i
DENGAN PERBANDINGAN L/D 1,25
DAN BUSUR SUDU 90
°TUGAS AKHIR
Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Program Studi Teknik Mesin
Oleh : Dedy Subastian NIM : 055214072
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
WITH 1.25 RATIO OF L/D
AND 90
°OF CENTRAL ANGLE
FINAL PAPER
Presented as Fulfillment of the Requirements For the Degree of Sarjana Teknik In Mechanical Engineering Study Programme
By : Dedy Subastian
Student Number : 055214072
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAMME
SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA
iii
TURBIN ALIRAN SILANG
DENGAN PERBANDINGAN L/D 1,25
DAN BUSUR SUDU 90°
Oleh:
Dedy Subastian
NIM: 055214072
Telah disetujui oleh:
Pembimbing
TURBIN ALIRAN SILANG
DENGAN PERBANDINGAN L/D 1,25
DAN BUSUR SUDU 90°
Dipersiapkan dan ditulis oleh Dedy Subastian NIM: 055214072
Telah dipertahankan di depan Panitia Penguji pada tanggal :15 Juni 2012
dan dinyatakan telah memenuhi syarat
SUSUNAN PANITIA PENGUJI
Ketua : Budi Sugiharto, S.T.,M.T. ……….
Sekretaris : Ir. Rines, M.T. ....…………..
Pembimbing : Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T. .……….
Yogyakarta, 15Juni 2012
Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Dekan,
v
Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa tugas akhir yang saya tulis ini tidak memuat karya atau bagian dari karya orang lain, kecuali yang telah disebutkan dalam kutipan dan daftar pustaka sebagaimana layaknya karya ilmiah.
Yogyakarta,21 juni 2012
Penulis,
PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma:
Nama : Dedy Subastian
Nomor Mahasiswa : 055214072
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul:
TURBIN ALIRAN SILANG DENGAN PERBANDINGAN L/D 1,25 DAN
BUSUR SUDU 90°
Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas dan mempublikasikannya di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta izin dari saya maupun memberikan royalti kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis.
Demikian pernyataan saya buat dengan sebenarnya.
Dibuat di Yogyakarta, Pada tanggal, 21 Juni 2012 Yang menyatakan,
vii
Puji syukur kepada Tuhan Yesus Kristus atas rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini.
Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat untuk mencapai derajat Sarjana (S1) pada Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma. Isi Tugas Akhir ini adalah mengenai unjuk kerja sebuah turbin aliran silang yang menggunakan sudu dari belah pipa dengan jumlah sudu 18 buah.
Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini tidak lepas dari doa dan dukungan dari banyak orang. Tanpa bantuan mereka tidak mungkin penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan baik. Atas segala saran, bimbingan, dukungan, dan bantuan, pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada:
1. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T. ketua program studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. 2. Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T. Dosen Pembimbing Tugas Akhir. 3. I Gusti Ketut Puja, S.T., M.T. Dosen Pembimbing Akademik.
4. Seluruh dosen dan staf Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta yang telah memberikan berbagai ilmu dan membantu selama proses belajar di Jurusan Teknik Mesin.
5. Bapak, Ibu, dan kedua adik saya Felix Wigit Yan Sukmawan dan Tomas Yolius Putranto serta seluruh keluarga yang telah memberi dukungan baik moril maupun materiil.
6. Para sahabat dan kekasihku Theodora Retno Sis Utami yang selalu memberi motivasi dan semangat.
7. Seluruh teman-teman mahasiswa angkatan 2004, 2005 dan 2006 yang telah memberi dukungan dan bantuan baik pikiran maupun tenaga.
dukungan dan membantu selama pembuatan Tugas Akhir.
Penulis menyadari sepenuhnya bahwa penulisan Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Maka dari itu dengan kerendahan hati penulis menerima segala kritik dan saran yang membangun. Akhirnya penulis mengucapkan terima kasih dan semoga Tugas Akhir tentang perancangan turbin aliran silang ini dapat bermanfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan.
Yogyakarta, 21 Juni 2012
ix
Turbin aliran silang banyak digunakan untuk pembangkit listrik tenaga mikrohidro. Pada umumnya turbin aliran silang menggunakan sudu terbuat dari plat yang dilengkungkan. Peneliti melihat bahwa sudu turbit dari plat yang dilengkungkan merupakan cara yang kurang efisien karena plat mempunyai sifat yang sulit dilengkungkan.
Peralatan yang digunakan adalah sebuah turbin aliran silang. Sudu turbin dibuat dari pipa dengan diameter 2 inch. Diameter runner adalah 156 mm dengan panjang runner 196 mm, dengan perbandingan L/D 1,25. Jumlah sudu pada runner 18 buah dan busur sudu 90°. Penelitian dilakukan dengan memvariasikan debit yaitu 6,8 L/s, 7,6 L/s, dan 8,1 L/s dan tinggi nosel 7 mm, 10 mm, 14 mm dan head 3 m. Untuk menghasilkan listrik, turbin dihubungkan dengan motor listrik. Pengukuran daya yang dihasilkan turbin dilakukan dengan mengukur tegangan dan arus yang dihasilkan generator pada kondisi generator diberi variasi pembebanan dari 20 watt, 30 watt, 40 watt, 50 watt, 60 watt, sampai dengan 200 watt. Pada setiap pembeban, putaran turbin diukur dengan tachometer.
Turbin Aliran Silang dengan busur sudu 90o dan jumlah sudu 18 mampu menghasilkan daya maksimum sebesar 20 watt dan memiliki efisiensi 10 %. Hasil tersebut didapat pada variasi tinggi nosel 7 mm.
HALAMAN JUDUL ... i
HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ... iii
HALAMAN PENGESAHAN ... iv
HALAMAN PERNYATAAN ... v
HALAMAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ... vi
xi
3.4.3.3 Perakitan Turbin Aliran Silang ... 40
3.4.3.4 Langkah-Langkah Pemasangan Turbin Aliran Silang ... 40
BAB IV. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ... 41
4.1 DATA PENELITIAN ... 41
4.2 HASIL PENELITIAN ... 42
4.2.1 Grafik Hubungan Putaran Turbin dan Daya Output Motor DC ... 45
4.2.2 Grafik Hubungan Putaran Turbin dan Efisiensi Total ... 47
5.1 KESIMPULAN ... 53 5.2 SARAN ... 53
DAFTAR PUSTAKA
xiii
Tabel 2.1 Pengelompokan Turbin 9
Tabel 4.1 Data penelitian dengan debit 6,8 L/s (tinggi nosel 7 mm)
dan head 3 m 41
Tabel 4.2 Data penelitian dengan debit 7,8 L/s (tinggi nosel 10 mm)
dan head 3 m 41
Tabel 4.3 Data penelitian dengan debit 8,1 L/s (tinggi nosel 14 mm)
dan head 3 m 42
Tabel 4.4 Hasil perhitungan data dengan debit 6 ,8 L/s (tinggi nosel 7 mm)
dan head 3 m 43
Tabel 4.5 Hasil perhitungan data dengan debit 7,8 L/s (tinggi nosel 10 mm) dan head 3 m 44 Tabel 4.6 Hasil perhitungan dengan debit 8,1 L/s (tinggi nosel 14 mm)
Gambar 2.1 Grafik hubungan putaran turbin dengan efisiensi 7 Gambar 2.2 Grafik hubungan putaran turbin dengan daya 7
Gambar 2.3 Turbin Crossflow 9
Gambar 2.4 Runner 11
Gambar 2.5 Alat Pengarah 11
Gambar 2.6 Rumah Turbin 12
Gambar 2.7 Bagian-bagian motor induksi 13
Gambar 2.8 Aliran pergerakan air pada turbin crossflow 15 Gambar 2.9 Defleksi pada pergerakan air pada turbin crossflow 15 Gambar 2.10 Segitiga kecepatan pada turbin crossflow 16 Gambar 2.11 Gabungan segitiga kecepatan pada turbin aliran silang 17
Gambar 2.12 Kelengkungan sudu 19
Gambar 2.13 Jarak antar sudu 20
Gambar 2.14 Alur pancaran air 21
Gambar 3.1 Skema alat penelitian 27
xv
Gambar 4.1 Grafik hubungan putaran turbin dan daya output motor dc
untuk debit 6,8 L/s (tinggi nosel 7 mm) dan head 3 m 45 Gambar 4.2 Grafik hubungan putaran turbin dan daya output motor dc
untuk debit 7,6 L/s ( tinggi nosel 10 mm) dan head 3m 45 Gambar 4.3 Grafik hubungan putaran turbin dan daya output motor dc
untuk debit 8,1 L/s (tinggi nosel14 mm) dan head 3 m 46 Gambar 4.4 Grafik hubungan putaran turbin dan daya output motor dc 46 Gambar 4.5 Grafik hubungan putaran turbin dan efisiensi total
untuk debit 6,8 L/s (tinggi nosel 7 mm) dan head 3 m 47 Gambar 4.6 Grafik hubungan putaran turbin dan efisiensi total
untuk debit 7,6 L/s (tinggi nosel 10 mm) dan head 3 m 48 Gambar 4.7 Grafik hubungan putaran turbin dan efisiensi total
H = Head (m)
Q = Debit (m3/detik)
η = Efisiensi turbin (%)
D1 = Diameter turbin (m)
L = Panjang turbin (m)
ρ = Jari-jari kelengkungan sudu turbin (m)
α = Sudut masuk (°)
β1 = Sudut keluar (°)
σA = Tegangan geser yang diijinkan (kg/mm2)
σB = Kekuatan tarik bahan (kg/mm2)
s1 = Jarak antar sudu pancaran air masuk (m) s2 = Jarak antar sudu pancaran air keluar (m)
t = Jarak antar sudu (m)
n = Jumlah sudu (buah)
y1 = Jarak pancaran dari poros (m)
y2 = Jarak pancaran dari keliling dalam (m)
A = Penampang nosel (m)
s0 = Tinggi pancaran air nosel (m)
N = Kecepatan putar (rpm)
∆ = Sudut pusat sudu jalan (°)
Pin = Daya yang tersedia (W)
Pout = Daya yang dihasilkan generator (W)
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Setelah pulih dari krisis moneter pada tahun 1998, Indonesia mengalami lonjakan hebat dalam konsumsi energi. Dari tahun 2000 hingga tahun 2004 konsumsi energi primer Indonesia meningkat sebesar 5,2 % per tahunnya. Peningkatan ini cukup signifikan apabila dibandingkan dengan peningkatan kebutuhan energi pada tahun 1995 hingga tahun 2000, yakni sebesar 2,9 % pertahun. Dengan keadaan yang seperti ini, diperkirakan kebutuhan listrik indonesia akan terus bertambah sebesar 4,6 % setiap tahunnya, hingga diperkirakan mencapai tiga kali lipat pada tahun 2030.
Hal ini sangat mengkhawatirkan manusia karena ketersediaan sumber energi yang tidak dapat diperbarui akhir-akhir ini mulai menipis dan mahalnya energi bahan bakar fosil dan efek buruk hasil pembakaran dari bahan bakar fosil berupa polutan yang berpotensi merusak ozon dan potensi pemanasan global. Untuk mengatasi hal itu maka dikembangkan berbagai bentuk energi alternatif dengan memanfatkan energi alam berupa energi surya, air, dan angin.
Dari data yang dikeluarkan oleh Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral Republik Indonesia, pemanfaatan energi air di Indonesia masih sangat kecil, baru sekitar 25 % dari potensi yang bisa mencapai 75000 MW. Di Indonesia terdapat 1315 kawasan yang berpotensi menjadi sumber energi tenaga air, dan daerah-daerah tersebut tersebar di seluruh kepulauan Indonesia. Daerah-daerah yang diprediksi memiliki potensi tersebut, antara lain : Papua 22371 MW, Kalimantan 21611 MW, Sumatera 15804 MW, Sulawesi 10203 MW, Jawa 4531 MW, Nusa Tenggara (Bali, NTB dan NTT) 674 MW dan Maluku 430 MW. Data-data di atas merupakan sumber pembangkit tenaga air dengan kapasitas besar, belum termasuk sumber-sumber pembangkit tenaga air dengan kapasitas kecil. Untuk memanfaatkan potensi tersebut diperlukan suatu teknologi terapan agar masyarakat kecil dapat menyediakan energi listrik secara swadaya.
informasi mengenai unjuk kerjanya kurang diketahui.
Unjuk kerja sebuah turbin crossflow sangat dipengaruhi oleh banyak parameter antara lain adalah jumlah sudu, sudut pancaran air masuk, sudut keluar, posisi pancaran air masuk, lintasan aliran air di dalam turbin, rasio lebar dan diameter turbin, rasio diameter dan diameter luar serta manufaktur runner maupun nosel.
1.2 RUMUSAN MASALAH
Informasi tentang unjuk kerja turbin crossflow dengan sudu dibuat dari pipa yang dibelah tidak diketahui. Pada penelitian ini akan dibuat turbin crossflow dengan sudu dari pipa yang dibelah. Turbin aliran silang dengan perbandingan L/D 1,25 dan busur sudu 90o dirancang untuk memanfaatkan tenaga air yang memiliki head 3 meter. Untuk beban generatornya adalah 20 W, 30W, 40W, sampai 200W. Sudu turbin dibuat dari pipa yang berdiameter 2 inch dan dibelah dengan sudut 90o dan jumlah sudu 18 buah.
1.3 TUJUAN DAN MANFAAT
1.3.1 Tujuan
a. Membuat turbin crossflow dengan menggunakan sudu dari pipa yang dibelah untuk pembangkit listrik agar mudah dibuat oleh masyarakat.
1.3.2 Manfaat
a. Menambah kepustakaan teknologi pembangkit listrik tenaga air mikrohidro.
b. Diterapkan di masyarakat yang berada dekat sumber air dan belum mendapat pasokan listrik sehingga dapat menyediakan energi listrik secara swadaya.
c. Mengurangi ketergantungan terhadap minyak bumi yang semakin menipis dan mahal.
d. Mengurangi polusi dan pemanasan global.
BAB II
DASAR TEORI
2.1 TINJAUAN PUSTAKA
Penelitian tentang turbin crossflow banyak dilakukan untuk sudu yang dibuat dari plat yang dilengkung. Turbin crossflow yang dilengkapi dengan saluran pengarah di dalam runner-nya pernah dibuat dan diuji (Olgun, 2000). Saluran pengarah dibuat dengan tujuan untuk mengumpulkan dan mengarahkan air yang keluar dari sudu atas agar dapat menuju sudu bawah dengan lebih baik. Tiga bentuk saluran telah dibuat dan diuji dengan berbagai variasi posisi saluran pengarah serta variasi bukaan nosel. Penambahan saluran di dalam runner ternyata tidak menaikkan efisiensi tetapi justru menurunkan efisiensi turbin crossflow sebesar 5%.
Penelitian terhadap pengaruh perbandingan diameter dalam dan diameter luar runner juga telah dilakukan (Olgun, 1998). Dalam penelitian ini digunakan 4 buah runner. Runner yang diuji mempunyai jumlah sudu 28 buah, diameter luar 170 mm, dan lebar 114 mm. Perbandingan diameter dalam dan diameter luar untuk tiap runner dibuat berbeda. Perbandingan diameter dalam dan diameter luar yang digunakan adalah 0,75, 0,65, 0,58 dan 0,54. Sudut masuk pancaran air dipilih sebesar 16o. Hasil penelitian menunjukkan bahwa efisiensi tertinggi dicapai pada perbandingan 0,75 dan terendah pada perbandingan 0,54 dengan perbedaan sebesar 3%. Efisiensi yang biasa dicapai adalah sebesar 72%.
Penelitian ini menggunakan 3 buah runner dengan jumlah sudu 20, 15, dan 10 serta 1 buah runner dengan diameter setengah dari diameter runner yang lain, sedangkan jumlah sudunya 20. Dari penelitian ini juga didapatkan bahwa efisiensi tertinggi dari tiap runner dicapai pada kecepatan spesifik yang sama. Semakin banyak jumlah sudu akan memberikan efisiensi yang semakin tinggi, namun jumlah sudu tersebut ada batasnya. Untuk sudut nosel tertentu efisiensi maksimum dicapai pada jumlah sudu tertentu. Ada jumlah sudu optimum untuk sudut nosel tertentu (Joshi, 1995).
Gambar 2.1 Grafik hubungan putaran turbin dengan efisiensi
(Sumber : Mockmore, 1949)
2.2 TURBIN AIR
2.2.1 Definisi Turbin Air
Turbin air adalah suatu mesin berputar yang mengkonversi energi dari suatu gerakan aliran air menjadi energi mekanis. Energi mekanis ini kemudian ditransfer melalui suatu poros untuk mengoperasikan generator. Turbin air digunakan pada Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik, dengan memanfaatkan aliran dan tinggi air jatuh. Air di bawah tekanan tinggi di dalam dam dilepaskan ke dalam suatu saluran dimana akan menggerakkan impeler turbin sehingga menyebabkan putaran yang cepat. Daya mekanis ini kemudian ditransfer ke generator oleh suatu poros dan kemudian akan menghasilkan energi listrik. Pemilihan suatu turbin tergantung pada karakteristik lokasi, karena ditentukan tinggi air jatuh dan kapasitas air. Selain itu pemilihan turbin juga tergantung dari kecepatan putar yang diminta oleh generator.
2.2.2 Jenis-Jenis Turbin Air
Tabel 2.1 Pengelompokan Turbin
Head Tinggi Head Sedang Head Rendah Turbin Impuls Turbin Pelton
Turbin Turgo
Turbin Crossflow Turbin Pelton Multi Jet Turbin Turgo
Turbin Crossflow
Turbin Reaksi Turbin Francis Turbin Kaplan
2.3 TURBIN ALIRAN SILANG
Gambar 2.3 Turbin Crossflow
(Sumber : http://europa.eu.int/en/com/dg17/hydro/layman2.pdf)
lebih besar dari tingkat pertama yaitu 72 % dari tingkat kedua. Tingkat kedua, air keluar melalui sudu bagian bawah. Daya yang dihasilkan kurang lebih
28% dari daya yang dihasilkan pada tingkat pertama.
Turbin aliran silang (crossflow) sangat baik digunakan untuk pusat tenaga air yang kecil dengan daya yang dihasilkan ± 750 KW. Ketinggian head yang bisa digunakan yaitu diatas 1 m sampai dengan 200 m. Kapasitas aliran air 0,02 m3/s sampai dengan 7 m3/s. Kecepatan putaran turbin aliran silang antara 60 rpm sampai 200 rpm. Hal ini dipengarui oleh diameter roda jalan. Aliran turbin aliran silang sangat besar yaitu mencapai 87 %. Dengan daerah daya turbin yang disebut di atas, turbin aliran silang cocok digunakan untuk menggerakan penggilingan, penggergaji kayu, generator listrik kecil, pompa-pompa.
2.3.1 Bagian Turbin Aliran Silang
Pada dasarnya turbin aliran silang terdiri dari tiga bagian utama, yaitu: 1. Roda Jalan
Gambar 2.4 Runner
2. Alat Pengarah
Alat pengarah pada turbin sering disebut dengan nosel. Nosel pada turbin aliran silang berbentuk persegi panjang. Ukuran nosel disesuaikan dengan ukuran runner turbin.
Gambar 2.5 Alat Pengarah (Sumber : Tugas Akhir Ignatius Joko Pitoyo)
3. Rumah Turbin
Gambar 2.6 Rumah Turbin (Sumber : Tugas Akhir Ignatius Joko Pitoyo)
Turbin aliran silang dapat digunakan untuk menggerakkan generator listrik kecil. Untuk itu perlu adanya komponen tambahan yang disebut generator asinkron (motor induksi). Generator asinkron berfungsi mengubah energi mekanis menjadi energi listrik arus bolak-balik.
Generator asinkron memiliki 3 bagian yang penting, yaitu : a. Rotor
Rotor merupakan bagian yang berputar pada motor induksi. Generator asinkron (motor induksi) mempunyai 2 jenis rotor yaitu :
Rotor sangkar tupai terdiri dari batang penghantar tebal yang dilekatkan dalam petak-petak slots paralel. Batang-batang tersebut diberi hubungan pendek pada kedua ujungnya dengan alat cincin hubungan pendek.
H Q g Pin
b. Stator
Stator dibuat dari sejumlah stampings dengan slots untuk membawa gulungan tiga fase. Gulungan ini dilingkarkan untuk sejumlah kutub yang tertentu.
Gambar 2.7 Bagian-bagian motor induksi (Sumber : Tugas Akhir Julianto)
Prinsip generator asinkron adalah medan magnet yang dari stator bergerak dengan kecepatan sinkron disekitar rotor. Arus rotor menghasilkan medan magnet kedua yang berusaha melawan medan magnet stator sehingga menyebabkan rotor berputar.
2.4 PERGERAKAN AIR TURBIN ALIRAN SILANG
Dari kapasitas air dan tinggi air jatuh dapat diperoleh potensi daya air yang tersedia yaitu (Dietzel, 1996, hal. 2) :
121 C 2 g H
V
Pin : Daya yang tersedia (W). ρ : Massa jenis air (kg/m3) g : Percepatan gravitasi (m/s2) Q : Debit air (m3/s)
H : Tinggi air jatuh (m)
Pada Gambar 2.6 diasumsikan bahwa pancaran air dari nosel masuk ke dalam runner pada titik A dengan membentuk sudut α terhadap kecepatan kelilingnya. Kecepatan air memasuki runner (V1) dihitung dengan (Mockmore, 1949, hal 6) :
...2.2 dengan :
V1 = Kecepatan absolut.
C = Koefisien berdasarkan nosel
Gambar 2.8 Aliran pergerakan air pada Turbin Crossflow (Sumber : Mockmore, 1949, hal. 6)
Alur pergerakan air pada kenyataannya tidak seperti yang terdapat dalam (Gambar 2.6) karena terdapat defleksi sebesar θ seperti dalam (Gambar 2.7).
Gambar 2.9 Defleksi pada pergerakan air pada Turbin Crossflow
(Sumber : Mockmore, 1949)
2.5 PERANCANGAN TURBIN ALIRAN SILANG
2.5.1 Segitiga Kecepatan
Gambar 2.10 Segitiga kecepatan pada Turbin Crossflow (Sumber : Mockmore, 1949)
Jika,
u1 = ½ V1cos α1 ...2.3 maka,
tan β2= 2 tan α1...2.4
Jika α1 = 16o, maka β1 = 29o, 30o atau 50o atau nilai pendekatan. (Mockmore, 1949, hal 10).
Gambar 2.11 Gabungan Segitiga Kecepatan Pada Turbin Aliran Silang (Sumber : Mockmore, 1949)
2.5.2 Perhitungan Dimensi Turbin
a. Diameter Luar Runner (D1)
(Mockmore, 1949, hal 15)...…2.6
dengan :
C = Koefisien nosel. = 0,98
K = Faktor koreksi. = 0,087
c. Perbandingan panjang dan diameter turbin
2
d. Jari-jari kelengkungan sudu (ρ)
Gambar 2.12 Kelengkungan sudu (Sumber : Mockmore, 1949)
f. Jarak antar sudu (t)
Jarak antar sudu meliputi jarak antar sudu pancaran air masuk (s1), jarak sudu pancaran air keluar (s2) dan jarak antar sudu (t) (gambar 2.10)
1
s (Mockmore, 1949, hal 11) ...2.11
1
Gambar 2.13 Jarak antar sudu (Sumber : Mockmore, 1949)
g. Jumlah sudu (n)
t D n 1
(Mockmore, 1949, hal 17) ... ... 2.13
h. Jarak pancaran dari poros (y1) (gambar 2.11)
2 945
, 0 1986 , 0
1 1
d D
k
i. Jarak pancaran dari keliling dalam (y2 ) (gambar 2.11)
12 0,1314 0,945 k D
y (Mockmore, 1949, hal 14) ...2.15
Gambar 2.14 Alur pancaran air (Sumber : Mockmore, 1949)
j. Efisiensi turbin Jika, 1 1 cos 1
k. Nosel
Meliputi penampang nosel (A) dan tinggi pancaran air nosel (so)
1 V
Q
A (Mockmore, 1949, hal 17)...2.17
L A
so (Mockmore, 1949, hal 17) ...2.18
l. Sudu pusat sudu jalan (gambar 2.13)
m. Perhitungan poros
n = Putaran poros (rpm)
Cb = Faktor Cb nilainya 1,2 sampai 2,3. Jika diperkirakan tidak terjadi pembebanan lentur maka Cb = 1.
Kt = Faktor Kt dipilih 1,0 jika beban dikenakan secara halus; 1,0-1,5 jika dikenakan sedikit beban kejutan atau tumbukan; dan 1,5-3,0 jika beban kejutan atau tumbukan besar.
n. Perhitungan Daya Keluaran (Pout)
Pout = V x I ...2.24
dengan :
o. Perhitungan Torsi Guna Turbin (T)
n P
T 9,74105 out ...2.25
p. Perhitungan Efisiensi Total (η)
% 100
in out P P
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 DIAGRAM ALIR PENELITIAN
3.2 BAHAN DAN PERALATAN PENELITIAN
3.2.1 Bahan Penelitian
Bahan-bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah: a. pipa hitam diameter 2 inch , panjang 1m
b. plat dengan tebal 1 mm, panjang 1 m, dan lebar 1 m c. besi siku yang berlubang 15 batang x 3 m
d. besi poros diameter 30 mm x 300 mm START
STUDI PUSTAKA
PERANCANGAN TURBIN ALIRAN SILANG
PEMBUATAN TURBIN ALIRAN SILANG
PENELITIAN TURBIN ALIRAN SILANG
PENGAMBILAN DATA
PENGOLAHAN DATA
3.2.2 Alat Penelitian
Peralatan yang digunakan dalam penelitian adalah: a. Microhydro Test Bed
b. Alat ukur (roll meter, jangka sorong, tachometer, multimeter) c. Kunci ring dan kunci pas
3.3 LANGKAH-LANGKAH PENELITIAN ALAT
3.3.1 Persiapan Alat
Peralatan yang digunakan
a. Runner turbin crossflow yang sudunya dibuat dari pipa besi yang dibelah. Diameter pipa untuk sudu adalah 2 inch. Diameter runner adalah 156 mm dengan lebar runner adalah 196 mm. Runner mempunyai busur sudu sebesar 90o.
b. Tiga buah nosel berbentuk persegi panjang dengan ukuran penampang 196 x 7 mm2, 196 x 10 mm2, dan 196 x 14 mm2.
c. Pompa air berkapasitas 10 L/s (2 unit) beserta katup Bypas untuk suplai kebutuhan air.
d. Motor DC sebagai generator untuk membangkitkan listrik beserta lampu sebagai beban.
e. Transmisi sabuk dan pully dengan angka transmisi 1 : 4. f. Kapasitor 12 µF dan 25 µF.
j. Tachometer.
Gambar 3.1 Skema alat penelitian
Gambar 3.2 Rangkaian listrik Kapasitor
Volt meter Ampere meter
Stop kontak Lampu
Transmisi sabuk Turbin
Nozle Penstock
Saluran air
Katup Bypass
Pompa
Motor dc
Bak air bawah Bak air atas
Turbin aliran silang akan bekerja jika ada aliran air yang memiliki ketinggian head seperti aliran sungai atau air terjun. Pada penelitian ini, aliran sungai akan diganti dengan pompa listrik yang berkapasitas 10 l/s (2 unit) dan head 3 m.
Turbin aliran silang yang digunakan dalam penelitian ini menggunakan sistem aliran tertutup. Air yang melewati turbin akan digunakan kembali dalam proses selanjutnya. Pompa akan megalirkan air yang ditampung bak penampungan air bawah dengan kapasitas 20 L/s. Air dari bak penampung air bawah akan dipompa menuju ke bak penampungan air atas. Air dari bak penampungan air atas akan dialirkan ke nosel melalui pipa PVC dan selang yang berdiameter 2 inch (penstock). Untuk menvariasikan debitnya, tiga buah nosel yang berukuran 196 x 7 mm2, 196 x 10 mm2, dan 196 x 14 mm2 dipasang secara bergantian.
Air yang masuk ke nosel akan menyembur mengenai sudu-sudu turbin sehingga memutar runner dan akan kembali dalam bak penampungan air bawah. Runner yang berputar akan menggerakan pully turbin dan selanjutnya akan menggerakkan pully motor dc. Motor dc yang berputar akan menyebabkan terjadinya perbedaan medan magnet sehingga menghasilkan listrik. Arus listrik akan disalurkan ke lampu yang berfungsi sebagai beban dan lampu akan menyala jika tegangan yang dihasilkan motor dc mencukupi.
c. Tegangan yang dihasilkan motor dc. d. Arus yang dihasilkan motor dc.
3.3.3 Variabel yang Divariasi
a. Debit air : 6,8 L/s, 7,6 L/s, dan 8,1L/s.
b. Beban motor dc : 20 watt, 30 watt, 40 watt, 50 watt, 60 watt, sampai dengan 200 watt.
3.3.4 Pengambilan Data
Langkah-langkah pengambilan data yang harus dilakukan :
a. Atur pemasangan kabel-kabel yang menghubungkan kapasitor, motor dc, beban, dan multimeter dan siapkan rangkaian lampu 20, 30, 40, 50, 60, sampai 200 watt untuk beban motor dc.
b. Pasang runner busur sudu 90o dan jumlah sudu 18 buah pada rumah turbin.
c. Pasang nosel dengan ukuran penampang 196 x 7 mm2. d. Arahkan nosel pada pada sudut 16o.
e. Hidupkan pompa air dan atur katup bypass agar muka air di bak atas stabil.
f. Ukur debit air.
g. Ukur putaran turbin tanpa beban. h. Pasang beban 20 watt.
i. Ukur dan catat putaran turbin.
k. Ulangi langkah (i) sampai dengan (j) untuk beban seterusnya. l. Matikan pompa air.
m. Ulangi langkah (c) sampai dengan (m) untuk nosel ukuran 196 x 10 mm2, dan 196 x 14 mm2.
3.3.5 Pengolahan dan Analisis Data
Setelah pengambilan data dilakukan, maka dilakukan pengolahan data sebagai berikut :
a. Hitung potensi daya air untuk tiap variasi debit.
b. Hitung daya yang dihasilkan motor dc untuk tiap variasi beban motor dc dan debit.
c. Hitung efisiensi total untuk tiap variasi beban motor dc dan debit. d. Analisis dilakukan dengan membuat grafik hubungan putaran turbin
dengan daya dan grafik hubungan putaran turbin dengan efisiensi total untuk tiap variasi beban dan debit.
3.4 PEMBUATAN ALAT
3.4.1. Desain Alat
peralatan-peralatan yang telah direncanakan dan dipersiapkan oleh kelompok studi Rekayasa Tenaga Air. Untuk menggantikan laju aliran sungai digunakan pompa berkapasitas 10 liter/detik (2 unit) dan head 3 m.
Pompa mengalirkan air yang ditampung pada sebuah bak penampung air bawah kapasitas 240 liter ke bak atas yang diletakkan pada tower air setinggi 3 m. Kemudian air tersebut dialirkan menuju ke nosel melalui pipa penstock berdiameter 2 inch. Air yang masuk ke nosel akan digunakan untuk memutar runner di dalam rumah runner, kemudian masuk kembali ke dalam bak penampung air bawah untuk disirkulasikan. Poros runner dihubungkan ke poros generator menggunakan transmisi sabuk dan pully. Motor dc berfungsi mengubah energi mekanis menjadi tenaga listrik arus bolak-balik. Besarnya arus yang dihasilkan oleh motor dc tergantung pada besarnya putaran motor dc dan kekuatan medan magnet. Listrik yang dihasilkan oleh motor dc kemudian diukur saat pengambilan data.
3.4.2 Rancangan Turbin Aliran Silang
Dalam merancang sebuah Turbin Aliran Silang diperlukan parameter yang diketahui sebagai dasar perancangan. Dalam perancangan ini terdapat parameter yang diketahui yaitu :
Head (H) = 3 meter = 9,84 ft Debit (Q) = 20 L/s
= 0,7063 cfs
Koefisien nosel (C) = 0,98 Faktor koreksi (k) = 0,087
Sudut masuk (α1) = 16º
Sudut keluar (β2') = 90° Percepatan gravitasi = 32,18 ft/s2
Perhitungan :
Perancangan Turbin Aliran Silang dengan sudu jalan yang terbuat dari pipa berdiameter 2 inch (0,167 ft).
a. Kecepatan pancaran nosel (V)
d. Panjang dan diameter runner (LD1)
e. Panjang runner (L)
= 196 mm
f. Kecepatan putar runner (N)
= 2601 mm2
= 13 mm
h. Jarak antar sudu pada runner (s1, t)
= 13,5 mm
β
= 27 mm
i. Jumlah sudu (n)
L A so
1
1 k D
j. Lebar sudu (a)
= 26 mm
k. Diameter dalam runner (D2)
= 103 mm
l. Jarak pancaran air dari pusat poros (y1)
y1 = (0,1986 – 0,945 x k) x D1 =(0,1986 – 0,945 x 0,087) x 6,13 = 0,713 inch = 18 mm
m. Daya yang tersedia (Pin)
n. Daya turbin maksimum (Pturbin, Pd)
η
a D
≥ 3
Berdasarkan kekakuan puntiran, maka diameter poros (ds) dipilih 25 mm.
p. Geometri Turbin Aliran Silang dalam Pembuatan
Diameter pipa untuk sudu (D1) = 2 inch = 50,8 mm
3.4.3 Pembuatan Turbin
3.4.3.1 Pembuatan Rumah Turbin
a. Mengukur dimensi motor listrik dan turbin aliran silang. b. Membuat sketsa rumah turbin
c. Membeli bahan yang diperlukan, besi L dan plat besi. d. Memotong bahan sesuai dengan ukuran yang dibutuhkan. e. Membuat lubang untuk baut dengan mesin bor.
f. Semua potongan dilas dan dibentuk sesuai dengan sketsa. g. Pengecatan rumah turbin aliran silang.
3.4.3.2 Pembuatan Roda Jalan (runner)
a. Pembuatan Sudu
Sudu turbin dibuat dari pipa yang dibelah. Pipa yang digunakan berdiameter 2 inch, panjang pipa untuk sudu 196 mm, dan tebal 2 mm. Pipa yang akan dibelah diberi mal dan digaris, dan pada bagian dalam pipa diberi tambahan kayu yang sudah dibubut sesuai diameter pipa. Tujuannya untuk memudahkan dalam pembelahan. Pipa dibelah dengan menggunakan mesin sekrap. Pipa dibelah menjadi 4 bagian dengan besar busur sudu 900. Jumlah sudu yang digunakan dalam pembuatan turbin 18 buah.
b. Pembuatan Piringan
tempat menempelnya sudu turbin. Untuk mendapatkan alur sudu-sudu turbin yang presisi, pembuatan memakai mesin CNC.
c. Pembuatan Poros
Poros dibuat dari baja dengan panjang 300 mm dan diameter 30 mm. Pembuatan poros menggunakan mesin bubut. Bagian tengah poros yang digunakan dalam penelitian kali ini dibuat kecil dengan diameter 11 mm. Hal ini bertujuan untuk menghindari terjadinya pancaran air terhambat oleh poros.
d. Pembuatan Alur Sudu Pada Piringan
Alur sudu pada piringan digunakan untuk memudahkan pemasangan sudu pada kedua piringan pada saat pengelasan. Selain itu, pembuatan alur pada piringan bertujuan agar sudu yang dipasang pada kedua piringan dapat presisi. Alur sudu dibuat dengan menggunakan mesin CNC supaya lebih presisi.
e. Perakitan Roda Jalan (runner)
3.4.3.3 Perakitan Turbin Aliran Silang
Tahap terakhir sebelum pengujian alat dilakukan yaitu perakitan turbin. Pemasangan turbin yang tepat dapat menghindari :
a. Ketidaklurusan bahkan pergeseran antara poros turbin dan poros pully turbin dan juga antara poros pully motor dc.
b. Mengurangi rugi-rugi.
3.4.3.4 Langkah-langkah pemasangan turbin aliran silang :
a. Pemasangan unit turbin dan unit pulley turbin
Rumah turbin dipasang pada kerangka dan dudukan yang telah ditetapkan. Rumah turbin dipasang tepat diatas bak penampungan air.Kemudian runner turbin, bearing dan rumah bearing dan pully dipasang. Pemasangan pully harus lurus dengan poros turbin agar putaran turbin dapat maksimal.
b. Pemasangan unit motor listrik (motor dc) dan unit pulley
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
4.1. DATA PENELITIAN
Data yang dihasilkan oleh alat uji turbin aliran silang dengan variasi debit adalah sebagai berikut :
Tabel 4.1 Data penelitian dengan tinggi nosel 7 mm (debit 6,8 L/s) dan head 3 m. No. Beban (Watt) Putaran (rpm) Tegangan (Volt) Arus (ampere)
1 0 2048 20.11 0
Tabel 4.2 Data penelitian dengan tinggi nosel 10 mm (debit 7,6 L/s) dan head 3 m.
No. Beban (Watt) Putaran (rpm) Tegangan (Volt) Arus (Ampere)
Tabel 4.3 Data penelitian dengan tinggi nosel 14 mm (debit 8,1 L/s) dan head 3 m.
No. Beban (Watt) Putaran (rpm) Tegangan (Volt) Arus (Ampere)
1 0 1580 16.14 0
4.2 HASIL PENELITIAN
Berdasarkan data hasil penelitian, kemudian dilakukan perhitungan daya yang tersedia, daya yang dihasilkan dan efisiensi total turbin. Berikut disajikan contoh perhitungan data dengan debit 8,1 L/s (tinggi nosel 14 mm) dan head 3 m, dengan beban 20 Watt.
Arus pengukuran (I) = 0,38A Tegangan terukur (V) = 11,12 Volt
Daya (Pout) = V x I
Hasil perhitungan untuk beban yang lain dapat dilihat pada tabel berikut :
Tabel 4.5 Hasil perhitungan data dengan tinggi nosel 10 mm (debit 7,8 L/s)
4.2.1 Grafik Hubungan Putaran Turbin dan Daya Output Motor Dc
Dari data-data hasil perhitungan diatas dapat dibuat grafik seperti dibawah ini :
Gambar 4.1 Grafik hubungan putaran turbin dan daya output motor dc untuk tinggi nosel 7 mm (debit 6,8 L/s) dan head 3 m
Gambar 4.2 Grafik hubungan putaran turbin dan daya output motor dc untuk tinggi nosel 10 mm (debit 7,6 L/s) dan head 3 m
0 500 1000 1500 2000 2500
d
0 500 1000 1500 2000
Gambar 4.3 Grafik hubungan putaran turbin dan daya output motor dc untuk tinggi nosel 14 mm (debit 8,1 L/s) dan head 3 m
Gambar 4.4 Grafik hubungan putaran turbin dan daya output motor dc
Berdasarkan Gambar 4.1 untuk variasi debit 6,8 L/s dan tinggi nosel 7 mm didapatkan daya maksimum sebesar 20 Watt pada putaran 1636 rpm. Dari Gambar 4.2 untuk variasi debit 7,6 L/s dan tinggi nosel 10 mm, didapatkan daya maksimum yang dicapai adalah 12,6 Watt pada putaran 1268 rpm.
0,0
0 500 1000 1500 2000
d
0 500 1000 1500 2000 2500
Sedangkan dari Gambar 4.3 untuk variasi debit 8,1 L/s dan tinggi nosel 14 mm, daya maksimum yang dicapai adalah 8,6 Watt pada putaran 1072 rpm. Perubahan pada tinggi nosel 7 mm ke tinggi nosel 10 mm menaikan daya sebesar 58,7 %, sedangkan dari tinggi nosel 10 mm ke tinggi nosel 14 mm sebesar 46,5%.
4.2.2 Grafik Hubungan Putaran Turbin dan Efisiensi Total
Gambar 4.5 Grafik hubungan putaran turbin dan efisiensi total untuk tinggi nosel 7 mm (debit
0 500 1000 1500 2000 2500
Gambar 4.6 Grafik hubungan putaran turbin dan efisiensi total untuk tinggi nosel 10 mm (debit
7,6 L/s) dan head 3 m
Gambar 4.7 Grafik hubungan putaran turbin dan efisiensi total untuk tinggi nosel 14 mm
0 500 1000 1500 2000
e
0 500 1000 1500 2000
Gambar 4.8 Grafik hubungan putaran turbin dan efisiensi total
Berdasarkan Gambar 4.5 didapatkan efisiensi total maksimum untuk variasi debit 6,8 L/s dan tinggi nosel 7 mm adalah sebesar 10 % dan dicapai pada putaran turbin 1636 rpm. Pada Gambar 4.6. untuk variasi debit 7,6 L/s dan tinggi nosel 10 mm, efisiensi total maksimumnya adalah sebesar 5,7 % dan dicapai pada putaran 1268 rpm. Pada Gambar 4.7 untuk variasi debit 8,1 L/s dan tebal nosel 14 mm, efisiensi total maksimumnya adalah 3.6 % dan dicapai pada putaran1072 rpm. Perubahan prosentase kenaikan pada tinggi nozzel 7 mm ke tinggi nosel 10 mm sebesar 75,4%, sedangkan dari tinggi nosel 10 mm ke tinggi nosel 14 mm sebesar 58,3 %.
0 500 1000 1500 2000 2500
4.3 PEMBAHASAN
Berdasarkan Gambar 4.4 dan Gambar 4.8 dapat diketahui bahwa semakin besar putaran turbin aliran silang, maka daya output motor dc dan efisiensi total akan semakin besar hingga mencapai titik tertentu dimana tercapai daya output motor dc dan efisiensi total maksimum kemudian akan turun kembali walaupun putaran turbin terus naik.
Dari data hasil penelitian dan perhitungan dapat kita lihat bahwa daya yang dihasilkan turbin aliran silang yang dibuat oleh peneliti masih relatif kecil. Rendahnya efisiensi turbin dipengaruhi oleh berbagai faktor, antara lain :
a. Keterbatasan alat sehingga tidak dapat diperoleh kondisi yang dapat menghasilkan kinerja maksimal pada turbin.
b. Rugi-rugi pada runner yang disebabkan putaran turbin yang tidak stabil sehingga daya yang dihasilkan motor dc juga tidak stabil. Hal ini disebabkan pembuatan runner yang kurang baik terutama pemasangan sudu-sudunya kurang presisi.
c. Rugi-rugi pada penstock yaitu rugi-rugi gesekan antara air dengan permukan pipa, sambungan antara pipa dengan pipa yang disebabkan adanya perbedaan diameter dari pipa, dan pada saluran air yang berbelok. Rugi-rugi ini dapat diabaikan karena nilainya sangat kecil.
d. Ada pengaruh dari motor dc yang disebabkan oleh faktor-faktor sebagai berikut :
Kecepatan motor dc, motor listrik akan lebih efisien apabila putarannya diatas kecepatan sinkron.
Adanya perubahan penampang yang mendadak antara penstock dengan nosel sehingga mengakibatkan nilai koefisien nosel lebih kecil dari nilai koefisien nosel perancangan (0,98). Perbedaan nilai koefisien nosel ini mengakibatkan debit air yang keluar dari nosel lebih kecil.
Nilai koefisien nosel untuk ukuran penampang nosel 196 mm × 7 mm :
Nilai koefisien nosel untuk ukuran penampang nosel 196 mm × 10 mm :
A
BAB V
PENUTUP
5.1 KESIMPULAN
Berdasarkan data-data hasil penelitian dan hasil analisa data yang telah dilakukan dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:
1. Turbin aliran silang dengan perbandingan L/D 1,25 dan busur sudu 90o menggunakan sudu dari pipa yang dibelah telah dapat dibuat dan dioprasikan.
2. Turbin aliran silang dengan busur sudu 90o dan jumlah sudu 18 buah, menghasilkan daya paling tinggi sebesar 20 watt dan efisiensi paling tinggi 10% terjadi pada tinggi nosel sebesar 7 mm (debit sebesar 6,8 L/s) dan head 3 m.
5.2 SARAN
Beberapa saran untuk penelitian pada bidang sejenis dengan penelitian ini atau untuk pengembanagan penelitian ini:
1. Dalam pembuatan runner kerapian, ketelitian dan harus presisi, agar runner dapat bekerja secara maksimal.
2. Mengurangi belokan pada pipa penstock untuk mengurangi rugi rugi yang besar.
3. Untuk pembuatan runner, diusahakan piringan dibuat tidak terlalu tebal supaya runner tidak terlalu berat.
DAFTAR PUSTAKA
Anonim, 2009, Pembangkit Listrik Masa Depan Indonesia, http://www.konversi.wordpress.com/pembangkit-listrik-masa-depan-indonesia.
Anonim, 2005, Pedoman Efisiensi Energi Untuk Industri di Asia, http://www.energyefficiencyasia.org/docs/ee_modules/indo/pdf.
Dietzel, 1996, Turbin Pompa dan Kompresor, Jakarta : Erlangga.
Mockmore, C.A., dan Merryfielld, Fred. 1949. The Banki Water Turbine, Corvallis: Oregan State College.
Olgun, H, 1998, Investigation of the performance of a cross-flow turbine,
International Journal of Energy Research, Volume 22 Issue 11, Pages 935 - 964.
Olgun, H, 2000, Effect of interior guide tubes in cross-flow turbine runner on turbine performance, International Journal of Energy Research,Volume 24 Issue 11, September 2000, Pages 935 – 964.
Suga, Kiyokatsu, dan Sularso. 2004. Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin, Jakarta : PT. Pradnya Paramita.
Kurniawan, 2009, Turbin Aliran Silang dengan Busur Sudu 100o yang Dibuat Dari Pipa Dibelah, Tugas Akhir, Yogyakarta : Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma.
Pitoyo, Joko, 2009, Turbin Aliran Silang menggunakan Sudu dari Bilah Pipa dengan Jumlah Sudu 22, Tugas Akhir, Yogyakarta : Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma.
Dokumentasi kegiatan
Pemotongan Pipa Hasil Pemotongan Pipa
Template untuk pembelahan pipa Pipa yang sudah dibelah
Piringan runner setelah dialur
Poros runner
Proses pengelasan sudu
