Analisa Teoritis Turbin Vorteks Dengan Rumah Turbin Berbentuk Lingkaran Dengan Variasi Diameter Lubang Buang, Ketinggian Air Dan Diameter Runner

(1)

ANALISA TEORITIS TURBIN VORTEKS DENGAN RUMAH

TURBIN BERBENTUK LINGKARAN DENGAN VARIASI

DIAMETER SALURAN BUANG, KETINGGIAN AIR DAN

DIAMETER RUNNER

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

PETRUS JESE PATARMATUA PARDEDE 090401064

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kehadiran Tuhan Yang Maha Esa atas berkat

dan karunia-Nya penulis akhirnya dapat menyelesaikan skripsi ini dengan judul

“ANALISA TEORITIS TURBIN VORTEKS DENGAN RUMAH TURBIN

BERBENTUK LINGKARAN DENGAN VARIASI DIAMETER LUBANG

BUANG, KETINGGIAN AIR DAN DIAMETER RUNNER”.Skripsi ini

disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan pendidikan Strata-1 (S1) pada

Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi

penulis, namun berkat dorongan, semangat, doa dan bantuan dari berbagai pihak

akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Oleh karena itu dengan penuh ketulusan hati

penulis mengucapkan terima kasih kepada :

1. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, M.T. selaku dosen pembimbing, yang

dengan penuh kesabaran dan kebijaksanaan dalam memberikan

bimbingan dan motivasi kepada penulis.

2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen

Teknik Mesin Universitas Sumatra Utara.

3. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin

yang telah berjasa membimbing serta membantu segala keperluan

penulis selama penulis kuliah.

4. Kedua orangtua penulis, T. Pardede dan J. L. Pangaribuan yang sangat

mendukung penulis, yang memberikan kasih sayang yang tak

terhingga dan doa kepada penulis.

5. Saudara kandung penulis Johansen P. C. Pardede, Andreas P. G.

Pardede, Daniel G. H. Pardede, Stephanie S. U. Pardede beserta

seluruh keluarga kandung penulis yang tak dapat disebutkan satu per

satu yang selalu menyokong, mendukung dan mendoakan penulis.

6. Rekan-rekan seperjuangan Budiman Y. Simbolon, Irwan J. Purba dan

Morry K. Lumbantoruan yang telah bersama-sama dan bahu-membahu

(3)

7. Adinda Dessy S. Hutagaol yang selalu mendukung, member semangat,

dan menerima keluh kesah penulis baik dalam kondisi sulit maupun

senang.

8. Rekan-rekan mahasiswa stambuk 2009, para abang senior dan

adik-adik junior semua yang telah mendukung dan memberi semangat

kepada penulis.

9. Prof. Sujate C. Wanchat dan seluruh pihak yang tak mampu penulis

sebutkan satu persatu yang telah membantu dan mendoakan penulis

selama proses penelitian ini.

Penulis sangat menyadari bahwa tak ada gading yang tak retak, sehingga

penulis menyadari bahwa karya tulis ini belum sempurna, dan penulis sangat

mengharapkan dengan senang hati kritik dan saran yang membangun untuk

memperbaiki skripsi ini untuk kepentingan ilmu pengetahuan. Semoga tulisan ini

dapat memberi manfaat kepada pembaca. Dan Akhir kata Penulis mengucapkan

banyak terima kasih, Tuhan Memberkati.

Medan, Oktober 2014

(4)

ABSTRAK

Penelitian ini adalah analisis perancangan secara teoritis dari sebuah bak

vortex yang dirancang untuk membentuk dan memunculkan sebuah aliran vortex

yang dipengaruhi oleh gravitasi. Dalam aplikasinya, kecepatan air dari aliran

vortex memungkinkan untuk dimanfaatkan sebagai salah satu sumber energy

alternative terbarukan. Dalam penelitian ini, penulis tertarik dengan analisa

teoritis aliran vortex bebas yang terjadi dalam bak vortex, yang masih merupakan

cara baru dalam membangkitkan tenaga air dalam dunia teknik tenaga air.

Keuntungan dari teknologi ini adalah pembangkitan tenaga listrik oleh tenaga air

yang mempunyai nilai head sangat rendah, mulai dari 0.1 sampai 0.335 meter.

Penelitian ini menganalisis menggunakan teori potential vortex yang

sangat mendekati fenomena vortex bebas. Hasilnya nantinya dapat diterapkan

dalam pembangkit listrik tenaga mikrohidro. Penelitian ini meneliti beberapa

parameter yang mempengaruhi kecepatan pusar fluida kerja, yaitu 1) Diameter

lubangbuang, 2) Head vortex, dan 3) Diameter runner. Kecepatan tangensial atau

kecepatan memusar fluida mempunyai distribusi sepanjang radius bak yang

digunakan untuk menganalisa sudu dengan hasil optimal untuk diuji lapangan

pada penelitian berikutnya. Model atau prototype ini dirancang untuk

menganalisis kemampuannya untuk menghasilkan tenaga, pada akhirnya tenaga

listrik.

Dari hasil analisa ini didapat daya potensial air paling besar terdapat pada

lubang buang 5 sebesar 12.58 Watt, daya dan efisiensi turbin terbesar juga

ditunjukkan pada lubang buang 5 dan pada penggunaan runner A2 yakni 11.38

Watt dan 88.58%.

Kata kunci: gravitational vortex, vortex basin, vortex strength, circulation,

(5)

ABSTRACT

This study is the analysis of a design of a basin structure which has the

ability to form a gravitational vortex stream. Such a high velocity water vortex

stream can possibly used as an alternative energy resource. In this study we are

interested in the formation of a water vortex stream by gravitation, which is a new

technique used in the field of hydro power engineering. The advantage of this

method for electrical generation is the capability of producing energy using low

heads of 0.01 to 0.335 meters.

This study used the potential vortex theorem that similar to free vortex

phenomenon. It can be applied in a low head micro hydro power plant. The

studies investigated parameters which affect the fluid swirl velocity, which

include 1) Outlet diameter at the bottom centre of the basin, 2) Gavitational vortex

head, and 3) Runner diameter. The tangensial velocity distribution is used to

determine the suitable blade for testing. A gravitational vortex power plant model

is created to investigate electrical power output.

The analysis study shows highest ideal theoretical potential water power is

in orifice 5 as 12.58 Watt, best power and efficiency of the turbine got in orifice 5

and by the usage of runner A2 was 11.38 Watt and 88.58%.

Keywords: gravitational vortex, vortex basin, vortex strength, circulation,

(6)

DAFTAR ISI

1.2 Tujuan Penelitian ... 3

1.3 Manfaat Penelitian ... 3

1.4 Batasan Masalah ... 3

1.5 Metodologi Penelitian... 4

1.6 Sistematika Penulisan ... 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Vortex ... 6

2.2 Klasifikasi Vortex ... 7

2.2.1 Vortex Paksa / Berotasi ... 7

2.2.2 Vortex Bebas / TakBerotasi ... 9

2.3 TurbinAir ... 17

2.3.1 Klasifikasi Turbin Air ... 18

2.3.2 Turbin Reaksi ... 19

2.3.3 Turbin Impuls ... 21

2.4 Turbin Vortex ... 26

2.4.1 Perhitungan Perancangan Teoritis Turbin Vortex ... 27

2.4.2 Prinsip Kerja Turbin Vortex ... 28

2.4.3 Aplikasi Turbin Vortex ... 33

(7)

3.2 Perancangan Instalasi ... 34

3.3 Proses Analisa Data ... 35

BAB IV HASIL DAN ANALISA DATA 4.1 Karakteristik Aliran Vortex Kuat ... 38

4.2 Sirkulasi dan Konstanta Vortex ... 40

4.3 Distribusi Kecepatan Tangensial pada Permukaan Bebas ... 43

4.4 Prediksi Ketinggian (Z) Permukaan Bebas di Sepanjang Radius ... 47

4.4.1 Lubang Buang 1... 48

4.5 Analisa Momentum Sudut dan Segitiga Kecepatan Sudu ... 78

4.5.1 Analisa Momentum Sudut ... 79

4.5.2 Segitiga Kecepatan Sudu ... 82

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ... 89

5.2 Saran ... 92

(8)

DAFTAR TABEL

Tabel 4.6 Tabel Variasi Sirkulasi dan Konstanta C LB1... 39

Tabel 4.10 Tabel Variasi Sirkulasi dan Konstanta C LB5 ... 41

Tabel 4.11 Tabel Variasi Kecepatan Tangensial pada LB1 ... 41

Tabel 4.16 Distribusi Kecepatan Paling Tinggi dari Setiap Lubang Buang ... 76

Tabel 4.17 Variasi Ketinggian Head Vortex Berdasarkan Ketinggian Air Masuk LubangBuang 1... 77

Tabel 4.18 Variasi Ketinggian Head Vortex Berdasarkan Ketinggian Air Masuk Lubang Buang 2... 78

Tabel 4.22 Analisa Momentum Sudut Lubang Buang 1 ... 80

(9)

Tabel 4.27 Tabel Kerja Poros dan Kecepatan Runner A1 ... 84

Tabel 4.30 Tabel Kerja Poros dan Kecepatan Runner B ... 85

Tabel 4.31 Tabel Daya Teoritis Air Setiap Lubang Buang ... 86

Tabel 4.32 Tabel Efisiensi Tiap Runner di Lubang Buang 1 ... 86

(10)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Aliran Vortex... 6

Gambar 2.2 Klasifikasi vortex berdasarkankekuatannya ... 7

Gambar2.3 The Cangkir yang di aduk adalah sebuah Aplikasi Forced vortex .. 8

Gambar2.4 Rotational (rigid-body) vortex ... 8

Gambar2.5 Vortex bebas ... 9

Gambar 2.6 Notasi untuk menentukan sirkulasi pada kurva tertutup S ... 13

Gambar2.7 KlasifikasiTurbin air ... 19

Gambar2.8 Turbin Francis ... 20

Gambar2.9 Turbin Kaplan ... 21

Gambar2.10 TurbinPelton ... 22

Gambar 2.13 Tubin Turgo ... 23

Gambar 2.14 Turbin Crossflow... 23

Gambar 2.15 Turbin Vortex ... 24

Gambar2.16 Instalasi Turbin Vortex Pada Sungai ... 28

Gambar 2.17 Bentuk permukan Pusaran Air secara matematik ... 29

Gambar 2.19 Efisiensi Hidrolik Turbin Vortex ... 30

Gambar 3.1 Instalasi Turbin Vortex... 35

Gambar 4.1 Diagram Alir Analisis Turbin Vorteks ... 36

Gambar 4.2 Grafik Variasi DistribusiKecepatanTangensialpada LB1 ... 42

Gambar 4.3 Grafik Variasi Distribusi Kecepatan Tangensial pada LB2 ... 43

Gambar 4.7 Grafik Variasi DistribusiZ pada LB1H1 ... 47

Gambar4.10 Grafik Variasi Distribusi Z pada LB1H4 ... 50

(11)

Gambar4.34 Grafik VariasiDistribusi Z pada LB5H4 ... 74

Gambar4.37 Runner A ... 77

Gambar4.38 Runner B ... 77

(12)

DAFTAR NOTASI

Γ = Sirkulasi [m2/s]

= kecepatan tangensial [m/s]

C = konstantauntuk free vortex [m2/s], konstantakekuatan vortex bebas.

ω = konstantauntuk forced vortex [s-1]

r = jari - jari

H = Head/Ketinggian Air [m]

Q = Debit[m3/s]

= Daya air [Watt]

= Aliran massa [kg/s]

= Kecepatan Air [m/s]

= Energi kinetik [Joule]

= Kecepatan Sudut [rev/s]

= Jari – jari [m]

= kecepatan aliran[m/s]

= massa jenis [kg/m3]

π = phi (22/7 atau 3,14)