ANALISA PERANCANGAN TURBIN VORTEX DENGAN CASING BERPENAMPANG SPIRAL DAN LINGKARAN
DENGAN 3 VARIASI DIMENSI SUDU
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
INDRA BAYU SEGARA KASBI 080401022
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
2014
KATA PENGANTAR
Puji Syukur Penulis Panjatkan kehadiran Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan karunia-Nyalah penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul
“Rancang Bangun Turbin Vortex Berbentuk Spiral dan Lingkaran Dengan Casing Turbin dari Bahan Akrelik”.
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, Do’a dan bantuan baik materiil, moril, maupun spirital dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Untuk itu sebagai manusia yang harus tahu terimakasih, degan penuh ketulusan hati penulis mengucapkan terima kasih yang tak terhingga :
1. Bapak Ir. M . Syahril Gultom, MT Selaku dosen pembimbing yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.
2. Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus ST,. MT dan Bapak Drs. A. Zulkifli Lubis, M.Sc Selaku dosen pembanding I dan II yang telah memberikan masukan dan saran dalam penyelesain skripsi ini.
3. Bapak Dr. Ing. Ir Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
4. Kedua orang tua penulis, Ir. Syarul Kasbi dan Sri Jumaida yang tidak pernah putus- putusnya memberikan dukungan, do’a, moril serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.
5. Seluruh Saudara penulis, Reza Fahlevi Kasbi, Sri Romaini Syahriza Kasbi, Widya Sari Kasbi dan Dani Kasbi yang selalu saling membantu demi mencapai cita-cita.
6. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis kuliah.
7. Rekan-rekan satu tim kerja , Edi, Boy, Gibran dan Stevanus yang telah meluangkan waktunya untuk memberikan saran dan kritik.
8. Rekan – rekan satu perjuangan M. Iqbal Tawakal, Fandi, dan Ardi yang telah bersama-sama melewati masa-masa selama kuliah di teknik Mesin Universitas Sumatra Utara. Semangat!!!
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR...i
ABSTRAK...iii
DAFTAR ISI...iv
DAFTAR GAMBAR...viii
DAFTAR TABEL...xi
DAFTAR SIMBOL...xii
AKSARA YUNANI...xiv
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang... 1
1.2 Tujuan... 2
1.3 Batas Masalah ... 2
1.4 Manfaat Penelitian...2
1.5 Asumsi ...3
1.6 Sistematika Penulisan...3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Potensi Energi Air...5
2.2 Mesin-Mesin Fluida...6
2.3 Pengertian Turbin Air...6
2.4 Komponen – Komponen Turbi...8
2.5 Jenis-Jenis Turbin Air...9
2.5.1 Turbin Impuls...10
2.5.2 Turbin Reaksi...13
2.6 Klasifikasi Turbin...16
2.6.1Klasifikasi Berdasarkan Ketinggian Jatuh Air...16
2.6.2 Klasifikasi Berdasarkan Kecepatan Spesifik Turbin...16
2.6.3 Klasifikasi Berdasarkan Arah Aliran Fluida...18
2.7 Turbin Vortex...18
2.7.1 Cara Kerja Turbin Vortex...19
2.7.2 Komponen Utama Turbin Vortex...20
2.7.3 Keunggulan Turbin Vortex...20
2.7.4 Pengaruh Turbin Vortex Pada Lingkungan...20
2.7.5 Pengembangan Turbin Vortex di Air Sungai...22
2.8 Aliran Vortex...23
2.8.1 Aliran Vortex Bebas...24
2.8.2 Aliran Vortex Paksa...25
2.8.3 Aliran Vortex Kombinasi...25
2.9 Penampang Air...26
2.10 Lubang Masuk...26
2.11 Pipa Lepas...27
2.12 Kavitasi...28
BABA III METODOLOGI PERANCANGAN 3.1 Umum...29
3.2 Prosedur Penelitian...30
3.3 Penentuan Kecepatan Aliran Air Pada Penampang...31
4.4 Analisa Segitiga Kecepatan...32
3.4.1 Analisa Segitiga Kecepatan Pada Sisi Masu...28
3.4.2 Analisa Sigitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar...29
3.5 Perhitungan Komponen – Komponen Utama Turbin...36
3.5.1 Roda Jalan...36
3.5.2 Ukuran – Ukuran Utama Sudu Roda Jalan...37
3.5.2.1 Diameter Sudu Roda Jalan Pada Sisi Masuk...38
3.5.2.2 Jarak Antara Sudu...38
3.5.2.3 Tebal Sudu Roda Jalan...38
3.5.2.4 Tinggi Roda Jalan...38
3.5.2.5 Pemilihan Bahan Sudu...38
3.6 Efisiensi Turbin Vortex...37
3.7 Putaran Spesifik Turbin...42
3.8 Pemilihan Casing Turbin...43
3.9 Casing Turbin...44
3.9.1 Casing Spiral...44
3.9.2 Casing Lingkaran...46
3.10 Pipa Buang ...47
3.11 Perancangan Poros Turbin...47
3.11.1 Perhitungan Momen Torsi Poros...47
3.11.2 Pemilihan Bahan Poros...48
3.11.3 Pemeriksaan Kekuatan Poros...49
3.12 Bantalan...50
3.12.2 Perhitungan Gaya Aksial...52 3.12.3 Pemilihan Dimensin Bantalan...54 BAB IV KESIMPULAN
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
ABSTRAK
Energi pada saat sekarang ini semakin berkurang akibat penggunaan energi fosil secara berlebihan di semua bidang, ilmuwan diselurah dunia menyadari hal ini dan mencoba berbagai energi alternatif. Salah satu sumber energi saat ini yang banyak dilakukan penelitian adalah arus air. Indonesia adalah negara agraris yang menghasilkan air secara terus menerus, sehingga turbin air lebih diutamakan dari turbin angin karena angin di indonesia relatif stabil.
Microhydro ataupun Picohydro yang dibuat biasanya memanfaatkan air terjun dengan head jatuh yang besar, sedangkan untuk aliran sungai dengan head jatuh yang kecil belum termanfaatkan dengan optimal. Hal ini menjadi referensi untuk memanfaatkan aliran sungai dengan mengubahnya menjadi aliran vortex. Tujuan dari analisa perancangan ini adalah untuk mendapatkan rancangan casing turbi n vortex, rancangan poros, rancangan sudu dan bantalan serta bahan-bahan yang sesuai.
Turbin Vortex ini di rancang dengan debit air 0,0052 dan kecepatan air 1,44 m/s.
Menggunakan casing berpenampang spiral dan lingkaran berbahan Akrilik, dengan 3 variasi dimenai sudu berbahan seng. Hasil dari perancangan ini diharapkan akan bermanfaat untuk pengguna turbin vortex, sehingga didapat turbin vortex yang aman pada saat digunakan.
Kata kunci : Perancangan Turbin Vortex, Sudu Turbin Vortex, Variasi Casing dan sudu
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1 Sudu Turbin Pelton 10
Gambar 2.2 Turbin Pelton 11
Gambar 2.3 Turbin Crossflow 12
Gambar 2.4 Turbin Kaplan 14
Gambar 2.5 Turbin Francis 14
Gambar 2.6 Turbin Vortex 15
Gambar 2.7 Rumah Turbin Vortex 19
Gambar 2.8 Gravitasi Air Pembangkit Listrik Pusaran Sebagai Bio-reaktor 21
Gambar 2.9 Gravitasi Water Vortex Power Plants (GWVPPs) 22
Gambar 3.0 Tipe – Tipe Vortex 25
Gambar 3.1 Beberapa Tipe Lubang Masuk 26
Gambar 3.2 Instalansi Penampang 30
Gambar 3.3 Roda Jalan 34
Gambar 3.4 Segitiga Kecepatan Pada Kontruksi Roda Jalan 37
Gambar 3.5 Segitiga Kecepatan Pada Sisi Masuk dan Sisi keluar 41
Gambar 3.6 Metode Segitiga 42
Gambar 3.7 Casing Spiral 43
Gambar 3.8 Ukuran Lingkaran 43
Gambar 3.9 Casing Lingkaran 44
Gambar 3.10 Pembebanan Pada Poros 51
Gambar 3.11 Bantalan 52
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 2.1 Klasifikasi Turbin Air Berdasarkan Tinggi Jatuh Air 16
Tabel 2.2 Klasifikasi Berdasarkan Putaran Spesifik 17
Tabel 2.3 Klasifikasi Berdasarkan Arah Aliran Fluida 18
Tabel 3.2 Panjang jari – jari turbin spiral 45
DAFTAR SIMBOL
Lambang Arti SATUAN
A Luas (m)
b Lebar Penampang (m)
D1 Diameter Roda Jalan Sisi Masuk (m)
D2 Diameter Roda Jalan Sisi Keluar (m)
Dt Diameter Turbin (m)
Dp Diameter Poros (m)
f Koefisien
Fm Gaya momentum (N)
Ft Gaya Tekanan (N)
Fr Gaya Radial (N)
Fa Gaya Aksial (N)
g konstanta Gravitasi (9,81 m/s)
H Head (m)
k Koefisien Losses
Faktor Ketebalan Sudu
L Panjang (m)
Jarak Antara Sudu
n Putaran Operasi (rpm)
ns Putaran Spesifik (rpm)
N Jumlah Sudu
P Daya (Watt)
Jumlah Kutup
Q Debit Aliran (m3/s)
RAX Reaksi Pada Titik A (Sumbu X) (N)
RAY Reaksi Pada Titik A (Sumbu Y) (N)
RBX Reaksi Pada Titik B (Sumbu X) (N)
RBY Reaksi Pada Titik B (Sumbu Y) (N)
Sf1 Faktor Keamanan Bahan
Sf2 Faktor Keamanan Bentuk Poros
t Tebal Sudu Roda Jalan (m)
U Kecepatan Tangensial (m/s)
V Kecepatan (m/s)
Wp Berat Poros (N)
Wt Berat Roda Jalan (N)
z Jumlah Sudu
AKSARA YUNANI
Arti
Satuan
γ Berat Jenis (N/m3)
ɳt Efisiensi Turbin (m2/det)
ɳg Efesiensi Generator -
ɳh Efesiensi Hidrolik -
ρ Massa Jenis (kg/m)
α Sudu antara Kec.Absolut dan Kec. Tangensial -
β Sudut Sudu -
τg Tegangan Geser (kg/mm2)
τt Tegangan Geser Torsi (kg/mm2)
σb Tegangan Tarik (kg/mm2)
