PENGUJIAN KARAKTERISTIK TURBIN PELTON DENGAN
DENGAN SUDU 15 DAN 16 SKALA LABORATORIUM
Muhammad Syawal Al-Azhar Hsb
1, .Tugiman.
2J
.
1,2
urusan Teknik Mesin Sekolah Tinggi Teknik Harapan Medan 2017
E-Mail : aalhsb77@gmail.com
ABSTRAK
Turbin Pelton terdiri dari satu set sudu yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari satu atau lebih alat yang disebut nosel, sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Pengujian ini bertujuan untuk menganalisa unjuk kerja Turbin Pelton Skala Laboratorium. Jumlah sudu yang di gunakan adalah 15 buah dan 16 buah. Langkah-langkah yang dilakukan dalam penelitian ini di lakukan pengujian untuk mengetahui karakteristik turbin. Turbin yang diuji memiliki nosel tunggal, dengan ukuran 16 mm. Dari data pengujiaan diperoleh daya mekanik , Efisiensi turbin (η) maksimum diperoleh pada pengujian dengan menggunakan jumlah sudu 15 buah yaitu sebesar 79% dengan daya mekanik turbin (Pm) sebesar 174,23 Watt.
Kata kunci : Turbin Pelton, Nosel, Jumlah sudu.
ABSTRACT
Turbine Pelton consists of a set of blades played by water jets which is sprayed from one or more a tool called a nozzle, resulting in the conversion of kinetic energy into mechanical energy. this test aims to analyze turbine pelton laboratory scale. the number of blades used is 15 pieces and 16 pieces. the steps undertaken in this study testing to determine the characteristics of turbine, turbine tested had single nozzle, with measure 16 mm. data from testing obtained mechanical power. efficiency turbine (η) maximun obtained in the test by using the number of blades 15 pieces that is equal to 79% with turbin mechanical power (Pm) big as 174,23 Watt.
Keywords : Turbine Pelton , Nozzle , The number of blades.
1.
PENDAHULUAN
Dalam perkuliahan Teknik Mesin yang mana berhubungan dengan ilmu sains dibutuhkan laboratorium. Laboratorium adalah prasarana pendidikan atau wadah proses pembelajaran dimana dalam proses pembelajarannya melalui praktikum yang dapat membuat mahasiswa berlatih mengembangkan keterampilan intelektual melalui kegiatan pengamatan, pencatatan dan pengkajian. Mahasiswa tidak hanya dapat mengetahui teori-teori tetapi dapat juga mengamati secara langsung dan membuktikan sendiri sesuatu yang di pelajari. Laboratorium terdiri dari ruang yang dilengkapi dengan berbagai perlengkapan dengan bermacam-macam kondisi yang dapat dikendalikan.
Turbin Pelton merupakan turbin air jenis impuls. Turbin Pelton pertama kali ditemukan oleh insinyur dari Amerika yaitu Lester A. Pelton pada tahun 1880. Turbin ini dioprasikan pada head sampai 1800 m, turbin ini relatife membutuhkan jumlah air
yang lebih sedikit dan biasanya porosnya dalam posisi mendatar.
Sebagaimana perkembangan teknologi penulis mengembangkan turbin Pelton skala laboratorium yang telah ada dengan penambahan alat ukur digital untuk pengujian yang lebih akurat guna memenuhi kebutuhan peralatan Laboratorium Pengujian Mesin. Setelah alat tersebut selesai dirancang dan dibuat, maka penulis menganggap perlu untuk melakukan pengujian terhadap alat tersebut.
Pada pengujian ini, penulis hanya melakukan pengujian padaturbin dengan jumlah sudu 15 buah. Sementara untuk turbin dengan jumlah 16 buah, penulis mengambil data pengujian dari peneliti sebelumnya yang bernama Daulay, Ihsan, Fikri. 2016. Study Eksprimental Pengaruh Diameter Nosel Terhadap Efisiensi Turbin Palton. Medan : Sekolah Tinggi Teknik Harapan Medan.
1.1 Latar Belakang
a) Perbandingan Efisiensi turbin pelton dengan sudu 15 dan 16 buah.
b) Turbin Pelton dengan variasi jumlah sudu 15.
1.2 Tujuan Penelitian
a) Untuk mengetahui daya mekanik maksimum.
b) Mengetahui Efisiensi turbin maksimum. c) Mengetahui karakteristik turbin Pelton.
1.3 Manfaat Penelitian
a) Menghasilkan informasi ilmiah dalam pengujian prestasi turbin pelton dengan variasi jumlah sudu.
b) Sebagai pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi khususnya bidang konversi energi dan energi berkelanjutan.
c) Mahasiswa lainnya yang ingin mengembangkan hasil penelitian ini serta dapat dijadikan sebagai pembanding dalam pembahasan pada topik yang sama.
2. METODE PENELITIAN
2.1 Tempat Dan Waktu
Penelitian turbin air untuk skala laboratorium ini dilakukan diLaboratorium Pengujian Mesin Sekolah Tinggi Teknik Harapan.Waktu penelitian direncanakan mulai dari persetujuan yang diberikan oleh pengelola program dan komisi pembimbing, perencanaan dan pembuatan alat, pengambilan data dan pengolahan data sampai dinyatakan selesai
.
2.2 Bahan, Peralatan dan Metode 2.2.1 Bahan
Bahan yang digunakan untuk pembuatan nosel adalah stainless steel, untuk menghindari nosel dari karat.
2.2.2 Peralatan
a) pressure Gauge, berfungsi untuk mengetahui tekanan air di dalam pipa b) Pipa PVC 2 inc, berfungsi untuk tempat
mengalirkan air sampai ke turbin.
c) Katub by pass, berfungsi untuk mengatur kapasitas air.
d) Pompa, dengan kapasitas 30 m3/jam
berfungsi untuk memindahkan air melalui pipa sebagai sumber tenaga air.
e) Reservoar, berfungsi sebagai tempat sumber air dan tempat menampung kembali air yang keluar dari saluran pembuangan.
f) Globe valve, berfungsi sebagai katub pengatur penggunaan satu nosel atau dua nosel.
g) Nosel, adalah mekanisme pengarah lingkaran yang mengarahkan air kearah yang diinginkan, dan juga berfungsi untuk menaikkan kecepatan pancaran air.
h) Roda Pelton, berfungsi mengubah energi air menjadi energi mekanik.
i) V-Notch Weir 900, berfungsi sebagai alat
untuk mengukur kapasitas air.
j) Hydrolic Brake, alat ini berfungsi untuk mengukur torsi dan putaran poros, system unit untuk torsi (N.m) dan putaran (rpm). Jika pembebanan diberikan maka akan mengeluarkan hasil yang di tampilkan pada layar LED
k) PLX DAQ Arduino, suatu software data akuisisi yang mampu menampilkan data dan grafik secara real time yanglangsung diintegrasikan ke microsoft excel dengan pembacaan sensor kecepatan putaran dan beban. Penerapan teknik pemantauan data ini dapat menghemat waktu pengolahan data secara signifikan.
2.2.3 Metode
Penelitian ini dilakukan untuk mendapatkan suatu hasil dari pengujian menggunakan satu nosel dengan jumlah sudu 15 oleh gambar 1
Gambar 1 Jumlah sudu 15 buah
Untuk melakukan penelitian tersebut maka terlebih dahulu dibuat nosel dengan jumlah sudu 15. Desain nosel yang direncanakan diperlihatkan oleh gambar 2
Gambar 2 Desain nosel yang direncanakan
Nosel didesain menjadi tiga bagian, yaitu :
1. Badan nosel, berfungsi sebagai saluran air. 2. Kepala nosel, didesain terpisah dari badan nosel dengan menggunakan ulir bertujuan agar kepala nosel dapat ditukar dengan diameter berbeda.
3. Ring pengunci nosel, berfungsi sebagai pengunci nosel saat dipasang pada rumah turbin.
2.3 Dimensi Utama Turbin Pelton
Runner turbin Pelton terdiri dari mangkok dan cakra. Mangkok (bucket) dibagi menjadi dua bagian yang simetri dengan tepi yang mancung dibagian tengahnya. Hal ini untuk membagi pancaran air menjadi dua bagian yang sama. Karena kedua ruang simetri maka tidak ada momen pada arah aksial, sehingga tidak ada gaya aksial pada bearing poros. Dalam perancangan bucket
diusahakan sudut defleksi pembelokan pada mangkok sekitar 1700. Hal ini dimaksud agar air
bekas dapat meninggalkan bucket tanpa mengenai mangkok berikutnya ketika
berputar. Persamaan-persamaan yang akan digunakan dalam menentukan ukuran-ukuran utama turbin Pelton adalah:
1. Kecepatan jet awal, (Vi) 2. Kecepatan jet akhir, (Vf) 3. Kecepatan keliling runner (u) 4. Diameter runner (D)
5. Diameter pancaran air / nosel (d) 6. Jumlah sudu (Z)
7. Lebar sudu (b) 8. Panjang sudu (h)
9. Diameter luar runner (Do) 10. Kedalaman sudu (t)
2.4 Potensi Turbin Pelton
Air merupakan sumber energi yang murah dan relatif mudah didapat, karena pada air tersimpan
energi potensial (pada air jatuh) dan energi kinetik (pada air mengalir). 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.Pemanfaatan energi air banyak dilakukan dengan menggunakan kincir air atau turbin air yang memanfaatkan adanya suatu air terjun atau aliran air di sungai.
Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada besarnya head dan debit air. Dalam hubungan dengan reservoir air maka head adalah beda ketinggian antara muka air pada reservoir dengan muka air keluar dari kincir air/turbin air. Total energi yang tersedia dari suatu reservoir air adalah merupakan energi potensial air yaitu :
E = mgh
dimana :
E = energy potensial air (J)
m = massa air (kg)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
h = head (m)
2.5 Pengujian Turbin Pelton
1. Perhitungan Daya Air (Pw)
Perhitungan daya teoritis yang diberikan oleh air dapat dihitung dengan rumus :
𝑃𝑤= 𝜌𝑔𝑄𝐻
dimana :
Pw = daya yang diberikan oleh air
(W)
ρ = massa jenis fluida (kg/m3)
Q = kapasitas air (m3/s)
H = ketinggian efektif (m) g = gaya gravitasi (m/s2)
2. Perhitungan Kapasitas Air (Q)
Kapasitas air diukur dengan menggunakan
V-notch Weir
𝑄 = 1,4 𝐻5 2⁄
dimana :
H = H1 – H0
H0 = jarak takik dari dasar weir (m)
H1 = ketinggian permukaan air dari
dasar weir (m)
3. Perhitungan Head (H)
Head diukur dengan menggunakan
Pressure Gauge
H = 𝑝𝑝𝑖𝑝𝑒 𝜌𝑔
dimana :
ppipe = tekanan pada pipa ( kgf/cm2
= 0,98 x 105 Pa)
ρ = massa jenis fluida (kg/m3)
g = gaya gravitasi (m/s2)
4. Perhitungan Daya Mekanik (Pm)
Pm= 2πNT
60
dimana :
Pm = daya mekanik turbin (W)
N = putaran turbin (rpm) T = torsi pada poros(Nm)
5. Perhiutngan Efesiensi Turbin
ηT= Pm Pw
Dimana :
ηT = efisiensi Turbin
Pm = daya mekanik turbin (W) Pw = daya yang diberikan oleh air (W)
2.6 Pelaksanaan Pengujian
Dalam pengujian ini variabel yang akan diamati adalah :
1. Tinggi air pada weir (H1).
2. Tekanan air di dalam pipa (Pgauge). 3. Torsi (T).
4. Putaran turbin (N)
Tahap pengambilan data dapat dilaksanakan setelah seluruh tahap persiapan rampung. Pengambilan data dapat dimulai dengan
1. Sebelum pompa dihidupkan, terlebih dahulu mengatur katub by pass pada posis terbuka ”O” penuh, dan mengatur katub nosel pada posisi tertutup ”S” agar tidak terjadi pancaran air secara tiba – tiba pada roda turbin.
2. Menghidupkan pompa dengan menekan tombol ”on” pada kotak panel.
3. Setelah pompa dihidupkan, kemudian membuka satu katub nosel secara perlahan hingga posisi terbuka penuh. Sementara untuk katub nosel lainnya ditutup.
4. Mengatur kapasitas air dengan menutup katub by pass secara perlahan
sambil memperhatikan ketinggian air (H1) pada weir konstan. Kemudian
mecatat H1 pada data sheet yang telah
disediakan.
5. Membaca tekanan air dalam pipa pada
pressure gauge dan mencatatnya pada data
sheet.
6. Mengatur putaran poros turbin dengan menggunakan Hydrolic Brake , perolehan data putaran poros dan torsi yang diakuisisi oleh PLX DAQ langsung di import ke microsoft exel kemudian di simpan. Tampilan gambar data akuisisi oleh PLX DAQ
7. Mengulangi langkah 6 untuk variasi putaran poros turbin.
8. Mengulangi langkah 1 sampai 7 untuk pengujian dengan jumlah sudu yang berbeda.
2.7 Data Hasil Pengujian
Setelah melakukan pengukuran, selanjutnya data – data yang diperoleh dimasukkan kedalam tabel data percobaan seperti berikut ini.
Tabel1 Data hasil pengujian sudu 15
buah
nSudu [buah ] H0 [m] H1 [m] Pgaug e [bar] Tors i [Nm ] N [rpm ] 15 0,1 1 0,18 4 1,1 1,9 698 2,65 598 3,35 497 3,1 395 3,75 293
Tabel2
Data hasil pengujian sudu 16
nSudu [buah ] H0 [m] H1 [m] Pgaug e [bar] Tors i [Nm ] N [rpm ] 16 0,11 0,18 4 1,1 2,09 693 2,86 604 3,06 496 3,21 394 3,9 296Tabel3 Data hasil pengujian sudu 15 buah dan sudu 16 buah nSudu [buah] H0 [m] H1 [m] Pgauge [bar] Torsi [Nm] N [rpm] 15 0,11 0,184 1,1 1,9 698 2,65 598 3,35 497 3,1 395 3,75 293
16 0,11 0,184 1,1 2,09 693 2,86 604 3,06 496 3,21 394 3,9 296
3. PEMBAHASAN DAN HASIL
3.1 Pembahasan
Setelah mendapatkan data hasil pengujian, maka perlu dilakukan perhitungan.Perhitungan data dari hasil pengujian ini bertujuan untuk mengetahui unjuk kerja turbin Pelton dengan variasi diameter nosel, yang terdiri dari perhitungan Kapasitas air (Q), Head (H), Daya air (Pw), Daya mekanik (Pm), dan Efisiensi (η). Dari hasil perhitungan ini nantinya akan dilakukan analisa. Dalam perhitungan ini diasumsikan ρ = 1000 kg/m3 dan g
= 10 m/s2 Data yang diambil sebagai perhitungan
berikut ini adalah pada jumlah sudu 15 buah dan 16 buah dengan masing-masing variasi kecepatan. Perhitungan keselurahan data pengujian
3.2 Hasil
Data hasil pengujian yang diperoleh perlu dibuat grafik untuk menganalisa setiap percobaan. Pengujian menggunakan roda turbin dengan jumlah sudu 14 buah, hubungan daya mekanik dengan putaran turbin daya mekanik pengujian menggunakan roda turbin dengan jumlah sudu 15 buah terus meningkat hingga di putaran 497 rpm, namun diputaran 598 rpm dan 698 rpm daya mekanik semakin menurun. Sedangkan pengujian menggunakan roda turbin dengan jumlah sudu 16 buah terus meningkat hingga di putaran 604 rpm, namun diputaran 693 daya mekanik menurun. Berdasarkan hasil pengujian dan perhitungan, daya mekanik maksimum diperoleh menggunakan roda turbin dengan jumlah sudu 15 buah pada putaran 497 rpm dengan perolehan daya mekanik sebesar 174,23 Watt. Sedangkan daya mekanik minimum diperoleh menggunakan roda turbin dengan jumlah sudu 16 buah pada putaran 296 rpm dengan perolehan daya mekanik sebesar 120,82 Watt.
Hubungan efisiensi turbin dengan putaran turbin pada pengujian menggunakan jumlah sudu 15 buah dan sudu 16 buah memperlihatkan efisiensi pengujian menggunakan jumlah sudu 16 buah terus meningkat hingga di putaran 604 rpm, namun
diputaran 693 efisiensi menurun. Sedangkan pengujian menggunakan jumlah sudu 15 buah terjadi peningkatan efisiensi hingga putaran 497 rpm, tetapi pada putaran 598 rpm dan 698 rpm efisiensi semakin menurun. Berdasarkan hasil pengujian dan perhitungan, efisiensi maksimum diperoleh dengan menggunakan jumlah sudu 15 buah pada putaran 497 rpm dengan perolehan efisiensi sebesar 79%. Sedangkan efisiensi turbin minimum diperoleh dengan menggunakan jumlah sudu 16 buah pada putaran 296 rpm dengan perolehan efisiensi turbin sebesar 54 %.
4. KESIMPULAN DAN SARAN
4.1 KesimpulanDari hasil perhitungan dan analisa terhadap pengujian turbin pelton skala laboratorium dengan menggunakan variasi jumlah sudu turbin, maka diperoleh :
1. Daya mekanik maksimum pengujian menggunakan roda turbin dengan jumlah sudu 15 buah sebesar 174,23 W. Sedangkan daya mekanik maksimum pengujian menggunakan roda turbin dengan jumlah sudu 16 buah sebesar 180,80 W.
2. Efisiensi turbin maksimum pengujian menggunakan roda turbin dengan jumlah sudu 15 buah sebesar 79. Sedangkan efisiensi turbin maksimum pengujian menggunakan roda turbin dengan jumlah sudu 16 buah sebesar 82 %.
3. Karekteristik Turbin Palton dari hasil pengujian diperoleh :
a. Dari Grafik variabel putaran terhadap daya mekanik terlihat daya mekanik turbin dengan jumlah sudu 15 buah , daya maksimum diperoleh pada putaran 497 rpm sebesar 174,23 W. Namun daya mekanik semangkin menurun di putaran 598 rpm dan 698 rpm. Sedangkan daya mekanik turbin dengan jumlah sudu 16 buah, daya maksimum di peroleh pada putaran 604 rpm sebesar 180,8 W, Namun daya mekanik menurun setelah putaran 604 rpm
b.
Dari grafik variabel putaran terhadap efisiensi terlihat efisiensi turbin dengan jumlah sudu 15 buah, efisisensi diperoleh pada putaran 497 rpm sebesar 79 %, namun efisiensi semangkin menurun di putaran 598rpm dan 698 rpm. Sedangkan efisiensi turbin dengan jumlah 16 buah,
efisiensi maksimum di peroleh
pada putaran 604 rpm sebear 82
%, namun efisiensi menurun
setelah putaran 604 rpm.
4.2 Saran
Untuk lebih menyempurnakan pembahasan mengenai pengujian ini, maka sebaiknya :
1. Dilakukan penambahan alat ukur kapasitas air dengan menggunakan rotameter atau
flowmeter untuk melihat perbedaan pengukuran dengan menggunakan weir. 2. Dilakukan perawatan terhadap komponen
– komponen instalasi pengujian turbin Pelton, khususnya pada sambungan pipa ke rumah turbin yang saat pengoperasian terjadi kebocoran
4. DAFTAR PUSTAKA
Daulay, Ihsan, Fikri, 2016. Study Eksprimental Pengaruh Diameter Nosel
Terhadap Efisiensi Turbin Palton : STTH Medan
Dietzel, Fritz. 1980. Turbin Pompa dan Kompresor. Trans. Dakso Sriyono. Jakarta : Erlangga. 1993.
Dixon, S.L. 1986. Mekanika Fluida, Termodinamika:Mesin Turbo. Trans. Sutanto. Jakarta: Universitas Indonesia.
Munson R.Bruce ., Young F.Donald., Okiishi H.Theodore., 2002. Mekanika Fluida Edisi Keempat Jilid 1. Trans. Dr.Ir.Harinaldi., Budiarso, Jakarta: Universitas Indonesia. Erlangga, 2003.
Munson R.Bruce ., Young F.Donald., Okiishi H.Theodore., 2002. Mekanika Fluida Edisi Keempat Jilid 2. Trans. Dr.Ir.Harinaldi., Ir.Budiarso, M.Eng. Jakarta : Universitas Indonesia. Erlangga, 2003.
Streeter L. Victor. 1985. Mekanika Fluida Edisi Delapan JIlid 1. Trans. Arko Prijono. Jakarta : Erlangga. 1996.
MHPG Series, Harnessing Water Power on a Small Scale, Volume 9 Micro Pelton Turbines; published by SKAT, Swiss
Centre for Appropriate Technology, 1991.
Nechleba, Miroslav, 1957, Hydraulic Turbine Their Design Equipment, Czeckoslavakia : Artia Pragu
Finnemore and Franzini,Tenth Edition, Fluid Mechanics Applications, Singapure, McGraw-Hill
Nechleba, Miroslav, 1957, Hydraulic Turbine Their Design and EquipmenCzeckoslavakia : Artia Pragu
Finnemore and Franzini,Tenth Edition, Fluid Mechanics with Engineering Applications,
Singapure, McGraw-S.R.Khurmi. Hydraulics,Fluid Mechanics and Hydraulics Machines.New Delhi: Seith S.M., Modi P.P., 1991, Hydraulics Fluid
Mechanics and Fluid Machines,
Delhi, Dhempat & SonsS.
P.K. Nag., 2002. Power Plant Engineering
Second Edition. Australia : McGraw Hill.
Nagpal. G.R. Power Plant Engineering Sixth Edition.Delhi-IndiaKhanna
Publishers. 1982.
Maher. Phillip., Smith. Nigel. Pico Hydro for Village Power. Micro Hydro Research Group Department of Electrical and Electronic Engineering The Nottingham Trent University. Burton Street Nottingham.2001.
