RANCANG BANGUN TURBIN ULIR SEBAGAI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA PIKOHIDRO

(1)

PROPOSAL TUGAS PERANCANGAN MESIN

RANCANG BANGUN TURBIN ULIR SEBAGAI

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA PIKOHIDRO

Disusun oleh:

Yulianto (111031068)

Mochammad Ridwan (111031108) Wawan Edi Santoso (111031171) Aziz Akbar Rifai (111031174)

PROGRAM STUDI STRATA 1

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT SAINS & TEKNOLOGI AKPRIND

YOGYAKARTA

2013

(2)

i PROPOSAL TUGAS PERANCANGAN MESIN

RANCANG BANGUN TURBIN ULIR SEBAGAI

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA PIKOHIDRO

Disusun oleh:

Yulianto (111031068)

Mochammad Ridwan (111031108) Wawan Edi Santoso (111031171) Aziz Akbar Rifai (111031174)

PROGRAM STUDI STRATA 1

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT SAINS & TEKNOLOGI AKPRIND

YOGYAKARTA

2013

(3)

ii DAFTAR ISI Halaman Judul Daftar Isi Daftar Gambar Daftar Tabel A. Pendahuluan

1. Latar Belakang Masalah 2. Rumusan Masalah 3. Batasan Masalah 4. Tujuan Perancangan 5. Manfaat Perancangan B. Tinjauan Pustaka C. Landasan Teori

1. Konsep Dasar Sistem Konversi Energi Air 2. Jenis-Jenis Turbin Air

3. Turbin Ulir

4. Paramater-Parameter Turbin Ulir D. Perancangan

1. Daya Rencana

2. Penentuan Dimensi Rancangan E. Daftar Pustaka

F. Jadwal Pelaksanaan G. Rincian Perkiraan Biaya H. Biodata Penyusun Proposal

i ii iii iv 1 2 2 2 2 3 5 5 6 8 10 10 11 12 13 14

(4)

iii DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1. Turbin ulir yang dibuat oleh Havendri (2009) Gambar 1.2. Turbin ulir yang dibuat oleh Hizar (2011)

Gambar 2.1. Rentang head-flow turbin skala kecil (Hizar, 2011) Gambar 2.2. Ilustrasi sebuah turbin ulir (Hizar, 2011)

Gambar 2.3. Parameter sebuah ulir Archimedes 2 sudu (Rorres, 1998) Gambar 3.1. Diagram alir proses perancangan trubin ulir

Gambar 3.2. Rancangan turbin ulir yang akan dibuat Gambar 4.1. Diagram alir jadwal pelaksanan

3 5 6 7 8 9 11 12

(5)

iv DAFTAR TABEL

Tabel 1.1. Hasil pengujian yang dilakukan oleh Hizar (2011) Tabel 2.1. Perkiraan biaya pembuatan turbin ulir

4 13

(6)

1 A. Pendahuluan

1. Latar Belakang Masalah

Peningkatan jumlah penduduk di Indonesia menyebabkan peningkatan kebutuhan energi listrik karena kemudahannya untuk diubah lagi ke bentuk energi lain, padahal pemenuhan kebutuhan listrik masih belum merata kepada segenap lapisan masyarakat sementara ketergantungan pemakaian bahan bakar fosil masih sangat tinggi untuk digunakan sebagai pembangkitan energi listrik. Indonesia adalah negara yang cukup kaya dengan potensi energi terbarukan seperti energi air (minihidro, mikrohidro, pikohidro), energi biomassa, energi surya, energi angin, energi panas bumi, energi laut, dan energi nuklir. Khusus untuk pikohidro, pengembangannya biasanya memanfaatkan potensi aliran air dengan head (ketinggian) dan debit tertentu yang dikonversi menjadi energi listrik melalui turbin dan generator.

Dari permasalahan di atas, penyusun tertarik untuk mengembangkan jenis turbin yang dapat beroperasi optimal pada head

rendah debit tinggi, yaitu turbin ulir. Turbin ini beroperasi dengan putaran rendah dan masih tergolong baru dikembangkan di Indonesia namun memiliki beberapa keunggulan di antara jenis turbin head rendah yang lain sebagai berikut (Havendri, 2010):

1. Tidak memerlukan sistem kontrol khusus karena penggunaan unit peralatan dan generator yang standar.

2. Mudah dalam konstruksi, instalasi dan perawatan. 3. Ramah lingkungan dan fish-friendly.

4. Tidak membutuhkan draft tube dan trash rack sehingga biaya konstruksi yang rendah.

5. Mudah dalam pengoperasian dan biaya perawatan yang rendah. 6. Efisiensi turbin yang tinggi untuk kondisi operasi head rendah dan

debit tinggi.

7. Mempunyai umur yang cukup lama, berkisar dari 25 sampai 40 tahun.

(7)

2 Kinerja sebuah turbin ulir dipengaruhi oleh parameter-parameter yang terkait dalam perancangan turbin ulir itu sendiri, antara lain: pitch

atau jarak periode dari sebuah sudu (blade) dan pemasangan turbin atau kemiringan poros. Berdasarkan uraian tersebut, penulis tertarik mengembangkan perancangan tentang turbin ulir yang disusun dalam tugas perancangan mesin yang diberi judul “Rancang Bangun Turbin Ulir sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Pikohidro”.

2. Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan di atas, terdapat rumusan masalah yang selanjutnya menjadi bahan kajian bagi penulis, yaitu:

• Bagaimana rancangan turbin ulir yang optimal untuk digunakan sebagai pembangkit listrik tenaga pikohidro?

3. Batasan Masalah

Sebagai batasan masalah agar perancangan ini tidak menyimpang, penulisan dibatasi pada:

1. Rancang bangun turbin ulir 2 blade dengan pitch2𝑅𝑅𝑜𝑜.

2. Perhitungan ketebalan blade dan ketebalan poros tidak dibahas dalam rancang bangun ini.

3. Alat yang digunakan untuk mengubah daya mekanik menjadi daya listrik adalah generator AC 3 fasa 200 W.

4. Analisis hasil pengujian turbin ulir tidak dibahas.

4. Tujuan Perancangan

Tujuan dari perancangan ini adalah:

• Membuat turbin ulir sebagai pembangkit listrik tenaga pikohidro. 5. Manfaat Perancangan

Manfaat yang diharapkan dari perancangan ini adalah:

1. Mengetahui rancangan turbin ulir yang optimal untuk digunakan sebagai pembangkit listrik tenaga pikohidro.

(8)

3 2. Sebagai referensi dalam pengembangan turbin ulir sebagai

penggerak mula (primer mover engine) pada pembangkit skala kecil (minihidro, mikrohidro, pikohidro).

B. Tinjauan Pustaka

Penelitian mengenai turbin ulir dewasa ini telah dilakukan oleh ilmuwan-ilmuwan di berbagai negara, termasuk di Indonesia. Havendri (2009) telah membuat model prototipe turbin air tipe screw (Archimedean

Turbine) untuk Pembangkit Listrik Tenaga Mikohidro (PLTMh). Dari

hasil perencanaan dan pembuatan model tersebut, didapatkan spesifikasi rancangan sebagai berikut:

• Daya turbin = 100 W • Putaran turbin = 45 rpm • Head turbin = 1 m • Kapasitas aliran = 0,022 m3/s • Diameter trubin = 0,167 m

• Material turbin baja karbon ASTM A53

(9)

4 Dari studi eksperimental yang telah dilakukan oleh Hizar (2011) mengenai pengaruh perbedaan jarak pitch dan kemiringan poros terhadap kinerja mekanik turbin ulir 2 blade didapatkan data sebagaimana yang tercantum pada tabel 1.1.

Tabel 1.1. Hasil pengujian yang dilakukan oleh Hizar (2011)

Pitch Kemiringan Poros [⁰] Putaran Turbin Daya Teoritis [W] Daya Pengujian [W] Daya Air [W] [rpm] [rad/s] 2R₀ 25 115 12,04 17,33 15,89 21,82 30 117 12,25 19,23 16,53 24,97 35 135 14,13 22,75 18,51 27,98 40 145 15,18 26,41 14,87 30,78 45 110 11,51 20,95 10,59 33,39 1,6R₀ 25 106 11,09 15,09 14,31 21,82 30 112 11,72 17,35 15,36 24,97 35 127 13,29 20,07 16,62 27,98 40 132 13,82 22,8 14,92 30,78 45 98 10,26 17,64 12,31 33,39 1,2R₀ 25 118 12,35 14,94 15,07 21,82 30 119 12,46 16,32 15,82 24,97 35 122 12,77 17,24 16,6 27,98 40 114 11,93 17,42 14,92 30,78 45 104 10,89 16,65 10,56 33,39

Dari kedua data di atas, penyusun menyimpulkan bahwa desain turbin ulir 2 blade yang paling optimal akan didapatkan apabila jarak pitch

(10)

5 Gambar 1.2. Turbin ulir yang dibuat oleh Hizar (2011)

C. Landasan Teori

1. Kosep Dasar Sistem Konversi Energi Air

Sistem konversi energi air merupakan sistem yang bertujuan untuk merubah energi potensial air menjadi energi mekanik poros oleh sudu turbin (Pudjanarsa, 2008). Energi gerak atau energi puntir yang dihasilkan turbin tersebut ditransmisikan dengan menggunakan sabuk, roda gigi, maupun poros untuk memutar generator. Selanjutnya generator berperan mengkonversi energi mekanik tersebut menjadi energi listrik.

Besarnya energi yang ditransfer ke sudu turbin terutama dipengaruhi oleh besarnya laju aliran air dan keoptimalan rancangan dari parameter turbin itu sendiri.

2. Jenis-Jenis Turbin Air

Turbin air merupakan mesin penggerak mula (primer mover engine) di mana air sebagai fluida kerjanya. Air mempunyai sifat alami mengalir dari tempat yang lebih tinggi menuju ke tempat yang lebih

(11)

6 rendah, dalam hal ini air memiliki energi potensial. Proses aliran energi potensial ini berangsur-angsur berubah menjadi energi kinetik, di dalam turbin energi kinetis tersebut diubah menjadi energi mekanik yaitu dengan terputarnya runner turbin. Selanjutnya energi mekanik dari runner turbin ditransmisikan ke poros generator dan mengubahnya menjadi energi listrik.

Turbin air dapat diklasifikasikan berdasarkan prinsip kerjanya sebagai berikut (Dietzel, 1996):

1. Turbin impuls (impulse turbine), yaitu turbin yang digerakkan oleh sebuah atau beberapa pancaran air (water jet) berkecepatan tinggi. Jenis-jenis turbin impuls adalah turbin Pelton, turbin Turgo, dan turbin Crossflow.

Gambar 2.1. Rentang head-flow turbin skala kecil (Hizar, 2011)

2. Tubin reaksi (reaction turbine), yaitu turbin yang digerakkan oleh gaya tekanan air. Rotor dari turbin reaksi terbenam secara keseluruhan dalam air dan ditutupi oleh selubung tekan (pressure casing). Sudu-sudu runner mempunyai bentuk profil sedemikian rupa sehingga perbedaan tekanan air yang melewatinya menimbulkan gaya-gaya hidrodinamis yang selanjutnya gaya-gaya tersebut memutar turbin dengan cepat. Jenis-jenis turbin reaksi adalah turbin Propeler, turbin Kaplan, dan turbin Francis.

(12)

7 3. Turbin gravitasi (gravity turbine), yaitu turbin yang secara

sederhana digerakkan oleh gaya berat air yang memasuki bagian atas turbin dan mengalir atau jatuh ke bagian bawah keluaran (outlet) turbin. Jenis ini merupakan jenis turbin berkecepatan rendah. Jenis-jenis turbin gravitasi adalah turbin ulir (Archimedes Screw turbine) dan overshoot waterwheel.

3. Turbin Ulir

Proses perubahan energi pada turbin ulir yaitu energi tekanan dan kinetik dalam air yang menumbuk blade (sudu ulir) akan menimbulkan gaya-gaya hidrodinamis pada blade ulir tersebut. Gaya-gaya tersebut mengakibatkan perubahan tekanan pada blade turbin ulir. Perubahan tekanan ini akan memutar blade dan poros turbin. Energi puntir yang terdapat pada poros selanjutnya ditransmisikan untuk memutar generator. Energi listrik yang dihasilkan oleh generator selanjutnya didistribusikan ke konsumen setelah melalui inverter. Turbin ulir merupakan salah satu turbin yang sangat efisien untuk dioperasikan pada aliran air yang mempunyai head rendah dan debit tinggi. Turbin ulir bekerja pada kisaran head 1 – 15 m.

(13)

8 4. Parameter-Parameter Turbin Ulir

Geometri dari sebuah ulir Archimedes (Archimedes screw) ditentukan oleh beberapa parameter eksternal yaitu jari-jari terluar, panjang ulir, dan kemiringan. Parameter-parameter lain yang mempengaruhi adalah parameter internal seperti jari-jari dalam, jumlah

blade, dan pitch blade (Rorres, 1998). Parameter-parameter eksternal tersebut biasanya ditentukan oleh lokasi penempatan ulir Archimedes dan seberapa banyak air yang akan diangkat.

Sementara parameter-parameter internal adalah bebas ditentukan sendiri untuk mengoptimalkan performansi atau kinerja dari ulir.

Dalam ulir Archimedes yang modern, jumlah dari blade biasanya 1,2, atau 3. Hal ini karena keterbatasan dalam pembuatan, berat ulir, dan biaya. Jadi, jumlah blade ditentukan di awal perancangan. Ketebalan blade

diasumsikan mempunyai ketebalan yang dapat diabaikan. Sementara volume air yang bisa diangkat dalam satu putaran turbin akan relatif meningkat seiring dengan pertambahan jumlah blade. Jika seandainya terdapat ketebalan blade yang tidak dapat diabaikan maka mereka akan mengurangi volume air yang bisa diangkat dalam satu putaran ulir, Dan jika jumlah mereka meningkat, maka akan menyebabkan tidak ada sama sekali volume air yang bisa diangkat oleh ulir.

(14)

9 D. Perancangan

Tidak

Ya

Gambar 3.1. Diagram alir proses perancangan trubin ulir Mulai

Studi literatur turbin ulir dan PLTPh

Survey lokasi pemasangan PLTPh

Penentuan head, debit aliran, dan daya keluaran

Sesuai?

Perancangan rotor turbin ulir

• Perancangan poros dan kopling • Pemilihan bantalan dan plummer block

• Perancangan casing

• Pemilihan baut dan mur

• Perhitungan kekuatan sambungan las

Pemilihan generator

Selesai

(15)

10 1. Daya Rencana

Dalam perancangan ini, perhitungan dimulai dengan mencari daya teoritis turbin (Pt) (Munson, 2005).

• Debit rencana (Q) = 0,01 m3/s • Head rencana (h) = 1 m

Efisiensi turbin ulir berkisar antara 75 – 90% (Muller, 2009). Dalam perancangan ini, efisiensi rencana diambil 75 % maka:

𝑃𝑃𝑡𝑡 = 𝜂𝜂.𝜌𝜌.𝑔𝑔.ℎ.𝑄𝑄

⇔ 𝑃𝑃𝑡𝑡 = 75%�1000 _𝑚𝑚𝑘𝑘𝑔𝑔₃� � 9,8_𝑠𝑠𝑚𝑚₂� (1 𝑚𝑚)�0,01 𝑚𝑚 3 𝑠𝑠 � ⇔ 𝑃𝑃𝑡𝑡 = 73,5 𝑊𝑊

Daya turbin (Pt) ini dimaksudkan sebagai pedoman batas

maksimum daya poros yang direncanakan. Putaran turbin (N) yang direncanakan maksimal adalah 200 rpm.

Jika daya turbin, (Pt) adalah daya nominal output sebagai

penggerak, maka faktor keamanan harus digunakan dalam perencanaan. Jika faktor koreksi adalah fc (Sularso, 1985) di mana fc = 1,2 – 2 (diambil

1,2) maka daya rencana (Pd):

𝑃𝑃𝑑𝑑 =𝑓𝑓𝑐𝑐.𝑃𝑃𝑡𝑡

⇔ 𝑃𝑃𝑑𝑑 = 1,2 (73,5 𝑊𝑊) ⇔ 𝑃𝑃𝑑𝑑 = 88,2 𝑊𝑊

2. Penentuan Dimensi Rancangan

• Panjang rotor (L) = 1 m • Diameter dalam (Di) = 0,152 m • Jumlah sudu (N) = 2 • Tebal sudu (tb) = 1,2 mm • Diameter luar (Do) = 0,284 m • Lebar sudu (w) = 0,066 m • Pitch(Ʌ) = 2Ro = 0,284 m

(16)

11 Gambar 3.2. Rancangan turbin ulir yang akan dibuat

E. Daftar Pustaka

Dietzel, F., 1996, Turbin, Pompa, dan Kompresor, Erlangga, Jakarta. Havendri, A. dan Arnif, I., 2010, “Kaji Eksperimental Penentuan Sudut

Ulir Optimum pada Turbin Ulir untuk Data Perancangan Turbin Ulir pada Pusat Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMh) dengan Head Rendah”, Prosiding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin (SNTTM) ke-9.

Havendri, A. dan Lius, H., 2009, “Perancangan dan Realisasi Model Prototipe Turbin Air Type Screw (Archimedean Turbine) untuk Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro dengan Head Rendah di Indonesia”, Jurnal TeknikA, No.31 Vol.2 Thn. XVI April 2009, ISSN: 0854-8471.

Hizar, Y., 2011, Rancang Bangun dan Studi Eksperimental Pengaruh Perbedaan Jarak Pitch dan Kemiringan Poros Terhadap Kinerja

Mekanik Model Turbin Ulir 2 Blade Pada Aliran Head Rendah,

Thesis Magister Teknik Sistem Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta.

(17)

12 Munson, B. R., Young, D. F., Okiishi, T. H., 2005, Mekanika Fluida Jilid

2, Erlangga, Jakarta.

Pudjanarsa, A. dan Nursuhud, D., 2008, Mesin Konversi Energi, Penerbit Andi, Yogyakarta.

Rorres, C., 1998, “The Turn of the Screw: Optimal Design of An Archimedes Screw”, Journal of Hydraulic Engineering, January 2000, hlm 72-80.

Sularso & Suga, K., 1985, Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin, Pradnya Paramita, Jakarta.

F. Jadwal Pelaksanaan

Gambar 4.1. Diagram alir jadwal pelaksanan

1 Juli - 4 Agustus 2013

• Studi Literatur

• Survey Lokasi Pemasangan PLTPh

5 Agustus - 15 September 2013

• Perancangan Turbin Ulir • Perhitungan Biaya Produksi

16 September -13 Oktober 20-13

• Pembuatan Turbin Ulir

14 - 31 Oktober 2013

• Pengujian Turbin Ulir • Revisi Rancangan

1 - 10 November 2013

(18)

13 G. Rincian Perkiraan Biaya

Tabel 2.1. Perkiraan biaya pembuatan turbin ulir Material

Plat baja 2 m x 1 m x 1 mm Rp 200.000,00 Plat baja 5 m x 2 m x 4 mm Rp 200.000,00

Pipa baja 2 m Rp 200.000,00

Silinder baja pejal 4 m Rp 300.000,00 Elemen Mesin

Bantalan (2 buah) Rp 50.000,00

Kopling Rp 30.000,00

Baut dan mur (20 pasang) Rp 30.000,00

Pelumas Rp 25.000,00 Komponen Listrik Generator AC 3 fase 200 W Rp 450.000,00 Rectifier Rp 15.000,00 Peralatan Mistar baja Rp 5.000,00 Mistar gulung Rp 15.000,00 Jangka sorong Rp 5.000,00 Obeng Rp 15.000,00 Kunci ring Rp 15.000,00 Kunci pass Rp 15.000,00 Tang jepit Rp 15.000,00 Amplas Rp 10.000,00 Cat semprot Rp 100.000,00

Solder dan tenol Rp 25.000,00

Multimeter Rp 35.000,00 Proses Produksi Pemotongan Rp 100.000,00 Pembubutan Rp 150.000,00 Pengerolan Rp 100.000,00 Penekukan Rp 200.000,00 Pengelasan Rp 350.000,00 Total Biaya Rp 2.655.000,00

(19)

14 H. Biodata Penyusun Proposal

1. Nama : Yulianto

No. Mahasiswa : 111031068

Tempat, tanggal lahir : Blora, 10 Maret 1993 Alamat asal : Banjarejo, Blora

Alamat di Yogyakarta : PJKA J8, Pengok, Yogyakarta No. Telepon : 085713414548

Asal SMA/SMK : SMK Muhammadiyah 1 Blora

2. Nama : Mochammad Ridwan

Tempat, tanggal lahir : Surakarta, 13 Oktober 1992

Alamat asal : Cangakan III/18 RT.01/RW.X Nusukan Surakarta

Alamat di Yogyakarta : Jalan Mutiara 76 RT.37/RW.10 Pengok, Yogyakarta

No. Telepon : 085725672220