i
PENGARUH VARIASI DIAMETER NOZZLE TERHADAP EFISIENSI TURBIN AIR PELTON
SKRIPSI
Diajukan Sebagai Salah Satu Persyaratan Guna Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Program Studi Teknik Mesin
Disusun oleh :
RAMA SETIAMANDA HENDARTO PUTRA GIRI NIM : 165214117
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
2021
ii
THE EFFECT OF NOZZLE DIAMETER VARIATION ON THE EFICIENCY OF WATER PELTON TURBINE
FINAL PROJECT
Presented As Partial Fullfilment of the Requirement To Obtain the Engineering Degree
In Mechanical Engineering
Arrenged by :
RAMA SETIAMANDA HENDARTO PUTRA GIRI Student Number : 165214117
DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
UNIVERSITY OF SANATA DHARMA YOGYAKARTA
2021
iii
LEMBAR PERSETUJUAN
Mengesahkan skripsi dengan judul :
PENGARUH VARIASI DIAMETER NOZZLE TERHADAP EFISIENSI TURBIN AIR PELTON
Yang dipersiapkan dan disusun oleh :
RAMA SETIAMANDA HENDARTO PUTRA GIRI NIM : 165214117
Menyetujui, Dosen Pembimbing
Raden Benedictus Dwiseno Wihadi S.T., M.Si
iv
PENGARUH VARIASI DIAMETER NOZZLE TERHADAP EFISIENSI TURBIN AIR PELTON
Telah dipertahankan di hadapan tim penguji Pada tanggal 13 April 2021
Dan dinyatakan telah lulus memenuhi syarat Susunan tim penguji
Nama lengkap Tanda Tangan
Tugas akhir ini telah diterima sebagai salah satu persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik.
Yogyakarta, 13 April 2021 Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma
Sudi Mungkasi, S.Si., M.Math.Sc., Ph.D.
v
LEMBAR PERNYATAAN KEASLIAN
TUGAS AKHIR
Dengan ini saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa Tugas Akhir dengan judul :
PENGARUH VARIASI DIAMETER NOZZLE TERHADAP EFISIENSI TURBIN AIR PELTON
Dibuat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Program Strata 1, Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma.
Sejauh yang saya ketahui, penelitian ini bukan merupakan tiruan dari tugas akhir maupun penelitian yang sudah dipublikasikan di Universitas Sanata Dharma atau di perguruan tinggi manapun, kecuali bagian informasi yang dicantumkan dalam Daftar Pustaka sebagaimana layaknya karya ilmiah.
Yogyakarta, 1 Januari 2021 Penulis
Rama Setiamanda Hendarto Putra Giri 165214117
vi
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Yang bertanda tangan dibawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma:
Nama : Rama Setiamanda Hendarto Putra Giri Nomor Mahasiswa : 165214117
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah dengan judul :
PENGARUH VARIASI DIAMETER NOZZLE TERHADAP EFFISIENSI TURBIN AIR PELTON
Dengan demikian, saya memberikan hak kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelola dalam bentuk pangkalan data, mempublikasikan di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta izin kepada saya selama masih mencantumkan nama saya sebagai penulis.
Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenar-benarnya.
Yogyakarta, 1 Januari 2021 Penulis
Rama Setiamanda Hendarto Putra Giri 165214117
vii ABSTRAK
Turbin air adalah turbin yang mengkonversi energi potensial air menuju energi mekanik pada poros turbin untuk memutar generator listrik dan salah satu jenis turbin air diantaranya turbin pelton. Tujuan penelitian ini adalah mensimulasikan dan mengetahui torsi, daya, dan efisiensi turbin air pelton terhadap variasi diameter nozzle. Nozzle berfungsi mengarahkan pancaran air menuju ke bucket untuk menggerakan runner, sehingga mempengaruhi efisiensi turbin. Penelitian ini dilakukan dengan metode simulasi numerik menggunakan software CFD (Computational Fluid Dynamic) solidworks flow simulation untuk mengetahui hasil dari torsi dan kecepatan aksial turbin air pelton. Variabel yang divariasikan adalah variasi diameter nozzle 8 mm, 10 mm, 15 mm, dan 30 mm. Pada pengujian ini didapatkan hasil paling optimal diperoleh pada diameter nozzle 8 mm dengan nilai torsi = 18791 Nm, daya turbin = 154462 W, efisiensi = 41 %. Hal ini menunjukan bahwa semakin kecil diameter nozzle maka torsi, daya turbin, dan efisiensi yang dihasilkan pada kinerja turbin akan semakin besar.
Kata Kunci : Daya Turbin, Diameter Nozzle, Efisiensi, Turbin Pelton
viii ABSTRACT
A water turbine is a turbine with potential energy from air to mechanical energy on the turbine shaft to rotate an electric generator and one type of water turbine, including the Pelton turbine. The purpose of this study was to simulate and measure the torque, power, and efficiency of the Pelton water turbine against variations in nozzle diameter. The nozzle serves to direct the air jet to the bucket to move the runner, thereby affecting turbine efficiency. This research was conducted with a numerical simulation method using CFD (Computational Fluid Dynamic) software to simulate solidworks flow to see the results of the torque and axial speed of the pelton water turbine. The variables that were varied were the variation of the nozzle diameter 8 mm, 10 mm, 15 mm, and 30 mm. In this test, the optimal results were obtained at a nozzle diameter of 8 mm with a torque value = 18791 Nm, turbine power = 154462 W, efficiency = 41%. This shows that the smaller the nozzle diameter, the greater the torque, turbine power and efficiency resulting in turbine performance.
Keywords: Power turbine, Nozzle diameter, Efficiency, Pelton turbine
ix
KATA PENGANTAR
Puji syukur atas rahmat Tuhan Yang Maha Esa, atas berkat, dan karunia yang telah ia berikan sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul “Pengaruh variasi diameter nozzle terhadap efisiensi turbin air pelton”. Penyusunan skripsi ini dilakukan untuk memenuhi salah satu syarat bagi mahasiswa untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma. Dalam penyusunan sendiri, penulis telah melakukan serangkaian penelitian. Pada akhirnya, penyusunan naskah skripsi ini dapat terselesaikan berkat kasih karunia Tuhan dan bantuan dari beberapa pihak. Oleh karena itu, penulis mengucapkan terima kasih kepada :
1. Bapak Sudi Mungkasi, Ph.D., selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi.
2. Bapak Budi Setyahandana, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma
3. Bapak Achilleus Hermawan Astyanto, M.Eng., selaku Dosen Pembimbing Akademik yang telah banyak memberikan bimbingan.
4. Bapak Raden Benedictus Dwiseno Wihadi, S.T., M.Si., selaku Dosen Pembimbing yang penuh kesabaran telah meluangkan waktu, memberikan bimbingan, masukan, dan dukungan kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan naskah skripsi ini.
5. Bapak Petrus Jermias Giri dan Ibu Essy Coryantini yang telah mendukung penulis dengan memberikan perhatian dan doa.
6. Kekasih tersayang Ratih Jahratu Nisa serta seluruh saudara penulis yang telah memberikan perhatian penuh, semangat dan dukungan kepada penulis.
7. Teman-teman dan Sahabat yang berada di tanah rantau yang selalu memberikan saran, solusi, dan perhatian kepada penulis.
8. Segenap Keluarga besar Teknik Mesin yang tidak bisa disebutkan satu per satu.
x
9. Segenap dosen, dan laboran Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta, yang telah membagikan pengalaman, inspirasi, dan ilmu yang berharga selama perkuliahan.
10. Staff karyawan Sekertariat Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi yang telah membantu memudahkan proses administrasi dan kesuksesan penulis.
11. Seluruh pihak yang tidak dapat ditulis satu per satu, yang telah memberikan dukungan baik secara langsung maupun tidak langsung kepada penulis.
Penulis sadar masih banyak kekurangan dalam penulisan skripsi ini. oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan saran, dan kritik untuk kesempurnaan naskah ini. semoga naskah ini dapat menambah informasi pembaca, dan membawa kemajuan di bidang teknologi.
Yogyakarta, 1 Februari 2021
Penulis
xi DAFTAR ISI
PENGARUH VARIASI DIAMETER NOZZLE TERHADAP EFISIENSI
TURBIN AIR PELTON ... i
THE EFFECT OF NOZZLE DIAMETER VARIATION ON THE EFICIENCY OF WATER PELTON TURBINE ... ii
LEMBAR PERSETUJUAN ... iii
PENGARUH VARIASI DIAMETER NOZZLE TERHADAP EFISIENSI TURBIN AIR PELTON ... iv
LEMBAR PERNYATAAN KEASLIAN ... v
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ... vi
ABSTRAK ... vii
ABSTRACT ... viii
KATA PENGANTAR ... ix
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1. Latar Belakang ... 1
1.3. Tujuan Penelitian ... 2
1.4. Batasan Penelitian ... 3
1.5. Manfaat Penelitian ... 3
BAB II LANDASAN TEORI ... 4
2.1. Turbin Air ... 4
2.2. Prinsip Kerja Turbin Air ... 4
2.3. Klasifikasi Turbin Air ... 5
2.3.1. Turbin Impuls...5
2.3.2. Turbin Reaksi...8
xii
2.4. Desain Turbin...11
2.4.1. Pemilihan Turbin Pelton...11
2.4.2. Perancangan turbin pelton...12
2.5. Kondisi Aliran Fluida Turbin Pelton ...13
2.6. Rumus Perhitungan Perancangan Turbin pelton ...15
2.7. SolidWorks 2020 ... 19
2.8. Konsep Simulasi CFD ... 20
2.9. Tinjauan Pustaka ... 21
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 24
3.1 Penelitian ... 24
3.2 Alat dan Bahan ... 24
3.3 Variabel Penelitian ... 24
3.3.1 Variabel yang dihitung...24
3.3.2 Variabel yang divariasi...24
3.4 Tahapan Perancangan ... 25
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 31
4.1 Hasil Data Penelitian ... 31
4.2 Analisa Hasil Perhitungan ... 33
4.2.1. Perhitungan perencanaan Turbin pelton...33
4.2.2. Kecepatan pancar air...35
4.2.3. Perhitungan Daya Air yang dihasilkan...38
4.2.4 Perhitungan daya turbin yang dihasilkan...38
4.2.5 Perhitungan Efisiensi...40
4.3 Pembahasan ... 40
xiii
4.3.1. Hubungan torsi terhadap pengaruh diameter output nozzle
...41
4.3.2. Hubungan Daya Air terhadap pengaruh diameter output nozzle...42
4.3.3. Hubungan Daya Turbin terhadap pengaruh diameter output nozzle...43
4.3.4. Hubungan Efisiensi terhadap pengaruh diameter output nozzle...44
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 46
5.1 Kesimpulan ... 46
5.2 Saran ... 46
DAFTAR PUSTAKA ... 47
xiv
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Nilai Kecepatan Spesifik TurbinKesalahan! Bookmark tidak ditentukan.
Tabel 4.1 Data Penelitian Kecepatan Pancar Air ... 31
Tabel 4.2 Data Penelitian Hasil Simulasi Torsi ... 31
Tabel 4.3 Data Penelitian Daya Air ... 32
Tabel 4.4 Data Penelitian Daya Turbin ... 32
Tabel 4.5 Data Penelitian Efisiensi ... 32
xv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Turbin Pelton ... 6
Gambar 2.2 Pembelokan Pancaran Turbin Pelton ... 7
Gambar 2.3 Turbin Crossflow... 8
Gambar 2.4 Turbin Francis ... 9
Gambar 2. 5 Turbin Kaplan ... 10
Gambar 2.6 Skema dua jenis Turbin Propeller, Poros Vertikal (kiri) dan Poros Horizontal ... 11
Gambar 2.7 Desain Nozzle ... 13
Gambar 2.8 Desain Bucket Turbin Pelton ... 13
Gambar 2.9 Aliran Laminer ... 14
Gambar 2.10 Aliran Turbulent ... 14
Gambar 2.11 Aliran Transisi ... 15
Gambar 3.1 Diagram alir penelitian ... 25
Gambar 3.2 Tampak depan dan samping bucket ... 27
Gambar 3.3 Tampak depan dan samping runner ... 28
Gambar 3.4 Tampak depan dan atas nozzle ... 28
Gambar 3.5 Struktur 3D Turbin Pelton ... 29
Gambar 3.6 Visualisasi Aliran Fluida ... 30
Gambar 4.1 Perbandingan torsi terhadap diameter output nozzle ... 41
Gambar 4.2 Perbandingan Daya Air terhadap diameter output nozzle ... 42
Gambar 4.3 Perbandingan daya turbin terhadap diameter output nozzle ... 43
Gambar 4.4 Perbandingan Efisiensi terhadap diameter output nozzle ... 44
1 BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang
Kebutuhan energi merupakan sesuatu yang tidak dapat terpisahkan dari kehidupan manusia saat ini. Namun ketersediaan energi yang ada sangat terbatas jumlahnya, untuk itu pemanfaatan sumber daya energi yang bersifat terbarukan menjadi suatu alternatif yang harus dikembangkan guna memenuhi kebutuhan energi masyarakat. Energi Listrik dapat dihasilkan oleh beberapa tenaga pembangkit yaitu pembangkit tenaga air, pembangkit tenaga panas bumi, pembangkit tenaga angin, pembangkit tenaga reaktor nuklir dan lain- lain.
Permasalahan yang dihadapi saat ini kurangnya pasokan energi listrik yang swadaya. Daerah-daerah terpencil seperti pedesaan kurangnya sumber pasokan energi listrik. Pembangkit listrik berkapasitas kecil seperti tenaga mikrohidro dapat diaplikasikan untuk daerah pedesaan yang mengalami krisis energi listrik.
Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) merupakan pembangkit listrik yang memanfaatkan aliran sungai saluran irigasi, dan air terjun memiliki kapasitas daya sekitar 1-100 Kw. (Dwiyanto et al., 2016).
Pembangkit listrik tenaga air di indonesia sudah banyak ditemui seperti PLTA Jatiluhur, PLTA Cikalong, dan lain-lain. Namun masih banyak aliran sungai yang belum diaplikasikan sebagai pembangkit listrik yang menghasilkan daya lebih kecil. Selain itu, PLN belum menyediakan distribusi listrik untuk daerah terpencil karena sulit untuk dijangkau, sedangkan banyak sungai, saluran irigasi maupun air terjun yang dapat dikembangkan menjadi PLTMH. (Basori et al., 2016).
Turbin air pelton merupakan jenis turbin implus. Turbin tersebut akan dioperasikan oleh satu atau lebih nozzle. Air yang dialirkan melalui nozzle akan menuju center bucket untuk memutar runner turbin. Pada penelitian ini akan dirancang turbin pelton dengan pendekatan efisiensi terhadap pengaruh variasi nozzle akan dievaluasi kinerja turbin secara teoritis agar didapatkan hasil rancangan turbin yang optimal. (Prawatya & Ivanto, 2019).
2
Turbin pelton yang digunakan sangat bergantung dari besarnya debit air dan tinggi jatuh air yang tersedia. Berdasarkan perbandingan karakteristik turbin antara tinggi jatuh air (m) dengan debit air (m3/s), turbin air divariasikan dengan diameter nozzle. Nozzle mempunyai peranan penting dalam mengubah kecepatan aliran air dalam meningkatkan energi kinetik dan menggerakan runner, sehingga mempengaruhi efisiensi turbin. Hasil akhir penelitian ini diharapkan mampu menghasilkan perancangan PLTMH yang dapat direlisasikan secara nyata.
Pada penelitian sebelumnya yang dilakukan (Wulandari & Bintara, 2019) menggunakan tinggi jatuh air 12 m dan debit air sebesar 0,00014 m3/s untuk mengambil variasi jumlah bucket, jumlah nozzle dan diameter nozzle.
Perancangan model turbin menggunakan software Autodesk Inventor 2013.
Metode yang digunakan dalam penelitian adalah simulasi menggunakan software ANSYS 17.0 jenis analisis CFX. Hasil efisiensi paling optimal pada variasi jumlah bucket 18 dengan jumlah nozzle 2 dan diameter 5 mm sebesar 59,58%.
Perancangan model turbin menggunakan Software (CAD) Computer Aided Design Solidworks 2020. Metode penelitian yang digunakan juga menggunakan software Flow Simulation Solidworks 2020. Hasil dari simulasi akan digunakan untuk menghitung daya dan efisiensi. Dalam penelitian ini diharapkan dalam pengembangan variasi diameter nozzle dapat meningkatkan efisiensi dari turbin pelton.
1.2. Rumusan Masalah
1. Bagaimana pengaruh variasi diameter nozzle terhadap torsi turbin air pelton?
2. Bagaimana pengaruh variasi diameter nozzle terhadap daya turbin air Pelton?
3. Bagaimana pengaruh variasi diameter nozzle terhadap efisiensi turbin air Pelton?
1.3. Tujuan Penelitian
1. Mensimulasikan pengaruh variasi ukuran diameter Nozzle terhadap Torsi turbin pelton.
3 2. Mengetahui Daya turbin air Pelton.
3. Mengetahui Efisiensi turbin air Pelton.
1.4. Batasan Penelitian
1. Perancangan desain turbin Pelton akan menggunakan software (CAD) Computer Aided Design Solidwork 2020.
2. Simulasi aliran fluida turbin Pelton akan menggunakan software (CFD) Computational Fluid Dynamics Solidworks flow simulation.
3. Simulasi akan dilakukan secara 3D.
4. Ukuran Nozzle pada turbin pelton di variasikan.
1.5. Manfaat Penelitian 1. Manfaat bagi peneliti:
Sebagai bahan referensi untuk penelitian lebih lanjut terhadap pengembangan model Turbin air pelton.
2. Manfaat bagi Masyarakat:
Masyarakat semakin mengerti tentang adanya Turbin air pelton yang digunakan sebagai pembangkit listrik bagi kehidupan sehari-hari.
3. Manfaat bagi Universitas Sanata Dharma:
Dapat dijadikan sebagai sarana praktikum untuk mahasiswa sehingga dapat menambah wawasan pengetahuan tentang kinerja Turbin air pelton.
4 BAB II LANDASAN TEORI 2.1. Turbin Air
Menurut sejarahnya turbin air merupakan turbin yang memanfaatkan fluida kerja air yang berfungsi untuk mengubah energi potensial dari air menjadi energi kinetik ketika air megalir di dalam pipa, didalam turbin energi kinetik air diubah menjadi energi mekanis, dimana air memutar roda turbin (Sularso dan Haruo 1983). turbin air dikembangkan pada abad 19 dan digunakan untuk pembangkit tenanga listrik. Turbin air yang sekarang berasal dari kincir-kincir air pada zaman abad pertengahan yang dipakai untuk memecah batubara dan pabrik gandum. Salah satu kincir air tersebut dapat dilihat di Aungrabad, India yang telah berumur 400-an tahun. (Susatyo, Anjar. 2006). Secara umum hampir semua turbin dapat diklasifikasikan dalam dua tipe dasar turbin impuls dan turbin reaksi.
Secara umum turbin impuls merupakan turbin dengan head yang tinggi, dan laju aliran yang rendah, sedangkan turbin reaksi merupakan turbin dengan head yang rendah dan laju aliran yang tinggi. (Munson, Bruce. 2005).
2.2. Prinsip Kerja Turbin Air
Pada turbin air terdapat roda turbin yaitu sudu. sudu merupakan kontruksi lempengan dengan bentuk penampang tertentu, air sebagai fluida kerja yang mengalir melalui ruangan diantara sudu tersebut, dengan demikian roda turbin akan berputar dan pada sudu akan ada gaya yang bekerja. Gaya tersebut akan terjadi dikarenakan adanya perubahan momentum dari fluida yang mengalir diantara sudu-sudunya. Sudu seharusnya dibentuk dengan sedemkian rupa sehingga dapat terjadi perubahan momentum pada fluida kerja air tersebut (Wiranto, 1997). Berdasarkan pembagian arah alirannya, turbin dikelompokan menjadi dua, yaitu turbin aliran radial dan turbin aliran axial.
1. Turbin Aliran Radial
Turbin aliran radial merupakan turbin dengan arah aliran tegak lurus dengan arah putaran poros turbin. Turbin aliran radial ini digunakan untuk laju alir rendah dengan perbedaan tekanan tinggi.
5 2. Turbin Aliran Aksial
Turbin aliran axial merupakan turbin yang sejajar dengan putaran poros turbin. Turbin aliran axial ini digunakan pada laju alir tinggi dengan adanya perbedaan tekanan rendah (1-40 bar). Biasanya turbin aliran axial diaplikasikan di fluida kompresibel. Efisiensi yang terdapat pada turbin aliran aksial lebih tinggi dibandingkan turbin radial.
2.3. Klasifikasi Turbin Air
Turbin air merupakan salah satu alat untuk mengubah energi potensial menjadi energi mekanis dengan memanfaatkan ketinggian air yang dinamakan head. Untuk pemanfaatan energi air diperlukan bagunan air yang khusus.
Perbedaan antara permukaan air diperoleh dengan membangun suatu dam, di mana ketinggian air akan bergantung pada kondisi dan tempat. Pada sungai- sungai dataran rendah, biasanya ditempatkan dekat rumah turbin sedangkan pada sungai-sungai pada dataran tinggi, dan dibuat dengan suatu jarak tertentu dari rumah turbin. Berdasarkan prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi kinetik, turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin impuls dan turbin reaksi.
2.3.1. Turbin Impuls
Turbin impuls merupakan turbin air dengan prinsip kerjanya merubah energi air menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan energi kinetik. Energi potensial air berubah menjadi energi kinetik pada nozzle.
Air keluar nozzle yang mempunyai kecepatan tinggi sehingga membentur sudu turbin. ketika membentur sudu arah kecepatan aliran akan berubah dan terjadi perubahan momentum sehingga menyebabkan roda turbin akan berputar. Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nozzle tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfer sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin diubah menjadi energi kecepatan. Contoh turbin impuls adalah turbin Pelton dan turbin Crossflow (Dietzel, 1980:18).
1. Turbin Pelton
6
Turbin pelton merupakan turbin impuls yang prinsip kerjanya mengubah energi potensial air menjadi energi kinetik dalam bentuk pancaran air. Pancaran air yang keluar dari mulut nozzle diterima oleh sudu-sudu pada runner sehingga runner dapat berputar. Dari putaran inilah menghasilkan energi mekanik yang memutar poros generator sehigga menghasilkan energi listrik. Perancangan turbin pelton dimulai dengan melakukan penegenal dan identifikasi, pertimbangan dan melihat faktor keamanannya untuk dapat menyajikan hasil rancangan dengan baik begitu juga dengan material yang akan digunakan dalam perancangan turbin pelton. Dalam perancangan di butuhkan massa jenis atau density (ρ) untuk dapat menentukan berat jenisnya, massa jenis merupakan massa suatu benda per satuan volume. Sedangkan berat jenis benda adalah berat suatu benda dalam satuan volume, berat mempunyai arah, berat suatu benda dipengaruhi oleh massa benda dan gravitasi. Skema turbin pelton ditunjukan pada gambar 2.1.
Gambar 2.1 Turbin Pelton
(Sumber: https://www.indonesian.alibaba.com)
7
Gambar 2.2 Pembelokan Pancaran Turbin Pelton (Sumber: https://commons.wikimedia.org)
Pada gambar 2.2 dapat dilihat terjadi akibat pembelokan pancaran air pada mangkok ganda runner. Turbin pelton disebut juga sebagai turbin pancaran bebas. Pelton menyempurnakan dengan menerapkan mangkok ganda simetris. Punggung pembelah membagi jet menjadi dua paruh yang sama dan dibelokkan menyamping. Adapun kelebihan dan kekurangan turbin pelton diantaranya sebagai berikut:
Kelebihan
• Kontruksinya yang sederhana.
• Daya yang dihasilkan besar.
• Mudah perawatannya.
• Teknologi yang sederhana dan mudah diterapkan pada daerah terisolir.
Kekurangan
• memerlukan investasi yang lebih banyak.
2. Turbin Crossflow
Turbin crossflow merupakan turbin untuk debit aliran yang besar dan head yang rendah. Turbin ini mempunyai runner berbentuk seperti drum yang mempunyai dua atau lebih piringan parallel. Tiap piringan parallel tersebut dihubungkan oleh susunan sudu yang berbentuk lengkung. Dalam pengoprasiannya, sebuah nozzle mengarahkan pancaran air dari nozzle ke sepanjang runner. Pancaran air tersebut lalu melewati runner dan kembali
8
mendorong bagian sudut yang lain sebelum keluar dari runner dan memindahkan sebagian kecil energi kinetiknya yang masih tersisa. Skema turbin Crossflow ditunjukan pada gambar 2.3
(Sumber : http://www.hanjuang.co.id/about/product/turbin-cross-flow) 2.3.2. Turbin Reaksi
Turbin reaksi adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir dalam bentuk putaran. Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu.
Turbin ini terdiri dari sudu pengarah dan sudu jalan dan kedua sudu tersebut semuanya terendam di dalam air. Air dialirkan ke dalam sebuah terusan atau dilewatkan ke dalam sebuah cincin yang berbentuk spiral (rumah keong). Perubahan energi seluruhnya terjadi di dalam sudu gerak.
Contoh turbin reaksi adalah turbin Francis dan turbin Propeler (Kaplan) (Luknanto, Joko, 2007).
1. Turbin Francis
Turbin francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin dipasang diantara sumber air tekanan tinggi dibagian masuk dan air bertekanan rendah dibagian keluar. Turbin Francis menggunakan sudu pengarah. Sudu pengarah mengarahkan air masuk secara tangensial. Sudu pengarah pada
Gambar 2.3 Turbin Crossflow
9
turbin francis dapat merupakan suatu sudu pengarah yang tetap ataupun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya. Sudu pengarah merupakan pilihan yang tepat untuk penggunaan pada berbagai kondisi aliran air.
Skema turbin francis ditunjukan pada gambar 2.4.
Gambar 2.4 Turbin Francis
(Sumber: http://www.123dok.com)
2. Turbin Kaplan
Turbin Kaplan merupakan turbin tekanan yang spesial. Sudu jalannya kemurniannya kecil dan pada saluran sudu jalan belokannya kecil. Sudu jalan dapat diatur saat bekerja, kedudukannya dapat diatur dan disesuaikan dengan tinggi jatuh air sehingga sesuai untuk pusat tenaga air pada aliran sungai. Sudu roda jalan turbin Kaplan mirip roda propeller, yang letak sudunya terpisah jauh satu sama lainnya.
Turbin Kaplan dipakai di pusat listrik tenaga air dengan tinggi air jatuh 80m. Daya yang dihasilkan turbin bisa lebih dari 100.000 kW. Karena sudu pengarah dan sudu jalan dapat diatur, maka turbin kaplan pada perubahan tinggi jatuh dan kapasitas air besar efisiensi juga tinggi dan mempunyai keuntungan yang lebih murah, bila dipakai pada pusat tenaga listrik yang besar yang terdiri dari beberapa buah turbin air dan secara sendiri-sendiri masing-masing mesin dioperasikan untuk kapasitas air yang konstan. Skema turbin kaplan ditunjukan pada gambar 2.5.
10
Gambar 2. 5 Turbin Kaplan (Sumber: Patty,1995)
Pada tinggi air jatuh sampai dengan kira-kira 20 m, rumah turbin air yang berbentuk spiral (rumah keong) dibuat dari beton, lebih dari 20 m rumah keong tersebut dibuat dari besi pelat. Turbin air pada Gambar 2.5 terdiri dari roda jalan dan pada poros yang sama dipasang generator listrik.
Air dialirkan masuk dengan melewati rumah keong yang dibuat dari beton, sudu penyangga (untuk kekuatan rumah keong) dan sudu pengarah yang dapat diatur. Sesudah melewati sudu pengarah selanjutnya masuk ke ruang tanpa sudu, dimana dalam ruang ini aliran air dibelokan 900. Sudu dari roda jalan dipasang pada leher porosnya sendiri di dihubungkan dengan poros menggunakan flens. Pada poros bagian ujung, diatasnya generator, terdapat roda jalan servomotor. Yang terdiri dari torak, rumah dan tuas yang melalui lubang poros bisa sampai keleher poros. Sudut sudu jalan diatur dari regulator dengan melalui minyak yang bertekanan dan sesuai
11
dengan besarnya langkah torak. Pengaturan sudu pengarah dihubungkan dengan pengaturan sudu jalan, dengan demikian pada waktu bekerja posisi sudu pengarah dan posisi sudu jalan dapat sebanding dan selaras, sehingga mendapatkan hasil yang seoptimal mungkin. Fungsi bantalan tekan dalam turbin ini adalah untuk mendukung beban dari generator, poros, roda jalan, dan gaya geser aksial. Selain itu generator dan turbin masing-masing mempunyai sebuah bantalan radial (Dietzel, 1980).
3. Turbin Propeller
Pada dasarnya turbin propeller terdiri dari sebuah propeller, yang sama bentuknya dengan baling-baling kapal laut, yang dipasang pada tabung setelah pipa pesat. Turbin propeller biasanya mempunyai tiga sampai enam sudu, biasanya tiga sudu untuk turbin yang mempunyai head sangat rendah dan aliran air diatur oleh sudu statis atau wicket gate yang dipasang tepat di hulu propeller. Turbin propeller ini dikenal sebagai fixed blade axial flow turbine karena sudu rotornya tidak dapat diubah. Efisiensi pengoperasi turbin pada beban sebagian aliran komponen untuk turbin jenis ini sangat rendah.
2.4. Desain Turbin
2.4.1. Pemilihan Turbin Pelton
Pada pemilihan turbin pelton untuk pembangkit listrik mikrohidro didasarkan pada nilai kecepatan spesifik turbin. Nilai kecepatan spesifik
Gambar 2.6 Skema dua jenis Turbin Propeller, Poros Vertikal (kiri) dan Poros Horizontal (kanan)
(Sumber: Dietzel, 1980)
12
turbin yang terdapat pada turbin pelton dipengaruhi dari tinggi jatuh air dan jumlah nozzle. Nilai terendah dihasilkan dari turbin Pelton.
Tabel 2.1 Nilai Kecepatan Spesifik Turbin
No. Kecepatan Spesifik ns (rpm) Jenis Turbin Air
1 10 - 35 Turbkkoin Pelton Nozzle Tunggal
2 35 - 60 Turbin Pelton Nozzle Banyak
3 60 - 300 Turbin Francis
4 300 - 1000 Turbin Kaplan
5 350 - 1050 Turbin Propeler
(Sumber: http://najamudinmt.blogspot.com/2014/12/tinjauan-prestasi) Tabel 2.1 menunjukan standar pemilihan Turbin pada pembangkit listrik mikrohidro berdasarkan kecepatan spesifik turbin. Turbin Pelton lebih tepat digunakan untuk tinggi jatuh air yang jauh lebih besar dibandingkan dengan debit alirannya, dapat dilihat bahwa nilai kecepatan spesifik turbin yang besar menunjukan bahwa debit aliran air yang terjadi pada turbin lebih besar.
2.4.2. Perancangan turbin pelton
Turbin Pelton biasanya berukuran besar sehingga turbin tersebut dioperasikan pada kapasitas tekanan tinggi. Pada turbin pelton perubahan momentum yang diterima oleh bucket sangat besar, sehingga struktur turbin harus kuat. Turbin Pelton terdiri dari dua bagian utama, yaitu nozzle dan runner.
Nozzle mempunyai beberapa fungsi, yaitu mengarahkan pancaran air menuju bucket turbin, mengubah tekanan menjadi energi kinetik, dan mengatur kapasitas kecepatan air yang masuk turbin. Nozzle harus dirancang dengan tekanan sekecil mungkin agar koefisiennya dapat meningkat, sehingga pada turbin pelton yang bekerja pada tekanan tinggi desain nozzle diperbanyak. Desain Nozzle turbin pelton ditunjukan Gambar 2.7
13
Gambar 2.7 Desain Nozzle
(Sumber: http://www.sciencedirect.com)
Sudu (bucket) turbin Pelton berbentuk elipsoida dan ditengahnya mempunyai pemisah air (splitter). Sudu (bucket) berfungsi menangkap air yang ditembakan oleh nozzle kemudian akan mengakibatkan runner berputar. Desain bucket turbin Pelton dapat dilihat pada gambar 2.8
(Sumber: Mohan et al., 2017) 2.5. Kondisi Aliran Fluida Turbin Pelton
Kondisi Aliran fluida khususnya air pada turbin pelton diklasifikasikan berdasarkan perbandingan antara gaya-gaya inersia (inertial forces) dengan gaya- gaya akibat kekentalan (viscous forces), aliran dibagi menjadi tiga bagian, yaitu aliran laminar, aliran transisi dan aliran turbulen. Jadi untuk masing-masing jenis aliran diklasifikasikan sebagai berikut (Kodoatie,R,J. 2002).
a. Aliran Laminar
Gambar 2.8 Desain Bucket Turbin Pelton
14
Aliran laminer terjadi apabila partikel-partikel zat cair bergerak teratur dengan membentuk garis lintasan kontiniu dan tidak saling berpotongan.
Aliran laminer juga dapat terjadi apabila kecepatan aliran rendah, ukuran saluran sangat kecil dan zat cair mempunyai kekentalan besar. Aliran dengan fluida yang bergerak dalam lapisan-lapisan, atau lamina-lamina dengan satu lapisan meluncur secara lancar. Dalam aliran laminar ini viskositas berfungsi untuk meredam kecendrungan terjadinya gerakan relatif antara lapisan. Aliran laminar mempunyai Bilangan Reynold ˂ 2300 (Handayani., 2016).
Gambar 2.9 Aliran Laminer (Sumber: Handayani., 2016)
Aliran yang terjadi bila aliran fluida dalam pipa bergerak tidak beraturan/tidak sejajar dengan pipa. Dalam turbulen tidak semua partikel dari zat cair bergerak tidak searah (irregulary), namun pada permukaan dinding pipa terjadi lapisan yang sangat tipis, dimana aliran tersebut masih tetap laminer yang disebabkan oleh viscositas (kekentalan) dari zat cair tersebut.
Lapisan tipis yang terjadi tersebut dinamakan lapisan pemisah (boundary layer) dan tebalnya tergantung pada kecepatan rata–rata aliran serta akan berkurang bila kecepatannya naik. Aliran turbulen mempunyai Bilangan Reynold ˃ 2300-4000 (Handayani, 2016).
Gambar 2.10 Aliran Turbulent (Sumber: Handayani., 2016)
Aliran yang terjadi bila aliran fluida dalam pipa mulai tidak sejajar dengan dinding pipa. Hal ini terjadi bila fluida tersebut mencapai kecepatan kritis.
15
Aliran Transisi mempunya bilangan Reynold = 2300-4000 (Kodoatie,R,J.
2002).
Gambar 2.11 Aliran Transisi
(Sumber: https://www.slideshare.net/PutraVanAndalas/mekanika- fluida)
2.6. Rumus Perhitungan Perancangan Turbin pelton 1. Debit aliran air
Debit aliran air merupakan jumlah atau laju aliran air (volume air) dengan melewati suatu penampang yang mengalir per satuan waktu. Debit aliran air sangat menentukan daya yang dihasilkan oleh turbin dalam perencanaannya.
Satuan dari debit aliran air adalah meter kubik per detik (m3/s). Sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut:
Q = A.v (1) Untuk menghitung besarnya suatu penampang dapat dirumuskan sebagai berikut:
A = 1 4⁄ π. D2 Untuk menghitung kecepatan aliran suatu penampang dirumuskan sebagai
berikut:
v = Q
⁄ A Ketika fluida bergerak dalam pipa yang mengalir dengan luas penampang yang
berbeda maka volume yang mengalir. (Tipler, 1998) : V=A.v. t
A1.v1.t1 = A2.v2.t2 (2) Dimana:
Q : Debit air (m3/s) A : Luas permukaan (m3) v : Kecepatan aliran air (m/s)
16 D : Diameter pipa (m)
π : Konstanta (3,14 atau 22/7) t : Waktu (detik)
2. Perhitungan Daya Air yang dihasilkan
Untuk daya air yang mengalir pada suatu penampang saluran tertentu maka dalam perhitungannya dipergunakan. (Kadir dan Bambang 2010).
Pa =1
2 m.v2 (3) Atau dari persamaan (1)
Q = A.v
Dari persamaan (3) dijabarkan sebagai berikut untuk massa alirannya 𝑚.(𝑘𝑔
𝑠 ) = 𝜌 (𝑘𝑔
𝑚3) . 𝑄(m3
s ) Pa =1
2 ρ. Q. v2 Maka hasilnya penjabaran rumusnya sebagai berikut
Pa = 1
2 ρ. A. v3 (4) Dimana
m’ : Massa aliran (kg/s) P : Massa jenis air (kg/m3) A : Luas penampang nozzle (m2)
v : Kecepatan air setelah melewati output nozzle (m/s) 3. Dimensi runner
a. Kecepatan air keluar (C1)
C1 = √2. 𝑔. 𝐻 (5) b. Kecepatan Tangensial (u1)
u =
C12
(6)
17 Dimana:
C1 : Kecepatan air keluar (m/s) U1 : Kecepatan tangensial (m/s) g : Percepatan gravitasi (m/s2)
H : Tinggi jatuh air (m)
4. Nozzle
a. Luas Permukaan pancar air (A) A = Q
C1 (7) b. Diameter pancar air (d)
d = 0,54
√
Q√H (8) Dimana:
A : Luas permukaan pancar air (m3) d : Diameter pancar air (m)
Q : Debit air (m3/s) H : Tinggi jatuh air (m) 5. Dimensi Turbin
a. Diameter runner (D)
D =60.u
π.n (9)
b. Menghitung diameter runner dengan interpolasi (D/d)
D
d = 0,005. H + 8 (10) c. Menghitung Kecepatan putar turbin (n)
U1 = Ꞷ . 𝐷
2
U1 = 2.𝜋.𝑛
60
.
𝐷2
n = 60.𝑈1
𝜋.𝐷 (11) Dimana:
18 D : Diameter runner (m) d : Diameter pancar air (m) Ꞷ : Kecepatan sudut turbin (rad/s) π : Konstanta (3,14 atau 22/7) n : Kecepatan putar turbin (rpm) d. Kecepatan Spesfik (ns)
Kecepatan spesifik untuk satu Nozzle dapat dihitung menggunakan persamaan :
ns = n. √Q
𝐻0,75 (12) e. Kecepatan sudut turbin
Ꞷ = 2.𝜋.𝑛
60
(13) f. Jumlah kutub generator
Zp = 3000
n (14)
g. Diameter lingkar tusuk (dt) dt = 60 . 𝑈1
𝜋.𝑛 (15)
h. Diameter luar runner (Do)
Do = dt + 1,2.h (16) 6. Bucket (sudu)
a. Jumlah Sudu z = 𝐷
2 𝑥 𝑑 + 15 (17) b. Lebar Sudu
B = 3,1. d (18) c. Tinggi Sudu
h = 2,1. d (19) d. Panjang Sudu
L = 2,4. d (20) e. Lebar bukaan sudu
a = 1,2. d
(21)
19 f. Kedalaman sudu
t = 0,9. d (22)
8. Daya yang dihasilkan Turbin
Daya yang dihasilkan oleh turbin akan dihitung dengan menggunakan persamaan:
Pt = T. ω (23) Dimana :
Pt : Daya Turbin (Watt) T : Torsi (Nm)
ω : Kecepatan sudut turbin (rad/s) 7. Efisiensi Turbin
Efisiensi turbin dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:
η =Pt
Pax 100% (24) Dimana :
η : Efisiensi (%)
Pt : Daya yang dihasilkan turbin (Watt) Pa : Daya air yang dihasilkan (Watt) 2.7. SolidWorks 2020
SolidWorks adalah software program mekanikal 3D CAD (computer aided design) yang berjalan pada Microsoft Windows. Solidworks dikembangkan oleh solidworks Corporation yang telah diakuisisi oleh Dassault system.
Solidworks menggunakan penyimpanan file format Microsoft yang terstruktur. Ini berarti bahwa ada berbagai file tertanam dalam setiap
20
SLDDRW (file gambar), SLDPRT (part file), SLDASM (file assembly), dengan bitmap preview dan metadata sub-file.
Tampilan software Solidworks tidak jauh berbeda dengan software lain yang dioperasikan di atas windows, sehingga tidak mungkin akan merasa aneh dengan tampilan dari Solidworks.
SolidWorks menyediakan 3 templates utama yaitu:
1. Part
Part merupakan sebuah objek pada solidworks yang dimana material tersebut akan didesain secara 3D maupun 2D. Sebuah part akan berbentuk 3D ketika material tersebut akan di assembly (digabungkan).
2. Assembly
Assembly merupakan sebuah dokumen dimana part, features, dan assembly (sub-assembly) dipasangkan/disatukan.
3. Drawing
Drawing merupakan templates yang digunakan untuk membuat gambar kerja 2D dari part dan assembly yang sudah selesai dikerjakan.
2.8. Konsep Simulasi CFD
Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah metode perhitungan dengan sebuah kontrol dimensi, luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap-tiap elemen pembaginya. Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan perhitungan dibagi menjadi beberapa bagian, hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing. Bagian-bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol perhitungan yang akan dilakukan oleh software.
Kontrol-kontrol perhitungan ini beserta kontrol-kontrol perhitungan lainya merupakan pembagian ruang. Pada setiap titik kontrol perhitungan akan dilakukan perhitungan dengan batasan domain atau boundary condition yang telah ditentukan. Metode ini banyak pada proses perhitungan dengan menggunakan bantuan komputasi komputer.
Secara umum proses perhitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama, yaitu:
21 1. Preprocessor
Preprocessor adalah tahap dimana data input mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisian kondisi batas atau boundary condition. Pada tahap ini sebuah material atau aliran yang akan dianalisis ditentukan dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut dengan meshing.
2. Processor
Pada tahap ini dilakukan proses perhitungan data-data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif. Artinya perhitungan dilakukan hingga hasil mencapai nilai yang konvergen. Di Dalam tahap ini akan dilakukan penentuan kondisi batas boundary condition dan pemilihan metode inisiasi. Dalam penentuan kondisi batas akan dimasukkan nilai dari parameter-parameter yang dibutuhkan.
3. Post processor
Post processor merupakan tahap akhir dimana hasil perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar, grafik, bahkan animasi dengan pola warna tertentu.
Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak digunakan dalam dunia industri adalah dapat dilakukan analisis terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut. Atau dalam proses design engineering tahap yang dilakukan menjadi lebih pendek.
2.9. Tinjauan Pustaka
Sari dan Ryan Fasha (2015) Melakukan penelitian tentang “Pengaruh Ukuran Diameter Nozzle 7 dan 9 mm Terhadap Putaran Sudu dan Daya Listrik Pada Turbin Pelton”. Hasil Penelitian ini mendapatkan putaran maksimal yang dihasilkan oleh turbin pelton adalah menggunakan nozzle 9 mm dengan putaran sebesar 1267 dengan bukaan katup 900. Sedangkan debit aliran fluida yang di dapat 0,00097 m3/s pada kombinasi kedua nozzle 7 dan 9 mm. Kecepetana aliran fluida terbesar didapatkan pada nozzle 7 mm bukaan katup 900 dengan hasil 0,52 m/s. Untuk daya yang dihasilkan alternator
22
memperoleh hasil 3,53 dengan menggunakan kedua buah nozzle bukaan katup 650.
Ahrori, Ardy Hafid, dkk (2019) Melakukan penelitian tentang
“Perancangan dan Simulasi Turbin Pelton Daya Output Generator 20.000 Watt”. Hasil perancangan dan perhitungan komponen turbin didapatkan untuk debit air 0,265 m3/s, jumlah sudu sebanyak 18 buah, tinggi sudu 59,64 mm, tebal sudu 25,56, dimensi luar runner sebesar 363,38, diameter pipa 147 mm, kecepatan pancar air adalah 14,88 m/s. dan hasil simulasi kecepatan pancar air menggunakan software autodesk inventor CFD didapat kecepatan maksimum terjadi pada detik 0,6 sebesar 12,96 m/s.
Wulandari dan Bintara (2019) Melakukan penelitian tentang “Performance of Pelton Turbine utilizing the Variations of Bucket Number, Nozzle Number, and Nozzle Diameter Using Computational Fluid Dynamics”. Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah simulasi numerik dengan menggunakan software ANSYS 17.0 jenis analisis CFX. Variabel pada penelitian ini adalah jumlah bucket yaitu 17 dan 18, jumlah nozzle yaitu 1 dan 2 serta diameter nozzle yaitu 5 mm dan 8 mm. Hasil penelitian menunjukkan nilai efisiensi paling optimal pada variasi jumlah bucket 18 dengan jumlah nozzle 2 dan diameter nozzle 5 mm sebesar 59,58%. Berdasarkan grafik analisis Minitab menggunakan metode Taguchi diperoleh main effect plot for mean menunjukkan pengaruh variabel yang tinggi pada jumlah bucket 18, jumlah nozzle 2 dan diameter nozzle 5 mm.
Muliawan dan Yani, (2017) Melakukan penelitian tentang “Analisis Daya dan efisiensi Turbin Air Kinetis Akibat Perubahan Putaran Runner”.
Penelitian dilakukan dengan mengalirkan fluida air pada saluran turbin yang telah disiapkan dengan mempergunakan pompa, fluida yang dialirkan dibuat turbulensi agar kondisinya dianggap sama dengan kondisi sungai yang mengalir. Debit air ditetapkan 0,0153 m3/s. Sedangkan variasi pengereman putaran turbin terdiri dari 90, 70, 50, 30, dan 10 rpm. Hasil yang didapatkan dari penelitian tersebut Daya turbin sangat tergantung pada besarnya torsi dan kecepatan anguler. Sedangkan kecepatan anguler dipengaruhi oleh putaran
23
turbin dan putaran turbin sangat tergantung dari massa aliran yang menumbuk sudu turbin. Efisiensi turbin sangat tergantung pada besarnya daya turbin dan daya turbin sangat tergantung pada besarnya torsi dan kecepatan anguler.
Semakin besar debit air maka efisiensi turbin kinetik semakin meningkat dikarenakan adanya penambahan kecepatan aliran dan massa aliran yang menumbuk sudu turbin sehingga gaya tangensial yang dihasilkan meningkat dan gaya tangensial tersebut mempengaruhi torsi turbin, daya turbin dan efisiensi turbin kinetik.
24 BAB III
METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Penelitian
Metode yang digunakan pada penelitian berjudul “Pengaruh variasi diameter nozzle terhadap efisiensi turbin air pelton” dilakukan secara simulasi numerik. Turbin air pelton akan dirancang sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro dengan menggunakan Software (CAD) Computer Aided Design.
Secara umum untuk software CAD yang sering digunakan antara lain Solidworks, Autocad, Inventor, NX siemen, Catia, Pro Engineer, fusion 360 dan masih banyak lagi. Diantara software CAD tersebut yang akan digunakan pada perancangan turbin pelton ini menggunakan software Solidworks. Untuk software simulasi secara umum yang paling popular diantaranya adalah Ansys, Nastran, Partran, Flow 3D, Autodesk CFD, solidworks flow simulation, dan masih banyak lagi.
Pengambilan data untuk proses simulasi menggunakan Solidworks flow simulation karena untuk software nya sendiri sudah menjadi satu dengan solidworks dan juga digunakan untuk mendesign perancangan turbin pelton.
3.2 Alat dan Bahan
Perancangan dilakukan menggunakan software CAD Solidworks 2020 dimana didalam solidworks 2020 terdapat menu Solidworks flow simulation yang nantinya akan digunakan untuk proses simulasi. Komputer yang digunakan untuk perancangan memiliki spesifikasi sebagai berikut:
Processor : Intel Core i3-5005U, 2.0GHz RAM : 4096 MB
OS : Windows 10 64-bit 3.3 Variabel Penelitian
Variabel yang menjadi titik acuan dalam proses penelitian ini adalah variabel yang dihitung dan variabel yang divariasikan.
3.3.1 Variabel yang dihitung
• Kecepatan pancar air
• Daya dan efisiensi 3.3.2 Variabel yang divariasi
25
• Diameter nozzle yaitu: 8 mm, 10 mm, 15 mm, dan 30 mm (Hangga, Mugsidi, dan Yusuf, 2016)
3.4 Tahapan Perancangan
Pada perancangan turbin pelton ini terdiri dari beberapa tahapan yang ditunjukan pada gambar 3.1
Gambar 3.1 Diagram alir penelitian Berikut ini penjelasan dari Gambar 3.1
1. Mulai
Memulai pengerjaan skripsi berdarsarkan pertimbangan-pertimbangan masalah yang dibahas.
2. Kajian pustaka dan Cara kerja turbin pelton Kajian pustaka dan
cara kerja turbin pelton
Perhitungan Perancangan Turbin
Pelton
TIDAK
YA Mulai
Simulasi diameter output nozzle
Validasi Perhitungan
Selesai
Hasil simulasi berupa torsi dan kecepatan
pancar air Pemodelan CAD
Sudu,Runner, Nozzle
Menghitung Daya dan Effisiensi Kesimpulan
Analisa dan pembahasan
26
Mencari jurnal maupun artikel berdarsarkan kebutuhan penelitian dan membandingkan semua teori yang telah dibaca. Referensi didapatkan tidak hanya dibaca dengan teori dibuku, melainkan diakses melalui internet, kemudian bisa didapatkan dengan hasil observasi dilapangan serta dari narasumber yang berkompeten. Adapun referensi tersebut berisikan tentang:
a. Pengertian dan prinsip kerja turbin pelton.
b. Klasifikasi dan perancangan turbin pelton.
c. Hasil pengujian dengan metode Solidworks flow simulation.
3. Perhitungan dan perancangan turbin pelton
Turbin pelton dirancang dengan konsep desain gambar yang mendasari penalaran, logika, serta pemikiran sehingga ketika mendesain turbin beserta komponen-komponennya didasari dengan perhitungan analitis.
Proses perhitungan dan perancangan turbin pelton dimulai dari perhitungan daya, perhitungan debit air, perancangan dimensi runner, perancangan nozzle, perancangan pipa pesat, perancangan dan perhitungan sudu, perhitungan generator.
4. Pemodelan CAD 3D sudu, runner, dan nozzle
Desain turbin dirancang dengan didahulukan part turbin kemudian akan dilanjutkan dengan tahap penggabungan (assembly) agar perancangan turbin tersebut menjadi 3D. Perancangan ini memakai tampilan Front plane sebagai acuan untuk mendesain turbin dapat ditentukan sebagai berikut:
a. Sudu (Bucket)
Sudu (bucket) dirancang dengan parameter yang telah ditentukan.
Dari paramater yang telah ditentukan peracangan bucket diasumsikan dengan Kecepatan air sebelum masuk ke nozzle = 15 m/s dengan kecepatan spesifik turbin = 10 rpm. Berikut adalah hasil perancangan yang didesain menggunakan software solidworks 2020.
1. Tampilan isometri bucket
27
Spesifikasi sudu bucket yang digunakan adalah:
Lebar bucket (B) : 84,6 mm Tinggi bucket (h) : 57,3 mm Lebar bukaan bucket (a) : 32,7 mm Kedalaman bucket (t) : 24,5 mm
Gambar 3.2 Tampak depan dan samping bucket b. Runner
Runner pada turbin pelton berguna sebagai penghubung bucket untuk mengubah energi kinetik dalam bentuk pancaran nozzle menjadi energi mekanik pada turbin pelton. Desain runner dapat dilihat pada gambar 3.3.
28
Gambar 3.3 Tampak depan dan samping runner c. Nozzle
Untuk perancangan turbin pelton jumlah nozzle yang dipake berjumlah 4 buah dan akan divariasikan dengan diameter output yaitu 8 mm, 10 mm, 15 mm dan 30 mm. Sedangkan diameter inlet nozzle 70 mm, diameter pipa 75 mm. Desain nozzle dapat dilihat pada gambar 3.4.
Gambar 3.4 Tampak depan dan atas nozzle
29
d. Gambar Struktur 3D Turbin Pelton
Gambar 3.5 Struktur 3D Turbin Pelton 5. Validasi perhitungan
Pada tahapan validasi ini pemodelan turbin yang telah dirancang pada gambar 3.5 sesuai dengan perhitungan pada bab IV. Kemudian akan di revisi lagi untuk mengetahui kebenaran maupun kesalahannya. Setelah diketahui hasilnya maka akan dilanjutkan proses simulasi.
6. Proses simulasi
Proses simulasi dengan software solidworks jenis analisis flow simulation agar mengetahui hasil dari torsi dan kecepatan pancar air yang dibutuhkan untuk memutar runner. Proses pengambilan data pada software Solidworks jenis analisis Flow simulation, sebagai berikut:
a. Boundary condition
• Menentukan jenis fulida yang dipake adalah air.
• Memasukan parameter dari hasil perhitungan pada diameter inlet nozzle berupa kecepatan air sebelum masuk nozzle 15 m/s dan outletnya pada permukaan pipa dengan tekanan
30
sebesar 1 atm dan suhu menyesuaikan lingkungan sebesar 200 C.
b. Analisys goals
• Menentukan parameter output yang akan disimulasi berupa torsi dan kecepatan pancar air.
c. Running simulation atau solve yaitu kalkulasi perhitungan komputer secara matrix dalam metode elemen hingga atau untuk mengetahui berapa banyak iterasi yang terdapat didalam kontur turbin.
d. Flow trajectories untuk menampilkan hasil dari simulasi aliran fluida ditunjukan pada gambar 3.6.
Gambar 3.6 Visualisasi Aliran Fluida 7. Analisa dan Pembahasan
Pada tahapan ini akan membahas nilai dari hasil simulasi berupa torsi dan kecepatan pancar air. Kemudian akan dibahas pada bab IV secara teori dan perhitungan hasil datanya berdarsarkan analisa untuk diperiksa kebenaran maupun kesalahannya, selanjutnya akan diteruskan dengan pembahasan ditampilkan dalam bentuk tabel dan grafik.
31
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Hasil Data Penelitian
Pada penelitian ini ditampilkan hasil dari pengujian simulasi yang telah dilakukan kurang lebih dua jam pada setiap variasi diameter nozzlenya. Dari data simulasi berupa nilai kecepatan pancar air dan torsi, selanjutnya digunakan perhitungan secara teoritis agar diperoleh hasil dari daya dan efisiensi. Penentuan parameter dalam pengambilan data diperoleh berdarsarkan simulasi numerik. Data tersebut berupa tinggi jatuh air (H) = 12 m dengan debit air (Q) sebesar 0,009 m3/s. Kedua parameter tersebut yang menjadi acuan dalam pemilihan variabel yang diteliti. Variabel yang digunakan pada penelitian ini adalah jumlah sudu turbin 20, variasi diameter nozzle (8, 10, 15, 30 mm).
Tabel 4.1 Data Penelitian Kecepatan Pancar Air Jumlah
bucket
Jumlah nozzle
Diameter nozzle (mm)
Kecepatan Pancar Air (m/s) Hasil perhitungan Hasil simulasi
20 1 8 1.148,43 1.148,40
20 1 10 735 735
20 1 15 327 326
20 1 30 82 82
Tabel 4.2 Data Penelitian Hasil Simulasi Torsi Jumlah
bucket
Jumlah nozzle
Diameter nozzle (mm)
Kecepatan sudut (rad/s)
Hasil simulasi torsi (Nm)
20 1 8 8,22 18791
20 1 10 8,22 4002
20 1 15 8,22 779
20 1 30 8,22 326
32 Tabel 4.3 Data Penelitian Daya Air
Diameter nozzle
(mm)
Luas penampang
(m2)
massa jenis air (kg/m3)
kecepatan air output nozzle
(m/s)
Daya air (W)
8 0,05024 1000 1148,40 380054
10 0,0785 1000 735 155848
15 0,176625 1000 327 30880
30 0,7065 1000 82 19500
Tabel 4.4 Data Penelitian Daya Turbin Diameter
nozzle (mm)
Torsi (Nm)
Kecepatan Sudut (rad/s)
Daya Yang dihasilkan Turbin (W)
8 18791 8,22 154462
10 4002 8,22 32896
15 779 8,22 6403
30 326 8,22 2680
Tabel 4.5 Data Penelitian Efisiensi Diameter nozel
(mm)
Daya Yang dihasilkan Turbin
(W)
Daya air (W) Efisiensi (%)
8 154462 380054 41
10 32896 155848 22
15 6403 30880 20
30 2680 19500 14
33 4.2 Analisa Hasil Perhitungan
Berdarsarkan data-data yang telah didapat pada tabel 1 sampai 5, dengan menggunakan persamaan (1) sampai (24). Diperoleh hasil perhitungannya dijabarkan sebagai berikut:
4.2.1. Perhitungan perencanaan Turbin pelton
Berdarsarkan asumsi yang telah dibuat seehingga dapat dirancang turbin pelton dengan perhitungan perancangan, head (H) = 12 m, dengan debit air (Q) = 0,009 m3/s, percepatan gravitasi (g) = 9,81 m/s2, dan randemen turbin η= 70 % (diasumsikan). Maka perhitungannya sebagai berikut:
1. Kecepatan pancar air keluar (C1) C1 = √2. 𝑔. 𝐻
C1 = √2 x 9,81 x 12 C1 = 15,34 m/s
2. Kecepatan Tangensial (u) u = C1
2
u = 15,34
2 u = 7,67 m/s
3. Luas Permukaan pancar air (A) A = Q
C1
A = 0,009
15,34
A = 0,00059 m3
4. Diameter pancar air (d) d = 0,54
√
Q√H
d = 0,54
√
0,009√12
d = 0,0275 m
34 5. Diameter runner (D)
D = 10.d
D = 10 x 0,0275 D = 0,275 m
6. Menghitung (D/d) menggunakan interpolasi
𝐷
𝑑 = 0,005.H + 8 = 0,005 x 12 + 8 = 8,06 D = 8,06 x 0,0275
D = 0,22 m
7. Kecepatan putar turbin (n) n = 60 x 7,67
3,14 x 0,22
n = 667 rpm
8. Kecepatan spesifik (ns) nq = 667 rpm
√
0,009123/4 m
nq = 10 rpm
9. Jumlah kutub generator Zp = 3000
667
Zp = 4,5
Jumlah kutub pada generator adalah 4
10. Mengitung ulang kecepatan putar berdarsarkan jumlah kutub generator n = 3000
4
n = 750 rpm
11. Kecepatan sudut turbin Ꞷ = 2 x 3,14 x 750 rpm
60
Ꞷ = 78,5 rpm = 8,22 rad s⁄ 12. Diameter lingkar tusuk (dt)
dt = 60 x 7,67
3,14 x 750
dt = 0,195 m
35 13. Jumlah Sudu
Z = 𝐷
2 𝑥 𝑑+ 15 Z = 0,273
2 x 0,0273 + 15 Z = 20
Jumlah bucket pada turbin adalah 20 14. Diameter luar runner
Do = dt + 1,2 x 0,028
Do = 0,21996 m = 219,9 mm 15. Lebar Sudu
= 3,1 x d
= 3,1 x 0,0273
= 0,0846 m = 84,6 mm 16. Tinggi Sudu
= 2,1 x0,0273
= 0.0573 m = 57,3 mm 17. Panjang Sudu
= 2,4 x 0,0273
= 0,0655 m = 65,5 mm 18. Lebar bukaan sudu
= 1,2 x 0,0273
= 0,0327 m = 32,7 mm 19. Kedalaman sudu
= 0,9 x 0,0273
= 0,0245 m = 24,5 mm 4.2.2. Kecepatan pancar air
Kecepatan pancar air merupakan kecepatan aliran yang sejajar dengan poros dan linier terhadap sumbu aliran. Pada simulasi ini untuk kecepatan yang digunakan adalah kecepatan maksimal dimana terletak saat air melewati nozzle kemudian menumbuk sudu turbin. Pada tabel 4.1 menunjukan perbedaan
36
kecepatan pancar air secara perhitungan atau teoritis dengan kecepatan pancar air yang dilakukan secara simulasi.
Pada hasil penelitian menunjukan bahwa semakin besar nilai diameter output nozzle maka kecepatan aliran output nozzle akan menurun. Hal ini dikarenakan dengan adanya perbedaan diameter output nozzle dan diameter input nozzle dengan dialiri sebuah air maka hukum kontinuitas akan berlaku pada simulasi aliran nozzle tersebut. Semakin kecil diameter maka kecepatan aliran akan semakin meningkat begitu juga sebaliknya jika diameter output nozel diperbesar maka kecepatan aliran akan lebih kecil dibandingkan dengan diameter output nozzle yang mempunyai ukuran kecil. Secara teori untuk menghitung kecepatan yang melewati nozzle berlaku hukum kontinuitas yang dirumuskan pada persamaan (2) sehingga dijabarkan sebagai berikut:
Q1 = Q2
A1.v1 = A2.v2
A =π.d2
4
v1 = v2. 𝐷2 2 𝐷1 2 Dimana
v1 : Kecepatan air ketika sudah melewati nozel (m/s)
v2 : Kecepatan air sebelum masuk ke nozzle nilainya ditetapkan 15 (m/s) D1 : Diameter outlet nozzle (m)
D2 : Diameter inlet nozzle (m) Maka Hasil perhitungan sebagai berikut:
a. Luas penampang dan Kecepatan axial diameter nozzle 8 mm
• Luas penampang
A =π. d2 4
A =3.14 x 0,082 4 A = 0,05024 m2
37
• Kecepatan aksial
v1 = v2. 𝐷2 2 𝐷1 2 v1 = 15 x 0,072
0,082 v1 = 1.148,43 m/s
b. Luas penampang dan Kecepatan aksial diameter nozzle 10 mm
• Luas penampang
A =3.14 x 0,12 4 A = 0,0785 m2
• Kecepatan aksial
v1 = 15 x 0,072 0,12 v1 = 735 m/s
c. Luas penampang dan Kecepatan aksial diameter nozzle 15 mm
• Luas penampang
A =3.14 x 0,152 4 A = 0,1766 m2
• Kecepatan aksial
v1 = 15 x 0,072 0,152 v1 = 327 m/s
d. Luas penampang dan Kecepatan aksial diameter nozzle 30 mm
• Luas penampang
A =3.14 x 0,32 4 A = 0,7065 m2
38
• Kecepatan aksial
v1 = 15 x 0,072 0,32 v1 = 82 m/s 4.2.3. Perhitungan Daya Air yang dihasilkan
Berdasarkan pembahasan rumusan perhitungan tersebut maka didapatkan hasil nilai daya air yang ditunjukan pada tabel 4.3 menunjukan bahwa semakin besar diameter output nozel maka nilai daya air akan semakin kecil, begitu juga jika luas penampang kecil maka kecepatan air akan kecil. Kecepatan aliran tersebut akan berpengaruh terhadap daya air. Jika kecepatan aliran semakin besar maka daya air yang dihasilkan akan semakin besar nilainya.
Sehingga akan dihasilkan perhitungan dari persamaan (4) sebagai berikut:
a. Daya air yang dihasilkan diameter output nozzle 8 mm Pa = 1
2 𝜌. 𝐴. 𝑣3 Pa = 1
2 x 1000 x 0,05024 x 1148,43 Pa = 380054 W
b. Daya air yang dihasilkan diameter ouput nozzle 10 mm Pa =1
2x 1000 x 0,0785 x 7353 Pa = 155848 W
c. Daya air yang dihasilkan diameter ouput nozzle 15 mm Pa =1
2x 1000 x 0,1766 x 3273 Pa = 30880 W
d. Daya air yang dihasilkan diameter ouput nozzle 30 mm Pa =1
2x 1000 x 0,7065 x 823 Pa = 19500 W
4.2.4 Perhitungan daya turbin yang dihasilkan
Untuk menghitung daya turbin harus mendapatkan kecepatan sudut terlebih dahulu maka kecepatan sudut sudah ditentukan yang dijadikan sebagai
39
variable yang dihitung yaitu 78,5 rpm lalu dikonversikan kedalam satuan rad/s.
untuk lebih jelasnya sebagai berikut:
ω =2πn t Dimana:
ω : Kecepatan sudut (rad/s) π : Konstanta (3,14 atau 22/7) n : Kecepatan putar turbin (rpm) t : Waktu (s)
78,5 rpm = .... rad/s
78,5 rpm =78,5 x 2π radian 60 sekon ω = 8,22 𝑟𝑎𝑑 𝑠⁄
setelah mendapatkan perhitungan dari kecepatan sudut dilanjutkan menghitung besar daya turbin yang dihasilkan akibat adanya energi kinetik dipergunakan perumusan (Arismunandar,2004) :
𝑃𝑡 = 𝑇. 𝜔 Dimana:
Pt : Daya turbin (W) T : Torsi (Nm)
ꞷ : Kecepatan sudut (rad/s) Maka perhitungannya sebagai berikut:
a. Perhitungan Daya turbin diameter nozzle 8 mm Pt = T. ω Pt = 18791 x 8,22
Pt =154462 W b. Perhitungan Daya turbin diameter nozzle 10 mm
Pt = 4002 x 8,22 Pt = 32896 W c. Perhitungan Daya turbin diameter nozzle 15 mm
40
Pt = 779 x 8,22 Pt = 6403 W d. Perhitungan Daya turbin diameter nozzle 30 mm
Pt = 326 x 8,22 Pt = 2680 W 4.2.5 Perhitungan Efisiensi
Efisiensi dihitung untuk mencari selisih energi yang hilang atau terbuang dalam bentuk presentase digunakan perumusan dari persamaan (24). Maka perhitungannya sebagai berikut:
a. Perhitungan Efisiensi diameter nozzle 8 mm η =Pt
Pax 100%
η =154462
380054x 100%
η = 41 % b. Perhitungan Efisiensi diameter nozzle 10 mm
η = 32896
155848x 100%
η = 22 % c. Perhitungan Efisiensi diameter nozzle 15 mm
η = 6403
30880x 100%
η = 20 % d. Perhitungan Efisiensi diameter nozzle 30 mm
η = 2680
19500x 100%
η = 14 %
4.3 Pembahasan
Hasil perhitungan pada subbab 4.2 akan ditampilkan dengan lebih detail pada subbab ini. torsi yang dihasilkan berbanding lurus dengan daya, dan efisiensi pada turbin pelton. Oleh sebab itu akan dianalisis daya, dan efisiensi pada seluruh variasi diameter nozzle.
