Uji Eksperimental Pada Turbin kaplan Dan Analisa Perbandingan Sudu Pengarah 150, 200, Dan 250 Terhadap 8 Sudu Gerak dan Jarak Vertikal 25 CmUJI

(1)

UJI EKSPERIMENTAL PADA TURBIN KAPLAN

DAN ANALISA PERBANDINGAN VARIASI SUDU

PENGARAH 15

O

_{, 20}

O

_{, DAN 25}

O

_{TERHADAP 8 SUDU GERAK}

DAN JARAK VERTIKAL 25 CM

SKRIPSI

Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

RAFAEL SANJAYA GINTING NIM 100401020

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

(3)

(4)

(5)

ABSTRAK

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. Di dalam air tersimpan energi potensial (pada air jatuh) dan eneri kinetik (pada air mengalir). Pemanfaatan energi air banyak dilakukan dengan menggunakan kincir air atau turbin air yang memanfaatkan adaanya sesuatu air terjun atau aliran air di sungai. Apalagi di daerah pedesaan, dimana terdapat banyak sekali sumber-sumber air terjun dan sungai-sungai yang belum termanfaatkan secara optimal.

Pemanfaatan sumber energi air pada umumnya membutuhkan investasi tinggi. Namun untuk skala kecil dengan menggunakan teknologi terbarukan hal ini tersebut bisa terlaksana. Salah satu bentuk pemanfaatannya adalah dengan penggunaan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro-Mini Hidro (PLTMH). Berdasarkan pemikiran tersebut, maka dilakukan pengujian pada turbin kaplan skala mikro hidro dengan memanfaatkan sumber energi yang terbarukan. Tujuan pengujian ini untuk mengetahui kapasitas daya listrik yang dihasilkan oleh turbin kaplan dengan memanfaatkan aliran air dari reservoir dengan kapasitas air (Q) sebesar 0,006 m3/menit dan head instalasi (H) sebesar 2 meter. Diameter luar runner blade yang akan digunakan dalam pengujian ini sebesar 160 mm. Pada pengujian ini variasisudut guide vane yang akan diuji adalah sudut 150, 200, dan 250_{. Dari pengujian turbin kaplan ini diperoleh daya listrik yang dihasilkan oleh} alternator tanpa beban pada sudut 150 sebesar 3,024 Watt, pada sudu 200

sebesar 4,532 Watt, dan pada sudu 250 sebesar 4,3068 Watt.

(6)

ABSTRACK

Hydropower is the energy obtained from running water. Water energy can

be utilized and used in the form of mechanical energy and electrical energy. In the

water stored potential energy (in falling water) and kinetic enery (in running

water). Utilization of water energy is mostly done by using waterwheel or water

turbine that utilize the existence of something waterfall or stream in the river.

Especially in rural areas, where there are many sources of waterfalls and rivers

that have not been utilized optimally.

Utilization of water energy sources generally require high investment.

However, for small scale using renewable technology this can be done. One form

of utilization is with the use of Micro-Mini Hydro Power Plant (PLTMH). Based

on these thoughts, then tested on micro-scale kaplan turbine by utilizing

renewable energy sources. The purpose of this test is to know the capacity of

electric power generated by Kaplan turbine by utilizing water flow from reservoir

with water capacity (Q) of 0.006 m3 / min and installation head (H) of 2 meters.

The outer diameter of the runner blade to be used in this test is 160 mm. In this

test the variations in the guide vane angle to be tested are angles 150, 200, and

250. From this test Kaplan turbine obtained electric power generated by the

no-load alternator at an angle of 150 for 3,024 Watt, on the blade 200 of 4.532 Watt,

and at 250 blades of 4.3068 Watt.

(7)

KATA PENGANTAR

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

Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan untuk mencapai gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu “UJI

EKSPERIMENTAL PADA TURBIN KAPLAN DAN ANALISA

PERBANDINGAN SUDUT SUDU PENGARAH 15O_{, 20}O_{, DAN 25}O

TERHADAP 8 SUDU GERAK DAN JARAK VERTIKAL 25 CM”.

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

1. Orang tua saya T. Ginting dan R. Br. Tarigan yang selalu menjadi inspirasi buat penulis dari awal masuk kuliah sampai penyelesaian Skripsi ini.

2. Bapak Ir. Tekad Sitepu, M.T. selaku dosen pembimbing, yang bersedia meluangkan waktu dalam memberikan bimbingan serta memberi masukan untuk penyelesaian skripsi ini.

3. Bapak Tulus B.Sitorus, S.T.,M.T dan Bapak Terang UHSG Manik, S.T.,M.T sebagai dosen pembanding yang telah bersedia memberikan saran dan kritik yang sangat membangun demi kebaikan skripsi ini. 4. Bapak Dr. Ir. M. Sabri, M.T. selaku Ketua Departemen Teknik Mesin

Universitas Sumatera Utara yang memberikan kesempatan kepada penulis dalam menyelesaikan tugas sarjana ini.

5. Seluruh staf pengajar dan pegawai administrasi Departemen Teknik Mesin di Universitas Sumatera Utara, yang telah banyak membantu penulis dan memberikan bimbingan selama perkuliahan.

(8)

7. Abang-abang dan adik-adik di Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara yang banyak memberikan bantuan serta semangat bagi penulis.

8. Sahabat - sahabat saya stambuk 2010 yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu, yang telah banyak memberikan bantuan serta semangat bagi penulis.

9. Adik saya, Fidelia Oktarini Br. Ginting dan Meygina Br. Ginting dan kakak saya Mahalenni Br. Ginting yang selalu memberi semangat dan dukungan.

10.Rekan-rekan di IMKA PANDE KALIAGA USU, kawan – kawan seperjuangan, Yosia Tarigan, Esta Tarigan, Jenson Perangin-angin, Uki Ginting dan kawan-kawan yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu yang telah banyak memberikan doa serta semangat bagi penulis dalam menyelesaikan tugas sarjana ini.

11.Terspesial buat Tsuruoka Eda Reformanda Br Bangun yang banyak memberikan motivasi, perhatian, serta semangat bagi penulis dalam menyelesaikan tugas sarjana ini.

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

(9)

DAFTAR ISI

1.5 Sistematika Penulisan ··· 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ··· 5

2.1 Sejarah Turbin ··· 5

2.3.2.2.1 Prinsip Kerja Turbin Kaplan ··· 14

2.3.2.2.2 Komponen Utama Turbin Kaplan ··· 15

2.3.2.2.3 Dimensi Dasar Turbin Kaplan ··· 16

(10)

2.4 Karakteristik Turbin ··· 19

2.5 Seleksi Awal Jenis Turbin ··· 20

2.6 Alternator ··· 22

2.7 Sabuk Datar dan Puli ··· 22

2.7.1 Jenis Gerakan Pada Sabuk ··· 22

2.7.2 Perbandingan Kecepatan Puli ··· 24

2.7.3 Efisiensi Puli ··· 25

2.8 Daya Listrik ··· 25

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ··· 26

3.1 Umum ··· 26

3.2 Spesifikasi Turbin Kaplan ··· 27

3.3 Tempat Dan Waktu Penelitian ··· 28

3.3.1 Tempat Penelitian ··· 28

3.3.2 Waktu Penelitian ··· 28

3.4 Peralatan Pengujian ··· 28

3.4.1 Altenator ··· 28

3.4.2 Pompa ··· 29

3.4.3 Hand Tachometer ··· 29

3.4.4 Clamp Meter ··· 30

3.4.5 Multimeter ··· 31

3.4.6 Instalasi Rangkaian Lampu ··· 32

3.5 Spesifikasi Dan Perlengkapan Turbin Kaplan ··· 32

3.6 Rancang Bangun Instalasi ··· 36

3.7 Pelaksanaan Pengujian ··· 38

BAB IV ANALISA DATA DAN HASIL PENGUJIAN ··· 41

(11)

4.1.1 Kapasitas Aktual Dan Head Efektif Instalasi ··· 41

4.1.2 Dimensi Dasar Turbin Kaplan ··· 41

4.2 Data Hasil Pengujian Turbin Kaplan Dengan 8 Runner blade pada Sudut Sudu Penggarah / Guide Vane 150 ··· 45

4.2.1 Arus, Tegangan dan Putaran ··· 45

4.2.2 Analisa Daya dan Putaran Altenator Pemberian Beban ··· 46

4.2.3 Pengujian Torsi - Putaran Berbeban ··· 49

4.2.4 Efisiensi Daya Turbin dan Efisiensi Daya Altenator ··· 50

4.3 Data Hasil Pengujian Turbin Kaplan Dengan 8 Runner blade pada Sudut Sudu Penggarah / Guide Vane 200 ··· 51

4.3.2 Analisa Daya dan Putaran Altenator Pemberian Beban ··· 52

4.4 Data Hasil Pengujian Turbin Kaplan Dengan 8 Runner blade pada Sudut Sudu Pengarah / Guide Vane 250_{··· 58}

4.4.2 Analisa daya dan putaran altenator pemberian beban ··· 59

4.5 Data Hasil Perbandingan Jumlah Sudu terhadap Efisiensi ··· 64

4.6 Hasil Perbandingan Pemberian Beban Lampu Terhadap Daya Alternator ·· 65

4.7 Hasil Perbandingan Beban Lampu Terhadap Putaran Alternator ··· 66

(12)

5.1 Kesimpulan ··· 67

5.2 Saran ··· 67

(13)

(14)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Skema Turbin Implus ... 11

Gambar 2.2 Turbin Pelton ... 12

Gambar 2.3 Turbin Turgo ... 13

Gambar 2.4 Turbin Crossflow ... 13

Gambar 2.5Turbin Francis ... 15

Gambar 2.6Turbin Kaplan... 16

Gambar 2.7Elemen Dasar Turbin Kaplan ... 19

Gambar 2.8 Segitiga Kecepatan ... 20

Gambar 2.9Grafik Perbandingan Karakteristik Turbin ... 22

Gambar 2.10Altenator ... 26

Gambar 2.11Sabuk terbuka ... 27

Gambar 2.12Gerakan Membelit atau Melingkar pada Sabuk ... 27

Gambar 2.13Gerakan dengan Puli Pengarah ... 28

Gambar 3.1Alternator ... 33

Gambar 3.2Pompa ... 33

Gambar 3.3Hand Tachometer. ... 34

Gambar 3.4Clamp Meter ... 35

Gambar 3.5Multi Meter ... 36

Gambar 3.6 Instalasi Rangkaian Lampu ... 37

(15)

Gambar 3.8Sudu Pengarah / Guide Vane ... 39

Gambar 3.9Poros ... 39

Gambar 3.10Rumah Turbin Spiral Chasing ... 41

Gambar 3.11Draft Tube ... 41

Gambar 3.12Puli / Pulley ... 41

Gambar 3.13Sabuk / Belt ... 42

Gambar 3.14Tangki Air ... 42

Gambar 3.15Instalasi Turbin Kaplan ... 43

Gambar 4.1Segitiga Kecepatan ... 51

Gambar 4.2 Grafik Perubahan Daya pada Alternator Terhadap Penambahan Beban Lampu pada Sudut Sudu Pengarah / Guide Vane 150 ... 55

Gambar 4.3 Grafik Perubahan Putaran Altenator Terhadap Penambahan Beban Lampu pada Sudut Sudu Pengarah / Guide Vane 150_{... 56}

Gambar 4.4Grafik Torsi vs Tegangan ... 57

Gambar 4.5 Grafik Perubahan Daya pada Alternator Terhadap Penambahan Beban Lampu pada Sudut Sudu Pengarah / Guide Vane 20o_{... 63}

Gambar 4.6Grafik Perubahan Putaran Altenator Terhadap Penambahan Beban Lampu pada Sudut Sudu Pengarah 20o_{... 64}

Gambar 4.7 Grafik Torsi vs Tegangan ... 65

Gambar 4.8Grafik Perubahan Daya pada Alternator Terhadap Penambahan Beban Lampu pada Sudut Sudu Pengarah 25o ... 71

Gambar 4.9Grafik Perubahan Putaran Altenator Terhadap Penambahan Beban Lampu pada Sudut Sudu Pengarah 25o ... 72

(16)

Gambar 4.11 Grafik Sudut Sudu Pengarah vs Efisiensi ... 76

Gambar 4.12 Grafik Perbandingan Pemberian Beban Lampu terhadap Daya Alternator ... 77

(17)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Jenis-jenis Turbin Air dan Kisaran Kecepatan Spesifiknya (Ns) ... 24 Tabel 3.1 Jangkauan dan Akurasi Clamp Meter ... 35 Tabel 4.1. Hasil Pengukuran Kapasitas Aktual Instalasi ... 46 Tabel 4.2 Hasil Percobaan dan Daya Alternator pada Sudut Sudu Pengarah /

Guide Vane 150... 54 Tabel 4.3 Hasil Pengujian Torsi dan Putaran Berbeban Sudut Sudu Pengarah /

Guide Vane 150... 57 Tabel 4.4 Hasil Percobaan dan Daya Alternator pada Sudut Sudu Pengarah / Guide Vane 200 ... 62 Tabel 4.5 Hasil Pengujian Torsi dan Putaran Berbeban Sudut Sudu Pengarah /

(18)

DAFTAR NOTASI

SIMBOL KETERANGAN SATUAN

m massa kg

g percepatan gravitasi m/s2

h head m

P daya Watt

ρ densitas air kg/m3

Q kapasitas aliran m3/s

Ek energi kinetik Joule

v kecepatan aliran air m/s

Ns putaran spesifik rpm

N putaran turbin rpm

V tegangan Volt

I arus listrik Ampere

τ torsi Nm