UJI EKSPERIMENTAL TURBIN KAPLAN DENGAN 5
RUNNER BLADE DAN ANALISA PERBANDINGAN
VARIASI SUDUT GUIDE VANE
SKRIPSI
Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
JAN SIMALUNGUN PURBA NIM. 090401038
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
ABSTRACK
The power plant micro hydro scale is a installation power plant which has a small capacity and contruction instalation required budget funds relative small than with budget construction a PLTA. The power plant micro hidro scale very efficient used for demand electricity in a household cause budget funds a relatively small. Finally be expected that efficiency from kaplan water turbine used will increase and all problem electrical energy crisis can overcome so that all people can get compliance of the requerement electrical energy. Based on the idea, then be tested on kaplan water turbine micro hydro with utilize renewable energy sources. In this testing be used generator for producing electric to turn on the bulb circuit. Purpose of this test for know capacity electric power generated by kaplan turbine with utilize water flow from reservoir which flowed by the pump with capasity 0,0528 m3/minute as simulation of the flow of the river.Runner blade is one main component in instalation testing the kaplan turbine, outer diameter runner blade which used in this testing by 16 cm. In this testingguide vane tobe tested is the angle 300, 450 dan 600. Of the kaplan turbine testing obtained by electric current produced by alternator with power 1,850 Watt in the angle steguring bllade water (guide vane) 300, in the angle steguring bllade water (guide vane) 450 of 4,532 watt and in the angle steguring bllade water(guide vane) 600 of 3,969Watt.
ABSTRAK
Pembangkit listrik skala mikrohidro merupakan sebuah instalasi
pembangkit listrik yang memiliki kapasitas kecil dan dalam pembangunan
instalasinya dibutuhkan anggaran dana yang relatif kecil dibandingkan dengan
anggaran pembangunan sebuah PLTA. Pembangkit listrik dengan skala mikro
hidro sangat efisien digunakan untuk kebutuhan listrik dalam sebuah rumah
tangga karena anggaran dana yang relative kecil. Pada akhirnya diharapkan bahwa
efisiensi dari turbin kaplan yang digunakan akan semakin meningkat dan semua
masalah krisis energi listrik dapat diatasi sehingga semua orang bisa mendapatkan
pemenuhan atas kebutuhan energi listrik. Berdasarkan pemikiran tersebut, maka
dilakukan pengujian pada turbin kaplan skala mikro hidro dengan memanfaatkan
sumber energi yang terbarukan. Pada pengujian ini digunakan generator sebagai
penghasil listrik untuk menghidupkan rangkaian bola lampu. Tujuan pengujian ini
untuk mengetahui kapasitas daya listrik yang dihasilkan oleh turbin kaplan dengan
memanfaatkan aliran air dari reservoir yang di alirkan oleh pompa dengan
kapasitas 0,0528 m3/menit sebagai simulasi dari aliran sungai. Runner blade
merupakan salah satu komponen utama dalam instalasi pegujian turbin kaplan,
diameter luar runner blade yang akan digunakan dalam pengujian ini sebesar 16
cm. Pada pengujian ini sudu pengarah air (guide vane )yang akan di uji adalah
dengan sudut 300, 450 dan 600. Dari pengujian turbin kaplan ini diperoleh arus
listrik yang dihasilkan oleh generator dengan daya sebesar 1,850 Watt pada sudut
guide vane 300, pada sudut guide vane 450 sebesar 4,532 Watt dan pada sudut
guide vane 600 sebesar 3,969 Watt.
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas
segala limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan
skripsi yang berjudul “Uji Eksperimental Turbin Kaplan Dengan 5 Runner
Blade Dan Analisa Perbandingan Variasi Sudut Guide Vane”
Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan pendidikan
Strata-1 (S1) Fakultas Teknik Departemen Teknik Mesin di Universitas Sumatera
Utara pada sub bidang Energi Air.
Dalam menyelesaikan skripsi ini penulis banyak menerima bimbingan dan
dorongan berupa pemikiran, tenaga, semangat, motivasi serta waktu dari berbagai
pihak. Untuk itu penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada:
1. Kedua orang tua penulis, I. Purba dan B. Saragih. yang selalu memberikan
dukungan dan semangat, baik berupa materi, doa, serta motivasi demi
terselesainya penulisan skripsi ini.
2. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT selaku dosen pembimbing yang telah
banyak memberikan bimbingannya kepada penulis dalam menyelesaikan
skripsi ini.
3. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST, MT selaku dosen penguji 1 yang
telah banyak memberikan ilmu dan meluangkan waktunya dalam
membimbing penulis selama masa penyelesaian skripsi ini.
4. Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus, ST, MT selaku dosen penguji 2 yang
telah banyak memberikan ilmu dan meluangkan waktunya dalam
5. Bapak DR. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik
Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
6. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin yang
telah membantu keperluan penulis selama kuliah hingga selesainya
penulisan skripsi ini.
7. Rekan-rekan penulis, David Harold Manurung, David Permadi Nainggolan
dan Jannes Tampubolon yang selalu memberikan motivasi hingga skripsi
ini dapat terselesaikan.
8. Rekan-rekan mahasiswa Teknik Mesin khususnya stambuk 2009 yang
telah banyak memberikan bantuan, baik berupa jasa dan waktunya hingga
penyelesaian skripsi ini.
Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam penyusunan skripsi ini.
Oleh karena itu penulis mengharapkan saran dan kritik yang sifatnya membangun
demi kesempurnaan skripsi ini.
Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih dan semoga skripsi ini dapat
bermanfaat bagi yang membacanya.
Medan, Januari 2015
Jan Simalungun Purba
DAFTAR ISI
ABSTRAK... i
KATA PENGANTAR... iii
DAFTAR ISI... v
DAFTAR GAMBAR... ix
DAFTAR TABEL... xii
DAFTAR SIMBOL... xiii
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang... 1
1.2 Tujuan Penelitian... 3
1.3 Manfaat Penelitian... 3
1.4 Batasan Masalah... 3
1.5 Metodologi Penelitian... 4
1.6 Keluaran Skripsi... 5
1.7 Sistematika Penulisan... 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1Potensi Tenaga Air... 7
2.2Sejarah Turbin Air... 8
2.3Klasifikasi Turbin Air... 9
2.3.1.1 Turbin Pelton... 10
2.3.1.2 Turbin Turgo... 11
2.3.1.3 Turbin Ossberger Atau Turbin Crossflow... 12
2.3.2 Turbin Reaksi... 13
2.3.2.1 Turbin Francis... 13
2.4Karakteristik Turbin... 23
2.5Seleksi Awal Jenis Turbin... 24
2.6Generator Listrik... 27
2.7Sabuk Dan Puli... 27
2.7.1 Jenis Gerakan Pada Sabuk... 28
2.7.2 Perbandingan Kecepatan Puli... 30
2.7.3 Efisiensi Puli... 31
2.8Daya Listrik... 31
BAB III METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN 3.1 Umum... 32
3.2 Waktu dan Tempat Penelitian... 34
3.3 Peralatan Pengujian... 34
3.3.2 Pompa... 34
3.3.3 Hand Tachometer... 35
3.3.4 Clamp Meter... 36
3.3.5 Multimeter... 38
3.3.6 Instalasi Rangkaian Lampu... 38
3.4 Spesifikasi dan Perlengkapan Turbin Kaplan... 39
3.5 Rancang Bangun Instalasi... 42
3.6 Pelaksanaan Pengujian... 42
3.7 Flowchart Uji Ekperimental... 45
BAB IV ANALISA DATA DAN HASIL PENGUJIAN 4.1 Perhitungan Dimensi Dasar Turbin Kaplan... 46
4.1.1 Kapasitas Aktual dan Head Efektif Instalasi... 46
4.1.2 Dimensi Dasar Turbin Kaplan………... 47
4.2 Data Hasil Pengujian Turbin Kaplan Dengan 5 Runner Blade Dan Sudut Guide Vane Sebesar 30o…... 52
4.2.1 Arus, tegangan, dan putaran... 52
4.2.3 Pengujian torsi putaran berbeban... 56
4.2.4 Efisiensi daya turbin dan efisiensi daya alternator... 57
4.2.5 Efisiensi Puli... 59
4.3 Data Hasil pengujian Turbin Kaplan Dengan 5 Runner Blade Dan Sudut Guide Vane Sebesar 45o …... 59
4.3.1 Arus, tegangan, dan putaran... 59
4.3.2 Analisa daya dan putaran altenator... 60
4.3.3 Pengujian torsi putaran berbeban... 63
4.3.4 Efisiensi daya turbin dan efisiensi daya altenator... 64
4.3.5 Efisiensi puli... 66
4.4 Data Hasil Pengujian Turbin Kaplan Dengan 6 Runner Blade Dan Sudut Guide Vane Sebesar 60o... 67
4.4.1 Arus, tegangan, dan putaran... 67
4.4.2 Analisa daya dan putaran altenator... 68
4.4.3 Pengujian torsi putaran berbeban... 71
4.4.4 Efisiensi daya turbin dan efisiensi daya altenator... 72
4.4.5. Efisiensi puli... 74
5.1 Kesimpulan... 75
5.2 Saran... 76
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Turbin pelton... 11
Gambar 2.2 Turbin Turgo... 12
Gambar 2.3 Turbin Osberger... 13
Gambar 2.4 Turbin Francis... 14
Gambar 2.5 Turbin kaplan... 15
Gambar 2.6 Rumah Turbin... 16
Gambar 2.7 Guide Vane ... 17
Gambar 2.8 Runner Blade ... 18
Gambar 2.9 Draft Tube ... 19
Gambar 2.10 Elemen dasar turbin Kaplan... 20
Gambar 2.11 Segitiga kecepatan... 21
Gambar 2.12 Grafik perbandingan karakteristik turbin... 23
Gambar 2.13 Generator Listrik... 27
Gambar 2.14 Sabuk terbuka... 28
Gambar 2.15 Gerakan membelit atau melingkar pada sabuk... 29
Gambar 2.16 Gerakan dengan puli pengarah... 30
Gambar 3.2 Pompa ... 35
Gambar 3.3 Hand Tachometer... 36
Gambar 3.4 Clamp Meter... 36
Gambar 3.5 Multimeter... 38
Gambar 3.6 Rangkaian Lampu... 39
Gambar 3.7 Runner Blade... 39
Gambar 3.8 Poros... 40
Gambar 3.9 Sabuk... 41
Gambar 3.10 Puli... 41
Gambar 3.11 Turbin kaplan setelah siap instalasi... 42
Gambar 4.1 Instalasi pipa... 47
Gambar 4.2 Segitiga Kecepatan... 51
Gambar 4.3 Grafik perubahan daya Alternator terhadap penambahan beban lampu pada sudut guide vane 300... 55
Gambar 4.4 Grafik perubahan putaran altenator terhadap penambahan beban lampu pada sudut guide vane 300... 55
Gambar 4.5 Grafik torsi vs putaran... 57
Gambar 4.7 Grafik perubahan putaran altenator terhadap penambahan beban
lampu pada sudut guide vane 450... 63
Gambar 4.8 Grafik torsi vs putaran... 64
Gambar 4.9 Grafik perubahan daya Alternator terhadap penambahan beban
lampu pada sudut guide vane 600... 69
Gambar 4.10 Grafik perubahan putaran altenator terhadap penambahan beban
lampu pada sudut guide vane 600... 70
Gambar 4.11 Grafik torsi vs putaran... 72
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Jenis-jenis turbin air dan kisaran kecepatan spesifiknya ... 25
Tabel 3.1 Jangkauan dan akurasi clamp meter... 37
Tabel 4.1 Hasil pengukuran kapasitas aktual instalasi ... 46
Tabel 4.2 Hasil percobaan dan daya yang dihasilkan alternator pada sudut guide
vane 300... 54
Tabel 4.3 Hasil pengujian torsi dan putaran berbeban... 56
Tabel 4.4 Hasil percobaan dan daya yang dihasilkan alternator pada sudut guide
vane 450... 61
Tabel 4.5 Hasil pengujian torsi dan putaran berbeban... 64
Tabel 4.6 Hasil percobaan dan daya yang dihasilkan alternator pada sudut guide
vane 600... 69
DAFTAR SIMBOL
SIMBOL ARTI SATUAN
Q Kapasitas Aliran/Debit Air m3/s
A Luas Penampang m2
D Diameter m
m Massa kg
E Energi Kinetik joule
P Daya watt
Ns Kecepatan Spesifik rpm
v Kecepatan m/s
K Koefisien Kerugian Pipa -
g Percepatan Gravitasi m/s2
Hd Head discharge m
Hs Head suction m
Heff Head Effektif m
hf Head Loses Mayor m
hm Head Loses Minor m
λ Jarak Vertikal Runner m
d Diameter Hub m
mpt Massa Turbin kg
malt Massa Altenator kg
Dpt Diameter Poros Turbin m
Dalt Diameter Poros Altenator m
T Waktu s
n Putaran rpm
I Kuat Arus ampere
L Panjang Pipa m
n Putaran rpm
Pair Daya Air watt
PA Daya Altenator Hasil Pengujian watt
V Tegangan Listrik volt
ABSTRACK
The power plant micro hydro scale is a installation power plant which has a small capacity and contruction instalation required budget funds relative small than with budget construction a PLTA. The power plant micro hidro scale very efficient used for demand electricity in a household cause budget funds a relatively small. Finally be expected that efficiency from kaplan water turbine used will increase and all problem electrical energy crisis can overcome so that all people can get compliance of the requerement electrical energy. Based on the idea, then be tested on kaplan water turbine micro hydro with utilize renewable energy sources. In this testing be used generator for producing electric to turn on the bulb circuit. Purpose of this test for know capacity electric power generated by kaplan turbine with utilize water flow from reservoir which flowed by the pump with capasity 0,0528 m3/minute as simulation of the flow of the river.Runner blade is one main component in instalation testing the kaplan turbine, outer diameter runner blade which used in this testing by 16 cm. In this testingguide vane tobe tested is the angle 300, 450 dan 600. Of the kaplan turbine testing obtained by electric current produced by alternator with power 1,850 Watt in the angle steguring bllade water (guide vane) 300, in the angle steguring bllade water (guide vane) 450 of 4,532 watt and in the angle steguring bllade water(guide vane) 600 of 3,969Watt.
ABSTRAK
Pembangkit listrik skala mikrohidro merupakan sebuah instalasi
pembangkit listrik yang memiliki kapasitas kecil dan dalam pembangunan
instalasinya dibutuhkan anggaran dana yang relatif kecil dibandingkan dengan
anggaran pembangunan sebuah PLTA. Pembangkit listrik dengan skala mikro
hidro sangat efisien digunakan untuk kebutuhan listrik dalam sebuah rumah
tangga karena anggaran dana yang relative kecil. Pada akhirnya diharapkan bahwa
efisiensi dari turbin kaplan yang digunakan akan semakin meningkat dan semua
masalah krisis energi listrik dapat diatasi sehingga semua orang bisa mendapatkan
pemenuhan atas kebutuhan energi listrik. Berdasarkan pemikiran tersebut, maka
dilakukan pengujian pada turbin kaplan skala mikro hidro dengan memanfaatkan
sumber energi yang terbarukan. Pada pengujian ini digunakan generator sebagai
penghasil listrik untuk menghidupkan rangkaian bola lampu. Tujuan pengujian ini
untuk mengetahui kapasitas daya listrik yang dihasilkan oleh turbin kaplan dengan
memanfaatkan aliran air dari reservoir yang di alirkan oleh pompa dengan
kapasitas 0,0528 m3/menit sebagai simulasi dari aliran sungai. Runner blade
merupakan salah satu komponen utama dalam instalasi pegujian turbin kaplan,
diameter luar runner blade yang akan digunakan dalam pengujian ini sebesar 16
cm. Pada pengujian ini sudu pengarah air (guide vane )yang akan di uji adalah
dengan sudut 300, 450 dan 600. Dari pengujian turbin kaplan ini diperoleh arus
listrik yang dihasilkan oleh generator dengan daya sebesar 1,850 Watt pada sudut
guide vane 300, pada sudut guide vane 450 sebesar 4,532 Watt dan pada sudut
guide vane 600 sebesar 3,969 Watt.
BAB I
PENDAHULUAN
1.1Latar Belakang
Dengan perkembangan zaman yang terus meningkat, maka kebutuhan
akan energi juga akan semakin meningkat, sehingga energi merupakan suatu
kebutuhan yang sangat penting bagi suatu negara atau daerah. Oleh karenanya
pemakaian energi secara tepat guna tidak lepas dalam perkembangan zaman.
Mengingat sumber energi yang digunakan untuk pembangkit energi listrik
sebagian besar berasal dari bahan bakar fosil seperti minyak, gas ,dan batu bara,
maka ketergantungan terhadap bahan bakar fosil mengakibatkan menipisnya
cadangan sumber energi tersebut, kenaikan atau ketidak stabilan harga akibat laju
permintaan yang lebih besar, polusi gas buang, serta efek rumah kaca (terutama
CO2) disebabkan pembakaran bahan bakar fosil. Oleh karena itu, pemanfaatan
energi pada masa sekarang ini sudah diarahkan pada sumber energi yang
terbarukan yang ada di alam seperti energi air, energi angin, energi matahari,
panas bumi dan nuklir. Hal ini karena energi terbarukan ini mudah di temukan dan
dapat di daur ulang kembali dibanding dengan energi fosil seperti minyak bumi
dan batu bara.
Pada umumnya energi yang paling banyak digunakan di setiap negara
khususnya negara Indonesia adalah energi air, hampir setiap saat energi ini
digunakan dalam kehidupan sehari-hari.Indonesia dengan wilayah yang beriklim
tropis dan curah hujan yang tinggi sangat mendukung pemamfaatan energi air
Sehingga pemamfaatan energi air perlu dijaga dan diterapkan secara
menyeluruh untuk menunjang perkembangan suatu negara atau daerah.
Sehubungan dengan peningkatan kebutuhan energi listrik serta
keterbatasan pemerintah (PLN) dalam penyediaan energi listrik, sesungguhnya
Indonesia dan khususnya di Sumatera Utara memiliki potensi sumber energi
terbarukan dalam jumlah yang banyak. Sumber energi ini berupa terjunan air di
wilayah pemukiman daerah pegunungan dimana salah satunya adalah potensi dari
Sungai Asahan. Pemanfaatan sungai asahan untuk menghasilkan listrik dapat
memenuhi pengguna energi listrik secara meluas di sumatera utara.
Seperti diketahui bahwa turbin air adalah suatu mesin yang menghasilkan
energi mekanik berupa putaran poros dengan memanfaatkan energi potensial air.
Energi ini selanjutnya diubah menjadi bentuk energi lain seperti energi listrik.
Pada perancangan turbin, jenis dan dimensi sangat tergantung dari kondisi head
dan kapasitas yang tersedia. Sehingga agar diperoleh efisiensi optimum, maka
Turbin air yang beroperasi pada suatu lokasi tertentu akan mempunyai design
yang spesifik (tipe maupun dimensi) dan berbeda dengan lokasi lain. Melihat
kondisi diatas maka akan sangat bermanfaat bila dilakukan suatu penelitian yang
dapat memberikan informasi rancang bangun beberapa tipe instalasi pembangkit
listrik tenaga mikro hidro serta membuat suatu model instalasi pembangkit listrik
yang dapat digunakan sebagai pusat pelatihan operasional dan perawatan bagi
operator lapangan. Pemanfaatan pembangkit listrik dengan mikrohidro sangat
efisien karena tidak menggunakan lahan yang luas dan tidak mengakibatkan
1.2Tujuan Penelitian
Adapun yang menjadi tujuan penelitian ini adalah:
1. Untuk lebih mengetahui dan memahami aplikasi ilmu yang diperoleh di
bangku kuliah terutama mata kuliah Energi Air .
2. Untuk mengetahui daya listrik dan efisiensi yang dihasilkan dari turbin
kaplan dengan skala mikro hidro dengan sudu pengarah air 300, 450 , 600
dan 5 (lima) runner blade yang memanfaatkan aliran air dengan debit
0,528 m3/ menit.
1.3 Manfaat Penelitian
Adapun yang menjadi manfaat penelitian turbin kaplan dengan instalasi
mikro hidro adalah sebagai berikut:
1. Menciptakan teknologi yang memanfaatkan energi terbarukan untuk
menghasilkan energi listrik.
2. Bahan referensi pengembangan penelitian di bidang konversi energi
khususnya dalam bidang turbin air.
3. Menambah wacana dan literatur bagi mahasiswa mengenai turbin air skala
mikro hidro yang digunakan menggerakkan alternator untuk
menghidupkan bola lampu.
1.4Batasan Masalah
Dalam penulisan skripsi dibatasi perencanaan data yang di ambil. Untuk
Untuk memberikan gambaran yang lebih jelas mengenai masalah yang dikaji
dalam penulisan skripsi, maka perlu diberikan batasan masalah sebagai berikut:
1. Jenis turbin air yang dirancang adalah jenis propeller atau Kaplan dengan
skala mikro hidro.
2. Jumlah runner blade = 5 dan variasi sudut guide vane(α) = 300, 450 , 600
3. Aliran fluida dalam steady flow.
4. Perancangan tidak termasuk pemilihan material.
5. Transmisi menggunakan sabuk dan puli dengan gerakan sabuk terbuka.
6. Pengujian interkoneksi jaringan listrik.
1.5 Metodologi Penelitian
1) Studi Literatur
Berupa studi kepustakaan dengan mempelajari buku-buku, jurnal-jurnal,
artikel maupun karya-karya ilmiah yang terkait, baik yang bersumber dari
media cetak, elektronik maupun dari internet.
2) Diskusi Interaktif
Melakukan diskusi dalam bentuk tanya-jawab antara mahasiswa dan dosen
pembimbing menyangkut hal-hal yang berkaitan dengan rancang bangun
instalasi ini serta memecahkan permasalahan yang dihadapi secara
bersama.
3) Rancang Bangun Instalasi Dan Alat Penelitian
Perancangan serta pembuatan turbin Kaplan dimana turbin ini akan di uji
1.6 Keluaran Skripsi
Keluaran skripsi ini diharapkan akan menghasilkan:
1) Alat pengujian Turbin Kaplan yang dapat dioperasikan dengan pengunaan
kinerja satu unit pompa, penggunaan tiga buah variasi sudut guide vane
(30o, 45o,dan 60o), dan pengunaan pada 5 runner blade.
2) Buku skripsi akan digunakan sebagai salah satu syarat untuk mendapatkan
gelar Sarjana Teknik dari Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara.
1.7Sistematika Penulisan
Agar penyusunan skripsi ini dapat tersusun secara sistematis dan
mempermudah pembaca memahai tulisan ini, maka skripsi disusun dalam lima
bab:
BAB I PENDAHULUAN
Berisikan latarbelakang, tujuan penulisan, manfaat penulisan, metodologi
penulisan, batasan masalah serta sistematika penulisan.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Berisikan landasan teori yang berisikan pembahasan teori serta klasifikasi
turbin.
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
Berisikan metode yang akan digunakan untuk menyelesaikan penulisan
BAB IV ANALISA DATA DAN HASIL PENGUJIAN
Berisikan tentang data yang diperoleh dari hasil pengujian langsung, daya
listrik dan efisiensi turbin propeler atau turbin kaplan.
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
Berisikan tentang kesimpulan dari hasil pengujian dan saran untuk
memperbaiki kekurangan desain sebelumnya dan mencegah kesalahan desain
optimasi.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Potensi Tenaga Air
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.
Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada
besarnya head dan debit air. Dalam hubungan dengan reservoir air maka head
adalah beda ketinggian antara permukaan air pada reservoir dengan air keluar
dari turbin air. Total energi yang tersedia dari suatu reservoir air adalah
merupakan energi potensial air yaitu :
� = ��ℎ ... (2.1) Dimana :
m = massa air
h = head (m)
g = percepatan gravitasi (m/ s2 )
Daya merupakan energi tiap satuan waktu��
��sehingga persamaan (2.1) dapat dinyatakan sebagai :
� � =
�
� �ℎ ...(2.2)
Dengan mensubsitusikan P terhadap ��
Selain memanfaatkan air jatuh dapat diperoleh dari aliran air datar. Dalam
hal ini energi yang tersedia merupakan energi kinetik
� = 1
2��
2 ... (2.4)
Dimana :
v = kecepatan aliran air [m/s]
Daya air yang tersedia dinyatakan sebagai berikut:
� = 1
2ρQ�
2 ... (2.5)
atau dengan menggunakan persamaan kontinuitas
Q
=
Av
maka� = 1
2ρA�
3 ... (2.6)
Dimana :
A = luas penampang aliran air (m2)
2.2 Sejarah Turbin Air
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) atau "vortex" (pusaran air). Perbedaan dasar antara turbin air dengan kincir air adalah komponen putaran air yang memberikan energi
pada poros yang berputar. Komponen tambahan ini memungkinkan turbin dapat
memberikan daya yang lebih besar dengan komponen yang lebih kecil. Turbin
dapat memanfaatkan air dengan putaran lebih cepat dan dapat memanfaatkan head yang lebih tinggi. Untuk selanjutnya dikembangkan turbin impuls yang tidak
membutuhkan putaran air.
Sejarah di temukanya turbin yaitu bermula dari di temukanya kincir air
yang sudah sejak lama digunakan untuk tenaga industri. Pada mulanya yang
dipertimbangkan adalah ukuran kincirnya, yang membatasi debit dan head yang dapat dimanfaatkan. Perkembangan kincir air menjadi turbin modern
membutuhkan jangka waktu yang cukup lama. Perkembangan yang dilakukan
dalam waktu revolusi industri menggunakan metode dan prinsip ilmiah. Mereka
juga mengembangkan teknologi material dan metode produksi baru pada saat itu.
“Ján Andrej Segner” mengembangkan turbin air reaksi pada pertengahan
dari turbin air modern. Turbin ini merupakan mesin yang simpel yang masih
diproduksi saat ini untuk pembangkit tenaga listrik skala kecil. “Segner” bekerja
dengan “Euler” dalam membuat teori matematis awal untuk desain turbin. Pada
tahun 1820, “Jean-Victor Poncelet” mengembangkan turbin aliran kedalam.
Pada tahun 1826, “Benoit Fourneyon” mengembangkan turbin aliran keluar.
Turbin ini sangan efisien (80%) yang mengalirkan air melalui saluran dengan
sudu lengkung satu dimensi. Saluran keluaran juga mempunyai lengkungan
pengarah. Pada tahun 1844, “Uriah A. Boyden” mengembangkan turbin aliran
keluar yang meningkatkan performa dari turbin Fourneyon. Bentuk sudunya mirip
dengan turbin Francis. Pada tahun 1849, James B. Francis meningkatkan efisiensi
turbin reaksi aliran kedalam hingga lebih dari 90%. Dia memberikan test yang
memuaskan dan mengembangkan metode engineering untuk desain turbin air.
Turbin Francis dinamakan sesuai dengan namanya, yang merupakan turbin air
modern pertama. Turbin ini masih digunakan secara luas di dunia saat ini.
Turbin air aliran kedalam mempunyai susunan mekanis yang lebih baik dan
semua turbin reaksi modern menggunakan desain ini. Putaran massa air berputar
hingga putaran yang semakin cepat, air berusaha menambah kecepatan untuk
membangkitkan energi. Energi tadi dibangkitkan pada sudu dengan
memanfaatkan berat jatuh air dan pusarannya. Tekanan air berkurang sampai nol
sampai air keluar melalui sirip turbin dan memberikan energi.
Sekitar tahun 1890, bantalan fluida modern ditemukan, sekarang umumnya
digunakan untuk mendukung pusaran turbin air yang berat. Hingga tahun 2002,
bantalan fluida terlihat mempunyai arti selama lebih dari 1300 tahun. Sekitar
tahun 1913, Victor Kaplan membuat turbin Kaplan, sebuah tipe mesin
baling-baling. Ini merupakan evolusi dari turbin Francis tetapi dikembangkan dengan
kemampuan sumber air yang mempunyai head kecil.
2.3 Klasifikasi Turbin Air
Turbin air dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara, namun yang
merubah energi menjadi energi puntir. Berdasarkan klasifikasi ini, maka turbin air
dibagi menjadi dua yaitu:
1. Turbin impuls, dan
2. Turbin reaksi.
2.3.1 Turbin Impuls
Turbin Impuls adalah turbin yang bekerja karena aliran air. 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 (impulse).
Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin impuls adalah turbin tekanan sama
karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan
atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke
sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan.
2.3.1.1 Turbin Pelton.
Turbin Pelton merupakan turbin impuls. Turbin Pelton terdiri dari satu set
sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari satu atau lebih
alat yang disebut nosel. Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang
paling efisien. Turbin Pelton adalah turbin yang cocok digunakan untuk head
Gambar 2.1 Turbin pelton
(Sumber: http//turbin-pelton.blogspot.com)
2.3.1.2 Turbin Turgo
Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 s/d 300 m. Seperti turbin
Pelton, turbin Turgo merupakan turbin impuls, tetapi sudunya berbeda. Pancaran
air dari nozzle membentur sudu pada sudut 20o. Kecepatan putar turbin Turgo
lebih besar dari turbin Pelton. Akibatnya dimungkinkan transmisi langsung dari
turbin ke generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus menurunkan
Gambar 2.2 Turbin turgo
(Sumber:https://wiki.thayer.dartmouth.edu/Turgo)
2.3.1.3 Turbin Ossberger Atau Turbin Crossflow
Turbin Cross-Flow adalah salah satu turbin air dari jenis turbin aksi (impuls
turbine). Prinsip kerja turbin ini mula-mula ditemukan oleh seorang insinyur
Australia yang bernama “A.G.M. Michell” pada tahun 1903. Kemudian turbin ini
dikembangkan dan dipatenkan di Jerman Barat oleh “Prof. Donat Banki” sehingga
turbin ini diberi nama Turbin Banki kadang disebut juga Turbin
Michell-Ossberger (Haimerl, L.A., 1960).
Pemakaian jenis Turbin Cross-Flow lebih menguntungkan dibanding
dengan pengunaan kincir air maupun jenis turbin mikro hidro lainnya.
Penggunaan turbin ini untuk daya yang sama dapat menghemat biaya pembuatan
penggerak mula sampai 50 % dari penggunaan kincir air dengan bahan yang
sama. Penghematan ini dapat dicapai karena ukuran Turbin Cross-Flow lebih kecil
dan lebih kompak dibanding kincir air.
Diameter kincir air yakni runnernya biasanya 2 meter ke atas, tetapi
diameter Turbin Cross-Flow dapat dibuat hanya 20 cm saja sehingga bahan-bahan
yang dibutuhkan jauh lebih sedikit, itulah sebabnya bisa lebih murah. Demikian
juga daya guna atau effisiensi rata-rata turbin ini lebih tinggi dari pada daya guna
kincir air. Hasil pengujian laboratorium yang dilakukan oleh pabrik turbin
Ossberger Jerman Barat yang menyimpulkan bahwa daya guna kincir air dari jenis
yang paling unggul sekalipun hanya mencapai 70 % sedangkan effisiensi turbin
Gambar 2.3 Turbin ossberger
(Sumber:https://rimoo.wordpress.com)
2.3.2 Turbin Reaksi
Turbin reaksi adalah turbin yang memanfaatkan energi potensial untuk
menghasikan energi gerak. 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.
Jenis-jenis turbin reaksi yakni:
2.3.2.1. Turbin Francis
Diciptakan oleh James Francis Bichens dari Inggris. Termasuk jenis turbin
reaksi dengan arah aliran aksial-radial. Turbin ini beroperasi pada head (tinggi
jatuh) 10 – 650 meter, dapat menghasilkan daya 10 – 750 MW dengan Ns (spesific
speed) 83 – 1000 rpm. Pada umumnya turbin ini di desain dengan posisi poros
vertikal untuk menjaga agar air tidak mengenai rumah generator dan peralatan
air bertekanan rendah di bagian keluar. Sudu pengarah pada turbin Francis merupakan
suatu sudu pengarah yang tetap ataupun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya.
Gambar 2.4Turbin prancis
( Sumber:https semayangboy.com)
2.3.2.2. Turbin Kaplan
Turbin Kaplan termasuk kelompok turbin air reaksi jenis baling-baling
(propeller). Keistimewaannya adalah sudut sudu geraknya (runner) bisa diatur
(adjustable blade) untuk menyesuaikan dengan kondisi aliran saat itu yaitu
perubahan debit air. Turbin ini beroperasi pada head (tinggi jatuh) 10 – 70 meter,
dapat menghasilkan daya 5 – 120 MW dengan Ns (spesific speed) 79 – 429 rpm.
Pada pemilihan turbin didasarkan pada kecepatan spesifiknya. Turbin Kaplan ini
memiliki kecepatan spesifik tinggi (high spesific speed). Turbin kaplan bekerja
Gambar 2.5 Turbin kaplan
(Sumber: http//turbin-kaplan.blogspot.com)
2.3.2.2.1. Prinsip Kerja Turbin Kaplan
Tidak berbeda dengan turbin Francis, turbin Kaplan cara kerjanya
menggunakan prinsip reaksi. Turbin ini mempunyai roda jalan yang mirip dengan
baling-baling pesawat terbang. Bila baling-baling pesawat terbang berfungsi untuk
menghasilkan gaya dorong, roda jalan pada Kaplan berfungsi untuk mendapatkan
gaya F yaitu gaya putar yang dapat menghasilkan torsi pada poros turbin. Berbeda
dengan roda jalan pada Francis, sudu-sudu pada roda jalan Kaplan dapat diputar
posisinya untuk menyesuaikan kondisi beban turbin. Turbin Kaplan banyak
dipakai pada instalasi pembangkit listrik tenaga air sungai, karena turbin ini
mempunyai kelebihan dapat menyesuaikan head yang berubah-ubah sepanjang
roda turbin lebih kecil dan dapat dikopel langsung dengan generator. Pada kondisi
pada beban tidak penuh turbin kaplan mempunyai efisiensi paling tinggi, hal ini
dikarenakan sudu-sudu turbin Kaplan dapat diatur menyesuaikan dengan beban
yang ada.
2.3.2.2.2 Komponen Utama Turbin Kaplan
Komponen-komponen utama turbin Kaplan adalah:
1. Rumah turbin
Air dari saluran pipa didistribusikan di sekeliling cincin rumah turbin.
Rumah turbin didesain sedemikian sehingga luas penampang melintangnya
berkurang secara seragam. Luas penampang melintangnya maksimum pada sisi
masuk dan minimum pada ujung.
Rumah turbin akan mendistribusikan air secara merata kepada guide vane.
Untuk mencapai aliran seragam pada runner blade, maka aliran air harus seragam
masuk ke dalam guide vane.
2. Mekanisme pengarah (guide vane)
Sudu pengarah (guide vane) terpasang tetap diantara dua cincin dalam
bentuk roda. Roda ini dipasang tetap pada rumah turbin. Sudu pengarah didesain
untuk:
Supaya air masuk ke runner tanpa kejut.
Supaya air mengalir tanpa membentuk arus Eddy.
Supaya sejumlah air bisa memasuki turbin.
Sudu pengarah bisa dibuka dan ditutup dengan memutar poros pengatur, sehingga
jumlah air bisa diatur sesuai keperluan. Poros pengatur dioperasikan dengan
menggunakan governor, yang fungsinya mengatur turbin (yaitu menjaga
kecepatan turbin konstan pada beban yang bervariasi).
Gambar 2.7 Guide vane
Turbin Kaplan adalah salah satu jenis dari turbin reaksi aliran ke dalam
(inward), yakni turbin reaksi dimana air memasuki roda pada bagian lingkaran
luar dan mengalir menuju kedalam melalui sudu (yaitu menuju pusat roda).
bergerak dengan sudut yang benar. Air ketika mengalir pada sudu/vane,
menghasilkan gaya ke roda. Gaya ini menyebabkan roda berputar.
3. Runner blade
Runner blade terdiri dari sudu yang terpasang tetap pada poros atau cincin.
Sudu didesain supaya air masuk dan meninggalkan turbin tanpa kejut. Runner
blade terpasang pada poros. Jika porosnya vertikal, disebut turbin vertikal, dan
jika poros horisontal maka disebut turbin horisontal. Untuk head rendah, runner
blade bisa dibuat dari besi tuang, tetapi untuk head tinggi, runner blade dibuat dari
baja atau paduan. Jika air secara kimia tidak murni, runner dibuat dari paduan
spesial.
Gambar 2.8 Runner blade
4. Draft tube
Air setelah melewati runner, mengalir turun melalui pipa yang disebut
Meningkatkan head air sebesar tinggi runner dari permukaan air.
Meningkatkan efisiensi turbin.
Gambar 2.9 Draft tube
2.3.2.2.3 Dimensi Dasar Turbin Kaplan
Dimensi dasar turbin Kaplan bergantung pada diameter luar runner (D),
Gambar 2.10 Elemen dasar turbin Kaplan
(Sumber : http://jerryjerrseyy.blogspot.com/2013/12/jenis-turbin-hidrolik.html)
Persamaan dasar untuk mencari diameter luar runner (D) :
� = (66,76 + 0,136 ��)√�eff
� ... ... (2.7)
Dengan
ns = putaran spesifik [rpm]
n = putaran turbin [rpm]
Persamaan dasar untuk mencari tinggi guide vane (B) :
�= �0,45−31,80
�� � � ... ... (2.8)
Sedangkan persamaan dasar untuk mencari jarak vertikal runner terhadap sisi
dalam guide vane (λ):
λ =0,25.D ... ... (2.9)
Dan persamaan untuk mencari diameter hub (d) : �
2.3.2.2.4 Dimensi Dasar Runner Blade
Segitiga kecepatan masuk pada runner blade dapat dilihat pada gambar
2.11 dibawah ini.
Uwb = Kecepatan pusaran air (whirl) diameter boss
Persamaan untuk mencari kecepatan aliran air (Vf) adalah:
Vf = �2gH ...(2.11)
Persamaan untuk mencari Kecepatan tepi (rim) diameter boss dan diameter dalam
(������) adalah:
�� = �.��.�
60 ...(2.12)
�= �.�.�
60 ...(2.13)
Persamaan untuk mencari Kecepatan pusaran air (whirl) diameter boss dan
diameter dalam adalah :
��� = ��.�.�
100 . ��...(2.14)
�� = ��.�.�
100 . �...(2.15)
Persamaan untuk mencari Sudut sudu (blade) pada area fluida masuk (inlet)
adalah :
tan (��) = ��
��...(2.16)
Persamaan untuk mencari Sudut sudu (blade) pada area fluida keluar (outlet)
adalah :
tan (��) = ���
2.4 KARAKTERISTIK TURBIN
Perbandingan karakteristik turbin dapat kita lihat pada grafik head (m) vs flow
(m3/s) dibawah ini.
Gambar 2.12 Grafik perbandingan karakteristik turbin
(Sumber : https://rahmanta13.wordpress.com/2011/05/20/turbin-air/)
Dapat dilihat pada gambar 2.12 turbin Kaplan adalah turbin yang beroperasi
pada head yang rendah dengan kapasitas aliran yang tinggi. Hal ini karena
sudu-sudu turbin dapat diatur secara manual atau otomatis untuk merespon perubahan
2.5 SELEKSI AWAL JENIS TURBIN
Seleksi awal dari jenis turbin yang cocok untuk suatu keperluan paling
tepat dilakukan dengan kecepatan spesifik (Ns). Dalam tabel 2.1 disajikan nilai
kecepatan spesifik (Ns) untuk berbagai jenis turbin. Tabel 2.1 dapat digunakan
sebagai panduan awal dalam pemilihan jenis turbin yang tepat untuk nilai Ns
tertentu. Nilai Ns yang tercantum dalam tabel 2.1 bukan nilai eksak.
Untuk setiap jenis turbin terdapat suatu nilai kisaran tinggi terjun dan
kecepatan spesifik yang sesuai. Korelasi empiris antara terjun (H) dan kecepatan
spesifik (Ns) disajikan dibawah ini.
Untuk turbin Francis, Moody memperoleh korelasi sebagai berikut:
�� = 6803
�+9,75+ 84 ...(2.18)
Sedangkan untuk turbin propeller atau Kaplan, Moody memperoleh korelasi
sebagai berikut:
�� = 9431
�+9,75+ 155...(2.19)
Tabel 2.1 Jenis-jenis turbin air dan kisaran kecepatan spesifiknya (Ns)
Jenis Turbin Ns (metrik)
1. Turbin Impuls a. Satu jet (Turbin Pelton) 4-30
b. Banyak jet (turbin Doble) 30-70
2. Turbin Reaksi a. Francis
Ns rendah 50-125
Ns normal 125-200
Ns tinggi 200-350
Ns exspress 350-500
b. Propeller
Sudu tetap (Turbin Nagler) 400-800
Sudu dapat diatur (Turbin Kaplan) 500-1000
Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Air selalu diusahakan agar generator
dikopel langsung dengan turbin. Atau dengan kata lain putaran turbin terbatas
pemilihannya agar dapat dikopel dengan generator. Putaran turbin berhubungan
dengan spesifik sebagaimana persamaan 2.17 di atas, atau menurut referensi yang
H = tinggi terjun efektif [m]
Dari nilai spesifik ini dapat ditentukan jenis turbin yang digunakan yang
dapat dijelaskan sebagai berikut :
Ns= 8 - 50 jenis turbin Pelton
Ns= 50 - 149 jenis turbin Perancis
Ns= 150 - 1000 jenis turbin Kaplan atau Propeler
Pemilihan putaran spesifik ini sangat berhubungan dengan dimensi
peralatannya, yang berarti juga mempengaruhi konstruksi dan harga. Pemilihan
turbin kebanyakan didasarkan juga pada head air yang didapatkan dan kurang
lebih pada rata-rata alirannya. Umumnya, turbin impuls digunakan untuk tempat
dengan head tinggi, dan turbin reaksi digunakan untuk tempat dengan head
rendah. Turbin Kaplan baik digunakan untuk semua jenis debit dan head,
efisiensinya baik dalam segala kondisi aliran.
Turbin kecil (umumnya dibawah 10 MW) mempunyai poros horisontal,
dan kadang dipakai juga pada kapasitas turbin mencapai 100 MW. Turbin Francis
dan Kaplan besar biasanya mempunyai poros / sudu vertikal karena ini menjadi
penggunaan paling baik untuk head yang didapatkan, dan membuat instalasi
generator lebih ekonomis. Poros Pelton bisa vertikal maupun horisontal karena
ukuran turbin lebih kecil dari head yang di dapat atau tersedia. Beberapa turbin
impuls menggunakan beberapa semburan air tiap semburan untuk meningkatkan
2. 6 GENERATOR LISTRIK
Generator listrik adalah sebuah alat yang memproduksi energi listrik dari
sumber energi mekanik berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik 5 runner blade dan analisa perbandingan sudut guide vane (300, 450 dan 600) , yakni:
Gambar 2.13 Generator
2.7 SABUK DATAR DAN PULI
Belt (sabuk) digunakan untuk mentransmisikan daya dari poros yang satu
ke poros yang lainnya melalui roda (pulley) yang berputar dengan kecepatan sama
atau berbeda.
Sabuk umumnya dipakai pada puli, sabuk ini lebih tenang dan efisien pada
kecepatan tinggi, dan juga mampu mentransmisikan sejumlah daya yang besar
2.7.1 Jenis Gerakan Pada Sabuk
Energi dari suatu puli ditransmisikan kemanapun. Berikut jenis gerakan
pada sabuk:
1. Gerakan sabuk terbuka
Gerakan sabuk terbuka ditunjukkan di dalam gambar 2.19, jenis ini digunakan
diporos. Berputar dan paralel yang diatur ke arah yang sama. Ketika memusat
jarak antara kedua poros besar, kemudian sisi yang ketat sabuk harus lebih rendah.
Gambar 2.14 Sabuk terbuka
2. Gerakan membelit atau melingkar pada sabuk
Gerakan membelit atau melingkar ditunjukkan di dalam gambar 2.20,
digunakan poros pengatur berputar dan paralel di dalam arah kebalikannya.
Tegangan yang kecil akan menunjukkan bahwa pada suatu titik silang sabuk, hal
ini akan menggosok melawan terhadap satu sama lain dan di sana akan terjadi
harus ditempatkan pada suatu jarak yang maksimum 20 b, dimana b menjadikan
sabuk melebar dan kecepatan sabuk harus kurang dari 15m/sec.
Gambar 2.15 Gerakan membelit atau melingkar pada sabuk
3. Gerakan dengan puli pengarah
Gerakan sabuk dengan puli pengarah ditunjukkan didalam gambar 2.16,
dengan menggunakan poros yang digunakan untuk pengaturan paralel dan ketika
sabuk terbuka tidak adapat digunakan dalam sudut yang kecil dan penghubung
pada puli kecil. Pengarah jenis ini disajikan untuk memperoleh perbandingan
percepatan tinggi dan ketika tegangan sabuk yang diperlukan tidak bisa diperoleh
oleh alat-alat lain. Ketika itu diinginkan untuk mentransmisikan gerakan dari satu
poros ke beberapa poros, semua diatur didalam paralel, suatu sabuk menggerakan
Gambar 2.16 Gerakan dengan puli pengarah
2.7.2 Perbandingan KecepatanPuli
Karena kecepatan linier pada kedua puli sama, maka:
��1�1 = ��2�2...(2.21)
Dan perbandingan putaran kedua puli menjadi:
�2
�1
=
�1�2
...(2.22)
Dimana,
N1 = Putaran penggerak [rpm]
N2 = Putaran yang digerakkan [rpm]
D1 =Diameter puli penggerak [m]
2.7.3 Efisiensi Puli
Untuk mencari efisiensi puli menggunakan rumus sebagai berikut:
�p= �2�2
�1�1 � 100%
...(2.23)
Dimana :
ηp = Efisiensi puli
2.8 DAYA LISTRIK
Daya listrik adalah banyaknya energi tiap satuan waktu dimana pekerjaan
sedang berlangsung atau kerja yang dilakukan persatuan waktu. Dari definisi ini,
maka daya listrik (Pl) dapat dirumuskan:
����= ������
�����………...(2.24)
� = ��
� = �.�.�
�
P = V.I...(2.25)
Dimana:
P = Daya listrik (Watt)
V = Tegangan (Volt)
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3. 1 Umum
Turbin Kaplan atau propeller merupakan turbin reaksi aliran aksial. Turbin
ini tersusun dari propeller seperti pada pesawat terbang. Propeller tersebut
biasanya mempunyai 3 hingga 6 sudu yang disebut dengan runner blade. Runner
blade mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan
air selama melalui runner blade. Perbedaan tekanan ini memberikan gaya pada
runner blade sehingga dapat berputar. Bila untuk pesawat terbang maksudnya
adalah supaya dari gaya dorong yang ada bisa didapatkan gaya ke atas, dengan
tahanan yang sedikit mungkin. Tetapi pada turbin Kaplan maksudnya adalah
untuk mendapatkan gaya tangensial yang bisa menghasilkan torsi pada pada
poros. Putaran poros ini yang akan diteruskan dengan sistem transmisi sabuk dan
puli untuk memutar altenator. Putaran altenator menghasilkan listrik tegangan AC.
Uji eksperimental turbin Kaplan dengan 5 runner blade dan analisa
perbandingan variasi sudut guide vanedilakukan di lantai 4 rooftop , Departemen
Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Dalam uji
eksperimental turbin Kaplan digunakan kinerja pompa sebagai pengkondisian
kapasitas aliran air di alam ditambah beberapa instalasi, yakni sebagai berikut:
Instalasi reservoir (dalam hal ini digunakan satu unit tong)
Instalasi saluran perpipaan
Instalasi dudukan rumah turbin Kaplan
Dalam uji eksperimental turbin Kaplan ini dibuat turbin Kaplan, adapun
beberapa pekerjaan yang dilakukan adalah:
Pembuatan runner blade dengan jumlah runner adalah 5 sudu dari
bahan plat besi 2 mm.
Pembuatan poros dari bahan pipa besi.
Pembuatan dudukan turbin dari bahan besi siku
Pembuatan rumah turbin, guide vane, dan draft tube dengan
pengerjaan plat.
Aliran air yang digunakan berasal dari resevoir yang telah diisi oleh air
kemudian dipompa oleh satu unit pompa sentrifugal menuju rumah turbin dan
jatuh kembali ke resevoir melalui draft tube secara siklus. Kapasitas aliran (debit)
air yang akan dipompa dapat diatur melalui sebuah katup pengatur (ball valve)
sesuai dengan kebutuhan. Rumah turbin dimana memiliki geometri variabel yang
dapat membuat operasi efisien untuk aliran air. Rumah turbin juga berfungsi
untuk memberikan gaya sentripetal agar runner blade dapat bergerak melingkar
yakni gaya yang selalu membelokkannya menuju pusat lintasan lingkaran draft
tube. Gerak melingkar runner blade inilah yang akan dikonversikan untuk
memutar poros altenator dan menghasilkan arus listrik. Dengan kata lain energi
kinetik yang terdapat dari aliran air masuk ke rumah turbin akan dimanfaatkan
menjadi energi mekanik untuk memutar runner blade.
Dari uraian di atas, jelas bahwa penggunaan turbin Kaplan dapat
mengubah energi kinetik fluida menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran
poros. Selanjutnya daya poros ini akan dikopel atau ditransmisikan ke altenator
3.2 Waktu Dan Tempat Penelitian
Uji eksperimental turbin kaplan dilakukan dengan menggunakan instalasi
turbin kaplan yang dilakukan di rooftop lantai empat, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
3.3 Peralatan Pengujian
Adapun alat yang digunakan selama pengujian yakni :
3.3.1. Generator Listrik
Generator listrik adalah sebuah alat yang memproduksi energi listrik dari
sumber energi mekanik berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik 5 runner blade dan analisa perbandingan sudut guide vane (300, 450 dan 600) , yakni:
Gambar 3.1 Generator
3.3.2 Pompa
Pompa ini digunakan untuk memompakan air dari resevoir ke rumah
dengan 3 runner blade dan analisa perbandingan sudut guide vane (300, 450 dan
600) ini, spesifikasi pompa yang digunakan adalah:
Pabrikan/Merk : Kyomizu
Voltase : 220 V/240 V
Kapasitas maximum : 88 L/menit
Head tekan maximum : 22 m
Head isap maximum : 8 m
Gambar 3.2 Pompa
3.3.3 Hand Tachometer
Alat ini digunakan untuk mengukur putaran (rpm) poros Turbin kaplan
yang digunakan dalam uji eksperimental turbin kaplan dengan 5 runner blade dan
analisa perbandingan sudut guide vane (300, 450 dan 600)ini, hand tachometer
yang digunakan adalah Krisbow KW06-303 dengan spesifikasi:
Ketelitian (akurasi) : ± 0,05% + 1 digit
Range : auto range
Gambar 3.3 Hand Tachometer 3.3.4 Clamp Meter
Clamp meter digunakan untuk mengukur besarnya arus listrik (ampere)
yang dihasilkan melalui rangkaian listrik (beban) dengan cara dihubungkan seri
pada rangkaian listrik.
Gambar 3.4 Clamp Meter
Dalam pengujian ini clamp meter yang digunakan adalahKrisbow
Tabel 3.1 Jangkauan dan akurasi clamp meter
Fungsi Jangkauan Akurasi
3.3.5 Multimeter
Multimeter digunakan untuk mengukur besarnya tegangan listrik (volt)
yang dibangkitkan oleh alternator dengan cara dihubungkan parallel pada
rangkaian listris. Dalam uji eksperimental turbin kaplan dengan 5 runner blade
dan analisa perbandingan sudut guide vane (300, 450 dan 600)ini, multimeter yang digunakan adalah tipe fluke 15B digital multimeter dengan spesifikasi:
Range : DC voltage : 0, 0.2, 2, 20, 200, 1000 V AC voltage : 0, 200, 750 V
DC current : 0 µA, 200 µA, 2 mA, 20 mA, 200 mA
Resistance : 200 Ω, 2 kΩ, 20 kΩ, 200 kΩ, 2000 kΩ
Gambar 3.5 Multimeter
3.3.6 Instalasi Rangkaian Lampu
Pada instalasi ini mengunakan rangkaian paralel yang terdiri dari lampu
LED 3 dan 4 watt masing-masing sebanyak 1 buah. Pada masing-masing lampu
dipasang sakelar yang berfungsi untuk menghubungkan dan memutuskan aliran
Gambar 3.6 Rangkaian lampu
3.4 Spesifikasi Dan Perlengkapan Turbin Kaplan
spesifikasi dan perlengkapan turbin kaplan yang akan di uji dapat dilihat
sebagai berikut:
1 Runner blade
Bahan = besi
Jumlah runner blade = 5 (lima)
Diameter luar runner (D) = 16 cm Diameter hub = 6,5 cm
Massa = 0,1 kg
2 Poros
Gambar 3.8 Poros
Diameter : 19 mm
Bahan : steel – 42
Massa : 0,1 kg
3 Sabuk (V-Belt)
Sabuk berfungsi untuk meneruskan putaran dari poros turbin ke
poros alternator, dimana daya dari poros tersebut dimanfaatkan untuk pengisian
Bahan : karet
Jumlah : 1 (satu)
Type : A-62
Gambar 3.9 Sabuk
4 Puli (Pulley)
Gambar 3.10 Puli
Bahan : aluminium
Jumlah : 1 (satu)
3.5 Rancang Bangun Instalasi
Rancang bangun instalasi pemipaan pada uji eksperimental turbin Kaplan
menggunakan single line installation yakni memompa atau mensirkulasikan air dari reservoir ke rumah turbin dengan pompa tunggal. Pipa yang digunakan
berdiameter 2 inch dari bahan PVC. Instalasi pipa ini terdiri dari 4 buah elbow
atau belokan untuk meminimalisir head losses instalasi. Adapun tujuan rancang
bangun instalasi pipa adalah sebagai bentuk simulasi dari suatu aliran sungai
dengan kapasitas memenuhi karakteristik pemilihan turbin Kaplan.
Gambar 3.11 Turbin kaplan setelah siap instalasi
3.6 Pelaksanaan Pengujian
Uji eksperimental turbin kaplan dilakukan dengan menggunakan instalasi
turbin kaplan yang dilakukan di lantai empat, Departemen Teknik Mesin, Fakultas
Teknik Universitas Sumatera Utara.
Pengujian pada turbin kaplan dengan memanfaatkan aliran air dari
oleh sudu pengarah (guide vane),dalam pengujian ini divariasikan tiga macam besar sudut guide vane yakni: 300,450 dan 600.
Pengukuran-pengukuran yang dilakukan terhadap pengujian ini meliputi:
1. Pengukuran tegangan listrik (volt) dengan menggunakan Multimeter.
2. Pengukuran arus listrik (ampere) dengan menggunakan Clamp Meter.
3. Pengukuran putaran (rpm) poros turbin kaplan dan poros generator dengan
menggunakan Hand Tachometer.
4. Pengukuran debit air dengan menggunakan stopwatch.
Adapun prosedur pengujian eksperimental turbin Kaplan dengan 5
runner blade dengan perbandingan sudut guide vane sebesar 300, 450 dan
600 ini adalah sebagai berikut:
1. Pengujian pertama dilakukan dengan menggunakan guide vane dengan
sudut 300
2. Hidupkan motor listrik penggerak pompa.
3. Dilakukan monitoring terhadap aliran air diinstalasi.
4. Dilakukan monitoring runner blade tidak menyentuh draft tube dan guide vane dan poros dalam keadaan stabil.
5. Setelah aliran air pada pipa penghubung dan putaran turbin konstan, maka
a. Pengukuran tengangan listrik (volt) dengan Multimeter
b. Pengukuran arus listrik (ampere) dengan Clamp Meter
c. Pengukuran putaran pada poros turbin Kaplan dan poros altenator
dengan Hand Tachometer.
6. Pengukuran arus dan tegangan yang dihasilkan oleh turbin dengan
multimeter.
7. Setelah pengukuran pada turbin Kaplan dengan sudut guide vane sebesar
300 selesai, maka dilakukan penggantian dengan sudut guide vane 450 dan
600. Kemudian dilakukan pengujian kembali seperti prosedur-prosedur di
atas.
1. Tegangan listrik yang dihasilkan generator (V)
2. Arus listrik yang melalui rangkaian (A)
3. Putaran poros turbin Kaplan (rpm)
4. Putaran poros altenator (rpm)
Dari besaran-besaran di atas dapat dihitung besaran turunan lainnya seperti:
1. Daya Air
2. Daya Turbin Kaplan
3. Daya Altenator
4. Effisiensi Turbin Kaplan
Survei Data
Perhitungan Kecepatan Spesifik
3.7 Flowchart Uji Eksperimental
Studi Literatur
Penentuan Jenis Turbin Mulai
Pengujian turbin 5 runner blade dengan variasi sudut guide vaneyakni, 300,450
dan 600
Kesimpulan dan Saran
Selesai
Buku-buku Pedoman, Jurnal-jurnal Pendukung,
dan sebagainya.
Head, debit dan putaran turbin yang direncanakan
Ya
Rancang bangun instalasi turbin kaplan Dengan 5 runner blade
BAB IV
ANALISA DATA DAN HASIL PENGUJIAN
4. 1 PERHITUNGAN DIMENSI DASAR TURBIN KAPLAN 4.1.1 Kapasitas aktual dan head efektif intalasi
Kapasitas aktual instalasi
Pengukuran di lakukan dengan menampung air dari instalasi pipa pada
ember dengan kapasitas 1, 5 L, di ambil sebanyak 3 kali.
Tabel 4.1 Hasil pengukuran kapasitas aktual instalasi
Pengukuran Waktu (detik) Kapasitas (liter)
I 1,8 1,5
II 1,5 1,5
III 1,8 1,5
� = 1,5
1,7 ����� �����
Q = 0,88 liter/detik
Gambar 4.1 Instalasi pipa
4.1.2 Dimensi dasar turbin Kaplan
Perancangan dimensi turbin Kaplan dimulai dari data – data yang sudah
didapat dan dari data – data perencanaan, seperti head, putaran turbin, efisiensi
hidrolik serta efisiensi turbin.
H = 1 m
Putaran rencana : N = 350 rpm
Asumsi : �� = 70 %
�� = 80%
Elbow 90o
Sisi Keluar
a. Debit air dalam (�3/s) :
Debit yang masuk turbin secara teoritis dapat diandaikan sebagai debit
yang melalui suatu curat dengan tinggi terjun (Head) yang bekerja pada turbin.
Debit air didapat dari pompa air Kyiomizhu dengan nilai
� = 0,00088 �3/�
b. Daya Teoritis Air :
Daya teoritis air didapat dari perkalian antara berat jenis air dengan head
turbin dan kapasitas air.
Pa = ρ . g. H. Q
Pa = 998,2 x 9,81 x 1 x 0,88
Pa = 8,617 Watt
c. Dimensi Dasar Turbin
Kecepatan aliran air masuk turbin yaitu
= 0,06489 � ≈0,065 �
d. Daya teoritis turbin :
Daya teoritis turbin didapat dari daya teoritis air dikalikan dengan efisiensi
turbin.
f. Kecepatan aliran air :
kecepatan aliran air adalah kecepatan air pada sisi masuk ke dalam rumah
turbin.
Uf = 4,429 m/s
g. Kecepatan tepi (rim) diameter boss dan diameter dalam :
Kecepatan tepi adalah kecepatan keliling pada sisi masuk rumah turbin.
�� = �.�60�.�
�� = � . 0,065 . 35060
�= �.�.�
60
�= � . 0,16 . 350
60
�= 2,9306 �/�
h. Kecepatan pusaran air (whirl) diameter boss dan diameter dalam :
Kecepatan pusaran air pada sisi masuk (inlet).
��� = ��.�.�
i. sudut sudu (blade) pada area fluida masuk (inlet) :
tan (��) = ���
j. Sudut sudu pada area fluida keluar :
tan (��) = ��
tan (��) = 4,429
6,5921
tan(��) = 0,6718
�� = ���tan 0,6718
�� = 33,89°
Gambar 4.2 Segitiga Kecepatan u
vf vb vfn 58,62˚ u
vft
u vft
vfn
u
vb
vf 33,89˚
146,11˚ Arah Putaran Sudu
4.2 Data Hasil Pengujian Turbin Kaplan Dengan 5 Runner Blade pada Sudut Guide Vane 300
4.2.1 Arus, tegangan, dan putaran
Dari hasil pengukuran dengan alat ukur clamp meter, multimeter dan
tachometer diperoleh data sebagai berikut:
Untuk tanpa pembebanan lampu, diperoleh :
a. Untuk tanpa pembebanan lampu, diperoleh :
1) Arus yang dihasilkan Alternator(I0) : 37 mA
2) Tegangan yang dihasilkan Alternator (V0) : 50 Volt
3) Putaran poros turbin Kaplan (N10) : 122 rpm
4) Putaran poros altenator (N20) : 701 rpm
b. Untuk pembebanan dengan 1 lampu (3 Watt), diperoleh:
1) Arus yang dihasilkan Alternator (I3) : 35,3 mA
2) Tegangan yang dihasilkan Alternator (V3) : 49 Volt
3) Putaran poros turbin Kaplan (N13) : 111 rpm
4) Putaran poros altenator (N23) : 638 rpm
c. Untuk pembebanan dengan 1 lampu (4 Watt), diperoleh:
1) Arus yang dihasilkan Alternator (I4) : 35,2 mA
2) Tegangan yang dihasilkan Alternator (V4) : 48 Volt
3) Putaran poros turbin Kaplan (N14) : 89 rpm
d. Untuk pembebanan dengan 2 lampu (7 Watt), diperoleh:
1) Arus yang dihasilkan Alternator (I7) : 34,6 mA
2) Tegangan yang dihasilkan Alternator (V7) : 42 Volt
3) Putaran poros turbin Kaplan (N17) : 81 rpm
4) Putaran poros altenator (N27) : 465 rpm
4.2.2. Analisa daya dan putaran altenator tanpa beban dan dengan pemberian beban
Dari data yang telah diperoleh dari hasil pengujian, dapat diketahui bahwa
daya pada alternator berubah terhadap penambahan beban lampu yang digunakan.
Sehingga dapat dihitung besar dengan menggunakan persamaan :
P = V.I (Watt) ...(4.1)
Maka daya pengisian ke baterai adalah sebagai berikut:
a. Untuk tanpa pembebanan lampu, diperoleh:
Pc0 = V0 . I0
Pc0 = 50 . 37 . 10-3
Pc0 = 1,850 Watt
b. Untuk pembebanan 1 lampu (3 Watt), diperoleh:
Pc3 = V3 . I3
Pc3 = 49 . 35,3. 10-3
Pc3 = 1,7297 Watt
c. Untuk pembebanan 1 lampu (4 Watt), diperoleh:
Pc4 = V4 . I4
Pc4= 48 . 35,2 . 10-3
d. Untuk pembebanan 2 lampu (7 Watt), diperoleh:
Pc7 = V7 . I7
Pc7 = 42 . 34,6 . 10-3
Pc7 = 1,4532 Watt
Dari perhitungan data diatas dapat ditampilkan dalam bentuk tabel yakni
sebagai berikut:
Tabel 4.2 Hasil percobaan dan daya yang dihasilkan alternator pada sudut guide
vane 300
Dari tabel 4.2 diatas dapat ditampilkan kedalam bentuk grafik untuk
mengetahui lebih jelas fenomena pada perubahan daya pada alternator terhadap
Gambar 4.3 Grafik perubahan daya Alternator terhadap penambahan beban
lampu pada sudut guide vane 300
Dengan melihat grafik diatas, dapat dianalisa semakin besar penambahan
beban maka semakin kecil daya pada alternator dan hanya dapat diberi
pembebanan 2 lampu (7 Watt). Selanjutnya hubungan antara perubahan putaran
di poros altenator terhadap penambahan beban lampu dapat dilihat pada grafik
di bawah ini.
Gambar 4.4 Grafik perubahan putaran altenator terhadap penambahan beban
Dari grafik diatas, dapat dianalisa perubahan putaran alternator terhadap
beban lampu yang diberikan ,semakin besar penambahan beban maka semakin
kecil putaran poros altenator. Dimana putaraan poros tanpa beban lampu adalah
701 rpm dan ketika diberi beban lampu paling besar putaran altenator menjadi 465
rpm.
4.2.3 Pengujian Torsi - Putaran Berbeban
Data pengujian didapat dari pengukuran yang dilakukan dalam waktu yang
bersamaan (sekaligus). Dalam kasus ini, pengujian membutuhkan waktu yang
cukup lama untuk menentukan pembebanan yang tepat sebelum poros berhenti
berputar. Pembebanan ini dilakukan menggunakan gesekan tali yang dikaitkan
pada 2 neraca pegas. Waktu pengujian sampel sepanjang 20 detik, dibutuhkan
lebih dari 15 x pengujian (sampel) untuk setiap perubahan variasi. Pengukuran
putaran dilakukan dalam kondisi poros terbeban hampir berhenti.
Tabel 4.3 Hasil pengujian torsi dan putaran berbeban
Pengujian Torsi (Nm)
Beban Lampu (Watt) Torsi (Nm) Putaran (rad/s)
0 0,15 12,76933
3 0,14 11,618
4 0,12 9,315333
Gambar 4. 5 Grafik torsi vs putaran
4.2.4. Efisiensi daya turbin dan efisiensi daya altenator
Performansi pada turbin merupakan daya mekanik yang dihasilkan dari
sebuah turbin. Untuk mendapatkan nilai tersebut maka data yang diperlukan
adalah kecepatan sudut (
�
) dan torsi (T).Untuk menghitung daya turbin, digunakan persamaan :
�
=
�
.
�
...(4.2)
Dimana :
� =���������� (����)
�= ����� ≈0,15 ��
�= �������������� (���)
Untuk menghitung kecepatan sudut adalah :
ω = 2�60�
Dimana :
�= �������������� (���
� )
�= 122 ���
� = 2� �
60
� = 2� 122
60
� = 12,76933 ���/�
Daya Turbin Aktual :
� =� .�
� = 0,15 . 12,76933
� = 1,9154 ����
Untuk efisiensi turbin dapat dihitung dengan menggunakan rumus :
� = �������
���� � 100%
Dimana :
������� = 1,9154 ����
���� = 8,617 ����
� = 1,9154
� = 22,22 %
4.2.5 Efisiensi puli
Untuk mengetahui efisiensi puli dapat mengunakan rumus persamaan 2.29
sebagai berikut:
����� = ���� . ����
������� . ������� � 100%
Maka efisiensi puli saat pengujian tanpa pembebanan adalah:
����� = 0,035 . 701
4.3 Data Hasil Pengujian Turbin Kaplan Dengan 5 Runner Blade PadaSudut
Guide Vane450
4.3.1 Arus, tegangan, dan putaran
Dari hasil pengukuran dengan alat ukur clamp meter, multimeter
dan tachometer diperoleh data sebagai berikut:
Untuk tanpa pembebanan lampu, diperoleh :
a. Untuk tanpa pembebanan lampu, diperoleh :
1) Arus yang dihasilkan Alternator(I0) :44 mA
2) Tegangan yang dihasilkan Alternator (V0) : 103 Volt
3) Putaran poros turbin Kaplan (N10) : 186 rpm
