UJI EKSPERIMENTAL TURBIN KAPLAN DENGAN 5
RUNNER BLADE DAN ANALISA PERBANDINGAN
VARIASI JARAK VERTIKAL RUNNER TERHADAP
SUDUT GUIDE VANE 60
0SKRIPSI
Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
DAVID HAROLD NIM. 090401047
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
ABSTRAK
Listrik merupakan salah satu jenis energi yang paling banyak diaplikasikan dalam kehidupan sehari-hari sehingga kebutuhan akan energi ini sangat tinggi. Berbagai jenis pembangkit listrik telah banyak dikembangkan. Salah satunya pembangkit listrik tenaga mikrohidro yang sangat berpotensi dikembangkan di Indonesia mengingat banyaknya sumber air yang tersedia dan dapat dimanfaatkan untuk membantu masyarakat pedesaan yang belum terjangkau PLN.
Dalam tugas akhir ini di desain dan dibuat turbin kaplan dengan menggunakan satu unit pompa sentrifugal sebagai simulasi aliran air di alam. Kapasitas air (Q) sebesar 0,88 liter/detik dan head instalasi (H) sebesar 1 meter. Selanjutnya untuk mengetahui efektivitas turbin Kaplan dengan 5 runner blade maka dilakukan uji eksperimental dengan variasi jarak vertikal runner terhadap guide vane sebesar 1 cm, 3 cm, dan 5 cm. Maka setelah dilakukan pengujian didapat daya pengisian listrik yang dihasilkan oleh alternator tanpa beban pada jarak 1 cm sebesar 3,969 Watt, pada jarak 3 cm sebesar 2,405 Watt, dan pada jarak 5 cm sebesar 1,591 Watt. Data ini memperlihatkan efisiensi turbin yang paling tinggi terletak pada jarak 1 cm.
ABSTRACT
Electricity is one of the most widely applied energy in everyday life so that the need for energy is very high. Various types of power plants has been developed. One of these micro hydro power plant which is very likely to be developed in Indonesia considering the number of water sources available and can be used to help rural communities not reached by PLN.
In this final task in the design and made kaplan turbine using a centrifugal pump unit as in the natural water flow simulation. Water capacity (Q) of 0.88 liters / sec and head installation (H) of 1 meter. Furthermore, to determine the effectiveness of Kaplan turbine with 5 runner blade then tested experimentally by variations in vertical distance runner of the guide vane by 1 cm, 3 cm and 5 cm. So after testing obtained charging power electricity generated by the alternator without load at a distance of 1 cm at 3,969 watt, at a distance of 3 cm of 2,405 Watt, and at a distance of 5 cm at 1,591 Watt. These data show that most high turbine efficiency lies at a distance of 1 cm.
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas
segala rahmat dan karuniaNya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.
Skripsi ini adalah salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan dan
memperoleh gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara. Adapun judul skripsi yang penulis kerjakan ini
adalah “Uji Eksperimental Turbin Kaplan Dengan 5 Runner Blade Dan Analisa Perbandingan Variasi Jarak Vertikal Runner Terhadap Sudut Guide Vane 600”.
Dalam menyelesaikan skripsi ini, penulis banyak sekali mendapat
dukungan dari berbagai pihak. Maka pada kesempatan ini, penulis ingin
menghanturkan ucapan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT sebagai dosen pembimbing yang telah banyak memberikan bimbingan kepada penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.
2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik
Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
3. Bapak/Ibu Staf Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas
Teknik Universitas Sumatera Utara.
4. Abangda Sarjana,ST yang telah banyak membantu dalam pengerjaan instalasi
turbin Kaplan ini.
5. David Permadi, Jannes Tampubolon, Jan Purba selaku teman satu kelompok
dalam pengerjaan Turbin Kaplan.
6. Orang tua yang sangat disayangi penulis, H. Manurung dan M. Siahaan untuk
perjuangan, doa dan kasih sayangnya kepada penulis.
7. Keluarga Besar Manurung dan Siahaan yang telah banyak memberikan
nasehat, semangat dan materi kepada penulis selama menyelesaikan
8. Adik yang sangat disayangi penulis, Andreas Harison Manurung, Chyntia
Regina Manurung dan Jonathan Perwira Manurung atas dukungan semangat
dan doanya kepada penulis.
9. Teman yang sangat disayangi Anasthazya Christy Hanna Sinaga yang sangat
mendukung dan memberi semangat kepada penulis.
10.Seluruh mahasiswa Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas
Sumatera Utara. Terkhusus untuk kawan-kawan seperjuangan stambuk 2009
atas Solidarity Forevernya.
Penulis menyadari masih banyak kekurangan-kekurangan di dalam skripsi
ini. Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang
membangun untuk penyempurnaan skripsi ini.
Medan, Desember 2014
Penulis,
DAFTAR ISI
ABSTRAK ... i
ABSTRACT ... ii
KATA PENGANTAR ... iii
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR GAMBAR ... viii
DAFTAR TABEL ... x
DAFTAR NOTASI ... xi
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Tujuan Penelitian ... 4
1.2.1 Tujuan Umum ... 4
1.2.2 Tujuan Khusus ... 4
1.3 Batasan Masalah ... 4
1.4 Metodologi Penelitian ... 5
1.5 Manfaat Penelitian ... 5
1.6 Keluaran Skripsi ... 6
1.7 Sistematika Penulisan ... 6
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Potensi Tenaga Air ... 8
2.2 Sejarah Turbin Air ... 10
2.3 Klasifikasi Turbin Air ... 12
2.3.1 Turbin Impuls ... 12
2.3.1.1 Turbin Pelton ... 12
2.3.1.2 Turbin Turgo ... 13
2.3.2 Turbin Reaksi ... 14
BAB III METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN 3.1 Umum ... 29
BAB IV ANALISA DATA DAN HASIL PENGUJIAN 4.1 Perhitungan Dimensi Dasar Turbin Kaplan ... 39
4.1.1 Kapasitas Aktual dan Head Efektif Instalasi ... 39
4.2 Perhitungan Efisiensi Turbin Kaplan dengan 5 Runner Blade
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan ... 64
5.2 Saran ... 65
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Turbin Pelton ... 12
Gambar 2.2 Turbin Turgo ... 13
Gambar 2.3 Turbin Ossberger atau Turbin Crossflow (Turbin Michell- Banki) ... 14
Gambar 2.11 Segitiga Kecepatan Masuk dan Keluar Ranner Blade ... 20
Gambar 2.12 Grafik Perbandingan Karakteristik Turbun ... 21
Gambar 2.13 Alternator ... 24
Gambar 2.14 Sabuk Terbuka ... 26
Gambar 2.15 Gerakan Membelit atau Melingkar pada Sabuk ... 27
Gambar 2.16 Gerakan dengan Puli Pengarah ... 27
Gambar 4.3 Grafik Perubahan Daya Alternator terhadap Penambahan
Beban pada Jarak Vertikal Runner 1 cm terhadap Guide
Gambar 4.4 Grafik Perubahan Putaran Alternator terhadap Penambahan
Beban Lampu pada Jarak Vertikal Sebesar 1 cm ... 47
Gambar 4.5 Grafik Torsi vs Putaran pada 5 Runner Blade Dengan Jarak
1 cm ... 48
Gambar 4.6 Grafik Perubahan Daya Alternator terhadap Penambahan
Beban pada Jarak Vertikal Runner 3 cm terhadap Guide
Vane 600 ... 53 Gambar 4.7 Grafik Perubahan Putaran Alternator terhadap Penambahan
Beban Lampu pada Jarak Vertikal Sebesar 3 cm ... 53
Gambar 4.8 Grafik Torsi vs Putaran pada 5 Runner Blade Dengan Jarak
3 cm ... 54
Gambar 4.9 Grafik Perubahan Daya Alternator terhadap Penambahan
Beban pada Jarak Vertikal Runner 5 cm terhadap Guide
Vane 600 ... 59 Gambar 4.10 Grafik Perubahan Putaran Alternator terhadap Penambahan
Beban Lampu pada Jarak Vertikal Sebesar 5 cm ... 59
Gambar 4.11 Grafik Torsi vs Putaran pada 5 Runner Blade Dengan Jarak
5 cm ... 60
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Jenis-jelis Turbin Air dan Kisaran Kecepatan Spesifikasi (Ns) 23 Tabel 2.2 Perbedana Alternator dengan Generator ... 25
Tabel 3.1 Jangkauan dan Akurasi Clamp Meter ... 33
Tabel 4.1 Hasil Pengukuran Kapasitas Aktual Instalasi ... 39
Tabel 4.2 Hasil Percobaan dan Daya Alternator pada Jarak Vertikal
Sebesar 1 cm ... 46
Tabel 4.3 Hasil Pengujian Torsi dan Putaran Berbeban pada 5 Runner
Blade dengan Jarak 1 cm... 48
Tabel 4.4 Hasil Percobaan dan Daya Alternator pada Jarak Vertikal
Sebesar 3 cm ... 52
Tabel 4.5 Hasil Pengujian Torsi dan Putaran Berbeban pada 5 Runner
Blade dengan Jarak 3 cm... 54
Tabel 4.6 Hasil Percobaan dan Daya Alternator pada Jarak Vertikal
Sebesar 5 cm ... 58
Tabel 4.7 Hasil Pengujian Torsi dan Putaran Berbeban pada 5 Runner
Blade dengan Jarak 5 cm... 60
DAFTAR NOTASI
Dalt Diameter Poros Altenator m
d Diameter Hub m
Ek Energi Kinetik kg.m2/s2
Ep Energi Potensial joule
g Percepatan Gravitasi m/s2
Ns Kecepatan Spesifik rpm
n Putaran rpm
P Daya watt
PA Daya Altenator Hasil Pengujian watt
Pair Daya Air watt
Q Kapasitas Aliran/Debit Air m3/s
Ri Jari-jari hub cm
T Waktu s
V Tegangan Listrik volt
v Kecepatan m/s
ys Jarak pusat blade m
ABSTRAK
Listrik merupakan salah satu jenis energi yang paling banyak diaplikasikan dalam kehidupan sehari-hari sehingga kebutuhan akan energi ini sangat tinggi. Berbagai jenis pembangkit listrik telah banyak dikembangkan. Salah satunya pembangkit listrik tenaga mikrohidro yang sangat berpotensi dikembangkan di Indonesia mengingat banyaknya sumber air yang tersedia dan dapat dimanfaatkan untuk membantu masyarakat pedesaan yang belum terjangkau PLN.
Dalam tugas akhir ini di desain dan dibuat turbin kaplan dengan menggunakan satu unit pompa sentrifugal sebagai simulasi aliran air di alam. Kapasitas air (Q) sebesar 0,88 liter/detik dan head instalasi (H) sebesar 1 meter. Selanjutnya untuk mengetahui efektivitas turbin Kaplan dengan 5 runner blade maka dilakukan uji eksperimental dengan variasi jarak vertikal runner terhadap guide vane sebesar 1 cm, 3 cm, dan 5 cm. Maka setelah dilakukan pengujian didapat daya pengisian listrik yang dihasilkan oleh alternator tanpa beban pada jarak 1 cm sebesar 3,969 Watt, pada jarak 3 cm sebesar 2,405 Watt, dan pada jarak 5 cm sebesar 1,591 Watt. Data ini memperlihatkan efisiensi turbin yang paling tinggi terletak pada jarak 1 cm.
ABSTRACT
Electricity is one of the most widely applied energy in everyday life so that the need for energy is very high. Various types of power plants has been developed. One of these micro hydro power plant which is very likely to be developed in Indonesia considering the number of water sources available and can be used to help rural communities not reached by PLN.
In this final task in the design and made kaplan turbine using a centrifugal pump unit as in the natural water flow simulation. Water capacity (Q) of 0.88 liters / sec and head installation (H) of 1 meter. Furthermore, to determine the effectiveness of Kaplan turbine with 5 runner blade then tested experimentally by variations in vertical distance runner of the guide vane by 1 cm, 3 cm and 5 cm. So after testing obtained charging power electricity generated by the alternator without load at a distance of 1 cm at 3,969 watt, at a distance of 3 cm of 2,405 Watt, and at a distance of 5 cm at 1,591 Watt. These data show that most high turbine efficiency lies at a distance of 1 cm.
BAB I
PENDAHULUAN
1.1LATAR BELAKANG
Di zaman modern seperti saat sekarang ini masyarakat sangat bergantung
pada kesediaan sumber daya energi. Tenaga listrik sebagai salah satu bentuk
sumber daya energi memiliki berbagai kelebihan kualitatif dibandingkan dengan
sumber daya energi primer lainnya. Dengan adanya tenaga listrik, segala aktivitas
kegiatan sehari-hari dapat dilakukan dengan mudah dan cepat.
Tenaga listrik juga merupakan salah satu faktor yang menentukan
pencapaian sasaran pembangunan nasional dan pengerak roda perekonomian
negara. Tingginya pertumbuhan permintaan akan tenaga listrik tidak dapat
diimbangi oleh pertumbuhan penyediaan tenaga listrik telah menyebabkan
timbulnya kondisi krisis penyediaan tenaga listrik di beberapa daerah, yang hal ini
menyebabkan terhambatnya perkembangan ekonomi daerah tersebut dan nasional.
Indonesia adalah Negara kepulauan dengan jumlah pulau yang mencapai
ribuan. Dari sekian banyak pulau tersebut belum semua pulau yang dihuni
manusia dapat menikmati listrik. Akibat sulitnya lokasi yang tidak dapat
dijangkau oleh jaringan listrik PLN, secara social lingkungan timbul kesenjangan
perekonomian, pendidikan dan kesehatan.
Kemajuan teknologi sekarang banyak dibuat peralatan-peralatan yang
inovatif dan tepat guna. Salah satu contoh dalam bidang teknik mesin terutama
dalam bidang konversi energi dan pemanfaatan alam sebagai sumber energi.
Diantaranya adalah pemanfaatan air yang bisa digunakan untuk menghasilkan
listrik.
Sebagai upaya untuk memenuhi kebutuhan akan tenaga listrik sekaligus
Indonesia dengan wilayahnya yang beriklim tropis dengan curah hujan yang
tinggi dan kondisi topografi yang bergunung-gunung dengan aliran sungai yang
berpotensi untuk dikembangkan sebagai pembangkit tenaga listrik. Potensi ini
sebagian besar tersebar didaerah pedesaan, sementara diperkirakan masih banyak
penduduk desa yang belum menikmati energi listrik sehingga sangat tepat untuk
mengembangkan pembangkit tenaga listrik.
Tenaga air adalah energi yang diperoleh dari air yang mengalir. Energi
yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam wujud energi mekanis
maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air banyak digunakan dengan
menggunakan kincir air dan turbin air yang memanfaatkan adanya suatu air terjun
atau aliran air disungai.
Salah satu opsi dalam pengembangan sektor energi adalah pemanfaatan
Pembangkit Listrik Tenaga Mini Hidro (PLTM) dan Pembangkit Listrik Tenaga
Mikro Hidro (PLTMH) untuk daerah terpencil yang tidak terjangkau oleh jaringan
listrik PLN. Pembangunan PLTM dan PLTMH tidak memerlukan relokasi tempat
tinggal masyarakat setempat akibat pembuatan bendungan atau waduk. Lebih
jauh, pemanfaatan PLTM dan PLTMH diharapkan dapat menyediakan tenaga
listrik yang murah dan ramah lingkungan serta dapat berdampak pada kesadaran
masyarakat untuk melestarikan hutan sebagai penjaga kelestarian sumber daya air.
Mikrohidro merupakan pembangkit listrik skala kecil, sehingga mudah
untuk diterapkan pada masyarakat, peralatan yang digunakan sederhana, serta
kecilnya areal tanah yang digunakan untuk pengoperasian mikrohidro. Hal ini
merupakan salah satu keunggulan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro, yaitu
tidak menimbulkan kerusakan lingkungan. Mengingat masih besarnya potensi
tenaga air yang belum termanfaatkan, maka saat ini rekayasa mikrohidro masih
sangat dibutuhkan khususnya dalam pemanfaatan potensi pembangkit tenaga
listrik.
Mikrohidro adalah istilah yang digunakan untuk instalasi pembangkit
listrik yang menggunakan energi air. Kondisi air yang bisa dimanfaatkan sebagai
ketinggian tertentu dari instalasi. Semakin besar kapasitas aliran maupun
ketinggiannya dari instalasi maka semakin besar energi yang bisa dimanfaatkan
untuk menghasilkan energi listrik.
Biasanya Mikrohidro dibangun berdasarkan kenyataan bahwa adanya air
yang mengalir di suatu daerah dengan kapasitas dan ketinggian yang
memadai.Istilah kapasitas mengacu kepada jumlah volume aliran air persatuan
waktu (flowcapacity) sedangkan beda ketinggian daerah aliran sampai ke instalasi dikenal dengan istilah head. Mikrohidro juga dikenal sebagai white resources
denganterjemahan bebas bisa dikatakan "energi putih". Dikatakan demikian karena instalasi pembangkit listrik seperti ini mengunakan sumber daya yang telah
disediakan oleh alam dan ramah lingkungan. Suatu kenyataan bahwa alam
memiliki air terjun atau jenis lainnya yang menjadi tempat air mengalir. Dengan
teknologi sekarang maka energi aliran air beserta energi perbedaan ketinggiannya
dengan daerah tertentu (tempat instalasi akan dibangun) dapat diubah menjadi
energi listrik.
Seperti dikatakan di atas, Mikrohidro hanyalah sebuah istilah. Mikro
artinya kecil sedangkan hidro artinya air. Dalam, prakteknya istilah ini tidak
merupakan sesuatu yang baku namun bisa dibayangkan bahwa Mikrohidro, pasti
mengunakan air sebagai sumber energinya. Yang membedakan antara istilah
Mikrohidro dengan Mini hidro adalah output daya yang dihasilkan. Mikro hidro
menghasilkan daya lebih rendah dari 1 MW, sedangkan untuk minihidro daya
keluarannya berkisar antara 1 sampai 5 MW. Secara teknis, Mikrohidro memiliki
tiga komponen utama yaitu air (sumber energi), turbin dan generator. Air yang
mengalir dengan kapasitas tertentu disalurkan dari ketinggian tertentu menuju
rumah instalasi (rumah turbin / power house). Di rumah instalasi air tersebut akan menumbuk turbin dimana turbin sendiri, dipastikan akan menerima energi air
tersebut dan mengubahnya menjadi energi mekanik berupa berputarnya poros
turbin. Poros yang berputar tersebut kemudian ditransmisikan ke generator dengan
mengunakan kopling. Dari generator akan dihasilkan energi listrik yang akan
masuk ke sistem kontrol arus listrik sebelum dialirkan ke rumah-rumah atau
Kebanyakan PLTMH dibangun dengan sistim run off river, tidak dengan kolam tando (reservoir) dimana air sungai dialihkan dengan menggunakan dam yang dibangun memotong aliran sungai, sehingga daya yang dibangkitkan
tergantung dari debit air sungai. Akan tetapi biaya pembangunan run off river
lebih ekonomis dibandingkan dengan sistim reservoir yang memerlukan bendungan yang besar dan area genangan yang luas.
1.2TUJUAN PENELITIAN
Tujuan penelitian ini dibagi menjadi atas tujuan umum dan tujuan khusus :
1.2.1 Tujuan Umum
Tujuan umum penelitian ini adalah untuk lebih mengetahui dan memahami
aplikasi ilmu yang diperoleh dari bangku kuliah terutama dari mata kuliah
energi air.
1.2.2 Tujuan Khusus
Secara khusus tujuan penelitian ini adalah :
1. Untuk menghitung daya air.
2. Untuk menghitung putaran turbin.
3. Untuk menghitung torsi pada poros turbin.
4. Untuk mengetahui kapasitas daya listrik yang dihasilkan.
5. Untuk menghitung daya turbin dengan variasi jarak vertikal runner
terhadap sudut guide vane.
6. Untuk menghitung efisiensi turbin dengan variasi jarak vertikal runner
terhadap sudut guide vane.
1.3BATASAN MASALAH
Untuk memberikan gambaran yang lebih jelas mengenai masalah yang
dikaji dalam penulisan skripsi, maka perlu kiranya diberikan batasan masalah
sebagai berikut:
2. Jumlah runner blade = 5 dengan kapasitas aliran 8,8 liter/detik dari pompa.
3. Jarak vertikal runner terhadap guide vane yang akan diuji adalah sebesar 1
cm, 3 cm dan 5 cm.
4. Aliran fluida dalam steady flow dengan memanfaatkan kinerja pompa. 5. Transmisi menggunakan sabuk dan puli dengan gerakan sabuk terbuka.
6. Pengujian tidak termasuk interkoneksi jaringan listrik.
1.4METODOLOGI PENELITIAN
1. Tinjauan Pustaka
Berupa studi kepustakaan dengan mempelajari buku-buku, jurnal-jurnal,
artikel maupun karya-karya ilmiah yang terkait, baik yang bersumber dari
media cetak, elektronik maupun dari internet.
1) Diskusi Interaktif
Melakukan diskusi dalam bentuk tanya-jawab antara mahasiswa dan dosen
pembimbing menyangkut hal-hal yang berkaitan dengan rancang bangun
instalasi ini serta memecahkan permasalahan yang dihadapi secara
bersama.
2) Rancang Bangun Instalasi Dan Alat Penelitian
Perancangan serta pembuatan turbin Kaplan dimana turbin ini akan di uji
untuk di analisa data hasil dari pengujian tersebut.
1.5MANFAAT PENELITIAN
Manfaat dari penelitian ini adalah :
1. Bagi peneliti, untuk mengetahui efisiensi dari turbin kaplan dengan variasi
jarak vertikal runner terhadap guide vane.
2. Bagi akademik, penelitian ini dapat menambah variasi mesin fluida di
Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara. Serta memberikan
informasi berupa referensi tambahan bagi penelitian selanjutnya pada
1.6KELUARAN SKRIPSI
Keluaran skripsi ini diharapkan akan menghasilkan:
1. Alat pengujian Turbin Kaplan yang dapat dioperasikan dengan pengunaan
kinerja satu unit pompa, pengunaan tiga buah variasi jarak vertikal runner
tehadap guide vane ( 1 cm, 3 cm dan 5 cm ), dan pengunaan pada beberapa
variabel jumlah runner.
2. Buku skripsi akan digunakan sebagai salah satu syarat untuk mendapatkan
gelar Sarjana Teknik dari Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara.
1.7SISTEMATIKA PENULISAN
Agar penyusunan skripsi ini dapat tersusun secara sistematis dan
mempermudah pembaca memahami tulisan ini, maka skripsi ini dibagi dalam
beberapa bagian yaitu:
BAB I : PENDAHULUAN
Pada bab ini akan dibahas mengenai latar belakang dari judul skripsi yang
telah ditetapkan, tujuan, manfaat, batasan masalah, sistematika penulisan dan
metodologi penulisan skripsi.
BAB II : TINJAUAN PUSTAKA
Pada bab ini akan dibahas mengenai teori-teori yang berhubungan dengan
penulisan skripsi. Dasar teori didapatkan dari berbagai sumber, diantaranya
berasal dari : buku - buku pedoman, jurnal, paper, tugas akhir, e-mail, e-book dan
e-news.
BAB III : METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN
Pada bab ini akan dibahas mengenai metode dan alat penelitian yang akan
mengenai langkah-langkah perancangan, instalasi dan analisa data yang akan
digunakan untuk menyelesaikan permasalahan dari topik yang diangkat.
BAB IV : ANALISA DATA DAN HASIL PENGUJIAN
Pada bab ini akan dianalisa dan dibahas mengenai data-data yang telah
diperoleh dari pengujian yang telah dilakukan.
BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
Dalam suatu sistem PLTA dan PLTMH, turbin air merupakan salah satu
peralatan utama selain generator. Turbin air adalah alat untuk mengubah energi air
menjadi energi puntir. Energi puntir ini kemudian diubah menjadi energi listrik
oleh generator.
2.1POTENSI TENAGA AIR
Air merupakan sumber energi yang murah dan relatif mudah didapat,
karena pada air tersimpan energi potensial (pada air jatuh) dan energi kinetik
(pada air mengalir). Tenaga air (Hydropower) adalah energi yang diperoleh dari air yang mengalir. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan
dalam wujud energi mekanis maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air
banyak dilakukan dengan menggunakan kincir air atau turbin air yang
memanfaatkan adanya suatu air terjun atau aliran air di sungai.
Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada
besarnya head dan debit air. Dalam hubungan dengan reservoir air maka head
adalah beda ketinggian antara muka air pada reservoir dengan muka air keluar
dari kincir air/turbin air. Total energi yang tersedia dari suatu reservoir air adalah merupakan energi potensial air yaitu:
�p= ��ℎ ...(2.1) Dengan:
Ep = energi potensial air (Joule)
m = massa air (kg)
Daya merupakan energi tiap satuan waktu ��
�� sehingga persamaan (2.1) dapat dinyatakan sebagai :
E t =
m t gh
Dengan mensubsitusikan P terhadap �E
t� dan mensubstitusikan ρQ
Selain memanfaatkan air jatuh hydropower dapat diperoleh dari aliran air
datar. Dalam hal ini energi yang tersedia merupakan energi kinetik
Ek=
Daya air yang tersedia dinyatakan sebagai berikut:
P = 1
2×Qv
2... (2.4)
atau dengan menggunakan persamaan kontinuitas Q= Av maka
P = 1
2×Av
3 ... (2.5)
Dengan:
2.2SEJARAH TURBIN AIR
Ján Andrej Segner mengembangkan turbin air reaksi pada pertengahan
tahun 1700, turbin ini mempunyai sumbu horizontal dan merupakan awal mula
dari turbin air modern. Turbin ini merupakan mesin yang simpel yang masih
diproduksi saat ini untuk pembangkit tenaga listrik skala kecil. Segner bekerja
dengan Euler dalam membuat teori matematis awal untuk desain turbin.
Pada tahun 1820, Jean-Victor Poncelet mengembangkan turbin aliran ke
dalam. Pada tahun 1826, Benoit Fourneyon mengembangkan turbin aliran keluar.
Turbin ini sangat efisien (~80%) yang mengalirkan air melalui saluran dengan
sudu lengkung satu dimensi. Saluran keluaran juga mempunyai lengkungan
pengarah. Pada tahun 1844, Uriah A. Boyden mengembangkan turbin aliran
keluar yang meningkatkan performa dari turbin Fourneyon. Bentuk sudunya mirip dengan turbin Francis. Pada tahun 1849, James B. Francis meningkatkan efisiensi turbin reaksi aliran ke dalam hingga lebih dari 90%. Dia memberikan test yang memuaskan dan mengembangkan metode engineering untuk desain turbin air. Turbin Francis dinamakan sesuai dengan namanya, yang merupakan turbin air modern pertama. Turbin ini masih digunakan secara luas di dunia saat ini.
Turbin air aliran kedalam mempunyai susunan mekanis yang lebih baik
dan semua turbin reaksi modern menggunakan desain ini. Putaran massa air
berputar hingga putaran yang semakin cepat, air berusaha menambah kecepatan
untuk membangkitkan energi. Energi tadi dibangkitkan pada sudu dengan
memanfaatkan berat jatuh air dan pusarannya. Tekanan air berkurang sampai nol
sampai air keluar melalui sirip turbin dan memberikan energi. Sekitar tahun 1890,
bantalan fluida modern ditemukan, sekarang umumnya digunakan untuk
mendukung pusaran turbin air yang berat. Hingga tahun 2002, bantalan fluida
terlihat mempunyai arti selama lebih dari 1300 tahun Sekitar tahun 1913, Victor
Pada umumnya semua turbin air hingga akhir abad 19 (termasuk kincir
air) merupakan mesin reaksi, tekanan air yang berperan pada mesin dan
menghasilkan kerja. Sebuah turbin reaksi membutuhkan air yang penuh dalam
proses transfer energi.
Pada tahun 1866, tukang pembuat gilingan di California, Samuel Knight
menemukan sebuah mesin yang mengerjakan tuntas sebuah konsep yang berbeda
jauh. Terinspirasi dari sistem jet tekanan tinggi yang digunakan dalam lapangan
pengeboran emas hidrolik, Knight mengembangkan ceruk kincir yang dapat
menangkap energi dari semburan jet, yang ditimbulkan dari energi kinetik air
pada sumber yang cukup tinggi (ratusan kaki) yang dialirkan melalui sebuah pipa
saluran. Turbin ini disebut turbin impuls atau turbin tangensial. Aliran air mendorong ceruk disekeliling kincir turbin pada kecepatan maksimum dan jatuh
keluar sudu dengan tanpa kecepatan.
Pada tahun 1879, Lester Pelton melakukan percobaan dengan kincir
Knight, dikembangkanlah desain ceruk ganda yang membuang air kesamping,
menghilangkan beberapa energi yang hilang pada kincir Knight yang membuang
sebagian air kembali melawan kincir. Sekitar tahun 1895, William Doble
mengembangkan ceruk setengah silinder milik Pelton menjadi ceruk berbentuk
bulat memanjang, termasuk sebuah potongan didalamnya yang memungkinkan
semburan untuk membersihkan masukan ceruk. Turbin ini merupakan bentuk
modern dari turbin Pelton yang saat ini dapat memberikan efisiensi hingga 92%. Pelton telah memprakarsai desain yang efektif, kemudian Doble mengambil alih
perusahaan Pelton dan tidak mengganti namanya menjadi Doble karena nama
Pelton sudah dikenal. Turgo dan turbin aliran silang merupakan desain turbin
impuls selanjutnya.
Turbin air terdapat dalam suatu pembangkit listrik berfungsi untuk
mengubah energi potensial yang dimiliki air menjadi energi kinetik. Selanjutnya
energi kinetik ini akan dirubah menjadi energi elektrik melalui generator. Hal ini
menyebabkan setiap pembahasan tentang turbin hidrolik akan mengikutsertakan
2.3KLASIFIKASI TURBIN AIR
Turbin air dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara, namun yang
paling utama adalah klasifikasi turbin air berdasarkan cara turbin air tersebut
merubah energi menjadi energi puntir. Berdasarkan klasifikasi ini, maka turbin air
dibagi menjadi dua yaitu:
1. Turbin impuls
2. Turbin reaksi
2.3.1 Turbin Impuls
Turbin Impuls adalah turbin yang bekerja karena aliran air. Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nozle. Air keluar nozle yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu
arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse). Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan
atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke
sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan.
2.3.1.1Turbin Pelton
Gambar 2.1 Turbin Pelton
Runner
Turbin Pelton merupakan turbin impuls. Turbin Pelton terdiri dari satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari satu atau lebih
alat yang disebut nozle. Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien. Turbin Pelton adalah turbin yang cocok digunakan untuk head
tinggi.
2.3.1.2Turbin Turgo
Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 s/d 300 m. Seperti turbin
Pelton, turbin Turgo merupakan turbin impuls, tetapi sudunya berbeda. Pancaran air dari nozle membentuk sudu pada sudut 20o. Kecepatan putar turbin Turgo
lebih besar dari turbin Pelton. Akibatnya dimungkinkan transmisi langsung dari turbin ke generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus menurunkan
biaya perawatan.
Gambar 2.2 Turbin Turgo
2.3.1.3Turbin Ossberger Atau Turbin Crossflow
Tipe turbin impuls lainnya dalah turbin Crossflow (Stapenhorst, 1978) yang biasa disebut sebagai turbin banki atau turbin Mitchell. Turbin crossflow
merupakan turbin impuls yang berporos horizontal bekerja dengan cara tekanan air dikonversikan menjadi energi kinetik di inlet adaptor. Aliran air yang
menyebabkan berputarnya runner setelah berbenturan pertama dengan sudu turbin, kemudian menyilang (crossflow) mendorong sudu tingkat kedua.
Gambar 2.3 Turbin Ossberger Atau Turbin Crossflow (Turbin Michell-Banki)
2.3.2 Turbin Reaksi
Yang dimaksud dengan turbin reaksi adalah turbin air yang cara
bekerjanya dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi
puntir. Turbin air reaksi dibagi menjadi dua jenis yaitu:
1. Turbin Francis
2. Turbin Kaplan
2.3.2.1 Turbin Francis
Diciptakan oleh James Francis Bichens dari Inggris. Termasuk jenis turbin
reaksi dengan arah aliran aksial-radial. Turbin ini beroperasi pada head (tinggi jatuh) 10 – 650 meter, dapat menghasilkan daya 10 – 750 MW dengan Ns (spesific speed) 83 – 1000 rpm. Pada umumnya turbin ini di desain dengan posisi poros vertikal untuk menjaga agar air tidak mengenai rumah generator dan peralatan
Gambar 2.4 Turbin Francis
2.3.2.2 Turbin Kaplan
Turbin Kaplan termasuk kelompok turbin air reaksi jenis baling-baling
(propeller). Keistimewaannya adalah sudut sudu geraknya (runner) bisa diatur
(adjustable blade) untuk menyesuaikan dengan kondisi aliran saat itu yaitu perubahan debit air. Turbin ini beroperasi pada head (tinggi jatuh) 10 – 70 meter, dapat menghasilkan daya 5 – 120 MW dengan Ns (spesific speed) 79 – 429 rpm. Pada pemilihan turbin didasarkan pada kecepatan spesifiknya. Turbin Kaplan ini memiliki kecepatan spesifik tinggi (high spesific speed). Turbin kaplan bekerja pada kondisi head rendah dengan debit besar.
2.3.2.2.1Prinsip Kerja Turbin Kaplan
Tidak berbeda dengan turbin Francis, turbin Kaplan cara kerjanya menggunakan prinsip reaksi. Turbin ini mempunyai roda jalan yang mirip dengan
baling-baling pesawat terbang. Bila baling-baling pesawat terbang berfungsi
untuk menghasilkan gaya dorong, roda jalan pada Kaplan berfungsi untuk mendapatkan gaya F yaitu gaya putar yang dapat menghasilkan torsi pada poros turbin. Berbeda dengan roda jalan pada Francis, sudu-sudu pada roda jalan
Kaplan dapat diputar posisinya untuk menyesuaikan kondisi beban turbin. Turbin
Kaplan banyak dipakai pada instalasi pembangkit listrik tenaga air sungai, karena turbin ini mempunyai kelebihan dapat menyesuaikan head yang berubah-ubah sepanjang tahun. Turbin Kaplan dapat beroperasi pada kecepatan tinggi sehingga ukuran roda turbin lebih kecil dan dapat dikopel langsung dengan generator. Pada
kondisi beban tidak penuh turbin kaplan mempunyai efisiensi paling tinggi, hal ini dikarenakan sudu-sudu turbin Kaplan dapat diatur menyesuaikan dengan beban yang ada.
2.3.2.2.2Komponen Utama Turbin Kaplan
Komponen-komponen utama turbin Kaplan adalah:
1. Rumah turbin
Air dari saluran pipa didistribusikan di sekeliling cincin rumah turbin.
Rumah turbin didesain sedemikian sehingga luas penampang melintangnya
berkurang secara seragam. Luas penampang melintangnya maksimum pada sisi
Rumah turbin akan mendistribusikan air secara merata kepada guide vane. Untuk mencapai aliran seragam pada runner blade, maka aliran air harus seragam masuk ke dalam guide vane.
2. Mekanisme pengarah (guide vane)
Sudu pengarah (guide vane) terpasang tetap diantara dua cincin dalam bentuk roda. Roda ini dipasang tetap pada rumah turbin. Sudu pengarah didesain
untuk:
Supaya air masuk ke runner tanpa kejut. Supaya sejumlah air bisa memasuki turbin.
Sudu pengarah bisa dibuka dan ditutup dengan memutar poros pengatur,
sehingga jumlah air bisa diatur sesuai keperluan. Poros pengatur dioperasikan
dengan menggunakan governor, yang fungsinya mengatur turbin (yaitu menjaga kecepatan turbin konstan pada beban yang bervariasi).
Gambar 2.7 Guide vane
Turbin Kaplan adalah salah satu jenis dari turbin reaksi aliran ke dalam (inward), yakni turbin reaksi dimana air memasuki roda pada bagian lingkaran luar dan mengalir menuju kedalam melalui sudu (yaitu menuju pusat roda).
Turbin reaksi ini terdiri dari sudu pengarah tetap, yang mengarahkan air ke roda
3. Runner blade
Runner blade terdiri dari sudu yang terpasang tetap pada poros atau cincin. Sudu didesain supaya air masuk dan meninggalkan turbin tanpa kejut. Runner blade terpasang pada poros. Jika porosnya vertikal, disebut turbin vertikal, dan jika poros horisontal maka disebut turbin horisontal. Untuk head rendah, runner blade bisa dibuat dari besi tuang, tetapi untuk head tinggi, runner blade dibuat dari baja atau paduan. Jika air secara kimia tidak murni, runner dibuat dari paduan spesial.
Gambar 2.8 Runner blade
4. Draft tube
Air setelah melewati runner, mengalir turun melalui pipa yang disebut
draft tube. Draft tube mempunyai fungsi antara lain:
2.3.2.2.3 Dimensi Dasar Turbin Kaplan
Dimensi dasar turbin Kaplan bergantung pada diameter luar runner (D), tinggi guide vane (B), jarak vertikal runner terhadap sisi dalam guide vane (λ),
dan diameter hub (d) dapat dilihat pada gambar 2.10
Gambar 2.10 Elemen dasar turbin Kaplan
Persamaan dasar untuk mencari diameter luar runner (D) :
D = (66,76 + 0,136 Ns)√ Heff
n ...(2.6)
Dengan:
Ns = putaran spesifik (rpm) n = putaran turbin (rpm)
Persamaan dasar untuk mencari tinggi guide vane (B) :
B = �0,45−31,80
ns �D ...(2.7)
Sedangkan persamaan dasar untuk mencari jarak vertikal runner terhadap sisi dalam guide vane (λ):
λ = 0,25.D...(2.8)
Dan persamaan untuk mencari diameter hub (d) : �
2.3.2.2.4 Dimensi Dasar Runner Blade
Segitiga kecepatan masuk pada runner blade dapat dilihat pada gambar 2.11 dibawah ini.
Gambar 2.11 Segitiga kecepatan masuk dan keluar runner blade
Dimana,
Vf = Kecepatan aliran air
Ub = Kecepatan tepi (rim) diameter boss U = Kecepatan tepi (rim) diameter luar
Uwb = Kecepatan pusaran air (whirl) diameter boss Uw = Kecepatan pusaran air (whirl) diameter luar
�� = Sudut sudu (blade) pada area fluida masuk (inlet)
�� = Sudut sudu (blade) pada area fluida keluar (outlet)
Persamaan untuk mencari kecepatan aliran air (Vf) adalah:
Vf = �2gH ...(2.10)
Persamaan untuk mencari Kecepatan tepi (rim) diameter boss dan diameter dalam
(������) adalah:
�= �.�.�
60 ...(2.12)
Persamaan untuk mencari Kecepatan pusaran air (whirl) diameter boss dan diameter dalam adalah :
��� = 100 . ��.�.��
�...(2.13)
�� = 100 . ��.�.��...(2.14)
Persamaan untuk mencari Sudut sudu (blade) pada area fluida masuk (inlet)
adalah :
tan (��) = ��
��...(2.15)
Persamaan untuk mencari Sudut sudu (blade) pada area fluida keluar (outlet)
adalah :
tan (��) = ��
���...(2.16)
2.4 KARAKTERISTIK TURBIN
Perbandingan karakteristik turbin dapat kita lihat pada grafik head (m) vs
flow (m3/s) dibawah ini.
Dapat dilihat pada gambar 2.12 turbin Kaplan adalah turbin yang
beroperasi pada head yang rendah dengan kapasitas aliran yang tinggi. Hal ini
karena sudu-sudu turbin dapat diatur secara manual atau otomatis untuk merespon
perubahan kapasitas.
2.5 SELEKSI AWAL JENIS TURBIN
Seleksi awal dari jenis turbin yang cocok untuk suatu keperluan paling
tepat dilakukan dengan kecepatan spesifik (Ns). Dalam tabel 2.1 disajikan nilai kecepatan spesifik (Ns) untuk berbagai jenis turbin. Tabel 2.1 dapat digunakan sebagai panduan awal dalam pemilihan jenis turbin yang tepat untuk nilai Ns
tertentu. Nilai Ns yang tercantum dalam tabel 2.1 bukan nilai eksak.
Untuk setiap jenis turbin terdapat suatu nilai kisaran tinggi terjun dan
kecepatan spesifik yang sesuai. Korelasi empiris antara terjun (H) dan kecepatan spesifik (Ns) disajikan dibawah ini.
Untuk turbin Francis, Moody memperoleh korelasi sebagai berikut:
�� = 6803
�+9,75+ 84 ...(2.17)
Sedangkan untuk turbin propeller atau Kaplan, Moody memperoleh korelasi
sebagai berikut:
�� = 9431
�+9,75+ 155...(2.18)
Tabel 2.1 Jenis-jenis turbin air dan kisaran kecepatan spesifiknya (Ns)
Jenis Turbin Ns (metrik)
1. Turbin Impuls a. Satu jet (Turbin Pelton) 4-30
b. Banyak jet (turbin Doble) 30-70 2. Turbin Reaksi a. Francis
Ns rendah 50-125
Ns normal 125-200
Ns tinggi 200-350
Ns exspress 350-500
b. Propeller
Sudu tetap (Turbin Nagler) 400-800
Sudu dapat diatur (Turbin Kaplan) 500-1000
Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Air selalu diusahakan agar generator
dikopel langsung dengan turbin. Atau dengan kata lain putaran turbin terbatas
pemilihannya agar dapat dikopel dengan generator. Putaran turbin berhubungan
dengan spesifik sebagaimana persamaan 2.22 di atas, atau menurut referensi yang
lain :
Dari nilai spesifik ini dapat ditentukan jenis turbin yang digunakan yang
dapat dijelaskan sebagai berikut :
Ns = 8 - 50 jenis turbin Pelton Ns = 50 - 149 jenis turbin Perancis
Pemilihan putaran spesifik ini sangat berhubungan dengan dimensi
peralatannya, yang berarti juga mempengaruhi konstruksi dan harga. Pemilihan
turbin kebanyakan didasarkan juga pada head air yang didapatkan dan kurang
lebih pada rata-rata alirannya. Umumnya, turbin impuls digunakan untuk tempat
dengan head tinggi, dan turbin reaksi digunakan untuk tempat dengan head
rendah. Turbin Kaplan baik digunakan untuk semua jenis debit dan head,
efisiensinya baik dalam segala kondisi aliran.
Turbin kecil (umumnya dibawah 10 MW) mempunyai poros horisontal,
dan kadang dipakai juga pada kapasitas turbin mencapai 100 MW. Turbin Francis
dan Kaplan besar biasanya mempunyai poros / sudu vertikal karena ini menjadi
penggunaan paling baik untuk head yang didapatkan, dan membuat instalasi
generator lebih ekonomis. Poros Pelton bisa vertikal maupun horisontal karena
ukuran turbin lebih kecil dari head yang di dapat atau tersedia. Beberapa turbin
impuls menggunakan beberapa semburan air tiap semburan untuk meningkatkan
kecepatan spesifik dan keseimbangan gaya poros.
2.6 ALTERNATOR
Bila sejumlah kawat email dililitkan ke paku, lalu kawat dialiri arus listrik,
gulungan itu menimbulkan medan magnet, dan menyebabkan paku tersebut
menjadi magnet. Kuatnya magnet ditentukan oleh berapa banyak gulungan kawat
dan berapa besar arus listriknya. Magnet jenis ini lazim disebut sebagai
Alternator (alternate = selang-seling; artinya listrik yang dihasilkan adalah AC) menggunakan teknik yang sama seperti diatas untuk menghasilkan listrik.
Ketika rotor (as) diberi arus maka rotor itu menjadi magnet. Dan ketika diputar,
magnet yang ada di as menciptakan medan magnet lagi. Medan magnet ini lalu
bersinggungan memotong kumpulan koil/ kumparan yang ada disekelilingnya
sehingga terciptalah arus listrik. Karena magnet terdiri dari 2 kutub, maka arus
listriknya menjadi selang seling, atau lazim disebut sebagai arus bolak-balik.
Adapun perbedaan antara altenator dan generator, yakni dapat dilihat pada
tabel 2.2 sebagai berikut:
Tabel 2.2 Perbedaan altenator dengan generator
Kumparan
pembangkit Altenator Generator
Kumparan medan •
• Tidak perlu tempat yang luas
• Jika hubung singkat generator aman
Kerugian • Bila hubung singkat altenator rusak
• Pada putaran rendah tegangan kecil
• Perlu tempat yang luas
2.7 SABUK DATAR DAN PULI
Belt (sabuk) digunakan untuk mentransmisikan daya dari poros yang satu
efisien pada kecepatan tinggi, dan juga mampu mentransmisikan sejumlah daya
yang besar pada jarak pusat pulley yang panjang.
2.7.1 Jenis Gerakan Pada Sabuk
Energi dari suatu puli ditransmisikan kemanapun. Berikut jenis gerakan
pada sabuk:
1. Gerakan sabuk terbuka
Gerakan sabuk terbuka ditunjukkan di dalam gambar 2.14, jenis ini
digunakan diporos. Berputar dan paralel yang diatur ke arah yang sama. Ketika
memusat jarak antara kedua poros besar, kemudian sisi yang ketat sabuk harus
lebih rendah.
Gambar 2.14 Sabuk terbuka
2. Gerakan membelit atau melingkar pada sabuk
Gerakan membelit atau melingkar ditunjukkan di dalam gambar 2.15,
digunakan poros pengatur berputar dan paralel di dalam arah kebalikannya.
Tegangan yang kecil akan menunjukkan bahwa pada suatu titik silang sabuk, hal
ini akan menggosok melawan terhadap satu sama lain dan di sana akan terjadi
kerusakan disebabkan gesekan berlebih dalam rangka menghindari ini, poros
Gambar 2.15 Gerakan membelit atau melingkar pada sabuk
3. Gerakan dengan puli pengarah
Gerakan sabuk dengan puli pengarah ditunjukkan didalam gambar 2.16,
dengan menggunakan poros yang digunakan untuk pengaturan paralel dan ketika
sabuk terbuka tidak adapat digunakan dalam sudut yang kecil dan penghubung
pada puli kecil. Pengarah jenis ini disajikan untuk memperoleh perbandingan
percepatan tinggi dan ketika tegangan sabuk yang diperlukan tidak bisa diperoleh
oleh alat-alat lain. Ketika itu diinginkan untuk mentransmisikan gerakan dari satu
poros ke beberapa poros, semua diatur didalam paralel, suatu sabuk menggerakan
dengan banyak puli.
2.7.2 Perbandingan Kecepatan Puli
Karena kecepatan linier pada kedua puli sama, maka:
��1�1 = ��2�2...(2.20)
Dan perbandingan putaran kedua puli menjadi:
�2
N1 = putaran pergerakan (rpm) N2 = putaran yang digerakkan (rpm) D1 = diameter puli penggerak (m) D2 = diameter puli yang digerakkan (m)
2.7.3 Efisiensi Puli
Untuk mencari efisiensi puli menggunakan rumus sebagai berikut:
�p= �
Daya listrik adalah banyaknya energi tiap satuan waktu dimana pekerjaan
sedang berlangsung atau kerja yang dilakukan persatuan waktu. Dari definisi ini,
maka daya listrik (Pl) dapat dirumuskan:
BAB III
METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN
3. 1 UMUM
Turbin Kaplan atau propeller merupakan turbin reaksi aliran aksial. Turbin ini tersusun dari propeller seperti pada pesawat terbang. Propeller tersebut biasanya mempunyai 3 hingga 6 sudu yang disebut dengan runner blade. Runner blade mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui runner blade. Perbedaan tekanan ini memberikan gaya pada
runner blade sehingga dapat berputar. Bila untuk pesawat terbang maksudnya adalah supaya dari gaya dorong yang ada bisa didapatkan gaya ke atas, dengan
tahanan yang sedikit mungkin. Tetapi pada turbin Kaplan maksudnya adalah untuk mendapatkan gaya tangensial yang bisa menghasilkan torsi pada pada
poros. Putaran poros ini yang akan diteruskan dengan sistem transmisi sabuk dan
puli untuk memutar altenator. Putaran altenator menghasilkan listrik tegangan
AC. Yang kemudian dikonversi/diubah menjadi tegangan DC
Uji eksperimental turbin Kaplan dengan 5 runner blade dan analisa perbandingan variasi jarak vertikal runner terhadap guide vane dilakukan di Laboratorium Teknologi Mekanik, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara. Dalam uji eksperimental turbin Kaplan digunakan kinerja pompa sebagai pengkondisian kapasitas aliran air di alam ditambah
beberapa instalasi, yakni sebagai berikut:
Instalasi reservoir (dalam hal ini digunakan satu unit tong) Instalasi saluran perpipaan
Instalasi dudukan rumah turbin Kaplan Instalasi altenator
Pembuatan runner blade dengan jumlah runner adalah 5 sudu dari bahan kuningan
Pembuatan poros dari bahan besi
Pembuatan dudukan turbin dari bahan besi siku
Pembuatan rumah turbin, guide vane, dan draft tube dengan pengerjaan plat.
Aliran air yang digunakan berasal dari resevoir yang telah diisi oleh air
kemudian dipompa oleh satu unit pompa sentrifugal menuju rumah turbin dan
jatuh kembali ke resevoir melalui draft tube secara siklus. Kapasitas aliran (debit)
air yang akan dipompa dapat diatur melalui sebuah katup pengatur (ball valve)
sesuai dengan kebutuhan. Rumah turbin dimana memiliki geometri variabel yang
dapat membuat operasi efisien untuk aliran air. Rumah turbin juga berfungsi
untuk memberikan gaya sentripetal agar runner blade dapat bergerak melingkar yakni gaya yang selalu membelokkannya menuju pusat lintasan lingkaran draft tube. Gerak melingkar runner blade inilah yang akan dikonversikan untuk memutar poros altenator dan menghasilkan arus listrik. Dengan kata lain energi
kinetik yang terdapat dari aliran air masuk ke rumah turbin akan dimanfaatkan
menjadi energi mekanik untuk memutar runner blade.
Dari uraian di atas, jelas bahwa penggunaan turbin Kaplan dapat mengubah energi kinetik fluida menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros.
Selanjutnya daya poros ini akan dikopel atau ditransmisikan ke altenator dan
diubah menjadi energi listrik.
3.2 SPESIFIKASI TURBIN KAPLAN
Spesifikasi turbin Kaplan dalam uji eksperimental turbin Kaplan dengan 5
runner blade dan analisa perbandingan jarak vertikal runner terhadap guide vane
(yakni dengan jarak 1 cm, 3 cm dan 5 cm) adalah sebagai berikut:
Jarak vertikal runner(λ) = 1 cm, 3cm dan 5 cm Diameter boss = 6,5 cm
3.3 RANCANG BANGUN INSTALASI
Rancang bangun instalasi pemipaan pada uji eksperimental turbin Kaplan
menggunakan single line installation yakni memompa atau mensirkulasikan air dari reservoir ke rumah turbin dengan pompa tunggal. Pipa yang digunakan
berdiameter 2 inch dari bahan PVC. Instalasi pipa ini terdiri dari 4 buah elbow
atau belokan untuk meminimalisir head losses instalasi. Adapun tujuan rancang bangun instalasi pipa adalah sebagai bentuk simulasi dari suatu aliran sungai
dengan kapasitas memenuhi karakteristik pemilihan turbin Kaplan.
Gambar 3.1 Instalasi turbin Kaplan
3.4 PERALATAN PENGUJIAN 3.4.1 Hand Tachometer
Alat ini digunakan untuk mengukur putaran (rpm) poros. Turbin Kaplan
yang digunakan dalam uji eksperimental turbin Kaplan dengan 5 runner blade
jarak 1 cm, 3 cm dan 5 cm) ini, hand tachometer yang digunakan adalah Krisbow KW06-303 dengan spesifikasi:
Ketelitian (akurasi) : ± 0,05% + 1 digit
Range : autorange
Sampling time : 0,8 s (over 60 rpm)
Gambar 3.2 Hand Tachometer
3.4.2 Clamp Meter
Clamp meter digunakan untuk mengukur besarnya arus listrik (ampere) yang yang dihasilkan melalui rangkaian listrik (beban) dengan cara dihubungkan
seri pada rangkaian listrik. Dalam uji eksperimental turbin Kaplan dengan 5
runner blade dan analisa perbandingan jarak vertikal runner terhadap guide vane
(yakni dengan jarak 1 cm, 3 cm dan 5 cm) ini, clamp meter yang digunakan adalah Krisbow KW06-286 dengan spesifikasi:
Fungsi Jangkauan Akurasi
Multimeter digunakan untuk mengukur besarnya tegangan listrik (volt) yang dibangkitkan oleh dinamo dengan cara dihubungkan parallel pada rangkaian
listrisk. Dalam uji eksperimental turbin Kaplan dengan 5 runner blade dan analisa perbandingan jarak vertikal runner terhadap guide vane (yakni dengan jarak 1 cm, 3 cm dan 5 cm) ini, multimeter yang gunakan adalah tipe fluke 15B digital
multimeter dengan spesifikasi:
AC voltage : 0, 200, 750 V
DC current : 0 µA, 200 µA, 2 mA, 20 mA, 200 mA
Resistance : 200 Ω, 2 kΩ, 20 kΩ, 200 kΩ, 2000 kΩ
Gambar 3.4 Multimeter
3.4.4 Altenator
Alternator yang digunakan pada pengujian merupakan sebuah mesin kipas
angin yang memiliki daya maksimal 8 Watt.
Gambar 3.5 Altenator
3.4. 5 Instalasi Rangkaian Lampu
Pada instalasi ini mengunakan rangkaian pararel yang terdiri dari lampu
pijar berdaya 4 Watt dan 3 Watt. Pada masing-masing lampu dipasang sakelar
Gambar 3.6 Rangkaian lampu
3.4.6 Pompa
Pompa ini digunakan untuk memompakan air dari resevoir ke rumah
turbin sebagai simulasi aliran air di alam. Dalam uji eksperimental turbin Kaplan
dengan 5 runner blade dan analisa perbandingan jarak vertikal runner terhadap
guide vane (yakni dengan jarak 1 cm, 3 cm dan 5 cm) ini, spesifikasi pompa yang digunakan adalah:
Pabrikan/Merk : Kyomizu
Voltase : 220 V/240 V
Kapasitas maximum : 88 L/menit
Head tekan maximum : 22 m
Head isap maximum : 8 m
3.5 PELAKSANAAN PENGUJIAN
Pengujian turbin kaplan dengan 5 runner blade dilakukan di lantai 4 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Pengukuran-pengukuran yang dilakukan terhadap penelitian ini meliputi:
1. Pengukuran putaran (rpm) poros turbin Kaplan dan poros generator dengan menggunakan Hand Tachometer.
2. Pengukuran arus listrik (ampere) dengan menggunakan Clamp Meter. 3. Pengukuran debit air dengan menggunakan stopwatch.
4. Pengukuran tegangan listrik (volt) dengan menggunakan Multi Meter.
Sebelum dilakukan pengujian turbin Kaplan dan pengambilan data, terlebih dahulu dilakukan pemeriksaan (checking) terhadap beberapa instalasi dan peralatan, yang meliputi:
1. Pemeriksaan sambungan pipa diinstalasi tidak terjadi kebocoran
2. Pemeriksaan pipa penghubung air masuk ke rumah turbin sudah terikat
kuat dengan tidak ada celah air keluar.
3. Pemeriksaan pada guide vane telah mengarah pada sudut 60o.
4. Pemeriksaan kesesuaian jarak vertikal runner dengan guide vane terhadap data yang akan diambil.
5. Pemeriksaan runner blade tidak menyentuh draft tube. 6. Pemeriksaan kesesuaian jarak puli dan sabuk.
7. Permeriksaan puli dapat berputar dengan baik.
8. Pemeriksaan instalasi lampu sebagai beban.
9. Pemeriksaan poros turbin kaplan dan poros altenator serta pemberian
pelumas pada bearing. 10.Pemeriksaan altenator.
Setelah prosedur pemeriksaan terhadap beberapa instalasi dan peralatan di
atas selesai dilakukan dan pemeriksaan dipastikan dalam kondisi standby, maka prosedur pengujian pun dapat dimulai. Adapun prosedur pengujian turbin Kaplan
1. Hidupkan motor listrik penggerak pompa.
2. Dilakukan monitoringrunner blade tidak menyentuh draft tube dan guide vane dan poros dalam keadaan stabil.
3. Setelah aliran air pada pipa penghubung dan putaran turbin konstan, maka
pengukuran putaran pada poros turbin Kaplan dan poros altenator dengan
Hand Tachometer.
4. Hitung torsi yang dihasilkan dengan menggunakan neraca pegas sebagai
gaya beban.
5. Setelah pengambilan data selesai dilakukan matikan pompa.
6. Ulangi percobaan diatas untuk jarak 3 cm dan 5 cm.
Besaran-besaran yang diukur dan dicatat meliputi:
1. Tegangan listrik yang dihasilkan generator (V)
2. Arus listrik yang melalui rangkaian (A)
3. Putaran poros sturbin Kaplan (rpm)
Survei Data
Perhitungan Kecepatan
Flowchart pengujian turbin Kaplan dengan 5 runner blade dan pengujian.
Tidak
Ya Studi literatur
Literatur
Penentuan Jenis Turbin Mulai
Rancang Bangun Instalasi Turbin Kaplan Dengan 5
Runner Blade
Pengujian Turbin Dengan menggunakan hand tachometer,
multimeter, clamp meter
Kesimpulan dan Saran
Selesai
Buku-buku Pedoman, Jurnal-jurnal Pendukung, dan
sebagainya.
BAB IV
ANALISA DATA DAN HASIL PENGUJIAN
4. 1 PERHITUNGAN DIMENSI DASAR TURBIN KAPLAN
4.1.1 Kapasitas Aktual dan Head Efektif Instalasi Kapasitas aktual instalasi
Pengukuran dilakukan dengan menampung air dari instalasi pipa pada
ember dengan kapasitas 15 L, diambil sebanyak 3 kali.
Tabel 4.1 Hasil pengukuran kapasitas aktual instalasi
Pengukuran Waktu (detik) Kapasitas (liter)
I 1,8 1,5
II 1,5 1,5
III 1,8 1,5
�
=
1,5 1,7����� �����
Q = 0,88 liter/detik
Gambar 4.1 Instalasi pipa
4.1.2 Dimensi dasar turbin Kaplan
Perancangan dimensi turbin Kaplan dimulai dari data – data yang sudah
didapat dan dari data – data perencanaan, seperti head, putaran turbin, efisiensi
hidrolik serta efisiensi turbin.
H = 1 m
Putaran rencana : N = 350 rpm
Asumsi : �� = 70 %
�� = 80%
Tinggi air = 50 cm 80 cm
Elbow 90o
Runner Blade Altenator
Resevoir
Debit air dalam (�3/s) :
Debit yang masuk turbin secara teoritis dapat diandaikan sebagai debit
yang melalui suatu curat dengan tinggi terjun (Head) yang bekerja pada turbin.
Debit air didapat dari pompa air dengan nilai
� = 0,00088 �3/�
Daya Teoritis Air :
Daya teoritis air didapat dari perkalian antara berat jenis air dengan head
turbin dan kapasitas air.
Pa = ρ . g. H. Q
Pa = 998,2 x 9,81 x 1 x 0,88
Pa = 8,617 Watt
Dimensi Dasar Turbin
Kecepatan aliran air masuk turbin yaitu
Uf =�2gH =�2 × 9,81 × 1
Uf = 4,429 m/s
Diameter luar runner �� = 16 ��, diameter dalam runner :
� =�
4(��
2− �
�2)��
=� 4�0,16
2− �
�2�4,429
�� =�0, 162−0,785×4,4290,00088
= √0,004212
Daya teoritis turbin :
Daya teoritis turbin didapat dari daya teoritis air dikalikan dengan efisiensi
turbin.
Kecepatan aliran air :
Kecepatan aliran air adalah kecepatan air pada sisi masuk ke dalam rumah
turbin.
Uf = 4,429 m/s
Kecepatan tepi (rim) diameter boss dan diameter dalam :
Kecepatan tepi adalah kecepatan keliling pada sisi masuk rumah turbin.
�= 2,9306 �/�
Kecepatan pusaran air (whirl) diameter boss dan diameter dalam :
Kecepatan pusaran air pada sisi masuk (inlet).
��� = ���.��.�
��� = 0,8 . 9,81 . 11,1905
��� = 6,5921 �/�
�� = ���.�.�
�� = 0,8 . 9,81 .12,9306
�� = 2,6779 �/�
sudut sudu (blade) pada area fluida masuk (inlet) :
tan (��) = ���
�
tan(��) = 4,429
2,6779
tan(��) = 1,653
�� = ���tan 1,653
�� = 58,82°
Sudut sudu pada area fluida keluar :
tan (��) = ��
���
tan (��) = 4,429
6,5921
�� = ��� tan 0,6718
�� = 33,89°
Gambar 4.2 Arah aliran sudu
4.2PERHITUNGAN EFISIENSI TURBIN KAPLAN DENGAN 5 RUNNER BLADE PADA SUDUT GUIDE VANE 600 DAN JARAK VERTIKAL RUNNER TEHADAP GUIDE VANE SEBESAR 1 CM
4.2.1 Arus, tegangan, dan putaran
Dari hasil pengukuran dengan alat ukur multimeter dan tachometer
diperoleh data sebagai berikut:
a. Untuk tanpa pembebanan lampu, diperoleh :
4) Putaran poros altenator (n20) : 994 rpm
b. Untuk pembebanan dengan 1 lampu (3 Watt), diperoleh:
1) Arus yang dihasilkan alternator (I3) : 35,5 mA 2) Tegangan yang diisi dari altenator ke aki (V3) : 50 Volt 3) Putaran poros turbin Kaplan (n13) : 156 rpm 4) Putaran poros altenator (n23) : 897 rpm c. Untuk pembebanan dengan 1 lampu (4 Watt), diperoleh:
1) Arus yang dihasilkan alternator (I4) : 35,3 mA 2) Tegangan yang diisi dari altenator ke aki (V4) : 49 Volt 3) Putaran poros turbin Kaplan (n14) : 142 rpm 4) Putaran poros altenator (n24) : 816 rpm d. Untuk pembebanan dengan 2 lampu (7 Watt), diperoleh:
1) Arus yang dihasilkan alternator (I7) : 34,3 mA 2) Tegangan yang diisi dari altenator ke aki (V7) : 44 Volt 3) Putaran poros turbin Kaplan (n17) : 139 rpm 4) Putaran poros altenator (n27) : 799 rpm
4.2.2. Analisa daya dan putaran altenator pemberian beban
Dari data yang telah diperoleh dari hasil pengujian, dapat diketahui bahwa
tegangan dan besar arus yang dihasilkan altenator menggunakan alat ukur
tergantung pada besar beban (lampu) yang digunakan, sehingga dapat dihitung
besar daya dengan menggunakan rumus:
P = V.I
Maka daya alternator yang dihasilkan adalah sebagai berikut:
a. Untuk tanpa pembebanan lampu, diperoleh:
Pc0 = V0 . I0
b. Untuk pembebanan 1 lampu (3 Watt), diperoleh:
Pc3 = V3 . I3
Pc3 = 50 . 35,5 . 10-3 Pc3 = 1,775 Watt
c. Untuk pembebanan 1 lampu (4 Watt), diperoleh:
Pc4 = V4 . I4
Pc4= 49 . 35,3 . 10-3 Pc4 = 1,7297 Watt
d. Untuk pembebanan 2 lampu (7 Watt), diperoleh:
Pc7 = V7 . I7
Pc7 = 44 . 34,3 . 10-3 Pc7 = 1,5092 Watt
Dari perhitungan data diatas dapat ditampilkan dalam bentuk tabel yakni
sebagai berikut:
Tabel 4.2 Hasil percobaan dan daya alternator pada jarak vertikal sebesar 1 cm
Beban
Dari tabel 4.3 diatas dapat ditampilkan kedalam bentuk grafik untuk
mengetahui lebih jelas fenomena pada perubahan daya alternator terhadap
Gambar 4.3 Grafik perubahan daya pada alternator terhadap penambahan beban
pada jarak vertikal runner 1 cm terhadap guide vane guide vane 60o
Dengan melihat grafik diatas, dapat dianalisa semakin besar penambahan
beban maka semakin kecil putaran poros alternator. dan hanya dapat diberi
pembebanan 2 lampu (7 Watt).
Selanjutnya hubungan antara perubahan putaran di poros altenator
terhadap penambahan beban lampu dapat dilihat grafik dibawah ini.
Gambar 4.4 Grafik perubahan putaran altenator terhadap penambahan beban
Dari grafik diatas, dapat dianalisa semakin besar penambahan beban maka
semakin kecil putaran poros altenator. Dimana putaraan poros tanpa beban lampu
adalah 994 rpm dan ketika diberi beban lampu paling besar (7 Watt) putaran
altenator menjadi 799 rpm.
4.2.3 Pengujian Torsi - Putaran Berbeban
Data pengujian didapat dari pengukuran yang dilakukan dalam waktu yang
bersamaan (sekaligus). Dalam kasus ini, pengujian membutuhkan waktu yang
cukup lama untuk menentukan pembebanan yang tepat sebelum poros berhenti
berputar. Pembebanan ini dilakukan menggunakan gesekan tali yang dikaitkan
pada 2 neraca pegas. Waktu pengujian sampel sepanjang 20 detik, dibutuhkan
lebih dari 15 x pengujian (sampel) untuk setiap perubahan variasi. Pengukuran
putaran dilakukan dalam kondisi poros terbeban hampir berhenti.
Tabel 4.3 Hasil pengujian torsi dan putaran berbeban pada 5 runner blade dengan jarak 1 cm
Pengujian Torsi (Nm)
Beban Lampu (Watt) Torsi (Nm) Putaran (rad/s)
0 0,23 18,10733
3 0,18 16,328
4 0,16 14,86267
7 0,16 14,54867
4.2.4. Efisiensi daya turbin dan efisiensi daya altenator
Performansi pada turbin merupakan daya mekanik yang dihasilkan dari
sebuah turbin. Untuk mendapatkan nilai tersebut maka data yang diperlukan
adalah kecepatan sudut (
�
) dan torsi (T).Untuk menghitung daya turbin, digunakan persamaan :
� =� .�
Dimana:
� =���������� (����)
�= ����� ≈0,23 ��
�=�������������� (���)
Untuk menghitung kecepatan sudut adalah :
ω = 2�60�
Untuk efisiensi turbin dapat dihitung dengan menggunakan rumus:
� = ��������
Dimana:
������� = 4,163 ���� ���� = 8,617 ����
� = 4,163
8,617 � 100%
� = 50,97 %
4.2.5 Efisiensi puli
Untuk mengetahui efisiensi puli dapat mengunakan rumus sebagai berikut:
����� = ����������� . . ����������� � 100%
Maka efisiensi puli saat pengujian tanpa pembebanan adalah:
����� = 0,035 . 9940,23 . 173 � 100%
����� = 87,43 %
Dimana :
���� =���������������������� (0,035 �)
������� =������������������ (0,23 �)
4.3 PERHITUNGAN EFISIENSI TURBIN KAPLAN DENGAN 5 RUNNER BLADE PADA SUDUT GUIDE VANE 600 DAN JARAK VERTIKAL RUNNER TEHADAP GUIDE VANE SEBESAR 3 CM
4.3.1 Arus, tegangan, dan putaran
Dari hasil pengukuran dengan alat ukur multimeter dan tachometer
diperoleh data sebagai berikut:
a. Untuk tanpa pembebanan lampu, diperoleh :
3) Putaran poros turbin Kaplan (n10) : 148 rpm 4) Putaran poros altenator (n20) : 851 rpm b. Untuk pembebanan dengan 1 lampu (3 Watt), diperoleh:
1) Arus yang dihasilkan alternator (I3) : 35,4 mA 2) Tegangan yang diisi dari altenator ke aki (V3) : 50 Volt 3) Putaran poros turbin Kaplan (n13) : 128 rpm 4) Putaran poros altenator (n23) : 736 rpm c. Untuk pembebanan dengan 1 lampu (4 Watt), diperoleh:
1) Arus yang dihasilkan alternator (I4) : 35,2 mA 2) Tegangan yang diisi dari altenator ke aki (V4) : 48 Volt 3) Putaran poros turbin Kaplan (n14) : 121 rpm 4) Putaran poros altenator (n24) : 695 rpm d. Untuk pembebanan dengan 2 lampu (7 Watt), diperoleh:
1) Arus yang dihasilkan alternator (I7) : 34,3 mA 2) Tegangan yang diisi dari altenator ke aki (V7) : 42 Volt 3) Putaran poros turbin Kaplan (n17) : 114 rpm 4) Putaran poros altenator (n27) : 655 rpm
4.3.2 Analisa daya dan putaran altenator pemberian beban
Dari data yang telah diperoleh dari hasil pengujian, dapat diketahui bahwa
tegangan dan besar arus yang pengisian dari altenator ke aki tergantung pada
besar beban (lampu) yang digunakan, sehingga dapat dihitung besar daya
pengisian (cas) ke aki dengan menggunakan rumus:
P = V.I
Maka daya pengisian ke baterai adalah sebagai berikut:
a. Untuk tanpa pembebanan lampu, diperoleh:
Pc0 = V0 . I0
