JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2016

(1)

STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT

KELENGKUNGAN SUDU DARI HORIZONTAL AXIS WATER

TURBINE DENGAN TIPE DRAG TERHADAP POWER

GENERATION PADA ALIRAN AIR DALAM PIPA

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

Oleh :

MUHAMMAD ALWAN ROSYIDI NIM. I 1412012

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

2016

(2)

KEMENTERIAN RISET TEKNOLOGI DAN PENDIDIKAN TINGGI UNIVERSITAS SEBEIAS MARET - FAKULTAS TEKNIK

PROGRAM

STUDI

51 TRANSFER

TEKNIK

MES]N

Jl lr Sutami No. 36A Kentingan Surakarta Telp. 0271 632163 web: mesin.ft.uns.ac.id

Nama NIM Bidang Pembimbing L Pembimbing 2 Penguji

SURAT TUGAS PEMBTMBING DAN PENGUTT TUGAS AKHIR

PROGRAM SARJAHA TEKNTK MESTN UNS Program Studi :51 Transfer Teknik Mesin

Nomor : O61*/TA/51/O5/2O15

:MUH. ALWAN ROSYIDI :11412OL2

:Konversi Energi

:DR ENG. SYAMSUL HADI, ST,MT/1971O6151998O21OO2

:D. DANARDONO, ST, MT, PhD/1969O5141999O31OO1

: 1. Prof. Dr, DWI ARIES HIMAWANTO, ST, MTI

r97403262000031OO1

2. BUDI KRISTIAWAN, ST,MT/ Lg71O4251g9gO31OO1

3, PURWADT 'OKO

WIDODO, ST, lU. KOMI

197301261997021001

Mata Kuliah Pendukung

1. ME|(ANTKA FLUTDA 2(MS56012-10)

2.AERO DAN lllDRO DlltlAMll(A(MSO6o33-1O)

3. POMPA DAN KOMPRESOR(]r|SO6IO3-1O)

JudulTugas Akhir

''STUDY EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT

KELENGKUNGAN SUDU HORIZONTAL

AXIS

WATER

TURBINE

DENGAN

TIPE

DRAG

TERHADAP

POWER

GENERATION

PADA

ALIRAN

AIR

DALAM

PIPA''

a,

2015-05-29 L4:

rogram Studi 51 Te esln,

G. SYAMSUL HADI,

9710615199802 1002

Tembusal-: '

1. Mahasiswa ybs,

2. Dosen Pembimbing TA ybs.

3. Koordinator TA.

4. Arsip.

(3)

STUDY EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT KELENGKUNGAN SUDU HORIZOTTITAT AXIS WATER TURBINE DENGAI{ TIPE DRAG TERHADAP

POWER GE]IIERATION PADA ALIRAN AIR DALAM PIPA

Disusun Oleh WAN ROSYIDI

L4r2012

Dosen Pembimbing L

DR ENG. SYAMSUL HADI, ST,MT

NtP. L9710615199802 1002

Telah dipertahankan di depan Tim Dosen Penguji pada tanggal 1O:OO:OO, bertempat di M.1O1,

Gd.l

FT-UNS.

1.

Prof. Dr. DWI ARIES HIMAWANTO, ST, MT L97 40326200003L001

o4-o2-2016 pukul

BUDI KRISTIAWAN,sT,MT r971,04251999031001

PURWADT _JOKOW|DODO, 5T, M, KOM L97 30126L997 02100t 2. 3, imbing NO,5T, MT, PhD NtP. 195905141999031001

6:i;;i

-- -\- r'*

r--f

/sXi"

i7-

{u

raxc

\fiI

"fto, urr, ,,, r,**r*l)S

i,ftr+

l ?i

z.\ _iF=

*4

elty oi^, _i'J,l_l*$"

Program Studi Teknik

nik Universitas Se

Surakarta

G. SYAMSUL HADI, ST,MT N lP. L97 10615199802 1002

Koord inator Tugas Akhir

DR. I'IURUL lfittHAY , ST,MT .NtP. 19700323199 021001

(4)

iv

STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT

KELENGKUNGAN SUDU DARI HORIZONTAL AXIS WATER

TURBINE DENGAN TIPE DRAG TERHADAP POWER

GENERATION PADA ALIRAN AIR DALAM PIPA

Muhammad Alwan Rosyidi

Jurusan Teknik Mesin

Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia

e-mail : rosyidi.alwan@yahoo.com

Abstrak

Kondisi curah hujan dan gedung-gedung bertingkat tinggi di daerah perkotaan merupakan faktor potensial penting dalam pengembangan sebuah energi alternatif. Sebuah konsep tentang Horizontal Axis Water Turbine diajukan sebagai sarana dalam membangkitkan energi listrik dengan head yang rendah. Penelitian ini fokus pada pengaruh sudut kelengkungan sudu dari Horizontal Axis

Water Turbine terhadap daya listrik yang dihasilkan oleh generator. Tujuan dari

penelitian ini adalah untuk mencari performa maksimal yang dihasilkan dari berbagai variasi sudut kelengkungan sudu. Variasi sudut kelengkungan sudu adalah 100°, 110°, 120°, 130°, dan 140°. Dengan head 2 m, performa maksimal didapat pada sudut kelengkungan sudu 140°. Daya listrik dan koefisien daya pada sudut kelengkungan sudu 140° masing-masing 4,2 Watt dan 0,023.

Kata kunci : sudut kelengkungan sudu, turbin tipe drag, turbin air Savonius,

power generation

Abstrack

The high rainfall and the high-rise building in urban areas are important potential factor in developing the alternative energy. A concept of Horizontal Axis Water Turbine is proposed as a media to generate the electrical energy with low head condition. This research focuses on the effect of various blade curvature angle to power generation of Horizontal Axis Water Turbine. The purpose of this research is to find the maximum performance from a various blade curvature angle of 100°, 110°, 120°, 130°, and 140°. By the head of 2 m, the maximum performance of electrical power and power coefficient were respectively 4.2 Watt and 0.023 at blade curvature angle of 140°.

Keywords : blade curvature angle, drag-type turbine, Savonius hydroelectric

(5)

v

KATA PENGANTAR

Syukur alhamdulillah penulis panjatkan atas rahmat dan karunia yang diberikan oleh Allah SWT sehingga penulis dapat melaksanakan dan me-nyelesaikan Skripsi “Studi Eksperimental Pengaruh Sudut Kelengkungan

Sudu Dari Horizontal Axis Water Turbine Dengan Tipe Drag Terhadap Power

Generation Pada Aliran Air Dalam Pipa” ini dengan baik Skripsi ini disusun

guna memenuhi persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta.

Skripsi ini tidap mungkin dapat terselesaikan tanpa bantuan dari pihak-pihak tertentu. Oleh karena itu, penulis ingin menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan Skripsi ini, terutama kepada :

1. Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi, ST, MT selaku Pembimbing I yang senantiasa memberikan nasehat, arahan dan bimbingan dalam menyelesaikan skripsi ini

2. Bapak D. Danardono, ST, MT, PhD selaku Pembimbing II yang telah turut serta memberikan bimbingan yang berharga bagi penulis.

3. Bapak Prof. Dr. Dwi Aries Himawanto, ST, MT , bapak Budi Kristiawan, ST, MT dan bapak Purwadi Joko Widodo, ST, M.Kom selaku dosen penguji tugas akhir yang telah memberi saran yang membangun.

4. Bapak Dr. Nurul Muhayat, ST, MT, selaku koordinator Tugas Akhir.

5. Bapak Prof. Dr. Dwi Aries Himawanto, ST, MT, selaku Kepala Laboratori-um Perpindahan Panas dan Termodinamika UNS yang telah memberikan izin serta fasilitas yang sangat berguna bagi penulis.

6. Seluruh Dosen serta Staff di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut mendidik dan membantu penulis hingga menyelesaikan studi S1.

7. Bapak, Ibu, dan seluruh keluarga yang telah memberikan do’a restu, motiva-si, dan dukungan material maupun spiritual selama penyelesaian Tugas Akhir.

(6)

vi

8. Teman-teman satu Grup Riset Penelitian “Prototipe Horizontal Axis Water

Turbine (HAWT) Untuk Green Energy di Bangunan Bertingkat” atas kerja

samanya dengan gagasan-gagasan yang telah dicetuskan.

9. Teman-teman mahasiswa Teknik Mesin (Transfer) Universitas Sebelas Maret angkatan 2012

10. Semua pihak yang telah membantu dalam melaksanakan dan menyusun laporan Tugas Akhir ini yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu.

Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun dari semua pihak untuk memperbaiki dan menyempurnakan skripsi ini.

Akhir kata, penulis berharap, semoga skripsi ini dapat berguna dan ber-manfaat bagi kita semua dan bagi penulis pada khususnya.

Surakarta, Januari 2016

(7)

vii DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ... i

HALAMAN SURAT PENUGASAN ... ii

HALAMAN PENGESAHAN ... iii

ABSTRAK ... iv

KATA PENGANTAR ... v

DAFTAR ISI ... vii

DAFTAR TABEL ... ix

DAFTAR GAMBAR ... x

DAFTAR PERSAMAAN ... xi

DAFTAR NOTASI ... xii

DAFTAR LAMPIRAN ... xiii

BAB I PENDAHULUAN ... 1 1.1. Latar Belakang ... 1 1.2. Perumusan Masalah ... 3 1.3. Batasan Masalah... 3 1.4. Tujuan ... 3 1.5. Manfaat Penelitian ... 4 1.6. Sistematika Penulisan ... 4

BAB II DASAR TEORI... 5

2.1. Tinjauan Pustaka ... 5

2.2. Dasar Teori ... 8

2.2.1. Turbin Air ... 8

2.2.2. Pemilihan Turbin Air ... 12

2.2.3. Drag-type Turbine ... 13

2.3. Parameter yang Digunakan Dalam Perhitungan ... 15

2.3.1. Daya Input ... 15

2.3.2. Daya Output ... 15

2.3.3. Koefisien Daya (Cp) ... 16

(8)

viii

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 17

3.1. Tempat Penelitian... 17

3.2. Desain Alat ... 17

3.2.1. Desain Rotor Turbin Dengan Variasi Sudut Kelengkungan Sudu ... 17

3.2.2. Desain Alat Uji ... 18

3.3. Bahan dan Alat Penelitian ... 19

3.3.1. Bahan Penelitian ... 19

3.3.2. Alat Penelitian ... 20

3.4. Pra-Study ... 20

3.5. Garis Besar Penelitian ... 20

3.6. Pelaksanaan Penelitian ... 20

3.7. Diagram Alir Penelitian ... 21

BAB IV DATA DAN ANALISA ... 22

4.1. Simulasi Drag-type Turbine dengan Variasi Sudut Kelengkungan Sudu ... 22

4.2. Aliran Fluida Masuk ... 25

4.3. Tip Speed Ratio ... 28

4.4. Daya Input ... 30 4.5. Performa Rotor ... 31 BAB V PENUTUP ... 35 5.1. Kesimpulan ... 35 5.2. Saran ... 35 DAFTAR PUSTAKA ... 36 LAMPIRAN ... 38

(9)

ix

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Pengelompokan Turbin Air ... 10

Tabel 4.1 Nilai torsi dari tiap-tiap variasi sudut kelengkungan sudu ... 25

Tabel 4.2 Efek rotor terhadap aliran fluida masuk ... 26

Tabel 4.3 Kecepatan fluida masuk pada variasi sudut kelengkungan sudu ... 28

Tabel 4.4 Kecepatan putar dan Tip Speed Ratio pada masing-masing variasi sudut kelengkungan sudu... 29

Tabel 4.5 Daya input dari setiap variasi sudut kelengkungan sudu. ... 30

Tabel 4.6 Performa rotor dilihat dari besaran tegangan, daya listrik dan koefisien daya ... 31

(10)

x

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Modifikasi Savonius rotor tanpa poros (Kamoji et al., 2009) ... 6 Gambar 2.2 Savonius rotor secara konvensional (Kamoji et al., 2009) ... 6 Gambar 2.3 Modifikasi Savonius rotor dengan penambahan poros

(Kamoji et al., 2009) ... 7 Gambar 2.4 Skema turbine hydroelectric jenis Pelton (Dixon & Hall, 2013) ... 10 Gambar 2.5 [a] Francis rotor hydroelectric turbine [b] Skema aliran pada

Francis turbine (Dixon & Hall, 2013) ... 11

Gambar 2.6 Pengaplikasian berbagai jenis turbin air berdasarkan ketinggian

Head dan laju aliran volume (Dixon & Hall, 2013) ... 12

Gambar 2.7 Solid dan hollow Drag-type Turbine (Chen et al., 2013) ... 13 Gambar 2.8 Variasi power extracted pada Savonius water turbine dan

Savonius wind turbine (Sarma et al., 2014) ... 14 Gambar 2.9 Variasi rotor rpm dengan berbagai variasi sudut kelengkungan

sudu (Ahmed et al., 2013) ... 14 Gambar 3.1 Skema sudut busur pada sudu rotor turbin ... 17 Gambar 3.2 Desain alat uji Horizontal Axis Water Turbine ... 18 Gambar 3.3 Bahan uji Horizontal Axis Water Turbine dengan berbagai variasi

sudut kelengkungan sudu ... 19 Gambar 3.4 Diagram alir penelitian Horizontal Axis Water Turbine dengan

variasi sudut kelengkungan sudu ... 21 Gambar 4.1 Simulasi Drag-type Turbine dengan variasi sudut kelengkungan

sudu 120° (a) Streamline kecepatan (b) Kontur tekanan ... 22 Gambar 4.2 Nilai torsi pada tiap-tiap posisi sudu dari proses simulasi ... 24 Gambar 4.3 Ilustrasi aliran fluida masuk ... 26 Gambar 4.4 Grafik hubungan sudut kelengkungan sudu terhadap aliran fluida

masuk ... 27 Gambar 4.5 Grafik hubungan antara variasi sudut kelengkungan sudu dengan

kecepatan putar dan TSR ... 29 Gambar 4.6 Hubungan antara sudut kelengkungan sudu terhadap performa

rotor ... 32 Gambar 4.7 Kesesuaian antara hasil simulasi dengan data eksperimen ... 34

(11)

xi

DAFTAR PERSAMAAN

Persamaan (2.1) Daya Input ... 15

Persamaan (2.2) Diferensial Daya Listrik ... 15

Persamaan (2.3) Diferensial Daya Listrik (Penjabaran) ... 15

Persamaan (2.4) Daya Output/ Daya Listrik ... 15

Persamaan (2.5) Koefisien Daya ... 16

Persamaan (2.6) Tip Speed Ratio ... 16

(12)

xii

DAFTAR NOTASI

Nomenclature

= Aliran fluida masuk [m3]

= Daya input [Watt]

/ = Daya output / Daya listrik [Watt]

= Debit Over flow [m3/s] = Debit pada pompa [m3/s]

= Diameter rotor [m]

= Electrical current [Ampere] = Energi listrik [Joule] = Hambatan listrik [Ohm]

= Head fluida [m]

= Kecepatan aliran pada Overflow [m/s]

= Kecepatan fluida masuk [m/s] = Luas 1/3 diameter lingkaran pada pipa [m2] = Percepatan gravitasi [m/s2]

= Voltage [Volt]

= Waktu [s]

Parameter tanpa dimensi

= Koefisien daya = Tip Speed Ratio

Greek Symbol

= Blade arc angle [°]

= Kecepatan sudut [rad/s] = Massa jenis air [kg/m3]

(13)

xiii

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 Data Hasil Percobaan ... 39 Lampiran 2 Perhitungan dan Data Perhitungan ... 42 Lampiran 3 Perhitungan Luas Penampang 1/3 Diameter Lingkaran Pipa ... 45 Lampiran 4 Simulasi Drag-type Turbine pada sudut kelengkungan sudu

120° ditinjau dari perubahan posisi sudu ... 47 Lampiran 5 Simulasi Drag-type Turbine dari berbagai sudut kelengkungan

sudu ... 52 Lampiran 6 Physical Properties of Water (SI Units) ... 58