BAB IV PERHITUNGAN ELEMEN MESIN

(1)

37

BAB IV

PERHITUNGAN ELEMEN MESIN

A. Profil Sudu dan Analisa Perhitungan Sudu

Pada bab ini penulis hendak menampilkan perancangan turbin air secara keseluruhan mulai dari profil sudu, perhitungan dan pengecekan kekuatan bagian-bagian utama dari desain turbin air mikro hidro seperti poros transmisi, bantalan, kerangka/penyangga, dan lengan penyangga sudu turbin. Turbin arus direncanakan akan mampu menggerakan generator AC untuk menghasilkan daya listrik maksimal 500 watt

Dalam menentukan bentuk dan dimensi sudu turbin, penulis mengacu pada sudut masuk aliran, sudut buang aliran dan ketinggian air sehingga sudu turbin yang terbentuk mampu memutar poros dan menggerakkan generator.

Gambar: 3.1. Profil Sudu Turbin Mikrohidro

Bentuk sudu datar sering digunakan pada pembangkit listrik mikro hidro terutama di pedesaan atau perumahan. Hal tersebut dikarenakan mudah dan tidak membutuhkan biaya yang besar apabila dibandingkan dengan pembangkit listrik yang diproduksi oleh pemerintah. Sistem pemasangan sudu

60

80

(2)

turbin ini pun tergolong mudah untuk dilakukan karena tidak membutuhkan ketelitian. Akan tetapi sudu turbin datar memiliki kelemahan yang cukup besar pengaruhnya pada putaran poros turbin.

Sudu turbin datar menghasilkan daya dorong balik yang jauh lebih besar pada saat menggerakkan poros turbin jika dibandingkan dengan sudut sudu memilin (pelintir). Hal tersebut terjadi karena sudut buang sudu sama dengan sudut masuk sudu. Sudut sudu semacam ini tidak mampu menghasilkan putaran yang maksimal karena laju aliran dan daya air tidak dapat dimanfaatkan secara efisien.

Turbin air yang menggunakan sudu turbin datar pada dasarnya mengikuti prinsip kerja turbin pelton dimana air yang mengalir ke sudu turbin hanya pada satu sisi saja. Hal tersebut dimaksutkan untuk menjaga agar arah turbin berputar sesuai dengan yang diharapkan. Sedangkan untuk turbin dengan bentuk sudu memilin (pelintir) banyak digunakan pada turbin kaplan yang mana jumlah dari sudu turbin biasanya hanya sedikit dan arah air yang masuk ke sudu turbin tidak hanya berasal dari satu sisi saja melainkan ke seluruh sudu turbin sehingga semua sudu mampu memanfaatkan laju aliran air pada waktu yang bersamaan.

Bentuk sudu turbin memilin (pelintir) dihasilkan dari 2 sudut yang berbeda yaitu sudut masuk sudu dan sudut keluaran sudu. Sudut masuk sudu (β1) lebih besar daripada sudut keluar sudu (β2), hal tersebut dimaksutkan agar kecepatan air yang masuk lebih besar daripada kecepatan air yang keluar. Hal tersebut menyebabkan daya keluaran air (W2) akan jauh lebih besar daripada

(3)

daya masuk air (W1) ke sudu. Dengan demikian laju aliran air akan dapat dimanfaatkan secara efisien dan menyebabkan poros mampu berputar secara maksimal.

Profil sudu memilin (pelintir) inilah yang dipilih untuk mendesain sebuah turbin mikro hidro dengan prinsip kerja seperti turbin kaplan. Dengan memanfaatkan ketinggian (head) pipa yang mengaliri air dan jatuh dari ketinggian tertentu akibat adanya gaya gravitasi kemudian menekan sudu untuk menggerakkan turbin.

Ukuran sudu telah ditentukan sesuai dengan diameter dalam pipa standard. Sudu tersebut akan terpasang pada shaft yang terkunci dengan bentukan bertingkat pada bagian bawah sudu atau biasa disebut pemasangan model christmas tree.

Apabila dilihat desain sudu pada kondisi terpasang adalah sebagai berikut :

Keterangan :

𝛽₁ = Sudut masuk sudu

𝛽2 = Sudut keluar sudu

𝛽2

(4)

Gambar: 3.2. Detail Sudut sudu mikrohidro

Sudut yang dihasilkan pada kondisi terpasang yaitu β10 untuk sudut masuk dan β20 untuk sudut keluaran. Sudut inilah yang akan memutar poros turbin pada saat air membentur sudu turbin. Perhitungan putaran sudu pada saluran air ke turbin berdiameter 10 inches dan daya yang direncanakan sebesar 500 watt dengan ketinggian pipa pengarah ke sudu turbin sebesar 1000 mm = 1 meter. Penyajian data sebagai berikut :

1. Diameter saluran air ke turbin = 10 inches = 0,250 m 2. Daya Terencana (Pt) = 500 watt

3. Putaran Generator yang dibutuhkan (Nt) = 1500 rpm

4. Ketinggian pipa pengarah ke sudu turbine = 1 meter = 1000 mm 5. Diameter luar Sudu (D1) = 0,289 m

6. Diameter dalam Sudu (D2) = 0,275 m

Perhitungan :

1. Kecepatan Aliran Air ; C (m/det) C =√2 . 𝑔. 𝐻

C = √(2 .9,81 . 1) C = 13,873 𝑚/𝑠

2. Luas Penampang Pipa; A (m2) 𝐴 = 𝐷1. 𝜋

4

𝐴 = 0,289 × 3,14 4

(5)

𝐴 = 0,90746 4 𝐴 = 0,226 𝑚2

3. Kapasitas Air yang Mengalir ; V V = A. C

V = 0,226 m2 x 13,873 m/s

V = 3,135 m3/s

Setelah mengetahui kecepatan air didalam saluran air ke turbin dan kapasitas air yang mengalir didalamnya pada ketinggian 1000 m / 1 meter, putaran yang diharapkan sebesar 1500 Rpm serta diameter lingkar luar (D1) dari sudu turbin yang telah ditentukan yaitu sebesar 0,289 m, maka langkah selanjutnya yaitu menentukan kecepatan tangensial (u1) pada sudu turbin

diameter lingkar luar saat berputar.

4. Kecepatan Tangensial pada diameter lingkar luar sudu turbin; u1 (m/s)

𝑢₁ = 0,289 . 𝜋 .1500 60 𝑢₁ = 1361,19

60 𝑢1 = 22, 6 𝑚/𝑠

Nilai dari kecepatan tangensial tersebut harus dibagi dengan kecepatan aliran salura air yang masuk ke sudu turbin, sehingga diperoleh sebagai berikut :

(6)

5. u1 = 22,6 / 13873,43 (C) = 1,62 m/s

Berdasarkan diagram hubungan antara kecepatan spesifik nq dalam

menit dengan ukuran-ukuran utama dalam menentukan desain turbin kaplan diperoleh data sebagai berikut :

 Kecepatan Spesifik (nq) = 240 s

 Kecepatan Tangensial pada diameter lingkar dalam sudu turbin saat berputar (uN) = 0,78 x 13873,43 (dikalikan dengan kecepatan aliran

saluran air ke turbin) sehingga hasilnya diperoleh sebesar 10821,27 m/s  Kecepatan meridian (cm) pengarah = 0,38 x13873,43 = 5271,90 m/s

Dari ketentuan dimensi maka luas penampang pada sudu turbin yang bekerja dan kecepatan meridian c2m = c2 pada bagian keluar turbin dan yaitu

sebesar :

6. Luas Penampang Pipa; A (m2₎

𝐴 =(𝐷1 2_{− 𝐷} 22 )𝑥 𝜋 4 𝐴 = (0,2892− 0,2752) 𝑥 𝜋 4 𝐴 = 0,789 4 𝐴 = 0,197 m2 7. Kecepatan meridian c2m = c2 (m/s) 𝑐_2𝑚 = 𝑐₂ =𝑉 𝐴

(7)

𝑐_2𝑚 = 𝑐₂ = 3135,39 0,197 𝑐_2𝑚 = 𝑐₂ = 159,15 𝑚/𝑠 8. Randemen Turbin ; ȠT Ƞ𝑇 = 𝑃 𝐻 . 𝑉. 𝑄 . 𝑔 Ƞ𝑇 = 500 1. 3,135 . 1500 . 9,81 Ƞ_𝑇 = 500 128,053 Ƞ_𝑇 = 4,61 %

Dengan cu2 = 0 karena c2 adalah pengeluaran yang tegak lurus maka

kecepatan masuk bias (cu1), sebagai berikut :

1. Kecepatan Masuk Bias ; cu1

𝑐𝑢1= Ƞ𝑇 . 𝑔 . 𝐻 𝑢𝑟𝑎𝑡𝑎−𝑟𝑎𝑡𝑎 𝑐_𝑢1= 4,61 .9,81 .1 ( { 𝑢₁+ 𝑢_𝑁})/2) 𝑐_𝑢1= 4,61 .9,81 .1 ({22,6 + 10,821}/ 2) 𝑐_𝑢1= 45,224 5,421 𝑐𝑢1= 8,34 m/s

(8)

Dengan demikian bentuk dari sudu turbin dapat digambarkan melalui bagan segitiga kecepatan. Bagan tersebut terdiri dari 3 bagian yaitu sudut sudu dibagian diameter dalam (D2), sudut sudu bagian tengah (Dm), Sudut sudu

bagian luar (D1). Bagan Segitiga Kecepatan tergambar sebagai berikut :

1. Bagan Segitiga Kecepatan bagian dalam (D2)

Gambar: 3.3. Diagram segitiga bagian dalam

Dari perhitungan sebelumnya diketahui nilai dari uN dan C2 sebagai

berikut :

 uN = 10821,27 m/s

 C22m = C2 = 159,15 m/s

Maka besarnya nilai-nilai yang lain dapat dihitung sebagai berikut :

a) Sudut keluaran pada diameter dalam sudu ; β2

tan 𝛽2 = 𝑈_𝑁 𝐶₂ tan 𝛽₂ = 10821, 27 159, 15 uN C2 CU2 β1 β2 W2 W1 C1 β3 x

(9)

𝛽₂ = 67, 99°

b) Daya keluar pada diameter dalam sudu ; W2

𝑊2=

159, 15 10821,27 𝑊₂= 0,0147 𝑚/𝑠

c) Kecepatan Keluar Bias Tangensial ; cu2

𝑐_𝑢2 =Ƞ𝑇 . 𝑔 . 𝐻 𝑢_𝑁 𝑐𝑢2 = 4,61 .9,81 .1 10,821 𝑐𝑢2 = 45,224 10,821 𝑐_𝑢2 = 4,179 m/s

d) Kecepatan Masuk Sudu ; c1

𝑐₁ = √𝑐₂2_{+ 𝑐} 𝑢22 𝑐1 = √159,152+ 4,1792 𝑐1 = √25346, 18 𝑐1 = 159,20 𝑚 𝑠

Untuk mendapatkan nilai W1 dan β1, perlu adanya nilai bantuan yaitu

nilai x dan β3, yang mana nilai x tersebut diperoleh dari hasil pengurangan uN

(10)

a) Nilai Variabel x x = uN – cU2 x = 10,821 – 4,179 x = 10,817 m/s b) Sudut bantu ; β3 tan 𝛽₃ = 𝑥 𝑐₂ tan 𝛽₃ = 10,817 4,179 tan 𝛽₃ = 0,335 𝛽₃ = 25,43°

c) Sudut Masuk sudu pada diameter dalam sudu ; β1

β1 = 900 – β3

β1 = 900 – 25,430

β1 = 64,570

d) Daya masuk pada diameter dalam sudu ; W1

sin 25,43°₌10,817 sin 𝛽3 𝑊1 = 10,817 25,43 𝑊1 = 0,425 𝑚/𝑠

(11)

2. Bagian Segitiga Kecepatan bagian tengah (Dm)

Gambar: 3.4. Segitiga kecepatan bagian tengah

Dari perhitungan sebelumnya diketahui nilai dari urata-rata dan C2 sebagai

berikut :

 Urata-rata = 8,340 m/s

 C22m = C2 = 159,15 m/s

tan 𝛽₂ = 𝐶2 𝑢_{𝑟𝑎𝑡𝑎−𝑟𝑎𝑡𝑎} tan 𝛽2 = 159,15 8,340 𝛽₂ = 19,08°

Urats-rsta C2 CU2 β1 β2 W2 W1 C1 β3 x

(12)

sin 𝛽₂ = 𝐶2 𝛽₂

𝑠𝑖𝑛 = 159,15 19,08 𝑊₂ = 8,341 𝑚/𝑠

𝑐_𝑢2 = Ƞ𝑇 . 𝑔 . 𝐻 𝑢_{𝑟𝑎𝑡𝑎−𝑟𝑎𝑡𝑎} 𝑐_𝑢2 =4,61 .9,81 .1000 8,340 𝑐_𝑢2 =45224,1 8,340 𝑐_𝑢2 = 5422,55 m/s d) Kecepatan Masuk Sudu ; c1

𝑐₁ = √𝑐₂2_{+ 𝑐} 𝑢22

𝑐₁ = √159,152_{+ 5422,55}2

𝑐₁ = √319368,7 𝑐1 = 565,12 𝑚/𝑠

Untuk mendapatkan nilai W1 dan β1, perlu adanya nilai bantuan yaitu

nilai x dan β3, yang mana nilai x tersebut diperoleh dari hasil pengurangan u rata-rata dengan cU2, sebagai berikut :

(13)

e) Nilai Variabel x x = Cu2 – urata-rata x = 5422,55 – 8,340 x = 5414,21 m/s f) Sudut bantu ; β3 tan 𝛽₃ = 𝑥 𝑐₂ tan 𝛽3 = 5414,21 159,15 𝛽₃ = 34,01°

g) Sudut Masuk sudu pada diameter dalam sudu ; β1

β1 = 900 – β3

β1 = 900 – 34,010

β1 = 55,990

h) Daya masuk pada diameter dalam sudu ; W1

W₁ = 𝛽3 𝑥 W₁ = 34,01

15,275 W1 = 2,22 𝑚/𝑠

(14)

3. Bagan Segitiga Kecepatan bagian luar (D1)

Gambar : 3.5. Segitiga kecepatan bagian luar

Dari perhitungan sebelumnya diketahui nilai dari urata-rata dan C2 sebagai

berikut :

 U1 = 22,60 m/s

 C22m = C2 = 159,15 m/s

tan 𝛽₂ = 𝐶2 𝑢₁ tan 𝛽₂ = 159,15 22,60 tan 𝛽2 = 0,958 U1 C2 CU2 β1 β2 W2 W1 C1 β3 x

(15)

𝛽₂ = 7,04°

𝑊₂ = 𝐶2 𝛽₂

𝑊₂ = 159,15 7,04 𝑊2 = 22,60 𝑚/𝑠

𝑐𝑢2 = Ƞ𝑇 . 𝑔 . 𝐻 𝑢1 𝑐𝑢2 = 4,61 .9,81 .1 23,30 𝑐_𝑢2 = 45,224 22,60 𝑐𝑢2 = 2,001 m/s

d) Kecepatan Masuk Sudu ; c1

𝑐₁ = √𝑐₂2_{+ 𝑐} 𝑢22

𝑐₁ = √159,152_{+ 2,001}2

𝑐1 = √4004241,12

(16)

Untuk mendapatkan nilai W1 dan β1, perlu adanya nilai bantuan yaitu

nilai x dan β3, yang mana nilai x tersebut diperoleh dari hasil pengurangan u rata-rata dengan cU2, sebagai berikut :

e) Nilai Variabel x x = cU2 – 𝑢₁ x = 2001,06 – 22,60 x = 1978,46 m/s f) Sudut bantu ; β3 tan 𝛽₃ = 𝑥 𝑐₂ tan 𝛽3 = 1978,46 159,15 𝛽₃ = 12,43°

g) Sudut Masuk sudu pada diameter dalam sudu ; β1

β1 = 900 – β3

β1 = 900 – 12,430

β1 = 77,570

h) Daya masuk pada diameter dalam sudu ; W1

W1 = 𝑥 𝛽₃

(17)

sin 45,37°₌ 1978,46

12,43 𝑊₁ = 159,16 𝑚/𝑠

Bagan bentuk profil sudu jalan bisa dibuat sketsanya. Pada masing-masing bagian sudu yaitu dalam, tengah, dan luar terdapat sudut sudu β1 dan

β2 yang besar. Pada sudut sudu bagian dalam, kelengkungannya adalah lebih

besar daripada dengan pertambahan jaraknya keluar. Makin keluar bentuk profil makin menjadi ramping. Pada leher poros sendiri bila berdasarkan ilmu kekuatan, profil memang sudah memerlukan penampang yang lebih besar. Semua sudu bentuknya adalah memilin (plintir).

Turbin kaplan yang dirancang memiliki daya ( P ) = 500 W dengan putaran ( n) = 1500 rpm dan effisiensi ( ηT ) yang direncanakan sebesar 4,61. Turbin kaplan tersebut bekerja pada head ( H ) = 1000 m / 1 meter. Langkah pertama adalah mengetahui besarnya debit ( Q ) yang dibutuhkan untuk menghasilkan turbin dengan spesifikasi di atas, dimana kita dapat menggunakan rumus :

Q =

𝑃

g.𝐻.𝜂𝑇

=

_9,8.1.4,615

Q = 0,11 𝑚

3

/detik

(18)

𝑛

_𝑠

= n.

√𝑄

𝐻0,75

= 1500.

√0,63

10,75

= 1190,55 rpm

Gambar : 3.6. Sudut kemiringan pipa

Perhitungan :

a) Kecepatan aliran air : C (m/det) b) Luas penampang pipa : A (𝑚2) c) Kapasitas air yang mengalir : V

V = A.C

(19)

= 3135,39 𝑚3_/s

B. Perencanaan Poros Transmisi

Poros yang digunakan adalah poros transmisi dengan beban puntir murni dan beban lentur, daya di transmisikan ke poros melalui puli dan sabuk-V. Pada perencanaan ini adalah perencanaan poros pada poros transmisi, guna memindahkan putaran poros turbin ke poros ke generator mesin turbin air.

1. Pemilihan bahan poros transmisi

Direncanakan bahan poros yang akan digunakan adalah baja karbon S40C, dimana menurut (Sularso & K.Suga, 1997:3) dalam tabel bahan diketahui baja karbon S40C memilki spesifikasi:

 Kekuatan tarik 𝜎_𝐵 : 55 kg/mm2

 Perlakuan panas : Penormalan

 Faktor keamanan : Sf1 = 6,0; Sf2 = 2,0

2. Data Perencanaan a. Poros Turbin Kaplan

Daya yang ditransmisikan ( P ) = 494,4 w Putaran yang dikenai tenaga generator ( n2 ) = 500 rpm

Berat puli (𝑊𝑝) = 0,29 kg

Berat Poros = 2,54 kg

(20)

Perhitungan :

1) Faktor koreksi = 1,2 yang diambil dalam perencanaan. 2) Daya rencana

Pd = P . fc . (Soelarso & K.suga, 1983:7) = 4,944 1,2

= 593 w.

3) Momen puntir rencana ( T ). Kg mm.

T = 9,74 105 𝑃𝑑_𝑛

2 (Soelarso & K.suga, 1983:7)

= 9,74 105 5,93₅₀₀ = 10308,816 kg mm.

4) Bahan poros

Dalam perencanaan ini menggunakan bahan poros S 40 C dengan kekuatan tarik 𝜃 55 _𝑚𝑚𝑘𝑔₂ dan faktor keamanan S𝑓₁ = 6,0 , S𝑓₂= 2,0

5) Tegangan geser 𝝉𝜶

𝜏_𝛼 = _𝑆 𝜃𝐴

𝑓1 ×𝑆𝑓2 (Soelarso & K.suga, 1983:8)

𝜏_𝛼= _{6 ×2}55

= 55₁₂

(21)

6) Faktor koreksi untuk momen puntir ( Kt ) = 1,5 , Faktor lenturan (Cb ) = 2 7) Diameter poros ds = ( 5,1_𝜏 𝛼 . Kt . Cb . T ) 1

3 _{(Soelarso & K.suga, 1983:8)}

= ( _4,585,1 . 1.5 . 2 . 10308,816)

1 3

= 32,53 mm 30 mm.

8) Diameter bagian yang menjadi tempat bantalan = 72 mm

Jari-jari filet = 72 – 30 : 2 = 21 mm

Alur pasak = 8 7 Filet 0,4 ( 0,4 besar dari JIS)

9) Faktor konsentrasi tegangan pada poros bertegangan adalah.

= 21₃₀ = 0,7 , 72₃₀ = 2,4 𝛽 = 2,4

Konsentrasi tegangan pada poros dengan alur pasak :

0,7

30 = 0,023 , ∝ > 𝛽 ∝= 2,4

Tegangan geser pada pasak (𝜏) (𝜏) = 5,1 ×𝑇_𝑑𝑠₃

= 5,1 ×10308,816₍₃₀₎₃

= 1,94 _𝑚𝑚𝑘𝑔₂

10) Perbandingan dan pengecekan

a). 3,14 ×2_1,07 = 5,86 5,8 b). 3,14 2 1,5 = 9,42

(22)

Syarat ( 𝜋 × 𝑆𝑓_∝2 ) > 𝜋 . Cb . Kt berdasarkan perhitungan ds memenuhi syarat

11) Gaya–gaya yang terjadi pada poros

FB FD

210,04 A C 115

B D

FA FC

Gambar: 3.7. Gaya–gaya yang terjadi pada poros a) Gaya yang terjadi di titik FD pada puli

Gaya yang terjadi di titik FD pada puli

FD = gaya akibat tarikan sabuk terhadap poros + berat puli FD = 55 kg + 5,01 kg

FD = 60,01 kg

b) Gaya pada titik FB = beban berat Turbin + berat poros FB = 16,02 kg + 2,54 kg

FB = 18,56 kg

c) Gaya yang terjadi pada titik A dan C maka untuk mencari : ∑MA = 0 (titik pusat di A untuk mencari gaya pada titik C)

= FB rAB - FC rAC + FD rAD = (18,56. 210,04) – Fc.585,32 + 5,01.700 Fc = 3898,3+3507 585,32 = 3904,29 kg

(23)

Gaya titik A ( Pusat di bayangkan disamping titik D) ∑MD = 0 = (+ FA.700) - (FB.489,96) + (Fc. 115) -FA = (18,56.489,96)+ (3904.29.115) 700 C. Perencanaan Sabuk

Berdasarkan perhitungan yang telah dilakukan, diperoleh data awal untuk merencanakan sabuk. Adapun data-data tersebut meliputi :

 Daya generator yang digunakan : 500 W

 Putaran generator : 1500 rpm

Dalam perencanaan ini sabuk yang dipilih adalah dari karet dengan bentuksabuk-V karena mudah penangannya dan harganya murah. Daya maksimum yang dapat ditransmisikan sabuk-V kurang lebih sampai 500 W dan kecepatan sabuk maksimum sampai 25 m/s (Sularso & Suga, 1997:163). Berdasarkan diagram pemilihan sabuk di Sularso & Suga (1997:164), maka sabuk yang digunakan adalah sabuk Tipe A.

1 Data perencanaan 2 Tipe sabuk

3 Daya rencana generator (Pd) = 593 W 4 Putaran poros penggerak (n1) = 1500 rpm 5 Putaran poros yang digerakan (n2) = 500 rpm

Perhitunagn perencanaan mesin ini menggunakan mesin generator

dengan putaran 1500 rpm dalam perencanaan ini perhitungan ditunjukan di bawah ini:

(24)

1 Daya rencana (𝑷𝒅) 𝑃_𝑑 = 𝑓_𝑐 x P = (W) (Sularso, 1991:7) = 1,2 x 494,4 = 593 W Keterangan : P = 494,4 W 𝑃_𝑑 = 593 W

Gambar: 3.8. Diagram Pemilihan Sabuk Sumber : web.ipb.ac.id.com, diakses 19 Februari 2020 2 Momen rencana (𝑻𝟏,𝑻𝟐) T₁ = 9,74 x 105_{x (}5,93 1500) = (3850,54 kg.mm) (Sularso, 1991:7) T₂ = 9,74 x 105_{x (} 5,93 500) = (11551,64 kg.mm) (Sularso, 1991:7) Keterangan : P_d = 593 W n₁ = 1500 rpm

(25)

Gambar 3.9. Perhitungan Panjang Keliling Sabuk Sumber: (Sularso, 1991:170)

Dengan sabuk – V tipe A maka dipilih diameter pulli minimum yang diijinkan yaitu 65 mm pada perencanaan ini, sehingga diameter pada pulli pada poros motor dipilih (dp) = 65 mm. Untuk menghiung diameter puli

transmisi pada poros turbin Kaplan (Dp):

3 Diameter Puli Transmisi (𝒅𝒑,𝑫𝒑)

Dp . n2 = dp . n1 (Sularso, 1991:166) D_p = 𝑛1 . 𝑑𝑝_𝑛 2 Dp = 1500 . 65₅₀₀ = 195 Keterangan :

𝑑𝑝 = diameter jarak bagi puli kecil (mm). = 65mm

𝐷_𝑝 = diameter jarak bagi puli besar (mm). = 195 mm i = 3.

4 Kecepatan linier sabuk (V)

V = _{60 𝑥 1000}𝜋𝑑𝑝 𝑛1 (Sularso, 1991:166)

= 3,14.65.1500_{60 𝑥 1000} = 5,1025 m/s

(26)

Keterangan :

V = kecepatan puli (m/s). = 5,1025 m/s d_p = diamter puli kecil (mm) = 65 mm n₁ = putaran puli kecil (rpm). = 1500 rpm

5 Jarak Poros Penggerak (pada motor) dengan poros yang digerakan C = 2 . D_p C = 2 . 195 = 390 mm 6 Panjang keliling (L) L = 2C + 𝜋₂ (Dp + dp) + _4𝐶1 (𝐷𝑝 - 𝑑𝑝)2 (Sularso, 1991:170) L = 2.390 + 3.14₂ (195 + 65) + _4.7901 (195 + 65)2 = 152 mm L = 780 + 408,2 + 21,39 L = 1209,59 L = 1295

Jadi panjang sabuk yang digunakan menyesuaikan dengan yang ada di pasaran di pilih L = 1295 mm = 86 Inch

7 Menghitung ulang jarak sumbu poros puli (C)

b = 2 L - π (Dp – dp) (Sularso, 1991:170)

= 2 . 1295 – 3,14 (195 – 65) = 2586,86 - 130

= 2456,86 mm Gambar: 3.10. Jarak Sumbu Dua Puli

C =

𝑏+ √𝑏2_{− 8 (𝐷} 𝑝− 𝑑𝑝)2

8 (mm)

= 2456,86 √2456,86₈2− 8 (195−65)2 = 613,78 mm Jadi jarak sumbu poros puli adalah 613 mm

(27)

8 Sudut kontak (𝜽) (Sularso, 1991:173) 𝜃 = 180 – 57 (𝐷𝑝− 𝑑𝑝)

𝐶

= 180 – 57 (195−65)₆₁₃ = 179,900 1800

Faktor koreksi (k𝜃) = 1,00

Gambar: 3.11. Sudut Kontak

D. Perencanaan Puli (Pulley)

Dalam perencanaan kontruksi puli pada transmisi turbin kaplan putaran puli penggerak dan yang digerakkan berturut-turut adalah n1 (rpm) dan yang digerakkan n2 (rpm) dengan diameter nominal masing-masing adalah dp (mm) dan Dp (mm), serta perbandingan putaran u dinyatakan dengan:

𝑛_𝑛1

2 =

𝐷𝑝

𝑑𝑝

Dimana:

D_p = Diameter puli yang digerakkan (puli besar), (mm) = 195 mm n2 = Putaran poros puli yang digerakkan (rpm) = 500 rpm

d_𝑝 = Diameter puli penggerak (mm) = 65 mm n₁ = Putaran motor (rpm) = 1500 rpm

Dari tabel V-Belt , untuk sabuk tipe A diketahui ukuran-ukuran puli sebagai berikut: e = 12,5 mm; c = 2,5 mm; t = 9 mm; s = 10 mm 𝜃= 180°

Hal-hal lain yang perlu diperhatikan dalam perhitungan puli antara lain :

1 Puli 1 (Puli Poros Motor)

1. Ketebalan puli (b1)

(28)

b = (1-1 ). 9 + 2.10 = 0 + 20 = 20 mm 2. Berat puli (Wp) Wp = 𝜋/4 .D2_{.b .}𝜌 (kg) _{(Dobrovolsky, 1978:254)} = 3,14/4 . 652. 12 . 7 . 2 . 10−6 = 0,55 kg

Gambar: 3.12. Puli Motor

Dimana:

D = diameter luar puli (mm) = 65 mm b = lebar puli (mm) = 20 mm

𝜌 = massa jenis (7.2 . 10 -6 _kg/mm³)

2 Puli 2 (Puli Poros Besar)

1. Ketebalan puli (b2)

b = (z-1) . t + 2.s (Dobrovolsky, 1978:231)

(29)

= 0 + 20 = 20 mm

2. Berat puli (Wp)

Wp = 𝜋/4 .D2 .b .𝜌 (kg) (Dobrovolsky, 1978:254)

= 3,14/4 . 1952. 12 . 7 . 2 . 10−6 = 5,01 kg

Gambar: 3.13. Puli Poros

Dimana:

D = diameter luar puli (mm) = 195 mm b = lebar puli (mm) = 20 mm

𝜌 = massa jenis (7.2 . 10 -6 kg/mm³)

3 Sudut Kontak Puli (Pulley)

𝜃 = 180 −57 (𝐷𝑝−𝑑𝑝)

𝐶 (Sularso & K.Suga, 1997:173)

= 180 – 57 (195−65)

(30)

= 179,900 1800 Dimana:

𝑃_𝑑 = daya yang direncana (593 W)

P0 = Kapasitas daya yang ditransmisikan untuk satu sabuk tunggal (494,4 W)

K𝜃 = Faktor koreksi (harga tergantung pada besar sudut kontak 𝜃 yang

terjadi)

E. Perencanaan Pemilihan Pasak

1 ) Tegangan Geser yang Diijinkan (𝝉𝒌𝒂)

Menurut Sularso (1997:25) bahwa pasak umumnya dipilih dari bahan yang lebih lemah dari poros, sehingga pasak akan lebih dulu rusak dari pada poros dan puli. Ini disebabkan harga pasak lebih murah serta mudah menggantinya. Adapun bahan pasak yang direncanakan adalah S 20 C, dengan kekuatan tarik (𝜎) = 55 kg/mm2_{, serta faktor keamanan Sf}

k1 = 6 dan Sfk2 = 2,25 (Sularso & Suga, 1997:27)

𝜏_𝑘𝑎 = _𝑆𝑓 σ 𝑘1 . 𝑆𝑓𝑘2

= _{6 . 2,25}55

= 4,07 kg/mm2

2) Ukuran Pasak

Menurut Sularso (1997: 10) dimensi pasak untuk diameter poros 22-30 mm adalah sebagai berikut:

(31)

Ukuran nominal pasak (b x h) = 8 x 7 mm Kedalaman alur pasak pada poros (t1) = 4 mm

Kedalaman alur pasak pada naf (t2) =3,3 mm

Panjang pasak (l) = 22,5.ds = 32,5 mm

Gambar 3.14. Dimensi pasak (Sularso Sularso & Suga, 1997:10) 3) Gaya Tangensial Pasak (F)

F = 𝑇

(𝑑𝑠/2) (Sularso & Suga, 1997:25)

F = 10308,816 (30/2) F = 687,2544 Keterangan: ds = Diameter poros (30 mm) T = momen puntir (10308,816 kg.mm)

4) Tegangan Geser Pasak (𝝉_𝒌)

𝜏𝑘 = _𝑏.𝑙𝐹 (Sularso & Suga, 1997:25)

𝜏_𝑘 = 687,2544

8.22,5

= 3,81 kg/mm2

Keterangan:

(32)

l = Panjang pasak (22,5 mm)

5) Pemeriksaan Kelayakan Pasak

Menurut Sularso (1997:28) beberapa syarat yang harus dipenuhi agar pasak bisa dikatakan aman, antara lain:

 0,25 < b/ds < 0,35 0,25 < 8/30< 0,35 0,25 < 0,26 < 0,35 (Memenuhi Syarat)  0,75 < l/ds < 1,5 0,75 < 22,5/30 < 1,5 0,75 < 0,75 < 1,5 (Memenuhi Syarat)  𝜏_𝑘𝑎 ≥ 𝜏_𝑘 4,07 ≥ 3,81 (Memenuhi Syarat)

F. Pemilihan dan Perhitungan Bantalan

Bantalan di kembangkan untuk meningkatkan kemampuan dalam menahan pergerakan dari poros yang berputar dan juga menahan beban yang ditanggungnya. Jenis bantalan yang akan digunakan adalah bantalan gelinding.

a) Pemilihan Bantalan

Pemilihan bantalan Berdasarakan tabel pemilihan bantalan gelinding menurut Sularso & K.Suga (1997: 143) untuk poros dengan diameter 30 mm, maka dipilih bantalan gelinding jenis terbuka nomor 6005, dengan ukuran sebagai berikut:

1 Diameter dalam bantalan (d) = 30 mm 2 Diamter luar bantalan (D) = 72 mm 3 Lebar (b) = 19 mm 4 Kapasitas nominal dinamis spesifik (C) = 5000 kg

(33)

5 Kapasitas nominal statis spesifik (C0) = 3400 kg 6 Beban persatuan panjang (w) = 2,54 kg

Hal-hal yang harus diperhitungkan dalam perencanaan bantalan :

1. Kekuatan Bantalan

l w

W  .. (kg) (Sularso dan Suga, 2004:107) = 2,54.600

= 1524 kg Dimana :

` W= beban bantalan (1524 kg)

w = beban persatuan panjang (2,54 kg/mm)

l = panjang poros (600 mm)

2. Tekanan Bantalan

ld W

p kg/mm2 (Sularso dan Suga, 2004:109)

= _600.301524 = 0,084 kg/m𝑚2 Dimana : p = beban rata-rata ( 0,084 kg/mm2) l = panjang poros (600 mm) d = diameter poros (30 mm) 3. Faktor kecepatan 3 1 3 , 33        n

(34)

= (₁₅₀₀33,3) 1 3

= 0,28 rpm Dimana :

n : putaran poros rol (1500 rpm)

4. Faktor umur bantalan

P C fn

fh (Sularso dan Suga, 1991:136)

= 0,28 _0,0845000 = 16666,66

Dimana :

C : beban nominal dimensi spesifik (5000 kg) P : beban ekuivalen dinamis (0,084 kg)

5. Umur nominal bantalan

Lh = 500. fh3 (jam) (Sularso dan Suga, 1991:136)

= 500. 16666,663

= 2314812 (jam)

b) Faktor keadaan umur bantalan

Umur bantalan (𝑓ℎ) pada bantalan yang dipakai secara terus menerus

(± 8 jam/hari). Dari data di atas memenuhi syarat jika lebih besar dari 30000 jam. Harga Lh dari perhitungan adalah 2314812 jam. Maka dapat disimpulkan umur bantalan dari diatas memenuhi syarat karena Lh > 30.000 jam. (Sularso & K Suga, 1983:136)

(35)

G. Perencanaan Generator Sinkron

Generator sinkron merupakan mesin listrik arus bolak-balik yang berfungsi untuk merubah energi mekanik dalam membentuk putaran menjadi energi listrik arus bolak-balik. Generator sinkron mempunyai dua bagian pokok, yaitu bagian stator atau bagian dari generator sinkron yang tidak bergerak dan bagian rotor atau bagian generator sinkron yang berputar atau bergerak. Pada generator sinkron yang berukuran besar, bagian stator dipergunakan sebagai tempat belitan medan magnet.

Adapun komponen pendukung dari pembangunan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH ) adalah sebagai berikut :

1 Potensi debit air yang cukup (0,63 Q liter/detik ) 2 Beda Tinggi Head (1 meter )

3 gravitasi ( 9,81 m/detik2₎

Jika ketiga komponen diatas sudah terpenuhi,maka kita sudah bisa menghitung daya yang akan dibangkitkan dalam perencanaan sebuah PLTMH dengan rumus :

P = Q x H x g x eff. (Igram, 2007) = 0,63 x 1 x 9,81 x 0,8

= 4,944 Watt Dimana :

P = Daya terbangkit dalam (4,944 Watt) Q = Debit air dalam (0,63 liter/detik) H = Beda Tinggi (1 meter )

(36)

Eff = 0,54 – 0,8 (effisiansi tergantung dari pengukuran menggunakan alat atau pengukuran manual).

H. Perencanaan Kerangka Turbin

Gambar 3.15. Desain Kerangka Turbin

1. Ukuran Kerangka Turbin

∅ OD (Diameter Plate) = ∅ 0,362 m ∅ ID (Diameter Shaft) = ∅ 0,290 m

Tebal Plate = 0,20 m

Jenis Material = ST 50

Berat Jenis Material = 7900 kg/m3

2. Perhitungan Berat Support Plate m = Volume x Berat Jenis

m = ((π x R12)- (π x R22)) x 9 x 7900

m = ((3,14 x 0,1812_{)- (3,14 x 0,140}2_{)) x 0,20 x 7900} m = 2701,8 kg

Support Shaft

(37)

3. Gaya aksial yang diterima oleh Support Plate sebesar Fa = m x g

Fa = 2701,8 x 9,81 Fa = 2650 N

4. Tegangan Tekan yang bekerja pada Support Plate ; τd τd Pa

τd MPa = 44,88 Mpa

5. Tegangan Tekan yang diijinkan ; τa τa = τB / (Sf1 x Sf2)

τa = 50 / (6 x 2) = 4,16 MPa

Karena τd<τa, maka Support Plate mampu menahan gaya aksial atau beban pipa, sehingga aman untuk digunakan. Sedangkan untuk total gaya aksial atau beban yang diterima oleh support shaft yaitu sebagai berikut :

1. Gaya aksial yang diterima Support Shaft Fa = (m (support plate) x g) + (m (pipa) x g) Fa = (2701,8 x 9,81) + (225 x 9,81)

Fa = 28711,85 N

2. Luas Penampang support shaft yang berjumlah 6 A = π x R2_{x 6}

A = 3,14 x 0,1402_{x 6} A = 0,369 m2

3. Tegangan Tekan yang bekerja pada support shaft ; τd τd = 44,88 Pa

(38)

4. Tegangan Tekan yang diijinkan ; τa τa = τB / (Sf1 x Sf2)

τa = 50 / (6 x 2) τa = 4,16 MPa

karena τd<τa, maka Support Shaft mampu menahan gaya aksial atau beban pipa dan support plate, sehingga aman untuk digunakan.

Tabel: 3.1 Data Hasil Perhitungan

No Data Nilai

Data Terencana

1 Diameter saluran ke turbin : 0,250 m

2 Daya Terencana : 500 Watt

3 Putaran Generator : 1500 rpm

4 Ketinggian Pipa : 1 m / 1000 m

5 Diameter Dalam Sudu : 0,50 m

6 Diameter Tengah Sudu : 0,30 m

7 Diameter Luar Sudu : 0,20 m

Sudu Turbin

1 Kecepatan Aliran Air : 13873,43 𝑚/𝑠

2 Kapasitas Air : 3135,39 m3/s

3 Randemen Turbin : 4,61 %

(39)

1 Sudut Masuk Sudu : 64,570

2 Sudut Keluar Sudu : 67,990

3 Kecepatan Masuk Relatif : 159,20 m/s

4 Kecepatan Keluar Relatif : 4,179m/s

Segitiga Kecepatan Bagian Tengah

3 Kecepatan Masuk Relatif : 565,12 𝑚/𝑠

4 Kecepatan Keluar Relatif : 5422,55 m/s

Segitiga Kecepatan Bagian Luar

3 Kecepatan Masuk Relatif : 2007,37 𝑚/𝑠

4 Kecepatan Keluar Relatif : 2001,06 m/s

Poros 1 Kekuatan Tarik : 55 kg/mm2 2 Gaya Tangensial : 1,8 kN 3 Tegangan Geser : 4,58 kg/mm2 4 Berat Poros : 2,54 kg 5 Diameter Poros : 30 mm Sabuk V/belt

(40)

1 Daya Rencana Generator (Pd) : 593 w

2 Kecepatan Sabuk (V) : 5,1025 m/det

3 Panjang Keliling (L) : 1295 mm

4 Jarak Sumbu Poros (C) : 613 mm

5 Sudut Kontak (𝜃) : 1800

Puli (Pulley)

1 Diameter Puli Besar (𝐷_𝑝) : 195 mm

2 Ketebalan Puli (b1) : 20 mm

3 Berat Puli (Wp) : 5,01 kg

4 Diameter Puli Kecil (d_𝑝) 65 mm

5 Berat Puli (Wp) : 0,55 kg

6 Ketebalan Puli (b2) : 20 mm

7 Sudut Kontak Puli (𝜃) : 1800

Pasak

1 Tegangan geser yang diijinkan (𝜏𝑘𝑎)

: 4,07 kg/m𝑚2

2 Kedalaman alur pasak pada poros (t1)

4 mm

3 Kedalaman alur pasak pada naf (t2)

: 3,3 mm

4 Panjang pasak (l) : 22,5 mm

(41)

Bantalan Aksial Radial 1 Diameter Dalam (d) : 30 mm 2 Diameter Luar (D) : 72 mm 3 Kekuatan Bantalan (W) : 1524 kg 4 Tekanan Bantalan (p) 0,084 kg/m𝑚2 5 Faktor Kecepatan fn : 0,28 rpm

6 Lebar Bantalan Dalam (B) : 19 mm

7 Beban Dinamis (C) : 5000 kg

8 Beban Statis (Co) : 3400 kg

9 Putaran Maksimal : 1500 rpm

Tabel: 3.2 Spesifikasi Ukuran-ukuran Bahan

No. Jenis Komponen Bahan Ukuran Bahan

1. Sudu / Turbin Stainless Steel

Baja Karbon S40C  Sudu : - t = 100 mm - Panjang sudu = 80mm - Tebal sudu = 8 mm  Turbin : - t = 210 mm - Lebar turbin = 100mm  Sudu Pengarah Air : - tinggi = 100 mm - lebar = 77 mm - Tebal = 6 mm

(42)

2.

3.

4.

5.

Sudu Pengarah Air

Poros Transmisi Bantalan Pasak Plat besi Baja karbon S40C Logam putih Baja lunak (mild Steel) S20C  Poros Transmisi : - D = 30 mm - t = 600 mm  Bantalan : - No. 6306 - diameter dalam bantalan (d) = 30 mm - Diameter luar bantalan (D) = 72 mm - Lebar (b) = 19 mm  Pasak : - b x h = 8 x 7 - Kedalaman alur

pasar pada poros (t1) = 4 mm

- Kedalaman alur pasak pada naf (t2) = 3,3 mm - Panjang pasak (l) = 22,5  Pulley 1 generator : - D = 65 mm - Ketebalan pulley (b1) = 20 mm  Pulley 2 poros : - D = 195 mm - Ketebalan pulley (b2) = 20 mm  Sabuk (V-belt) : - Sabuk tipe A, Raw

Edge Multi-Ply-V-belt

(43)

6. 7. Pulley Sabuk (V-belt) Baja Karbon S40C Rubber (Karet) - Tebal sabuk = 12 mm

- Jarak sumbu poros (C) = 613 mm - Panjang keliling sabuk (L) = 1295 mm  Kerangka : - Panjang = 425 mm - Diameter (D) = ∅90 - Diameter dalam shaft (d) = ∅50  Shaft : - Tebal = 25 mm - D = ∅243  Suport Shaft : - Tebal suport shaft

= 25mm - Diameter suport shaft (D) = ∅360 - Diameter dalam suport plate (d) = ∅150  Suport : - Tebal suport = 25mm - Diameter suport (D) = ∅360 - Diameter dalam suport (d) = ∅280  Plat : - Diameter plat (D) = ∅289 - Tebal plat = 5 mm  Rumah Generator :

(44)

8. 9. 10. Kerangka Shaft Suport Shaft Suport Plate Baja ST 50 Baja ST 50 Baja ST 50 - tinggi plat = 80 mm - Panjang plat = 800mm - Panjang dudukan generator = 250 mm  Generator : - Daya di hasilkan (Pt) = 500 Watt - Daya Generator (P) = 500w  Dudukan Turbin : - Diameter Luar : ∅360 - Diameter Dalam : ∅180 - Tebal : 25mm - Tinggi kaki dudukan : 75mm - Tebal : 24mm  Saluran Air : - Tinggi : 1 meter - Lebar atas : 50cm - Lebar bawah : 250mm - Kemiringan saluran = 45°  Pintu Air : - Lebar pintu : 50cm - Panjang pintu : 75cm

(45)

11. 12. 13. Rumah Generator Generator Dudukan Turbin Plat Baja ST 37 Plat Besi Generator AC Baja ST 50

(46)

14.

15.

Saluran air menuju ke turbin

Pintu Air

Semen cor