Perencanaan Serta Pembuatan Prototipe Turbin Air Terapung Bersudu Lengkung Dengan Memanfaatkan Kecepatan Aliran Air Sungai

(1)

PERENCANAAN SERTA PEMBUATAN PROTOTIPE

TURBIN AIR TERAPUNG BERSUDU LENGKUNG

DENGAN MEMANFAATKAN KECEPATAN

ALIRAN AIR SUNGAI

SKRIPSI

Skripsi Diajukan Untuk Melengkapi

Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

RIO OKTAKARI SURBAKTI NIM. 040401001

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

(3)

(4)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Kuasa, atas segala berkat

dan anugerah-Nya yang senantiasa diberikan sehingga penulis dapat

menyelesaikan Tugas Skripsi ini.

Tugas Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk dapat lulus menjadi

Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas

Sumatera Utara. Adapun Tugas Skripsi yang dipilih, diambil dari mata kuliah

Sistem Pembangkit Tenaga, yaitu “ Perencanaan Serta Pembuatan Prototipe

Turbin Air Terapung Bersudu Lengkung Dengan Memanfaatkan Kecepatan

Aliran Air Sungai”.

Dalam penulisan Tugas Skripsi ini, penulis telah berupaya dengan segala

kemampuan pembahasan dan penyajian, baik dengan disiplin ilmu yang diperoleh

dari perkuliahan, menggunakan literatur serta bimbingan dan arahan dari Dosen

Pembimbing.

Pada kesempatan ini, penulis tidak lupa menyampaikan terima kasih yang

sebesar-besarnya kepada:

1. Orang Tua tercinta R.Surbakti dan N. Br.Tarigan dan juga kepada

keluarga, kakak, adik yang telah memberikan dukungan baik moril

maupun material kepada penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.

2. Bapak Ir.M. Syharil Gultom,MT selaku dosen pembimbing saya yang

telah meluangkan waktu, memberikan saran dan arahan hingga selesainya

skripsi ini.

3. Bapak Dr-Ing Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik

Mesin Universitas Sumatera Utara.

4. Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus, ST.MT selaku Sekretaris Departemen

Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

5. Bapak Ir. Awaluddin Thayab, M.Sc selaku dosen wali saya.

6. Seluruh Staf Pengajar dan Pegawai di Lingkungan Departemen Teknik

(5)

satu-7. Bang John Natal Sinuraya yang telah banyak membantu dalam proses

pembuatan turbin air terapung.

8. Teman satu dalam pembuatan turbin air terapung ini.

9. Rekan-rekan mahasiswa Departemen Teknik Mesin khususnya sesama

rekan-rekan stambuk 2004.

Penulis menyadari bahwa Skripsi ini masih jauh dari sempurna, oleh

karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang sifatnya membangun demi

penyempurnaan di masa mendatang.

Akhir kata,dengan kerendahan hati penulis mengucapkan terimakasih

kepada semua pihak yang turut membantu dalam penyelesaian Tugas Skripsi

ini,semoga Tugas Skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua.

Medan,10 Februari 2009 Penulis,

04 0401 001

(6)

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ... ..i

LEMBAR PENGESAHAN DARI DOSEN PEMBIMBING ... .ii

LEMBAR PENGESAHAN DARI DOSEN PEMBANDING ... iii

SPESIFIKASI TUGAS ... .iv

LEMBAR EVALUASI SEMINAR SKRIPSI ... .v

KATA PENGANTAR ... vi

DAFTAR ISI ...viii

DAFTAR TABEL ...x

DAFTAR GAMBAR ... .xi

DAFTAR NOTASI ...xii

BAB I PENDAHULUAN ... ..1

1.1 Latar Belakang ... ..1

1.2 Batasan Masalah ... ..1

1.3 Tujuan Perencanaan ... ..2

1.4 Pengumpulan Data ... ..2

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... ..3

2.1 Pengertian Turbin Air ... ..3

2.2 Klasifikasi Turbin Air ... ..8

2.2.1 Berdasarkan Tinggi Tekan ( head ) ... ..8

2.2.2 Berdasarkan Arah Aliran ... ..8

2.2.3 Berdasarkan Tenaga Yang Dihasilkan ... ..9

2.2.4 Berdasarkan Kecepatan Spesifik ... ..9

2.2 Sudu-Sudu Turbin ... 10

BAB III DASAR – DASAR PERENCANAAN ... 12

3.1 Penentuan Lokasi ... 12

3.2 Model Sudu Turbin ... 13

3.3 Model Turbin ... 14

(7)

BAB IV PERANCANGAN UKURAN UTAMA DAN PEMBAHASAN .. …16

4.1 Perancangan Ukuran Utama ... …16

4.2 Pembahasan ... …18

BAB V KESIMPULAN ... …36

DAFTAR PUSTAKA ... ....37

(8)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Klasifikasi Turbin Berdasarkan Arah Aliran 8 Halaman

(9)

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1 Turbin Francis 4

Gambar 2.2 Sketsa Turbin Francis 4

Gambar 2.3 Turbin Kaplan 5

Gambar 2.4 Turbin Pelton 6

Gambar 2.5 Sudu Turbin Pelton 6

Gambar 2.6 Turbin Crossflow 7

Gambar 2.7 Sudu-Sudu Turbin 11

Gambar 3.1 Pengukuran Kecepatan Aliran Sungai. 12

Gambar 3.2 Model Turbin 14

Gambar 4.1 Analisa Kecepatan Pada Sisi Masuk Rancangan I 18

Gambar 4.2 Analisa Kecepatan Pada Sisi Keluar Rancangan I 19

Gambar 4.3 Segitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar Rancangan I 20

Gambar 4.4 Analisa Kecepatan Pada Sisi Masuk Rancangan II 22

Gambar 4.5 Analisa Kecepatan Pada Sisi Keluar Rancangan II 23

Gambar 4.6 Segitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar Rancangan II 24

Gambar 4.7 Analisa Kecepatan Pada Sisi Masuk Rancangan III 26

Gambar 4.8 Analisa Kecepatan Pada Sisi Keluar Rancangan III 27

(10)

DAFTAR NOTASI

Simbol Keterangan Satuan

A Luas permukaan m2

C Kecepatan Absolut Fluida m/s

D Diameter m

n Putaran rpm

r Jari-jari ( radius ) m

U Kecepatan Tangensial m/s

W Kecepatan Relatif m/s

π Pi

α Sudut Aliran ( sudut antara C dengan U ) 0

β Sudut Sudu ( sudut antara W dengan U ) 0

ω Kecepatan Sudut rad/s

F Gaya N

.

m Laju aliran massa kg/s

Q Kapasitas Aliran m /3 s

v Kecepatan aliran fluida m/s

ρ Densitas air kg/ 3

m

T Torsi ( momen puntir ) Nm

(11)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Air merupakan sumber energi yang murah dan relatif mudah didapat,

karena pada air tersimpan energi potensial (pada air jatuh) dan energi kinetik

(pada air mengalir). Tenaga air (Hydropower) adalah energi yang diperoleh dari

air yang mengalir. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan

dalam wujud energi mekanis maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air

banyak dilakukan dengan menggunakan kincir air atau turbin air yang

memanfaatkan adanya suatu air terjun atau aliran air di sungai.

Turbin air merupakan salah satu jenis mesin fluida dari kelompok

mesin-mesin tenaga yang dapat merubah energi fluida menjadi energi mekanis. Prinsip

kerja dari turbin air adalah mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis

berupa putaran poros turbin, kemudian energi mekanis pada poros turbin tersebut

digunakan untuk memutar generator dengan menggunakan air sebagai fluida

kerja. Prinsip kerja dari turbin air ini, juga didukung oleh model dan jumlah

sudu-sudu yang terdapat pada bagian runner turbin. Bentuk dan jumlah sudu

berpengaruh terhadap putaran turbin dan besarnya daya yang akan dihasilkan.

1.2 Batasan Masalah

Pembatasan masalah dalam skripsi ini mencakup perencanaan diameter

turbin, perencanaan lebar turbin, perencanaan model sudu serta jumlah sudu

(12)

1.3 Tujuan Perencanaan

Adapun tujuan dari perencanaan ini adalah untuk membuat sebuah

prototipe turbin air terapung dengan memanfaatkan kecepatan aliran air sungai.

1.4 Pengumpulan Data

Adapun teknik pengumpulan data yang dilakukan penulis dalam

penyusunan tugas skripsi ini adalah :

1. Studi literatur dan studi kepustakaan serta kajian-kajian informasi yang

diperoleh dari internet yang berhubungan dengan pembuatan prototipe

turbin air terapung.

2. Melakukan diskusi dengan dosen pembimbing mengenai perencanaan dan

pembuatan prototipe turbin air terapung.

3. Melakukan diskusi dengan rekan-rekan satu tim dalam pembuatan

prototipe turbin air terapung.

4. Konsultasi dengan orang-orang yang memahami dan mengetahui cara

(13)

BAB I I

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pengertian Turbin Air

Menurt M.M Dandekar, K.N Sharma [6] turbin air merupakan jenis mesin

fluida yang fungsi utamanya adalah mengubah energi air menjadi tenaga listrik.

Turbin air dapat dibagi menjadi dua kelompok yaitu turbin reaksi dan turbin

impuls [11], dimana secara garis besarnya dapat dijelaskan sebagai berikut:

a. Turbin Reaksi

Pada turbin reaksi, energi yang tersedia pada saluran masuk hanya

sebagian saja yang dirubah menjadi energi kinetik sedangkan sisanya tetap dalam

bentuk energi tekan. Ketika air mengalir melalui roda gerak / runner terjadi

perubahan energi tekan menjadi energi kinetik secara berangsur-angsur. Tekanan

pada sisi masuk roda gerak lebih tinggi dibandingkan tekanan pada sisi keluar

roda gerak turbin, dimana tekanan tersebut bervariasi terhadap laju aliran fluida

yang melalui turbin. Selanjutnya agar perubahan tekanan ini dapat terjadi, maka

soda gerak/runner dalam hal ini harus tertutup dari udara luar dan seluruhnya

terisi air selama turbin beroperasi.

Beberapa contoh dari Turbin Reaksi adalah :

 Turbin Francis

Turbin 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

(14)

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 2.1 Turbin Francis Gambar 2.2. Sketsa TurbinFrancis

Sumber :Sumber

 Turbin Kaplan & Propeller

Turbin Kaplan dan propeller merupakan turbin rekasi aliran aksial. Turbin

ini tersusun dari propeller seperti pada perahu. Propeller tersebut biasanya

(15)

Gambar 2.3. Turbin Kaplan

Sumber.

b. Turbin Impuls

Pada turbin impuls energi potensial air dirubah menjadi energi kinetik

pada nosel. Air keluar nosel yang mempunyai kecepatan tinggi membentur

sudu turbin. Setelah membentur sudu turbin arah kecepatan aliran berubah

sehingga terjadi perubahan momentum ( impuls ). Akibatnya roda turbin

akan berputar. Turbin impuls adalah turbin tekana sama karena aliran air

yang keluar dari nosel tekananya adalah sama dengan tekanan atmosfir

sekitarnya.

Beberapa contoh dari turbin impuls adalah :

 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

(16)

Gambar 2.4 Turbin Pelton

Sumber.

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.

Gambar 2.5 Sudu Turbin Pelton

(17)

 Turbin Crossflow

Salah satu jenis turbin impuls ini juga dikenal dengan nama Turbin

Michell-Banki yang merupakan penemunya. Selain itu juga disebut Turbin

Osberger yang merupakan perusahaan yang memproduksi turbin crossflow.

Turbin crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 liter/det hingga 10 m3/s dan

head antara 1 s/d 200 m. Turbin crossflow menggunakan nosel 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 2.6. Turbin Crossflow

(18)

2.2 Klasifikasi Turbin Air

2.2.1 Berdasarkan Tinggi Tekan ( head )

Berdasarkan tinggi tekan (head) [7] turbin dapat diklasifikasikan menjadi:

1. Turbin Tinggi Tekan (head) Rendah

adalah turbin yang dapat bekerja pada head 2-15 m. Turbin Kaplan adalah

contoh turbin yang dipergunakan untuk head rendah.

2. Turbin Tinggi Tekan (head) Menengah

adalah turbin yang dapat bekerja pada head 16-70 m. Turbin Francis adalah

contoh turbin yang dipergunakan untuk head menengah.

3. Turbin Tinggi Tekan (head) Tinggi

adalah turbin yang dapat bekerja pada head 71-500 m. Turbin Pelton adalah

contoh turbin yang dipergunakan untuk head tinggi.

4. Turbin Tinggi Tekan (head) Sangat Tinggi

adalah turbin yang dapat bekerja pada head >500 m. Turbin Pelton dengan

berbagai macam penyesuaian adalah contoh turbin yang dipergunakan untuk

head sangat tinggi.

2.2.2 Berdasarkan Arah Aliran

Tabel 2.1 [8] adalah ringkasan dari arah aliran yang umumnya terjadi pada

turbin yang biasa dipergunakan.

Tabel 2.1

Jenis Turbin Arah Aliran

Francis Radial atau Gabungan

Pelton Tangensial

(19)

2.2.3 Berdasarkan Tenaga Yang Dihasilkan

Besar tenaga kuda P yang dihasilkan oleh sebuah turbin dapat dinyatakan

sebagai berikut [9] :

wQhη_o

75

=

Ρ ...(2.1)

dimana:

o

η = daya guna/efisiensi menyeluruh dari turbin

Q = debit ( 3 )

s m

h = tinggi tekan efektif

w = satuan berat dari air, dimana dalam keadaan normal diambil 1000 3

m kg

Dengan angka daya guna turbin saat ini kir-kira diambil 90%, maka rumus

di atas dapat ditulis secara kasar sebagai :

Ρ=12Qh ...(2.2)

Tenaga yang dikelurakan, bagaimanapun akan tergantung pada Q maupun h.

Turbin Pelton menghasilkan tenaga > 330.000 dk, Turbin Kaplan > 150.000 dk

dan Turbin Francis > 820.000 dk.

2.2.4 Berdasarkan Kecepatan Spesifik

Tabel 2.2 [10] adalah ringkasan dari kecepatan spesifik yang umumnya

terjadi pada turbin yang biasa dipergunakan.

Tabel 2.2

Kecepatan Spesifik Jenis Turbin

10 – 35 Pelton dengan 1 nosel

35 – 60 Pelton dengan 2 atau beberapa nosel

60 – 300 Francis

(20)

2. 3 Sudu-Sudu Turbin

Pada bagian permukaan roda turbin yang berputar terdapat sudu-sudu

turbin yang bergerak bersama-sama dengan roda turbin, maka sudu-sudu tersebut

dinamakan sudu gerak atau sudu jalan. Pada sebuah roda turbin mungkin terdapat

beberapa sudu gerak, setiap baris sudu terdiri dari sudu-sudu dengan bentuk dan

ukuran yang sama yang disusun melingkar mengikuti roda turbin. Turbin dengan

satu baris sudu gerak dinamakan turbin bertingkat tunggal dan turbin dengan

beberapa baris sudu gerak dinamakan turbin bertingkat ganda.

Pada turbin bertingkat ganda, fluida bekerja mengalir melalui baris sudu

yang pertama, kemudian baris kedua, ketiga dan seterusnya. Fluida kerja pada

turbin bertingkat ganda sebelum mengalir dari satu sudu gerak ke sudu gerak yang

lainnya akan melalui baris sudu-sudu yang bersatu dengan rumah turbin. Sudu

yang bersatu dengan rumah turbin dan tidak bergerak/berputar dinamakan sudu

tetap. Sudu tetap berfungsi mengarahkan aliran fluida kerja masuk ke dalam sudu

gerak dan dapat juga berfungsi sebagai nosel. Didalam turbin bertingkat ganda,

proses ekspansi dari fluida kerja dilakukan secara bertahap. Jadi, dari satu tingkat

ke tingkat berikutnya, dimana satu tingkat terdiri dari satu baris sudu tetap dansatu

baris sudu gerak. Tujuan penggunan turbin bertingkat ganda adalah untuk

(21)

Adapun beberapa model sudu turbin dapat dilihat pada gambar berikut:

Sudu Turbin Crossflow Sudu Turbin Kaplan/Propeller

Sudu Turbin Pelton

Gambar 2.7 Sudu-Sudu Turbin

Masing-masing turbin terdiri dari sebuah penggerak ( roda turbin ) dengan

bilah-bilah lengkung atau sudu-sudu yang disusun begitu rupa sehingga air dapat

mengalir melalui sudu-sudu ini. Sudu-sudu ini membelokkan air menuju keluar

dan dengan demikian menimbulkan tenaga putar bagi seluruh penggerak

(22)

1

2

3

5

4

BAB III

DASAR - DASAR PERENCANAAN

Penentuan Lokasi

Adapun lokasi yang dipilih sebagai dasar dalam perencanaan dan pembuatan

prototipe turbin air terapung ini adalah Sungai Namo Sira-Sira yang terletak

di desa Namo Tating, Kecematan Sei Bingai Kabupaten Langkat.

Berdasarkan survei yang telah dilakukan , diketahui bahwa Sungai Namo

Sira-sira memiliki kedalaman ±1,5m .Disamping itu Sunga i Namo Sira-sira

juga merupakan saluran irigasi sehingga lebar sungai tidak terlalu besar (

m

2

± ). Berdasarkan pengukuran yang telah dilakukan dengan

menggunakan alat ukur rotatometer diperoleh data-data kecepatan aliran air

Sungai Namo Sira-Sira sebagai berikut :

• Pengukuran I : C₁ =1,71m/s

• Pengukuran II : C₁ =1,73m/s

• Pengukuran III : C₁ =1,77m/s

• Pengukuran IV : C₁ =1,79m/s

(23)

Berdasarkan data-data diatas maka ditetapkanlah besarnya kecepatan aliran

air Sungai Namo Sira-Sira adalah :

C m/s

5

76 , 1 79 , 1 77 , 1 73 , 1 71 , 1

1

+ + + + =

C m/s

5 76 , 8

1 =

C₁ =1,752m/s

C₁ ≈1,75m/s

Model Sudu Turbin

Berdasarkan pada percobaan yang telah dilakukan dengan miniatur model

sudu lengkung, miniatur model sudu datar dengan bentuk persegi, persegi

panjang maupun jajaran genjang di Sungai Namo Sira-sira maka

ditentukanlah model sudu yang akan digunakan untuk prototipe turbin air

terapung adalah berbentuk lengkung. Hal ini disebabkan oleh besarnya gaya

tekan air terhadap permukaan sudu lengkung lebih tinggi dibandingkan

besarnya gaya tekan air terhadap permukaan sudu datar dengan bentuk

persegi, persegi panjang maupun jajaran genjang yang nantinya akan

(24)

Model Turbin

Sebelum prototipe turbin air terapung dibuat, maka terlebih dahulu

ditentukan model turbin yang akan digunakan. Adapun model turbin yang

akan digunakan dalam pembuatan prototipe turbin air terapung adalah

sebagai berikut :

Gambar 3.2 Model Turbin

Adapun alasan mengapa prototipe ini termasuk dalam kategori turbin

adalah sebagai berikut :

 Menurut Fritz Dietzel (1990), putaran kincir air kecil, yaitu berkisar

antara 2 – 12 rpm, jika lebih dari itu dinamakan turbin. Sedangkan

prototipe ini direncanakan putarannya ±40 rpm. Oleh sebab itu, prototipe

ini termasuk dalam kategori turbin.

 Aliran air yang masuk turbin tekanannya adalah sama dengan tekanan

atmosfir sekitarnya sehingga dapat dikelompokkan dalam turbin impuls,

(25)

Daya Yang Dihasilkan Turbin

Adapun langkah – langkah yang digunakan dalam menghitung daya yang

dihasilkan turbin pada prototipe turbin air terapung bersudu lengkung adalah

sebagai berikut :

1. Tentukan kecepatan linear ( kecepatan tangensial ) turbin air berdasarkan

analisa segitiga kecepatan.

2. Dari langkah 1, diperoleh besar kecepatan sudut turbin dengan menggunakan

persamaan

r U

= ω

3. Tentukan besar gaya pada turbin air berdasarkan besarnya laju aliran massa air

masuk ke turbin dengan persamaan F =m×v

.

4. Dari langkah 3, diperoleh besar momen puntir ( torsi ) pada turbin air dengan

menggunakan persamaan Τ=F×r

(26)

BAB IV

PERANCANGAN UKURAN UTAMA DAN PEMBAHASAN

4.1 PERANCANGAN UKURAN UTAMA

Setelah model turbin yang akan digunakan untuk prototipe turbin air

terapung ditentukan, maka dilakukanlah perancangan ukuran utama turbin.

Adapun perancangan ukuran utama turbin adalah sebagai berikut :

Rancangan I

 Turbin

- Diameter Turbin : 75 cm disesuaikan dengan kedalaman

- Lebar Turbin : 50 cm dan lebarsungai Namo Sira-sira

- Bahan Turbin : Baja ST-37 dengan tebal 2 mm

 Sudu Turbin

- Model Sudu : Lengkung

- Jumlah Sudu (z) : 12 buah ( ditentukan )

- Panjang Sudu : 50 cm ( sesuai dengan lebar turbin )

- Lebar Sudu :

(

cm

)

z

D ₌₁₉_,₆₂₅

π _≈20 cm

- Bahan Sudu : Baja ST-37 dengan tebal 2 mm

 Berat Total : ±40kg

Rancangan II

 Turbin

(27)

 Sudu Turbin

- Lebar Sudu :

(

cm

)

z

D ₌₁₆_,₈₂₁

π

≈

17 cm

Rancangan III

 Turbin

- Diameter Turbin : 75 cm disesuaikan dengan kedalaman

- Lebar Turbin : 50 cm dan lebarsungai Namo Sira-sira

 Sudu Turbin

- Lebar Sudu :

(

cm

)

z

D ₌₂₃_,₅₅

π

≈

23 cm

Adapun maksud dari dilakukannya perancangan ukuran utama turbin ini

sampai 3 kali adalah untuk mengetahui rancangan turbin dengan spesifikasi mana

yang paling ideal untuk prototipe turbin air terapung dengan memanfaatkan

(28)

U

1

C

1

4.2 PEMBAHASAN

4.2.1 Rancangan I

Analisa Segitiga Kecepatan Turbin Air

 Analisa Kecepatan Pada Sisi Masuk

W₁

Gambar 4.1 Analisa Kecepatan Pada Sisi Masuk

Dari gambar diatas diketahui bahwa :

1

C : Kecepatan Absolut Fluida Masuk

1

U : Kecepatan Tangensial / Kecepatan Keliling Sudu Turbin yang arahnya

searah dengan arah putaran turbin.

1

W : Kecepatan Relatif Fluida terhadap Sudu Turbin

Adapun nilai dari C = ₁ 1,75m /s ( diperoleh dengan menggunakan rotatometer )

dan U dapat dicari dengan persamaan [2] : ₁

U = ₁

60

n D ×

× π

...(4.1)

(29)

U

2

C

1

C

2

W

2

Sehingga :

U = ₁ m s

menit ik rpm m / 22 , 1 / det 60 31 75 , 0 = × × π

Maka harga W dapat dicari dengan menggunakan persamaan [3] : ₁

α Cos U C U C

W₁2 = ₁2 + ₁2 −2 ₁ ₁ ...(4.2)

dengan α =00 ( karena C dan ₁ U segaris), sehingga persamaan diatas menjadi : ₁

α Cos U C U C

W₁2 = ₁2 + ₁2 −2 ₁ ₁

0 2

2 2

1 1,75 1,22 2.1,75.1,22Cos0

W = + −

27 , 4 4884 , 1 0625 , 3 2

1 = + −

W 2809 , 0 2 1 = W s m W₁ =0,53 /

Jadi besar kecepatan relatif fluida terhadap sudu turbin pada sisi masuk

adalah 0,53 m/s.

 Analisa Segitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar

(30)

C

2

W

2

U

2

β

2

Dari gambar diatas, dapat diperoleh gambar segitiga kecepatan pada sisi keluar

sebagai berikut :

[image:30.595.125.464.134.306.2]

Gambar 4.3 Segitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar

2

C : Kecepatan Absolut Fluida Keluar

2

Maka harga W dapat dicari dengan menggunakan persamaan [3] : ₂

α

Cos U C U

C

W₂2 = ₂2 + ₂2 −2 ₂ ₂ ...(4.3)

dimana :

2

C = 0,53 m/s

2

U = 1,22m/s

(31)

Sehingga persamaan diatas menjadi : α Cos U C U C

W 2 2

2 2 2 2 2

2 = + −2

0 2

2 2

2 0,53 1,22 2.0,53.1,22Cos90

W = + −

4884 , 1 2809 , 0 2

2 = +

W 7693 , 1 2 2 = W s m W2 =1,33 /

Jadi besar kecepatan relatif fluida terhadap sudu turbin pada sisi keluar

adalah 1,33 m/s.

Berdasarkan gambar 4.3 besar sudut antara W dengan ₂ U ( ₂ β₂ ) dapat

dihitung dengan menggunakan persamaan :

2 2 2 2 2 2 W U ArcCos W U

Cosβ = ⇒β = ...(4.4)

s m s m ArcCos / 33 , 1 / 22 , 1 2 = β 917 , 0

2 = ArcCos β

0 2 =23,51

β

(32)

U

1

C

1

4.2.2 Analisa Rancangan II

Analisa Segitiga Kecepatan Turbin Air

W₁

Gambar 4.4 Analisa Kecepatan Pada Sisi Masuk

1

U = ₁

60

n D ×

× π

...(4.5)

(33)

U

2

C

1

C

2

W

2

Sehingga :

U = ₁ m s

α Cos U C U C

W₁2 = ₁2 + ₁2 −2 ₁ ₁ ...(4.6)

dengan α =00 ( karena C dan ₁ U segaris), sehingga persamaan diatas menjadi : ₁

α Cos U C U C

W₁2 = ₁2 + ₁2 −2 ₁ ₁

0 2

2 2

1 1,75 1,3 2.1,75.1,3Cos0

W = + −

55 , 4 69 , 1 0625 , 3 2

1 = + −

W 2025 , 0 2 1 = W s m W₁ =0,45 /

adalah 0,45m/s.

[image:33.595.159.441.278.439.2]

(34)

C

2

W

2

U

2

β

2

sebagai berikut :

[image:34.595.127.462.125.263.2]

Gambar 4.6 Segitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar

2

α

Cos U C U

C

W₂2 = ₂2 + ₂2 −2 ₂ ₂ ...(4.7)

dimana :

2

C = 0,45m/s

2

U = 1,3 m/s

(35)

W 2 2

2 2 2 2 2

2 = + −2

0 2

2 2

2 0,45 1,33 2.0,45.1,3Cos90

W = + −

69 , 1 2025 , 0 2

2 = +

W 8925 , 1 2 2 = W s m W2 =1,38 /

adalah 1,38m/s.

2 2 2 2 2 2 W U ArcCos W U

Cosβ = ⇒β = ...(4.8)

s m s m ArcCos / 38 , 1 / 3 , 1 2 = β 942 , 0

2 = ArcCos β

0 2 =19,61

β

(36)

U

1

C

1

4.2.3 Analisa Rancangan III

4.3.1 Analisa Segitiga Kecepatan Turbin Air

W₁

Gambar 4.7Analisa Kecepatan Pada Sisi Masuk

1

U = ₁

60

n D ×

× π

...(4.9)

(37)

U

2

C

1

C

2

W

2

Sehingga :

U = ₁ m s

α Cos U C U C

W₁2 = ₁2 + ₁2 −2 ₁ ₁ ...(4.10)

dengan α =00 ( karena C dan 1 U segaris), sehingga persamaan diatas menjadi : 1

α Cos U C U C

W 1 1

2 1 2 1 2

1 = + −2

0 2

2 2

1 1,75 1,02 2.1,75.1,02Cos0

W = + −

57 , 3 0404 , 1 0625 , 3 2

1 = + −

W 5329 , 0 2 1 = W s m W1 =0,73 /

adalah 0,73 m/s.

[image:37.595.160.442.282.441.2]

(38)

C

2

W

2

U

2

β

2

sebagai berikut :

Gambar 4.9 Segitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar

2

α

Cos U C U

C

W₂2 = ₂2 + ₂2 −2 ₂ ₂ ...(4.11)

dimana :

2

C = 0,73 m/s

2

U = 1,02 m/s

0

90

=

(39)

W 2 2

2 2 2 2 2

2 = + −2

0 2

2 2

2 0,73 1,02 2.0,73.1,02Cos90

W = + −

0404 , 1 5329 , 0 2

2 = +

W 5733 , 1 2 2 = W s m W2 =1,25 /

adalah 1,25m/s.

2 2 2 2 2 2 W U ArcCos W U

Cosβ = ⇒β = ...(4.12)

s m s m ArcCos / 25 , 1 / 02 , 1 2 = β 816 , 0

2 = ArcCos β

0 2 =35,3

β

(40)

4.2.4 Analisa Daya Yang dihasilkan Turbin

Adapun langkah – langkah yang digunakan dalam menganalisa daya yang

dihasilkan turbin pada prototipe turbin air terapung bersudu lengkung adalah

sebagai berikut :

1. Tentukan kecepatan linear ( kecepatan tangensial ) turbin air berdasarkan

analisa segitiga kecepatan.

2. Dari langkah 1, diperoleh besar kecepatan sudut turbin dengan menggunakan

persamaan

r U

= ω

3. Tentukan besar gaya pada turbin air berdasarkan besarnya massa air masuk

ke turbin air dengan persamaan F =m×v

.

4. Dari langkah 3, diperoleh besar momen puntir ( torsi ) pada turbin air dengan

menggunakan persamaan Τ=F×r

(41)

 Analisa Daya Yang Dihasilkan Turbin Untuk Rancangan I

- Kecepatan Aliran : v = 1,75m /s

- Putaran Turbin : n = 31 rpm

 Kecepatan Linear / Tangansial ( U )

U = 60

n D ×

× π

⇒U = 1,22m /s

 Kecepatan Sudut ( ω ) Turbin

Untuk menghitung kecepatan sudut turbin dapat digunakan persamaan [4]

yaitu:

r U

=

ω ...(4.13)

m s m 375 , 0 / 22 , 1 = ω s 25 , 3 = ω

 Gaya ( F ) pada Turbin

Besar gaya pada turbin dapat dicari dengan persamaan [1] yaitu :

F =m×v

.

...(4.14)

dimana :

m=Q×ρ

.

⇒ m= A×v×ρ

. 2 3 . / 2 , 998 / 75 , 1 1 ,

0 m m s kg m

m= × ×

m 174,7kg/s

.

=

sehingga :

F =174,7kg/s×1,75m/s

(42)

 Torsi pada Turbin

Untuk menghitung torsi pada turbin dapat digunakan persamaan [5] :

Τ=F×r...(4.15)

Τ=305,7N×0,375m

Τ=114,64Nm

 Daya Turbin

Besarnya daya yang dihasilkan turbin dapat dicari dengan persamaan :

P = T×ω...(4.16)

Ρ=114,64Nm×3,25/s

Ρ=372,58watt

 Analisa Daya Yang Dihasilkan Turbin Untuk Rancangan II

U = 60

n D ×

× π

⇒U = 1,3m /s

Untuk menghitung kecepatan sudut turbin dapat digunakan persamaan [4]

yaitu:

r U

=

(43)

F =m×v

.

...(4.18)

dimana :

m=Q×ρ

.

⇒ m= A×v×ρ

.

. 2 3

/ 2 , 998 /

75 , 1 085 ,

0 m m s kg m

m= × ×

m 148,48kg/s

.

=

sehingga :

F =148,48kg/s×1,75m/s

F =259,84N

Τ=F×r...(4.19)

Τ=259,84N×0,375m

Τ=97,44Nm

 Daya Turbin

P = T×ω...(4.20)

Ρ=97,44Nm×3,5/s

(44)

 Analisa Daya Yang Dihasilkan Turbin Untuk Rancangan III

U = 60

n D ×

×

π _⇒

U = 1,02m /s

Untuk menghitung kecepatan sudut turbin dapat digunakan persamaan [4]

yaitu:

r U

=

ω ...(4.21)

m s m 375 , 0 / 02 , 1 = ω s 72 , 2 = ω

F =m×v

.

...(4.22)

dimana :

m=Q×ρ

.

⇒ m= A×v×ρ

. 2 3 . / 2 , 998 / 75 , 1 115 ,

0 m m s kg m

m= × ×

m 200,89kg/s

.

(45)

sehingga :

F =200,89kg/s×1,75m/s

F =351,56N

Τ=F×r...(4.23)

Τ=351,56N×0,375m

Τ=131,835Nm

 Daya Turbin

P = T×ω...(4.24)

Ρ=131,835Nm×2,72/s

(46)

BAB V

KESIMPULAN

Dari hasil seluruh perhitungan/analisa yang telah dilakukan, maka hasil

perencanaan yang paling ideal untuk prototipe turbin air terapung dengan

memanfaatkan kecepatan arus aliran sungai Namo Sira-Sira adalah :

1. Turbin

- Diameter Turbin : 75 cm

- Lebar Turbin : 50 cm

2. Sudu Turbin

- Jumlah Sudu : 12 buah

- Panjang Sudu : 50 cm

- Lebar Sudu : 20 cm

3. Putaran Turbin : 31 rpm

(47)

DAFTAR PUSTAKA

[1]. Fritz Dietzel, Dakso Sriyono. Turbin Pompa dan Kompressor. Erlangga.

Jakarta.1990,hal 10.

[2]. Fritz Dietzel, Dakso Sriyono. Turbin Pompa dan Kompressor. Erlangga.

[3]. Ir. Jero Wacik S, Ir. Suardhana Linggih. Ringkasan Fisika. Ganeca Excat.

Bandung.1985,hal 22.

[6]. M.M. Dandekar, K.N. Sharma. Pembangkit Listrik Tenaga Air. UI. Press

[10]. R.S Khurmi. A Text Book Of Hydraulic Machiner. S.Chand & Company

LTD. Ram Nagar,New Delhi.1984,hal 841.

[11]. http:// water turbine-wikipedia,the free encyclopedia.html.

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

13. http://lingolex.com/bilc/engine.html

14. http://en.wikipedia.org/wiki/francis turbin

15. http://en.wikipedia.org/wiki/kaplan turbin

(48)