TURBIN ALIRAN SILANG DENGAN JUMLAH SUDU
18 UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK
TUGAS AKHIR
Diajukan untuk memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Jurusan Teknik Mesin
Disusun oleh : Amanda Rachma Jaya
NIM : 035214028
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
2008
CROSSFLOW TURBINE WITH 18 BLADES
FOR GENERATOR
FINAL PROJECT
Presented as Partial Fulfillment of the Requirements to Obtain the Sarjana Teknik Degree
in Mechanical Engineering
By
Amanda Rachma Jaya
Student Number: 035214028
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM
MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT
SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA
2008
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam tugas akhir ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan 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.
LEMBAR PERNYATAAN PRESETUJUAN PUBLIKASI
KARYA ILMIAH UNTUK KEPERLUAN AKADEMIS
Yang bertanda tangan dibawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma :
Nama : Amanda Rachma Jaya
Nomor Mahasiswa : 035214028
Demi perkembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul... ....Turbin Crossflow Dengan Jumlah Sudu 18 Untuk Pembangkit Listrik..… Beserta perangkat yang diperlukan (bila ada). Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas, dan mempublikasikan dalam internet atau media lain untuk keperluan akademis tanpa meminta ijin dari saya maupun memberikan royalty kepada saya selama masih tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis karya ilmiah ini.
Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.
MOTTO
THE MAN WHO SAYS HE NEVER HAS TIME IS THE LAZIEST MAN.(Lichtenberg)
Berusahalah untuk tidak menjadi manusia yang berhasil tapi berusahalah menjadi manusia yang berguna.
(Einstein)
Jalan menuju kebahagian itu tidak ditaburi bunga mawar yang
harum, melainkan penuh duri dan pahit (William Shakespeare)
SUKSES TIDAK DIUKUR DARI POSISI YANG DICAPAI SESEORANG DALAM HIDUP, TAPI DARI
KESULITAN-KESULITAN YANG BERHASIL DIATASI KETIKA BERUSAHA
MERAIH SUKSES( BOOKER T WASHINGTON )
Pengetahuan tidaklah cukup; kita harus mengamalkannya.
Niat tidaklah cukup; kita harus melakukannya.
( Johann Wolfgang Von Goethe )
PERSEMBAHAN
Kupersembahkan karya ini untuk :
♥
Jesus Christ The Mighty God
♥
Papa, Mama, dan Eyang, terimakasih atas dukungan doa
dan cintanya sehingga dapat menyelesaikan tugas akhir
ini dan study saya ini dengan baik...
♥
Ade’ Mella dan ade’ Vendi, terimakasih selalu memberi
semangat sampai tugas akhir dan study saya ini dapat
selesai dengan baik...
♥
My Self...
Terima kasihku untuk...
Jesus Christ The Mighty God, yang dengan Berkat, Rahmat, Karunia serta
Bimbingan- Nya saya dapat menyelesaikan tugas akhir dan study saya ini
dengan baik.
Papa, Mama, Eyang, ade’ Mella, ade’ Vendi, terimakasih atas dukungan doa
dan cintanya sehingga dapat menyelesaikan tugas akhir ini dan study saya ini
dengan baik.
Teman-teman penghuni kontrakan Grinjing 12 Pappringan : Boe, mbendhil,
Kentung, Atenk, Mamang, Gepenk, Gembur, Cathy, Kemved, Santoz,
Samohunk, Panjul, itoes. Thanks atas kerjasama dan persahabatan kita…
Moga kita semua dapat selalu kompak dan sukses.
Teman-temanku semua : Celine, Gabux, Gery, Jaman, Pendex, Itoez, pak’ Aan,
de’ Anyez, Mba Nicken, Mba Tutik, Mas Dwi, Little Diva, Mas Anton, Mela
& Arlen, Erly, Tasha, de’ Dwita, Icha, juga Sonya ‘Jlex’, Tiar ’Pixy’, Herawati,
Deasy, dll…..Thanks 4 Everything.
Teman-temanku Teknik mesin ’03 : Danang ‘ucil’, Cebonx, Gepeng, Andre,
Adhi, Ucok, Thomas, Uus, Anggoro, Agung, Galih, Putu, Moyo, Balung,
Kharisma, Mamat, Steve, Roni, Gentong, Wilson, Gaband, Tikus, Paijo,
Yosafat, Pur, Baskom, Endro, Anes, Ery, Heri, Ari, Tejo, dll....Juga Prast,
Patkay, Tempe... Kalo dah pada jadi orang yang sukses jangan lupa ya ma
aq...
Temen-temen mahasiswa jurusan Teknik Mesin angkatan (
…,’99,’00,’01,’02,’03,’04,’05,’06,’07 ) Fakultas Sains dan Teknologi
Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
INTISARI
Akhir-akhir ini manusia dikhawatirkan dengan krisis energi bahan bakar fosil dan efek buruk pembakaran hidrokarbon yang terkandung dalam bahan bakar fosil. Akhirnya dikembangkan teknologi alternatif yang memanfatkan energi alam berupa energi air, angin dan surya sebagai sumber energi. Dalam hal ini penulis menggunakan energi air sebagai sumber energi alternatif untuk mendukung penelitian tenteng unjuk kerja turbin aliran silang (crossflow) yang menggunakan jumlah sudu 18 dan berbahan pipa besi yang dipotong menjadi 4 sebagai sudu, sehingga dapat diketahui berapa besar daya dan efisiensi yang paling baik.
Saat ini aliran silang (crossflow) yang dirancang dan dibuat pada bagian sudunya sering dirancang dan dibuat dengan menggunakan plat yang dilengkung. Karena membuat turbin aliran silang (crossflow) dengan menggunakan plat yang dilengkung sulit. Maka penulis mencoba menyederhanakan perancangan, dengan membuat sudu turbin aliran silang (crossflow) dengan menggunakan pipa berdiameter 3 inci yang dipotong menjadi 4 bagian sebagai sudu.
Dalam penelitian ini metode yang dilakukan yaitu dengan membuat turbin aliran silang (crossflow) dengan jumlah sudu 18 dan menguji turbin crossflow tersebut dengan variasi beban lampu yaitu lampu 10 watt, 20 watt, 30 watt, 35 watt, 45 watt, 55 watt, 65 watt. Pengujian dilakukan dengan cara menggerakkan turbin dengan bantuan aliran air dari bak setinggi 1,5 meter dan 1,3 meter kemudian mengukur putaran poros ketika tanpa beban dan ketika diberi beban. Dari data yang diperoleh maka dapat dihitung daya output dan efisiensi total.
Dari penelitian ini diperoleh hasil bahwa Pada head 1,5 m dan debit 0,013 m3/s, daya keluaran paling besar yaitu 15,19 watt dan efisiensi total yang paling besar adalah 7,60 % yang didapat saat alternator diberi beban lampu 45 watt. Dan pada saat head 1,3 m dan debit 0,012 m3/s, daya keluaran paling besar yaitu 12,68 watt dan efisiensi total yang paling besar adalah 8,17 % yang didapat juga pada saat alternator diberi beban lampu 45 watt.
KATA PENGANTAR
Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat dan karunia-Nya,
sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian untuk Tugas Akhir dengan judul
“Turbin Aliran Silang dengan Jumlah Sudu 18 untuk Pembangkit Listrik”. Penulisan Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat untuk merarih gelar
Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma
Yogyakarta. Melalui penyusunan tugas akhir ini mahasiswa diharapkan mampu
mempunyai daya analisa yang baik serta membantu memperdalam ilmu yang
telah diperoleh selama masa kuliah.
Penulis menyadari bahwa dalam proses belajar di Program Studi Teknik
Mesin, sejak awal studi sampai berakhirnya studi melibatkan banyak hal. Atas
segala saran, bimbingan, dukungan dan bantuan, pada kesempatan ini dengan
penuh kerendahan hati penulis mengucapkan terima kasih sebesar-besarnya
kepada :
1. Romo Ir. Gregorius Heliarko, S.J., S.S., B.S.T., M.A., Msc., selaku Dekan
Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.
2. Bapak Budi Sugiharto, S.T., M.T., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin, Ketua
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata
Dharma.
3. Bapak Yosef Agung Cahyanta, S.T, M.T sebagai Dosen Pembimbing Tugas
Akhir yang telah memberikan bimbingan dan pengarahan dalam penyelesaian
Tugas Akhir ini.
4. Bapak Doddy Purwadianto, S.T., M.T. selaku dosen pembimbing akademik.
5. Segenap Dosen di Jurusan Teknik Mesin, yang telah membimbing selama
kuliah di Universitas Sanata Dharma.
6. Kepala Laboratorium Konversi Energi Jurusan Teknik Mesin Universitas
Sanata Dharma yang telah memberikan ijin dan fasilitas yang dipergunakan
serta karyawan yang telah membantu dalam penelitian ini.
7. Semua pihak yang tidak bisa kami sebutkan satu persatu yang telah membantu
dan memberi masukan selama penyelesaian Tugas Akhir ini
Penulis menyadari bahwa dalam penulisan Tugas Akhir ini masih banyak
terdapat kekurangan dan kesalahan serta jauh dari sempurna. Oleh karena itu
penulis mengharapkan kritik dan saran yang sifatnya membangun untuk
penyempurnaan Tugas Akhir ini.
Akhirnya harapan penulis, semoga Tugas Akhir ini dapat bermanfaat
bagi semua pihak dan dapat dijadikan bahan kajian lebih lanjut.
Yogyakarta, 14 Februari 2008
Penulis
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL...i
LEMBAR PERSETUJUAN ...iii
LEMBAR PENGESAHAN ...iv
PERNYATAAN...v
HALAMAN PERSETUJUAN PUBLIKASI...vi
HALAMAN MOTTO DAN PERSEMBAHAN...vii
INTISARI...ix
KATA PENGANTAR ...x
DAFTAR ISI...xii
DAFTAR GAMBAR ...xv
DAFTAR TABEL...xvii
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang...1
1.2 Rumusan Masalah...3
1.3 Tujuan Perancangan...4
1.4 Batasan Masalah ...4
BAB II DASAR TEORI 2.1.Tinjauan Pustaka...5
2.2.Klasifikasi Turbin ...6
2.2.1. Klasifikasi Turbin Menurut Cara Kerja ...6
2.2.1.1. Turbin Impuls ...6
2.2.1.2. Turbin Reaksi...10
2.2.2. Klasifikasi Turbin Menurut Daya yang Dihasilkan ...13
2.3. Turbin Aliran Silang (Crossflow) ...14
2.3.1. Prinsip Dasar Turbin Aliran Silang (Crossflow)...14
2.3.2. Pemindahan Gaya ke Turbin...15
2.3.3. Aliran Pergerakan Air pada Turbin...17
2.3.4. Efisiensi...19
2.3.5. Konstruksi Turbin Aliran Silang (Crossflow) ...21
2.4.Altenator...27
BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Sarana Penelitian...30
3.2 Skema Pengujian Alat...31
3.3 Tahap Penelitian ...32
3.3.1 Persiapan ...32
3.3.2 Pelaksanaan Pengujian ...33
3.4 Perancangan Turbin Aliran Silang (Crossflow)...35
3.4.1 Perhitungan Turbin Aliran Silang (Crossflow)...35
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN 4.1. Hasil pengujian ...43
4.1.1. Data Pengujian ...43
4.1.2. Perhitungan Data ...44
4.1.2.1. Perhitungan Daya Air (Pin) dengan Head 1,5 m ; Debit 0,013 m3/s ...44
4.1.2.2. Perhitungan Debit Air (Pin) dengan Head 1,3 m ; Debit
0,012 m3/s ...44
4.1.2.3. Perhitungan Daya yang keluar dari Turbin (Pout) ...45
4.1.2.4. Perhitungan Efisiensi Total (η) ...45
4.1.3. Pengolahan dan Perhitungan Data...46
4.1.3.1. Hasil Perhitungan dengan Head 1,5 m ; Debit 0,013 m3/s ...46
4.1.3.2. Hasil Perhitungan dengan Head 1,3 m ; Debit 0,012 m3/s ...46
4.1.4. Analisa dan Pembahasan ...47
4.1.4.1. Pembahasan Tentang Daya Keluaran Hasil Pengujian ...47
4.1.4.2. Pembahasan Tentang Efisiensi Hasil Pengujian...49
BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan ...51
5.2 Saran ...51
DAFTAR PUSTAKA ...53
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Skema perubahan Head pada Turbin Pelton ...7
Gambar 2.2 Skema irisan penampang nozzle dan ember sudu (atas) dan bagan kecepatan pada turbin Pelton (bawah)...8
Gambar 2.3 Skema Turbin Aliran Ossberger...9
Gambar 2.4 Bagan kecepatan pada Turbin Aliran Ossberger...10
Gambar 2.5 Turbin Francis tipe horizontal ...11
Gambar 2.6 Turbin Francis tipe vertikal ...11
Gambar 2.7 Skema Turbin Francis dan Perubahan Headnya ...12
Gambar 2.8 Skema dua jenis Turbin Propeller, poros vertikal (kiri) dan poros horizontal (kanan) ...13
Gambar 2.9 Skema Turbin Aliran Silang (Crossflow)...14
Gambar 2.10 Gaya aksi atau gaya dorong tumbukan ...15
Gambar 2.11 Gaya aksi atau gaya dorong tumbukan sudu jalan ...16
Gambar 2.12 Gaya aksi atau gaya dorong tumbukan penampang sudut ...16
Gambar 2.13 Aliran pergerakan air pada turbin...18
Gambar 2.14 Pergerakan aliran air pada turbin ...18
Gambar 2.15 Deflaksi pada pergerakan aliran air pada turbin...20
Gambar 2.16 Gabungan diagram kecepatan pada turbin Aliran Silang...21
Gambar 2.17 Diagram kecepatan pada turbin Aliran Silang ...22
Gambar 2.18 Kelengkungan sudu ...23
Gambar 2.19 Alur pancaran air dari sisi turbin...25
Gambar 2.20 Jarak antar sudu...25
Gambar 2.21 Alternator dengan magnet berputar dan kumparan tetap ...28
Gambar 3.1 Diagram Alir Tahap penelitian...34
Gambar 4.1 Grafik daya keluaran (Pout) vs putaran alternator ...47
Gambar 4.2 Grafik efisiensi total vs putaran alternator ...49
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1 Data Hasil Pengujian...43
Tabel 4.2 Data Hasil Pengujian...43
Tabel 4.3 Data Hasil Perhitungan ...46
Tabel 4.4 Data Hasil Perhitungan ...46
BAB I
PENDAHULUAN
1.1Latar Belakang
Teknologi alat pembangkit energi pada saat ini sudah banyak macamnya,
kegunaan dan manfaatnya. Penggunaan alat pembangkit energi ini mulai
dimanfaatkan dari rumah tangga ataupun industri besar. Namun pada umumnya
alat pembangkit energi mengunakan energi fosil sebagai energi dasar, energi fosil
yang berupa gas bumi, minyak bumi dan batu bara mempunyai energi yang sangat
besar. Sejak awal revolusi industri, bahan bakar fosil digunakan tanpa batas, hal
ini dilakukan karena manusia belum berpikir keterbatasan energi fosil dan efek
buruknya bagi lingkungan dalam bentuk polusi.
Akhir-akhir ini manusia dikhawatirkan dengan krisis energi bahan bakar
fosil dan efek buruk pembakaran hidrokarbon yang terkandung dalam bahan bakar
fosil. Akhirnya dikembangkan pula berbagai bentuk energi alternatif untuk
mencukupi energi dunia, baik dengan pengembangan teknologi tinggi berupa
reaktor nuklir dan teknologi tenaga surya, maupun teknologi memanfatkan energi
alam berupa energi air, angin dan gelombang.
Air merupakan salah satu sumber daya alam yang tidak terbatas
jumlahnya, yang potensinya dapat digunakan sebagai energi alternatif baru untuk
menggantikan pengunaan energi fosil yang sudah semakin menipis jumlahnya.
Oleh karena itu manusia mulai mengembangkan energi air untuk mendapatkan
2
sumber energi alternatif yang baru khususnya energi listrik. Dengan
memanfaatkan energi air ini maka manusia juga dapat mengurangi efek buruk
yang ditimbulkan oleh energi fosil yang berupa polusi. Walaupun saat ini belum
dimungkinkan dan ditemukan alat yang bisa mengubah energi air yang
berefisiensi lebih besar dari energi yang dihasilkan oleh energi fosil, namun sudah
banyak manusia yang beralih menggunakan energi alternatif yang minim polusi
sebagai pengganti energi fosil.
Indonesia adalah negara yang tiap tahunnya mempunyai curah hujan yang
sangat tinggi, sehingga mempunyai potensi energi air yang besar. Energi itu telah
dimanfaatkan dengan dibangunnya pembangkit listrik tenaga air (PLTA) di
bendungan sungai-sungai besar di Indonesia. Pembangunan pembangkit energi
skala besar itu jelas akan mencukupi kebutuhan energi dalam ruang lingkup yang
luas dan konsekuensinya akan membutuhkan energi air yang besar juga. Pada
prakteknya energi air yang termanfaatkan hanya energi air yang besar saja,
sehingga diberbagai tempat yang mempunyai banyak potensi energi air kecil yang
tidak termanfaatkan. Di lain pihak banyak kelompok masyarakat terpencil yang
belum bisa menikmati energi listrik distribusi dari pusat. Sehingga diperlukan
teknologi terapan untuk memanfaatkan potensi-potensi energi air tersebut.
Dalam hal ini penggunaan turbin sering digunakan untuk keperluan massal
atau industri-industri yang berskala besar, pada sumber tenaga air yang kecil
sangat jarang sekali turbin yang diproduksi, maka harga dari turbin tersebut sangat
mahal dan tidak banyak pilihan terutama di Indonesia. Teknologi tersebut tidak
3
mudah diterapkan dan diaplikasikan oleh masyarakat pada umumnya. Karena
turbin aliran silang (crossflow) dapat beroperasi pada daya kurang dari 750 kW.
Dan tinggi jatuh air dapat digunakan diatas 1 m sampai 200 m juga dalam
kapasitas antara 0,02 m3/s sampai dengan 7 m3/s maka turbin aliran silang
(crossflow) sangat cocok digunakan untuk pusat tenaga air yang kecil
1.2Rumusan Masalah
Selama ini energi air yang dimanfaatkan hanya energi air yang besar saja,
sedangkan diberbagai tempat banyak mempunyai potensi energi air kecil yang
belum dimanfaatkan. Dalam hal ini banyak kelompok masyarakat terpencil yang
belum bisa menikmati energi listrik distribusi dari pusat. Sehingga diperlukan
teknologi terapan untuk memanfaatkan potensi-potensi energi air kecil tersebut
untuk memenuhi kebutuhan listrik untuk masyarakat terpencil.
Saat ini aliran silang (crossflow) yang dirancang dan dibuat pada bagian
sudunya sering dirancang dan dibuat dengan menggunakan plat yang dilengkung.
Karena membuat turbin aliran silang (crossflow) dengan menggunakan plat yang
dilengkung sulit. Maka perancang mencoba menyederhanakan perancangan,
dengan membuat sudu turbin aliran silang (crossflow) dengan menggunakan pipa
4
1.3Tujuan Perancangan
Perancangan yang dilakukan bertujuan merancang dan menguji unjuk
kerja turbin aliran silang (crossflow) , sehingga dapat diketahui berapa besar daya
dan efisiensi yang paling baik.
Hasil pengujian ini diharapkan dapat memberikan tambahan pengetahuan
tentang tenaga air atau hydropower, terutama yang berkaitan dengan pemanfaatan
turbin aliran silang (crossflow) sebagai penghasil energi listrik.
1.4Batasan Masalah
Agar penelitian ini tidak terlalu luas serta keterbatasan waktu yang
tersedia dan tetap berada dalam jangkauan penulis, maka perlu adanya batasan
masalah. Untuk itu pembahasan hanya berkisar pada perancangan dan pengujian
turbin aliran silang (crossflow) dengan jumlah sudu 18 menggunakan bahan pipa
BAB II
DASAR TEORI
Turbin air berfungsi untuk mengkonversi energi dari gerakan air menjadi
energi mekanis. Energi mekanis ini kemudian ditransfer melalui suatu poros untuk
mengoperasikan mesin atau generator. Energi puntiran yang dihasilkan oleh turbin
diteruskan untuk memutar generator yang selanjutnya menghasilkan energi listrik.
Turbin air digunakan pada pembangkit listrik tenaga air (PLTA) untuk mengubah
energi mekanik menjadi energi listrik, dengan memanfaatkan aliran dan tinggi air
jatuh. Daya mekanis ini kemudian ditransfer ke generator oleh suatu poros
sehingga menghasilkan energi listrik.
2.1 Tinjauan Pustaka
Untuk kasus pada penelitian ini penulis belum menemukannya dalam
artikel, jurnal, maupun pada buku-buku mengenai penggunaan pipa berdiameter
tertentu sebagai sudu pada turbin aliran silang. Hal ini menyebabkan kesulitan
dalam melakukan perbandingan terhadap hasil penelitian.
Sebagai pembanding, penelitian yang dilakukan oleh Orogeon State
College hidraulics laboratory yaitu melakukan penelitian dengan turbin aliran
silang pada tinggi jatuh air 4,8768 m dan debit air 0,08495 m3/s dapat
menghasilkan daya 2237,1 watt
Jurnal lain yang dapat dijadikan pembanding adalah tentang penggunaan
turbin aliran silang (crossflow) adalah John Wiley & Sons pada tahun 1998. Dalam
6
artikel itu ditulis bahwa jumlah sudu yang digunakan adalah 28 buah. Penelitian
tersebut memvariasikan nozzle, head dan diameter runner yang berbeda. Dalam
artikel itu tidak disebutkan dalam penggunaan debit air berapa namun disebutkan
bahwa efisiensi yang paling baik yang dihasilkan pada penelitian itu yaitu sebesar
72 %.
2.2 Klasifikasi Turbin
2.2.1 Klasifikasi Turbin Menurut Cara Kerja
Terdapat berbagai jenis turbin air yang digunakan untuk penyediaan
kebutuhan energi listrik. Turbin air biasanya dikelompokan berdasarkan kegunaan
tertentu, kapasitas aliran dan tinggi air jatuh. Oleh karena itu turbin air
diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara, tapi secara umum turbin air
dikelompokkan menurut tinggi air jatuh (Head) dan juga prinsip kerja turbin
tersebut merubah energi air menjadi energi puntir. Berdasarkan klasifikasi ini
turbin air dibagi menjadi turbin impuls dan turbin reaksi.
2.2.1.1 Turbin Impuls
Turbin impuls disebut juga turbin tekanan sama atau turbin pancaran bebas
karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan
atmosfir disekitarnya. Yang dimaksud turbin implus adalah turbin air yang cara
bekerjanya dengan merubah semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk
ke sudu jalan menjadi energi kecepatan dari pancaran.air. Pancaran air akan
7
menghasilkan perubahan pada daya dorongan yang disebabkan oleh roda jalan
turbin. Pada roda jalan turbin tidak terjadi perubahan tekanan. Sebelum pancaran
air membentur roda jalan turbin, tekanan air (energi potensial) dikonversi ke
tenaga gerak (energi kinetik) oleh nossel dan dipusatkan pada roda jalan turbin.
Yang termasuk turbin impuls antara lain:
a. Turbin Pelton
Yang menjadi ciri khusus dari turbin ini adalah nosel dan
sudu roda jalan yang dirancang khusus. Pancaran air yang keluar dari
nosel dengan kecepatan tinggi menghantam sudu di tengah-tengah.
Bentuk sudunya seperti dua mangkuk yang berdimensi sama besar
yang berdampingan. Biasanya turbin ini diaplikasikan pada head
turbin yang tinggi.
Gambar 2.1 Skema perubahan Head pada turbin Pelton ( Fritz Dietzel, 1992,
8
Gambar 2.2 Skema irisan penampang nozzle dan ember sudu (atas) dan bagan
kecepatan pada turbin Pelton (bawah) (Fritz Dietzel, 1992, hal. 18 dan 25)
b. Turbin Aliran Ossberger (Crossflow)
Turbin aliran Ossberger atau turbin crossflow terdiri dari
beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel dan
nossel. Pancaran air dialirkan dari nossel melewati sudu-sudu jalan
yang berbentuk silinder, pertama-tama pancaran air dari nossel masuk
ke turbin dan mengenai sudu-sudu sehingga terjadi konversi energi
kinetic menjadi energi mekanis. Pancaran air masuk turbin melalui
bagian atas, memberikan energi ke sudu kemudian masuk ke bagian
9
Turbin ini mempunyai 2 (dua) tingkat kecepatan mirip
dengan turbin uap. Aliran air yang lewat tingkat ke-2 menghasilkan
daya kurang lebih 20% dari daya yang dihasilkan dari tingkat pertama,
air tanpa ada kesulitan bisa meninggalkan roda jalan.
Gambar 2.3 Skema Turbin Aliran Ossberger ( Fritz Dietzel, 1992,
hal. 36)
Perkembangan selanjutnya turbin ini mengalami modifikasi
yang dilakukan oleh Michell yang berasal dari Australia dan Bangki
yang berasal dari Honggaria, dengan menambahkan pipa hisap pada
sisi keluar dari turbin. Dengan modifikasi ini meningkatkan efisiensi
dari turbin ini. Turbin ini sangat cocok pada pembangkit tenaga air
10
Gambar 2.4 Bagan kecepatan pada Turbin Aliran Ossberger (Fritz
Dietzel, 1992, hal.37)
2.2.1.2 Turbin Reaksi.
Berbeda dengan turbin impuls, pada turbin reaksi terjadi perbedaan
tekanan aliran air pada sisi masuk dan sisi keluar dari sudu jalan tersebut. Karena
perbedaan tekanan kerja yang terjadi pada sisi masuk dan sisi keluar dari sudu
jalan turbin maka turbin ini disebut turbin reaksi. Turbin air reaksi terdiri dari
beberapa tipe, yaitu:
a. Turbin Francis
Turbin Francis bekerja dengan memakai proses tekanan lebih.
Dengan adanya pipa isap memungkinkan energi tinggi jatuh dapat
11
Gambar 2.5 Turbin Francis tipe horizontal (Fritz Dietzel, 1992, hal.
15)
12
Gambar 2.7 Skema Turbin Francis dan Perubahan Headnya (Fritz
Dietzel, 1992, hal. 16)
Pipa isap pada tubin ini mempunyai tugas yang mirip dengan
sudu hantar yang terdapat pada pompa sentrifugal, yaitu mengubah
energi kecepatan menjadi energi tekanan.
b. Turbin Propeller /Kaplan
Turbin jenis ini merupakan pengembangan dari turbin Francis,
jika tinggi air jatuh semakin sedikit maka semakin sedikit belokan
pada sudu jalan. Untuk memperbesar daya dengan head yang sedikit
maka kapasitas aliran air harus besar yaitu dengan cara memperbesar
13
Gambar 2.8 Skema dua jenis Turbin Propeller, poros vertikal (kiri)
dan poros horizontal (kanan) (Fritz Dietzel, 1992, hal. 61)
2.3 Klasifikasi Turbin Menurut Daya yang Dihasilkan
Dari daya yang dihasilkan, turbin dapat diklasifikasikan menjadi beberapa
jenis, yaitu:
• Large Hydro-Power
Interval daya yang dihasilkan turbin mencapai 50 MW keatas.
• Medium Hydro-Power
Interval daya yang dapat dihasilkan turbin antara 10 MW – 50 MW.
• Small Hydro-Power
Interval daya yang dapat dihasilkan turbin antara 1000 kW – 10 MW.
• Mini Hydro-Power
Interval daya yang dapat dihasilkan turbin antara 101 kW – 1000 kW.
• Micro Hydro-Power
Interval daya yang dapat dihasilkan turbin antara 3 kW – 100 kW.
• Pico Hydro-Power
14
2.4 Turbin Aliran Silang (Crossflow)
2.4.1 Prinsip Dasar Turbin Aliran Silang (Crossflow)
Turbin Crossflow ditemukan oleh Michell-Banki. Turbin ini juga disebut
dengan Turbin Ossberger. Turbin Crossflow termasuk turbin impuls. Turbin
crossflow terdiri dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan
paralel dan nozzle. Pancaran air dari nosel masuk turbin dan mengenai sudu
sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Pancaran air
masuk turbin melalui bagian atas, memberikan energi ke sudu kemudian masuk ke
bagian dalam turbin dan keluar melalui bagian bawah turbin. Turbin mengambil
energi air dua kali yaitu melalui sudu atas dan sudu bawah. Pada bagian atas
turbin mengambil energi sebesar 72 % dan pada bagian bawah turbin mengambil
energi sebesar 28 %.
Gambar 2.9 Skema Turbin Aliran Silang (crossflow)
15
2.4.2 Pemindahan Gaya ke Turbin
a) Suatu plat yang tegak lurus terhadap pancaran air
Pancaran air dengan kecepatan (v) yang memancar tegak lurus plat, akan
menimbulkan suatu aksi atau gaya dorong/tumbukan. Maka akan ada gaya yang
mencoba mendorong plat. Besarnya gaya F = m. v. Pancaran akan bebelok 90º
menyebar kesamping pada bidang plat. Maka akan terjadi perubahan vektor
kecepatan yang berarti perubahan momentum.
Gambar 2.10 Gaya aksi atau gaya dorong tumbukan.
(Joe Cole, 2004 , hal. 2)
b) Suatu Penampang konstruksi sudu jalan terhadap pancaran air.
Pancaran air dengan kecepatan (v) yang memancar mengenai sudu
jalan dengan konstruksi berbelok, akan menimbulkan suatu aksi atau gaya
16
Gambar 2.11 Gaya aksi atau gaya dorong tumbukan sudu jalan
(Joe Cole, 2004, hal. 2)
c) Suatu Penampang yang dengan sudut tertentu terhadap pancaran air.
Jika pancaran air membentur satu sudu lengkung maka air akan
dibelokkan sesuai sudut. Gaya (F) diuraikan berdasarkan
komponen-komponennya yaitu sumbu x & y.
Gambar 2.12 Gaya aksi atau gaya dorong tumbukan penampang sudut
17
2.4.3 Aliran Pergerakan Air pada Turbin
Pada gambar 2.12 diasumsikan bahwa pancaran air dari nozzle masuk
kedalam runner pada titik A dengan sudut α yang bersinggungan dengan keliling
runner.
Kecepatan air sebelum memasuki runner dapat dihitung dengan
persamaan:
V1=C (2gH)½ (Mockmore, 2004, hal 6) ... 2.1
dengan : V1 = Kecepatan absolut.
H = Tinggi jatuh air
C = Koefisien berdasarkan nozzle
Dalam turbin berhubungan dengan komponen – komponen kecepatan yaitu:
V = Kecepatan mutlak, karena daerah sekelilingnya adalah tetap diam tidak
bergerak.
v = Kecepatan relatif, karena berhubungan dengan bagian yang bergerak yaitu
sudu jalan turbin.
u = Kecepatan tangensial roda turbin.
α adalah sudut antara kecepatan absolut dengan kecepatan sudu turbin dan
β adalah sudut yang dibentuk antara garis yang menyinggung keliling lingkaran
18
Gambar 2.13 Aliran pergerakan air pada turbin
(Mockmore, 2004, hal. 6)
Alur aliran pergerakan aliran air pada kenyataannya tidak seperti yang
terdapat dalam gambar 2.12, akan tetapi terdapat defleksi sebesar θ seperti dalam
gambar 2.13.
Gambar 2.14 Pergerakan aliran air pada turbin
19
2.4.4 Efisiensi
Efisiensi (ε) merupakan rasio perbandingan daya output dan daya input.
Berdasarkan gambar 2.13 dapat diturunkan persamaan daya pengereman
Daya pengereman
HP = (w.Q/g) (V1 cos α1 + V2 cos α2) u1 (Mockmore, 2004, hal 7) ... 2.2
Pada rumus (2.8) dapat direduksikan dengan menggunakan segitiga
kecepatan seperti ditunjukkan pada rumus (2.9).
V2 cos α2 = v2 cos β2 - u1 (Mockmore, 2004, hal 7) ... 2.3
Mengabaikan kecepatan air dalam ketinggian h2 (gambar 2.12) yang
memasuki bagian bawah.
v2 = ψv1 (Mockmore, 2004, hal 7) ... 2.4
ψ = koefisien empiris yang nilainya (0,98)
Dari diagram kecepatan pada gambar 2.13 didapatkan:
v1 = (V1 cos α2 -u1 ) /(cos β2) (Mockmore, 2004, hal 7) ... 2.5
Subtitusi persamaan 2.9, 2.10 dan 2.11 didapatkan persamaan:
Hp output =(WQu1/g).(V1cos α1- u1).(1 + ψ cos β2 cos β1) ... 2.6
Secara teoritis daya input adalah
20
Gambar 2.15 Defleksi pada pergerakan aliran air pada turbin
(Banki, 2004, hal. 8) Efisiensi
ε = (2C2u1/V1)(1 + ψ cos β2 / cosβ1).(cos α1- u1/V1) ... 2.8
Dengan
β2 = β1 maka :
ε = (2C2 u1 / V1) (1 + ψ) (cos α1 - u1 / V1)
u1.V1 = cos α1 /2
ε max = 0,5 C2 (1 + ψ ) cos2 α1 (Mockmore, 2004, hal 9) ... 2.9
Dimana efisiensi di atas benar apabila nilai ψ dan C merupakan satu
kesatuan dimana tidak ada head loses dan tidak ada gesekan pada nosel dan sudu.
Nilai efisiensi maksimum tercapai pada sudut masuk α1 16o dengan nilai ψ = 0.98
dan C =0.98.
2.4.5 Konstruksi Turbin Aliran Silang (Crossflow)
Sudut sudu masuk sisi atas pada keliling luar runnerβ1 , yang dapat dilihat
pada gambar 2.12 dan 2.14. Sehingga sudut β1 dapat ditentukan oleh nilai α1,V1,
21
jika u1 = ½ V1cos α1
maka tan β1= 2 tan α1
apabila α1 = 16o
maka β1 =29o ,50o atau 30o atau nilai pendekatan (Mockmore,
2004, hal 10)
Gambar 2.16 Diagram kecepatan pada turbin Aliran Silang (Mockmore,
2004, hal. 11)
β2' adalah sudut sudu keluar sisi atas pada keliling dalam runner. Dengan
asumsi v1 = v2 dan α1 =α2,untuk membuat aliran pancaran air radial maka besarnya β2'=90o.
Gambar 2.17 Diagram kecepatan pada turbin Aliran Silang
22
a. Diameter Luar runner (D1)
D1 = 862H½/N (Mockmore, 2004, hal 14) ... 2.10
dengan :
H = head ketinggian (inci)
N = putaran turbin (rpm)
b. Panjang Turbin (L)
L = 144QN/862 H½ Ck(2gH)½ (Mockmore, 2004, hal 15) .... 2.11
dengan :
Q = Debit aliran air (cfs)
C = Koefisien nozzle = 0.98
k = Faktor koreksi = 0.087
c. Perbandingan panjang dan diameter turbin
LD1 = 210.6Q/H½ (Mockmore, 2004, hal 17) ... 2.12
d. Jari-jari kelengkungan sudu (ρ)
ρ = 0.3261 r1 (Mockmore, 2004, hal 15) ... 2.13
dengan :
r1 = jari-jari luar runner (in)
e. Lebar velk radial (a )
Nilai lebar velk radial dapat ditentukan dari persamaan 2.6 dengan
mengabaikan tebal sudu.
23
f. Jarak antar sudu
Meliputi Jarak antar sudu pancaran air masuk (s1), Jarak sudu
pancaran air keluar (s2) dan jarak antar sudu (gambar 2.18)
s1 = kD1 (Mockmore, 2004, hal 14) ... 2.15
s2 = t(r2/r1) (Mockmore, 2004, hal 11) ... 2.16
t =s1/sin β1 (Mockmore, 2004, hal 10) ... 2.17
Gambar 2.18 Kelengkungan sudu (Mockmore, 2004, hal. 16)
g. Jumlah sudu (n)
n = л D1/t (Mockmore, 2004, hal 17) ... 2.18
h. Jarak pancaran dari poros (y1) (gambar 2.19)
24
i. Jarak pancaran dari keliling dalam (y2 ) (gambar 2.19)
y2 = (0.1314-0.945k) D1 (Mockmore, 2004, hal 14) ... 2.20
j. Efisiensi maksimal turbin
jika u1 = ½ V1cos α1
maka tan β1= 2 tan α1
ψ = koefisien empiris yang nilainya sekitar (0,98)
(Mockmore, 2004, hal 7) ... 2.21
ε max = 0,5 C2 (1 + ψ ) cos2 α1 (Mockmore, 2004, hal 9) ... 2.22
k. Nosel
Meliputi penampang nozzle (A) dan tinggi pancaran air nosel (so)
A = Q/V1 (Mockmore, 2004, hal 17)... 2.23
So = A / L (Mockmore, 2004, hal 17) ... 2.24
25
l. Sudut pusat sudu jalan (gambar 2.20)
Tan ½ δ = cosβ1/(sin β1+r2/r1) ... 2.25
Gambar 2.20 Jarak antar sudu (Mockmore, 2004, hal. 9)
m. Perhitungan poros
Parameter-parameter yang digunakan dalam perhitungan poros sebagai
berikut ;
• P = daya yang ditransmisikan (kW)
• Fc = faktor koreksi (Sularso,2004,hal. 7)
• n = putaran poros (rpm)
• Pd = fc×P (kW) ... 2.26
• T = momen puntir rencana (kg.mm)
T = 9,74×105× n Pd
26
• σ B = kekuatan tarik bahan (kg/mm 2
)
• Sf1 dan Sf2 = faktor keamanan
• Cb = faktor Cb nilainya 1,2 sampai 2,3. jika diperkirakan tidak terjadi
pembebanan lentur maka Cb = 1.
• Kt = faktor Kt dipilih 1,0 jika beban dikenakan secara halus, 1,0-1,5
jika dikenakan sedikit beban kejutan atau tumbukan, dan 1,5-3,0 jika
beban kejutan atau tumbukan besar.
• τa=
) 2 1 (Sf Sf
B
×
σ
(kg/mm2) ... 2.28
• ds = diameter minimal poros (mm)
ds = 3
1 ] 1
, 5
[ Kt Cb T
a
× × ×
τ ... 2.29
2.5 Altenator
Altenator adalah suatu alat elektromekanikal yang mengkonversi daya
mekanis menjadi energi elektrik. Pada prinsipnya generator dapat juga disebut
sebagi altenator, tetapi biasanya altenator lebih mengacu pada bentuk yang lebih
kecil yang biasa digunakan pada otomotif. Fungsi utama dari altenator adalah
sebagai baterei pada kendaraan, dan pada saat mesin motor berputar, altenator
bertugas memberi tenaga kepada semua komponen elektrik yang lain. Altenator
memiliki 4 bagian yang penting, yaitu :
1. Rotor
Yang dimakud rotor adalah bagian yang berputar yang menjadi satu
27
induksi magnet, pada rotor terdapat bagian yang berfungsi sebagai
kutub magnet yang terletak pada sisi luar dari lilitan. Bagian lain dari
rotor adalah slip ring yang terletak pada bagian belakang berfungsi
sebagai penyalur listrik ke kumparan rotor. Rotor ditumpu oleh dua
buah bearing, pada bagian dengannya terdapat puli.
2. Stator
Bagian stator adalah bagian yang statis pada altenator yang berupa inti
besi yang dibungkus dengan kawat tembaga., bagian ini berupa lilitan
yang berfungsi untuk menghasilkan arus bolak-balik (AC).
3. Dioda
Dioda mengkonversi arus bolak-balik yang dihasilkan oleh pasangan
rotor dan stator menjadi arus searah yang digunakan sebagai baterei
yang kemudian dapat menggerakan semua komponen elektrik yang
ada pada kendaraan.
4. Pengatur Tegangan
Pada bagian ini dapat mengontrol jumlah voltase yang diberikan oleh
altenator.
Arus yang dihasilkan pada altenator dapat diperoleh dengan dua cara
yaitu, magnet berputar didalam coil (lilitan) atau coil berputar pada medan magnet
yang diciptakan oleh magnet. Besarnya arus yang dihasilkan oleh altenator
28
dari coil. Semakin tegak lurus medan magnet terhadap lilitan coil, maka semakin
besar arus elektrik dan keluaran energinya.
Altenator menghasilkan listrik dengan prinsip yang sama pada DC
generator, yakni adanya arus pengumpan yang disebut arus eksitasi saat terjadi
medan magnet disekitar kumparan.
Gambar 2.21Altenator dengan magnet berputar dan kumparan tetap
(http://www.microhydropower.net/intro.html)
Arus yang keluar (I) dari altenator dan tegangan yang keluar (V) dari
altenator dapat diukur untuk mengetahui energi listrik yang dihasilkan yaitu :
P = V x I ... 2.30
dengan :
P = Daya listrik (kW)
V = Tegangan listrik (volt)
29
Kemudian setelah daya telah diketahui maka untuk menghitung torsi yang
digunakan poros alternator digunakan rumus :
n Pout
T =9,55 ... 2.31
Dengan :
T = Torsi poros alternator (N.m)
BAB III
METODE PENELITIAN
Metode penelitian adalah langkah-langkah atau cara-cara penelitian suatu
masalah, kasus, atau gejala atau fenomena dengan jalan ilmiah untuk
menghasilkan jawaban yang rasional. Metode penelitian yang digunakan adalah
metode experimental laboratorium, yaitu mengadakan suatu percobaan untuk
mendapatkan data-data hasil penelitian.
3.1 Sarana Penelitian
Sarana penelitian yang digunakan pada percobaan ini adalah sebagai
berikut:
a. Turbin Aliran Silang (Crossflow)
Perancangan dan pembuatan turbin crossflow ini dibuat sendiri
oleh penulis.
b. Pompa Air
Pompa air digunakan sebagai sumber tenaga untuk memompa air
menuju bak penampungan. Air yang ada di bak penampungan kemudian
dialirkan dengan selang menuju kearah turbin melalui nozzle hingga
memutar turbin. Spesifikasi pompa yang digunakan:
Jenis pompa air : pompa air model ns-100
Debit maksimal : 449 US gpm
Head maksimal : 82 feet
31
Daya maksimal : 10 HP
Putaran maksimal : 2000 rpm
c. Alternator
Alternator digunakan untuk mengukur putaran poros yang
dihasilkan oleh turbin aliran silang (crossflow).
d. Multimeter
Multimeter digunakan untuk mengukur arus dan tegangan yang
dihasilkan oleh turbin aliran silang (crossflow).
e. Lampu
Pada pengujian ini lampu yang digunakan sebagai beban, yaitu 10
watt, 20 watt, 30 watt, 35 watt, 45 watt, 55 watt, 65 watt.
32
3.3 Tahap Penelitian
Penelitian ini dilaksanankan dalam dua tahap, yaitu tahap persiapan dan
tahap pelaksanaan pengujian.
3.3.1 Persiapan
1. Persiapan Pengujian
Runner di pasang pada kontruksi yang sudah disiapkan. Profil siku
dirangkai dengan mur-baut menjadi rangka pendukung yang akan
mendukung nossel dan altenator. Pada poros runner dihubungkan pada
sabuk dan puli ke bagian altenator. Pada setiap penelitian diberi beban
berupa lampu yang divariasikan. Bagian atas dan samping dari altenator
diberi penutup yang terbuat dari fiber untuk mencegah air membasahi
altenator.
2. Pengujian Awal
Setelah rangkaian turbin aliran silang (crossflow) ini sudah selesai
dirakit, maka rangkaian turbin aliran silang (crossflow) ini perlu diuji
coba untuk mengetahui apakah runner dapat berputar dengan baik atau
tidak. Pompa air disiapkan untuk memompa air ke bak penampungan.
Melalui bak penampungan air dialirkan melalui pipa dan melewati nossel
menuju runner, air disemprotkan pada bagian atas sudu. Setelah turbin
33
3.3.2 Pelaksanaan Pengujian
1. Pengujian pertama dilakukan pada head 1,5 m. Yang dilakukan pertama
yaitu menentukan debit air pada head 1,5 m. Setelah mendapatkan debit
yang diinginkan maka pengujian selanjutnya dapat dilakukan.
2. Pengujian dilakukan dengan melakukan variasi jumlah beban. Data yang
diambil pada saat percobaan adalah tegangan dan arus yang dihasilkan
pada saat dikenai masing masing beban daya lampu.
3. Pada pengujian pertama, pada alternator diberi beban lampu 10 watt
kemudian pompa air dijalankan hingga memutar turbin. Kemudian diukur
dengan menggunakan tachometer untuk mengukur putaran yang
dihasilkan dan multimeter untuk mengukur tegangan dan arus yang
dihasilkan.
4. Pengujian dilakukan kembali untuk variasi jumlah beban lampu 20, 30, 35,
45, 55, 65 watt dengan cara yang sama.
5. Untuk pengujian yang kedua dilakukan untuk head 1,3 m. Seperti pada
pengujian sebelumnya, pertama ditentukan terlebih dahulu sampai pada
debit yang stabil pada ketinggian 1,3 m.
34
STUDY LITERATUR
PERANCANGAN ALAT
PERSIAPAN PEMBUATAN ALAT
PERSIAPAN AWAL PENGUJIAN AWAL
PELAKSANAAN PENGUJIAN
ANALISA DAN PEMBAHASAN
35
3.4 Perancangan Turbin Aliran Silang (Crossflow)
Dalam merancang sebuah turbin aliran silang (crossflow) diperlukan
parameter yang diketahui sebagai dasar perancangan untuk perhitungan
parameter-parameter lain.
Dalam perancangan ini terdapat parameter yang diketahui yaitu :
Tinggi tekan / head (H) = 1,5 meter
= 4,921 ft
Kapasitas aliran / Debit (Q) = 336,75 US gpm
= 0,750285 cfs
= 21,245 L /s
= 0,021 m3 / s
Asumsi :
Koefisien nosel (C) = 0,98
Faktor koreksi (k) = 0,087
Sudut masuk (β1) = 30º
Sudut keluar (β2') = 90° (untuk membuat aliran
pancaran air radial)
Perancangan turbin aliran silang (crossflow) dengan sudu jalan yang
terbuat dari pipa berdiameter 3 inci.
3.4.1 Perhitungan Turbin Aliran Silang (Crossflow)
Sudu jalan turbin aliran silang (crossflow) terbuat dari pipa dengan
36
a. Jari-jari kelengkungan sudu turbin (ρ)
ρ =
2 3
in
ρ = 1,5 in = 0,0381 m
b. Diamater turbin (D1) ρ = 0,3261 r1
D1 =
3261 , 0
) 2 ( xρ
= 3261 , 0 ) 5 , 1 2 ( x
= 9,1996 in = 0,23367 m
c. Panjang Turbin (L)
LD1 = 210,6 2 1 H
Q
L = 210,6 2 1
1H D
Q
L = 210,6
⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ 2 1 92126 , 4 1996 , 9 750285 , 0 x
L = 7,7424 in = 0,196657 m
d. Lebar sudu (a )
a = 0,17 D1
a = 0,17×9,1996
37
e. Jarak antar sudu pancaran air masuk (s1)
s1 = k D1
s1 = 0,087×9,1996
s1 = 0,8003 in = 0,0203 m
f. Jarak antar sudu (t)
dengan sudut masuk (β1) =30o
t = 1 1 sinβ s t = ° 30 sin 8003 , 0
t = 1,6007 in = 0,0406 m
g. Jarak antar sudu pancaran air keluar (s2)
dengan :
r1 = 2
1 D
r1 =
2 1996 , 9
r1 = 4,5998 in = 0,116835 m
r2 = r1 - a
r2 = 4,5998 - 1,5639
r2 = 3,0358 in = 0,0771093 m
maka
s2 = t ⎟⎟
38
s2 =1,6007 ⎟
⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ 5998 , 4 0358 , 3
s2 =1,0565 in = 0,0268351 m
h. Jumlah sudu (n)
n = л ⎟
⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ t D1
n = 3,14 ⎟
⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ 6007 , 1 1996 , 9
n = 18,046 ≈ 18 buah sudu
i. Jarak pancaran dari poros (y1)
y1 = (0,1986-0,945k) D1
y1 = (0,1986-0,945×0,087) 9,1996
y1 = 1,0706 in = 0,0271932 m
j. Jarak pancaran dari keliling dalam (y2)
y2 = (0,1314-0,945k) D1
y2 = (0,1314-0,945×0,087) 9,1996
y2 = 0,4525 in = 0,0114935 m
k. Luas penampang nozzle (A)
A = ⎟⎟
⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ 1 V Q dengan:
V1 = C (2gH)½
V1 = 0,98 (2×32,2×4,92126)½
39
maka :
A = ⎟⎟
⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ 1 V Q
A = ⎟
⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ 446 , 17 750285 , 0
A = 0,043 ft2
A = 0,043×144 = 6,1926 in2 = 0,003995 m2
l. Tinggi pancaran air nozzle(So)
So = ⎟
⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ L A
So = ⎟
⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ 7422 , 7 1926 , 6
So = 0,7998 in = 0,0203 m
m.Kecepatan putar (N)
D1 = 2
1 862
H N ⎟⎠
⎞ ⎜ ⎝ ⎛
N = 2
1
1 862
H D ⎟⎟⎠
⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛
N = 2
1 9215 , 4 1996 , 9 862 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛
N = 207,867 rpm
n. Sudut pusat sudu jalan (δ )
40 Tan 2 1 δ = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ °+ ° 5998 , 4 0358 , 3 30 sin 30 cos
δ = 73,48o
o. Efisiensi turbin maksimal
ε max = 0,5 C 2
(1 + ψ ) (cosα1)2
ε max = 0,5× 0,98 2
(1 + 0,98 ) (cos16º)2
ε max = 0,087 = 87 %
p. Daya maksimal yang disediakan
HP =
8 , 8 QHe
HP =
8 , 8 87 , 0 92126 , 4 750285 ,
0 × ×
HP = 0,3650 hp = 272,180 watt
q. Perhitungan Poros
P = 0,1996 kW
n = 207,687 rpm
fc = 1,0
• Pd = fc×P
Pd = 1,0 × 0,1996
Pd = 0,1996 kW
41
T = 9,74×105×
687 , 207 1996 , 0
T = 936,074 kg.mm
σ B = 58kg/mm 2
(Sularso,2004,hal. 330)
Sf1 = 6,0 ; Sf2 = 2,0 (Sularso,2004,hal. 8)
• τa =
) 0 , 2 0 , 6 ( 58 × a
τ = 4,83 kg/mm2
Kt = 2,0 (Sularso,2004,hal. 8)
Cb = 1,5 (Sularso,2004,hal. 8)
• ds = 3
1 ] 074 , 936 5 , 1 0 , 2 83 , 4 1 , 5 [ × × ×
ds = 14,3665 mm = 0,0143665 m
Dalam perancangan ini menggunakan diameter poros 0,018 m.
Geometri Turbin Aliran Silang (Crossflow)
a. Jari-jari kelengkungan sudu = 1,5 in = 0,0381 m
b. Diameter turbin (D1) = 9,1996 in = 0,2336 m
c. Panjang turbin (L) = 7,7424 in = 0,1966 m
d. Lebar sudu (a) = 1,5639 in = 0,0397 m
e. Jarak antar sudu dalam turbin (S1) = 0,8003 in = 0,0203 m
f. Jarak antar sudu (t) = 1,6007 in = 0,0406 m
g. Jarak antar sudu luar turbin (S2) = 1,0565 in = 0,0268 m
42
i. Jarak pancaran dari poros (y1) = 1,0706 in = 0,0271 m
j. Jarak pancaran dari keliling (y2) = 0,4525 in = 0,0114 m
k. Luas penampang nozzle(A) = 0,043 ft2 = 0,0039 m2
l. Tinggi pancaran air nozzle (So) = 0,7998 in = 0,0203 m
m. Kecepatan putar (N) = 207,867 rpm
n. Sudut pusat sudu jalan (δ ) = 73,48o
o. Efisiensi turbin maksimal = 87 %
p. Daya yang disediakan = 0,365 HP = 272,18 watt
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
4.1 Hasil Penelitian
4.1.1 Data Penelitian
Data yang diperoleh dari sarana pengujian adalah variasi tinggi jatuh air
(head) dan debit air, hasilnya sebagai berikut :
a. Pada Head 1,5 m dan debit 0,013 m3/s
Tabel 4.1. Data hasil penelitian
beban putaran V I
(watt) (rpm) (volt) (ampere)
0 1026 11.24 0
10 978 10.13 0.71
20 921 9.29 1.25 30 885 8.58 1.55 35 868 8.24 1.78 45 839 7.83 1.94 55 802 7.4 1.97 65 780 7.1 2
b. Pada Head 1,3 m dan debit 0,012 m3/s
Tabel 4.2. Data hasil penelitian
beban putaran V I
(watt) (rpm) (volt) (ampere)
0 858 9.42 0
10 825 8.64 0.67 20 791 7.76 1.15 30 766 7.41 1.45 35 753 7.23 1.69 45 727 7.01 1.81 55 700 6.6 1.89 65 684 6.15 1.92
44
4.1.2 Perhitungan Data
Perhitungan data dikerjakan menggunakan software Microsoft excel.
Dengan mengambil satu satu contoh perhitungan disetiap pembahasan yang
merupakan perwakilan dari data hasil pengujian. Dan untuk hasil perhitungan
yang lainnya ditampilkan dalam bentuk tabel dan grafik.
4.1.2.1 Perhitungan Daya Air (Pin) dengan Head 1,5 m ; Debit 0,013 m3/s
Pin = 8 , 8 QHe
Pin = 8 , 8 QH
Pin =
8 , 8 92126 , 4 478708 , 0 x
Pin = 0,26771 Hp = 199,631 Watt
4.1.2.2 Perhitungan Daya Air (Pin) dengan Head 1,3 m ; Debit 0,012 m3/s
Pin = 8 , 8 QHe
Pin = 8 , 8 QH
Pin =
8 , 8 26509 , 4 432488 , 0 x
45
4.1.2.3 Perhitungan Daya yang keluar dari Turbin (Pout)
Dari data penelitian maka daya output yang berupa daya listrik setiap
pembebanan dapat langsung didapat :
Pout = V x I
Pout = 10.13 x 0.71
Pout = 7,1923 Watt
Dengan mengasumsikan kecepatan putar alternator sama dengan
kecepatan poros turbin dan rugi-rugi di altenator diabaikan maka dapat dicari torsi
yang terima altenator (torsi guna turbin) :
T =
n Pout × 55 , 9
T =
978 1923 , 7 55 , 9 ×
T = 0,070232 Nm
4.1.2.4 Perhitungan Efisiensi Total (η)
η = ×100% in
out P P
η = 100%
631 , 199 1923 , 7 ×
46
4.1.3 Pengolahan dan Perhitungan Data
Setelah seluruh data hasil pengujian dimasukkan pada program Microsoft
Excel, hasilnya seperti yang ditunjukkan pada tabel-tabel berikut ini.
4.1.3.1 Hasil Perhitungan dengan Head 1,5 m ; Debit 0,013 m3/s
Tabel 4.3. Data hasil perhitungan
P in = 0.26771 HP
P in = 199.6313 watt
beban putaran V I Daya(Pout) Efisiensi Torsi
(watt) (rpm) (volt) (ampere) (watt) (%) (Nm)
0 1026 11.24 0 0 0 0
10 978 10.13 0.71 7.1923 3.602792 0.070232
20 921 9.29 1.25 11.6125 5.816974 0.120412
30 885 8.58 1.55 13.299 6.661781 0.143509
35 868 8.24 1.78 14.6672 7.347144 0.161373
45 839 7.83 1.94 15.1902 7.609127 0.172904
55 802 7.4 1.97 14.578 7.302462 0.173591
65 780 7.1 2 14.2 7.113113 0.173859
4.1.3.2 Hasil Perhitungan dengan Head 1,3 m ; Debit 0,012 m3/s
Tabel 4.4. Data hasil perhitungan
Pin = 0.209613 HP
P in = 156.3087 watt
beban putaran V I Daya(Pout) Efisiensi Torsi
(watt) (rpm) (volt) (ampere) (watt) (%) (Nm)
0 858 9.42 0 0 0 0
10 825 8.64 0.67 5.7888 3.703441 0.06701
20 791 7.76 1.15 8.924 5.709215 0.107742
30 766 7.41 1.45 10.7445 6.873898 0.133956
35 753 7.23 1.69 12.2187 7.817031 0.154965
45 727 7.01 1.81 12.6881 8.117334 0.166673
55 700 6.6 1.89 12.474 7.980362 0.170181
47
4.1.4 Analisa dan Pembahasan
Pada pembahasan ini data-data yang diolah dengan perhitungan komputasi
disajikan dalam bentuk grafik-grafik. Dari grafik-grafik tersebut penulis mencoba
menjabarkan hasil dari percobaan yang dilakukan.
4.1.4.1 Analisa dan Pembahasan Tentang Daya Keluaran Hasil Pengujian
0 2 4 6 8 10 12 14 16
600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100
putaran alternator (rpm)
P
out
(
w
a
tt
)
head 1,5 m ; debit 0,013 m3/s head 1,3 m ; debit 0,012 m3/s
Gambar 4.1 Grafik daya keluaran (Pout) vs putaran alternator
Dari data hasil pengujian dengan menggunakan head 1,5 m dan debit
0,013 m3/s didapat grafik yang melengkung, mulai saat tanpa beban sampai
dengan saat beban 65 watt. Pada grafik dapat dilihat bahwa daya maksimal yang
dihasilkan adalah sebesar 15,19 watt. Daya maksimal tersebut didapat pada saat
48
setelah mencapai titik puncak, daya yang dihasilkan akan kembali menurun saat
diberi beban yang lebih besar lagi.
Dan dari data hasil pengujian dengan menggunakan head 1,3 m dan debit
0,012 m3/s didapat pula grafik yang melengkung, mulai saat tanpa beban sampai
dengan saat beban 65 watt. Pada grafik juga dapat dilihat bahwa daya maksimal
yang dihasilkan sebesar 12,68 watt. Dan daya maksimal ini didapat pada saat
altenator di beri beban lampu 45 watt dan putaran altenatornya 727 rpm. Dan
setelah mencapai titik puncak, daya yang dihasilkan akan kembali menurun saat
diberi beban yang lebih besar lagi.
Dari gambar 4.2 ditunjukkan perbandingan 2 buah grafik daya keluaran
vs putaran altenator antara data hasil pengujian pada head 1,5 m dan debit
0,013m3/s dengan data hasil pengujian pada head 1,3 m dan debit 0,012 m3/s. Dari
perbandingan tersebut didapat bahwa semakin besar head dan debitnya maka
putaran yang dihasilkan semakin besar sehingga daya yang dihasilkan juga
49
4.1.4.2 Analisa dan Pembahasan Tentang Efisiensi Hasil Pengujian
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100
putaran alternator (rpm)
e fis ie n s i t o ta l ( % )
head1,5 m ; debit0,013 m3/s head 1,3 m ; debit 0,012 m3/s
Gambar 4.2 Grafik efisiensi total (η) vs putaran alternator
Dari data hasil pengujian dengan menggunakan head 1,5 m dan debit
0,013 m3/s didapat grafik yang menghasilkan efisiensi total maksimal sebesar 7,60
%. Efisiensi maksimal tersebut didapat pada saat altenator di beri beban lampu 45
watt dan putaran alternatornya 839 rpm.
Dari data hasil pengujian dengan menggunakan head 1,3 m dan debit
0,012 m3/s didapat grafik yang menghasilkan efisiensi total maksimal sebesar
8,11 %. Efisiensi maksimal tersebut didapat pada saat altenator di beri beban
lampu 45 watt dan putaran altenatornya 727 rpm.
Dari gambar 4.2 ditunjukkan perbandingan 2 buah grafik efisiensi total vs
putaran altenator antara data hasil pengujian pada head 1,5 m dan debit 0,013
m3/s dengan data hasil pengujian pada head 1,3 m dan debit 0,012 m3/s. Dari
50
menghasilkan efisiensi total yang lebih besar daripada head 1,5 m dan debit 0,013
m3/s. Hal ini disebabkan karena terjadi selisih daya yang tersedia (Pin) antara
pengujian pada head 1,5 m dan debit 0,013 m3/s dengan pengujian pada head 1,3
m dan debit 0,012 m3/s. Yaitu pada saat head 1,5 m dan debit 0,013 m3/s daya air
tersedia (Pin) yang dihasilkan sebesar 199,63 watt sedangkan pada saat head 1,3
m dan debit 0,012 m3/s daya air tersedia (Pin) yang dihasilkan sebesar 156,30
BAB V PENUTUP
5.1 Kesimpulan
Dari hasil penelitian turbin aliran silang (crossflow) ini, dapat disimpulkan
beberapa hal, antara lain:
1. Pada head 1,5 m dan debit 0,013 m3/s, daya keluaran paling besar
yaitu 15,19 watt dan efisiensi total yang paling besar adalah 7,60 %
yang didapat saat altenator diberi beban lampu 45 watt.
2. Pada head 1,3 m dan debit 0,012 m3/s, daya keluaran paling besar
yaitu 12,68 watt dan efisiensi total yang paling besar adalah 8,17 %
yang didapat saat altenator diberi beban lampu 45 watt.
5.2 Saran
Beberapa saran yang penting untuk perancang atau peneliti pada bidang
sejenis dengan penelitian ini atau yang ingin mengembangkan penelitian ini:
1. Melakukan penelitian dengan jumlah debit air masukan lebih
bervariasi dan dengan head yang lebih tinggi untuk mendapatkan hasil
data yang lebih bervariasi.
2. Melakukan penelitian dengan jumlah beban yang berbeda agar dapat
dilihat perbandingan efisiensinya.
52
3. Dalam membuat runner hendaknya dibuat dengan tingkat kerapian dan
presisi semaksimal mungkin (dibalancing) agar runner dapat berputar
maksimal.
4. Dalam membuat konstruksi turbin aliran silang (crossflow) ini
hendaknya perancang membuat dengan lebih tekun dan lebih teliti
DAFTAR PUSTAKA
Sularso dan Kiyokatsu Suga, Dasar Perencanaan Dan Pemilihan Elemen Mesin,
cetakan ke-11, PT. Pradnya Paramita, Jakarta, 2004
Fritz Dietzel, Turbin Pompa dan Kompresor, cetakan ke-5, Penerbit Erlangga,
Jakarta, 1996
Mockmore, The Banki Water Turbine, 1949
Joe Cole, Crossflow Turbine Abstract, 2004
Altenator, The Free Encyclopedia
Micro Hydropower Basics, http://www.microhydropower.net/intro.html
Pompa Air yang digunakan dalam penelitian
Konstruksi alat yang digunakan saat penelitian
