POMPA SENTRIFUGAL
DENGAN KAPASITAS 175 L/MENIT DAN HEAD 10 M
Tugas Akhir
Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana S-1
Jurusan Teknik Mesin
Disusun oleh : ARIE YUNIARDY
NIM : 025214117
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
CENTRIFUGAL PUMP
WITH CAPACITIES OF 175 L/MINUTE AND HEAD 10 M
Final Project
as Partial Fulfilment of Requirements to Obtain the Sarjana Teknik Degree
In Mechanical Engineering
by :
ARIE YUNIARDY Student Number : 025214117
MECHANICHAL ENGINEERING STUDY PROGRAM MECHANICHAL ENGINEERING DEPARTMENT
ENGINEERING FACULTY SANATA DHARMA UNIVERSITY
TUGAS AKHIR
POMPA SENTRIFUGAL
DENGAN KAPASITAS 175 L/MENIT DAN HEAD 10 M
Disusun oleh : ARIE YUNIARDY NIM : 025214117
Telah Disetujui Oleh :
Pembimbing I
TUGAS AKHIR
POMPA SENTRIFUGAL
DENGAN KAPASITAS 175 L/MENIT DAN HEAD 10 M
yang dipersiapkan dan disusun oleh : ARIE YUNIARDY
NIM : 025214117
Telah dipertahankan di depan Panitia Penguji pada tanggal 30 November 2006 dan dinyatakan telah lulus memenuhi syarat
Susunan Panitia Penguji :
Ketua : Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T. ( ……….. )
Sekretaris : Ir. FX. Agus Unggul Santoso ( ……….. )
Anggota : Yosef Agung Cahyanta S.T., M.T. ( ……….. )
Yogyakarta, Desember 2006 Fakultas Teknik Universitas Sanata Dharma
Yogyakarta Dekan
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam Tugas Akhir ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan di suatu Perguruan Tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.
Yogyakarta, 16 Desember 2006
INTISARI
Pompa adalah suatu peralatan yang digunakan untuk memindahkan fluida cair dari suatu tempat ke tempat yang lainnya. Pada dasarnya pompa sentrifugal terdiri dari satu impeler atau lebih yang dilengkapi dengan sudu – sudu , yang dipasangkan pada poros yang berputar dan diselubungi oleh sebuah rumah pompa. Pada perancangan ini jenis pompa yang digunakan adalah jenis pompa sentrifugal satu tingkat dengan kapasitas 175 L/menit dan head pemompaan 10 meter. Jenis impeler yang digunakan adalah impeler tertutup yang terbuat dari bahan besi cor dan jumlah sudu sebanyak lima buah.
KATA PENGANTAR
Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas bimbingan dan karunia -Nya sehingga Penulis dapat menyelesaikan penyusunan Tugas Akhir ini dengan judul “POMPA SENTRIFUGAL DENGAN KAPASITAS 175 L/MENIT DAN HEAD 10 M”.
Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat yang wajib ditempuh untuk memperoleh gelar Sarjana S-1 pada Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta .
Dari hati yang paling dalam dan dengan sepenuh hati yang tulus Penulis menghaturkan rasa terima kasih kepada :
1. Bapak Ir. Greg. Heliarko, SJ., B.ST., MA., MSc., selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Sanata Dharma.
2. Bapak Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin U niversitas Sanata Dharma.
3. Bapak Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T., selaku dosen pembimbing Tugas Akhir.
4. Segenap Dosen di jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sanata Dha rma yang telah membantu Penulis dengan pengetahuan ya ng anda berikan sangat membantu dalam penyelesaian tugas ini.
6. Bapak dan Ibu penulis yang selalu mendo’akan dan memberikan segala sesuatunya kepada penulis.
7. Ignatius Sunu Gunawanto, terima kasih atas segala bantuan dan informasi yang telah diberikan.
Akhirnya Penulis menyadari bahwa “ Tiada Gading Yang Tak Retak”, begitu pula dalam pembuatan Tugas Akhir ini masih banyak kekurangan disana sini. Oleh karena itu segala saran dan kritik yang membangun demi kesempurnaan naskah ini sangat Penulis harapkan.
Yogyakarta , 16 Desember 2006
DAFTAR ISI
Halaman Judul ..…………..……… i
Halaman Persetujuan ..…………....……… ii
Halaman Pengesahan ..…………..………..…… iii
Halaman Pernyataan ..…………..………...……… iv
Intisari ..…………..………...……… v
Kata Pengantar ..…………..……… vi
Daftar Isi ..…………..………...………… viii
Daftar Gambar ..…………..……… xiii
Daftar Tabel ..…………..………...…. xv
Daftar Lampiran ..…………..………...……… xvi
Arti Lambang Dan Singkatan ..…………..……….……… xvii
BAB I PENDAHULUAN 1.1. Tinjauan Umum ………..………... 1
1.2 Klasifikasi Pompa ………..……… 1
1.3 Tujuan Perancangan ……..………..………... 11
1.4 Batasan Masalah ..…………..……… 11
BAB II PERANCANGAN POMPA 2.1 Perancangan Pompa .……….. 12
2.2 Penentuan Jenis Pompa ……….………. 12
2.3 Penentuan Jumlah Tingkat Pompa ……….………… 13
2.4 Perhitungan Daya Pompa ……….. 15
BAB III PERANCANGAN IMPELER 3.1 Tinjauan Umum …...………... 17
3.2 Perhitungan Ukuran Utama Impeler …...………... 21
3. 2.1 Perhitungan Diameter Poros …...…………..…………... 22
3.2.2 Diameter Hub ..………..………... 26
3.2.3 Diameter Mata Impeler ..…………..……… 27
3.2.4 Diameter Sisi Masuk Impeler ..……..……..……… 29
3.2.5 Lebar Impeler Sisi Masuk ..…………..……… 29
3.2.6 Diameter Sisi Keluar Impele r ..………..…..……… 31
3.2.7 Lebar Sisi Keluar Impeler ..…………..……… 32
3.3 Penentuan Jumlah Sudu ..…….……..……… 33
3.4 Segitiga Kecepatan (Triangle Velocity) ..…………..….……… 35
3.4.1 Segitiga Kecepatan Pada Sisi Masuk Impeler ...……… 37
3.4.2 Segitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar Impeler ..…...…… 38
BAB IV PERANCANGAN SUDU 4.1 Bentuk Sudu ………... 44
4.2 Pemilihan Bentuk Sudu ..…………..……… 45
4.3 Pelukisan Sudu ..…………..……….… 45
4.4 Tebal Sudu ..………..………...…… 48
4.5 Lebar Laluan ..…………..……… 49
BAB V PERANCANGAN RUMAH POMPA
5.1 Dasar Perancangan ..…………..………... 53
5.2 Perancangan Rumah Pompa ..…………..……… 54
5.3 Nossel Buang (Dhischarge Nozzle) ..…………..………. 58
5.4 Pemilihan Bahan Rumah Pompa ..…………..………. 59
BAB VI PERANCANGAN POROS DAN PASAK 6.1 Macam-Macam Poros …….………. 61
6.2 Perhitungan Beban …..………... 62
6.2.1 Gaya Radial Oleh Impeler ..…………..………. 62
6.3 Bobot Impeler ..…………..………..…… 63
6.4 Perhitungan Momen Poros ..…………..………... 66
6.4.1 Perhitungan Defleksi Puntiran ..…………..………... 68
6.4.2 Defleksi Lenturan Poros ..…………...………... 68
6.4.3 Putaran Kritis ..…………..………. 69
6.5 Macam-Macam Pasak ..…………..……….. 71
6.6 Tata Perencanaan Pasak ..…………..………... 72
6.6.1 Gaya tangensial ..…………..………. 72
6.6.2 Gaya Geser ..…………..……… 73
BAB VII PERHITUNGAN BANTALAN
7.1 Klasifikasi Bantalan ..…………..………. 76 7.2 Gaya Aksial ..………..………..………...… 77 7.2.1 Mengkompensir Dengan Lubang Pengimbang ..…..…… 80 7.2.2 Me ngkompensir Gaya Aksial Dengan Sudu Belakang ... 81 7.3Umur Nominal Bantalan ..…………..………...… 82 BAB VIII ELEMEN PENDUKUNG
8.1 Kotak Paking (Stuffing Box) ..…………..…………...………… 87 8.2 Cincin Penahan Keausan ..…………..………..………… 90 8.3 Pemancingan (Priming) ..…………..………...…… 91 8.4 Baut Dan Mur Rumah Pompa ..…………..…………..………… 92 8.5 Kopling ..…………..……….………… 94 8.5.1 Perhitungan Kopling ..…………..………...…… 95 BAB IX KARAKTERISTIK POMPA DAN KAV ITASI
9.1 Karakteristik Pompa Hub Kapasitas Dengan Head ..……….….. 101 9.1.1 Head Eulers ..…………..……….………… 101 9.1.2 Head Teoritis ..…………..………...…… 102 9.1.3 Head Aktual (Hact) ..…………..………..…… 103
9.2 Karakteritik Pompa Hubungan Kapasitas Dengan Daya Dan
Efisiensi ..…………..………...……… 110 9.2.1 Daya Kuda Fluida (f.hp) ..…………..……….… 110 9.2.2 Daya Kuda Untuk Mengatasi Kebocoran (hp.L) ..…...…… 111
9.2.4 Daya Kuda Untuk Mengatasi Kerugian Hidrolis (hp.HY) .... 113
9.2.5 Daya Kuda Untuk Mengatasi Kerugian Mekanis (hp.M) .... 114
9.2.6 Daya Kuda Rem (b.hp) ..…………..………...… 114
9.2.7 Efisiensi Pompa ..…………..………..…… 114
9.3 Kavitasi ..…………..……… 116
9.3.1 NPSH Yang Tersedia (hsv) ..…………..………..…… 117
9.3.2 NPSH Yang Diperlukan (HsvN) ..…………..……… 118
BAB X KESIMPULAN DAN PENUTUP 10.1 Kesimpulan ..…………..………... 121
10.2 Penutup ..…………..………...……… 123
Daftar Pustaka ..…………..………...………...……... 124
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1 Klasifikasi Pompa Dinamis ..…………..……….... 3
Gambar 1.2 Klasifikasi Pompa Displacement ..…………..…………...…… 4
Gambar 1.3 Pompa Sentrifugal ..…………..………..……. 5
Gambar 1.4 Pompa Aliran Campur Mendatar ..………..…… 6
Gambar 1.5 Pompa Aliran Aksial Mendatar ..…………..…………...……… 7
Gambar 1.6 Pompa Satu Tingkat (Single Stage Pump) ..……… 7
Gambar 1.7 Pompa Bertingkat Banyak (Multi Stage Pumps) ..…………... 8
Gambar 1.8 Pompa Difuser ..…………..………. 10
Gambar 2.1 Penentuan Jenis Pompa ..…………..………...………… 13
Gambar 2.2 Efisiensi Pompa ..…………..………..…. 15
Gambar 3.1 Impeler Radial Dan Impeler Francis ..…………..……...……… 18
Gambar 3.2 Impeler jenis Aliran Campur Dan Propeler ..…………..……… 19
Gambar 3.3 Jenis-Jenis Impeler ..…………..……….. 20
Gambar 3.4 Bentuk Ukuran Impeler ..…………..………...……… 21
Gambar 3.5 Kecepatan Fluida Masuk Pada Mulut Isap ..…………...……… 28
Gambar 3.6 Harga Koefisien Tinggi Tekan Overall, F ..…………..…..…… 31
Gambar 3.7 Segitiga Kecepatan Fluida ..…………..………..……… 36
Gambar 3.8 Segitiga Kecepatan Masuk Fluida ..…………..………...……… 37
Gambar 3.9 Segitiga Kecepatan Keluar Fluida ..…………..………...……… 43
Gambar 4.1 Metode Arkus Tangen ..…………..……….……… 46
Gambar 5.1 Rumah Pompa ..…………..………. 54
Gambar 5.2 Penampang Rumah Volut ..…………..………...……… 60
Gambar 6.1 Jarak Pembebanan Poros ..…………..……….……… 66
Gambar 6.2 Diagram Momen Lentur ..…………..………..……… 67
Gambar 6.3 Spline ..…………..……….………. 71
Gambar 6.4 Gerigi ..…………..……….………. 71
Gambar 6.5 Macam-Macam Pasak ..…………..……….…… 72
Gambar 6.6 Gaya Geser Pasak ..…………..………...………. 72
Gambar 7.1 Gaya Geser Aksial ..…………..……….……. 77
Gambar 7.2 Mengkompensir Dengan Lubang Pengimbang ..…………...… 81
Gambar 7.3 Mengkompensir Dengan Sudu-Sudu Belakang ..…………....… 81
Gambar 8.1 Kotak Paking ..…………..………..……. 87
Gambar 8.2 Cincin Penahan Keausan ..…………..……….……… 91
Gambar 9.1 Karakteristik Pompa Hubungan Antara Kapasitas Dengan Head ..…………..………. 109
Gambar 9.2 Karakteristik Pompa Hubungan Antara Kapasitas Dengan Daya Dan Efisiensi ..…………..………..………. 116
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Penentuan Jenis Pasak ..…………..……… 25
Tabel 3.2 Penentuan Ukuran Poros ..…………..……….… 26
Tabel 4.1 Jari – Jari Kelengkungan Busur ..…………..………..…… 47
Tabel 4.2 Tebal Kelengkungan Sudu ..…………..……….………. 49
Tabel 4.3 Lebar Laluan ..…………..………...… 50
Tabel 5.1 Hasil Perhitungan Rumah Keong ..…………..………...…… 57
Tabel 6.1 Panjang Tiap Bagian Sudu ..…………..……….…. 65
Tabel 9.1 Hubungan Antara Kapasitas Dengan Head ..…………..………… 109
DAFTAR LAMPIRAN
Tabel 4.4 Pemilihan Bahan Impeler Dan Rumah Pompa ..…………..…..…. 126 Gambar 6.1 Koefisien Eksperimental ..………..………. 126 Tabel 7.1 Bantalan Bola Alur Dalam ..…………..……….…. 127 Tabel 7.2 Faktor-faktor V, X, Y dan X0 , Y0 ..…………..………. 127
Tabel 8.1 Ukuran Baut Dan Mur Rumah Pompa ..…………..…………..…. 128 Tabel 8.2 Tegangan Kontak Ijin (qa) ..…………..……….…. 130
ARTI LAMBANG DAN SINGKATAN
Lambang Keterangan Satuan
Q Kapasitas Pompa m3/s
H Head Pompa m
n Putaran Motor rpm
ns Kecepatan Spesifik rpm
Pv Daya Kuda Air watt
? Kerapatan Air kg/m3
g Kecepatan Gravitasi m/s2
P Daya Motor kW
D1 Diameter Sisi Masuk Impeler mm
D2 Diameter Sisi Keluar Impeler mm
Dh Diameter Hub mm
b1 Lebar Sisi Masuk mm
b2 Lebar Sisi Keluar mm
ds Diameter Poros mm
T Momen Puntir kg.mm
Pd Daya R encana kW
fc Faktor Koreksi -
Tegangan Geser Poros kg/mm2
D0 Diameter Mata Impeler mm
Qtz Kapasitas Total m3/s
c0 Kecepatan Masuk Fluida m/s
Vr1 Kecepatan Radial Sisi Masuk m/s
Faktor Kontraksi -
Koefisien Harga Overall -
Vr2 Kecepatan Radia l Sisi Keluar m/s
u1 Kecepatan Keliling m/s
Sudut Sisi Masuk Sudu °
Sudut Sisi Keluar Sudu °
z Jumlah Sudu -
Sudut Sudu Rata -Rata °
C Kecepatan Absolut Fluida m/s
W Kecepatan Relatif Fluida m/s
Jari-Jari Kelengkungan Sudu mm
t Tebal Sudu mm
r3 Jari-Jari Lidah Casing mm
τ
1
ε φ
1 β
m
β
ρ
b3 Lebar Celah Volut mm
Fr Gaya Radial Impeler kg
Kr Koefisien Eksperimental -
L Panjang Sudu mm
Defleksi Puntiran °
G Modulus Kekakuan kg/mm2
l Panjang Poros Total mm
y Kekakuan Poros Terhadap Lenturan -
l1 Jarak T itik Pembebanan Terhadap Bantalan A mm l2 Jarak Titik Pembebanan Terhadap Bantalan B mm
W Berat kg
Nc Putaran K ritis rpm
Sfk Faktor Keamanan -
t1 Kedalaman Alur Pasak -
t2 Kedalaman Alur Pasak Pada Naf -
Tka Tegangan Geser Yang Diijinkan Untuk Pasak kg/mm2 Pa Tekanan Permukaan Yang Diijinkan Untuk
Pasak kg/mm
2
Lk Panjang Pasak Aktif mm
b Lebar Pasak mm
h Tebal Pasak mm
PT Tekanan Fluida Diluar Impeler kg/m2
P0 Tekanan Fluida Didepan Impeler kg/m2
d Diameter Dalam Bantalan mm
D Diameter Luar Bantalan mm
B Lebar Bantalan mm
r Radius Bantalan mm
C Kapasitas Dinamis Spesifik kg
Co Kapasitas Statis Spesifik kg
Pr Beban Ekuivalen Dinamis Radial kg
P Beban Ekuivalen Dinamis Aksial kg
fn Faktor Kecepatan -
fh Faktor Umur Bantalan -
Lh Umur Nominal jam
a1 Faktor Keandalan -
a2 Faktor Bantalan Dengan Melihat Jenis Bahan - a3 Faktor Bantalan Dengan Kondisi Kerja Normal -
Ln Keandalan Umur jam
s Tebal Paking mm
h Panjang Paking mm
h1 Jarak Antara Penekan Paking mm
A Diameter Luar Koplin g mm
B Diameter Pusat Baut mm
C Diameter Naf mm
a Diameter Baut mm
n Jumlah Baut -
Hε Head Euler ’s m
Ht Head Teoritis m
∞
η Koefisien Sirkulasi Aliran -
Hact Head Aktual m
Hh kerugian Hidrolis m
HFD Kerugian Gesekan m
Hs Kerugian Kejut Dan Turbulensi m
b.hp Daya Kuda Rem hp
f.hp Daya Kuda Fluida hp
hp.l Daya Kuda Untuk Mengatasi Kebocoran hp
hp.DF Daya Kuda Untuk mengatasi Gesekan Cakera hp hp.DY Daya Kuda Untuk Mengatasi Rugi-Rugi
Hidrolik hp
hp.M
Daya Kuda Untuk Mengatasi Rugi-Rugi
Mekanis hp
hsv NPSH Yang Tersedia m
pa Tekanan Atmosfir kgf/m2
pv Tekanan Uap Jenuh kgf/m2
hls Kerugian Head Dalam Saluran Isap m
HsvN NPSH Yang Diperlukan m
σ Koefisien Kavitasi Thoma -
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Tinjauan Umum
Pompa merupakan suatu alat yang digunakan untuk memindahkan fluida dari suatu tempat ke tempat lain. Pada dasarnya suatu fluida cair dapat mengalir dari tekanan tinggi ke tekanan yang lebih rendah secara alami.
Pada keadaan tertentu diperlukan pemindahan suatu fluida dari tempat yang lebih rendah ke tempat yang lebih tinggi. Untuk dapat memindahkan fluida tersebut diperlukan sebuah pompa yang berfungsi untuk membangkitkan gaya tekan. Gaya tekan yang dihasilkan dari pompa tersebut akan mengatasi hambatan yang dialami oleh fluida pada saat pemindahan berlangsung, sehingga fluida dapat mengalir karena adanya perbedaan tekanan tersebut.
1.2 Klasifikasi Pompa
Berdasarkan cara pe mbangkitan tekanannya, pompa dapat dibedakan menjadi dua bagian besar, yaitu :
a. Pompa Dinamis (Dynamic Pump)
Jenis pompa yang termasuk jenis ini yaitu : ♦ Pompa sentrifugal (centrifugal pump s) ♦ Pompa aliran aksial (axial pumps) ♦ Pompa aliran campur (mixed pumps)
b. Pompa Perpindahan Positif (Positive Displacememnt Pump)
Getaran rotor atau piston akan mengakibatkan tekanan hampa (vaccum pressure) pada bagian hisap (suction) dan tekanan positif (positive pressure) pada bagian tekan (discharge) dengan bagian fluida dapat dialirkan. Jenis pompa yang termasuk jenis ini yaitu :
Pumps
Dynamic
Centrifugal
Axial Flow
Mixed Flow Radial Flow
Peripheral
Special Effect
Displacement
Closed Impeler
Single Stage Fixed Pitch Open impeler
Variabel Pitch
Multiple Stage
Self Priming
Single Sunction Non Priming Open Impeler Single Stage Semi Open Impeler Double Suction Multi Stage Closed Impeler
Single Stage Self Priming
Multiple Stage Non Priming
Jet ( Inductor ) Gas Lift Hidraulic Ram
Pumps
Displacement
Reciprocating
Piston, Plunger
Diaphragma
Rotary
Single Rotor
Multiple Rotor
Dynamic
Simplex Steam
Double Acting Duplex Simplex
Single Acting Duplex Power
Double Acting Triplex
Multiplex
Simplex Fluid Operated
Multiplex Mechanically Operated
Vane
Piston
Flexible Member
Screw
Peristaltic
Gear
Lobe
Circumferential Piston
Screw
Menurut konstruksinya pompa dapat dibedakan menjadi beberapa jenis, diantaranya yaitu :
1. Klasifikasi menurut jenisnya a. Pompa sentrifugal
Pompa sentrifugal mempunyai konstruksi sedemikian rupa sehingga zat cair yang keluar dari impeler akan melalui bidang yang tegak lurus dari pompa. Impeler dipasang pada satu ujung poros dan pada ujung yang lain dipasang kopling untuk meneruskan daya dari penggerak. Poros ditumpu oleh dua bantalan, sebuah perapat poros ( paking ) dipasang pada bagian rumah yang diimbus poros. Selain paking dapat juga digunakan perapat mekanis. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar 1.3.
b. Pompa aliran campur
Seperti diperlihatkan pada Gambar 1.4 secara diagramatik, aliran yang meninggalkan impeler akan bergerak sepanjang permukaan kerucut didalam pompa aliran campur ini.
Gambar 1.4 Pompa Aliran Campur Mendatar ( Sumber : Sularso, 1997, hal 76 )
Pada salah satu ujung porosnya dipasang impeler, ditumpu oleh bantalan dalam. Pada ujung yang lain dipasang kopling dengan sebuah bantalan luar. Bantalan luar terdiri dari sebuah bantalan aksial dan sebuah bantalan radial, yang pada umumnya berupa bantalan gelinding. Untuk bantalan dalam dipakai jenis bantalan kerucut yang dilumasi gemuk.
c. Pompa aliran aksial
ini mirip dengan pompa aliran campur, kecuali bentuk impeler dan difuser keluarnya. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 1.5.
Gambar 1.5 Pompa Aliran Aksial Mendatar ( Sumber : Sularso, 1997, hal 76 )
2. Klasifikasi pompa menurut jumlah tingkat a. Pompa satu tingkat (single stage pumps)
Pompa jenis ini mempunyai satu impeler dan head total yang dihasilkan dari impeler relatif rendah.
b. Pompa bertingkat banyak (multi stage pumps)
Pompa ini menggunakan beberapa impeler dalam satu poros yang dipasang berderet. Zat cair yang dialirkan keluar dari impeler yang satu masuk ke impeler terakhir dan keluar melalui lubang buang.
Gamb ar. 1.7 Pompa bertingkat banyak (multi stage pumps) ( Sumber : Fritz Dietzel, 1993, hal 246 )
3. Klasifikasi menurut jenis impeler a. Impeler terbuka
Impeler jenis ini tidak ada dindingnya didepan maupun dibelakang. Bagian belakangnya ada sedikit dinding yang disisakan untuk memperkuat sudu. Jenis sudu seperti ini digunakan untuk pemompaan zat cair yang sangat banyak mengandung kotoran.
b. Impeler setengah terbuka
c. Impeler tertutup
Sudu-sudu ditutup oleh kedua dinding yang merupakan suatu kesatuan. Sudu jenis ini banyak digunakan untuk pemompaan zat cair yang bersih.
4. Klasifikasi menurut sisi masuk impeler a. Pompa hisapan tunggal (single suction pumps)
Pompa ini memiliki satu sisi masuk (suction) untuk mengalirkan zat cair. Konstruksi semacam ini bentuknya sederhana dan paling banyak digunakan.
b. Pompa hisapan ganda (double suction pumps)
Pompa ini memiliki dua sisi masuk untuk mengalirkan zat cair. Impeler pada pompa ini pada dasarnya sama dengan dua buah impeler pompa his apan tunggal yang dipasang bertolak belakang, serta dipasang sebagai pompa yang memiliki dua buah impeler secara sejajar (pararel)
5. Klasifikasi menurut bentuk rumah a. Pompa Volut
b. Pompa diffuser
Seperti diperlihatkan pada Gambar 1.8 pompa ini merupakan pompa sentrifugal yang dilengkapi dengan sudu diffuser disekeliling impeler. Sudu diffuser berfungsi untuk memperbaiki efisiensi pompa dan memperkokoh rumah.
Gambar 1.8 Pompa Difuser ( Sumber : Sularso, 1997, hal 78 )
c. Pompa aliran campur
Pompa ini mempunyai impeler jenis aliran campur dan sebuah rumah volut. Untuk mengalirkan zat cair digunakan saluran yang lebar sehingga pompa tidak mudah tersumbat apabila ada benda asing yang ikut masuk ke dalam pompa.
6. Klasifikasi menurut tinggi tekan (head) a. Pompa dengan Head rendah
b. Pompa dengan Head menengah
Head yang ada biasanya mencapai 40 m, biasanya digunakan ring diffuser
c. Pompa dengan Head tinggi
Head pompa dapat mencapai 40 m lebih, biasanya digunakan multi stage
1.3 Tujuan Perancangan
Dari data perancangan yang ada dilapangan diharapkan pada perancangan pompa ini dapat diperoleh hasil yang lebih baik dari pompa yang telah ada dimasa mendatang.
1.4 Batasan Masalah
Mengingat banyaknya persoalan dan permasalahan dalam sebuah perancangan pompa, maka dalam pembahasan ini lebih ditekankan pada masalah segi kekuatan bahan, ukuran masing-masing elemen serta jenis standar yang dipergunakan.
BAB II
PERANCANGAN POMPA
2.1 Perancangan Pompa
Dari head dan kapasitas yang diperoleh dari survey di lapangan Penulis dapat menentukan jenis pompa yang akan dirancang. Adapun data-data yang diperoleh dari usaha cuci mobil di daerah Subah Pekalongan adalah sebagai berikut :
Tipe Mesin = 12WZ – 125A (Yamakoyo Co. Ltd.) Kapasitas Pompa (Q) = 175 L/menit
= 0,003 m3/s = 10,5 m3/jam = 47,727 gpm (AS)
Head Pompa (H) = 10 m = 32,81 ft
Putaran Pompa (n) = 1450 rpm
Pompa direncanakan akan digunakan untuk pompa cuci mobil.
2.2 Penentuan Jenis Pompa
Gambar 2.1 Penentuan Jenis Pompa (Sumber : Austin H Church, 1990, hal 56)
Sesuai dengan gambar diatas, maka pompa yang akan digunakan dalam perancangan ini adalah pompa jenis radial (pompa sentrifugal).
2.3 Penentuan Jumlah Tingkat Pompa
Dalam menentukan jumlah tingkat yang akan digunakan dalam perancangan suatu pompa radial dapat ditunjukkan dari harga kecepatan spesifik
(ns). Apabila harga ns kurang dari 10 maka pompa harus dibuat bertingkat banyak
(lebih dari satu), karena apabila tidak demikian akan menyebabkan efisiensi pompa akan berkurang (Sumber : Frietz Dietzel, 1993, hal 262).
2.3.1 Kecepatan Spesifik
memberikan kapasitas teruji (rating) sebesar 1 gpm pada tinggi tekan sebesar 1 ft (Sumber : Austin H Church, 1990, hal 48)
Kecepatan spesifik dapat diperoleh dari persamaan 2.1 (Austin, 1990, hal 49) :
ns = 34 H
Q n
……….... (2.1)
Dengan :
ns= kecepatan spesifik (rpm) n = putaran pompa (rpm) Q = kapasitas pompa (m3/s) H = head pompa (m) Maka kecepatan spesifiknya :
ns = 34
10 0,003 1450
= 14,12 rpm
Perhitungan diatas telah memenuhi syarat yaitu kecepatan spesifiknya lebih dari 10, dari gambar 2.2 dapat diperoleh harga efisiensi pompa ?e = 51 %.
Gambar 2.2 Efisiensi Pompa (?n)
(Sumber : Karassik, 1976, hal 213)
2.4 Perhitungan Daya Pompa
Daya pompa merupakan daya yang berasal dari pompa yang dapat dipindahkan dan digunakan fluida. Tinggi kenaikan pompa mempunyai pengaruh terhadap besarnya ukuran pompa dan mesin penggeraknya, sehingga daya pemompaan harus diberikan kepada sebuah pompa yang akan beroperasi.
Besarnya daya pompa dapat dhitung dengan menggunakan persamaan 2.2 (Frietz Dietzel, 1993, hal 258) :
Pv = ? x g x H x Q ……….... (2.2)
Dengan :
Pv = Daya kuda air ( Watt )
? = Kerapatan air ( 1000 kg/m3 ) g = Kecepatan gravitasi ( 9,81 m/s2 ) H = Head pompa (m)
Sehingga :
Pv = 1000 x 9,81 x 10 x 0,003
= 294,3 Watt
Untuk menggerakkan pompa dengan daya Pv maka dibutuhkan daya motor
penggerak yang lebih besar dari daya pemompaan tersebut.
Besarnya daya motor dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan 2.3 (Frietz Dietzel, 1993, hal 243) :
P =
c v
P
η (Watt ) ……….... 2.3
=
51 , 0
3 , 294
= 577,058 Watt = 0,577 Kw
BAB III
PERANCANGAN IMPELER
3.1 Tinjauan Umum
Impeler merupakan bagian pompa yang berputar dengan sambungan pada poros. Di dalam impeler, fluida mendapat percepatan sedemikian rupa sehingga fluida tersebut mempunyai kecepatan mengalir keluar melalui sudu-sudu impeler. Dan hal tersebut menyebabkan zat cair mengalir dari saluran isap (suction) kemudian keluar melalui saluran tekan (discharge).
Salah satu pemakaian kecepatan spesifik adalah untuk menentukan klasifikasi berbagai jenis impeler pompa. Masing-masing impeler memiliki daerah kecepatan spesifik sehingga impeler dapat beroperasi secara baik.
Jenis-jenis impeler yang di klasifikasikan menurut kecepatan spesifik pada impeler adalah sebagai berikut :
a. Impeler radial
Impeler jenis ini merupakan impeler jenis konvensional dan secara praktis dipakai pada semua pompa bertingkat banyak. Daerah kecepatan antara 500 rpm sampai dengan 3000 rpm. Perbandingan diameter buang (inlet eye diameter) adalah 2.
b. Impeler jenis francis
Impeler ini digunakan untuk tinggi tekan yang lebih rendah, serta dengan pembuangan radial dan isapan aksial. Perbandingan diameter buang dengan diameter mata sisi masuk lebih kecil daripada jenis radial. Daerah kecepatan spesifik antara 1500 rpm sampai dengan 4500 rpm. Sudut sudu sisi masuk berkurang (mengecil) sesuai dengan jari-jari untuk menjamin agar fluida dapat masuk secara mulus.
Gambar 3.1 Impeler Radial dan Impeler Francis ( Sumber : Austin, 1990, hal 82 )
c. Impeler jenis aliran campur
Tinggi tekan yang dihasilkan oleh impeler jenis ini sebagian disebabkan oleh gaya sentrifugal dan sebagian disebabkan oleh tekanan impeler.
d. Impeler jenis propeler
Tinggi tekan yang dihasilkan oleh impeler jenis ini disebabkan oleh tekanan sudu-sudu dan aliran keseluruhan arahnya aksial. Daerah kecepatan spesifik pada impeler ini paling tinggi yaitu diatas 8000 rpm. Impeler ini digunakan untuk tinggi tekan rendah (3 ft sampai dengan 40 ft) putaran rendah ( 200 rpm sampai dengan 1800 rpm ) dan kapasitas besar.
Gambar 3.2 Impeler Jenis Aliran Campur dan Propeler ( Sumber : Austin, 1990, hal 84 )
Gambar 3.3 Jenis-Jenis Impeler ( Sumber : H icks, 1996, hal 19 )
Gambar A merupakan jenis impeler terbuka yang mempunyai baling-baling yang dipasang pada pusat poros dengan dinding yang relatif kecil. Gambar B merupakan jenis impeler semi terbuka yang mempunyai selubung atau dinding hanya pada satu sisi saja.
Dalam perancangan ini jenis impeler yang digunakan adalah jenis tertutup karena fluida yang dipompakan adalah air bersih.
3.2 Perhitungan Ukuran Utama Impeler
Pada perancangan impeler ada bagian-bagian yang harus dihitung agar ukuran impeler proporsional. Bentuk ukuran impeler dapat dilihat seperti pada gambar 3.4
Gambar 3.4 Bentuk Ukuran Impeler ( Sumber : Fritz Dietzel, 1993, hal 260 )
Keterangan :
D1 = diameter sisi masuk impeler
Dh = diameter hub
b1 = lebar sisi masuk
b2 = lebar sisi keluar
3.2.1 Perhitungan Diameter Poros
Diameter poros dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 3.1 (Sularso, 2002, hal 8) sebagai berikut :
ds =
(
)
3 1 2 1 , 5 × T x Cb Kt a
τ ……… (3.1)
Faktor koreksi untuk momen puntir Kt yang dianjurkan ASME dipilih
sebesar 2,0 , dengan anggapan bahwa beban dikenakan dengan kejutan atau tumbukan besar. Faktor koreksi beban lentur Cb dipilih sebesar 1,0 , dengan
anggapan bahwa tidak akan terjadi pembebanan lentur.
Momen puntir yang diterima oleh poros dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 3.2 (Sularso, 2002, hal 8):
T = 9,74 × 105 ×
n Pd
……… (3.2)
Untuk perhitungan daya rencana (Pd) digunakan persamaan 3.3 (Sularso, 2002, hal 7) :
d
Dengan :
Faktor koreksi ( fc ) = 1,1
Daya motor = 0,746 Kw Sehingga :
Pd = 1,1 ×0,746
= 0,821 kW Telah diketahui bahwa :
Daya motor rencana (Pd) = 0,821 Kw
Putaran motor (n) = 1450 rpm Sehingga besar momen puntir adalah :
T = 9,74 × 105 ×
1450 821 , 0
= 551,486 kg.mm
Diambil bahan poros S45C-D dengan kekuatan tarik bahan adalah σB = 60 (kg/mm2).
Perhitungan tegangan geser poros yang diizinkan diperoleh dari persamaan 3.4 (Sularso, 2002, hal 8) :
τa =
2 1 Sf Sf
B
×
σ ………. (3.4)
Untuk menghindari beban berlebih maka diperlukan suatu faktor keamanan, yang dalam perancangan ini dipilih faktor keamanan (Sf1 ) sebesar 6,0.
Pengaruh kekasaran permukaan harus cukup diperhatikan. Untuk memasukkan pengaruh ini dalam perhitungan perlu diambil faktor yang dinyatakan dengan Sf2 = 2.
Sehingga : sa τ = ) 0 , 2 0 , 6 ( 60 ×
= 5 kg/mm2
Tegangan geser yang diijinkan untuk pemakaian umum yaitu sebesar 5 kg/mm2. Maka:
ds=
3 1 1 , 5 × × ×Kt Cb T
a τ = 3 1 551,486 1 2 5 1 , 5 × × ×
= 10,41 mm
Tabel 3.1 Penentuan Jenis Pasak (Sumber : Sularso, 2002, hal 18)
Diambil pasak dengan ukuran 5 x 5 Kedalaman alur pasak (t1) = 3
Maka diameter poros menjadi : Ds = Ds hitungan + (t1 x 2)
= 10,741 + (3 x 2) = 16,41 mm
Tabel 3.2 Penentuan Ukuran Poros (Sumber : Sularso, 2002, hal 18)
3.2 .2 Diameter Hub
Diameter hub dapat ditentukan apabila diameter poros impeler telah ditentukan. Untuk diameter hub besarnya adalah 1,2 sampai dengan 1,4 kali lebih besar daripada diameter poros impeler. (Sumber : Fritz Dietzel, 1993, hal 260)
Adapun dalam perancangan ini besar diameter hub diambil 1,4 lebih besar dari diameter poros, sehingga :
Dh = 1,4 x DS
= 28 mm = 28 x 10-3 m
3.2.3 Diameter Mata Impeler
Diameter mata impeler dapat dicari dengan menggunakan persamaan 3.5 (Fritz Dietzel, 1993, hal 261) yang diperoleh dari persamaan kontinuitas :
D0 = 2
0 4
H
tz D
c x
Q x
+
π ………. (3.5)
Kerugian akibat kebocoran biasanya berkisar antara 3 sampai 5 % dari harga kapasitas pompa Q. Sehingga kapasitas total pompa harus lebih besar daripada kapasitas yang telah ditentukan. (Sumber : Fritz Dietzel, 1993, hal 260) Maka kapasitas total :
Qtz = 0,003 x ( 100 + kebocoran ) %
= 0,003 x ( 100 + 5 )% = 0,00315 m3/s
= 0,1135 ft3/s
Kecepatan fluida masuk c0 besarnya harus tertentu dan tidak melebihi
harga yang sudah ditentukan agar tidak timbul bahaya kavitasi.
Dari gambar 3.5 diperoleh besar kecepatan masuk c0 = 1,22 m/s (˜ 4 ft/s).
Gambar 3.5 Kecepatan Fluida Masuk Pada Mulut Isap (Sumber : Fritz Dietzel, 1993, hal 261)
Sehingga :
D0 = 2
0 4 H tz D c x Q x + π
= 3 2
) 10 28 ( 22 , 1 00315 , 0 4 − + x x x π
= 0,0638 m = 63,8 mm
Dari harga kecepatan fluida masuk (c0) diatas dapat ditentukan diameter
pipa flens, yaitu : Q = V x A
A = Q / V
= 0,003 / 1,22 = 2,46 x 10-3 m2 ¼ p d2 = 2,46 x 10-3 m2
d= π ) 10 46 , 2 4
( x x −3
= 2,2 inch.
Besar diameter dalam flens disesuaikan dengan yang ada dipasaran, ukuran standar diameter dalam flens yaitu 1 inc; 1,24 inc; 1,5 inc; 2,5 inc; 2,5 inc; 3 inc; 4 inc; 5 inc; 6 inc; 8 inc; 10 inc; 12 inc; 14 inc; 16 inc; 18 inc; 20 inc; 30 inc; dan 36 inc. (Sumber : Austin H Church, 1990, hal 90)
Dalam perancangan ini digunakan diameter dalam flens 2,5 inc.
3.2.4 Diameter Sisi Masuk Impeler
Diameter sisi masuk impeler biasanya dibuat sama dengan diameter mata impeler ( D0 ) agar terjadi aliran yang mulus dan turbulensi yang berlebihan
dapat dihindarkan.
Maka besarnya diameter diameter sisi masuk impeler : D1 = D0
D1 = 0,0638 m
= 63,8 mm
3.2.5 Lebar Impeler Sisi Masuk
Lebar impeler sisi masuk dapat diperoleh dengan persamaan 3.6 (Austin H Church, 1990, hal 94) :
b1 =
1 1
1 ε
π r
tz
V D
Q
………. (3.6)
Dengan :
D1 = diameter sisi masuk impeler (m) Vr1 = kecepatan radial sisi masuk (m/s)
Faktor kontraksi e1 biasanya berkisar antara 0,8 sampai dengan 0,9,
dalam perancangan ini diambil harga faktor kontraksi e1 = 0,8. (Sumber : Austin H
Church, 1990, hal 93)
Harga Vr1 biasanya berkisar antara 1,05 sampai 1,1 lebih besar daripada
kecepatan fluida masuk c0, hal ini disebabkan adanya penyempitan oleh sisi sudu
bagian masuk. (Sumber : Austin H Church, 1990, hal 95)
Diambil Vr1 lebih besar 1,1 daripada kecepatan fluida masuk c0, maka
kecepatan radial sisi masuk adalah : Vr1 = 1,1 x 1,22 m/s
= 1,342 m/s
Sehingga lebar sisi masuk impeler adalah :
b1 =
1 1
1 ε
π r
tz
V D
Q
=
8 , 0 342 , 1 0638 , 0
00315 , 0
x x x
π
3.2.6 Diameter Sisi Keluar Impeler
Diameter sisi keluar impeler dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan 3.7 (Austin, 1990, hal 94) :
n H x x
D2 =1840 Φ ….………. (3.7)
Dengan :
F = koefisien harga tekan overall H = tinggi tekanan pompa (ft) n = putaran poros penggerak (rpm )
Harga koefisien tinggi tekan overall F antara 0,9 sampai dengan 1,2 dengan harga rata-rata mendekati satu. Harga ini dapat dilihat dalam gambar 3.6.
Gambar 3.6 Harga koefisien tinggi tekan overall F (Sumber : Austin, 1990, hal 97)
Sehin gga diameter sisi keluar impeler D2 adalah : 1450 32,81 9 , 0 1840 2 x x D =
= 6,54 inch = 166,116 mm.
3.2.7 Lebar Sisi Keluar Impeler
Lebar impeler sisi keluar dapat diperoleh dengan persamaan 3.8 (Austin, 1990, hal 98) :
b2 =
2 2 2 ε π r tz V D Q
….………. (3.8)
Harga kecepatan radial Vr2 keluar dibuat sama dengan kecepatan masuk
radial Vr1 atau lebih kecil kira-kira 15% daripada Vr1, hal ini bertujuan untuk
menghindari perubahan kecepatan yang mendadak. Sedangkan faktor kontraksi sisi keluar impeler ε2 harganya antara 0,9 sampai dengan 0,95. (Sumber : Austin, 1990, hal 98) :
Dalam perancangan ini diambil :
Faktor kontraksi sisi keluar impeler ε2= 0,9 Kecepatan radial Vr2 = Vr1 - (15% x Vr1)
= 1,342 - (0,15 x 1,342) = 1,141 m/s
Sehingga lebar sisi keluar impeler adalah :
b2 =
9 , 0 141 , 1 1661 , 0 00315 , 0 x x x π
3.3 Penentuan Jumlah Sudu
Sebelum menentukan jumlah sudu terlebih dahulu harus dihitung kecepatan keliling pada sisi masuk impeler yang dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan 3.9 (Austin, 1990, hal 98) :
1000 60
1 1
x n x D x
u =π ….………. (3.9)
Dengan :
D1 = Jari-jari sisi masuk impeler (mm) n = Putaran poros impeler ( rpm ) Telah diperoleh bahwa :
Diameter sisi masuk impeler ( D1 ) = 63,8 mm
Putaran poros impeler ( n ) = 1450 rpm
Maka kecepatan keliling pada sisi masuk impeler adalah :
1000 60
1450 8 , 3 6
1
x x x u =π
= 4,841 m/s
Kecepatan aliran radial pada sisi masuk impeler : Vr1 = 1,342 m/s
Antara kecepatan keliling sisi masuk impeler u1 dengan kecepatan radial sisi
masuk impeler membentuk sudut. Besarnya sudut yang dibentuk adalah :
tan ß1 = 1 1
=
841 , 4
342 , 1
= 0,277
1
β = 15,49°
Untuk mengimbangi kontraksi pada saat ujung-ujung sudu, harga tan ß1 dapat
diperbesar. Batasan harga ß1 antara 10 º sampai dengan 25 º. (Sumber : Austin,
1990, hal 94)
Maka diambil harga ß1 = 16°
Pada saat keluar impeler, sudut suatu sisi keluar impeler dapat ditentukan dengan batasan yang cukup besar dan dibuat lebih besar daripada sudut sisi masuk impeler. Hal ini bertujuan agar mendapatkan laluan yang mulus dan kontinu. Harga sudut sudu sisi keluar biasanya antara 15 º sampai dengan 40 º. (Sumber : Austin, 1990, hal 94)
Dalam perancangan ini diambil harga sudut pada sisi keluar impeler ß2 = 21 º.
Untuk menentukan jumlah sudu pada impeler tersebut dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan 3.10 (Austin, 1990, hal.105) :
m
D D
D D
z 6,5 sinβ
1 2
1 2
− +
= ………. (3.10)
Dengan :
D2 = diameter sisi keluar impeler ( mm )
D1 = diameter sisi masuk impeler ( mm )
Besarnya sudu rata-rata ßm adalah :
2 2 1 β
β βm = +
= 2
21 16+
= 18,5 º
Jumlah sudu pada impeler tersebut adalah : °
− +
= sin18,5
8 , 63 116 , 166
8 , 63 116 , 166 5 , 6 z
63 , 4 = z
= 5 buah.
Jumlah sudu pada impeler memiliki batasan, yaitu antara 5 sampai dengan 12 buah. Jadi sudu pada perancangan ini telah memenuhi persyaratan.
3.4. Segitiga Kecepatan ( Triangle Velocity )
Gambar 3.7 Segitiga Kecepatan Fluida (Sumber : Karassik , 1976, hal 2.14)
Keterangan :
C = kecepa tan absolut fluida (m/s) U = kecepatan keliling (m/s) W = kecepatan relatif fluida (m/s)
ß = sudut antara kecepatan relatif W dengan kecepatan keliling U ( º ) a = sudut antara kecepatan absolut C dengan kecepatan keliling V ( º )
Untuk menggambarkan segitiga kecepatan pada impeler dibagi menjadi dua bagian, yaitu :
3.4.1. Segitiga Kecepatan Pada Sisi Masuk Impeler
Dalam penggambaran segitiga kecepatan pada sisi masuk impeler, fluida yang masuk ke sudu-sudu impeler secara radial sehingga sudu masuk absolute a1= 90 º.
Telah diketahui bahwa :
Kecepatan keliling (u1) = 4,841 m/s
= 16,137 ft/s Sudut sudu sisi masuk (ß1) = 16°
Kecepatan radial sisi masuk impeler (Vr1) = 1,342 m/s
= 4,41 ft/s
Dari data diatas dapat digambarkan segitiga kecepatan pada sisi masuk impeler seperti pada gambar 3.8.
w1= 5,04 m/s
Vr1=1,342 m/s
ß1 =16°
u1= 4,841 m/s
Gambar 3.8 Segitiga Kecepatan Masuk Fluida
Dengan menggunakan rumus trigonometri maka dapat dicari harga kecepatan relatif pada sisi masuk impeler, yaitu :
1 1 1
cosβ u w =
° =
16 cos
841 , 4
1
= 5,04 m/s
3.4.2. Segitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar Impeler Telah diperoleh dari perhitungan sebelumnya :
Kecepatan radial s isi keluar impeler (Vr2 ) = 1,141 m/s
Sudut pada sisi keluar impeler ( ß2 ) = 21º
Maka kecepatan keliling sisi keluar impeler dapat dicari dengan menggunakan persamaan 3.11 (Fritz Dietzel, 1993, hal 250) :
1000 60
2 2
x n D
u = π ………. (3.11)
Dengan :
D2 = diameter sisi keluar impeler ( mm)
n = putaran motor (rpm) Sehingga :
1000 60
2 2
x n D
u = π
=
1000 60
1450 116 , 166
x x x
π
= 12,61 m/s
Harga faktor slip ( slid ring ) µ dapat dicari dengan menggunakan rumus stodola (Karassik, 1976, hal. 2.10) , yaitu :
z
2
sin
1 π β
Dengan :
z = jumlah sudu pada impeler Sehingga harga slid ring µ adalah :
µ =
5 21 sin
1− π °
= 0,775
Harga efisiensi hidrolis
?
Hdapat dicari dengan menggunakan persamaan3.14 (Karassik, 1976, hal. 2.10), yaitu :
25 , 0 071 , 0 1 tz H Q − =
η ………. (3.13)
Dengan :
Q = kapasitas total pompa (m3/s)
Telah diketahui bahwa kapasitas teoritis pompa Qtz sebesar 0,00315 m3/s,
maka harga efisiensi hidrolis
?
H adalah :?
H =25 , 0 00315 , 0 071 , 0 1− = 0,70
Kecepatan meridian pada sisi keluar impeler dapat dicari dengan persamaan 3.14 (Fritz Dietzel, 1993, hal 256) :
Cm2=
2 2 x xb
D Qtz
π ……….………. (3.14)
= 3 3 10 88 , 5 10 116 , 166 00315 , 0 −
− x x
x π
Kecepatan keliling pada sisi keluar impeler tanpa adanya faktor slip (kecepatan keliling teoritis) diperoleh dengan menggunakan persamaan 3.15 (Karassik, 1976, hal. 2.10), yaitu :
Cu2 = u2 – Cm2 cot ß2 ………. (3.15)
Maka harga kecepatan keliling teoritis adalah : Cu2 = 12,61 – 1,027 cot 21°
= 9,935 m/s = 33,12 ft/s
Kecepatan keliling absolut pada sisi keluar impeler yang sebenarnya dipengaruhi oleh adanya faktor slip, maka besarnya kecepatan keliling absolut yang sebenarnya diperoleh dengan menggunakan persamaan 3.16 (Karassik, 1976, hal. 2.10), yaitu :
C’u2 = µ x Cu2 ………. (3.16)
Maka besarnya kecepatan keliling absolut yang sebenarnya adalah : C’u2 = 0,775 x 9,935
= 7,699 m/s =25,665 ft/s Sudut keluar absolut teoritis :
tan a2 = 2 2
u m
C C
= 935 , 9
027 , 1
Sudut keluar absolut yang sebenarnya :
tan a ’2 = 2 2 'u m C C = 699 , 7 027 , 1
a ’2 = 7,598°
Kecepatan keluar fluida teoritis :
(
2)
2 2
2 Cu Cm
C = +
=
(
9,9352+1,0272)
= 9,988 m/s = 33,293 ft/s
Kecepatan keluar fluida yang sebenar nya:
(
2)
2 2 2
2 '
' Cu Cm
C = +
=
(
2 2)
027 , 1 699 , 7 += 7,767 m/s = 25,89 ft/s
Kecepatan relatif aliran fluida teoritis :
(
)
(
2)
2 2 2 2
2 C u C
w = m −
=
(
1,0272x(
12,61−9,988)
2)
Kecepatan relatif aliran fluida sebenarnya :
(
)
(
2)
2 2 2 2
2 '
' C u C
w = m −
=
(
1,0272x(
12,61−7,767)
2)
= 4,974 m/s = 16,579 ft/s
Sudut terbentuk antara kecepatan relatif w’2dengan kecepatan keliling u2:
' ' sin
2 2 2
w Cm = β
= 974 , 4
027 , 1
ß2’ = 11,916°
Dari hasil perhitungan dapat digambarkan segitiga kecepatan pada sisi keluar impeler seperti terlihat pada gambar 3.9.
C2’
W2 W’2 C2
ß
a’ ß’ a
Cu2’
Cu2
u2
BAB IV
PERANCANGAN SUDU
4.1. Bentuk Sudu
Sudu pada impeler mempunyai bentuk yang dapat diklasifikasikan berdasarkan sudut keluar ß2, yaitu :
a. Backward Curve Vanes
Pada bentuk sudu seperti ini besar sudut keluar ß2 adalah lebih kecil dari
90º. Sudu tipe ini mempunyai kecepatan absolut paling kecil, namun dapat memberikan distribusi aliran yang merata ke impeler.
Hal ini dapat mengurangi kerugian hidrolis. Bentuk sudu ini memiliki hubungan yang stabil antara tinggi tekan (head) dengan kapasitas yang dihasilkan.
b. Forward Curve Vanes
Bentuk sudu seperti ini melengkung ke depan dengan besar sudut keluar adalah lebih besar dari 90º. Kecepatan absolut pada sudu tipe ini merupakan yang paling tinggi, energi kecepatan diubah menjadi enegi potensial, jalan aliran terlalu pendek, kelengkungan sudu terlalu besar sehingga tidak cocok untuk pompa sentrifugal.
c. Radial Vanes
Bentuk sudu seperti ini memiliki sudut keluar ß2 sama dengan 90º. Sudu
lebih tinggi daripada forward curve vanes. Head total teoritis yang dihasilkan terdiri dari 50% energi potensial.
4.2. Pemilihan Bentuk Sudu
Faktor yang mempengaruhi dalam pemilihan bentuk sudu adalah harga sudut keluar ß2. Besar sudut keluar ß2 dalam perancangan ini telah ditentukan dalam
perhitungan sebelumnya pada bab III, yaitu sebesar 21°.
Maka dapat dipilih bentuk sudu yang sesuai yaitu bentuk sudu tipe Backward Curve Vanes.
4.3. Pelukisan Sudu
Antara ujung sudu sisi masuk dengan ujung sudu sisi ke luar memiliki kecepatan relatif cairan, kecepatan radial, dan kecepatan absolut. Bila kedua ujung-ujung sudu tersebut dapat dilukiskan menjadi sebuah kurva terhadap jari-jari impeler dengan harga diantara kedua ujung-ujung sudu tersebut yang telah diketahui.
Dalam pelukisan sudu terdapat dua metode pelukisan, yaitu metode busur tangen (arkus tangen) dan metode koordinat polar.(Sumber : Austin , 1990, hal 98)
Untuk perancangan sudu ini digunakan metode busur tangen atau metode arkus tangen seperti pada gambar 4.1.
Gambar 4.1 Metode Arkus Tangen (Sumber : Austin H Church, 1990, hal 104)
Jari-jari kelengkungan busur sudu yang berada pada setiap lingkaran dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan 4.1 (Austin, 1990, hal 98 ) :
(
2 2 1 1)
2 1 2 2
cos cos
2 β β
ρ
R R
R R
− −
= ………. (4.1)
Dengan :
R1 = jari-jari masuk impeler (mm)
R2 = jari-jari keluar impeler (mm)
ß1 = sudut sisi masuk impeler (° )
ß2 = sudut sisi keluar impeler (° )
Dari perhitungan sebelumnya telah diperoleh : R1 = 31,9 mm
R2 = 83,058 mm
ß1 = 16 °
ß2 = 21 °
Dengan menggunakan rumus 4.1 dapat dihitung harga jari-jari kelengkungan busur pada setiap lingkaran, hasil perhitungan dapat dilihat pada tabel 4.1.
Tabel 4.1 Jari-Jari Kelengkungan Busur Ling. R
(mm)
R2 ß
( º )
Cos ß R cos ß
Rb cos ß– Ra
cos ß
R22 -R21 ?
(mm)
1 31,9 1017,61 16 0,961 30,656
39,361 B 41,21 1775,07 17 0,956 40,278 9,622 757,462
50,781 C 52,363 2741,905 18 0,951 49,797 9,520 966,833
62,449 D 62,595 3918,109 19 0,946 59,215 9,417 1176,204
75,197 E 72,826 5303,685 20 0,940 68,428 9,213 1385,576
87,504 2 83,058 6898,631 21 0,934 77,541 9,114 1594,947
4.4 Tebal Sudu
Untuk menentukan tebal sudu pada impeler dapat digunakan persamaan 4.2 ( Austin, 1990, hal 106 ) :
ε =
(
)
zD
x 1 1
1 sin
1−ε π β
………..……….. (4.2)
Dengan :
D = diameter lingkaran impeler ( mm ) ε = faktor kontraksi
z = jumlah sudu t = tebal sudu
ß = sudut sudu rata-rata ( º ) Pada sisi masuk telah diketahui :
diameter sisi masuk impeler ( D1 ) = 63,8 mm
faktor kontraksi (ε1) = 0,8 sudut sisi masuk impeler ( ß1) = 16º
Maka tebal sudu pada sisi masuk impeler adalah :
t1 =
(
)
zD
x 1 1
1 sin
1−ε π β
=
(
)
516 sin 8 , 63 8 , 0
1− πx °
= 2,212 mm
Pada sisi keluar telah diketahui :
diameter sisi keluar impeler ( D2 ) = 166,116 mm
jumlah sudu ( z ) = 5
sudut sisi keluar impeler ( ß ) = 21º Maka tebal sudu pada sisi keluar impeler adalah :
t2 =
(
)
zd
x 2 2
2 sin
1−ε π β
=
(
)
521 sin 116 , 166 9
, 0
1− πx °
= 3,739 mm
Dengan menggunakan persamaan 4.2 dapat dihitung tebal sudu pada setiap lingkaran, hasil perhitungan dapat dilihat pada tabel 4.2.
Tabel 4.2 Tebal Kelengkungan Sudu Lingk. D
(mm)
e pd ß
( º )
sin ß z t (mm) 1 63,8 0,8 200,332 16 0,276 5 2,212 B 84,263 0,82 264,586 17 0,292 5 2,785 C 104,726 0,84 328,841 18 0,309 5 3,252 D 125,190 0,86 393,095 19 0,326 5 3,583 E 145,653 0,88 457,349 20 0,342 5 3,754 2 166,116 0,9 521,604 21 0,358 5 3,739
4.5 Lebar Laluan
Rumus yang digunakan untuk menentukan lebar laluan yaitu :
b =
ε
π r
tz
V D
Q
Dengan :
D = diameter laluan (m)
C = kecepatan aliran radial (m/s)
Hasil perhitungan lebar laluan dapat dilihat pada Tabel 4.3 Tabel 4.3 Lebar Laluan Lingk. D
(m)
e pD Vr Qtz
(m3/s)
b (m)
b (mm) 1 0,0638 0,8 200,332 1,342 0,00315 0,01465 14,65 B 0,0842632 0,82 264,586448 1,302 0,00315 0,01115 11,15 C 0,1047264 0,84 328,840896 1,262 0,00315 0,00904 9,04 D 0,1251896 0,86 393,095344 1,221 0,00315 0,00763 7,63 E 0,1456528 0,88 457,349792 1,181 0,00315 0,00663 6,63 2 0,166116 0,9 521,60424 1,141 0,00315 0,00588 5,88
Dari hasil perhitungan diatas dapat digambarkan bentuk penampang sudu impeler seperti yang terlihat pada gambar 4.4. Dari gambar tersebut diperoleh besar sudut busur sudu terakhir sama dengan sudut ß2 yaitu 21º, sehingga telah
4.6 Pemilihan Bahan Impeler
Untuk menentukan bahan impeler yang akan digunakan harus diperhatikan sifat-sifat fluida yang akan dipompakan dan juga keadaan lingkungan sekitar pompa.
BAB V
PERANCANGAN RUMAH POMPA
5.1 Dasar Perancangan
Rumah pompa merupakan bagian pompa yang mengelilingi impeler. Rumah pompa ini berfungsi sebagai penampung dan mengalirkan fluida dari impeler keluar melalui saluran buang. Selain itu rumah pompa juga berfungsi untuk mengubah energi kecepatan yang diperoleh zat cair dalam impeler menjadi energi tekanan seefisien mungkin.
Untuk pompa sentrifugal, fluida yang meninggalkan impeler dikumpulkan dalam ruangan yang berbentuk spiral yang lebih dikenal dengan sebutan rumah keong (volut casing).
Rumah keong mengumpulkan fluida secara perlahan dan mengurangi kecepatan fluida, serta mengubah energi kinetik fluida menjadi energi tekanan. Karena fluida yang keluar dari impeler bertambah besar, maka laluan fluida pada sisi tekan dibuat semakin besar.
Penampang melintang rumah spiral searah dengan putaran roda jalan yang dibuat semakin besar, karena arus volume fluida yang melampaui dari sudu jalan akan berta mbah banyak sampai dengan volume terakhir.
dihubungkan dengan saluran tekan yang berbentuk kerucut. (Sumber: Austin, 1990, hal 275 )
5.2 Perancangan Rumah Pompa
Dalam perancangan rumah pompa ini , dipergunakan metode “Mean Constant Velocity”, yaitu dengan mengasumsikan bahwa kecepatan rata -rata fluida pada setiap bagian dalam pompa adalah konstan. Kecepatan fluida pada setiap bagian dalam pompa dianggap sama.
Gambaran mengenai bentuk rumah keong (volut casing) dapat dilihat pada Gambar 5.1.
Gambar 5.1 Rumah Pompa (Sumber : Fritz Dietzel, 1993, hal 274)
lingkaran. Antara sisi keluar dengan lidah casing (casing tongue) perlu diberi jarak atau celah (clearance).
Ukuran-ukuran jari lidah casing (casing tongue radius) dibuat lebih besar daripada jari-jari sisi luar impeler. Besar jari-jari lidah dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan 5.1 (Khetagurov, 1976, hal 248) :
r3 =(1,02 – 1,05 ) r2 ………….………. (5.1)
Dengan :
r2 = jari-jari sisi keluar impeler (mm)
Jari-jari keluar impeler telah diketahui sebesar 83,058 mm Maka besar jari-jari lidah adalah :
r3 = 1,05 x 83,058
= 87,211 mm
Sedangkan lebar celah saluran volut b3 diperoleh dengan menggunakan
persamaan 5.2 (Khetagurov, 1976, hal 248)
b3 = b2 + ( 0,025 x r2 ) ………. (5.2)
Dengan :
b2 = lebar sisi keluar impeler ( mm ) r2 = jari-jari sisi keluat impeler (mm)
lebar sisi keluar impeler b2 = 5,88 mm
Penampang volut berupa lingkaran, jari-jari volut dapat diperoleh dengan persamaan 5.3 (Khetagurov, 1976, hal 248)
3
2 r
χ ϕ χ
ϕ
ρ = °+ ° …….………. (5.3)
Dengan :
f º = sudut per bagian ( º ) r3 = jari-jari lidah volut ( mm )
? = konstanta
Untuk mendapatkan nilai konstanta ? digunakan 5.4 (Khetagurov, 1976, hal 247) π
χ xk x
Q v
720
= …….………. (5.4)
Dengan :
Q = kapasitas total pompa (m3/s) kv = konstanta
Nilai konstanta kv merupakan hasil perkalian antara kecepatan keliling
absolute dengan jari-jari impeler, seperti pada persamaan 5.5. (Khetagurov, 1976, hal 239)
Vu3 x r3 = Vu2 x r2 = Vu x r = kv = konstan …….………. (5.5)
Dalam perhitungan sebelumnya, pada sisi impeler telah diketahui : kecepatan absolut aliran f luida (Cu2) = 7,699 m/s
Maka harga konstanta kv adalah : kv = Cu2 x r2
= 7,699 x 0,083 = 0,639 m2/s
Dengan kapasitas total pompa Q = 0,00315 m3/s, maka harga konstanta ? dapat dihitung dan diperoleh hasil :
π χ x0,639x
00315 , 0
720
=
= 458619,43 1/m = 4586,19 1/mm
Setelah semua harga konstanta diketahui, maka dengan menggunakan persamaan 5.3 dapat dicari harga jari-jari volut.
Tabel 5.1 Hasil Perhitungan Rumah Ke ong
f º χ ϕ°
χ ϕ°
2 2 r3
χ ϕ°
3
2 r
χ
ϕ° ?
(mm)
r3 + ?
(mm) rvol
5.3 Nossel Buang (Dhischarge Nozzle)
Nosel buang merupakan bagian rumah keong yang dihubungkan dengan saluran pipa tekan. Maka penampang ujung nosel buang dengan penampang pipa tekan adalah sama.
Pada saluran pipa tekan, diameter pipa biasanya dibuat lebih kecil daripada diameter pipa hisapnya. Hal ini dimaksudkan untuk menghindari kesukaran-kesukaran akibat terjadinya kavitasi.
Untuk menghindari diameter pipa yang tidak ada dipasaran, maka digunakan ukuran pipa standar. Pemilihan diameter pipa tekan harus sesuai dengan kecepatan aliran fluida dalam pipa tekan memiliki batas kecepatan, yaitu antara 12 sampai dengan 40 ft/s. (Sumber : Austin H Church, 1990, hal 90)
Bila kecepatan aliran fluida dalam pipa tersebut telah sesuai dengan batasan tersebut, maka pemilihan pompa telah selesai dan aman.
Dalam perencanaan ini ukuran pipa tekan yang dipilih adalah : Diameter = 1,24 in
= 0,0314 m Kapasitas pompa = 0,003 m3/s
Maka kecepatan aliran fluida dalam pipa tekan dapat dicari dengan menggunakan rumus :
A Q Vd =
Dari perhitungan kecepatan aliran fluida dalam pipa tekan diatas harga kecepatan aliran fluida telah memenuhi persyaratan, sehingga pemilihan diameter pipa telah sesuai.
Pipa tekan dengan nosel buang akan disambungkan menjadi satu, maka diameter nosel buang sama dengan diameter pipa tekan yaitu sebesar 1,24 inch (31,4 mm).
5.4 Pemilihan Bahan Rumah Pompa
Dalam pemilihan rumah pompa harus diperhatikan faktor-faktor yang mempengaruhi pemilihan bahan. Faktor -faktor utama yang harus dipertimbangkan adalah sifat-sifat dari fluida yang akan dipompakan.
BAB VI
PERANCANGAN POROS DAN PASAK
6.1 Macam-Macam Poros
Poros merupakan elemen yang penting dan utama dari setiap mesin. Dalam perancangan pompa ini poros merupakan bagian pompa yang berfungsi sebagai penerus daya dari motor ke impeler. Selain itu poros juga berfungsi sebagai penumpu dari impeler dengan menggunakan pasak.
Untuk meneruskan daya, poros diklasifikasikan menurut pembebanannya sebagai berikut :
1. Poros transmisi
Poros jenis ini mendapat beban puntir murni atau puntir dan lentur. Daya ditransmisikan kepada poros ini melalui kopling, roda gigi, pulley sabuk atau sprocket rantai,dll.
2. Spindel
Poros jenis ini mempunyai kara kteristik ysng relatif pendek, seperti poros utama mesin perkakas, dimana beban utamanya berupa puntiran, disebut spindle. Syarat yang ha rus dipenuhi poros ini adalah deformasinya kecil dan bentuk serta ukurannya harus teliti.
3. Gandar
beban puntir juga. Poros jenis ini biasanya digunakan pada roda-roda kereta barang.
6.2 Perhitungan Beban
Jenis poros yang digunakan dalam perancangan ini termasuk jenis poros transmisi. Pada poros pompa, poros mendapatkan beban berupa beban puntir dan beban lengkung. Beban puntir disebabkan oleh adanya momen puntir dari motor, sedangkan beban lengkung berasal dari bobot impeler yang ditumpu dan gaya radial dari impeler.
6.2.1 Gaya Radial Oleh Impeler
Gaya radial oleh impeler dapat dicari dengan menggunakan persamaan 6.1 (Karassik, 1976, hal 2.175) :
2 2
433 ,
0 xK xS xHxD xb
Fr = r g ………. (6.1)
Dengan :
Kr = koefisien eksperimental Sg = berat jenis fluida (lb/in3) H = head pompa (in)
Dari perhitungan sebelumnya telah diketahui : Berat jenis fluida (Sg) = 0,03613 lb/in3 Head pompa (H ) = 3937,7 in
Diameter sisi luar impeler (D2) = 6,54 inchi Lebar impeler sisi keluar (b2) = 0,598 inchi
Dari grafik 6.1 (Karassik, 1976, hal 2.175) pada halaman lampiran diperoleh besar harga Kr = 0,01
Sehingga :
598 , 0 54 , 6 7 , 3937 03613 , 0 01 , 0 433 ,
0 x x x x x
Fr =
= 2,41 lb = 5,313 kg
6.3 Bobot Impeler
Berat dari impeler terdiri dari bobot cakera dan bobot sudu. ♦ Bobot cakera :
Bobot cakera diperoleh dengan menggunakan persamaan 6.2 (Karassik, 1976, hal 2.175) :
W1 = ¼ p ( D2 2– Dsh2) xb x? ………...………. (6.2)
Dengan :
Bahan impeler yang digunakan adalah besi cor dengan berat jenis 7,897 x 10-6 kg/mm3.
Dari perhitungan sebelumnya telah diketahui :
Diameter sisi luar impeler (D2) = 166,116 mm
Dia meter poros impeler (Dsh ) = 20 mm
Lebar rata - rata impeler = 10 mm Sehingga :
W1 = ¼ p ( 166,1162– 202) x 10 x 7,897 x 10-6
= 1,69 kg ♦ Bobot sudu :
Berat sudu berdasarkan volume sudu total dikalikan dengan berat jenis bahan impeler.. Volume sudu diperoleh dari panjang sudu dikalikan dengan luasan sudu impeler, karena panjang sudu merupakan lengkung atau yang biasa disebut dengan busur maka dari gambar Gambar 4.2, dapat dicari panjang sudu dengan menggunakan persamaan 6.3 (Karassik, 1976, ha l 2.175) :
L= θ x2πr 360o
o
