Uji Performansi Turbin Pelton Dengan 24 Sudu Pada Head 5,21 Meter Dan Analisa Perbandingan Menggunakan Variasi Bentuk Sudu

(1)

UJI PERFORMANSI TURBIN PELTON DENGAN 24

SUDU PADA HEAD 5,21 METER DENGAN

MENGGUNAKAN SATU NOSEL DAN ANALISA

PERBANDINGAN MENGGUNAKAN VARIASI

BENTUK SUDU

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

BERNARDUS LUMBAN GAOL

NIM. 080401045

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

UJI PERFORMANSI TURBIN PELTON

DENGAN 24 SUDU PADA HEAD 5,21 METER

DAN ANALISA PERBANDINGAN DENGAN MENGUNAKAN

VARIASI BENTUK SUDU

BERNARDUS LUMBAN GAOL NIM. 08 0401 045

Telah Disetujui Oleh:

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

ABSTRAK

Penelitian ini bertujuan untuk meneliti Turbin Pelton untuk Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) dengan variasi bentuk sudu dan variasi bukaan katup. Variasi bentuk sudu yang digunakan adalah bentuk sudu mangkok dan bentuk sudu setengah silinder sedangkan variasi bukaan katupnya adalah 60o, 75o, 90o. Langkah-langkah yang dilakukan dalam penelitian ini meliputi, perancangan, pembuatan, dan pengujian menggunakan dinamometer untuk mengetahui karakteristik turbin. Turbin yang diuji memiliki nosel tunggal, dengan jumlah sudu 24 buah. Dari data pengujiaan pada sudu mangkok maupun sudu setengah silinder memiliki kecenderungan yang sama pada karakteristik grafiknya. Tetapi daya dan efisiensi yang dihasilkan turbin pada sudu mangkok lebih besar dibandingkan dengan sudu setengah silinder yaitu sebesar 112,99 Watt dan 55,92 % pada sudu mangkok dan sebesar 73,49 Watt dan 36,37 % pada sudu setengah silinder.

(12)

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kehadiran Tuhan Yang Maha Esa karena atas berkat dan karunia-Nya penulis akhirnya dapat menyelesaikan skripsi ini dengan judul “UJI PERFORMANSI TURBIN PELTON DENGAN 24 SUDU PADA HEAD 5,21 METER DENGAN MENGGUNAKAN SATU NOSEL DAN ANALISA PERBANDINGAN MENGGUNAKAN VARIASI BENTUK

SUDU”.

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

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

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

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

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

4. Bapak Ir. M. Syahril Gultom MT selaku dosen pembanding I dan dan Bapak Ir. A. Halim Nasution Msc selaku dosen pembanding II yang memberikan

masukan kepada penulis.

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

6. Kedua orang tua penulis, W. Lumban Gaol dan R. Nainggolan yang sangat berjasa memberikan bantuan dan dorongan dalam bentuk apapun dan tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan, doa serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.

(13)

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

9. Teman-teman seperjuangan dari Tim HORAS, Tim Vortex, Tim NACA, Tim Hidram, dan M60 Group yang turut membantu dan mendukung untuk menyelesaikan skripsi ini.

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

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

Medan, April 2013

(14)

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ... i

ABSTRAK ... iii

ABSTRACT ... iv

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR TABEL ... viii

DAFTAR GAMBAR ... ix

DAFTAR SIMBOL ... xi

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Maksud dan Tujuan Penelitian ... 3

1.3 Batasan Masalah ... 4

1.4 Metodologi Penelitian... 4

1.5 Keluaran Skripsi ... 5

1.6 Sistematika Penulisan ... 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 7

2.1 Turbin Air ... 7

2.1.1 Klasifikasi Turbin Air ... 8

2.2.2 Perbandingan Karakteristik Turbin Air ... 13

2.1.3 Head Turbin ... 15

2.2 Turbin Pelton ... 19

2.2.1 Pengenalan Turbin Pelton ... 20

2.2.2 Karakteristik Grafik Turbin Pelton ... 23

2.3 Karakteristik Turbin Pelton Yang Digunakan ... 25

2.4 Dinamometer ... 25

2.5 Efisiensi Turbin ... 27

BAB III METODE PENELITIAN ... 28

3.1 Umum ... 28

3.2 Pengujian Turbin Pelton ... 29

3.3 Rancang Bangun Instalasi ... 35

(15)

3.4.1 Hand Tachometer ... 36

3.4.2 Meteran ... 37

3.4.3 Flow Meter Digital ... 38

3.4.4 Pompa Pengumpan ... 39

3.5 Pelaksanaan Pengujian ... 40

BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA ... 44

4.1Perhitungan Efisiensi Turbin Pelton Pada Head 5,21 m dengan Menggunakan Satu Nosel (Bukaan Katub 60o, 75o, dan 90o) dengan Menggunakan 24 Sudu Mangkuk ... 44

4.1.1 Efisiensi Turbin Bukaan Katub 60o ... 50

4.2 Perhitungan Efisiensi Turbin Pelton Pada Head 5,21 m dengan Menggunakan Satu Nosel (Bukaan Katub 60o, 75o, dan 90o) dengan Menggunakan 24 Sudu Mangkuk ... 62

4.3 Grafik Perbandingan Hasil Pengujian Turbin Pelton dengan 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katub 60º, 75º, Dan 90º ... 79

4.3.1 Perbandingan Efisiensi Turbin dengan Beban... 79

4.3.2 Perbandingan Putaran dengan Beban ... 80

4.3.3 Perbandingan Putaran dengan Daya Turbin ... 81

4.4 Grafik Perbandingan Hasil Pengujian Turbin Pelton dengan 24 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katub 60º, 75º, dan 90º ... 82

4.4.1 Perbandingan Efisiensi Turbin dengan Beban... 82

4.4.2 Perbandingan Putaran dengan Beban ... 83

4.4.3 Perbandingan Putaran dengan Daya Turbin ... 84

4.5 Grafik Karakteristik Turbin Pelton Dengan Jumlah Sudu 24 Buah Jenis Mangkuk ... 85

(16)

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 91 5.1 Kesimpulan ... 91 5.2 Saran ... 92

(17)

ABSTRAK

Penelitian ini bertujuan untuk meneliti Turbin Pelton untuk Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) dengan variasi bentuk sudu dan variasi bukaan katup. Variasi bentuk sudu yang digunakan adalah bentuk sudu mangkok dan bentuk sudu setengah silinder sedangkan variasi bukaan katupnya adalah 60o, 75o, 90o. Langkah-langkah yang dilakukan dalam penelitian ini meliputi, perancangan, pembuatan, dan pengujian menggunakan dinamometer untuk mengetahui karakteristik turbin. Turbin yang diuji memiliki nosel tunggal, dengan jumlah sudu 24 buah. Dari data pengujiaan pada sudu mangkok maupun sudu setengah silinder memiliki kecenderungan yang sama pada karakteristik grafiknya. Tetapi daya dan efisiensi yang dihasilkan turbin pada sudu mangkok lebih besar dibandingkan dengan sudu setengah silinder yaitu sebesar 112,99 Watt dan 55,92 % pada sudu mangkok dan sebesar 73,49 Watt dan 36,37 % pada sudu setengah silinder.

(18)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANG

Kebutuhan akan energi hampir semua negara meningkat secara sinigfikan. Tetapi jika dilihat dari energi yang dapat dihasilkan sangat terbatas dan juga masih sangat mahal untuk mendapatkannya. Hal ini mengakibatkan krisis energi

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

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

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

energi yang dapat memenuhi harapan terhadap tantangan di atas adalah air, dimana air dipergunakan dengan sistem- sistem dan peralatan-peralatan tertentu akan menghasilkan energi dalam jumlah yang besar dengan biaya yang rendah

(19)

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

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

1. Lokasi sumber daya air untuk PLTMH pada umumnya berada di wilayah pedesaan dan desa terpencil yang belum terjangkau jaringan

listrik.

2. Penggunaan energi konvensional, seperti batu bara untuk pembangkit tenaga listrik di wilayah ini akan memerlukan biaya yang tinggi

karena adanya tambahan biaya transportasi bahan bakar.

3. Mengurangi ketergantungan pada penggunaan bahan bakar fosil. 4. Meningkatkan kegiatan perekonomian, sehingga diharapkan dapat

menambah penghasilan masyarakat.

(20)

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

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

1.2 MAKSUD DAN TUJUAN PENELITIAN

Adapun tujuan dari penelitian ini adalah: 1) Tujuan Khusus

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

1. Debit vs Efisiensi Turbin 2. Daya vs Efisiensi Turbin

3. Kecepatan Turbin vs Daya Turbin 4. Kecepatan Turbin vs Efisiensi Turbin

2) Tujuan Umum

Adapun tujuan khusus dari pengujian turbin pada head 5,21 meter, menggunakan satu buah nosel, jumlah sudu 24 buah, bentuk mangkuk dan setengah silinder adalah :

1. Merancang bangun instalasi dan pengujian yang dapat digunakan untuk menguji turbin pelton saat beroperasi. Sistem pengujian ini direncanakan pada head 5,21 meter, menggunakan satu buah nosel, jumlah sudu 24 buah, bentuk sudu (mangkuk dan setengah silinder) dengan variasi bukaan katub 60°, 75°, dan 90°.

(21)

pembangkit listrik tenaga mikrohidro (PLTMH). Dengan pengujian ini didapatkan data – data dalam kondisi di lapangan dimana kondisi pengujian turbin pelton pada head 5,21 meter, menggunakan satu buah nosel, jumlah sudu 24 buah, bentuk sudu (mangkuk dan setengah silinder) dengan variasi bukaan katub 60°, 75°, dan 90°.

1.3 BATASAN MASALAH

Karena luasnya permasalahan ini, maka pengujian ini dibatasi pada:

1. Pengujian turbin pelton terhadap penggunaan jumlah sudu 24 buah, bentuk sudu mangkuk dan setengah silinder dan variasi bukaan katub 60°, 75°, dan 90° dengan spesifikasi head (H) 5,21 meter dengan menggunakan satu buah nosel.

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

1.4 METODOLOGI PENELITIAN

1. Studi Literatur

Berupa studi kepustakaan dengan mempelajari buku-buku, jurnal-jurnal,

artikel maupun karya-karya ilmiah yang terkait, baik yang bersumber dari media cetak, elektronik maupun dari internet.

2. Diskusi Interaktif

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

(22)

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

4. Pengujian dan Pengambilan Data

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

5. Evaluasi

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

1.5 KELUARAN SKRIPSI

Keluaran skripsi ini diharapkan akan menghasilkan:

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

penggunaan pada head 5,21 meter.

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

Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

1.6 SISTEMATIKA PENULISAN

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

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

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

3. BAB III : Metodologi dan alat penelitian berisi sistematika atau alur (flow) proses pengujian dilakukan

(23)

5. BAB V : Kesimpulan dan saran. 6. DAFTAR PUSTAKA

(24)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 TURBIN AIR

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

energi kinetis).

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

(25)

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

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

Pelton membangun turbin dengan ketinggian jatuh air yang besar. Pemasukan air yang melalui saluran yang kemudian oleh pipa pesat (penstock) air tersebut dirubah menjadi kecepatan tinggi dan langsung menemukan sudu jalan.

Sudu-sudu jalan dari turbin pelton berua bucket atau ember atau sekop yang dibuat runcing pada sisi sebelah luarnya. Turbin pelton memanfaatkan kecepatan air yang keluar dari pipa pesat, sehingga turbin ini termasuk aksi. Hamper 95%

tenaga air yang diberikan menjadi diknetis. Dewasa ini makin banyak terlihat penggunaan PLTA, dimana penggunaan airnya dipompa ke atas pada waktu bebannya rendah. System ini sangat menguntungkan untuk memenuhi kebutuhan akan tenaga listrik. Sedangakan perkembangan lain adalah pembangunan PLTA di bawah tanah. Hampir semua pembangunan waduk PLTA digunakan berbagai keperluan, misalnya untuk irigasi, perikanan, dan sebagai pengendali banjir.

2.1.1 KLASIFIKASI TURBIN AIR

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

(26)

3. Turbin dengan head tinggi.

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

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

1. Turbin Impuls (aksi).

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

1) Turbin Cross Flow

Gamb ar 2.1 Turbin Cross Flow

 Ketika air masuk ke turbin akan diarahkan oaleh satu atau lebih

baling-baling yang terletak di hulu runner dan melintas dua kali sebelum menginggalkan turbin.

 Prakondisi

(27)

 Keuntungan

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

ii. Murah dan kuat.

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

iv. Sangat dianjurkan untuk kondisi seperti di Indonesia.

 Kerugian

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

2) Turbin Pelton

Gambar 2.2 Turbin Pelton

 Turbin yang terdiri dari sejumlah ruang penampung untuk

menangkap aliran air.

 Untuk arus yang lebih tinggi jumlah ruang penampung dapat

ditingkatkan.

 Turbin yang sangat efisien.

 Prakondisi

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

(28)

i. Konstruksi yang kompak. ii. Stabil dijalankan.

iii. Mudah dioperasikan.

 Kerugian

i. Tidak cocok untuk lokasi yang headnya rendah. ii. Tidak cocok untuk system aliran airnya tinggi.

2. Turbin Reaksi

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

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

Turbin air yang paling banyak digunakan adalah turbin reaksi. Turbin reaksi digunakan untuk aplikasi turbin dengan head rendah dan medium. Pada turbin reaksi, letak turbin harus diperhatikan agar tidak terjadi bahaya kavitasi yang terjadi akibat adanya tekanan absolut yang lebih kecil dari tekanan uap air. Kavitasi dapat menyebabkan sudu-sudu turbin menjadi berlubang-lubang kecil, sehingga mengurangi efisiensi turbin yang akhirnya dapat pula merusak sudu turbin. Jika turbin diletakkan lebih tinggi dari tinggi tekanan isap, maka kavitasi akan terjadi, sehingga letak turbin harus selalu di bawah tinggi tekanan isap (Hs). Contoh turbin reaksi adalah turbin Francis dan turbin Propeler (Kaplan).

1) Turbin Francis

 Jenis turbin reaksi.

 Komponen Runner tenggelam dalam air sepenuhnya.

(29)

 Regulasi aliran dilakukan melalui deretan yang dapat diatur.

 Prakondisi

i. Mulai operasi antara 25 m < H < 350 m ii. H = head atau ketinngian air terjun.

 Keuntungan

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

 Kerugian

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

Gambar 2.3 Turbin Francis

2) Turbin Propeler (Kaplan)

 Jenis turbin reaksi.

(30)

 Turbin Kaplan memiliki pisau yang dapat diatur dan disesuaikan

melalui gerbang kecil dan menghasilkan efisiensi terbaik terbaik atas berbagai laju aliran.

 Prakondisi

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

ii. Memerlukan system yang tinggi alirannya.

 Keuntungan

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

ii. Turbin Kaplan sangat efisien.

 Kerugian

i. Mahalnya pemeliharaan dan investasi.

ii. Tidak cocok untuk lokasi dengan head yang tinggi.

Gambar 2.4 Turbin Propeler

2.1.2 Perbandingan Karakteristik Turbin Air

(31)

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

Turbin Pelton 12 < ns< 25 Turbin Francis 60 < ns< 300 Turbin Crossflow 40 < ns< 200 Turbin Propeller 250 < ns< 1000

Tabel 2.1 Kecepatan Spesifik Turbin

Kecepatan spesifik (ns), menunjukkan bentuk dari turbin itu dan tidak berhubungan dengan ukurannya. Hal ini menyebabkan desain turbin baru yang diubah skalanya dari desain yang sudah ada dengan performa yang sudah diketahui. Kecepatan spesifik merupakan kriteria utama yang menunjukkan pemilihan jenis turbin yang tepat berdasarkan karakteristik sumber air.

(32)

Gambar 2.5 Perbandingan Karakteristik Turbin.

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

(33)

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

2.1.3. Head Turbin

Head turbin dapat juga disebut sebagai tinggi jatuh air dan sering dinotasikan sebagai H. Head turbin dapat ditentukan berdasarkan persamaan Bernoulli. Menurut persamaan Bernoulli besar energi aliran adalah :

(Nm)

dimana notasi :

m = massa

g = kecepatan gravitasi bumi

z = selisih ketinggian

(tinggi air atas – tinggi air bawah)

P = tekanan

c = kecepatan

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

( )

Bila energi spesifik tersebut dibagi dengan gravitasi maka ketinggian :

(34)

dimana :

z adalah ketinggian dari suatu tempat yang dipakai sebagai standar

Dinamakan Tinggi Tekan

Dinamakan Tinggi Kecepatan

Hal ini sesuai dengan Bunyi Persamaan Bernoulli :

“ Pada tiap saat dan tiap posisi yang ditinjau dari suatu aliran di dalam pipa tanpa gesekan yang tidak bergerak, akan mempunyai jumlah energi ketinggian tempat, tekanan dan kecepatan yang sama besarnya”

Gambar 2.7 Diagram Bernoulli Untuk Turbin Air.

(35)

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

Persamaan momentum untuk titik 1 dan 3, diperoleh:

Persamaan momentum untuk titik 2 dan 3, diperoleh:

Keterangan:

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

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

Untuk kondisi-kondisi instalasi turbin air di atas dimana:

 Untuk waduk (reservoir titik 1) kecepatan V1 ≈ 0.

 (pressure grade adalah nol).

Maka,

Persamaan kontinuitas :

(36)

Keterangan:

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

Head losses yang terjadi pada saluran pipa:

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

2. Minor Loses yang terjadi akibat adanya perlengkapan (equipment)

pipa, seperti belokan (elbow), valve, saringan dan peralatan lainnya.

2.2TURBIN PELTON

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

Persamaan kecepatan spesifik dinyatakan sebagai :

dimana :

n = Kecepatan turbin pada efisiensi maksimum, (rpm) P = Daya Turbin, (kW)

Ns = Putaran spesifik, (rpm) H = Tinggi air jatuh, (meter)

(37)

Tabel 2.2 Kecepatan Spesifik ( ).

2.2.1 Pengenalan Turbin Pelton

Turbin Pelton termasuk dalam kelompok jenis turbin Impuls. Karakteristik umumnya adalah pemasukan sebagian aliran air ke dalam raner pada tekanan

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

a. Runner

Runner turbin Pelton terdiri atas cakra dan sejumlah sudu yang terpasang disekelilingnya. Cakra dipasang ke poros dengan sambungan pasak. Runner kebanyakan merupakan coran tunggal dari baja dengan kandungan 13% Cr. Raner Pelton terbesar memiliki garis tengah lebih dari 5 meter dan berat lebih dari 40

Ns Turbine Type

4 – 35

17 – 50

24 – 70

80 – 120

120 – 220

220 – 350

350 – 430

300 – 1000

Pelton Wheel with 1 nosel

Francis Turbine, Low-Speed

Francis Turbine, Normal

Francis Turbine, High-Speed

Francis Turbine, Express

(38)

Ton. Selain itu ada pula runner yang antara cakra dengan sudunya terpisah, dimana pemasangan mangkok ke cakra runner ada bermacam macam cara.

Gambar 2.8 Runner Turbin Pelton

b. Sudu (Bucket)

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

(39)

a) Setengah Silinder b) Mangkuk

Gambar 2.9 Sudu (Bucket)

c. Nosel

Nosel merupakan bagian dari turbin, didalam nosel tekanan air dirubah menjadi kecepatan. Nosel terdiri atas bagian selubung serupa hidung yang dipasang pada belokan pipa, dan jarum nosel yang bisa digerakkan didalam belokan pipa. Kerucut jarum dan selubung, yang cepat aus, dibuat dari bahan bermutu tinggi serta mudah untuk diganti.

Gambar 2.10 Nosel

d. Rumah Turbin

(40)

dirancang dalam dua bentuk yaitu rumah turbin dan generator disusun tegak dengan rumah turbin dan generator disusun mendatar. Rumah turbin dapat dibuat sederhana dengan konstruksi las dari plat baja.

Gambar 2.11 Rumah Turbin Pelton

2.2.2 Karakteristik Grafik Turbin Pelton

Adapun karateristik grafik turbin pelton dibagi dalam 2 jenis yaitu:

1. Karakteristik Grafik Turbin Untuk Head Tetap

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

(41)

Gambar 2.12 Grafik Debit vs Efisiensi (Q vs ɳ)

b. Grafik Daya vs Efisiensi (P vs ɳ)

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

Gambar 2.13 Grafik Daya vs Efisiensi (P vs ɳ)

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

(42)

Gambar 2.14 Grafik Kecepatan Turbin vs Daya Turbin (rpm vs P)

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

Pada gambar grafik 2.15 dijelaskan bahwa nilai efisiensi turbin akan semakin naik jika rpm juga naik. Dan variasi bukaan katub penuh menjadi daya tertinggi dan rpm tertinggi.

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

2.3

KARAKTERISTIK TURBIN PELTON YANG DIGUNAKAN

(43)

Type atau Jenis : Turbin Pelton Mikro

Jumlah Nosel : 1 (satu)

Posisi Poros : Horizontal (mendatar)

Head : 5,21 m

Kapasitas Air Efektif : 0,0035m3/s = 3,5 L/s Jumlah Sudu Turbin : 24 sudu

Bentuk Sudu : Mangkuk dan Setengah Silinder

2.4DINAMOMETER

Dinamometer adalah instrumen untuk mengukur daya, kerja atau daya yang dilakukan oleh manusia, mesin dan hewan. Motor bensin dan poros PTO traktor menghasilkan daya putaran. Dinamo meter tidak mengukur daya secara langsung, tetapi dinamometer memberikan cara menentukan besarnya torsi yang mampu dihasilkan oleh suatu motor atau mesin. Daya dapat di ukur dengan alat

yang dinamakan dinamometer, dinamometer adalah alat istrumen untuk mengukur gaya, kerja, atau daya kerja yang dilakukan manusia, hewan dan mesin. Torsi

(44)

Saat ini dinamometer telah berkembang, adapun dinamometer modern yaitu : Hysterisis Brake : merupakan dinamometer versatil dan ideal untuk pengujian kisaran daya rendah hingga menengah (maks. 14 kW). Brake Arus Addy : cocok diaplikasikan yang memerlukan kecepatan tinggi dan juga pengoprasian daya kisaran menengah hingga tinggi. Dinamo ini memiliki inersia rendah akibat diameter rotor yang kecil. Power Brake Dinamometer : memiliki bubuk mahnetik. Alur listrik melintasi koil membangkitkan medan magnet, yang merubah sifat-sifat bubuk magnet itu. Seperti dinamometre histerisis, dinamo power brake memberikan torsi penuh pada kecepatan nol.

Gambar 2.12 Dinamo Meter

2.5EFISIENSI TURBIN ( )

(45)

Daya air dapat dihitung dengan rumus : Pair= ρ× g × × Q

dimana:

 = massa jenis air (1000 kg/m3)

g = gaya gravitasi (9,81 m/s2)

= head efektif (m)

Q = kapasitas air (m3/s)

Daya turbin dapat dihitung dengan rumus :

PT =

т

×

ω

Dimana ;

PT = Daya Turbin (Watt)

Т

= Torsi (Nm)

ω

= Kecepatan Sudut ( rad/s)

BAB III

(46)

3.1 UMUM

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

Uji performansi turbin pelton pada head 5,21 meter dengan menggunakan satu nosel, bentuk sudu (mangkuk dan setengah silinder) dan analisa perbandingan penggunaan jumlah sudu (menggunakan jumlah sudu sebanyak 24 sudu dengan 26 sudu), dilakukan di Laboratorium Mesin Fluida, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Sebagai simulasi atau pengkondisian dari air terjun yang berada di alam. Dalam uji performansi turbin pelton ini, dibuat turbin pelton, adapun beberapa pekerjaan yang dilakukan adalah:

 Pembuatan sudu (bucket) dari bahan kuningan scrap.

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

 Pembuatan poros dari bahan stell 42.

 Pembuatan dudukan turbin dari bahan besi siku.

 Pembuatan rumah turbin (casing) dari bahan acrylic.

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

 Instalasi saluran perpipaan untuk lantai dua.

 Instalasi saluran perpipaan untuk lantai tiga.

 Instalasi dudukan nosel.

 Instalasi dudukan pengujian Turbin Pelton.

 Instalasi saluran buangan air pada Turbin Pelton.

(47)

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

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

(rpm) pada poros turbin.

3.2 PENGUJIAN TURBIN PELTON

(48)

Gambar 3.1 Sudu dan Runner Turbin Pelton

Gambar 3.2 turbin pelton setelah dirakit.

 Pemilihan Turbin berdasarkan pada kecepatan Spesifik dan Putaran Turbin

Untuk 1 nosel :

(49)

Sehingga:

Untuk 1 nosel :

Dari perhitungan diatas dapat ditabelkan sebagai berikut :

Putaran ( 300 500 750 1000

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

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

 Kecepatan air keluar nosel ( V )

Kecepatan keluar nosel adalah kecepatan air yang dipancarkan nosel.

(50)

Diketahui : Ketinggian air jatuh maksimal ( ) = 9,41 m

Sehingga :

 Diameter Nosel (jet) Optimal (d)

Diameter jet untuk 1 nosel adalah

dimana :

Diameter nosel adalah:

(51)

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

 Kecepatan Tangensial (U)

dimana :

 Diameter Lingkaran Tusuk (D)

dimana :

(52)

Sehingga:

Maka diameter runner yang akan di gunakan adalah 0,42 meter.

 Jumlah Sudu (Bucket) (Z)

Sehingga :

 Ukuran Sudu

a. Lebar Sudu (b)

Sehingga :

(53)

b. Tinggi Sudu (h)

Sehingga:

Maka tinggi mangkok yang akan di gunakan adalah 0,06 m.

c. Kedalaman Sudu (t)

Sehingga:

Maka kedalam mangkok yang akan di gunakan adalah 0,0199 m.

3.3 RANCANG BANGUN INSTALASI

(54)

[image:54.595.186.437.188.521.2]

lantai tiga adalah sepanjang 11,62 meter. Adapun tujuan rancang bangun instalasi pipa adalah sebagai bentuk simulasi dari suatu aliran sungai atau aliran air terjun dengan ketinggian H.

Gambar 3.3 Instalasi Pipa untuk Turbin Pelton

3.4 PERALATAN PENGUJIAN 3.4.1 Hand Tachometer

Alat ini digunakan untuk mengukur putaran (rpm) poros turbin pelton dan

(55)

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

Range : autrange

Sampling time : 0,8 s (over 60 rpm)

Gambar 3.4 Hand Tachometer

3.4.2 Meteran

(56)

[image:56.595.209.443.82.298.2]

Gambar 3.7 Meteran.

3.4.3 Flow Meter Digital

Flowmeter adalah alat untuk mengukur jumlah atau laju aliran dari suatu fluida yang mengalir dalam pipa atau sambungan terbuka. alat ini terdiri dari primary device, yang disebut sebagai alat utama dan secondary device (alat bantu sekunder). Flowmeter umumnya terdiri dari dua bagian, yaitu alat utama dan alat bantu sekunder. Alat utama menghasilkan suatu signal yang merespons terhadap

aliran karena laju aliran tersebut telah terganggu. Alat utamanya merupakan sebuah orifis yang mengganggu laju aliran, yaitu menyebabkan terjadinya penurunan tekanan. Alat bantu sekunder menerima sinyal dari alat utama lalu menampilkan, merekam, dan/atau mentrasmisikannya sebagai hasil pengukuran dari laju aliran. Flow Meter Digital digunakan untuk mengukur debit air yang mengalir pada pipa. Uji performansi turbin pelton pada head 9,41 meter dengan menggunakan satu nosel, bentuk sudu ( mangkuk dan setengah silinder ) dan analisa perbandingan penggunaan jumlah sudu (menggunakan jumlah sudu sebanyak 24 sudu dengan 26 sudu).

Adapun spesifikasi dari Flow Meter Digital adalah

Brand Name : Lebong.

(57)

Usage : water.

Display : Digital display. Power supply : baterai kering 9V. Akurasi : ± 0,25

Gambar 3.8 Flow Meter Digital

3.4.4 Pompa Pengumpan

Pompa ini digunakan untuk mengumpankan air dari tempat penampungan

bawah (TPB) ke tempat penampungan atas TPA). Dalam uji eksperimental turbin pelton pada head 9,41 meter dengan menggunakan satu nosel, bentuk sudu (

(58)

Gambar 3.9 Pompa Pengumpan

3.5 PELAKSANAAN PENGUJIAN

Uji eksperimental turbin pelton pada head 5,21 meter dengan menggunakan satu nosel, bentuk sudu (mangkuk dan setengah silinder) dan analisa perbandingan penggunaan jumlah sudu (menggunakan jumlah sudu sebanyak 24 sudu dengan 26 sudu) dilakukan di Laboratorium Mesin Fluida, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Pengukuran-pengukuran yang dilakukan tehadap penelitian ini meliputi:

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

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

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

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

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

(59)

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

6. Pemeriksaan dinamo meter.

Setelah prosedur pemeriksaan terhadap beberapa instalasi dan peralatan di atas selesai dilakukan dan pemeriksaan dipastikan dalam kondisi standby, maka prosedur pengujian pun dapat dimulai. Adapun prosedur pengujian uji eksperimental turbin pelton dengan jumlah sudu 24 sudu dan 26 sudu ini adalah sebagai berikut:

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

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

data pengujian yang dibutuhkan (80 cm).

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

a. Pengukuran torsi (Nm) dengan Dinamo Meter. b. Pengukuran debit (L/s) dengan Flow Meter Digital.

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

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

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

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

(60)

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

3. Putaran poros Turbin Pelton (rpm)

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

1. Daya Air

2. Daya Turbin Pelton 3. Efisiensi Turbin Pelton

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

1. Katup menuju nosel pada turbin ditutup.

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

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

4. Segera setelah air menumbuk sudu turbin dan turbin berputar maka beban

dapat diberikan dimulai dari 0 Newton sampai poros turbin berhenti berputar (0 rpm)

(61)

Flowchart Uji performansi turbin pelton pada head 9,41 meter dengan menggunakan satu nosel, bentuk sudu (mangkuk dan setengah silinder) dan analisa perbandingan penggunaan jumlah sudu (menggunakan jumlah sudu

sebanyak 24 sudu dengan 26 sudu)

Survey tempat pengujian akan dilakukan

Rancang bangun instalasi Uji eksperimental turbin pelton pada head 9,41 meter dengan menggunakan satu nosel dan analisa perbandingan penggunaan jumlah

Pengambilan data hasil pengujian Pelaksanaan pengujian

Perhitungan dan analisa hasil

(62)

BAB IV

HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA

4.1 PERHITUNGAN EFISIENSI TURBIN PELTON PADA HEAD 5,21 METER DENGAN MENGGUNAKAN SATU NOSEL (BUKAAN KATUB 60O, 75O, DAN 90O) DENGAN MENGGUNAKAN 24 SUDU MANGKUK.

 Kapasitas Aktual pada Head 5,21 meter dengan variasi bukaan katub

60o,75o, dan 90o

Bukaan katub 60 o Q = 0,00303

Bukaan katub 75o Q = 0,00338

Bukaan katub 90 Q = 0,0035  Panjang Pipa yang di gunakan pada Head 5,21 meter

Panjang Pipa 4 inch = 7,14 meter Panjang Pipa 2 inch = 0,57 meter

Jadi Panjang Total Pipa yang di gunakan adalah 7,71 meter

(63)

Menurut Persamaan Umum Hazen Williams[2] ; Katub bukaan 60o

Dimana ;

Q = Debit air

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

D = Diameter Pipa ( 0,1016 meter ) L = Panjang Pipa ( 7,14 meter )

Dengan cara yang sama didapatkan nilai head losses mayor pada pipa 4 inch dengan variasi bukaan katub 60o,75o dan 90o seperti pada tabel 4.1.

Bukaan katub Q

60o 0.00303 0.0134

75o 0.00338 0.0164

90o 0.0035 0.0175

Tabel 4.1 Nilai head losses mayor pada pipa 4 inch bukaan katub 60o,75o dan 90o

 Head Losses Mayor pada Pipa 2 inci

Menurut Persamaan Umum Hazen Williams;

(64)

Dimana ;

L = Panjang Pipa ( 0,57 meter )

D = Diameter Pipa ( 0,0508 )

meter

Dengan cara yang sama didapatkan nilai head losses mayor pada pipa 2

inch dengan variasi bukaan katub 60o,75o dan 90o seperti pada tabel 4.2.

Bukaan katub Q (m3/s)

60o 0.00303 0.0309

75o 0.00338 0.0378

90o 0.0035 0.0403

Tabel 4.2 Nilai head losses mayor pada pipa 2 inch bukaan katub 60o,75o dan 90o  Head Loses Minor pada Pipa 4 inci

Dimana ;

(65)

V = 0,374

Dengan cara yang sama didapatkan nilai kecepatan pada pipa 4 inch dengan variasi bukaan katub 60o,75o dan 90o seperti pada tabel 4.3.

Bukaan katub Q (m3/s) V(m/s)

60o 0,00303 0,374

75o 0,00338 0,417

[image:65.595.158.516.345.568.2]

90o 0,0035 0,432

Tabel 4.3 Nilai kecepatan pada pipa 4 inch bukaan katub 60o,75o dan 90o

N k ∑k

Elbow 3 0,4 1,2

Tee 1 1,0 1,0

Sisi Masuk 1 0,25 0,25

Sisi Keluar 1 0,04 0,04

Flow meter 1 7 7

9,49

Tabel 4.4 Head Losses Minor pada Pipa 4 inci

Jadi harga Koefisien Kerugian pipa 4 inci ( ∑K ) = 9,49 Sehingga :

(66)

Dengan cara yang sama didapatkan nilai head losses minor pada pipa 4 inch dengan variasi bukaan katub 60o,75o dan 90o seperti pada tabel 4.5.

Bukaan katub V(m/s)

h

_m

(m)

60o 0,374 0,067

75o 0,417 0,084

90o 0,432 0,090

Tabel 4.5 Nilai head losses minor pada pipa 4 inch bukaan katub 60o,75o dan 90o

 Head Loses Minor pada Pipa 2 inci

Dimana ;

 Bukaan katub 60o

V = 1,515

60o 0,00303 1,515

(67)

90o 0,0035 1,75

n k ∑k

Katup Bola 1 0,05 0,05

0,09

Bukaan katub V(m/s)

h

m

(m)

60o 1,515 0,0105

(68)

90o 1,75 0,0140

Tabel 4.8 Nilai head losses minor pada pipa 2 inch bukaan katub 60o,75o dan 90o  Head Efektif pada instalasi Turbin Pelton

Dengan cara yang sama didapatkan nilai head efektif untuk tiap

variasi bukaan katub 60o,75o dan 90o seperti pada tabel 4.9.

Bukaan katub

h

eff

(m)

60o 5,885

75o 5,576

90o 5,495

Tabel 4.9 Nilai head efektif bukaan katub 60o,75o dan 90o

 Efisiensi Turbin ( )

= x 100 %

= Daya Air (watt)

= Daya turbin (watt)

Dimana ;

= torsi (N.m)

(69)

l = panjang lengan dinamometer (0,25m) kemudian

ω =

Dimana ;

ω = kecepatan sudut (rad/s)

n = putaran turbin (rpm)

4.1.1 Efisiensi Turbin Bukaan Katub 60o

ω =

ω = rad/s

0 Nm . 39,77 rad/s

Sehingga Efisiensi Turbin adalah

= 0 %

Dengan cara yang sama seperti diatas, maka diperoleh hasil

(70)

Beban (N)

 Turbin (%)

0 0.00

1 5.53

2 10.80

3 15.75

4 20.28

5 24.53

6 28.36

7 32.04

8 35.66

9 38.64

10 40.99

11 43.11

12 44.70

13 45.50

14 46.28

15 46.45

16 46.91

17 46.79

18 46.58

19 45.47

20 44.58

21 42.72

22 41.14

23 38.88

24 36.62

25 35.15

26 31.50

27 27.87

28 24.29

29 19.95

30 0.00

(71)

[image:71.595.113.532.85.342.2]

Gambar 4.1 Grafik Efisiensi vs Beban

Dari grafik 4.1 Efisiensi vs Beban didapat hubungan antara efisiensi dengan beban, dimana beban (N) yang digunakan mulai dari 0 N sampai 30 N (turbin berhenti). Dari grafik diatas didapat data bahwa efisiensi maksimum pada percobaan turbin pelton head 5,21 meter mengunakan satu buah nosel, 24 buah sudu berbentuk mangkok adalah saat beban yang digunakan 16 N, dikarenakan atas perhitungan daya yang keluar dari dinamo meter pada

(72)

[image:72.595.141.541.87.304.2]

Gambar 4.2 Grafik Putaran vs Beban

Dari grafik 4.2 Putaran Turbin vs Beban, di dapat hubungan antara putaran turbin dengan beban dimana beban (N) yang digunakan mulai dari 0 N

(73)

[image:73.595.142.536.86.297.2]

Gambar 4.3 Grafik Putaran Turbin vs Daya Turbin

Dari gambar 4.3 putaran turbin vs daya turbin di dapat hubungan antara putarn turbin (rpm) dengan daya turbin (Watt). Dari grafik di atas di dapat data bahwa daya turbin maksimum didapat pada putaran 196 rpm.

4.1.2 Efisiensi Turbin Bukaan Katub 75o

ω =

ω = rad/s

(74)

= 0 %

Dengan cara yang sama seperti diatas, maka diperoleh hasil lengkap perhitungan efisiensi pada tabel 4.11 :

Beban (N)  Turbin (%)

0 0.00

1 5.44

2 10.67

3 15.65

4 20.49

5 24.87

6 29.05

7 32.85

8 36.58

9 39.95

10 42.67

11 44.25

12 45.86

13 47.24

14 49.00

15 49.68

16 50.42

17 50.38

18 50.21

19 49.68

20 48.54

21 47.31

22 45.73

23 43.49

24 40.55

(75)

26 34.86

27 31.14

28 27.03

29 22.55

30 17.30

[image:75.595.237.390.83.188.2]

31 0.00

Tabel 4.11 Tabel Hubungan Antara Beban dengan Efisiensi Sudu Mangkuk

Bukaan 75o

Dari gambar 4.4 Efisiensi vs Beban didapat hubungan antara efisiensi dengan beban, dimana beban (N) yang digunakan mulai dari 0 N sampai 31 N (turbin berhenti). Dari grafik diatas didapat data bahwa efisiensi maksimum pada percobaan turbin pelton head 5,21 meter mengunakan satu buah nosel, 24 buah sudu berbentuk mangkok adalah saat beban yang digunakan 16 N, dikarenakan atas perhitungan daya yang keluar dari

[image:75.595.115.534.268.513.2]

(76)

[image:76.595.143.529.87.324.2]

Gambar 4.5 Grafik Putaran Turbin vs Beban

(77)

[image:77.595.141.542.86.303.2]

Dari gambar 4.6 putaran turbin vs daya turbin di dapat hubungan antara putarn turbin (rpm) dengan daya turbin (Watt). Dari grafik di atas di dapat

data bahwa daya turbin maksimum didapat pada putaran 235 rpm.

4.1.3 Efisiensi Turbin Bukaan Katub 90o

ω =

ω = rad/s

(78)

= 0 %

lengkap perhitungan efisiensi pada tabel 4.12 :

0 0.00

1 5.36

2 10.44

3 15.31

4 19.94

5 24.35

6 28.44

7 32.09

8 35.74

9 39.16

10 41.96

11 44.73

12 47.40

13 49.49

14 51.67

15 53.03

16 55.74

17 55.92

18 55.24

19 54.62

20 53.87

21 51.94

22 51.57

23 49.74

24 47.55

(79)

26 43.43

27 36.71

28 33.36

29 29.29

30 25.25

31 20.47

[image:79.595.237.387.83.205.2]

32 0.00

Tabel 4.12 Tabel Hubungan Antara Beban dengan Efisiensi Sudu Mangkuk Bukaan 90o

[image:79.595.114.514.285.516.2]

(80)

[image:80.595.145.508.84.302.2]

(81)

[image:81.595.142.541.88.302.2]

Dari gambar 4.9 putaran turbin vs daya turbin di dapat hubungan antara putarn turbin (rpm) dengan daya turbin (Watt). Dari grafik di atas di dapat

data bahwa daya turbin maksimum didapat pada putaran 254 rpm.

4.2 PERHITUNGAN EFISIENSI TURBIN PELTON PADA HEAD 5,21 METER DENGAN MENGGUNAKAN SATU NOSEL (BUKAAN KATUB 60O, 75O, DAN 90O) DENGAN MENGGUNAKAN 24 SUDU SETENGAH SILINDER

 Kapasitas Aktual pada Head 5,21 meter dengan variasi bukaan katub

60o,75o, dan 90o

Bukaan katub 60 o Q = 0,00303

Bukaan katub 75o Q = 0,00338

Bukaan katub 90 Q = 0,0035  Panjang Pipa yang di gunakan pada Head 5,21 meter

(82)

Jadi Panjang Total Pipa yang di gunakan adalah 7,71 meter

 Head Losses Mayor pada Pipa 4 inch

Menurut Persamaan Umum Hazen Williams[2] ; Katub bukaan 60o

Dimana ;

Q = Debit air

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

D = Diameter Pipa ( 0,1016 meter )

Bukaan katub Q

60o 0.00303 0.0134

75o 0.00338 0.0164

90o 0.0035 0.0175

(83)

 Head Losses Mayor pada Pipa 2 inci

Menurut Persamaan Umum Hazen Williams;

Katub bukaan 60o

Dimana ;

D = Diameter Pipa ( 0,0508 )

meter

Bukaan katub Q (m3/s)

60o 0.00303 0.0309

75o 0.00338 0.0378

90o 0.0035 0.0403

(84)

Dimana ;

V = 0,374

60o 0,00303 0,374

75o 0,00338 0,417

[image:84.595.157.517.468.692.2]

90o 0,0035 0,432

N k ∑k

Elbow 3 0,4 1,2

Tee 1 1,0 1,0

Sisi Masuk 1 0,25 0,25

Flow meter 1 7 7

9,49

(85)

Bukaan katub V(m/s)

h

m

(m)

60o 0,374 0,067

75o 0,417 0,084

90o 0,432 0,090

Tabel 4.17 Nilai head losses minor pada pipa 4 inch bukaan katub 60o,75o dan 90o  Head Loses Minor pada Pipa 2 inci

Dimana ;

(86)

60o 0,00303 1,515

75o 0,00338 1,69

90o 0,0035 1,75

n k ∑k

Katup Bola 1 0,05 0,05

0,09

(87)

Bukaan katub V(m/s)

h

_m

(m)

60o 1,515 0,0105

75o 1,69 0,0131

90o 1,75 0,0140

Tabel 4.20 Nilai head losses minor pada pipa 2 inch bukaan katub 60o,75o dan 90o  Head Efektif pada instalasi Turbin Pelton

Dengan cara yang sama didapatkan nilai head efektif untuk tiap variasi bukaan katub 60o,75o dan 90o seperti pada tabel 4.21.

Bukaan katub

h

eff

(m)

60o 5,885

75o 5,576

90o 5,495

Tabel 4.21 Nilai head efektif bukaan katub 60o,75o dan 90o

 Efisiensi Turbin ( )

= x 100 %

(88)

= Daya turbin (watt)

Dimana ;

= torsi ( N.m )

F = beban (pembebanan diberikan 0 N sampai maksimum) l = panjang lengan dinamometer (0,25m)

kemudian

ω =

Dimana ;

ω = kecepatan sudut (rad/s)

n = putaran turbin (rpm)

4.2.1 Efisiensi Turbin Bukaan Katub 60o

ω =

(89)

0 Nm . 37,68 rad/s

= 0 %

Beban (N)

 Turbin (%)

0 0.00

1 5.23

2 9.91

3 14.77

4 18.65

5 22.46

6 25.62

7 28.41

8 32.21

9 32.77

10 33.67

11 33.86

12 33.98

13 34.07

14 33.32

15 32.15

16 31.28

17 30.46

18 26.95

19 25.64

20 25.04

21 21.93

22 17.51

(90)

24 10.84

[image:90.595.129.495.155.376.2]

25 0.00

Tabel 4.22 Tabel Hubungan Antara Beban dengan Efisiensi Sudu Setengah Silinder

Bukaan 60o

Dari grafik 4.10 Efisiensi vs Beban di dapat hubungan antara efisiensi dengan beban, dimana beban (N) yang digunakan mulai dari 0 N sampai 25 N (turbin berhenti). Dari grafik diatas didapat data bahwa efisiensi maksimum pada percobaan turbin pelton sudu berbentuk setengah silinder head 5,21 meter mengunakan satu buah nosel adalah saat beban yang digunakan 13 N, di

(91)

[image:91.595.144.509.88.302.2]

Dari grafik 4.11 Putaran Turbin vs Beban, di dapat hubungan antara putaran turbin dengan beban dimana beban (N) yang digunakan mulai dari 0 N sampai 25 N (turbin berhenti). Sehinga didapat hasil dari grafik di atas adalah semakin besar beban (N) yang digunakan semakin kecil putaran turbin (rpm) yang di peroleh. Dan sebaliknya semakin kecil beban (N) yang digunakan semakin putaran turbin (rpm) yang diperoleh.

[image:91.595.144.510.484.702.2]

(92)

Dari grafik 4.12 putaran turbin vs daya turbin didapat hubungan antara putaran turbin (rpm) dengan daya turbin (Watt). Dari grafik di atas di dapat data bahwa daya turbin maksimum didapat pada putaran 175,2 rpm.

4.2.2 Efisiensi Turbin Bukaan Katub 75o

ω =

ω = rad/s

0 Nm . 41,82 rad/s

= 0 %

0 0.00

1 5.22

2 9.97

(93)

4 18.24

5 21.55

6 24.07

7 26.42

8 29.00

9 31.51

10 32.21

11 33.82

12 34.02

13 34.90

14 34.79

15 33.81

16 31.71

17 30.91

18 24.50

19 23.47

20 23.44

21 20.61

22 18.73

23 16.01

24 12.97

25 7.17

[image:93.595.235.388.78.475.2]

26 0.00

Tabel 4.23 Tabel Hubungan Antara Beban dengan Efisiensi Sudu Setengah

(94)

[image:94.595.131.494.86.303.2]

Dari grafik 4.13 Efisiensi vs Beban di dapat hubungan antara efisiensi dengan beban, dimana beban (N) yang digunakan mulai dari 0 N sampai 26 N (turbin berhenti). Dari grafik diatas didapat data bahwa efisiensi maksimum pada percobaan turbin pelton sudu berbentuk setengah silinder head 5,21 meter mengunakan satu buah nosel adalah saat beban yang digunakan 13 N, di karenakan atas perhitungan daya yang keluar dari dinamo meter pada beban 13 N adalah yang paling besar sebesar 68,10 Watt.

[image:94.595.145.510.509.722.2]

(95)

[image:95.595.147.509.220.439.2]

Dari grafik 4.14 Putaran Turbin vs Beban, di dapat hubungan antara putaran turbin dengan beban dimana beban (N) yang digunakan mulai dari 0 N sampai 26 N (turbin berhenti). Sehinga didapat hasil dari grafik di atas adalah semakin besar beban (N) yang digunakan semakin kecil putaran turbin (rpm) yang di peroleh. Dan sebaliknya semakin kecil beban (N) yang digunakan semakin putaran turbin (rpm) yang diperoleh.

Dari grafik 4.15 putaran turbin vs daya turbin didapat hubungan antara putaran turbin (rpm) dengan daya turbin (Watt). Dari grafik di atas di dapat data bahwa daya turbin maksimum didapat pada putaran 202,2 rpm.