Uji Eksperimental Pada Turbin Kaplan dan Analisa Performansi Dengan Variasi Jumlah Sudu Gerak Terhadap Sudut Sudu Pengarah 20o dan Jarak Vertikal 20 Cm

(1)

UJI EKSPERIMENTAL PADA TURBIN KAPLAN DAN

ANALISA PERFORMANSI DENGAN VARIASI

JUMLAH SUDU GERAK TERHADAP SUDUT

SUDU PENGARAH 20

o

_{DAN JARAK}

VERTIKAL 20 CM

SKRIPSI

Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

TUHU JUNI ROASI

NIM 100401105

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

(3)

(4)

(5)

ABSTRAK

Sumber energi yang banyak dipergunakan sekarang ini masih bersumber dari bahan bakar fosil. Hal tersebut membuat sumber energi cadangan dari bahan bakar fosil semakin menipis, sehingga sekarang ini dibutuhkan sumber energi terbarukan, yang mana memanfaatkan kekayaan energi dari alam yang mudah dijumpai dan tersedia dalam jumlah yang cukup besar, seperti air, udara, panas bumi, dan sebagainya. Penggunaan energi air sebagai energi terbarukan cukup berpotensi sangat besar karena mudah ditemui dan harganya relatif murah, terutama untuk pembangkit listrik skala mikro hidro yang dapat menjangkau daerah-daerah terpencil yang belum tersentuh listrik.

Berdasarkan pemikiran tersebut, maka dilakukan pengujian pada turbin kaplan skala mikro hidro dengan memanfaatkan sumber energi yang terbarukan. Tujuan pengujian ini untuk mengetahui kapasitas daya listrik yang dihasilkan oleh turbin kaplan dengan memanfaatkan aliran air dari reservoir yang dialirkan ke turbin dengan kapasitas air (Q) sebesar 0,00625 m3/detik dan head instalasi (H) sebesar 2 meter. Sudu gerak merupakan salah satu komponen utama dalam instalasi pengujian turbin kaplan, diameter luar sudu gerak yang akan digunakan dalam pengujian ini sebesar 16 cm. Pada pengujian ini variasi jumlah sudu yang akan diuji

pada sudut sudu pengarah 200 adalah berjumlah 6, 7 dan 8. Dari pengujian turbin

kaplan ini diperoleh daya listrik yang dihasilkan oleh alternator tanpa beban pada 6 sudu sebesar 20,911 Watt, pada 7 sudu sebesar 19,867 Watt, dan pada 8 sudu sebesar 23,24882 Watt.

(6)

ABSTRACT

The energy source that is widely used today is still sourced from fossil fuels. This makes the reserves of fossil fuels more depleted, so that now a renewable energy source is needed, which utilizes a wealth of natural energy that is readily available and available in considerable quantities, such as water, air, geothermal, and so on. The use of water energy as renewable energy is potentially very large because it is easy to find and the price is relatively cheap, especially for micro-hydro power plants that can reach remote areas that have not been touched by electricity.

Based on these thoughts, then tested on micro-scale kaplan turbine by utilizing renewable energy sources. The purpose of this test is to determine the capacity of electric power generated by Kaplan turbine by utilizing the flow of water from the reservoir to the turbine with water capacity (Q) of 0,00625 m3/s and the installation head (H) of 2 meters. The runner blade is one of the main components in the Kaplan turbine testing installation, the outer diameter of the moving blade to be used in this test is 16 cm. In this test, the variation in the number of blades to be tested at the angel of guide vane 20o is 6, 7 and 8. From this test of kaplan turbine obtained the electric power generated by the no-load alternator at 6 blades of 20,911 Watt, at 7 blades Of 19,867 Watt, and at 8 blades of 23,24882 Watt.

(7)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur saya ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Kuasa atas berkat, kasih, kekuatan dan kesehatan yang diberikan selama pengerjaan skripsi ini, sehingga skripsi ini dapat saya selesaikan dengan baik.

Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan untuk mencapai gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Sumatera Utara. Adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu “UJI

EKSPERIMENTAL PADA TURBIN KAPLAN DAN ANALISA

PERFORMANSI DENGAN VARIASI JUMLAH SUDU GERAK

TERHADAP SUDUT SUDU PENGARAH 20o _{DAN JARAK VERTIKAL 20}

CM”.

Selama penulisan skripsi ini, penulis juga banyak mendapat bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu penulis juga mengucapkan terima kasih kepada :

1. Orang tua saya H. Ginting dan W. Br. Ritonga yang selalu menjadi

inspirasi buat penulis dari awal masuk kuliah sampai penyelesaian Skripsi ini.

2. Bapak Ir. Tekad Sitepu, M.T. selaku dosen pembimbing, yang bersedia

meluangkan waktu dalam memberikan bimbingan serta menberi masukan dalam penyelesaian skripsi ini.

3. Bapak Tulus B.Sitorus, S.T.,M.T dan Bapak Terang UHSG Manik,

S.T.,M.T sebagai dosen pembanding yang telah bersedia memberikan saran dan kritik yang sangat membangun demi kebaikan skripsi ini.

4. Bapak Dr. Ir. M. Sabri, M.T. selaku Ketua Departemen Teknik Mesin

USU yang memberikan kesempatan kepada penulis dalam menyelesaikan tugas sarjana ini.

5. Seluruh staf pengajar dan pegawai administrasi Departemen Teknik

Mesin di Universitas Sumatera Utara, yang telah banyak membantu penulis dan memberikan bimbingan selama perkuliahan.

6. Rekan skripsi Rafael Sanjaya Ginting dan Andita Hasugian yang saling

(8)

7. Abang dan adek stambuk di Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara yang banyak memberikan bantuan serta semangat bagi penulis,

8. Terspesial juga sahabat - sahabat saya Erwin Manurung, Martua

Halomoan Sinaga, Rian Sinaga, Rido Manik, Piter Harefa, dan stambuk 2010 yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu, yang telah banyak memberikan bantuan serta semangat bagi penulis.

9. Adik saya, Gustini Ginting dan Benjamin Ginting yang selalu tidak

pernah berhenti memberi semangat dan dukungan.

10.Rekan-rekan di Marakas 60, Marakas 66, kantin “Muel”, Christopher

Pasaribu, Doan Panjaitan, Yan Batara, Westryan Sitindaon, Coky Siregar dan yang tidak saya sebutkan namanya satu per satu yang telah banyak memberikan doa serta semangat bagi penulis dalam menyelesaikan tugas sarjana ini.

Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangsempurnaan dan kekeliruan dalam penulisan skripsi ini. Oleh karena itu penulis akan sangat berterima kasih dan dengan senang hati menerima saran dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik.

Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca. Terima kasih.

Medan, 22 Mei 2017 Penulis

(9)

DAFTAR ISI

1.5. Sistematika Penulisan ... 3

(10)

2.4.2.2.1. Prinsip Kerja Turbin Kaplan ... 15

2.4.2.2.2. Komponen Utama Turbin Kaplan ... 16

2.4.2.2.3. Dimensi Dasar Turbin Kaplan ... 16

2.4.2.2.4. Dimensi Dasar Runner Blade ... 17

2.5. Karakteristik Turbin ... 19

2.6. Seleksi Awal Jenis Turbin ... 20

2.7. Alternator ... 22

2.8. Sabuk Datar dan Puli ... 22

2.8.1. Jenis Gerakan Pada Sabuk ... 23

2.9. Daya Listrik ... 25

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 26

3.1. Tempat dan Waktu Penelitian ... 26

3.1.1. Tempat Penelitian ... 26

3.1.2. Waktu Penelitian ... 26

3.2. Spesifikasi Turbin Kaplan ... 26

3.2.1. Sudu Gerak ... 26

3.3. Peralatan Pengujian ... 31

3.3.1. Hand Tachometer ... 31

3.3.2. Clamp Meter ... 31

3.3.3. Multimeter ... 32

3.3.4. Alternator ... 33

3.3.5. Instalasi Rangkaian Lampu ... 33

3.3.6. Pompa ... 34

3.4. Instalasi Turbin Kaplan ... 34

(11)

BAB IV ANALISA DATA DAN HASIL PENGUJIAN ... 40

4.1. Perhitungan Dimensi Dasar Turbin Kaplan ... 40

4.1.1. Kapasitas Aktual dan Head Efektif Instalasi ... 40

4.1.2. Dimensi Dasar Turbin Kaplan ... 40

4.1.3. Dimensi Dasar Sudu Gerak ... 42

4.2. Perhitungan Efisiensi Turbin Kaplan dengan 6 Sudu Gerak dan Sudut Sudu Pengarah 20o ... 43

4.2.1. Hasil Pengukuran ... 43

4.2.2. Analisa Daya dan Putaran Alternator Pemberi Beban ... 43

4.2.3. Pengujian Torsi dan Putaran Berbeban ... 46

4.2.4. Efisiensi Daya Turbin dan Daya Alternator ... 47

4.2.5. Efisiensi Puli ... 48

4.3.5. Efisiensi Puli ... 54

(12)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.8. Grafik Perbandingan Karakteristik Turbin ... 20

Gambar 2.9. Sabuk Terbuka ... 23

Gambar 2.10. Gerakan Membelit Atau Melingkar Pada Sabuk ... 24

Gambar 2.11. Gerakan Dengan Puli Pengarah ... 24

Gambar 3.1. Sudu Gerak ... 27

Gambar 4.1. Grafik Perubahan Beban terhadap Daya Alternator dengan 6 Sudu Gerak ... 45

Gambar 4.2. Grafik Penambahan Beban Lampu terhadap Putaran Alternator dengan 6 Sudu Gerak ... 46

Gambar 4.3. Grafik Putaran vs Torsi dengan 6 Sudu Gerak ... 47

(13)

Gambar 4.5. Grafik Penambahan Beban Lampu terhadap Putaran Alternator dengan 7 Sudu Gerak ... 52 Gambar 4.6. Grafik Putaran vs Torsi dengan 7 Sudu Gerak ... 53 Gambar 4.7. Grafik Perubahan Beban terhadap Perubahan Daya pada

Alternator dengan 8 Sudu Gerak ... 57 Gambar 4.8. Grafik Penambahan Beban Lampu terhadap Putaran Alternator

dengan 8 Sudu Gerak ... 58 Gambar 4.9. Grafik Putaran vs Torsi dengan 8 Sudu Gerak ... 59

Gambar 4.10. Grafik Jumlah Sudu Gerak vs Efisiensi 61

Gambar 4.11. Grafik Perbandingan Pemberian Beban Lampu terhadap Daya Alternator ... 62 Gambar 4.12. Grafik Perbandingan Beban Lampu terhadap Putaran

(14)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Persamaan dan Perbedaan Turbin Reaksi ... 16

Tabel 2.2. Jenis-jenis turbin air dan kisaran kecepatan spesifiknya (Ns)... 21

Tabel 3.1. Jangkauan dan akurasi Clamp meter ... 31

Tabel 4.1. Hasil Pengukuran Kapasitas Aktual Instalasi ... 40

Tabel 4.2. Hasil percobaan dan daya yang dihasilkan alternator dengan 6 sudu gerak ... 44

Tabel 4.3. Hasil Pengujian Torsi dan Putaran Berbeban dengan 6 Sudu Gerak ... 46

Tabel 4.5. Hasil Pengujian Torsi dan Putaran Berbeban dengan 7 sudu gerak ... 52

Tabel 4.7. Hasil Pengujian Torsi dan Putaran Berbeban dengan 8 Sudu Gerak ... 58

Tabel 4.8. Hasil Perbandingan Jumlah Sudu terhadap Efisiensi ... 61

(15)

DAFTAR NOTASI

SIMBOL KETERANGAN SATUAN

m massa kg

g percepatan gravitasi m/s2

h head m

P daya Watt

ρ densitas air kg/m3

Q kapasitas aliran m3/s

Ep energi potensial Joule

Ek energi kinetik Joule

v kecepatan aliran air m/s

Ns putaran spesifik rpm

N putaran turbin rpm

V tegangan Volt

I arus listrik Ampere

τ torsi Nm

ω kecepatan sudut rad/s

ηT efisiensi %