DESAIN DAN PENGECORAN
RUNNER PROPELLER
BERBAHAN KUNINGAN (60% Cu / 40% Zn)
UNTUK TURBIN AIR BERDAYA 118 W
DAN DEBIT 12 L/S DENGAN
CETAKAN PASIR
KEVIN JULIAN HAGA MELIALA NIM. 090401059
TUGAS AKHIR YANG DIAJUKAN GUNA MEMENUHI SYARAT UNTUK MEMPEROLEH GELAR SARJANA TEKNIK
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
x
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis ucapkan kepada Tuhan YME, karena atas berkat-Nya penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi ini yang menjadi salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan Strata Satu (S1) di Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
Berbagai pihak telah memberikan dukungan yang sangat berharga kepada penulis selama penulisan skripsi ini. Tanpa bantuan mereka penulis, merasa tidak mampu menyelesaikan skripsi ini. Oleh karena itu, penulis mengucapkan terima kasih setulusnya kepada :
1. Ir. M. Syahril Gultom, M.T., selaku Dosen Pembimbing yang telah
memberikan berbagai petujuk mengenai turbin air dan pelaksanaan Tugas Akhir ini
2. Suprianto, S.T., M.T., informasi dan saran dari beliau mengenai sifat
material telah membantu penulis dalam penentuan material
3. Para staff kantor Jurusan Departemen Teknik Mesin USU terutama Ibu
Sonta Sihotang
4. Pak Sarman dan para karyawannya yang telah membuatkan coran runner
propeller yang menjadi obyek Tugas Akhir ini
5. Orang tua, yang telah membesarkan dan mendukung penulis dari awal
hingga sekarang
6. Kakanda Sarjana, S.T., selaku kepala asisten Laboratorium Teknologi
Mekanik FT-USU yang telah membantu penulis selama proses finishing
7. Pak Rustam, selaku kepala Laboratorium Metallurgi FT-USU yang telah
membantu penulis dalam pelaksanaan uji kekerasan
8. Kakanda Fadli yang telah memberi banyak penjelasan mengenai kegiatan
pengecoran logam dan memberi tahu lokasi pengecoran Pak Sarman
9. Rekan – rekan mahasiswa Teknik Mesin USU terutama stambuk 2009
yang telah memberi dukungan kepada penulis
10.Pihak – pihak lainnya yang tidak dapat disebutkan satu per satu didalam
tulisan ini
Penulis berharap semoga skripsi ini dapat memberikan wawasan yang lebih
jelas mengenai pengecoran runner propeller turbin air dengan cetakan pasir. Di akhir
kata, penulis bersedia menerika saran dan kritik yang membangun demi penyempurnaan skripsi ini.
Medan, 15 April 2014 Penulis,
xi
ABSTRAK
Runner turbin hidrolik berfungsi mengubah aliran air menjadi energi mekanis yang
bergerak memutar. Terdapat berbagai macam runner untuk turbin hidrolik, salah
satunya adalah propeller. Runner propeller memiliki karakteristik berupa nilai head
yang rendah dan kecepatan aliran air yang tinggi sehingga runner ini cocok digunakan
di daerah beraliran air deras. Berkat kedua karakteristik ini, pembuatan sebuah pembangkit listrik hidrolik dengan daya yang besar namun ketinggian antara permukaan air dengan runner yang rendah memungkinkan. Tugas Akhir ini bertujuan
memahami pembuatan sebuah runner propeller turbin hidrolik melalui proses
pengecoran logam dengan menggunakan cetakan pasir dan memahami perbandingan antara perencanaan dengan prakteknya selama pembuatan. Bahan baku pembuatan adalah kuningan (Cu 60% / Zn 40%) yang memiliki ketahanan korosi yang baik. Desain runner propeller untuk Tugas Akhir ini berpatokan pada daya rencana sebesar 118 W
dan debit 0,12 l/s. Hasil yang diperoleh berupa desain runner propeller dengan diameter
luar 0,16 m yang dapat digunakan pada sebuah pembangkit listrik hidrolik berukuran kecil.
xii
ABSTRACT
Turbine runner has a function to convert hydraulic energy of a water flow to mechanical energy. There are many types of hydraulic turbine runner, which one of them is propeller. Propeller runner has characteristics of low head value and high water velocity which make it suitable to be used at torrential water flow areas. Thanks to these characteristics, it’s possible to construct a hydraulic power plant that generates high power output but requires low elevation between the water surface and the runner. This Final Project aimed to understand the production of a propeller runner for hydraulic turbine by using sand casting method and to understand comparisons between planning and practice during the production process. The production uses brass (Cu 60% / Zn 40%) as manufacturing material which has good corrosion resistance. The design of propeller runner for this Final Project is based with power plan of 118 W and discharge of 0.12 l/s. The acquired result is a design of a propeller runner with outer diameter of 0.16 m which is small enough to be used for a small sized hydraulic power plant.
xiii
DAFTAR NOTASI………... xxiii
DAFTAR AKSARA YUNANI……….……… xxvi
BAB I PENDAHULUAN 1.1Latar belakang……….………. 1
1.2Maksud dan tujuan……….……….…………. 2
1.2.1 Maksud……….…………... 2
1.2.2 Tujuan……….……. 2
1.3Batasan masalah……….…….. 2
1.4Manfaat penelitian………..……….……. 3
1.4.1 Untuk peneliti……….……. 3
1.4.2 Untuk calon peneliti berikutnya……….……. 3
1.5 Metodologi penelitian………...……….…….. 3
1.5.1 Studi pustaka……….…….. 3
1.5.2 Diskusi……….……… 3
1.5.3 Penentuan desain……….……… 3
1.5.4 Metode pembuatan……….………. 4
xiv
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian mesin hidrolik…………... 6
2.2 Pengertian turbin hidrolik……….….... 7
2.3 Pengertian runner………..………... 9
2.4 Pengertian pengecoran logam……….……….………. 11
2.4.1 Sejarah pengecoran logam……….…….. 13
2.4.2 Faktor –faktor pengecoran logam……….…….. 15
2.4.3 Pelaksanaan pengecoran logam……….…….. 16
2.4.4 Bahan baku pengecoran logam…...……….……… 17
2.4.5 Cetakan (mold)……….………... 25
2.4.6 Sand casting……….…………... 28
2.4.7 Inti (core)……….……… 40
2.4.8 Pembekuan logam……….………….. 40
2.4.9 Cacat pada produk coran……….……… 42
2.5 Pengertian proses machining………...……….………… 46
2.6 Pengertian uji material……….……….………... 50
2.6.1 Uji kekerasan……….……….………. 51
2.6.2 Uji tarik / tensil…….……….……….. 52
2.7 Diagram alir tugas akhir………..……….………… 55
BAB III METODOLOGI 3.1 Umum……….………...………. 56
3.2 Pembuatan desain………...………..…………..………….. 57
3.2.1 Perhitungan dimensi runner propeller……….….….. 57
3.2.2 Perhitungan diameter poros dan lubang poros……….... 60
3.2.3 Perhitungan pasak………...………..…... 62
3.2.4 Pemilihan baut……….……… 64
3.2.5 Penggambaran desain……….………. 64
xv
3.4 Pembuatan pola…….………..……. 65
3.4.1 Pembuatan boss………... 68
3.4.2 Pembuatan sudu………...….. 69
3.5 Uji kehalusan butiran pasir silika………..…... 73
3.5.1 Alat dan bahan………..…... 75
3.5.2 Prosedur pengujian………..…… 77
3.6 Uji material………..…. 78
3.6.1 Uji kekerasan (hardness)………....……. 78
3.6.2 Pengujian tensil………...………. 81
3.7 Perhitungan permeabilitas campuran pasir cetak………..……... 84
3.8 Proses pengecoran……….……….…….. 84
3.8.1 Alat dan bahan………..……... 85
3.8.2 Pembuatan cetakan……….….… 92
3.8.3 Peleburan logam………..…… 94
3.8.4 Proses penuangan……….……... 95
3.9 Pembuatan lubang poros, pembuatan lubang baut dan proses finishing………..………….……. 97
3.10 Pembuatan poros dan pasak………...…. 100
BAB IV DATA UJI MATERIAL DAN HASIL PEMERIKSAAN PRODUK 4.1 Data hasil uji material…….………..……… 102
4.1.1 Uji kekerasan……….……….. 102
4.1.2 Uji tarik……...……….……… 103
4.2 Data hasil uji kehalusan butiran pasir silika………….……… 106
4.3 Data hasil perhitungan permeabilitas campuran pasir cetak…………. 108
4.4 Data hasil pemeriksaan ukuran produk dan hipotesa………..…. 110
4.4.1 Hasil pemeriksaan ukuran produk……….…….. 110
xvi
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan………..…………....……….………… 112
5.2 Saran….……… 112
DAFTAR PUSTAKA………...……….……… xxvii
xvii
DAFTAR TABEL
Hal.
1. Tabel 2.1 Nilai sifat – sifat beberapa jenis logam dalam wujud cair…………... 15
2. Tabel 2.2 Hubungan ukuran diameter saluran turun dengan berat tuang……… 16
3. Tabel 2.3 Titik lebur dari 3 jenis persen paduan kuningan………..… 21
4. Tabel 2.4 Suhu – suhu penuangan beberapa jenis logam ………..………….… 30
5. Tabel 2.5 Nilai modulus elastisitas beberapa bahan….……….….. 54
6. Tabel 3.1 Data hasil perhitungan dimensi runner………... 59
7. Tabel 3.2 Faktor koreksi daya yang akan ditransmisikan ……….….. 60
8. Tabel 3.3 Data – data kekuatan tarik untuk beberapa jenis baja standar JIS……….……….….. 61
9. Tabel 3.4 Nilai penentuan untuk memulai perhitungan dimensi Poros……… 62
10.Tabel 3.5 Data hasil perhitungan dimensi poros………. 62
11.Tabel 3.6 Nomor saringan mesin uji……….….. 76
12.Tabel 3.7 Diameter dan tinggi spesimen ……….….. 80
13.Tabel 3.8 Dimensi spesimen uji tarik……….……. 83
14.Tabel 4.1 Data – data hasil uji kekerasan……… 102
15.Tabel 4.2 Data - data hasil uji tarik……….. 105
16.Tabel 4.3 Data sifat material propeller produksi Mecklenburger Metallguss GmbH……….…... 106
17.Tabel 4.4 Berat pasir tiap nomor kehalusan dan persennya……….……106
18.Tabel 4.5 Nilai pelipat untuk tiap nomor ayakan……….…… 107
xviii
DAFTAR GAMBAR
Hal.
1. Gambar 2.1 Arah perubahan energi pada mesin hidrolik…….………... 6
2. Gambar 2.2 Komponen turbin : A. shaft dan B. runner………..… 7
3. Gambar 2.3 Aliran radial…….………...……….…… 8
4. Gambar 2.4 Aliran aksial………...……….……… 8
5. Gambar 2.5 Aliran campuran……….……….… 9
6. Gambar 2.6 Kiri ke kanan : bentuk runner Francis untuk aliran radial dan aliran campuran……….………. 10
7. Gambar 2.7 Runner propeller dengan head 3 - 65 m………. 11
8. Gambar 2.8 Sebuah proses pengecoran logam besi……….………… 12
9. Gambar 2.9 Tungku induksi……….……..……. 14
10.Gambar 2.10 Diagram alir proses pengecoran logam………..………… 17
11.Gambar 2.11 Diagram fasa besi menurut jumlah persen karbonnya…………... 18
12.Gambar 2.12 Kiri ke kanan : body centered cubic dan face centered cubic. Panah menunjukkan titik kisi (lattice point)………...…. 19
13.Gambar 2.13 Diagram fasa kuningan menurut persen Zn……….….……. 22
14.Gambar 2.14 Diagram fasa silumin………..………... 24
15.Gambar 2.15 Bagian –bagian cetakan………..……….. 26
16.Gambar 2.16 Sebuah cetakan permanen untuk produk aluminium………. 27
17.Gambar 2.17 Pasir kuarsa saringan 420 mikron…...………..…………. 30
18.Gambar 2.18 Pasir olivine………..……. 31
19.Gambar 2.19 Pasir chromite………..….. 31
20.Gambar 2.20 Pasir zircon………..…….. 32
21.Gambar 2.21 Pasir chamotte……….………... 33
xix
23.Gambar 2.23 Resin Fenol Formaldehid…….………...………… 35
24.Gambar 2.24 Hot tear………..……… 35
25.Gambar 2.25 Grafik hubungan pengaruh kadar lempung dan kadar air…….…. 37
26.Gambar 2.26 Grafik hubungan pengaruh kadar bentonit dan kadar air……... 38
27.Gambar 2.27 Sekumpulan kotak flask………..……... 39
28.Gambar 2.28 Pola berbahan kayu (kiri) dan produk yang dijadikan pola (kanan)………..………39
29.Gambar 2.29 Skema pola yang dilengkapi dengan saluran dan riser……….…….………. 40
30.Gambar 2.30 Rongga pada produk………..………… 43
31.Gambar 2.31 Atas ke bawah : produk yang ukurannya menyusut dari ukuran polanya……….…… 44
32.Gambar 2.32 Salah satu bentuk yang terjadi akibat kerontokan cetakan……….……….………….…….. 45
33.Gambar 2.33 Pergeseran pada produk pengecoran………..………….….. 45
34.Gambar 2.34 Mesin bubut / lathe……….……….……….. 47
35.Gambar 2.35 Mesin skrap………..……….. 48
36.Gambar 2.36 Mesin gurdi………..………….. 48
37.Gambar 2.37 Proses freis muka atau tegak………..……… 49
38.Gambar 2.38 Mesin freis datar yang sama dilihat dari sisi yang berbeda………..……….. 50
39.Gambar 2.39 Mesin gerinda meja (kiri) dan mesin gerinda tangan (kanan)………...….…… 50
40.Gambar 2.40 Diagram tegangan – regangan……….…..…. 52
41.Gambar 2.41 Diagram alir pelaksanaan Tugas Akhir………..… 55
42.Gambar 3.1 Diagram alir proses pembuatan ………..……...….. 56
43.Gambar 3.2 Lokasi pasak benam segi empat (persegi empat) pada
xx
44.Gambar 3.3 Segitiga kecepatan Kaplan / propeller……….……… 64
45.Gambar 3.4 Mesin jigsaw……….………..………. 66
46.Gambar 3.5 Mesin bor tangan………..……… 66
47.Gambar 3.6 Potongan plywood meranti berbentuk silinder kecil………...………...……… 67
48.Gambar 3.7 Kiri ke kanan : pasta polyester dan bahan perekatnya………. 67
49.Gambar 3.8 Pemotongan lingkaran, lingkaran ke 5 tidak dipotong………..………….…… 68
50.Gambar 3.9 Garis – garis pembagi sudut 90o pada boss……….. 69
51.Gambar 3.10 Garis miring penanda posisi sudu………..……… 69
52.Gambar 3.11 Pola sudu master………..….. 70
53.Gambar 3.12 Ukuran sudu yang didesain (kiri) dan potongan pipa PVC (kiri)………...….. 71
54.Gambar 3.13 Pola master yang telah dihaluskan………..………...… 71
55.Gambar 3.14 Ilustrasi proses pemanasan PVC (kiri) dan proses penekanan (kanan)….………..…… 72
56.Gambar 3.15 Pola runner propelleryang telah selesai dibuat…………...…….. 73
57.Gambar 3.16 Kiri ke kanan : ukuran boss dan ukuran perkiraan sudu……….... 75
58.Gambar 3.17 Mesin pengguncang pasir……….………...76
59.Gambar 3.18 Bejana ukur terisi pasir silika………...…….. 77
60.Gambar 3.19 Mesin uji Brinell………...………. 79
61.Gambar 3.20 Teropong mikro………..79
62.Gambar 3.21 Ketiga silinder spesimen………...………. 80
63.Gambar 3.22 Mesin uji tarik……….………... 82
64.Gambar 3.23 Ketiga spesimen sebelum pengujian……….….………...…. 83
65.Gambar 3.24 Spesimen terpasang pada pencengkram, siap ditarik……….………..…… 84
66.Gambar 3.25 Flask yang digunakan……….... 85
xxi
68.Gambar 3.27 Blower yang terpasang dengan tungku………..…… 86
69.Gambar 3.28 Pasak kayu……….…… 86
70.Gambar 3.29 Ayakan………..…. 87
71.Gambar 3.30 Penyembur api (kiri) dan tabung gasnya (kanan)…………..…… 87
72.Gambar 3.31 Pola……….... 87
73.Gambar 3.32 Gergaji logam……….……….... 88
74.Gambar 3.33 Tap berulir………..……… 88
75.Gambar 3.34 Kunci inggris………..…… 89
76.Gambar 3.35 Mesin bor………..…………. 89
77.Gambar 3.36 Geram kuningan didalam tempat Penampungannya………..…….……….. 90
78.Gambar 3.37 Campuran pasir cetak……….... 91
79.Gambar 3.38 Tumpukan potongan kayu………...….. 91
80.Gambar 3.39 Drag (kiri) dan cope (kanan)……….… 93
81.Gambar 3.40 Penghalusan cetakan cope dengan bantuan pola yang ikut menempel di cope saat flask diangkat ……...……….…… 93
82.Gambar 3.41 Pengeringan drag dengan penyembur api……….…… 94
83.Gambar 3.42 Api membesar setelah pemberian potongan kayu tambahan……….… 94
84.Gambar 3.43 Cetakan yang telah siap digunakan………... 96
85.Gambar 3.44 Proses penuangan……….………. 96
86.Gambar 3.45 Runner propeller yang telah dikeluarkan dari cetakannya………....…………..…. 97
87.Gambar 3.46 Penggergajian bagian – bagian berlebih………...….………….... 97
88.Gambar 3.47 Permukaan bawah boss yang telah diratakan…...……….… 98
89.Gambar 3.48 Berbagai bit yang dipakai pada center (searah jarum jam dari atas) : 5 mm, 20 mm dan 12,5 mm……..…….……….…. 98
xxii
92.Gambar 3.51 Pembuatan ulir dengan menggunakan tap……….…..………….. 99
93.Gambar 3.52 Lubang pasak yang telah dibuat………..………... 100
94.Gambar 3.53 Pembuatan jalur pasak………... 100
95.Gambar 4.1 Deformasi pada salah satu spesimen……….………….………….. 102
96.Gambar 4.2 Skema uji Brinell……….……… 103
97.Gambar 4.3 Ketiga spesimen yang telah putus………..…….. 103
98.Gambar 4.4 Grafik pada Gambar 2.26 sebelumnya yang telah diberi
penandaan………..….. 108
99.Gambar 4.5 Kiri ke kanan : Runner propeller dengan penandaan
sudu – sudunya (A, B, C dan D) dan 3 titik penanda lokasi
xxiii
spesimen uji tarik
dp Diameter poros mm
di Diameter indentasi mm
FN Nomor kehalusan mesh
butiran
fc Faktor koreksi
xxiv
N Putaran runner rpm
n Rasio diameter
boss dan diameter
luar
Sf Tegangan patah kgf/mm2
Sf1 Faktor keamanan
bahan
Sf2 Faktor keamanan
bentuk poros
Sn Nilai pelipat
Su Tegangan tarik kgf/mm2
S0 Tegangan mulur kgf/mm2
xxv
Vbl Volume balok sudu
xxvi
DAFTAR AKSARA YUNANI
SIMBOL ARTI SATUAN
α Sudut pandu inlet
diameter luar
α𝑏 Sudut pandu inlet
diameter boss
∆L Panjang penguluran mm
ϕ Sudut sudu outlet
diameter luar
ϕb Sudut sudu outlet
diameter boss
