KAJIAN EKSPERIMENTAL PENGARUH BERAT RODA
GILA (FLYWHEEL) TERHADAP UNJUK KERJA TURBIN
HELIK UNTUK SISTEM PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA
MIKRO HIDRO (PLTMH)
Oleh
IWAN PRIATAMA
Skripsi
Sebagai salah satu syarat untuk mencapai gelar SARJANA TEKNIK
Pada
Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Lampung
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS LAMPUNG
ABSTRACT
EXPERIMENTAL STUDY ON THE EFFECT OF HEAVY FLYWHEEL HELIK TURBINE PERFORMANCE OF SYSTEMS FOR MICRO HYDRO
POWER PLANT (MHP) BY
IWAN PRIATAMA
Indonesia has been widely developed in the power plant by using a turbine, the turbine but generally utilize a high falling water (head) as its driving energy, such as waterfalls and dams. However, not all rural areas have a source of water that has a high energy falling water (head) or just have the energy of water flow. Hence the need for a concerted effort to capitalize on the potential of this water flow energy source for power plants, namely by using helical turbine . From the research that has been done before, using the turbine vanes NACA Airfoil shape helical 0030 chord length and 25 cm of water at the speed of 0.8 m/s obtained results in efficiency of 33,97%. The efficiency value is smaller than yields of testing that has been done the u.s. Department of Energy and the National Science Foundation in 1993-1995 by 35%. The research results also showed the presence of an inflexible pieces round generated turbines. For it required a tool to overcome the fluctuation of the turbine rotation by using the flywheel. On the research study was performed experimentally the influence of flywheel against performance turbine system for model helical power plant micro hydro (MHP) by varying the weight of the flywheel 10 kg, 15 kg, 20 kg, 25 kg and 30 kg. From the results of research that has been done, obtained increased efficiency of 36,65% in weight of the flywheel 20 kg and round the resulting turbine is more stable.
ABSTRAK
KAJIAN EKSPERIMENTAL PENGARUH BERAT RODA GILA (FLYWHEEL) TERHADAP UNJUK KERJA TURBIN HELIK UNTUK SISTEM PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKRO HIDRO (PLTMH)
Oleh
IWAN PRIATAMA
Di Indonesia telah banyak dikembangkan pembangkit listrik dengan menggunakan turbin, namun umumnya turbin tersebut memanfaatkan tinggi jatuh air (head) sebagai energi penggeraknya, seperti air terjun dan bendungan. Akan tetapi, tidak semua daerah pedesaan memiliki sumber energy air yang memiliki tinggi jatuh air (head) atau hanya memiliki energy aliran air. Maka perlu dilakukan suatu upaya untuk memanfaatkan potensi sumber energi aliran air ini untuk pembangkit listrik yaitu dengan menggunakan turbin helik. Dari penelitian yang telah di lakukan sebelumnya, dengan menggunakan turbin helik bentuk sudu
Airfoil NACA 0030 dan panjang chord 25 cm dengan kecepatan air 0,8 m/s didapat hasil efisiensi sebesar 33,97 %. Nilai efisiensi tersebut lebih kecil dari hasil pengujian yang telah dilakukan US Department of Energy and the National Science Foundationpada tahun 1993-1995 sebesar 35 %. Hasil penelitian tersebut juga menunjukan adanya ketidak stabilan putaran yang dihasilkan turbin. Untuk itu diperlukan suatu alat untuk mengatasi terjadinya fluktuasi putaran turbin yaitu dengan menggunakan roda gila (flywheel). Pada penelitian ini dilakukan kajian secara eksperimental pengaruh berat roda gila (flywheel) terhadap unjuk kerja turbin helik untuk model sistem pembangkit listrik tenaga mikrohidro (PLTMH) dengan memvariasikan berat roda gila (flywheel) 10 kg, 15 kg, 20 kg, 25 kg dan 30 kg. Dari hasil penelitian yang telah dilakukan, diperoleh peningkatan efisiensi sebesar 36,65 % pada berat roda gila (flywheel) 20 kg dan juga putaran yang dihasilkan turbin lebih stabil.
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Bandar Jaya, Lampung Tengah pada tanggal
01 Juni tahun 1989, sebagai anak pertama dari dua bersaudara dari
pasangan Waridi dan Rumsini.
Jenjang akademis penulis dengan mengawali pendidikan pada Taman
Kanak-Kanak pada TK Xaverius Terbanggi, Besar Lampung Tengah yang diselesaikan
pada tahun 1995. Kemudian melanjutkan pendidikan Sekolah Dasar di SD
Xaverius Terbanggi Besar, Lampung Tengah pada tahun 2002. Selanjutnya
melanjutkan ke Sekolah Lanjutan Tingkat Pertama (SLTP) Bustanul Ulum di
Terbanggi Besar, Lampung Tengah SLTP dan lulus pada tahun 2005. Pada tahun
2008 penulis berhasil menyelesaikan pendidikan pada Sekolah Menengah Atas
(SMA) Negeri 1 Terbanggi Besar, Lampung Tengah
Pada tahun 2008 penulis terdaftar sebagai mahasiswa Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik melalui jalur PKAB.
Selama menjadi mahasiswa, penulis aktif diberbagai organisasi Internal ataupun
eksternal kampus. Kemudian pada bidang akademik, penulis melaksanakan Kerja
Praktek di PT Great Giant Pineapple Terbanggi Besar Lampung Tenga pada tahun
2012. Pada skripsi ini penulis melakukan penelitian pada bidang konsentrasi
konversi energi dengan judul “ Kajian Eksperimental Pengaruh Berat Roda Gila
Tenaga Mikro Hidro (PLTMH)” di bawah bimbingan Bapak Jorfri Boike Sinaga,
MOTTO
TIDAK ADA KATA
TERLAMBAT BUAT
SESEORANG UNTUK BERUBAH
MENJADI LEBIH BAIK
MANUSIA DICIPTAKAN PALING SEMPURNA DI
DUNIA INI, TIDAK ADA YANG TIDAK BISA DI
CAPAI, INTINYA ADALAH BERDO A DAN
PERSEMBAHAN
Alhamdulillahirabbil alamim .
KUPERSEMBAHKAN HASIL KARYA YANG
SEDERHANA INI UNTUK ORANG-ORANG YANG
LUAR BIASA DALAM HIDUPKU :
Kedua Orang Tuaku Tercinta
Yang telah mempersembahkan arti kehidupan melalui
jerih payah, pelu keringat, rintihan, petuah dalam proses
hidup yang cukup panjang.
Adik
Terima kasih atas curahan dan bantuan
yang telah diberikan
Anak 26 dan Keluarga Besar Teknik Mesin
Universitas Lampng
Seluruh keluarga besarku dan sahabat terbaik yang
selalu member warna dan pelajaran pada hidupku.
SANWACANA
Segala puji dan syukur hanya milik Allah SWT tuhan semesta alam atas rahmat
dan pertolongan-Nya, skripsi ini dapat diselesaikan. Sholawat dan salam selalu
tercurah kepada Nabi Muhammad SAW dan kepada sahabatnya, serta para
pengikutnya yang selalu istiqomah diatas kebenaran agama islam hingga hari ajal
menjemput.
Dalam penyusunan skripsi ini Penulis banyak mendapat bantuan baik moral
maupun material dari berbagai pihak. Maka dari itu pada kesempatan ini, Penulis
ingin menyampaikan ucapan terima kasih kepada:
1. Bapak Prof. Dr. Ir. Sugeng P. Harianto, M.S., selaku Rektor Universitas
Lampung.
2. Prof. Drs. Suharno, M.Sc., Ph.D. selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas
Lampung.
3. Ibu Dr.Eng Shirley Savetlana,S.T.,M.Met selaku ketua jurusan Teknik Mesin
Universitas Lampung.
4. Bapak Jorfri Boike Sinaga, S.T,M.T., selaku pembimbing utama tugas akhir,
atas banyak waktu, ide, dan perhatian yang telah diberikan untuk
membimbing penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
5. Ibu Novri Tanti, S.T., M.T., selaku pembimbing kedua tugas akhir ini, yang
6. Bapak M. Dyan Susila ES, S.T., M.Eng. selaku pembahas tugas akhir ini,
yang telah banyak meberikan kritikdan saran yang sangat bermanfaat bagi
penulis.
7. Seluruh Dosen Staff pengajar Jurusan Teknik Mesin Universitas Lampung.
8. Kedua Orang Tuaku, Ibu, Ayah, serta Adiku yang selalu memberikan doa dan
yang terbaik bagi penulis.
9. Sahabat-sahabatku Habrianda Bukit, Habriandi Bukit, Hadi Safrudin, Ridhal
Muhammad, Andre Fransiska, Roy Ronal Manik, Dwi Supratmanto, serta
teman-teman seperjuangan, yang selalu memberikan semangat bagi penulis.
Akhir kata, Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan,
akan tetapi sedikit harapan semoga yang sederhana ini dapat berguna dan
bermanfaat bagi kita semua.
Bandar Lampung, Februari 2015
Penulis
DAFTAR TABEL
Tabel Halaman
2.1 Kecepatan Spesifik Turbin... 11
3.1 Contoh Tabel untuk Pengambilan Data ... 32
4.1 Data hasil Variasi berat roda gila (flywheel) dan beban lampu untuk
kecepatan air 0,8 m/s... 36
DAFTAR GAMBAR
Gambar Halaman
2.1 Turbin aliran tangensial ... 8
2.2 Turbin aliran aksial ... 8
2.3 Turbin aliran aksial- radial ... 9
2.4 Berbagai jenis roda gerak turbin konvensional... 12
2.5 Turbin helik dengan dua sudu ... 13
2.6 Aliran gaya padaairfoil ... 17
2.7 Perhitunganairfoil... 20
2.8 Roda gila (flywheel) ... 24
3.1 Mesin las listrik dan elektroda ... 26
3.2 Palu dan meteran... 26
3.3 Mesin Gerinda... 26
3.4 Mistar siku, busur, spidol, dan jangka ... 27
3.5 Pelat 5 mm ... 27
3.6 Tachometer, MultimeterdanClamp meter... 28
3.7 Sketsa Roda Gila (Flywheel) ... 29
3. 8 Sistem Pengujian Turbin Helik Menggunakan Roda Gila (Flywheel) ... 31
3.9 Diagram Alur Proses Penelitian... 33
4.1 Sistem Pengujian Turbin Helik ... 34
4.2 Grafik Hubungan Antara Torsi TerhadapTip Speed Ratio... 41
4.3 Grafik Hubungan Antara Daya Poros TerhadapTip Speed Ratio... 44
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL
LEMBAR PENGESAHAN
DAFTAR ISI ... i
DAFTAR TABEL ... iv
DAFTAR GAMBAR ... v
I. PENDAHULUAN A. Latar Belakang ... 1
B. Tujuan Penelitian ... 3
C. Batasan Masalah ... 4
D. Sistematika Penulisan Laporan ... 4
II. TINJAUAN PUSTAKA A. Pengertian Pembangkit Listrik Tenaga MikroHidro ... 6
B. Klasifikasi Turbin ... 7
1.1 Turbin Aliran Tangensial……….. 8
1.2 Turbin Aliran Aksial………. 8
1.3 Turbin Aliran Aksial - Radial……… 9
2. Berdasarkan Perubahan Momentum Fluida Kerjanya…………... 9
2.1 Turbin Implus………. 9
2.2Turbin Reaksi………. 10
3. Berdasarkan Kecepatan Spesifik (ns)……….. 10
4. Berdasarkan Head dan Debit………... 11
C. Turbin Helik ... 12
D. Model Matematik untuk Perhitungan Daya Turbin Helik ... 14
E. Airfoil... 16
F. Roda Gila (Flywheel) ... 21
1. Pengertian Roda Gila (Flywheel)………. 21
2. Koefisien Fluktuasi………... 21
3. Menentukan Berat Roda gila………... 22
III. METODOLOGI PENELITIAN A. Waktu dan Tempat Penelitian ... 25
B. Tahapan Penelitian ... 25
1. Alat ... 25
2. Bahan ... 27
3. Alat yang Digunakan untuk Pengambilan Data ... 27
5. Metode Pengambilan Data ... 29
6. Analisa Hasil Pengujian ... 30
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Hasil ... 34
B. Pembahasan ... 37
1. Perhitungan Data Pengujian ... 37
2. Hubungan Antara Torsi (Nm) TerhadapTip Speed Ratio(TSR)... 41
3.Hubungan Antara Daya Poros (Watt) TerhadapTip Speed Ratio (TSR)………...43
4. Hubungan Antara Efisiensi (%) TerhadapTip Speed Ratio(TSR)…46 V. SIMPULAN DAN SARAN A. Simpulan ... 48
B. Saran ... 49
DAFTAR PUSTAKA
1
I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Kebutuhan tenaga listrik dari waktu ke waktu semakin bertambah. Sampai saat
ini pembangkit listrik dengan tenaga air merupakan pembangkit yang ramah
lingkungan, sehingga potensi tenaga air perlu dimanfaatkan. Pemanfaatan energi
aliran air sebagai pembangkit listrik merupakan salah satu cara penggunaan
sumber energi terbarukan. Energi terbarukan memberikan harapan besar sebagai
alternatif yang bebas polusi untuk menggantikan instalasi tenaga berbahan bakar
fosil untuk memenuhi pertumbuhan kebutuhan energi listrik. Salah satu kategori
energi terbarukan yang sangat menjanjikan adalah hidrokinetik yang
menawarkan cara untuk menyediakan energi dari air yang mengalir seperti
saluran irigasi tanpa memerlukan bendungan (dam) atau pengarah sebagaimana
pada kebanyakan fasilitas hidroelektrik konvensional.
Di Indonesia telah banyak dikembangkan pembangkit listrik dengan
menggunakan turbin, namun kebanyakan turbin tersebut memanfaatkan tinggi
jatuh air (head) sebagai penggeraknya, seperti air terjun dan bendungan.
2
memutar turbin kemudian turbin menggerakan generator untuk menghasilkan
listrik.
Kenyataannya air yang digunakan sebagai sumber tenaga mengalami kecepatan
yang tidak konstan sehingga mengakibatkan perubahan kecepatan putaran dan
torsi pada turbin, hal ini akan mempengaruhi kualitas listrik yang dihasilkan oleh
generator. Selain itu pemakaian listrik yang melebihi beban secara mendadak
dari kemampuan generator juga akan menurunkan putaran dari generator tersebut
sehingga bisa mengakibatkan padamnya listrik. Perubahan putaran yang terjadi
juga bisa merusak turbin dan generator karena mendapat tekanan yang tidak
stabil, untuk itu diperlukan suatu alat penyimpan energi pada pembangkit yang
akan memberikan tambahan energi jika diperlukan untuk mempertahankan
putaran turbin maupun generator dan meningkatkan torsinya. Dari sekian banyak
media penyimpan energi yang ada salah satu media yang dapat menyimpan
energi yang berlebih kemudian menggunakannya kembali saat diperlukan adalah
menggunakan roda gila (flywheel). Selain roda gila (flywheel) juga dapat
memperbaiki kualitas daya listrik yang dihasilkan sehingga mencegah terjadinya
pemadaman listrik (black out) akibat beban puncak tidak dapat dipenuhi.
Roda Gila (flywheel) adalah sebuah komponen yang terdapat pada semua
kendaraan roda empat, dan merupakan sebuah piringan yang karena beratnya
dapat menahan perubahan kecepatan yang drastis sehingga gerak putaran poros
mesin menjadi lebih halus. Yang jarang diketahui adalah roda gila (flywheel)
3
dengan baterai yang ada saat ini serta dapat menyimpan dan melepaskan energi
dengan lebih cepat.
Dari sinilah muncul ide yang mendorong pengembangan lebih dalam mengenai
pembangkit listrik tenaga mikro hidro dengan mengunakan roda gila (flywheel)
sebagai penyimpan energi untuk mendapatkan pencapaian hasil yang lebih baik.
Dimana alat ini menggunakan prinsip generator pada umumnya dengan
konstruksi yang dibuat berskala kecil serta kumparan dan magnet permanen arah
radial, sehingga dapat membangkitkan voltase listrik yang maksimal dan dengan
penambahan system roda gila (flywheel) akan menghasilkan voltase bangkitan
yang relatif konstan. Dalam penelitian ini dilakukan penelitian lanjutan yang
sebelumnya telah dilakukan oleh Andareas (2014) dan Rapa’i (2014). Pada
penelitian sebelumnya diperoleh efisiensi variasi bentuk sudu yang terbaik adalah
bentuk NACA 0030 dengan panjang chord 25 cm yaitu sebesar 33,97 %. Hal
inilah yang mendorong peneliti untuk melakukan kajian eksperimental dengan
mevariasikan beban roda gila (flywheel), sehingga diperoleh unjuk kerja yang
lebih baik.
B. Tujuan Penelitian
Adapun tujuan umum dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh
pembebanan roda gila terhadap unjuk kerja turbin helik sebagai model
pembangkit listrik mikro hidro, dimana untuk mengetahui unjuk kerja turbin
4
1. Mengetahui pengaruh berat roda gila(flywheel) terhadap torsi yang dihasilkan
2. Mengetahui pengaruh berat roda gila (flywheel) terhadap daya poros yang
dihasilkan.
3. Mengetahui pengaruh berat roda gila (flywheel) terhadap nilai efisiensi dari
turbin.
C. Batasan Masalah
Adapun batasan masalah dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Bentuk sudu yang diuji yaitu dengan bentuk sudu simetri, yaitu sudu NACA
0030 dengan panjang chord 25 cm serta jumlah sudu 3.
2. Variasi pembebanan roda gila (flywheel) adalah 10 kg, 15 kg, 20 kg 25 kg dan
30 kg
3. Pengujian dilakukan pada saluran irigasi Way Tebu 1 dan 2 Desa Banjaragung
Udik,Kecamatan Pugung, Kabupaten Tanggamus.
D. Sistematika Penulisan Laporan
Laporan penelitian ini disusun menjadi lima bab, adapun sistematika
penulisannya adalah sebagai berikut:
BAB I : PENDAHULUAN
Berisikan tentang latar belakang masalah yang diambil, tujuan, batasan masalah,
5
BAB II : TINJAUAN PUSTAKA
Berisikan tentang teori – teori yang berhubungan dengan perihal yang akan
diangkat pada laporan ini.
BAB III : METODE PENELITIAN
Berisikan tentang metode, langkah-langkah, alat dan bahan yang digunakan
untuk mencapai hasil yang diharapkan.
BAB IV : HASIL DAN PEMBAHASAN
Berisikan tentang hasil dan pembahasan dari penelitian yang dilakukan.
BAB V : PENUTUP
Berisikan simpulan dari data yang diperoleh dan pembahasan, serta saran yang
6
II. TINJAUAN PUSTAKA
A. Pengertian Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH)
Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH), adalah suatu pembangkit
listrik skala kecil yang menggunakan tenaga air sebagai tenaga penggeraknya,
seperti : saluran irigasi, sungai atau air terjun alam dengan cara memanfaatkan
tinggi terjunan (head) dan jumlah debit air. Mikrohidro merupakan sebuah istilah
yang terdiri dari kata mikro yang berarti kecil dan hidro yang berarti air. Secara
teknis, mikrohidro memiliki tiga komponen utama yaitu air (sebagai sumber
energi), turbin dan generator. Mikrohidro mendapatkan energi dari aliran air
yang memiliki perbedaan ketinggian tertentu. Pada dasarnya, mikrohidro
memanfaatkan energi potensial jatuhan air (head) (Wikipedia, 2013).
Semakin tinggi jatuhan air maka semakin besar energi potensial air yang dapat
diubah menjadi energi listrik. Di samping faktor geografis (tata letak sungai),
tinggi jatuhan air dapat pula diperoleh dengan membendung aliran air sehingga
permukaan air menjadi tinggi. Air dialirkan melalui sebuah pipa pesat ke dalam
rumah pembangkit yang pada umumnya di bagian tepi sungai untuk
menggerakkan turbin atau kincir air mikrohidro. Energi mekanik yang berasal
7
generator. Mikrohidro bisa memanfaatkan ketinggian air yang tidak terlalu besar,
misalnya dengan ketinggian air 2.5 meter dapat dihasilkan listrik 400 W.
(Hendar. 2007). Beberapa keuntungan yang terdapat pada pembangkit listrik
tenaga mikro hidro adalah sebagai berikut:
1. Dibandingkan dengan pembangkit listrik jenis yang lain, PLTMH ini cukup
murah karena menggunakan energi alam.
2. Memiliki konstruksi yang sederhana dan dapat dioperasikan di daerah
terpencil dengan tenaga terampil penduduk daerah setempat dengan sedikit
latihan.
3. Tidak menimbulkan pencemaran.
4. Dapat dipadukan dengan program lainnya seperti irigasi dan perikanan.
5. Dapat mendorong masyarakat agar dapat menjaga kelestarian hutan sehingga
ketersediaan air terjamin.
B. Klasifikasi Turbin
Pada uraian berikut akan dijelaskan pengklasifikasian turbin air berdasarkan
beberapa kriteria.
1. Berdasarkan Model Aliran Air MasukRunner.
Berdasaran model aliran air masuk runner, maka turbin air dapat dibagi
8
1.1 Turbin Aliran Tangensial
Pada kelompok turbin ini posisi air masuk roda gerak dengan arah
tangensial atau tegak lurus dengan poros runner mengakibatkan roda
gerak berputar, contohnya turbin Pelton danturbin cross-flow.
Gambar 2.1.Turbin aliran tangensial (Bass, 2009)
1.2 Turbin Aliran Aksial
Pada turbin ini air masuk roda gerak dan keluar roda gerak sejajar
dengan poros roda gerak, turbin Kaplan atau propeller adalah salah satu
contoh dari tipe turbin ini.
9
1.3 Turbin Aliran Aksial - Radial
Pada turbin ini air masuk ke dalam roda gerak secara radial dan
keluar roda gerak secara aksial sejajar dengan poros. Turbin Francis
adalah termasuk dari jenis turbin ini.
Gambar 2.3. Turbin aliran aksial- radial (Wikipedia, 2004)
2. Berdasarkan Perubahan Momentum Fluida Kerjanya. Dalam hal ini turbin air dapat dibagi atas dua tipe yaitu :
2.1 Turbin Implus
Turbin Impuls merupakan turbin air yang memiliki tekanan sama pada
setiap sudu geraknya (runner). Energi potensial air diubah menjadi
energi kinetik pada Nosel. Air keluar Nosel yang mempunyai kecepatan
tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan
aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (Impuls).
Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin Impuls adalah turbin
tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah
10
dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi
kecepatan. Turbin Impuls merupakan turbin air yang memiliki tekanan
sama pada setiap sudu geraknya (runner). contohnya adalah turbin
Pelton, turbin Turgo dan turbincrossflow.
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. Runner turbin reaksi
sepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah turbin.Turbin
reaksi bekerja dengan cara penggerak turbin air secara langsung
mengubah energi kinetik juga energi tekanan secara bersamaan menjadi
energi mekanik, contohnya adalah turbin Francis, turbin baling-baling,
dan turbin Kaplan.
3. Berdasarkan Kecepatan Spesifik (ns)
Yang dimaksud dengan kecepatan spesifik dari suatu turbin ialah kecepatan
putar roda gerak yang dapat dihasilkan daya effektif 1 BHP untuk setiap
tinggi jatuh 1 meter atau dengan rumus dapat ditulis (Patty, 1995):
ns= n.Ne1/2/Hefs5/4……….(2.1)
Dimana :
11
n adalah kecepatan putar turbin (rpm)
Hefsadalah tinggi jatuh effektif (m)
Neadalah daya turbin effektif (HP)
Setiap turbin air memiliki nilai kecepatan spesifik masing-masing, Tabel 2.1
menjelaskan batasan kecepatan spesifik untuk beberapa turbin kovensional.
Tabel 2.1 Kecepatan Spesifik Turbin
No Jenis Turbin Kecepatan Spesifik
1. Pelton dan kincir air 10 - 35
2. Francis 60 - 300
3. Cross-Flow 70 - 80
4. Kaplan dan propeller 300 - 1000
4. Berdasarkan Head dan Debit.
Dalam hal ini pengoperasian turbin air disesuaikan dengan potensi headdan
debit yang ada yaitu :
1. Tinggi jatuh yang rendah yaitu dibawah 40 meter tetapi debit air yang
besar, maka turbin Kaplan atau propeller cocok digunakan untuk kondisi
seperti ini.
2. Tinggi jatuh yang sedang antara 30 sampai 200 meter dan debit relatif
cukup, maka untuk kondisi seperti ini gunakanlah turbin Francis atau
12
3. Tinggi jatuh yang tinggi yakni di atas 200 meter dan debit sedang, maka
gunakanlah turbin impuls jenis Pelton.
Gambar 2.4 menunjukan bentuk kontruksi tiga macam roda gerak turbin
konvensional.
Kaplan Pelton
francis
Gambar 2.4. Berbagai jenis roda gerak turbin konvensional (Sayersz, 1992)
C. Turbin Helik
Turbin helik adalah turbin yang digunakan untuk memanfaatkan energi kinetik
dan tenaga air pada head yang rendah ditunjukkan pada Gambar 2.5. Turbin ini
tidak memerlukan air yang dalam untuk instalasi horisontal, memungkinkan
13
terletak dipinggiran rotasi berbeda dengan baling-baling. Turbin helik bekerja
dengan memanfaatkan aliran air yang akan melewati airfoil ( sudu turbin helik)
karena bentuk sudu airfoil dan sudunya terpilin memungkinkan jika dilewati
aliran air akan mengakibatkan putaran.
Gambar 2.5. Turbin helik dengan dua sudu (Gorlov, 1998)
Turbin helik terdiri dari sudu di sepanjang permukaan silinder seperti ulir. Sudu
dapat memberikan reaksi dorong dari arus yang baik tanpa getaran yang
14
D. Model Matematik untuk Perancangan Turbin Helik
Putaran suatu turbin tergantung pada geometri dari turbin itu sendiri seperti
diameter, panjang turbin, dan jenis sudu. Karakteristik geometris yang paling
umum digunakan pada putaran turbin adalah soliditas relatif yang didefinisikan
sebagaiσ= nb / D, dimana nadalah jumlah sudu,b-chord dari masing-masing
sudu, dan D - diameter turbin. Soliditas relatif dapat digunakan untuk perhitungan drag. Namun, untuk perhitungan drag yang lebih tepat, yang
menunjukkan soliditas dari turbin helik olehS(proyeksi sudu pada poros turbin), dapat dihitung dengan persamaan dibawah ini, (Gorlov, 2010) :
S = d + sin d sin …….………(2.2)
Dimana :
S adalah proyeksi sudu pada poros turbin
n adalah jumlah sudu
H adalah tinggi / panjang turbin ( m)
r adalah jari-jari (m)
d adalah setengah dari sudu chord dalam radian terhadap sumbu rotasi (radian)
σ = S/2Hr adalah soliditas relatif dari turbin. Dengan demikian, dapat dihitung
sebagai
= d + sin d sin ………...………(2.3)
Untuk turbin dua sudu dapat dihitung dengan:
= [d 1 + sin d + cos d]……….….………(2.4)
15
= 3 + sin + 3 cos ……...…….………...(2.5)
Untuk menghitung gayadrag, dapat dihitung dengan:
D = C AV (N)…..………...………...………..……….………(2.6)
Untuk menghitung gayalift, dapat dihitung dengan:
L = (N)…...…………..……….….(2.7)
Dimana:
Cd adalah koefisiendrag(N)
Cl adalah koefesianLift (N)
ρ adalah densitas fluida (kg/m³)
A = 2hr adalah daerah frontal turbin (m²)
V adalah kecepatan air (m/s)
F adalah gaya air pada turbin (N)
Atau juga sebagai sebuah pendekatan, bahwa sudu memiliki bentuk suatu persegi
panjang tipis dengan panjang sama dengan b chord dari airfoil itu mengubah proporsi antaraliftdandrag. (Gorlov, 1998):
Perhitungan Torsi yang dihasilkan turbin:
T = F. R (N.m)………...…………..………(2.8)
Dimana:
T adalah torsi (N.m)
F adalah gaya air pada turbin (N)
R adalah jari-jari turbin (m)
16
P = . Q. V …….………..………..………….(2.9)
Dimana:
Pwadalah daya hidro ( Watt)
ρ adalah kerapatan massa fluida ( 1000 kg/m3)
Q adalah debit (m³/s)
V adalah kecepatan aliran air ( m/s)
Untuk mengetahui daya output yang dihasilkan turbin diperoleh dengan:
P = Tω(Watt)……….…...(2.10)
Dimana :
T adalah torsi ( Nm)
ω adalah kecepatan sudut turbin, (rad / sec)
Dengan mensubstitusikan putaran turbin n (rpm) kedalam Persamaan 2.10, maka
Pt= 0,105Tn……...………(2.11)
Efisiensi turbin diperoleh dengan :
= x 100%...………..…(2.12)
Dimana:
Pt adalah daya poros (Watt)
Pwadalah daya hidro ( Watt)
E. Airfoil
bantuan penyelesaia
berapa besarnya gay
standar dataNACA,ai
Gambar 2.
aian matematis sangat memungkinkan untuk
gaya angkat yang dihasilkan oleh suatu bodiairfoil
,airfoiltersebut mempunyai data-data teknis tiap be
r 2.6. Aliran gaya padaairfoil(Wikipedia, 2007)
Dari gambar aliran
bervariasi, begitu jug
terbentuk antara ke
Dari pertimbangan
dimanaλadalahtip s
Untuk airfoil NAC
aerodinamikanya yan
digit, yang mana seti
an gaya pada Gambar 2.6 tersebut dihasilkan ke
u juga dengan α (sudut serang). Sudut serang adala
kecepatan resultan (W) dengan kecepatan kelili
n geometris, vektor kecepatan resultan (W) dan
Gambar 2.7. Bagian–bagianairfoil
CA, telah dikeluarkan standar data beserta yang dinyatakan dalam bentuk serial number yang
etiap digitnya mempunyai arti sebagai berikut:
19
Angka pertama: menunjukkan harga maksimumchamberdalam prosentase
terhadapchord.
Angka kedua: menunjukkan lokasi dari maksimum chamber dalam
persepuluhchord.
Dua angka terakhir: menunjukkan maksimum thickness dalam prosentase
chord.
Dengan pengertian variabel geometrisairfoilsebagai berikut :
Leading edge(LE) adalah ujung depan dariairfoil
Trailling edge(TE )adalah ujung belakangairfoil
Chord(c) adalah jarak antaraleading edgedengantrailing edge
Chord line adalah garis lurus yang menghubungkan leading edge dengan
trailing edge
Chamber line adalah garis yang membagi sama besar antara permukaan
atas dan permukaan bawah dariairfoil.
Maksimum chamber (zc) adalah jarak maksimum antara mean chamber
line dan chord line. Posisi maksimum chamber diukur dari leading edge
dalam bentuk persentasechord.
Maksimum thickness (t) adalah jarak maksimum antara permukaan atas
dan permukaan bawahairfoil yang juga diukur tegak lurus terhadap chord
line.
Kebanyakan turbin memakai sudu (sirip baling-baling), Airfoil berbentuk
20
beda tekanan yang besar di antara kedua sisi blade untuk berputar dengan
momen gaya yang cukup besar. Airfoil adalah suatu sudu berpenampang
lengkung parabolik dengan bagian depan cukup halus dan bagian ujung runcing.
Angin melewatiairfoillebih cepat di bagian atas daripada bagian bawahnya. Hal
ini akan menimbulkan tekanan yang lebih besar pada bagian bawah sehingga
terjadi gaya angkat. Bila sudut airfoilterhadap horisontal (pitch) melebihi sudut
kritik (10º- 16º) maka lapisan batas akan terbentuk di ujung airfoil. Hal ini akan
menimbulkan olakan (turbulen) yang dapat menurunkanliftdan menaikkandrag,
kejadian ini dinamakan stall, Stallini dapat juga terjadi bila kecepatan air terlalu
besar. Untuk itu kebanyakan disain turbin dilengkapi dengan pengontrol sudut
(pitch) pada blade. Pada saat kecepatan angin turun, blade bergerak memutar
menghadap arah angin, tetapi pada saat kecepatan angin sangat besar maka
bergerak memutar menjauhi arah angin. Hal ini dibuat agar disain turbin dapat
menghasilkan daya yang optimal dan konstan.
21
= . 0.2969 0.1260 0.3516 + 0.2843 0.1015 ….
………..(2.16)
Dimana:
x adalah posisi sepanjangchorddari 0 sampai c
y adalah setengah ketebalan pada nilai tertentu x
t adalah tebal maksimum sebagai sebagian kecil dari chord ( persentase dari
chordyang diambil dari dua digit terakhir dalam naca 4 digit).
F. Roda Gila (Flywheel)
1. Pengertian Roda Gila (Flywheel)
Roda gila adalah sebuah massa yang berputar, dan digunakan sebagai
penyimpan tenaga mesin. Tenaga yang disimpan dalam roda gila berupa
energi kinetik yang besarnya.
T = 1 2 I ………...…….…(2.17)
Dimana:
I adalah momen inersia roda gila terhadap sumbu putarnya.
Pada saat tenaga bertambah, putarannya bertambah, dan tenaga tersebut
tersimpan dalam roda gila. Pada saat mesin kekurangan tenaga maka roda
gila tersebut akan memberikan tenaganya.
2. Koefisien Fluktuasi
Koefisien fluktuasi adalah variasi kecepatan yang diperlukan roda gila yang
22
=
=
………...………..(2.18)Dimana:
ω1adalah kecepatan sudut maksimal roda gila (flywheel)
ω2adalah kecepatan sudut minimal roda gila (flywheel)
ω adalah kecepatan sudut rata–rata roda gila (flywheel)
V1adalah kecepatan maksimal suatu titik pada roda gila (flywheel)
V2adalah kecepatan minimal suatu titik pada roda gila (flywheel)
adalah kecepatan rata–rata suatu titik pada roda gila (flywheel)
Nilai kefisien fluktuasi yang biasa dipakai (umum) dalam praktek, adalah
berkisar antara 0,002 untuk generator listrik.
3. Menentukan Berat Roda gila Apabila :
ω1adalah kecepatan sudut maksimal roda gila (flywheel)
ω2adalah kecepatan sudut minimal roda gila (flywheel)
I0 adalah momen kelembaman roda gila terhadap sumbu putarnya
Maka perubahan energi kinetik pada roda gila, pada kecepatan maksimum
dan minimum dapat dituliskan dalam persamaan berikut
= ………..………..(2.19)
= ……….………….(2.20)
= ( + )( )………..…(2.21)
= ( + )( ) ………...(2.22)
Bila:
dius girasi roda gila terhadap sumbu putarnya
at roda gila
gganti nilai = , maka:
= = ………
………
berupa disk, maka , sehingga harga E m
E = R = R δ ………
W = ………...………
pertimbangkan bagian – bagian yang lain ikut be
a hanya 90 %, dari berat hasil perhitungan.
24
Dengan mempertimbangkan gaya sentrifugal yang diambil akibat putaran, maka
kecepatan maksimum untuk roda gila dengan material baja adalah, v = 40
m/detik dan material besi tuang adalah v = 30 m/detik.
Pada analisa roda gila disini terdapat beberapa asumsi antara lain :
• Beban dianggap konstan
• Kecepatan mesin dianggap konstan, jadi percepatan mesin dianggap nol.
• Kecepatan rata – rata roda gila dianggap sama dengan kecepatan kerja mesin.
25
III. METODOLOGI PENELITIAN
A. Waktu dan Tempat Penelitian
Pembuatan roda gila (flywheel) dilakukan di Laboraturium Mekanika Fluida
Fakultas Teknik Universitas Lampung (UNILA), serta pengujian turbin helik
menggunakan variasi pembebanan roda gila (flywheel) akan dilakukan disaluran
irigasi way tebu 1 dan 2 di Desa Banjaragung Udik, Kecamatan Pugung
Kabupaten Tanggamus.
B. Tahapan Penelitian
Alat dan bahan yang digunakan untuk pembuatan roda gila (flywheel) model
pengujian PLTMH menggunakan turbin helik serta alat yang akan digunakan
untuk pengambilan data seperti pada gambar berikut:
1. Alat
Alat yang digunakan dalam pembuatan roda gila (flywheel) adalah mesin las,
elektroda, gerinda, palu, meteran, mistar siku, busur, spidol, dan jangka.
26
Gambar 3.1 Mesin las listrik dan elektroda
Gambar 3.2 Palu dan meteran
27
Gambar 3.4 Mistar siku, busur, spidol, dan jangka
2. Bahan
Bahan yang digunakan untuk pembuatan roda gila (flywheel) adalah pelat
baja 5 mm. Bahan ini dapat dilihat pada Gambar 3.6.
Gambar 3.5 Pelat 5 mm
3. Alat Yang Digunakan Untuk Pengambilan Data Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah:
1. Tachometeruntuk mengukur putaran (rpm)
2. Multimeteruntuk mengukur tegangan listrik (V)
3. Clamp Ampereuntuk mengukur arus listrik (A)
28
(a) (b) (c)
Gambar 3.6 (a).Tachometer, (b).Multimeterdan (c).Clamp Ampere.
4. Proses Pembuatan Roda Gila (Flywheel)
Pembuatan roda gila (flywheel) ini dimulai dengan menentukan berat dan
diameter roda gila. Berat roda gila yang ditentukan adalah 10 kg, 15 kg, 20
kg, 25 kg dan 30 kg. Sedangkan panjang diameternya adalah 52,3 mm.
Tahapan pengerjaan roda gila (flywheel):
Bahan yang digunakan adalah pelat dan besi cor dengan ukuran yang telah
ditentukan dimana langkah-langkah pembuatannya adalah sebagai berikut:
1. Menyiapkan bahan.
2. Sketsa roda gila yang akan dibuat seperti pada gambar 3.7.
3. Memotong pelat dengan bentuk lingkaran yang telah ditentukan.
4. Mengebor plat yang sudah ditentukan.
5. Mengelas besi cor pada besi plat lingkaran dengan panjang dan
kemiringan yang telah ditentukan.
29
7. Mengamplas sisi besi plat yang sudah dibentuk kemudian dibersihkan.
Gambar 3.7 sketsa roda gila (flywheel)
5. Analisa data pengujian
Untuk mendapatkan hasil unjuk kerja dari turbin helik, dapat diperoleh
dengan menghitung daya poros (Pt), daya hidro (Pw) dan efisiensi dari
turbin helik. Persamaan yang digunakan dalam menghitung unjuk kerja
turbin helik adalah :
Daya Hidro
………...……….…...(2.9)
Dimana:
Pw adalah daya hidro ( Watt)
ρ adalah kerapatan massa fluida ( 1000 kg/m3)
Q adalah debit (m
V adalah kecepatan aliran air ( m/s)
Daya Poros
……….……….……….(2.10)
30
T adalah torsi (Nm)
ω adalah kecepatan sudut turbin (rad / s)
Dalam hal ini n = rpm, ω = 2πn/60
……….………..………..….(2.11)
Pt adalah daya poros (Watt)
Pw adalah daya hidro ( Watt)
6. Metode Pengambilan Data
Adapun data yang akan di ambil dalam penelitian turbin helik di saluran
irigasi way tebu 1 dan 2 di Desa Banjaragung Udik, Kecamatan Pugung
Kabupaten Tanggamus adalah kecepatan yang dihasilkan oleh turbin helik
(rpm), tegangan dan arus yang dihasilkan dari turbin helik. Proses
pengambilan data terbagi menjadi beberapa tahap, antara lain dalam
penelitian ini akan dilakukan pembuatan sistem pengujian turbin helik,
31
Gambar 3.8 Sistem pengujian turbin helik menggunakan roda gila
Adapun langkah-langkah dalam pengujian turbin helik menggunakan roda
gilapada sistem pengujian adalah sebagai berikut:
1. Memasang rangka pada saluran
2. Memasang turbin helik dengan menggunakan roda gila dengan berat 10
kg.
3. Membuka pintu air sesuai dengan kecepatan aliran 0,8 m/s.
4. Mencatat putaran turbin dan putaran generator
5. Mengambil data dengan menggunakan multimeter dan tang amper
32
Tabel 3.1 contoh tabel untuk pengambilan data
No Berat roda
gila
(flywheel)
Voltase (volt) Arus (amper) Putaran
Geneator
(rpg)
Putaran poros
(rpp)
1
2
3
4
7. Mengulang langkah–langkah di atas dengan menggunakan variasi
pembebanan berat roda gila (flywheel) masing–masing berat yaitu 15 kg,
33
Gambar 3.9 Diagram Alur Proses Penelitian Mulai
Studi Literatur
Selesai Kesimpulan dan
saran Analisa Data :
Melakukan pengolahan data yang diperoleh dari pengujian yang dilakukan
Merakit dan menyiapkan bentuk model PLTMH secara lengkap
Pembuatan model roda gerak turbin helik dan roda gila
48
V. SIMPULAN DAN SARAN
A. Simpulan
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan pada model turbin helik dapat
diambil kesimpulan sebagai berikut:
1. Hasil pengujian pembebanan roda gila (flywheel) pada turbin helik
NACA 0030 menghasilkan torsi maksimum sebesar 40,11 Nm,
menghasilkan daya poros maksimum sebesar 112,59 watt, efisiensi
maksimum yang diperoleh sebesar 36,65 % pada berat roda gila
(flywheel) 20 kg dan kecepatan air 0,8 m/s.
2. Hasil pengujian ini menunjukan peningkatan unjuk kerja dari hasil
pengujian sebelumnya yang dilakukan oleh Andareas (2014) dan Rapa’i
(2014) yang diperoleh nilai efisiensi sebesar 33,97 %.
3. Dengan melihat hasil pengujian maka unjuk kerja model turbin helik
NACA 0030 dengan menggunakan roda gila (flywheel) mendekati nilai
efisiensi turbin helik yang diuji oleh US Department of Energy and the
49
B. Saran
Untuk mendukung penelitian dan pengujian selanjutnya, maka penulis
memberikan saran perlu dilakukan variasi pembebanan roda gila (flywheel)
DAFTAR PUSTAKA
Bass, R. 2009. Hydroelectric Feasibility Study.Oregon InstituteOfTechnology.Oregon
City.
Dietzel, F.1996. Turbin Pompa dan kompresor.PT. GeloraAksaraPratama, Jakarta.
Gorlov, A.M, 1998. Development Of The Helical Reaction Hydraulic Turbin. PI MIME Departement Northeastern University Boston, MA 02115. Diunduh dari http://www.osti.gov/scitech/servlests/purl/666280 pada tanggal 03 Juli 2014
Hendar, Ujang. 2007. Desain, Manufacturing dan Instalasi Turbin Propeller Open Flume Ø 125 Mm di Cv Cihanjuang Inti Teknik Cimahi-Jawa Barat. Fakultas Teknologi Pertanian IPB. Bogor.
IBEKA. 2002. Panduan Pemasangan, Pengoperasian dan Perawatan Turbin Cross Flow. Yayasan Institut Bisnis dan Ekonomi Kerakyatan . Bandung
Mairi.2010.Penelitian Pengembangan Mikro Hidro Elektrik Dengan Pemanfaatan Hasil
Air DAS di Sulawesi Utara.Departemen Kehutanan Badan Penelitian dan Pengembangan Kehutanan Balai Penelitian Kehutanan Manado.
Minas.Ingeniero.1998.Layman's HandbookOn how to develop small hydro site. U.Politécnica de Madrid
Patty. O.F. 1995,Tenaga Air,Erlangga, Jakarta.
Robert W. Fox, Alan T Mcdonald.2011. introduction to Fluid Mechanics 8rdedition.John Willey & Sons. USA.
Suga, K. 2004. Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin. PradnyaParamita, Jakarta.
Sitepu, W Andareas. 2014.Kajian Eksperimental Pengaruh Bentuk Sudu Terhadap Unjuk Kerja Turbin Helik Untuk Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH).Universiats Lampung Bandar Lampung.
http://id.wikepedia.org/wiki/2013/Mikrohidro.html diunduh pada tanggal 12 Juli 2014
http://wikipedia.org/wiki/2007/file:ossberger_turbine.jpg diunduh pada tanggal 11 Juli 2014
