m3

(24)

ABSTRAK

Penelitian ini bertujuan untuk meneliti Turbin Pelton untuk Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) dengan variasi bentuk sudu dan variasi bukaan katup. Variasi bentuk sudu yang digunakan adalah bentuk sudu mangkok dan bentuk sudu setengah silinder sedangkan variasi bukaan katupnya adalah 60o_{, 75}o_{, 90}o_{. Langkah}_-_{langkah yang dilakukan dalam penelitian ini}

meliputi, perancangan, pembuatan, dan pengujian menggunakan dinamometer untuk mengetahui karakteristik turbin. Turbin yang diuji memiliki nosel tunggal, dengan jumlah sudu 24 buah. Dari data pengujiaan pada sudu mangkok maupun sudu setengah silinder memiliki kecenderungan yang sama pada karakteristik grafiknya. Tetapi daya dan efisiensi yang dihasilkan turbin pada sudu mangkok lebih besar dibandingkan dengan sudu setengah silinder yaitu sebesar 112,99 Watt dan 55,92 % pada sudu mangkok dan sebesar 73,49 Watt dan 36,37 % pada sudu setengah silinder.

(25)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANG

Kebutuhan akan energi hampir semua negara meningkat secara sinigfikan. Tetapi jika dilihat dari energi yang dapat dihasilkan sangat terbatas dan juga masih sangat mahal untuk mendapatkannya. Hal ini mengakibatkan krisis energi yang melanda dunia dewasa ini telah menarik perhatian para ahli untuk menemukan sumber-sumber energi baru yang lebih murah,yang tersedia dalam jumlah yang besar. Hal ini berkaitan dengan semakin banyak dan meningkatnya pemakaian penggunaan energi. Sumber energi yang sudah lazim dipergunakan adalah sumber energi minyak bumi, gas alam dan batubara, sedangkan sumber energi air, panas bumi, panas matahari dan nuklir maasih terus dikembangkan. Sebagaimana yang telah kita ketahui bahwa persedian sumber energi minyak bumi, gas alam dan batu bara sangat terbatas yang demikian apabila secara terus menerus kita gunakan sumber energi tersebut, maka suatu saat sumber energi tersebut akan habis, disamping kecenderungan melonjaknya harga sumber energi yang dimaksud. Faktor inilah yang menjadi tantangan bagi para ilmuwan dan teknisi untuk menjauhkan diri dari ketergantungan terhadap minyak bumi, gas alam dan batubara.

Dapat dimengerti bahwa jika banyak kasus tersedianya energi dengan harga murah telah mengakibatkan pemakaian yang tidak effisien dan dibeberapa tempat

menyebabkan terjadinya kerusakan lingkungan (ekologi). Dari penelitian- penelitian yang telah dilakukan dapatlah disimpulkan bahwa salah satu sumber

(26)

PLTMH adalah singkatan dari Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, yaitu pembangkit listrik skala kecil ( kurang dari 200 kW ), yang memanfaatkan tenaga air sebagai sumber penghasil energi. PLTMH termasuk sumber energi terbarukan dan layak disebut clean energy karena ramah lingkungan. Dari segi teknologi PLTMH dipilih karena konstruksinya sederhana, mudah dioperasikan, serta mudah dalam perawatan dan penyediaan suku cadang. Secara ekonomi biaya operasi dan dan perawatannya relative murah, sedangkan biaya investasinya cukup bersaing dengan pembangkit listrik lainnya. Secara sosial, PLTMH mudah diterima masyarakat luas (bandingkan dengan PLT Nuklir). PLTMH biasanya dibuat dalam skala desa di daerah-daerah terpencil yang belum mendapatkan listrik dari PLN. Tenaga air yang digunakan dapat berupa aliran air pada sistem irigasi, sungai yang dibendung atau air terjun.

Keuntungan dari pengembangan PLTMH bagi masyarakat pedesaan dan desa terpencil antara lain:

1. Lokasi sumber daya air untuk PLTMH pada umumnya berada di

wilayah pedesaan dan desa terpencil yang belum terjangkau jaringan listrik.

2. Penggunaan energi konvensional, seperti batu bara untuk pembangkit tenaga listrik di wilayah ini akan memerlukan biaya yang tinggi karena adanya tambahan biaya transportasi bahan bakar.

3. Mengurangi ketergantungan pada penggunaan bahan bakar fosil.

4. Meningkatkan kegiatan perekonomian, sehingga diharapkan dapat

menambah penghasilan masyarakat.

(27)

dibangun pembangkit listrik tenaga mikro hidro, tetapi terkendala oleh teknologi dan biaya.

Berdasarkan keseluruhan uraian di atas menunjukkan bahwa pembangkit listrik tenaga mikro hidro sangat sesuai digunakan di Indonesia. Potensi ini sangat banyak dan tidak digunakan dengan maksimal. Oleh karena itu, untuk mendapatkan manfaat dari sumber energi yang terbuang ini sangat dibutuhkan pengembangan teknologi PLTMH. Karena melihat potensi yang ada pengembangan teknologi ini bisa menjadi salah satu terobosan dalam memenuhi kebutuhan listrik di pedesaan dan desa terpencil sehingga ini melatarbelakangi skripsi ini.

1.2 MAKSUD DAN TUJUAN PENELITIAN

Adapun tujuan dari penelitian ini adalah: 1) Tujuan Umum

Mengetahui karakteristik gambar turbin pelton dan membandingkan teori karakteristik gambar dengan hasil yang didapatkan. Adapun karektistik gambar turbin pelton diantaranya:

1. Debit vs Efisiensi Turbin 2. Daya Air vs Efisiensi Turbin 3. Kecepatan Turbin vs Daya Turbin 4. Kecepatan Turbin vs Efisiensi Turbin

2) Tujuan Khusus

Adapun tujuan khusus dari pengujian turbin pada head 9,41 meter, menggunakan satu buah nosel, jumlah sudu 24 buah, bentuk mangkok dan setengah silinder adalah :

1. Merancang bangun instalasi dan pengujian yang dapat digunakan untuk menguji turbin pelton saat beroperasi. Sistem pengujian ini direncanakan pada head 9,41 meter, menggunakan satu buah nosel, jumlah sudu 24 buah, bentuk sudu (mangkok dan setengah silinder) dengan variasi bukaan katub 60°, 75°, dan 90°.

(28)

pembangkit listrik tenaga mikrohidro (PLTMH). Dengan pengujian ini didapatkan data – data dalam kondisi di lapangan dimana kondisi pengujian turbin pelton pada head 9,41 meter, menggunakan satu buah nosel, jumlah sudu 24 buah, bentuk sudu (mangkuk dan setengah silinder) dengan variasi bukaan katub 60°, 75°, dan 90°.

1.3 BATASAN MASALAH

Karena luasnya permasalahan ini, maka pengujian ini dibatasi pada:

1. Pengujian turbin pelton terhadap penggunaan jumlah sudu 24 buah, bentuk sudu mangkok dan setengah silinder dan variasi bukaan katub 60°, 75°, dan 90° dengan spesifikasi head (H) 9,41 meter dengan menggunakan satu buah nosel.

2. Pengujian perilaku turbin pelton dengan parameter putaran turbin (rpm), debit air (L/s) torsi poros turbin (Nm), terhadap pembebanan tanpa beban, 1 Newton sampai dengan poros turbin berhenti (0 rpm).

1.4 METODOLOGI PENELITIAN

1. Studi Literatur

Berupa studi kepustakaan dengan mempelajari buku-buku, jurnal-jurnal, artikel maupun karya-karya ilmiah yang terkait, baik yang bersumber dari media cetak, elektronik maupun dari internet.

2. Diskusi Interaktif

Melakukan diskusi dalam bentuk tanya-jawab antara mahasiswa dan dosen pembimbing menyangkut hal-hal yang berkaitan dengan rancang bangun instalasi ini serta memecahkan permasalahan yang dihadapi secara bersama.

3. Rancang Bangun Instalasi Dan Alat Penelitian

(29)

perpipaan dan instalasi transmisi poros penghubung antara poros turbin dengan poros dynamo meter.

4. Pengujian dan Pengambilan Data

Pengujian dilakukan beberapa kali (tiga kali pengujian dan pengambilan data) yang meliputi putaran poros turbin (rpm), debit air (L/s), dan torsi poros turbin sehingga data yang diperoleh lebih akurat.

5. Evaluasi

Melakukan evaluasi akhir dalam bentuk kesimpulan dan saran serta revisi dari hasil proses penelitian rancang bangun instalasi pembangkit listrik mikro hidro menggunakan turbin pelton yang telah dilakukan.

1.5 KELUARAN SKRIPSI

Keluaran skripsi ini diharapkan akan menghasilkan:

1. Alat pengujian Turbin Pelton yang dapat dioperasikan dengan penggunaan satu buah nosel, penggunaan 24 buah sudu dengan bentuk ( mangkok dan setengah silinder ) pada bukaan katub 60°, 75°, 90°, dan penggunaan pada head 9,41 meter.

2. Buku skripsi akan digunakan sebagai salah satu syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik dari Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

1.6 SISTEMATIKA PENULISAN

Laporan ini adalah buku skripsi yang terdiri atas beberapa bab, yaitu: 1. BAB I : Pendahuluan yang meliputi latar belakang penulisan,

maksud dan tujuan penulisan, batasan masalah, metodologi penelitian, keluaran skripsi serta sistematika penulisan.

2. BAB II : Tinjauan pustaka yang berisi teori dasar turbin air, turbin pelton dan dinamo meter.

(30)

4. BAB IV : Hasil pengujian dan analisa. 5. BAB V : Kesimpulan dan saran. 6. DAFTAR PUSTAKA

(31)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 TURBIN AIR

Turbin air termasuk dalam kelompok mesin-mesin fluida yaitu, mesin-mesin yang berfungsi untuk merubah energi fluida (energi potensial dan energi kinetis air) menjadi energi mekanis atau sebaliknya. Berdasarkan pengertian diatas maka, mesin-mesin fluida dapat dibagi atas 2 (dua) golongan yaitu : mesin-mesin tenaga (penggerak). Mesin ini berfungsi untuk merubah energi fluida menjadi energi mekanis pada poros. misalnya : turbin air, turbin uap, turbin gas, kincir air, kincir angin dan lainnya. Pompa, Kompresor, Blower, fan dan lain-lain berfungsi untuk mengubah energi mekanis pada poros menjadi energi fluida (energi potensial dan energi kinetis).

Kata "turbine" ditemukan oleh seorang insinyur Perancis yang bernama Claude Bourdin pada awal abad 19, yang diambil dari terjemahan bahasa Latin dari kata "whirling" (putaran). Perbedaan dasar antara turbin air awal dengan kincir air adalah komponen putaran air yang memberikan energi pada poros yang berputar. Komponen tambahan ini memungkinkan turbin dapat memberikan daya yang lebih besar dengan komponen yang lebih kecil. Turbin dapat memanfaatkan air dengan putaran lebih cepat dan dapat memanfaatkan head yang lebih tinggi. (Untuk selanjutnya dikembangkan turbin impulse yang tidak membutuhkan putaran air).

(32)

PLTA yang dibuat itu kemudian diikuti oleh Negara lain seperti Eropa, Amerika dan Negara lainnya. Para ahli yakin bahwa kincir air mulai digunakan sekitar 500 tahun sebelum digunakannya di negara India. Baru kemudian tepatnya pada abad ke-18 kincir air mengalami perkembangan yang sangat pesat dan dapat diubah menjadi turbin air. Kemajuan yang sangat pesat dari turbin air dilakukan oleh Prancis. Tepatnya tahun 1855 Prancis berhasil membuat turbin dan meraih sukses pada tahun 1910.

Turbin Francis mempunyai poros tegak dengan ukuran yang besar, sedangakan dengan ukuran yang kecil dengan ukuran mendatar. Turbin Francis memakai roda propeller atau runner yang dapat berputar secara bebas. Awal mula yang membawa kesuksesan Francis adalah pelton yang telah membangun turbin aksi pada tahun 1870.

Pelton membangun turbin dengan ketinggian jatuh air yang besar. Pemasukan air yang melalui saluran yang kemudian oleh pipa pesat (penstock) air tersebut dirubah menjadi kecepatan tinggi dan langsung menemukan sudu jalan. Sudu-sudu jalan dari turbin pelton berua bucket atau ember atau sekop yang dibuat runcing pada sisi sebelah luarnya. Turbin pelton memanfaatkan kecepatan air yang keluar dari pipa pesat, sehingga turbin ini termasuk aksi. Hampir 95% tenaga air yang diberikan menjadi kinetis. Dewasa ini makin banyak terlihat penggunaan PLTA, dimana penggunaan airnya dipompa ke atas pada waktu bebannya rendah. Sistem ini sangat menguntungkan untuk memenuhi kebutuhan akan tenaga listrik. Sedangakan perkembangan lain adalah pembangunan PLTA di bawah tanah. Hampir semua pembangunan waduk PLTA digunakan berbagai keperluan, misalnya untuk irigasi, perikanan, dan sebagai pengendali banjir.

2.1.1 KLASIFIKASI TURBIN AIR

Turbin air dapat dikelompokkan dengan berbagai cara. Jenis turbin dapat digolongkan menjadi tiga sesuai dengan range dari head-nya, yaitu :

(33)

Sedangkan menurut cara kerjanya, maka terdapat dua jenis turbin yaitu :

1. Turbin Impuls (aksi). 2. Turbin Reaksi.

1. Turbin Impuls (aksi).

Turbin impuls adalah turbin air yang cara kerjanya dengan merubah seluruh energi air (yang teridiri dari energi potensial-tekanan -kecepatan) yang tersedia menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Atau dengan kata lain, energi potensial air diubah menjadi energi kinetik. Contoh turbin impuls adalah turbin Pelton dan turbin Cross Flow.

1) Turbin Cross Flow

Gambar 2.1 Turbin Cross Flow

 Ketika air masuk ke turbin akan diarahkan oaleh satu atau lebih baling-baling yang terletak di hulu runner dan melintas dua kali sebelum menginggalkan turbin.

 Prakondisi

(34)

 Keuntungan

i. Desain sederhana sehingga menyebabkan produksi yang baik dan tersandardisasi.

ii. Murah dan kuat.

iii. Dibandingkan dengan turbin lainnya, turbin cross flow biayanya lebih rendah.

iv. Sangat dianjurkan untuk kondisi seperti di Indonesia.  Kerugian

Turbin cross flow memiliki efisiensi hingga 80% lebih rendah dibandingkan dengan jenis turbin lainnya.

2) Turbin Pelton

Gambar 2.2 Turbin Pelton

 Turbin yang terdiri dari sejumlah ruang penampung untuk menangkap aliran air.

 Untuk arus yang lebih tinggi jumlah ruang penampung dapat ditingkatkan.

(35)

 Prakondisi

i. Mula operasi antara 50 m < H < 1300 m ii. Membutuhkan sistem aliran air yang rendah.  Keuntungan

i. Konstruksi yang kompak. ii. Stabil dijalankan.

iii. Mudah dioperasikan.  Kerugian

i. Tidak cocok untuk lokasi yang headnya rendah.

2. Turbin Reaksi

Turbin reaksi adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir dalam bentuk putaran. Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu.

Turbin ini terdiri dari sudu pengarah dan sudu jalan dan kedua sudu tersebut semuanya terendam di dalam air. Air dialirkan ke dalam sebuah terusan atau dilewatkan ke dalam sebuah cincin yang berbentuk spiral (rumah keong). Perubahan energi seluruhnya terjadi di dalam sudu gerak.

(36)

1) Turbin Francis

 Jenis turbin reaksi.

 Komponen Runner tenggelam dalam air sepenuhnya.  Terdiri dari deretan bilah melengkung.

 Regulasi aliran dilakukan melalui deretan yang dapat diatur.  Prakondisi

i. Mulai operasi antara 25 m < H < 350 m  Keuntungan

i. Operasional yang handal. ii. Konstruksi sederhana. iii. Tingginya efisiensi.  Kerugian

i. Tidak cocok untuk lokasi dengan Head (ketinggian air terjun) yang tinggi.

(37)

2) Turbin Propeler (Kaplan)  Jenis turbin reaksi.

 Kaplan adalah jenis turbin tertua dengan konfigurasi sebuah ulir dan gerbang kecil radial untuk pengaturan aliran.

 Turbin Kaplan memiliki pisau yang dapat diatur dan disesuaikan melalui gerbang kecil dan menghasilkan efisiensi terbaik terbaik atas berbagai laju aliran.

 Prakondisi

i. Mulai operasi antara 2 m < H < 40 m.  Keuntungan

i. Turbin propeller dapat berjalan kecepatan tinggi dan head yang rendah.

ii. Turbin Kaplan sangat efisien.  Kerugian

i. Mahalnya pemeliharaan dan investasi.

ii. Tidak cocok untuk lokasi dengan head yang tinggi.

Gambar 2.4 Turbin Propeler

2.1.2 Perbandingan Karakteristik Turbin Air

(38)

maksimum. Perhitungan tepat ini menghasilkan performa turbin dalam jangkauan head dan debit tertentu.

Kecepatan spesifik setiap turbin mempunyai kisaran (range) tertentu berdasarkan data eksperimen. Kisaran kecepatan spesifik beberapa turbin air adalah sebagai berikut:

Turbin Pelton 12 < ns< 25

Turbin Francis 60 < ns< 300

Turbin Crossflow 40 < ns< 200

Turbin Propeller 250 < ns< 1000

Tabel 2.1 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.

Dengan mengetahui kecepatan spesifik turbin, maka perencanaan dan pemilihan jenis turbin akan menjadi lebih mudah, bahkan dimensi dasar turbin dapat diestimasi (diperkirakan).

(39)

Pada gambar terlihat turbin pelton adalah turbin yang beroperasi pada head yang menengah hingga tinggi dengan kapasitas aliran air yang menengah, atau bahkan beroperasi pada kapasitas yang sangat rendah.

Gambar 2.6 Daerah penggunaan dari beberapa jenis konstruksi turbin yang berbeda.

Dalam pembuatan roda turbin, kebanyakan pertama sekali membuat modelnya, setelah model tersebut diselidiki, diuji dan diubah-ubah sehingga menghasilkan daya dan randemen turbin yang baik, kemudian baru dibuat roda turbin yang besar/sesungguhnya menurut bentuk modelnya.

2.1.3 Head Turbin

(40)

= � + + (Nm)

dimana notasi :

m = massa

g = kecepatan gravitasi bumi

z = selisih ketinggian

(tinggi air atas – tinggi air bawah)

P = tekanan

c = kecepatan

Jika pada aliran tersebut m = 1 kg, maka energi spesifiknya :

= � + _+ (� _� )

Bila energi spesifik tersebut dibagi dengan gravitasi maka ketinggian :

� = � + _ + = (m)

dimana :

z adalah ketinggian dari suatu tempat yang dipakai sebagai standar

 Dinamakan Tinggi Tekan

Dinamakan Tinggi Kecepatan

Hal ini sesuai dengan Bunyi Persamaan Bernoulli :

(41)

Gambar 2.7 Diagram Bernoulli Untuk Turbin Air.

Persamaan momentum untuk pipa yang dialiri fluida, dimana sifat fluida konstan sebagai berikut:

 + + =  + + + �

Saat head loses akibat gesekan tidak diperhitungkan, maka persamaan momentum akan berubah menjadi persamaan Bernoulli. Persamaan ini ditemukan pada aliran fluida yang tidak mengalami gesekan.

 + + =  + +

Persamaan momentum untuk titik 1 dan 3, diperoleh:

 + + =  + + + �

Persamaan momentum untuk titik 2 dan 3, diperoleh:

(42)

Keterangan:

P = tekanan absolut (N/m2₎ v = kecepatan (m/s)

Hl = head loses pada pipa (m) Heff = head efektif (m)

Untuk kondisi-kondisi instalasi turbin air di atas dimana:  Untuk waduk (reservoir titik 1) kecepatan V1 ≈ 0.





−



= ,

(pressure grade adalah nol).

Maka,

� = − −� − � −

Persamaan kontinuitas : Q = V × A

Keterangan:

Q = debit aliran (m3/detik) V = kecepatan aliran (m/s) A = luas penampang pipa (m2₎

Head losses yang terjadi pada saluran pipa:

1. Mayor Loses yang terjadi akibat gesekan aliran dalam satuan pipa

ℎ = ,_, _. . _, ,

2. Minor Loses yang terjadi akibat adanya perlengkapan (equipment) pipa, seperti belokan (elbow), valve, saringan dan peralatan lainnya.

(43)

2.2TURBIN PELTON

Pemilihan jenis turbin umumnya didasarkan pada besarnya kecepatan spesifik dari kondisi kerjanya. Kecepatan spesifik adalah kecepatan turbin model (turbin dengan bentuk sama tetapi skalanya berlainan). Kecepatan spesifik dipakai sebagai tanda batasan untuk membedakan tipe roda turbin dan dipakai sebagai suatu besaran yang penting dalam merencanakan turbin air.

Persamaan kecepatan spesifik dinyatakan sebagai :

� = √_�

dimana :

n = Kecepatan turbin pada efisiensi maksimum, (rpm)

P = Daya Turbin, (kW)

Ns = Putaran spesifik, (rpm)

H = Tinggi air jatuh, (meter)

Selanjutnya dengan mengetahui besarnya kecepatan spesifik, maka jenis turbin dapat ditentukan berdasarkan tabel dibawah ini :

`

Tabel 2.2 Kecepatan Spesifik (� ).

Ns Turbine Type

4 – 35

17 – 50

24 – 70

80 – 120

120 – 220

220 – 350

350 – 430

300 – 1000

Pelton Wheel with 1 nosel

Francis Turbine, Low-Speed Francis Turbine, Normal

Francis Turbine, High-Speed Francis Turbine, Express

(44)

2.2.1 Pengenalan Turbin Pelton

Turbin Pelton termasuk dalam kelompok jenis turbin Impuls. Karakteristik umumnya adalah pemasukan sebagian aliran air ke dalam raner pada tekanan atmosfir. Pada turbin Pelton puntiran terjadi akibat pembelokan pancaran air pada mangkok ganda raner. Oleh karena itu maka turbin Pelton juga disebut Turbin Pancaran Bebas. Penyempurnaan terbesar yang dilakukan Pelton (sebagai penemu turbin) yakni dengan menerapkan mangkok ganda simetris. Bentuk ini pada dasarnya masih tetap berlaku. Punggung pembelah membagi jet menjadi dua paruh yang sama, yang dibelokkan menyamping. Pada dasarnya turbin terdiri atas bagian – bagian : Runner, Nosel dan Rumah Turbin.

a. Runner

Runner turbin Pelton terdiri atas cakra dan sejumlah sudu yang terpasang disekelilingnya. Cakra dipasang ke poros dengan sambungan pasak. Runner kebanyakan merupakan coran tunggal dari baja dengan kandungan 13% Cr. Raner Pelton terbesar memiliki garis tengah lebih dari 5 meter dan berat lebih dari 40 Ton. Selain itu ada pula runner yang antara cakra dengan sudunya terpisah, dimana pemasangan mangkok ke cakra runner ada bermacam macam cara.

(45)

b. Sudu (Bucket)

Pembuatan sudu dari belahan pipa atau konstruksi las dengan bahan plat baja sama sekali tidak dianjurkan, karena kekokohannya kurang dan efisiensinya rendah. Sudu bisa dibuat dari beragam bahan. Demikian pula halnya bila runner dicor sebagai satu kesatuan. Selain bahan dari baja tuang yang mengandung unsur Cr 13% dipakai juga bahan dan cara lain, termasuk besi tuang atau paduan seperti kuningan atau almunium atau pencetakan injeksi plastik diperkuat dengan serat gelas.

a) Setengah Silinder b) Mangkuk

Gambar 2.9 Sudu (Bucket)

c. Nosel

(46)

Gambar 2.10 Nosel

d. Rumah Turbin

Rumah turbin pelton selain sebagai tempat nosel terpasang, juga berfungsi menangkap dan membelokkan percikan aliran air ke luar mangkok sedemikian hingga baik runner maupun pancaran tidak terganggu. Umumnya rumah turbin dirancang dalam dua bentuk yaitu rumah turbin dan dinamometer disusun tegak dengan rumah turbin dan dinamometer disusun sejajar terhadap poros. Rumah turbin dapat dibuat sederhana dengan konstruksi las dari plat baja.

(47)

2.2.2 Karakteristik Gambar Turbin Pelton

Adapun karateristik gambar turbin pelton dibagi dalam 2 jenis yaitu: 1. Karakteristik Gambar Turbin Untuk Head Tetap

a. Gambar Debit vs Efisiensi Maksimal (Q vs ɳ)

Pada gambar 2.12 ini dijelaskan bahwa pada nilai efisiensi maksimal terdapat pada Φ = 0,46, setelahnya mengalami penurunan nilai efisiensi.

(48)

b. Gambar Daya vs Efisiensi (P vs ɳ)

Pada gambar gambar 2.13 dijelaskan bahwa semakin tinggi efisiensi semakin tinggi juga daya yang dihasilkan.

Gambar 2.13 Gambar Daya Air vs Efisiensi (P vs ɳ)

2. Karakteristis Gambar Turbin Untuk Variasi Bukaan Katup a. Gambar Kecepatan Turbin vs Daya Turbin (rpm vs P)

Pada gambar gambar 2.14 dijelaskan bahwa daya turbin akan semakin naik jika rpm juga naik. Dan variasi bukaan katub penuh menjadi daya tertinggi dan rpm tertinggi.

(49)

b. Gambar Kecepatan Turbin vs Efisiensi (rpm vs ɳ)

Pada gambar gambar 2.14 dijelaskan bahwa nilai efisiensi turbin akan semakin naik jika rpm juga naik. Dan variasi bukaan katub penuh menjadi daya tertinggi dan rpm tertinggi.

Gambar 2.15 Gambar Kecepatan Turbin vs Efisiensi (rpm vs ɳ)

2.3 KARAKTERISTIK TURBIN PELTON YANG DIGUNAKAN

Turbin yang dirakit adalah Turbin Pelton Mikro, dengan data untuk perencanaan adalah :

Type atau Jenis : Turbin Pelton Mikro Jumlah Nosel : 1 ( satu )

Posisi Poros : Horizontal (mendatar)

Head : 9,41 m

Kapasitas Air Efektif : 5,8 L/s = 0,0058 m3_/s

Jumlah Sudu Turbin : 24 sudu

(50)

2.4DINAMOMETER

Dinamometer adalah instrumen untuk mengukur daya, kerja atau daya yang dilakukan oleh manusia, mesin dan hewan. Motor bensin dan poros PTO traktor menghasilkan daya putaran. Dinamo meter tidak mengukur daya secara langsung, tetapi dinamometer memberikan cara menentukan besarnya torsi yang mampu dihasilkan oleh suatu motor atau mesin. Daya dapat di ukur dengan alat yang dinamakan dinamometer, dinamometer adalah alat istrumen untuk mengukur gaya, kerja, atau daya kerja yang dilakukan manusia, hewan dan mesin. Torsi ditentukan sebagai hasil dari penggunaan suatu beban dengan dinamometer. Unit beban (load unit) yaitu bagian dari dinamometer yang menyediakan beban, harus dapat bebas bergerak pada arah putaran poros. Panjang lengan torsi diukur dari pusat poros unut daya yang diuji hingga dimana lengan torsi memberikan gaya pada timbangan. Sedangkan kecepatan poros unit daya yang diuji ditentukan menggunakan alat yang dinamakan techometer. Ada dua cara pembebana secara mekanis yaitu, metode “tali-dan-pegas” dan “rem-prony”. Sedangkan secara hidrolik terdapat dua cara pembebanan pula, yaitu pembebanan “ream air” dan pompa-gir”. Cara mengkonversi pengukuran torsi kedaya :

HP (horse power) = (gaya x jarak)/(waktu x 33.000)

Rumus ini diberikan oleh james Watt, untuk mengukur daya HP dari “daya putaran”yaitu :

kW = (Torsi (N.m) x RPM)/9549 HP =(Torsi (lb.ft) x RPM)/5252

(51)

magnet, yang merubah sifat-sifat bubuk magnet itu. Seperti dinamometre histerisis, dinamo powder breke memberikan torsi penuh pada kecepatan nol.

Gambar 2.16 Dinamo Meter

2.5EFISIENSI TURBIN (

�

_� )

Efisiensi turbin dapat dihitung dengan mengunakan rumus:

�

=

�

��

x 100 %

Dimana daya air dapat dihitung dengan rumus : Pair = ρ× g × � × Q

dimana:

 = massa jenis air (1000 kg/m3₎ g = gaya gravitasi (9,81 m/s2)

(52)

Daya turbin dapat dihitung dengan rumus :

PT = Т×

ω

Dimana ;

PT = Daya Turbin (Watt)

Т = Torsi (Nm)

(53)

BAB III

METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN

3.1 UMUM

Turbin Pelton merupakan turbin impuls (turbin tekanan rata), yang memanfaatkan gaya gravitasi untuk kecepatan air jatuhnya, seperti pada air terjun. Pada uji eksperimen turbin pelton, prinsip kerja turbin pelton, yaitu diberi jatuhan air dari ketinggian (head) tertentu untuk memutar sudu turbin pelton. Putaran sudu diteruskan untuk memutar dynamo meter sehingga dihasilkan torsi (Nm).

Uji performansi turbin pelton pada head 9,41 meter dengan menggunakan satu nosel, 24 buah sudu, dan analisa perbandingan menggunakan variasi bentuk sudu (mangkuk dan setengah silinder) dilakukan di Laboratorium Mesin Fluida, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Sebagai simulasi atau pengkondisian dari air terjun yang berada di alam. Adapun beberapa pekerjaan yang dilakukan dalam uji performansi turbin pelton ini adalah:

 Pembuatan sudu (bucket) dari bahan kuningan scrap.

 Pembuatan runner untuk 24 sudu dan 26 sudu dari bahan stell 42.  Pembuatan poros dari bahan stell 42.

 Pembuatan dudukan turbin dari bahan besi siku.

 Pembuatan dudukan dinamo meter dari bahan besi siku.  Pembuatan rumah turbin (casing) dari bahan acrylic.

Ditambah beberapa instalasi yang telah ada pada lantai dua dengan ketinggian 5,21 meter dan lantai tiga laboratorium dengan ketinggian 9,41 meter. Adapun penambahan beberapa instalasi yang dilakukan adalah:

 Instalasi saluran perpipaan untuk lantai dua.  Instalasi saluran perpipaan untuk lantai tiga.  Instalasi dudukan nosel.

(54)

 Instalasi saluran buangan air pada Turbin Pelton.  Instalasi dinamo meter.

Aliran air yang digunakan berasal dari tempat penampungan bawah (TPB) -terletak di lantai satu laboratorium - dipompakan ke tempat penampungan atas (TPA) oleh satu unit pompa pengumpan. Kapasitas aliran (debit) air yang akan diumpankan dapat diatur melalui sebuah katup pengatur (gate valve) sesuai dengan kebutuhan. Gaya gravitasi menyebabkan fluida cair mengalir dari satu tempat yang relatif tinggi menuju tempat yang relatif lebih rendah. Aliran air yang jatuh dari TPA melalui pipa pesat (penstock) memiliki energi potensial sehingga akan menimbulkan daya air yang diberikan kepada Turbin Pelton sebagai energi input. Kemudian daya air ini akan masuk melalui nosel pada Turbin Pelton dan menabrak sudu yang kemudian memutar runner Turbin Pelton. Maka zat cair mendorong sudu-sudu agar dapat berputar sehingga daya runner akan diberikan untuk memutar poros turbin pelton. Zat cair yang keluar setelah menabrak sudu akan disalurkan keluar Turbin Pelton melalui saluran buangan dari rumah turbin (casing).

Dari uraian di atas, jelas bahwa penggunaan turbin pelton dapat mengubah energi potensial fluida menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Selanjutnya daya poros ini akan diteruskan oleh suatu sistem transmisi dengan poros penghubung ke dinamo meter untuk mendapatkan torsi (Nm) dan putaran (rpm) pada poros turbin.

3.2 PENGUJIAN TURBIN PELTON

(55)

Gambar 3.1 Sudu dan Runner Turbin Pelton Sebelum Dirakit

Gambar 3.2 Turbin Pelton Setelah Dirakit.

 Pemilihan Turbin berdasarkan pada kecepatan Spesifik dan

Putaran Turbin

Untuk 1 nosel :

= _√�√

Dimana :

=

(56)

= ⁄

� = ℎ

Sehingga:

Untuk 1 nosel :

=

_√�√

n

q

= n

√ , m_s

√ , m

Dari perhitungan diatas diperoleh data sebagai berikut :

Putaran 300 500 750 1000

4,24 7,05 10,575 14,1

Dari perhitungan diatas bahwa data kecepatan putaran diambil berdasarkan putaran poros turbin yang diperkirakan akan didapatkan pada saat pengujiaan turbin pelton tersebut. Dan untuk perencanaan turbin pelton diambil untuk putaran yang 300 rpm.

 Kecepatan air keluar nosel ( V )

Kecepatan keluar nosel adalah kecepatan air yang dipancarkan nosel.

(57)

dimana :

= ⁄

� = ℎ

Diketahui : Ketinggian air jatuh maksimal � = , m

Sehingga :

= √ . . �

= √ . . , ⁄ . ,

= , ⁄

 Diameter Nosel (jet) Optimal (d)

Diameter jet untuk 1 nosel adalah

= , √_√�

dimana :

= �

= ⁄

(58)

Diameter nosel adalah:

= , √_√�

= , √ , ⁄

√ ,

= ,

Maka diameter nosel yang di rancang adalah 0,023 meter atau sama dengan 0,9 inci.

 Kecepatan Tangensial (U)

=

dimana :

= , ⁄

 Diameter Lingkaran Tusuk (D)

� = _�..

dimana :

� = �

=

= ,

(59)

Sehingga:

� = _{, .}.

� = _{, .}. , ⁄

� = ,

Maka diameter runner yang akan digunakan adalah 0,42 meter.

 Jumlah Sudu (Bucket) (Z)

� =

�._.

Sehingga :

� = , . , _{. ,}

� =

 Ukuran Sudu

a. Lebar Sudu (b)

= , .

Sehingga :

= , . ,

= ,

(60)

b. Tinggi Sudu (h)

ℎ = , − ,

Sehingga:

ℎ = , × , h = , m

Maka tinggi mangkok yang akan digunakan adalah 0,06 m.

c. Kedalaman Sudu (t)

= . ×

Sehingga:

t = . × , m

= ,

Maka kedalam mangkok yang akan digunakan adalah 0,0199 m.

3.3 RANCANG BANGUN INSTALASI

(61)

Gambar 3.3 Instalasi Pipa untuk Turbin Pelton

3.4 PERALATAN PENGUJIAN

3.4.1 Hand Tachometer

Alat ini digunakan untuk mengukur putaran (rpm) poros turbin pelton dan poros generator. Dalam uji performansi turbin pelton pada head 9,41 meter dengan menggunakan satu nosel, 24 buah sudu, dan analisa perbandingan menggunakan variasi bentuk sudu (mangkuk dan setengah silinder) ini hand tachometer yang digunakan adalah Krisbow KW06-303 dengan spesifikasi :

Ketelitian (akurasi) : ± 0,05% + 1 digit

Range : autrange

(62)

Gambar 3.4 Hand Tachometer

3.4.2 Meteran

Meteran dalam uji performansi turbin pelton pada head 9,41 meter dengan menggunakan satu nosel, 24 buah sudu dan analisa perbandingan menggunakan variasi bentuk sudu (mangkok dan setengah silinder) ini digunakan untuk mengukur panjang dalam instalasi pipa, instalasi dudukan turbin pelton dan mengukur tinggi permukaan air pada tempat penampungan atas (TPA) dan tempat penampungan bawah (TPB).

(63)

3.4.3 Flow Meter Digital

Flowmeter adalah alat untuk mengukur jumlah atau laju aliran dari suatu fluida yang mengalir dalam pipa atau sambungan terbuka. alat ini terdiri dari primary device, yang disebut sebagai alat utama dan secondary device (alat bantu sekunder). Flowmeter umumnya terdiri dari dua bagian, yaitu alat utama dan alat bantu sekunder. Alat utama menghasilkan suatu signal yang merespons terhadap aliran karena laju aliran tersebut telah terganggu. Alat utamanya merupakan sebuah orifis yang mengganggu laju aliran, yaitu menyebabkan terjadinya penurunan tekanan. Alat bantu sekunder menerima sinyal dari alat utama lalu menampilkan, merekam, dan/atau mentrasmisikannya sebagai hasil pengukuran dari laju aliran. Flow Meter Digital dalam uji performansi turbin pelton pada head

9,41 meter dengan menggunakan satu nosel, 24 buah sudu dan analisa perbandingan menggunakan variasi bentuk sudu (mangkok dan setengah silinder) digunakan untuk mengukur debit air yang mengalir pada pipa.

Adapun spesifikasi dari Flow Meter Digital adalah

Brand Name : Lebong.

Type : Flow Meter Digital (water measurement). Color optional : Black.

Usage : water.

(64)

Gambar 3.6 Flow Meter Digital

3.4.4 Pompa Pengumpan

Pompa ini digunakan untuk mengumpankan air dari tempat penampungan bawah (TPB) ke tempat penampungan atas TPA). Dalam uji eksperimental turbin pelton pada head 9,41 meter dengan menggunakan satu nosel, 24 buah sudu dan analisa perbandingan menggunakan variasi bentuk sudu (mangkuk dan setengah silinder) ini, pompa pengumpan yang digunakan adalah pompa sentrifugal 6 (enam) inchi dengan daya motor penggerak (P) 5,5 kW, putaran (n) 1440 rpm dan dihubungkan secara direct drive.

Gambar 3.10 Pompa Pengumpan

(65)

3.5 PELAKSANAAN PENGUJIAN

Uji eksperimental turbin pelton pada head 9,41 meter dengan menggunakan satu nosel, 24 buah sudu dan analisa perbandingan menggunaan variasi bentuk sudu (mangkuk dan setengah silinder) dilakukan di Laboratorium Mesin Fluida, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Pengukuran-pengukuran yang dilakukan tehadap penelitian ini meliputi:

1. Pengukuran putaran (rpm) poros turbin pelton dengan menggunakan Hand Tachometer.

2. Pengukuran debit air dengan menggunakan Flow Meter Digital. 3. Pengukuran torsi poros turbin dengan Dinamo Meter.

Sebelum dilakukan pengujian turbin pelton dan pengambilan data, terlebih dahulu dilakukan pemeriksaan (checking) terhadap beberapa instalasi dan peralatan, yang meliputi:

1. Pemeriksaan debit air di dalam tempat penampungan bawah (TPB) dan debit air di dalam tempat penampungan atas (TPA).

2. Pemeriksaan pipa penghubung antara TPB dan TPA, serta membuka keran pengatur (gate valve) kapasitas air pada pompa pengumpan.

3. Pemeriksaan katup (valve) untuk pengujian lantai dua atau lantai tiga. 4. Pemeriksaan katup pada turbin pelton.

5. Pemeriksaan poros penghubung pada poros turbin pelton dan poros dinamo meter .

6. Pemeriksaan dinamo meter.

(66)

1. Pengujian pertama dilakukan dengan jumlah 24 sudu (bucket). 2. Katup pada sisi masuk nosel dibuka 60°, 75° dan 90°.

3. Sebelum pompa pengumpan dihidupkan, terlebih dahulu keran pengatur (gate valve) dibuka supaya umur pemakaian pompa pengumpan lebih lama. 4. Dilakukan monitoring terhadap ketinggian air di dalam TPA sesuai dengan

data pengujian yang dibutuhkan (80 cm).

5. Setelah ketinggian air di TPA dan aliran air pada pipa pengumpan konstan, maka dilakukan pengujian serta pengambilan data terhadap:

a. Pengukuran torsi (Nm) dengan Dinamo Meter.

b. Pengukuran debit (L/s) dengan Flow Meter Digital.

c. Pengukuran putaran (rpm) pada poros Turbin Pelton dan poros generator dengan Hand Tachometer.

6. Pengukuran terhadap beberapa variabel di atas dilakukan terhadap beban ; masing-masing 1 Newton sampai poros turbin berhenti (0 rpm)

7. Melakukan kembali pengukuran seperti prosedur pengujian sebelumnya berulang-ulang sebanyak tiga kali untuk mendapatkan data pengujian yang lebih akurat.

8. Setelah pengukuran pada turbin pelton dengan jumlah dua puluh satu sudu (bucket) selesai, maka dilakukan penggantian runner dan penambahan jumlah sudu (bucket) menjadi dua puluh enam buah. Kemudian dilakukan pengujian kembali seperti prosedur diatas.

Besaran-besaran yang diukur dan dicatat meliputi:

1. Debit air (L/s) 2. Torsi (Nm)

(67)

Dari besaran-besaran di atas dapat dihitung besaran turunan lainnya seperti:

1. Daya Air

2. Daya Turbin Pelton 3. Efisiensi Turbin Pelton

Setelah pengujian di atas, dilakukan pengujian torsi dengan prosedur sebagai berikut:

1. Katup menuju nosel pada turbin ditutup.

2. Pompa pengumpan dihidupkan dan air dipompakan dari TPB ke TPA, setelah tinggi air mencapai ketinggian pengujian (80 cm), gate valve pompa pengumpan diatur agar ketinggian air di tempat penampung atas stabil.

3. Secara bersamaan, katup menuju nosel Turbin Pelton dibuka sesuaidengan variasi bukaan katub yang diinginkan.

4. Segera setelah air menumbuk sudu turbin dan turbin berputar maka beban dapat diberikan dimulai dari 0 Newton sampai poros turbin berhenti berputar (0 rpm)

(68)

Flowchart Uji performansi turbin pelton pada head 9,41 meter dengan menggunakan satu nosel, 24 buah sudu dan analisa perbandingan menggunakan variasi bentuk sudu (mangkok dan setengah silinder)

Survey tempat pengujian akan dilakukan

Rancang bangun instalasi Uji eksperimental turbin pelton pada head 9,41 meter dengan menggunakan satu nosel dan analisa perbandingan menggunakan variasi bentuk sudu (mangkokdan setengah silinder)

Pengambilan data hasil pengujian Pelaksanaan pengujian

Perhitungan dan analisa hasil

pengujian

Penulisan laporan hasil pengujian

(69)

BAB IV

HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA

4.1 PERHITUNGAN EFISIENSI TURBIN PELTON PADA HEAD 9,41

METER DENGAN MENGGUNAKAN SATU NOSEL (BUKAAN NOSEL 90º) DENGAN MENGGUNAKAN 24 SUDU MANGKOK.

 Kapasitas Aktual pada Head 9,41 meter

Pengukuran di lakukan dengan menggunakan Flow meter digital yang di pasang pada pipa.

Q=0,0058 ⁄

 Panjang Pipa yang digunakan pada Head 9,41 meter Panjang Pipa 4 in = 11,05 meter

Panjang Pipa 2 in = 0,57 meter

Jadi Panjang Total Pipa yang digunakan adalah 11,62 meter

 Head Losses Mayor pada Pipa 4 inci

Menurut Persamaan Umum Hazen Williams ;

ℎ = ,_, _. . _, ,

Dimana ;

Q = 0,0058 ⁄

C = Koefisien Kekasaran Pipa PVC menurut Hazen Williams (130)

(70)

ℎ = , _, . ,_, _,, ,

ℎ = , _, . −

ℎ = , meter

Menurut Persamaan Umum Hazen Williams;

ℎ = ,_, _. . _, ,

Dimana ;

L = Panjang Pipa ( 0,57 meter )

D = Diameter Pipa ( 0,0508 )

ℎ = , _, _{. ,} . , ,_, ,

ℎ = _,, . _. −₋

ℎ = , meter

 Head Loses Minor pada Pipa 4 inci

ℎ = Σ .

Dimana ;

= �

= ,_,

(71)

N k ∑k

Elbow 3 0,4 1,2

Tee 1 2,0 2,0

Flow Meter 1 7 7

Sisi Masuk 1 0,25 0,25

Sisi Keluar 1 0,04 0,04

10,49

Tabel 4.1 Head Losses Minor pada Pipa 4 inci.

Jadi harga Koefisien Kerugian pipa 4 inci ( ∑K ) = 10,49 Sehingga :

_{ℎ = Σ .}

ℎ = , . _{× ,},

ℎ = ,

ℎ = Σ .

Dimana ;

= �

= ,_,

(72)

N k ∑k

Katup Bola 1 0,05 0,05

0,34

ℎ = Σ .

ℎ = , . _{. ,},

ℎ = ,

 Head Efektif pada instalasi Turbin Pelton

ℎ = , + , − , + , + , + ,

ℎ = ,

 Efisiensi Turbin ( _� ) untuk bukaan katup 90º

� = �

(73)

�� = Daya Air ( watt )

�� = . . . ℎ

�� = , × × , × ,

�� = ,

= Daya Turbin ( watt )

= Ƭ�

Dimana ;

Ƭ = �.

Dimana ;

F = beban (pembebanan diberikan 0 N)

l = panjang lengan dinamo meter (0,25m)

Sehingga ;

Ƭ = 0 x 0,25

Ƭ = 0 Nm

Kemudian ;

ω =

Dimana ;

ω = kecepatan sudut (rad/s)

n = putaran turbin (pada pembebanan 0 N adalah 585 rpm)

Sehingga ;

(74)

ω = × ,

ω = 61,23 rad/s

Maka ;

= Ƭ�

= × ,

=

Sehingga Efisiensi Turbin adalah

� = _{, .} %

� = 0 %

Dengan cara yang sama seperti diatas diberikan pembebanan pada turbin dari 0 N sampai turbin berhenti, maka diperoleh hasil lengkap perhitungan efisiensi di bawah ini :

Beban Ƞturbin %

0

.

1

.

2

.

3

.

4

.

5

.

6

.

7

.

8

(75)

(76)

34

.

35

.

36

.

37

.

38

.

39

.

40

.

41

.

42

.

43

.

44

.

45

.

46

.

Tabel 4.3 Tabel Hubungan Antara Beban dengan Efisiensi Turbin 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 90º

(77)

4.2 Gambar Hasil Pengujian Turbin Dengan 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 90º

Gambar 4.1 Grafik Beban (N) vs Efisiensi (% 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan

Katup 90º.

Dari gambar 4.1 grafik beban vs efisiensi didapat hubungan antara efisiensi dengan beban, dimana beban (N) yang digunakan mulai dari 0 N sampai 46 N (turbin berhenti). Dari gambar diatas didapat data bahwa efisiensi maksimum pada percobaan turbin pelton head 9,41 meter mengunakan satu buah nosel, 24 buah sudu berbentuk mangkok adalah saat beban yang digunakan 28 N, dikarenakan atas perhitungan daya yang keluar dari dinamo meter pada beban 28 N adalah yang paling besar sebesar 218,92 Watt.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

E

fi

si

e

n

si

T

u

rb

in

(%)

Beban (N)

(78)

Gambar 4.2 Grafik Beban (N) vs Putaran (rpm) 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 90º.

Dari gambar 4.2 grafik beban vs putaran turbin, didapat hubungan antara putaran turbin dengan beban dimana beban (N) yang digunakan mulai dari 0 N sampai 46 N (turbin berhenti). Sehingga didapat hasil dari gambar diatas adalah semakin besar beban (N) yang digunakan semakin kecil putaran turbin (rpm) yang diperoleh. Dan sebaliknya semakin kecil beban (N) yang digunakan semakin besar putaran turbin (rpm) yang diperoleh.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Put a ra n T u rb in (r p m ) Beban (N)

(79)

Gambar 4.3 Grafik Putaran Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 90º.

Dari gambar 4.3 grafik putaran turbin vs daya turbin didapat hubungan antara putaran turbin (rpm) dengan daya turbin (Watt). Dari gambar diatas didapat data bahwa daya turbin maksimum didapat pada putaran 298,8 rpm.

4.3 PERHITUNGAN EFISIENSI TURBIN PELTON PADA HEAD 9,41

METER DENGAN MENGGUNAKAN SATU NOSEL (BUKAAN NOSEL 75º) DENGAN MENGGUNAKAN 24 SUDU MANGKOK.

Q=0,0056 ⁄

0 50 100 150 200 250

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650

Da

y

a

T

ur

bi

n

(W)

Putaran Turbin (rpm)

(80)

Menurut Persamaan Umum Hazen Williams ;

ℎ = ,_, _. . _, ,

Dimana ;

Q = 0,0056 ⁄

C = Koefisien Kekasaran Pipa PVC menurut Hazen Williams (130)

D = Diameter Pipa ( 0,1016 meter ) L = Panjang Pipa ( 11,05 meter )

ℎ = , _, . , ,

, , ,

ℎ = , _, . −

ℎ = , meter

Menurut Persamaan Umum Hazen Williams;

ℎ = ,_, _. . _, ,

Dimana ;

L = Panjang Pipa ( 0,57 meter )

D = Diameter Pipa ( 0,0508 )

ℎ = , _, _{. ,} . , ,_, ,

(81)

ℎ = , meter

ℎ = Σ .

Dimana ;

= �

= , ,

= , ⁄

N k ∑k

Elbow 3 0,4 1,2

Tee 1 2,0 2,0

Flow Meter 1 7 7

10,49

(82)

ℎ = , . _{× ,},

ℎ = ,

ℎ = Σ .

Dimana ;

= �

= ,_,

= , ⁄

N k ∑k

Katup Bola 1 0,05 0,05

0,34

ℎ = Σ .

(83)

ℎ = ,

 Head Efektif pada instalasi Turbin Pelton

ℎ = , + , − , + , + , + ,

ℎ = ,

 Efisiensi Turbin ( � ) untuk bukaan katup 75º

� = �

�� x 100 %

�� = Daya Air ( watt )

�� = . . . ℎ

�� = , . . , . ,

�� = ,

n = putaran turbin (pada pembebanan 0 N adalah 574,8 rpm)

Sehingga ;

ω = 60,16 rad/s

Maka ;

= Ƭ�

= × ,

=

Sehingga Efisiensi Turbin adalah

� =

, . %

(84)

Dengan cara yang sama seperti diatas diberikan pembebanan pada turbin dari 0 N sampai turbin berhenti, maka diperoleh hasil lengkap perhitungan efisiensi sebagai berikut :

Beban Ƞturbin %

(85)

22 . 23 . 24 . 25 . 26 . 27 . 28 0. 29 . 30 . 31 . 32 . 33 . 34 . 35 . 36 . 37 . 38 . 39 . 40 . 41 . 42 . 43 . 44 . 45 .

(86)

Dari tabel diatas diperoleh data efisiensi dengan beban dari 0 N sampai dengan 45 N (turbin berhenti). Dari data diatas dapat dilihat hubungan antara beban dengan efisiensi. Dimana pada saat beban 28 N didapat efisiensi maksimum.

4.4 Gambar Hasil Pengujian Turbin Dengan 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 75º

Gambar 4.4 Grafik Beban (N) vs Efisiensi Turbin (%) 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 75º.

Dari gambar 4.4 grafik beban vs efisiensi didapat hubungan antara efisiensi dengan beban, dimana beban (N) yang digunakan mulai dari 0 N sampai 45 N (turbin berhenti). Dari gambar diatas didapat data bahwa efisiensi maksimum pada percobaan turbin pelton head 9,41 meter menggunakan satu buah nosel, 24 buah sudu berbentuk mangkok adalah saat beban yang digunakan 28 N, dikarenakan atas perhitungan daya yang keluar dari dinamometer pada beban 28 N adalah yang paling besar sebesar 216,36 Watt.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

E fi si e nsi T ur bi n (% ) Beban (N)

(87)

Gambar 4.5 Grafik Beban (N) vs Putaran Turbin (rpm) 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 75º.

Dari gambar 4.5 grafik beban vs putaran turbin, didapat hubungan antara putaran turbin dengan beban, dimana beban (N) yang digunakan mulai dari 0 N sampai 45 N (turbin berhenti). Sehingga didapat hasil dari gambar diatas adalah semakin besar beban (N) yang digunakan semakin kecil putaran turbin (rpm) yang diperoleh. Dan sebaliknya semakin kecil beban (N) yang digunakan semakin besar putaran turbin (rpm) yang diperoleh.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Put a ra n T u rb in (r p m ) Beban (N)

(88)

Gambar 4.6 Grafik Putaran Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 75º.

Dari gambar 4.6 grafik putaran turbin vs daya turbin didapat hubungan antara putaran turbin (rpm) dengan daya turbin (Watt). Dari gambar diatas didapat data bahwa daya turbin maksimum didapat pada putaran 295,3 rpm.

4.5 PERHITUNGAN EFISIENSI TURBIN PELTON PADA HEAD 9,41 METER DENGAN MENGGUNAKAN SATU NOSEL (BUKAAN NOSEL 60º) DENGAN MENGGUNAKAN 24 SUDU MANGKOK.

Q=0,00502 ⁄

0 50 100 150 200 250

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650

Da

y

a

T

u

rb

in

(W

)

Putaran Turbin (rpm)

(89)

Menurut Persamaan Umum Hazen Willia