Pengaruh variasi Bukaan Regulator Terhadap Karakteristik Turbin Air Aliran Silang

(1)

PENGARUH VARIASI BUKAAN REGULATOR TERHADAP

KARAKTERISTIK TURBIN AIR ALIRAN SILANG

SKRIPSI

Skripsi yang Diajukan untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

JONI TANTO

NIM. 050401095

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

M E D A N

(2)

PENGARUH VARIASI BUKAAN REGULATOR TERHADAP

KARAKTERISTIK TURBIN AIR ALIRAN SILANG

JONI TANTO

NIM : 050401095

Diketahui / Disahkan: Disetujui:

Departemen Teknik Mesin Dosen Pembimbing,

Fakultas Teknik USU Ketua,

Dr. Ing. Ir.Ikhwansyah Isranuri

(3)

JONI TANTO

NIM : 050401095

Telah diseminarkan dan disetujui pada seminar tugas sarjana Periode ke-575, Senin 21 Juni 2010

Dosen Pembanding I Dosen Pembanding II

Ir. Isril Amir

(4)

JONI TANTO

NIM : 050401095

Telah Diketahui Oleh: Pembimbing/Penguji

NIP. 194511051971061001 Ir. Zamanhuri, MT

Diketahui Oleh:

Ketua Departemen Teknik Mesin

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

Ir.Isril Amir

NIP. 194510271974121001

Penguji II

(5)

NAMA : JONI TANTO

TUGAS SARJANA

NIM : 05 0401 095

MATA PELAJARAN : MESIN FLUIDA

SPESIFIKASI : Lakukan penelitian karakteristik turbin aliran

silang yang ada di Laboratorium Mesin Fluida

Departemen Teknik Mesin USU dengan

memvariasikan penampang nosel ( mengatur

regulator) dan kapasitas fluida kerjanya.

DIBERIKAN TANGGAL : 20 / Januari / 2010 SELESAI TANGGAL : 11 / Juni / 2010

MEDAN, 20 Januari 2010 KETUA DEPT. TEKNIK MESIN DOSEN PEMBIMBING,

Dr. Ing.Ir Ikhwansyah Isranuri

(6)

KARTU BIMBINGAN

No : 932/ TS/ 2009

TUGAS SARJANA MAHASISWA

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

Judul Tugas : Pengaruh variasi Bukaan Regulator Terhadap Karakteristik Turbin Air Aliran Silang

Diberikan Tanggal : 20 Januari 2010 Selesai Tanggal : 11 Juni 2010

Dosen Pembimbing : Ir.Zamanhuri,MT Nama Mahasiswa : Joni Tanto NIM : 05 0401 095

NO TANGGAL KEGIATAN ASISTENSI BIMBINGAN TANDATANGAN DOSEN 1 20-01-2010 Pengambilan tugas

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

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

bila kegiatan asistensi telah selesai,

(7)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas

berkat dan anugrah-Nya yang telah diberikan kepada penulis, sehingga penulis

dapat menyelesaikan tugas sarjana ini tepat pada waktunya.

Tugas sarjana ini merupakan salah satu persyaratan guna menyelesaikan

pendidikan pada Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas

Sumatera Utara. Adapun judul Tugas Sarjana ini adalah “Pengaruh Variasi

Bukaan Regulator Terhadap Karakteristik Turbin Air Aliran Silang.”

Dalam mengerjakan tugas sarjana ini, penulis mendapat bantuan dan

dukungan berupa materil dan spiritual yang diberikan oleh berbagai pihak, oleh

karena itu pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih setulus –

tulusnya kepada :

1. Orang tuaku yang menjadi teladan dan panutanku, yang selalu

memotivasi dan memberi semangat bagi penulis.

2. Bapak Ir. Zamanhuri,MT, selaku Dosen Pembimbing Tugas Sarjana

yang telah banyak memberikan arahan, bimbingan, dan nasehat serta

telah banyak meluangkan waktunya membimbing penulis dalam

menyelesaikan Tugas Sarjana ini.

3. Bapak Ir.Isril Amir selaku dosen yang telah banyak memberikan

arahan, bimbingan dan nasehat serta banyak meluangkan waktu dalam

penginstalasian turbin air yang ada.

4. Bapak Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik

(8)

5. Bapak Tuluss B Sitorus, ST, MT, selaku Sekretaris Departemen

Teknik Mesin-Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

6. Bapak / Ibu Staf Pengajar pada Departemen Teknik Mesin Fakultas

Teknik Universitas Sumatera Utara.

7. Seluruh Pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Sumatera Utara yang telah memberikan pelayanan terbaik

dalam akademis ataupun non-akademis (Bu Is, Kak Sonta, Bang

Syawal, dan semua yang turut membantu saya).

8. Seluruh Asisten Laboratorium Pada Departemen Teknik Mesin

Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

9. Rekan-rekan saya mahasiswa Mesin USU khususnys stambuk 2005.

10. Buat semua pihak yang ikut membantu penulis dalam menyelesaikan

turbin air yang tidak dapat disebutkan oleh penulis satu persatu.

Terimakasih saya ucapkan atas perhatian dan dukungan dari semua

pihak sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini.

Medan, Juni 2010

Penulis,

JONI TANTO

(9)

DAFTAR ISI

1.2 Maksud dan Tujuan Penelitian... 2

1.3 Batasan Penelitian... 3

1.4 Metodologi Penulisan... 3

1.5 Sistematika Penulisan... 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Sejarah Turbin... 5

2.2 Klasifikasi Turbin Air………. 8

2.2.1 Turbin Impuls……….. 8

2.2.2 Turbin Reaksi……….. 10

2.3 Perbandingan Karakteristik Turbin... 13

2.4 Kecepatan Spesifik Turbin... 15

2.5 Turbin Air Cross Flow... 17

2.6 Posisi Penyemburan Terhadap Sumbu Roda Jalan……. 24

2.7 Energi Air... 27

2.8 Daya Listrik... 30

(10)

2.10 Effisiensi Turbin………... 31

BAB III INSTALASI DAN PERALATAN PENGUJIAN 3.1 Umum... 32

3.2 Turbin Yang Di Uji... 33

3.3 Instalasi Pengujian Turbin... 34

3.4 Peralatan Untuk Pengujian... 35

3.4.1 Hand Tachometer... 35

3.4.2 Clamp Meter... 36

3.4.3 Multitester... 37

3.4.4 Meteran... 38

3.4.5 Generator... 39

3.4.6 Instalasi Rangkaian Lampu... 39

3.4.7 Pompa... 40

BAB IV PELAKSANAAN DAN HASIL PENGUJIAN 4.1 Pelaksanaan Pengujian... 42

4.2 Analisis Data Dan Perhitungan... 44

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan………. 52

5.2 Saran………... 54

DAFTAR PUSTAKA

(11)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Turbin Pelton ………. 9

Gambar 2.2 Turbin Pelton dengan banyak nozle………..………. 9

Gambar 2.3 Sudu Turbin Turgo Dan Nozzle……….……… 10

Gambar 2.4 Turbin Francis……… 11

Gambar 2.5 Turbin Kaplan Dengan Sudu Jalan Yang Dapat Diatur…...………….. 12

Gambar 2.6 Diagram Klasifikasi Turbin Air………. 13

Gambar 2.7 Grafik Perbandingan Karakteristik Turbin……….………… 13

Gambar 2.8 Perbandingan bentuk sudu turbin berdasarkan kecepatan spesifik…… 16

Gambar 2.9 Konstruksi Turbin Turbin Ossberger atau Turbin Crossflow………… 19

Gambar 2.10 Aliran Masuk Turbin Ossberger atau Turbin Crossflow………. 20

Gambar 2.11 Turbin Aliran Silang Jenis Vertical………. 21

Gambar 2.12 Turbin Aliran Silang Jenis Horizontal………. 22

Gambar 2.13 Posisi Penyemburan Vertikal………... 25

Gambar 2.14 Posisi Penyemburan Horizontal………... 26

Gambar 2.15 Posisi Penyemburan Miring………. 26

Gambar 2.16 Diagram bernouli untuk turbin air……… 28

Gambar 3.1 Turbin Aliran Silang………...… 33

Gambar 3.2 Sketsa Instalasi Turbin………...… 34

Gambar 3.3 Hand Tachometer………... 35

Gambar 3.4 Clamp Meter……….. 37

Gambar 3.5 Multitester……….. 38

Gambar 3.5 Dinamo………... 39

(12)

Gambar 3.7 Pompa………. 41

Gambar 4.1 Grafik hubungan Q vs effisiensi……….……… 49

Gambar 4.2 Grafik hubungan Q vs daya turbin………….……… 49

Gambar 4.3 Grafik hubungan Q vs nt……… 50

Gambar 4.4 Grafik karakteristik hubungan Q vs effisiensi..………... 50

Gambar 4.5 Grafik karakteristik hubungna Q vs daya turbin………... 51

(13)

DAFTAR SIMBOL

Simbol Arti Satuan

A : Luas penampang m2

d : Diameter mm

f : Koefisien gesekan

g : Percepatan gravitasi m/s2

Heff : Head effektif m

hf : Head loses mayor m

hm : Head loses minor m

I : Kuat arus Ampere

L : Panjang pipa m

ns : Putaran spesifik rpm

nt : Putaran turbin rpm

P : Daya Watt

Pa : Daya air Watt

Pt : Daya turbin Watt

Pl : Daya generator Watt

Q : Debit aliran m3/s

(14)

AKSARA YUNANI

LAMBANG Arti Satuan

η Efisiensi

γ (gamma) Berat jenis N/m3

ϕ (phi) Koefisien generator

ρ (rho) Massa jenis kg / m3

(15)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1Latar Belakang

Sekarang ini konsumsi energi berhubungan langsung dengan tingkat

kehidupan penduduk serta derajat industrisasi suatu negara. Salah satu bentuk

energi yang paling banyak digunakan manusia dalam kehidupan sehari-hari

adalah energi listrik, sebab energi ini dapat dengan mudah dan efisien

dikonversikan menjadi bentuk energi yang lain.

Turbin air dikembangkan pada abad ke-19 dan digunakan secara luas

untuk tenaga industri untuk jaringan listrik. Sekarang lebih umum dipakai

untuk generator listrik. Turbin kini dimanfaatkan secara luas dan merupakan

sumber energi yang dapat diperbarui. Kata ‘Turbin’ diambil dari terjemahan

bahasa latin dari kata ‘Whirling’ (putaran) atau ‘vortex’ (pusaran air).

Perbedaan dasar antara turbin air 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.

Pada umumnya turbin air dioperasikan secara kontinu dalam jangka waktu

yang lama. Masalah – masalah pada turbin air yang akan berujung pada

berkurangnya efisiensi dan performasi harus bisa di deteksi dan di monitor

selama beroperasi. Performansi dari turbin dipengaruhi oleh berbagai faktor

(16)

instrumen yang bekerja selama turbin air itu beroperasi. Turbin air akan

mengubah energi kinetik air menjadi energi mekanik, yaitu : putaran roda

turbin (sudu). Pada kondisi aktual, tidak semua energi potensial air dapat

diubah menjadi energi mekanik pada turbin, pasti dalam proses perubahan

terdapat kerugian – kerugian. Dari hal tersebut dapat didefinisikan efisiensi

dari turbin yaitu : perbandingan daya pada turbin dengan daya air pada

reservoir. Air dari reservoir akan mengalir dengan kapasitas tertentu dalam

saluran pipa yang menuju turbin. Pada turbin air terdapat pengaturan kapasitas

untuk memvariasikan kapasitas aliran. Pengaturan kapasitas aliran masuk ke

turbin dimaksudkan untuk merespon beban.

1.2 Maksud dan Tujuan Penelitian

Maksud dari penelitian ini adalah untuk memenuhi syarat lulus Sarjana.

Tujuan penelitian ini adalah :

a. Untuk mengetahui karakteristik turbin aliran silang dari beberapa

bukaan regulator

b. Untuk mengetahui kemampuan turbin pada berbagai kapasitas aliran,

berbagai bukaan regulator dan pembebanan yang berbeda, sehingga

akan memberikan effisiensi atau kemampuan optimum dari turbin

(17)

1.3Batasan Penelitian

Karena luasnya permasalahan ini, maka penelitian ini dibatasi pada :

a. Penelitian terhadap turbin jenis Cross Flow Turbine yang ada di

Laboratorium Mesin Fluida.

b. Perilaku turbin sebagai sumber pembangkit tenaga air dengan parameter

debit, putaran turbin, putaran dinamo yang dipasang, voltase dan kuat arus

(dari voltase dan kuat arus akan didapat kan daya).

1.4Metodologi Penulisan

Metodologi yang digunakan dalam penulisan tugas akhir ini adalah

sebagai berikut :

a. Survey lapangan, berupa peninjauan terhadap turbin, yang dilakukan

langsung ke Lab Mesin Fluida.

b. Pengambilan data dari turbin cross flow di Lab Mesin Fluida

c. Studi literatur, berupa studi kepustakaan, kajian – kajian dari buku – buku

dan tulisan yang berhubungan dengan penelitian effisiensi Turbin Aliran

Silang.

d. Diskusi, berupa Tanya jawab dengan Dosen Pembimbing yang telah

ditunjuk oleh Departemen Teknik Mesin mengenai penelitian serta

masalah – masalah yang timbul selama penyusunan tugas sarjana.

e. Pembuatan instalasi pipa pada Turbin Aliran Silang

(18)

1.5Sistematika Penulisan

Penulisan ini disusun dalam lima bab. Secara garis besar masing – masing

bab akan membahas hal – hal sebagai berikut :

Bab I Pendahuluan berisi penjelasan secara ringkas mengenai latar belakang

permasalahan yang ada, maksud dan tujuan, pembatasan masalah, metodologi

penulisan dan sistematika penulisan

Bab II Tinjauan Pustaka berisi penjelasan mengenai sejarah turbin, klasifikasi

turbin air, turbin air cross flow, energy air, daya listrik, daya turbin, dan efisiensi

turbin.

Bab III Instalasi dan Peralatan Pengujian berisi penjelasan mengenai instalasi

turbin aliran silang yang diuji, instalasi pengujian turbin aliran silang dan

peralatan yang digunakan dalam pelaksanaan pengujian.

BAB IV Pelaksanaan dan Hasil Pengujian berisi penjelasan tentang

pelaksanaan pengujiam, besaran – besaran yang didapatkan, analisis hasil

pengujian, dan grafik hasil pengujian.

(19)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

Tenaga air merupakan sumber daya energi yang penting setelah tenaga uap

atau panas. Hampir 30% dari seluruh kebutuhan tenaga di dunia dipenuhi oleh

pusat – pusat listrik tenaga air. Banyak Negara yang hampir seluruh kebutuhan

energinya berasal dari tenaga air. Penggunssn tenaga air sebagai sumber energi,

terutama untuk pembangkit tenaga listrik, memiliki kelebihan dibanding sumber

energi lainnya.

2.1 Sejarah Turbin

Ján Andrej Segner mengembangkan turbin air reaksi pada pertengahan

tahun 1700. turbin ini mempunyai sumbu horizontal dan merupakan awal mula

dari turbin air modern. Turbin ini merupakan mesin yang simpel yang masih

diproduksi saat ini untuk pembangkit tenaga listrik skala kecil. Segner bekerja

dengan Euler dalam membuat teori matematis awal untuk desain turbin.

Pada tahun 1820, Jean-Victor Poncelet mengembangkan turbin aliran

kedalam. Pada tahun 1826, Benoit Fourneyon mengembangkan turbin aliran

keluar. Turbin ini sangan efisien (~80%) yang mengalirkan air melalui saluran

dengan sudu lengkung satu dimensi. Saluran keluaran juga mempunyai

lengkungan pengarah. Pada tahun 1844, Uriah A. Boyden mengembangkan turbin

aliran keluar yang meningkatkan performa dari turbin Fourneyon. Bentuk sudunya

mirip dengan turbin Francis. Pada tahun 1849, James B. Francis meningkatkan

(20)

yang memuaskan dan mengembangkan metode engineering untuk desain turbin

air. Turbin Francis dinamakan sesuai dengan namanya, yang merupakan turbin air

modern pertama. Turbin ini masih digunakan secara luas di dunia saat ini.

Turbin air aliran kedalam mempunyai susunan mekanis yang lebih baik

dan semua turbin reaksi modern menggunakan desain ini. Putaran massa air

berputar hingga putaran yang semakin cepat, air berusaha menambah kecepatan

untuk membangkitkan energi. Energi tadi dibangkitkan pada sudu dengan

memanfaatkan berat jatuh air dan pusarannya. Tekanan air berkurang sampai nol

sampai air keluar melalui sirip turbin dan memberikan energi. Sekitar tahun 1890,

bantalan fluida modern ditemukan, sekarang umumnya digunakan untuk

mendukung pusaran turbin air yang berat. Hingga tahun 2002, bantalan fluida

terlihat mempunyai arti selama lebih dari 1300 tahun Sekitar tahun 1913, Victor

Kaplan membuat turbin Kaplan, sebuah tipe mesin baling-baling. Ini merupakan

evolusi dari turbin Francis tetapi dikembangkan dengan kemampuan sumber air

yang mempunyai head kecil.

Pada umumnya semua turbin air hingga akhir abad 19 (termasuk kincir

air) merupakan mesin reaksi; tekanan air yang berperan pada mesin dan

menghasilkan kerja. Sebuah turbin reaksi membutuhkan air yang penuh dalam

proses transfer energi.

Pada tahun 1866, tukang pembuat gilingan di California, Samuel Knight

menemukan sebuah mesin yang mengerjakan tuntas sebuah konsep yang berbeda

jauh. Terinspirasi dari system jet tekanan tinggi yang digunakan dalam lapangan

pengeboran emas hidrolik, Knight mengembangkan ceruk kincir yang dapat

(21)

pada sumber yang cukup tinggi (ratusan kaki) yang dialirkan melalui sebuah pipa

saluran. Turbin ini disebut turbin impulse atau turbin tangensial. Aliran air

mendorong ceruk disekeliling kincir turbin pada kecepatan maksimum dan jatuh

keluar sudu dengan tanpa kecepatan.

Pada tahun 1879, Lester Pelton, melakukan percobaan dengan kincir

Knight, dikembangkanlah desain ceruk ganda yang membuang air kesamping,

menghilangkan beberapa energi yang hilang pada kincir Knight yang membuang

sebagian air kembali melawan kincir. Sekitar tahun 1895, William Doble

mengembangkan ceruk setengah silinder milik Pelton menjadi ceruk berbentuk

bulat memanjang, termasuk sebuah potongan didalamnya yang memungkinkan

semburan untuk membersihkan masukan ceruk. Turbin ini merupakan bentuk

modern dari turbin Pelton yang saat ini dapat memberikan efisiensi hingga 92%.

Pelton telah memprakarsai desain yang efektif, kemudian Doble mengambil alih

perusahaan Pelton dan tidak mengganti namanya menjadi Doble karena nama

Pelton sudah dikenal. Turgo dan turbin aliran silang merupakan desain turbin

impulse selanjutnya.

Turbin air terdapat dalam suatu pembangkit listrik berfungsi untuk

mengubah energi potensial yang dimiliki air menjadi energi kinetic. Selanjutnya

energi kinetic ini akan dirubah menjadi energi elektrik melalui generator. Hal ini

menyebabkan setiap pembahasan tentang turbin hidrolik akan mengikutsertakan

(22)

2.2Klasifikasi Turbin Air

Turbin air mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. Energi

mekanis diubah dengan generator listrik menjadi tenaga listrik. Berdasarkan

prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis,

turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin impuls dan turbin reaksi.

2.2.1 Turbin Impuls

Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nozle. Air keluar

nozle yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah

membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan

momentum (impulse). Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin impuls adalah

turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah

sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan

tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan.

Adapun jenis – jenis turbin impuls adalah sebagai berikut :

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

(23)

Gambar 2.1 Turbin Pelton.

Sumber: http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf

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.

Gambar 2.2 Turbin Pelton dengan banyak nozle.

Sumber

Turbin Pelton untuk pembangkit skala besar membutuhkan head lebih kurang 150

meter tetapi untuk skala mikro head 20 meter sudah mencukupi.

2) Turbin Turgo.

Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 s/d 300 m. Seperti turbin

pelton turbin turgo merupakan turbin impulse, tetapi sudunya berbeda. Pancaran

(24)

besar dari turbin Pelton. Akibatnya dimungkinkan transmisi langsung dari turbin

ke generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus menurunkan biaya

perawatan.

Gambar 2.3 Sudu turbin turgo dan nozzle.

3) Turbin Ossberger Atau Turbin Crossflow (Turbin Michell-Banki).

Tipe turbin impuls lainnya dalah turbin cross flow (Stapenhorst,

1978) yang biasa disebut sebagai turbin banki atau turbin Mitchell. Turbin ini

akan di bahas lebih lanjut.

2.2.2 Turbin Reaksi

Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan

terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Perbedaan tekanan ini

memberikan gaya pada sudu sehingga runner (bagian turbin yang berputar) dapat

berputar. Turbin yang bekerja berdasarkan prinsip ini dikelompokkan sebagai

turbin reaksi. Proses ekspansi fluida kerja pada turbin reaksi terjadi pada sudu

tetap dan sudu geraknya. Air mengalir memasuki roda turbin melalui sudu - sudu

(25)

mengalir kesekeliling sudu - sudu, runner turbin akan berputar penuh. Energi yang

ada pada air akan berkurang ketika meninggalkan sudu. Energi yang hilang

tersebut telah diubah menjadi energi mekanis oleh roda turbin. Dilihat dari

konstruksinya, turbin reaksi ada dua jenis:

1. 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

penggunaan sudu pengarah yang dapat diatur merupakan pilihan yang tepat.

Gambar 2.4 Turbin Francis

Sumbe

2. Turbin Kaplan.

Tidak berbeda dengan turbin francis, turbin kaplan cara kerjanya

menggunakan prinsip reaksi. Turbin ini mempunyai roda jalan yang mirip dengan

(26)

untuk menghasilkan gaya dorong, roda jalan pada kaplan berfungsi untuk

mendapatkan gaya F yaitu gaya putar yang dapat menghasilkan torsi pada poros

turbin. Berbeda dengan roda jalan pada francis, sudu-sudu pada roda jalan kaplan

dapat diputar posisinya untuk menyesuaikan kondisi beban turbin. Turbin kaplan

banyak dipakai pada instalasi pembangkit listrk 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 2.5 Turbin Kaplan dengan sudu jalan yang dapat diatur.

(27)

Diagram klasifikasi turbin air dapat dilihat pada gambar dibawah ini.

Gambar 2.6 Diagram klasifikasi turbin air.

2.3 Perbandingan Karakteristik Turbin

Perbandingan karakteristik turbin dapat kita lihat pada grafik head (m) vs flow

(m3/s) di bawah ini.

Gambar 2.7 Grafik Perbandingan karakteristik Turbin.Sumber :

Turbin Air

Turbin impuls

Turbin reaksi

Turbin pelton

Turbin turgo

Turbin ossberger

Turbin francis

(28)

Dapat dilihat pada gambar 2.7 turbin kaplan adalah turbin yang beroperasi

pada head yang rendah dengan kapasitas aliran yang tinggi atau bahkan beroperasi

pada kapasitas yang sangat rendah. Hal ini karena sudu – sudu turbin kaplan dapat

diatur secara manual atau otomatis untuk merspon perubahan kapasitas.

Berkebalikan dengan turbin kaplan, turbin pelton adalah turbin yang

beroperasi pada head tinggi dengan kapasitas yang rendah. Untuk turbin francis

mempunyai karakteristik yang berbeda dengan yang lainnya yaitu turbin francis

dapat beroperasi pada head yang rendah atau beroperasi pada head yang tinggi.

Pemilihan turbin kebanyakan didasarkan pada head air yang didapatkan

dan kurang lebih pada rata-rata alirannya. Umumnya, turbin impuls digunakan

untuk tempat dengan head tinggi, dan turbin reaksi digunakan untuk tempat

dengan head rendah. Turbin Kaplan baik digunakan untuk semua jenis debit dan

head, efisiensinya baik dalam segala kondisi aliran.

Turbin kecil (umumnya dibawah 10 MW) mempunyai poros horisontal,

dan kadang dipakai juga pada kapasitas turbin mencapai 100 MW. Turbin Francis

dan Kaplan besar biasanya mempunyai poros / sudu vertikal karena ini menjadi

penggunaan paling baik untuk head yang didapatkan, dan membuat instalasi

generator lebih ekonomis. Poros Pelton bisa vertikal maupun horisontal karena

ukuran turbin lebih kecil dari head yang di dapat atau tersedia. Beberapa turbin

impuls menggunakan beberapa semburan air tiap semburan untuk meningkatkan

kecepatan spesifik dan keseimbangan gaya poros.

Aplikasi penggunaan turbin berdasarkan tinggi head yang didapatkan adalah

sebagai berikut ini :

(29)

2) Turbin Francis : 5 < H < 500 meter

3) Turbin Pelton : H < 30 meter

4) Turbin Banki : 2 < H < 200 meter

2.4 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

(30)

debit dapat dilakukan dengan variasi bukaan pintu, akan menujukkan efisiensi

turbin dengan kondisi yang berubah-ubah.

Kecepatan spesifik dapat dihitung dengan menggunakan rumus :

4

Perbandingan bentuk sudu turbin terhadap kecepatan spesifik turbin adalah

sebagai berikut ini :

Gambar 2.8 Perbandingan bentuk sudu turbin berdasarkan kecepatan spesifik.

Sumber : European Community's Layman's Guidebook (on how to develop a small hydro site)

Berdasarkan gambar 2.8, semakin tinggi ns maka bentuk sudu turbin akan

(31)

2.5 Turbin Air Cross - Flow

Turbin tipe ini dibuat pertama kali di Eropa. Nama cross flow diambil dari

kenyataan bahwa air melintasi kedua sudu gerak atau runner dalam menghasilkan

putaran (rotasi). Sedangkan nama Banki (dari Hungaria) dan Mitchell (dari

Austria) adalah nama ahli teknik yang mengembangkan prinsip – prinsip turbin

tersebut serta perhitungannya. Turbin cross flow ini mempunyai arah aliran yang

radial atau tegak lurus dengan sumbu turbin.

Turbin air cross flow adalah sebuah turbin air radial dimana aliran air

masuk dan keluar rotor melalui lingkaran peripheral rotor yang sama. Turbin air

cross flow pertama kali diperkenalkan oleh A.G.M.Mitchell dan D.Banki pada

awal abad ini (Mosonyi,1966). Penemuan turbin ini sangat didasarkan pada usaha

untuk mencari jenis turbin baru yang lebih kecil, sederhana dan lebih murah

dibandingkan dengan jenis turbin yang lainnya. Sebagai hasilnya, turbin air cross

flow yang hanya memerlukan proses pembuatan yang sederhana, sepertinya dapat

memenuhi kita, meskipun belum ada pembangkit daya yang besar yang perna

dibangun dengan menggunakan turbin jenis ini. Turbin air cross flow sangat

terkenal untuk pembangkit daya ukuran kecil hingga sedang. Untuk jangkauan

daya yang dapat dihasilkan, turbin air cross flow telah dapat menggantikan tempat

mesin konversi daya air yang lain, seperti kincir air yang sederhana sampai turbin

impuls dan reaksi yang rumit pembuatannya.

Meskipun turbin air cross flow telah dipergunakan secara luas diseluruh

dunia selama ini, teori dasar yang terperinci, khususnya yang melibatkan aliran

(32)

perbedaan yang kontras dibandingkan dengan upaya yang sama untuk turbin jenis

lain.

Turbin air cross flow yang selama ini dibuat termasuk jenis turbin air

impuls – radial. Turbin ini aliran air masuk ke turbin melalui sebuah pipa pencar

dengan penampang segi empat. Aliran melewati sudu gerak turbin sebanyak duta

kali dengan arah relative tegak lurus poros turbin. Dalam hal ini tidak ada aliran

arah aksial, sehingga tidak terdapat gaya – gaya yang bekerja dalam arah poros

turbin.

Air masuk roda gerak turbin ke sudu gerak tingkat pertama dari arah luar

roda menuju kearah tegak lurus poros, kemudian aliran air melalui bagian tengah

roda gerak yang kosong dan airnya akan mengenai sudu gerak untuk kedua

kalinya dan kemudian keluar turbin. Diantara tingkat pertama dan tingkat kedua

aliran membentuk jet pada daerah terbuka dengan tekanan yang sama dengan

tekanan atmosfer. Aliran yang terjadi secara fisik harus memenuhi prinsip

kekekalan massa.

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 10 litres/sec hingga 10000 litres/sec dan

head antara 1 s/d 200 m. Komponen – komponen utama konstruksi turbin

crossflow adalah sebagai berikut :

(33)

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 2.9 Konstruksi turbin ossberger atau turbin crossflow.

Sumber

Air yang masuk sudu diarahkan oleh alat pengarah yang sekaligus berfungsi

(34)

dengan turbin impuls pelton yaitu energi kinetik dari pengarah dikenakan pada

sudu-sudu pada tekanan yang sama. Turbin crossflow 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.

Gambar 2.10 Aliran masuk turbin ossberger atau turbin crossflow.

Turbin aliran silang yang pertama disebut turbin banki, ini berbentuk

skripsi yaitu tahun 1949 oleh State University di Oregon. Sedangkan publikasi

mengenai rancangan bangunan baru dimulai tahun 1967 oleh suatu badan yang

diberi nama VITA. Namun demikian, jauh sebelumnya turbin jenis ini telah

diproduksi oleh suatu pabrik yakni Ossberger di Jerman. Konstruksi Turbin

(35)

74% - 84% dan menjamin operasinya 80%. Apabila diperhatikan dengan cermat

bagian – bagian dan rakitan turbinnya masih terlalu rumit untuk memperoleh daya

yang kecil.

Turbin aliran silang ini akhirnya lebih akrab kepada masyarakat pedesaan

dengan segala aspek kesederhanaannya. Hal ini telah dibuktikan oleh beberapa

badan kerja sama SKAT – Switzerland/BYS Nepal, GATE Jerman/BEW – Nepal,

GATE Jerman/CITA Equador dan ATD – Pakistan, semenjak tahun 1975 lebih

dari 500 unit telah dipasang dinegara ketiga tersebut.

Turbin aliran silang yang direncanakan ini dirancang dengan

menggunakan rumah turbin yang sedemikian rupa dalam bentuk yang sederhana

sehingga mudah diangkut dan dipasang. Pada turbin ini digunakan sebuah katup

(valve) yang berbentuk khusus yang berfungsi untuk mengatur arah dan kapasitas

aliran air. Menurut arah aliran airnya turbin ini dapat dibedakan atas dua jenis

yaitu :

1) Turbin aliran silang jenis vertical

Dimana air dialirkan melaului pipa pesat dengan posisi vertical terhadap

rumah turbin dan mendorong karangan sudu hingga roda jalan turbin berputar dan

ini berlangsung secara kontinu.

(36)

2) Turbin aliran silang jenis horizontal

Dimana aliran air dialirkan melalui pipa pesat dalam posisi horizontal

terhadap rumah turbin dan menyembur / mendorong karang sudu hingga roda

jalan turbin berputar.

Gambar 2.12 Turbin Aliran Silang Jenis Horizontal

Studi yang mendalam terhadap pembangkit tenaga jenis cross flow untuk

PLTA skala kecil belum banyak dilakukan orang, karena tipe ini dianggap

sederhana dan effisiensi nya relatif rendah. Penelitian pada akhir – akhir ini

dilakukan terhadap pembangkit listrik yang berskala besar, mengingat secara

ekonomi makro, pembangkit listrik besarlah yang dianggap sangat

menguntungkan untuk dikembangkan. Tetapi bila kita berbicara kemampuan

masyarakat dalam keikutsertaan mengumpulkan air dari sumber tenaga yang

tersebar di jaringan irigasi dan sungai – sungai kecil di Indonesia, maka justru kita

harus mengembangkan tipe cross flow itu agar dapat dimanfaatkan oleh

masyarakat yang terbatas pengetahuan dan teknologinya. Tipe cross flow ini

sudah jelas kesederhanaannya dan dapat diproduksi oleh bengkel – bengkel biasa

(37)

Masalahnya dalam mendisain atau mendimensi tipe cross flow ini perlu

ada pedoman petunjuk, panduan dan bahkan spesifikasi jenis – jenis tertentu yang

telah diketahui perilakunya yang berkaitan dengan :

1. Kesedian debit dan tinggi muka air di suatu lokasi tertentu, untuk

mengetahui ketersediaan air pada suatu daerah aliran baik untuk

tujuan khusus seperti pembuatan bendungan untuk keperluan

pembangkit tenaga listrik atau untuk keperluan irigasi maupun untuk

tujuan yang lebih umum seperti pembuatan masterplan konservasi

sumberdaya air, perkiraan tentang ketersediaan air amatlah penting.

Oleh karena itu masalah data – data topografi dari suatu sungai yang

berkesinambungan harus dimiliki.

Disamping itu cara lain untuk merencanakan PLTA skala kecil perlu

diketahui ketersedian air yang ada agar PLTA tersebut dapat

berfungsi terus menerus sepanjang waktu, serta lokasi penempatan

turbin agar sesuai dengan yang direncanakan sehingga didapat debit

serta tinggi muka air yang memadai. Ketersediaan air di sungai

dalam jangka waktu yang panjang dapat diperkirakan dengan

mengadakan pegamatan taraf muka air pada beberapa lokasi

pengamatan. Dengan demikian debit pada sungai tersebut akan

dipergunakan untuk menggerakan turbin.

2. Daya yang dapat dihasilkan

Berdasarkan debit yang ada pada PLTA tersebut akan menghasilkan

daya dengan menggunakan rumus :

(38)

Dimana :

3. Pembangkit listrik atau generaor

Pembangkit listrik atau generator ini diusahakan yang mudah

diperoleh di pasar atau yang dapat dibuat lokal.

4. Ukuran dan bentuk detail turbin

Ukuran dan bentuk detail turbin dibuat agar mudah di desain dan

dipasang dilapangan.

5. Efisiensi turbin

Efisiensi turbin di dapat dari membandingkan output dan input yang

terpakai.

6. Pengoperasian dan Pemeliharaan

Pengoperasian dan pemeliharaan PLTA skala kecil ini mampu

dilakukan oleh tenaga/ teknisi menengah.

2.6Posisi Penyemburan Terhadap Sumbu Roda Jalan

Telah diuraikan bahwa energi potensial air telah dirubah melalui

penyembur menjadi energi kinetik pada sudu atau tenaga putar roda jalan. Daya

(39)

sudu – sudu, juga telah dinyatakan c1 = 2(u1/cosα1) untuk α1 = 150 harga ini tidak

jauh berubah c1 = 2,07u1 hal ini berarti saat berikutnya c1 kembali memasuki sudu

yang lain berlawanan arah, keluar dari sisi masuk kali ini sebagai w1.

Disatu sisi keadaan ini menguntungkan yaitu dapat memanfaatkan secara

maksimal energi air. Disisi lain akan merugikan karena kecepatan c1

menimbulkan arus putar balik (tahanan) yang seharusnya menuju pipa lepas.

Kajian ini untuk menetapkan posisi terbaik dari penyembur terhadap sumbu

poros.

Posisi penyemburan terhadap sumbu roda jalan dapat dibedakan atas tiga

jenis yaitu :

1) Posisi vertikal.

Sisi masuk vertikal membentuk sudut 900 dengan lantai. Dilukiskan

kecepatan aliran keluar roda jalan sebagai keadaan penuh pada keadaan normal

dan garis terputus – putus untuk kecepatan lebih. Kedua garis ini membentuk arus

pusar pada posisi setengah (1/2) belahan roda jalan (u1 = ½ c1). Arus pusar ini

merupakan tahanan geser antara lapisan tangensial dan sebagian lainnya

menumbuk dinding setelah terbuang ke pipa lepas.

(40)

2) Posisi Horizontal.

Dari segi pengaruh komponen keceptan dari roda jalan meskipun persis

berada diatas pipa lepas tetapi masih terjadi arus pusar pada dinding belakang.

Pada kecepatan arus normal terjadi pula arus perlawanan dari sisi depan poros

dengan meniadakan letak pipa. Di lapangan sisi masuk tertentu lebih banyak

digunakan.

Gambar 2.14 Posisi Penyemburan Horizontal

3) Posisi miring.

Bedasarkan kedua kasus diatas diantara sudut miring antara 00 – 900

lukisan lapis kecepatan pada sisi masuk normal maupun pada kecepatan lebih,

kedudukan terbaik adalah membentuk 300. Pada sisi ini komponen kecepatan c1

berubah menjadi w1 dan w2. Pusaran liar tetap ada, tetapi kedudukan lapis telah

menjauhi roda turbin atau jatuh ke pipa lepas dengan tambahan gaya berat sendiri.

Lebih besar dari 300 kecendrungan terjadinya arus pusar diantara roda jalan dan

dinding mulai terlihat.

(41)

2.7Energi Air

Kaidah energy menyatakan bahwa energy tidak dapat diciptakan dan tidak

dapat dimusnahkan tetapi dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk energy lain.

Pembangkitan energy air adalah suatu perubahan energy akibat adanya

perbedaan ketinggian antara reservoir atas dan reservoir bawah makan akan

terdapat energy potensial dan energy kinetic pada aliran tersebut. Selanjutnya

energy tersebut dapat dimanfaatkan dengan mengubahnya menjadi energy

mekanis melalui turbin air.

Untuk suatu aliran dengan head dan debit tertentu yang melalui sebuah

turbin dapat menghasilkan daya (power) air sebesar :

………... 2.3

Dimana :

P = Daya (Watt)

ρ = Massa jenis air ( kg/m3)

g = Percepatan gravitasi (m/s2)

Heff = Head efektif ( m )

Persamaan bernouli untuk losses instalasi tenaga air dengan menyatakan

titik 1 sebagai kondisi masuk air serta titik 3 untuk keadaan muka air bahwa

(42)

Gambar 2.16 diagram bernouli untuk turbin air

Persamaan momentum untuk pipa yang dialiri fluida dimana sifat fluida

konstan adalah sebagai berikut :

……… 2.4

Saat head losses akibat gesekan tidak diperhitungkan, maka persamaan

momentum akan berubah menjadi persamaan Bernouli. Persamaan ini ditemukan

pada aliran fluida yang tidak mengalami gesekan.

………. 2.5

Persamaan momentum untuk titik 1 dan 3 diperoleh :

……….. 2.6

Persamaan momentum untuk titik 2 dan 3 :

……….. 2.7

Dimana :

P = Tekanan absolute ( N/m2)

(43)

Hl = Head losses pada pipa ( m )

Heff = Head effektif (m)

Untuk kondisi-kondisi instalasi turbin air di atas dimana :

- Untuk waduk (reservoir titik 1) kecepatan V1 ≈ 0

- , (pressure grade adalah nol)

Maka :

………. 2.8

Persamaan head effektif diperoleh dari persamaan :

………. 2.9

Dengan mensubtitusikan persamaan 2.8 ke persamaan 2.9, diperoleh :

………. 2.10

Persamaan kontinuitas :

Q = V x A ……….… 2.11

Dimana :

Q = Debit aliran (m3/s)

V = Kecepatan aliran (m/s)

(44)

Head losses yang terjadi pada salurran pipa terbagi atas :

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

………. 2.12

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

…..……….… 2.13

2.8Daya Listrik

Daya listrik yang terbangkitkan dihitung dengan rumus

Pl = V.I ... 2.14

Daya turbin dapat dihitung dengan rumus

Pt = ...2.15

η = Effisiensi generator

ϕ

(45)

2.10 Efisiensi Turbin

Efisiensi turbin didapatkan dari perbandingan nilai daya air dan daya turbin

yaitu:

……….…... 2.16

Dimana :

(46)

BAB III

INSTALASI DAN PERALATAN PENGUJIAN

3.1 Umum

Pengujian pemanfaatan turbin air cross flow dilakukan di Laboratorium

Mesin Fluida, Departemen Teknik Mesin FT USU. Aliran yang digunakan berasal

dari bak penampungan yang dipompa.

Dalam sistem instalasi ini, secara garis besar dapat dibagi menjadi dua bagian

sebagai berikut:

• Instalasi saluran buatan dengan kapasitas aliran air yang bisa

diatur

• Instalasi turbin

• Instalasi generator

• Instalasi tempat penampungan air

• Instalasi rangkaian pengujian daya turbin

Aliran air berasal dari bak penampungan yang mempunyai posisi lebih

tinggi dari posisi turbin. Kapasitas aliran air (debit) yang akan diberikan pada

saluran buatan, diatur dengan menggunakan katub yang terletak pada pipa

penghubung sebelum turbin. Katub pengatur debit dioperasikan dengan cara

dibuka atau ditutup.

Aliran air akan memberikan energi air yang akan diberikan pada turbin

sebagai energi input. Kemudian energi air ini oleh turbin dipergunakan untuk

menggerakan roda turbin yang mana akan menghasilkan daya poros turbin.

(47)

3.2 Turbin

Turbin yang di uji merupakan turbin yang berada di Laboratorium Mesin

Fluida, Departemen Teknik Mesin FT USU dengan jenis turbin aliran silang

(cross flow).

(48)

3.3 Instalasi Pengujian Turbin

Pada sistem ini, air yang jatuh ke turbin berasal dari tempat penampungan

atas. Air yang berada di tempat penampungan atas berasal dari tempat

penambungan bawah, yang air nya dipompa naik ke atas.

Aliran air dari tempat penampungan atas kemudian di jatuhkan mengenai

turbin melalui saluran buatan. Debit aliran air yang jatuh dapat ubah – ubah.

Instalasi pengujian turbin ditunjukkan pada gambar sebagai berikut:

Gambar 3.2 Sketsa Instalasi Pengujian

Ket :

1. reservoir atas

2. turbin

3. reservoir bawah

4. pipa

(49)

6. rangkaian listrik

7. pompa

3.4 Peralatan Untuk Pengujian

3.4.1 Hand Tachometer

Alat ini digunakan untuk mengukur putaran turbin dan dinamo. Pada

pengujian ini Hand Tachometer yang digunakan adalah Krisbow KW06-303

dengan spesifikasi :

Ketelitian (akurasi) : ± 0.05 % + 1 digits

Range : auto range

Sampling time : 0.8 sec (over 60RPM)

(50)

3.4.2 Clamp Meter

Antara dinamo dan instalasi lamu dihubungkan dengan kabel masuk ke

mcb dipisahkan antara kabel positif dan negatif. Clamp Meter ini digunakan untuk

mengukur besarnya arus listrik (Ampere) yang dibangkitkan oleh dinamo. Dalam

pengujian ini Clamp Meter yang digunakan adalah Krisbow KW06-286 dengan

spesifikasi :

fungsi jangkauan akurasi

(51)

Gambar 3.4 Clamp Meter

3.4.3 Multi Tester

Antara dinamo dan instalasi lamu dihubungkan dengan kabel masuk ke

mcb dipisahkan antara kabel positif dan negatif. Multi Tester digunakan untuk

mengukur besarnya tegangan listrik (Volt) yang dibangkitkan oleh dinamo. Dalam

pengujian ini, Multi Tester yang digunakan adalah Sunwa GE–360TRN-B dengan

spesifikasi :

Range : DC voltage : 0 ; 0.1 ; 0.5 ; 2.5 ; 10 ; 50 ; 250 ; 1000 V

AC voltage : 0 ; 10 ; 50 ; 250 ; 1000V

DC current : 0 ; 50 μA ; 2.5 mA ; 25 mA ; 0.25A

(52)

Akurasi : DC voltage : ± 3% of full scale

AC voltage : ± 4% of full scale

DC current : ± 3% of full scale

Resistance : ± 3% of scale length

Gambar 3.5 Multitester

3.4.4 Meteran

Meteran adalah alat yang digunakan untuk mengukur tinggi muka air pada

(53)

3.4.5 Generator

Generator yang digunakan dalam pengujian ini adalah sebagai berikut:

Gambar 3.6 Generator

3.4.6 Instalasi Rangkaian Lampu

Pada instalasi ini digunakan lampu berdaya 100 watt sebanyak 5 buah dan

200 watt sebanyak 5 buah. Pada masing – masing lampu dipasang sakelar untuk

menghidupkan lampu. Pada instalasi ini juga dilengkapi dengan MCB (Mini

Circuit Breaker), yang berfungsi untuk menghindari putusnya lampu bila daya

(54)

Gambar 3.7 Rangkaian Listrik

3.4.7 Pompa

Pompa digunakan untuk menaikkan air dari tempat penampungan bawah

(55)

(56)

BAB IV

PELAKSANAAN DAN HASIL PENGUJIAN

4.1Pelaksanaan Pengujian

Pelaksanaan pengujian turbin cross flow pada saluran buatan ini dilakukan

di Laboratorium Mesin Fluida, Departemen Teknik Mesin FT USU.

Pengukuran yang dilakukan meliputi :

1. Pengukuran putaran poros turbin dan generator dengan Hand

Tachometer.

2. Pengukuran tegangan listrik dengan mengunakan Multi Tester

3. Pengukuran arus listrik dengan menggunakan Clamp Meter

Persiapan pelaksanaan pengujian yang dilakukan adalah pemeriksaan

instalasi dan peralatan yang meliputi :

1. Pemeriksaan banyaknya air dalam tempat penampungan bawah

2. Pemeriksaan pipa penghubung antara tempat penampungan bawah

dengan tempat penampungan atas, serta katub pengatur kapasitas air

pada pipa

3. Pemeriksaan poros turbin dan generator

4. Pemeriksaan tegangan listrik dan arus listrik

5. Pemeriksaan instalasi lampu sebagai beban

6. Pemeriksaan V- Belt pada pulley

(57)

Prosedur pengujian:

1. Keran dibuka sesuai keinginan

2. Pompa dihidupkan

3. Setelah aliran sudah konstan maka dilakukan pengamatan terhadap :

a. Pengukuran putaran pada turbin maupun dinamo dengan Hand

Tachometer

b. Pengukuran tegangan dengan Multitester

c. Pengukuran arus listrik dengan Clamp Meter

d. Setelah selesai dilakukan pembebanan dengan cara menyalakan

lampu untuk 1 lampu, 2 lampu, 3 lampu,… 15 lampu dan

dilakukan pengukuran seperti langkah – langkah sebelum nya.

Besaran yang diukur/ dicatat adalah :

1. Putaran poros turbin (nt)

2. Putaran poros dinamo (nd)

3. Tegangan listrik (V)

4. Arus listrik (I)

5. Nyala lampu (watt)

Dari besaran – besaran diatas dapat dihitung besaran lainnya :

1. Daya hidrolisis

2. Daya Turbin

(58)

4.2Analisis data dan perhitungan nya

Dari besaran – besaran yang langsung didapat dari pengamatan pembacaan

kemudian dihitung besaran – besaran yang diperlukan untuk mengetahui

karakteristik turbin yang diuji.

Contoh perhitungan :

1. Perhitungan debit air dan kecepatan aliran

Q = V.A

2. Perhitungan Bilangan Reynold

(59)

3. Perhitungan Head loses

Head loses terbagi dua yaitu: head loses mayor dan heal loses minor.

a. Head loses mayor

f = 0.0262 (didapat dari diagram moody)

Maka h = 0.531 m _f

koefisien gesekan dalam instalasi terdapat 2 buah elbow

(60)

K

∑

nk

Harga k berdasarkan ketentuan yang terdapat pada lampiran

(61)

ϕ

7. Effisiensi Turbin

%

Hasil-hasil perhitungan selanjutnya dapat dilihat pada tabel lampiran.

Dari hasil tabel perhitungan, dicari rata-rata untuk setiap percobaan dan

(62)

Table 4.1 tabel hasil pengolahan data

0,01586 9,301 336,5625 900,9375 97,1237 141,9937 1447,111 10,043 0,0149 9,409 333,425 886 94,4758 138,1224 1375,304 9,81222 0,0142 9,486 321,58125 860,44375 74,5335 108,9671 1321,419 8,61117 0,0135 9,555 315,9 844,5875 73,0992 106,8702 1265,416 8,08753 0,0128 9,63 272,69375 729,59375 35,8866 52,46573 1209,22 4,33881

4/12

0,01586 9,301 352,525 945,15 118,335 173,0047 1447,111 11,9552 0,0149 9,409 334,1375 893,75 95,0521 138,9651 1375,304 10,1043 0,0142 9,486 319,61875 850,275 77,2794 112,9816 1321,419 8,55002 0,0135 9,555 308,20625 828,1625 68,8456 100,6515 1265,416 7,95402 0,0128 9,63 277,55625 733,3375 38,3158 56,01718 1209,22 4,63251

5/12

0,01586 9,301 326,19375 871,80625 88,3966 129,2348 1447,111 8,88383 0,0149 9,409 325,11875 871,175 87,9343 128,5588 1375,304 8,78001 0,0142 9,486 320,08125 851,56875 79,4983 116,2255 1321,419 7,4509 0,0135 9,555 295,75625 789,9125 58,1423 85,00329 1265,416 6,71742 0,0128 9,63 269,6625 716,75625 37,2054 54,39382 1209,22 4,49826

6/12

0,01586 9,301 307,0125 818,51875 68,9702 100,8336 1447,111 6,96793 0,0149 9,409 301,80625 805,00625 63,1286 92,29322 1375,304 6,9844 0,0142 9,486 298,65625 798,0875 61,5939 90,04952 1321,419 6,54761 0,0135 9,555 291,86875 779,36875 53,5129 78,23529 1265,416 6,18257 0,0128 9,63 269,2375 718,08125 36,3278 53,11075 1209,22 4,39215

7/12

(63)

Grafik-grafik hasil pengujian :

Gambar 4.1 Grafik hubungan Q vs effisiensi

(64)

Gambar 4.3 grafik hubungan Q Vs nT

(65)

Gambar 4.5 grafik karakteristik hubungan Q Vs nt

Gambar 4.6 grafik karakteristik hubungan Q Vs Pt

Pada gambar 4.1, 4.2, 4.3 terlihat bahwa pada bukaan regulator 3/12 dan

4/12 effisiensi, daya turbin dan putaran turbin hampir sama pada debit 13-15 L/s .

Pada bukaan diatas 15 L/s effisiensi, daya turbin dan putaran turbin lebih baik

pada bukaan 4/12. Dari sini dapat diketahui bahwa pada debit aliran di atas 15 L/s

(66)

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Dari hasil pengujian dan perhitungan yang telah dilakukan pada turbin

aliran silang dapat diambil beberapa kesimpulan :

1. Kondisi optimum turbin aliran silang pada bukaan regulator 3/12

yang diuji adalah sebagai berikut :

a. Efisiensi maksimum (η maks) 10.043 %

b. Daya turbin 141.9937 Watt

c. Kecepatan putaran turbin 336.5 rpm

d. Tinggi terjun effektif 9.301 m

e. Kapasitas Aliran 15.86 L/s

b. Daya turbin 173 Watt

c. Kecepatan putaran turbin 352 rpm

(67)

6. Rendahnya efisiensi turbin cross flow ini terutama disebabkan oleh

adanya kerugian – kerugian (kehilangan energi) karena kebocoran

pada rumah turbin, gesekan serta tumbukan air baik pada bak

penampung, turbin sendiri serta pada pulley V-Belt sampai ke

(68)

5.2 Saran

1. Hasil penelitian menunjukkan effisiensi turbin yang rendah yang

diakibatkan adanya kebocoran pada rumah turbin, sehingga perlu

dilakukan perbaikan untuk mengurangi kebocoran pada rumah turbin

tersebut.

2. Effisiensi yang rendah juga disebabkan oleh draft tube yang mempunyai

diameter yang sama, sehingga perlu dilakukan perbaikan dengan

memperbesar draft tube dan mengarahkan ke rumah turbin sehingga

mengurangi hambatan aliran.

3. Penelitian yang dilakukan hanya pada bukaan regulator tertentu saja,

sehingga perlu dilakukan penelitian pada semua bukaan regulator.

4. Penelitian juga perlu dilakukan pada putaran konstan untuk setiap

(69)

DAFTAR PUSTAKA

1) Dietzel Fritz, “Turbin Pompa dan Kompresor”, Cetakan Ke-Lima, Penerbit

Erlangga, Jakarta, 1996.

2) Steeter LV dan Wylie B,”Mekanika Fluida”, edisi ke-8, Penerbit Erlangga,

Jakarta, 1993.

3) Dadenkar, M.M, Sharman K.N.,”Pembangkit Listrik Tenaga Air”, UI Press,

Jakarta, 1991.

4) Patty, O.F , “Tenaga Air”, Cetakan Pertama, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1995.

5) Frank White,”Fluid Mechanic”,MacGraw-Hill Inc. USA

6) Munson, Bruce. R, Young, Donald, F. Okiishi, Theodore, H,”Fundamentals of

Fluid Mechanics”, eifth edition, USA, 2006

7) Warnick, C.C,”Hydropower Engineering”, Prentice Hall, Inc, New York,

1984.

8) M. Edy Sunarto, Alex Arter, Ueli Meler, “Pedoman Rekayasa Tenaga Air”,

Jakarta, 1991.

9) Ir. Sularso,”Pompa Dan Kompressor”, Cetakan ketiga, PT. Pradya Paramita,

(70)

(71)

Q= 15,86 L/s bukaan regulator

(72)

Q= 15,86 L/s bukaan regulator 5/12

(73)

Q= 15,86 L/s bukaan regulator 7/12

(74)

Q=14,9 L/s bukaan regulator 4/12

Q=14,9 L/s bukaan regulator 5/12

(75)

Q=14,9 L/s bukaan regulator

(76)

Q=14.2 L/s bukaan regulator

(77)

(78)

Q=14.2 L/s bukaan regulator 7/12

(79)

(80)

(81)

(82)

banyak lampu Q Heff

(83)

banyak lampu Q Heff

putaran

V I

turbin dinamo

0 0.0128 9.63 402.1 1064 72.1 0

1 0.0128 9.63 386.4 992.5 68.3 0.17

2 0.0128 9.63 347.8 914.5 65.1 0.37

3 0.0128 9.63 308.7 853.8 64.6 0.56

4 0.0128 9.63 293.4 788.3 58.4 0.75

5 0.0128 9.63 271.7 728.6 51.3 0.87

6 0.0128 9.63 252.6 676.7 43.8 0.96

7 0.0128 9.63 239.1 634.4 39.4 1.05

8 0.0128 9.63 228.6 612.7 34.2 1.13

9 0.0128 9.63 217.9 587.1 30.2 1.18

10 0.0128 9.63 211.5 566.5 26.7 1.27

11 0.0128 9.63 206.9 554.1 24.7 1.35

12 0.0128 9.63 201.3 540.8 22.2 1.39

13 0.0128 9.63 200 536.1 19.7 1.43

14 0.0128 9.63 196.2 525 18.2 1.47

(84)

(85)

(86)

(87)

(88)

(89)

(90)

(91)

(92)

(93)

(94)

(95)

(96)

(97)

(98)

(99)

(100)

(101)

(102)

(103)

(104)

(105)

(106)

(107)

(108)

(109)

(110)

(111)

(112)

(113)

(114)