Perancangan PLTMH DI Desa Selorejo

(1)

BAB I BAB I

PENDAHULUAN PENDAHULUAN

1.1

1.1 Latar Belakang MasalahLatar Belakang Masalah

Indonesia memiliki kurang lebih 65.000 desa, namun dari puluhan ribu Indonesia memiliki kurang lebih 65.000 desa, namun dari puluhan ribu desa tersebut masih kurang dari 70% yang telah mendapat aliran listri

desa tersebut masih kurang dari 70% yang telah mendapat aliran listri k. Listrikk. Listrik merupakan sumber energi utama untuk menopang berbagai operasional merupakan sumber energi utama untuk menopang berbagai operasional kahidupan manusia. Konsumsi listrik di indonesia setiap tahunnya terus kahidupan manusia. Konsumsi listrik di indonesia setiap tahunnya terus meningkat sejalan dengan peningkatan pertumbuhan ekonomi nasional. meningkat sejalan dengan peningkatan pertumbuhan ekonomi nasional. Menurut data pusat konservasi energi jepang pada

Menurut data pusat konservasi energi jepang pada tahun 2011, konsumsi listriktahun 2011, konsumsi listrik Indonesia sebesar 2.251 kWh per kapita atau jika dinyatakan dalam PDB Indonesia sebesar 2.251 kWh per kapita atau jika dinyatakan dalam PDB sebesar 572 USD p

sebesar 572 USD per kapita. Penyediaan energi listrik yang er kapita. Penyediaan energi listrik yang dilakukan oleh dilakukan oleh PT.PT. PLN (Persero), selaku lembaga resmi yang ditunjuk oleh pemerintah untuk PLN (Persero), selaku lembaga resmi yang ditunjuk oleh pemerintah untuk mengelola masalah kelistrikan di Indonesia, sampai saat ini masih belum dapat mengelola masalah kelistrikan di Indonesia, sampai saat ini masih belum dapat memenuhi kebutuhan masyarakat akan energi listrik.

memenuhi kebutuhan masyarakat akan energi listrik.

Perkembangan sumber energi alternatif sangat dibutuhkan untuk dapat Perkembangan sumber energi alternatif sangat dibutuhkan untuk dapat memenuhi kebutuhan masyarakat akan energi listrik yang semakin hari memenuhi kebutuhan masyarakat akan energi listrik yang semakin hari semakin meningkat. Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) semakin meningkat. Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) merupakan alternatif sumber energi listrik bagi masyarakat, karena PLTMH merupakan alternatif sumber energi listrik bagi masyarakat, karena PLTMH selain muda dalam pembuatannya energi yang dipakai termasuk energi yang selain muda dalam pembuatannya energi yang dipakai termasuk energi yang dapat diperbarui. Ketika sumber energi lain mulai menipis dan memberikan dapat diperbarui. Ketika sumber energi lain mulai menipis dan memberikan dampak negatif, maka energi ini menjadi sumber energi yang sangat penting dampak negatif, maka energi ini menjadi sumber energi yang sangat penting karena dapat dijadikan sumber energi pembangkit listrik

karena dapat dijadikan sumber energi pembangkit listrik yang murah dan tidakyang murah dan tidak menimbulkan dampak negatif.

menimbulkan dampak negatif.

Pengertian PLTMH adalah pembangkit listri

Pengertian PLTMH adalah pembangkit listrik yang menggunakan tenagak yang menggunakan tenaga air sebagai media utama untuk penggerak turbin dan generator. Tenaga mikro air sebagai media utama untuk penggerak turbin dan generator. Tenaga mikro hidro, menghasilkan daya listrik 100

hidro, menghasilkan daya listrik 100 – – 1000 KiloWatt. Pada PLTMH proses 1000 KiloWatt. Pada PLTMH proses perubahan energi kinetik berupa (

perubahan energi kinetik berupa (kecepatan dan tekanan aikecepatan dan tekanan air), yang digunakanr), yang digunakan untuk menggerakan turbin air dan generator listrik hingga menghasilkan energi untuk menggerakan turbin air dan generator listrik hingga menghasilkan energi listrik (Notosudjono, D. 2002).

listrik (Notosudjono, D. 2002).

Dari segi teknologi, PLTMH dipilih karena konstruksinya sederhana, Dari segi teknologi, PLTMH dipilih karena konstruksinya sederhana, mudah dioperasikan , serta mudah dalam perawatan dan penyediaan suku mudah dioperasikan , serta mudah dalam perawatan dan penyediaan suku

(2)

(3)

cadang. Secara ekonomi, biaya operasi dan perawatannya relative murah, cadang. Secara ekonomi, biaya operasi dan perawatannya relative murah, sedangkan biaya investasinya cukup bersaing dengan pembangkit listrik sedangkan biaya investasinya cukup bersaing dengan pembangkit listrik lainnya. PLTMH biasanya dibuat pada daerah-daerah terpencil yang belum lainnya. PLTMH biasanya dibuat pada daerah-daerah terpencil yang belum mendapatkan listrik dari PLN. Tenaga air yang digunakan dapat berupa aliran mendapatkan listrik dari PLN. Tenaga air yang digunakan dapat berupa aliran air pada system irigasi, sungai yang dibendung atau air terjun

air pada system irigasi, sungai yang dibendung atau air terjun (Ismono, 1999).(Ismono, 1999). Pemanfaatan PLTMH di Indonesia masih belum maksimal, sedangkan Pemanfaatan PLTMH di Indonesia masih belum maksimal, sedangkan kebutuhan energi sangat penting bagi masyarakat dalam kehidupan sehari-hari. kebutuhan energi sangat penting bagi masyarakat dalam kehidupan sehari-hari. Mengangkat dari permasalahan tersebut saya memilih

Mengangkat dari permasalahan tersebut saya memilih untuk merancang mesinuntuk merancang mesin pembangkit

pembangkit listrik listrik tenaga tenaga mikro mikro hidro hidro menggunakan menggunakan turbin turbin kaplan kaplan karenakarena menggunakan turbin kaplan memiliki

menggunakan turbin kaplan memiliki effisiensieffisiensi yang lebih baik dibandingkan yang lebih baik dibandingkan turbin jenis lainnya pada daerah sungai

turbin jenis lainnya pada daerah sungai yang memiliki debit dan head berskalayang memiliki debit dan head berskala kecil.

kecil.

1.2

1.2 Rumusan MasalahRumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang tersebut, maka dapat diambil

Berdasarkan latar belakang tersebut, maka dapat diambil rumusanrumusan masalah sebagai berikut:

masalah sebagai berikut: 1.

1. Bagaimanakah perancangan komponen pembangkit listrik mikrohydro tenagaBagaimanakah perancangan komponen pembangkit listrik mikrohydro tenaga air dengan sistem turbin kaplan?

air dengan sistem turbin kaplan? 2.

2. Bagaimanakah perancangan teknik mesin pembangkit listrik Bagaimanakah perancangan teknik mesin pembangkit listrik mikrohydromikrohydro tenaga air dengan sistem turbin kaplan?

tenaga air dengan sistem turbin kaplan? 3.

3. Bagaimanakah perawatan pembangkit listrik mikrohydro tenaga air Bagaimanakah perawatan pembangkit listrik mikrohydro tenaga air dengandengan sistem turbin kaplan?

sistem turbin kaplan? 4.

4. Berapa analisis biaya yang diperlukan untuk membuat pembangkit listrikBerapa analisis biaya yang diperlukan untuk membuat pembangkit listrik mikrohydro tenaga air dengan sistem turbin kaplan?

mikrohydro tenaga air dengan sistem turbin kaplan?

1.3

1.3 Tujuan PerancanganTujuan Perancangan 1.

1. Tujuan UmumTujuan Umum

Tujuan dari merencanakan suatu konstruksi pembangkit listrik Tujuan dari merencanakan suatu konstruksi pembangkit listrik mikrohydro tenaga air dengan sistem t

mikrohydro tenaga air dengan sistem turbin kaplan yaitu untukurbin kaplan yaitu untuk memanfaatkan aliran air di lingkungan menjadi energi listri

memanfaatkan aliran air di lingkungan menjadi energi listri k ramahk ramah lingkungan dan dapat diperbarui.

lingkungan dan dapat diperbarui. 2.

(4)

Tujuan secara khusus dari perencanaan pembangkit listrik tenaga Tujuan secara khusus dari perencanaan pembangkit listrik tenaga air mikrohydro dengan sistem turbin kaplan ini adalah:

air mikrohydro dengan sistem turbin kaplan ini adalah: a.

a. Mengetahui dasar pMengetahui dasar perhitungan perencanaan erhitungan perencanaan komponen, pkomponen, pemilihan bahan,emilihan bahan, dan pengecekan komponen yang dibutuhkan untuk pembuatan

dan pengecekan komponen yang dibutuhkan untuk pembuatan pembangkitpembangkit listrik mikrohydro tenaga air dengan sistem turbin kaplan.

listrik mikrohydro tenaga air dengan sistem turbin kaplan. b.

b. Membuat gambar komponen pembangkit listrik mikrohydro tenaga airMembuat gambar komponen pembangkit listrik mikrohydro tenaga air dengan sistem turbin kaplan.

dengan sistem turbin kaplan. c.

c. Dapat menjelaskan teknik perawataDapat menjelaskan teknik perawatan yang dibutuhkan untuk perencanaann yang dibutuhkan untuk perencanaan pembangkit listrik mikrohydro

pembangkit listrik mikrohydro tenaga air dengan sistem turbin kaplan.tenaga air dengan sistem turbin kaplan. d.

d. Menganalisis biaya yang diperlukan untuk membuat pembangkit listMenganalisis biaya yang diperlukan untuk membuat pembangkit list rikrik mikrohydro tenaga air dengan sistem turbin kaplan.

mikrohydro tenaga air dengan sistem turbin kaplan.

1.4

1.4 Batasan MasalahBatasan Masalah

Agar pembahasan

Agar pembahasan mengenai mengenai perancangan pembangkperancangan pembangkit listrik tenaga airit listrik tenaga air mikrohydro dengan sistem turbin kaplan ini dapat terarah dengan baik, maka mikrohydro dengan sistem turbin kaplan ini dapat terarah dengan baik, maka dapat diambil batasan-batasan masalah sebagai berikut:

dapat diambil batasan-batasan masalah sebagai berikut: 1.

1. Dasar perhitungan yang dibutuhkan untuk membuat pembangkit listrikDasar perhitungan yang dibutuhkan untuk membuat pembangkit listrik mikrohydro tenaga air dengan sistem turbin kaplan.

mikrohydro tenaga air dengan sistem turbin kaplan. 2.

2. Perhitungan perencanaan, pemilihan bahan baku dan pengecekan kekuatanPerhitungan perencanaan, pemilihan bahan baku dan pengecekan kekuatan bahan yang digu

bahan yang digunakan sebagai dasar dalam pembuatan pembangkit listriknakan sebagai dasar dalam pembuatan pembangkit listrik mikrohydro tenaga air dengan sistem turbin kaplan.

mikrohydro tenaga air dengan sistem turbin kaplan. 3.

3. Perencanaan gambar kerja pembangkit listrik mikrohydro tenaga air denganPerencanaan gambar kerja pembangkit listrik mikrohydro tenaga air dengan sistem turbin kaplan.

(5)

BAB II KAJIAN TEORI

2.1 Turbin Air

Turbin air merupakan sebuah turbin yang memanfaatkan air sebagai fluida kerja (Arismunandar, W. 2004). Air mengalir dari tempat yang lebih tinggi menuju ke tempat yang lebih rendah, dalam hal tersebut air memiliki energi potensial. Energi potensial tersebut yang akan dirubah menjadi energi mekanik.

Energi mekanik aliran air merupakan transformasi dari energi potensial air yang dimanfaatkan untuk menggerakkan turbin. Energi mekanik yang berasal dari putaran poros turbin akan diubah menjadi energi listrik oleh sebuah

generator. Energi listrik inilah yang dimanfaatkan oleh manusia untuk memenuhi kebutuhan sehari-hari.

Mesin turbin yang paling sederhana terdiri dari sebuah bagian yang berputar disebut rotor, yang terdiri atas sebuah poros/ shaft dengan sudu-sudu ataublade yang terpasang disekelilingnya. Rotor tersebut berputar akibat dari tumbukan aliran fluida atau berputar sebagai reaksi dari aliran fluida tersebut. Oleh karena itulah turbin terbagi atas 2 jenis, yaitu turbin impuls dan turbin reaksi. Rotor pada turbin impuls berputar akibat tumbukan fluida bertekanan yang diarahkan oleh nozzle kepada rotor tersebut, s edangkan rotor turbin reaksi berputar akibat dari tekanan fluida itu sendiri yang keluar dari ujung sudu

melalui nozzle.

2.2 PLTMH (Pembangkit Listrik Mikro Hydro)

Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) adalah suatu instalasi pembangkit listrik tenaga air dengan kapasitas pembangkitan rendah. Pada prakteknya dengan kapasitas secara umum mendefisinikan mikrohidro untuk daya kurang dari 100 kW dan minirohidro untuk daya kurang dari 1000 kW. Umumnya PLTMH adalah pembangkit listrik tenaga air jenis run-off dimana head diperoleh tidak dengan cara membangun bendungan besar, tetapi dengan mengalihkan sebagian aliran air sungai ke salah satu sisi sungai dan

(6)

menjatuhkannya lagi ke sungai yang sama pada suatu tempat di mana yang diperlukan sudah diperoleh. Dengan melalui pipa pesat air diterjunkan untuk memutar turbin yang berada di dalam rumah pembangkit. Pembangkit listrik Tenaga Mikro Hidro pada prinsipnya memanfaatkan beda ketinggian dan jumlah debit air per detik yang ada pada aliran air saluran irigasi, sungai atau air terjun. Aliran air ini akan memutar poros turbin sehingga menghasilkan energi mekanik. Energi ini selanjutnya menggerakkan generator dan menghasilkan listrik.

Mikrohidro merupakan pembangkit tenaga listrik yang mempunyai banyak keuntungan, keuntungan-keuntungan yang dimiliki mikrohidro antara

lain sebagai berikut.

1. Mikrohidro sangat cocok diterapkan di daerah terpencil dan sulit di jangkau oleh PLN.

2. Ramah lingkungan karena tidak menimbulkan polusi udara dan suara. Pembuatan mikro hidro yang menggunakan komponen-komponen yang tidak menimbulkan polusi udara maupun pencemaran air.

3. Memiliki konstruksi yang sederhana sehingga mudah dioperasikan, bahkan cukup memakai penduduk lokal setempat dengan sedikit latihan. Mikro hidro secara garis besar terdiri dari 6 komponen utama, yaitu kincir air, puli, sabuk, generator, dan konverter/penyearah arus. Sehingga untuk membangun sebuah mikro hidro tidaklah sesulit membuat pembangkit tenaga listrik dengan skala yang besar.

4. Biaya operasional dan pemeliharaannya relatif lebih murah dibandingkan dengan pembangkit listrik yang lain. Mikro hidro menggunakan energi air yang tidak memerlukan biaya untuk mendapatkannya.

5. Berpotensi meningkatkan kesejahteraan masyarakat. Mikro hidro yang notabennya adalah pembangkit listrik yang dapat menyuplai terus kebutuhan listrik penduduk yang mengakibatkan perokonomian penduduk meningkat karena dapat memikromalisir pengeluaran biaya listrik dari PLN.

J. Haryadi dalam karya tulisnya menyebutkan bahwa mikrohidro sebenarnya bukan teknologi baru dan sudah banyak diterapkan oleh beberapa

(7)

negara di dunia seperti Thailand, India, Pakistan, Vietnam, China dan Indonesia (J. Haryadi: 2013). Tetapi kerana kurangnya sosialisasi dari peran pemerintah dan kurangnya pengetahuan dari masyarakan membuat mikro hidro jarang dibangun oleh penduduk. Padahan dengan banyaknya manfaat mikro

hidro ini bisa membuat perekonomian penduduk cepat tumbuh.

2.3 Pemilihan Kriteria Jenis Turbin

Pemilihan tipe turbin air yang akan digunakan sesuai dengan kebutuhan yang kita inginkan, tentu saja tipe turbin air tersebut memiliki kelebihan dan kekurangan. Berikut ini adalah beberapa faktor yang mempengaruhi tipe turbin yang di gunakan:

1. Head (H) atau ketinggian permukaan air 2. Debit (Q) atau kapasitas air

Head adalah beda ketinggian antara muka air keluar dari kincir air/turbin air yang dirumuskan sebagai berikut:

H = Tinggi Permukaam awal – Tinggi permukaan akhir

Gambar 2.1: Turbin Kaplan Sumber: Anonymous 5 (2015)

(8)

Kapasitas air yang mengalir disebut debit air dan diukur dengan satuan Kapasitas air yang mengalir disebut debit air dan diukur dengan satuan liter/detik yang dirumuskan sebagai berikut:

liter/detik yang dirumuskan sebagai berikut:

Q

Q = = V V x x AA

Dimana : Dimana :

Q

Q = = Kapasitas Kapasitas air air yang yang mengalir mengalir (m3/s)(m3/s) V

V = = Kecepatan Kecepatan aliran aliran airair (m/det)’(m/det)’ A

A = = Luas Luas penampang penampang ((



))

2.4

2.4 Gaya Aliran Air yang Mengenai SuduGaya Aliran Air yang Mengenai Sudu

Setelah diketahui kecepatan aliran air yang akan digunakan sebagai Setelah diketahui kecepatan aliran air yang akan digunakan sebagai sarana pembangkit listrik, maka selanjutnya dapat dihitung berapakah besa sarana pembangkit listrik, maka selanjutnya dapat dihitung berapakah besa gaya aliran air yang menghantam sudu kincir air yang mengakibatkan kincir gaya aliran air yang menghantam sudu kincir air yang mengakibatkan kincir berputar. Perhitungan gay

berputar. Perhitungan gayanya sebagai berikut:anya sebagai berikut:

  = =  ̇ ̇ . .

(Dietzel.F, 1996:10)(Dietzel.F, 1996:10) Dimana:

Dimana:

F = gaya (kg m/s

F = gaya (kg m/s22 atau N) atau N)

̇̇

= laju aliran massa air (kg/s)= laju aliran massa air (kg/s) c = kecepatan aliran air (m/s) c = kecepatan aliran air (m/s)

Sedangkan laju aliran massa air dapat dihitung menggunakan rumus sebagai Sedangkan laju aliran massa air dapat dihitung menggunakan rumus sebagai berikut.

berikut.

 ̇ ̇ = =   ..

(Dietzel.F, (Dietzel.F, 1996:2)1996:2) Dimana:

Dimana:

̇̇

= laju aliran massa air (kg/s) = laju aliran massa air (kg/s) Q = debit air (m

Q = debit air (m33/s)/s)

ρ = massa jenis air (kg/m ρ = massa jenis air (kg/m33)) Sedangkan

Sedangkan kecepatan aliran kecepatan aliran air dalam air dalam pipa dapat pipa dapat dihitung dihitung menggunakanmenggunakan rumus sebagai berikut.

rumus sebagai berikut.

 == √ √ 

 ..



(Dietzel.F, 1996:6)(Dietzel.F, 1996:6) Dimana:

(9)

g

g = = gaya gaya gravitasi gravitasi bumi bumi (m/s(m/s22)) Δh = selisih ketinggian air

Δh = selisih ketinggian air (m)(m)

2.5

2.5 Sudu-SuduSudu-Sudu

Sudu-sudu merupakan bagian kincir yang berfungsi menghasilkan gaya Sudu-sudu merupakan bagian kincir yang berfungsi menghasilkan gaya untuk memutar kincir air. Air yang mengalir membentur sudu dan untuk memutar kincir air. Air yang mengalir membentur sudu dan meninggalkan sudu melalui suatu ruangan kosong antara rim sebelah dalam meninggalkan sudu melalui suatu ruangan kosong antara rim sebelah dalam lalu masuk kembali ke rim di sisi

lalu masuk kembali ke rim di sisi yang lain kemudian akhirnya keluar.yang lain kemudian akhirnya keluar. Pada dasarnya sudu turbin air dibedakan menjadi 2 yaitu :

Pada dasarnya sudu turbin air dibedakan menjadi 2 yaitu : 1.Sudu Pengarah

1.Sudu Pengarah 2.Sudu Tetap/Runner 2.Sudu Tetap/Runner

2.5.1

2.5.1 Sudu PengarahSudu Pengarah

Perancangan sudu pengarah, meliputi menentukan diameter sudu Perancangan sudu pengarah, meliputi menentukan diameter sudu pengarah. Sudu peng

pengarah. Sudu pengarah dihitung menggunakan arah dihitung menggunakan persamaan:persamaan:

Diameter sudu pengarah



_

==

 

 



√ √ 









= = Diameter Diameter Sudu Sudu pengarah pengarah (m) (m) (Ingram, (Ingram, 2007)2007) H

H == Ketinggian (Head)Ketinggian (Head) G

G = = Gravitasi Gravitasi (9,81 (9,81 m/s2)m/s2) N

N == Jumlah putaranJumlah putaran Kug

Kug dihitung dengan mengetahui terlebih dahulu kecepatan spesifik turbin dihitung dengan mengetahui terlebih dahulu kecepatan spesifik turbin (Ns ).

(Ns ).

2.5.2

2.5.2 Sudu Turbin/RunnerSudu Turbin/Runner Sudu turbin (

Sudu turbin (runner runner ) merupakan sudu turbin yang menjadi sumber) merupakan sudu turbin yang menjadi sumber penggerak

penggerak poros poros dan mdan menggerakan genggerakan generator unenerator untuk mengtuk menghasilkan listrik. hasilkan listrik. untukuntuk menghitung dimensi runner digunakan persamaan seperti dibawah:

menghitung dimensi runner digunakan persamaan seperti dibawah:

1.

1. Diameter Luar Sudu Turbin (DL)Diameter Luar Sudu Turbin (DL)

  

(10)

Dimana : Dimana : uL

uL = kecepatan = kecepatan keliling keliling bagian bagian luar sudluar sudu u (m/s)(m/s) n

n = = kecepatan kecepatan putar putar turbin turbin (rpm)(rpm)

2.

2. Diameter Leher Poros Sudu Turbin (DN)Diameter Leher Poros Sudu Turbin (DN)

DN = DN =

  

  

Dimana : Dimana : uN

uN = kecepatan = kecepatan keliling bagkeliling bagian leher ian leher poros (m/s)poros (m/s) n

n = = kecepatan kecepatan putar putar turbin turbin (rpm)(rpm)

3. Diameter Tengah Sudu

3. Diameter Tengah Sudu Turbin (DM)Turbin (DM)

DM = DM =

  



Dimana : Dimana : DL

DL = = diameter diameter leher leher poros poros sudu sudu turbin turbin (m)(m) DN

DN = = diameter diameter leher leher poros poros sudu sudu turbin turbin (m)(m)

2.5.3

2.5.3 Segitiga KecepatanSegitiga Kecepatan

Segitiga kecepatan adalah dasar kinematika dari aliran fluida yang Segitiga kecepatan adalah dasar kinematika dari aliran fluida yang menumbuk sudu turbin. Dengan pemahaman segitiga kecepatan akan menumbuk sudu turbin. Dengan pemahaman segitiga kecepatan akan membantu dalam pemahaman proses konversi energi pada turbin air.

(11)

Gambar 2.2: Segitiga Kecepatan Turbin Reaksi Sumber: Anonymous 5 (2015)

Pada turbin reaksi, guide vane mengarahkan aliran air masuk ke sudu dengan sudut α2, dengan kecepatan absolut V2. Setelah menjumlahkan vektor dengan kecepatan tangensial di ujung sudu u2, u2=rω, maka sudut luar sudu harus diatur sebesar β2 untuk mengakomodasi kecepatan relatif air menyinggung permukaan sudu w2. Profil sudu tersebut menyebabkan arah dan kecepatan air menyinggung sudu pada sisi outlet berubah w1, dan karena kecepatan tangensial sudu pada sisioutlet lebih kecil dari sisiinlet u2> u1 akibat r 2> r 1. Maka jika dijumlahkan vektor w1 dan u1 maka akan didapatkan nilai kecepatan absolut air di sisi outlet v1 yang lebih kecil dari sisi inlet . Artinya energi kinetik dari air diubah menjadi energi mekanik pada saat air menyinggung permukaan sudu penggerak (runner ).

2.6 Poros

Poros adalah suatu bagian stasioner yang beputar, biasanya berpenampang bulat dimana terpasang pada elemen-elemen seperti roda. Pada poros benda berputar akan mendapat beban puntir murni atau gabungan beban puntir dan lentur sehingga berpotensi mengalami defleksi. Defleksi sering

(12)

keausan bantalan dan mengakibatkan terjadinya misaligment pada roda gigi, sabuk, dan rantai. Maka dari itu defleksi adalah parameter yang harus diperhatikan pada perancangan poros.

Dalam perencanaan poros transimisi ini, perlu diperhatikan hal-hal sebagai berikut :

1. Kekuatan poros

Suatu poros transmisi harus dapat menahan beban seperti puntiran, lenturan, tarikan dan tekanan. Oleh karena itu, poros harus dibuat dari bahan pilihan yang kuat dan tahan terhadap beban-beban tersebut.

2. Kekakuan poros

Walaupun sebuah poros mempunyai kekuatan yang cukup tinggi tetapi jika lenturan atau defleksi puntirnya terlalu besar, akan mengakibatkan terjadinya getaran dan suara. Oleh karena it u disamping kekuatan poros, kekakuannya juga harus dipertimbangkan sesuai dengan jenis mesin yang dilayani.

3. Putaran Kritis

Suatu mesin bila putarannya dinaikkan, maka pada harga putaran tertentu akan terjadi getaran yang sangat besar dan disebut putaran kritis. Putaran ini harus dihindari dengan membuat putaran kerja lebih rendah dari putaran kritisnya.

4. Bahan Poros

Bahan poros transmisi biasa dibuat dari bahan yang ditarik dingin dan difinishing seperti baja karbon yang dioksidasikan dengan ferra silicon dan dicor. Pengerjaan dingin membuat poros menjadi keras dan

kekuatannya menjadi besar.

Ada beberapa macam poros menurut pembebannya yaitu poros transmi si, spindel, gandar.

1. Poros Transmisi

Pada umumnya poros transmisi ini meneruskan daya melalui sabuk, roda gigi, dan rantai sehingga mendapat beban puntir dan lentur.

(13)

Pada poros dengan penampang bulat pejal nilai tegangannya adalah sebagai berikut 3 32 d M x   _ 3 16 d T xy 

  (Sularso dan Suga, 1997:17)

dimana: x  =tegangan tarik (kg/mm2) xy  = tegangan geser (kg/mm2) d = diameter poros (mm)

M = momen lentur pada penampang kritis T = momen puntir pada penampang kritis sehingga:

   

2 2 3 max 1 , 5 _M _T d s

















 (Sularso dan Suga, 2004:17)

Untuk mencari besar diameter poros dapat dipakai rumus sebagai berikut:



  

3 1 2 2 . . 1 , 5





























km M kt T a ds 

mm (Sularso dan Suga, 1997:8)

a : tegangan geser bahan yang diizinkan (kg/mm2)

τa =

_{}



M : Momen lentur (kg.mm) T : Momen puntir (kg.mm)

2. Spindel

Poros yang pendek, seperti poros utama mesin perkakas, dimana beban utamanya berupa puntiran. Dalam perhitungan diameter poros

dapat memakai rumus berikut 3 2 1 , 5















K C T d _r _b a s 

(14)

Dimana:

K t =faktor koreksi

(1,0) = jika beban dikenakan secara halus

(1,0 - 1,5) = jika terjadi sedikit kejutan atau tumbukan (1,5 - 3,0) = jika beban dikenakan dengan kejutan atau

tumbukan besar.

C b = merupakan faktor untuk pembebanan lentur dengan nilai 1,2-2,3 jika tidak ada pembebanan \ lentur yang terjadi nilai C b dapat diambil 1,0.

a

 = tegangan geser yang diijinkan (kg/mm2) T = momen rencana, dapat dicari dengan persamaan

1 5 10 74 . 9 n P

T _ _ d _kg.mm _{(Sularso dan Suga, 2004:7)}

2.7 Puli (

Pulley

)

Dalam perencanaan kontruksi puli pada transmisi mesin trubin ini putaran puli penggerak dan yang digerakkan berturut-turut adalah n1 (rpm) dan yang digerakkan n2 (rpm) dengan diameter nominal masing-masing adalah dp (mm) dan Dp (mm), serta perbandingan putaran u dinyatakan dengan:









= 





Dimana:

D



= Diameter puli yang digerakkan (puli besar), (mm)

n



= Putaran poros puli yang digerakkan (rpm)

d



= Diameter puli penggerak (mm)

n



= Putaran motor (rpm)

Hal-hal lain yang perlu diperhatikan dalam perhitungan puli antara lain: 1. Diameter luar puli (D)

Dk (diameter luar puli) = D p(Diameter puli) + tinggi sabuk V

2. Berat puli (W p)

(15)

Dimana: D = diameter luar puli (mm) b = lebar puli (mm)



= massa jenis puli yang digunakan (7,2 . 10-6 kg/mm3) 2.8 Sabuk-V (V-Belt)

V-belt adalah salah satu elemen mesin yang banyak digunakan di kalangan industri saat ini, seperti pada industri automobile, generator, dan masih banyak lagi. V-belt dapat dikerjakan untuk mentransmisikan gaya dari suatu shaft ke shaft yang lain yang jaraknya relatif jauh. Sabuk V terbuat dari karet yang mempunyai penampang trapesium tenun atau tali yang digunakan sebagai inti sabuk. Untuk membawa tarikan yang besar. Sabuk V dibelitkan di keliling puli berbentuk V pula (gambar 1.3). Bagian sabuk yang sedang membelit pada puli ini mengalami lengkungan, sehingga bagian dalamnya akan bertambah besar. Gaya gesek juga akan bertambah karena pengaruh bentuk baji, yang akan menghasilkan transmisi daya yang besar pada tegangan yang relatif rendah. Sabuk V biasanya juga dipakai untuk menurunkan putaran atau menaikkan putaran melalui perbandingan reduksi pada pulinya i. (Sularso, 1997)

Gambar 2.3: Dimensi Penampang Sabuk V Sumber : Sularso, 1997:164

Sabuk-V banyak digunakan karena sabuk-V sangat mudah dalam penangananya dan murah harganya. Selain itu sabuk-V juga memiliki keungulan lain dimana sabuk-V akan menghasilhan transmisi daya yang besar

2 5 , 5 m m 38,0 40º Ti e 9 , 0 12,5 40 º Ti e 1 1 0 16,5 40 Ti e B 1 4 0 22,0 40 Ti e 3,15 4 Ti e D

(16)

roda gigi dan rantai, sabuk-V bekerja lebih halus dan tak bersuara. Sabuk-V selain juga memiliki keungulan dibandingkan dengan transmisi-transmisi yang lain, sabuk-V juga memiliki kelemahan dimana sabuk-V dapat memungkinkan untuk terjadinya slip.

Perencanaan sabuk-V perlu dilakukan untuk memperhitungkan jenis sabuk yang digunakan dan panjang sabuk yang akan digunakan. Berikut adalah perhitungan yang digunakan dalam perancangan sabuk-V antara lain:

a. Daya rencana (





)





=





x P (Sularso, 1991:7) Keterangan : P = daya (kW).





= daya rencana (kW) b. Momen rencana (





,





)

T



= 9,74 x

10



x (









) (kg.mm) (Sularso, 1991:7)

T



= 9,74 x

10



x (









)

(kg.mm) (Sularso, 1991:7) Keterangan :

P



= daya rencana (kW).

n



= putaran poros penggerak (rpm).

n



= putaran poros yang digerakan (rpm). c. Diameter lingkaran jarak bagi puli (





,





)





= i =







=





:u =





(Sularso, 1991:166) Keterangan :





= diameter jarak bagi puli kecil (mm).





= diameter jarak bagi puli besar (mm). i = perbandingan putaran.

d. Kecepatan sabuk (v)

v =

_{  }



 

(Sularso, 1991:166) Keterangan :

V = kecepatan puli (m/s).

d



= diamter puli kecil (mm).

(17)

n



= putaran puli kecil (rpm). e. Panjang keliling (L)

L = 2C +





(

D



+

d



) +





(





-





)



(Sularso, 1991:170)

f. Jarak sumbu poros (C) C =

+  



_{−  (}

_{ }

₎





(Sularso, 1991:170) g. Sudut kontak (

)



= 180 –

 (



− 



)



(Sularso, 1991:173) 2.9 Pasak

Pasak digunakan untuk menyambung dua bagian batang (poros) atau memasang roda, roda gigi, roda rantai dan lain-lain pada poros sehingga terjamin tidak berputar pada poros. Pemilihan jenis pasak tergantung pada besar kecilnya daya yang bekerja dan kestabilan bagian-bagian yang

disambung. Pasak merupakan elemen mesin yang digunakan untuk meneruskan momen torsi dari poros ke elemen mesin lainnya (pulley, roda gigi). Dimensi pasak ditentukan oleh dimensi poros (ds). Bahan pasak biasanya dipilih bahan yang lunak dari pada bahan porosnya. Hal ini disebabkan karena harga pasak yang murah serta mudah menggantinya. Menurut letaknya pasak dapat di bedakan menjadi: pasak pelana, pasak rata, pasak benam, pasak singgung.

Gambar 2.4: Alur pasak Sumber: Sularso, 1997: 25

(18)

Hal-hal yang harus diperhatikan dalam perencanaan pasak, khususnya jenis pasak rata adalah:

1. Gaya tangensial

Dari Momen rencana pada poros T (Kg.mm) dan diameter poros ds (mm),

maka gaya tangensial Ft (Kg) pada permukaan poros adalah:

=

_



()

(Sularso, 1997: 25) Dimana:

T = Momen Torsi Rencana (Kg.mm) ds = Diameter Poros (mm) 2. Tegangan geser (τk )





=

_.



(Sularso, 1997: 25) Dimana: τk= Tegangan geser (kg/mm2) F = Gaya tangensial (kg) b = Lebar pasak (mm) ℓ = Panjang pasak

3. Tegangan geser ijin





≥

_



_.

_

(Sularso, 1997: 25) Dimana:

τka = Tegangan geser yang dijinkan (kg/mm2)

Sf 1 = Faktor keamanan = 6

Sf 2 = Faktor keamanan = 1-1,5

Gambar 2.5: Gaya Geser pada Pasak Sumber: Sularso, 1997: 25

(19)

Harga τka adalah harga yang diperoleh dengan membagi kekuatan tarik

σ b dengan faktor keamanan Sf 1 x Sf 2. Harga Sf 1umumnya diambil 6, dan Sf 2

dipilih antara 1 – 1,5 jika beban dikenakan secara perlahan-lahan, antara 1,5 – 3 jika dikenakan dengan tumbukan ringan, dan antara 2 – 5 jika dikenakan secara tiba-tiba dan dengan tumbukan berat. Lebar pasak 25 – 35% dari diameter poros dan panjang pasak antara 0,75 – 1,5 dari diameter poros.

2.10 Bantalan

Bantalan adalah elemen mesin yang menumpu poros terbeban, sehingga putaran atau gerakan olak-baliknya dapat berlangsung secara halus, aman dan panjang umur. Bantalan harus cukup kokoh untuk memungkinkan poros atau

elemen lainnya bekerja dengan baik. Jika bantalan tidak berfungsi dengan baik maka seluruh sistem akan menurun atau tidak dapat bekerja dengan semestinya.

Gambar 2.6: Bantalan Bola Radial Magnet Sumber : Sularso, 1997:129

Bantalan berfungsi sebagai penumpu poros terbeban sehingga putaran poros dapat berputar secara halus dan aman. Jika bantalan tidak berfungsi

secara baik maka seluruh sistem dalam mesin akan terganggu.

2.10.1 Klasifikasi Bantalan

Bantalan dapat diklasifikasikan sebagai berikut: 1. Berdasarkan gerakan bantalan terhadap poros:

(20)

a. Bantalan luncur

Pada bantalan ini terjadi gesekan lincir antara poros dan bantuan karena permukaan poros ditumpu oleh permukaan bantalan dengan perantara

lapisan pelumas. b. Bantalan gelinding

Pada bantalan ini terjadi gesekan gelinding antara bagian yang berputar dengan yang diam melalui elemen gelinding seperti bola, rol atau rol jarum.

2. Berdasarkan arah beban terhadap poros a. Bantalan radial

Arah beban yang ditumpu bantalan ini adalah tegak lurus sumbu poros. b. Bantalan aksial

Arah beban bantalan ini sejajar sumbu poros. c. Bantalan gelinding khusus

Bantalan ini dapat menumpu beban yang arahnya sejajar dan tegak lurus sumbu poros.

Gambar 2.7 Gaya pada Bantalan. Sumber: Sularso, 2004:135

2.10.2 Bantalan Gelinding

Bantalan yang digunakan adalah bantalan gelinding atau sering disebut bantalan anti gesek. Pada bantalan gelinding, digunakan elemen gelinding yang

(21)

Jenis-jenis dari bantalan gelinding adalah sebagai berikut:

Gambar 2.8: Macam-Macam Bantalan Gelinding Sumber: Sularso 2004:135

Bantalan gelinding pada umumnya lebih cocok untuk beban kecil daripada beban luncur. Adapun dasar pertimbangan yang dipakai dalam menentukan bantalan gelinding sebagai berikut:

a) Bantalan gelinding memliki ketelitian pemasangan yang lebih baik dibandingkan bantalan luncur.

b) Faktor gesekan bantalan gelinding relatif lebih kecil dibandingkan

bantalan luncur. Untuk bantalan luncur (0,002 – 0,1), sedangkan bantalan gelinding (0,0005 – 0,003)

c) Perawatan pada bantalan gelinding lebih sederhana. d) Jenis bantalan gelinding banyak tersedia di pasaran.

2.10.3 Hal-Hal yang Harus Diperhitungkan dalam Memilih Bantalan :

1. Kekuatan Bantalan

l w

W 

..

kg (Sularso dan Suga, 2004:107)

Dimana :

(22)

w = beban persatuan panjang (kg/mm)

l =panjang bantalan (mm) 2. Tekanan Bantalan

Tekanan bantalan adalah beban radial dibagi luas proyeksi bantalan, yang besarnya sama dengan beban rata-rata yang diterima

oleh permukaan bantalan:

ld W

p  kg/mm2 (Sularso dan Suga, 2004:109)

Dimana : p = beban rata-rata ( kg/mm2) l = panjang bantalan (mm) d = diameter poros (mm) 3. Faktor kecepatan 3 1 3 , 33















n

fn (Sularso dan Suga, 1991:136)

Dimana :

n = putaran poros rol (rpm) 4. Faktor umur bantalan

P C fn

fh  (Sularso dan Suga, 1991:136)

Dimana :

C : beban nominal dimensi spesifik (kg) P : beban ekuivalen dinamis (kg)

5. Umur nominal bantalan

Lh = 500. fh3 (jam) (Sularso dan Suga, 1991:136)

2.11 Generator

Generator merupakan alat yang mampu menghasilkan energi list rik yang bersumber kepada energi mekanik dan umumnya menggunakan induksi elektromagnetik. Proses tersebut dikenal dengan nama pembangkit listrik. Sumber energi mekanik sendiri bisa berasal dari resiprokat ataupun turbin.

(23)

Cara kerja generator adalah melalui pergerakan medan magnet yang ada di rotor terhadap kumparan tetap yang terdapat di stator. Medan magnet tersebut dihasilkan dengan cara memberikan tegangan DC (Direct Current) pada kumparan penguat medan yang ada di rotor yang dapat dihasilkan melalui penguat sendiri maupun penguat terpisah. Sumber tegangan DC sendiri bisa didapat dari aki (accumulator). Setelah itu pemotong medan magnet bisa menggunakan bahan konduktor untuk memotong medan magnet yang ada, karena apabila tidak memotong maka prinsip kerja generator tidak akan timbul yang berupa gaya gerak listrik.

Manfaat generator listrik adalah sebagai salah satu elemen mesin pembangkit listrik yang mana berasal dari energi mekanik dan semua pembangkit listrik menggunakan komponen generator di dalamnya. Manfaat generator listrik pun sangat banyak baik itu untuk kalangan pribadi ataupun industri. Untuk industri prinsip kerja generator sangat terasa pada pusat listrik tenaga air yang berjenis medan tutup. Disini putaran turbin yang berasal dari air yang dibendung dalam waduk mampu menghasilkan listrik.

(24)

BAB III

PERANCANGAN PRODUK

3.1 Perancangan Awal

Pemanfaatan air sebagai pembangkit listrik sudah merupakan hal yang umum di Indonesia. Namun melihat potensi sumber air yang dimiliki, PLTMH menjadi salah satu pembangkit alternatif di Indonesia yang sangat efektif. Ada beberapa hal yang harus kita ketahui untuk membuat rancangan awal dari

mesin turbin yaitu :

1. Menentukan Lokasi Turbin

Perancangan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro teletak di Jl. Raya Selokerto, Selorejo, Dau, Malang, Jawa Timur.

Gambar 3.1: Tempat Perancangan Sumber: Dokumentasi pribadi

Penarikan kesimpulan dari penelitian ini adalah akan dilakukan perancangan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro pada daerah tersebut. Perencanaan pembangkit listrik tenaga mikrohidro diperlukan data kecepatan aliran air sungai yang akan digunakan. Untuk keperluan tersebut, maka dilakukan pengukuran kecepatan aliran air pada sungai di Jl. Selokerto Kel Selorejo Kec Dau Kota Malang dengan

(25)

menggunakan metode pelampung. Metode pelampung ini menggunakan busa yang dihanyutkan pada aliran sungai dengan jarak 5 meter kemudian dicatat lama busa tersebut dari titik awal mencapai titik akhir dengan jarak 5 meter.

Gambar 3.2: Metode Pelampung Sumber: Dokumentasi pribadi

Dari hasil penelitian tersebut dihasilkan data berupa kecepatan aliran air sungai sebagai berikut.

Tabel 3.1 Data Percobaan Uji Kecepatan Aliran Air Sungai Jl. Selokerto

Percobaan Ke Waktu (detik)

1 9,2

2 9,1

3 8,9

4 9,1

Dari percobaan tersebut dapat dirata-rata lama waktu busa mencapai jarak 5 meter pada aliran air selokan di Jl. Kintamani sebagai berikut.

Lama ratarata= P1P2P3P4

₄

Lama ratarata= 9,2 detik9,1 detik8,9 detik9,1 detik

₄

5

(26)

Lama ratarata= 36,3 detik

₄

Lama ratarata=9,075 detik

Karena jarak dalam percobaan tersebut adalah 5 meter, maka dapat diambil kesimpulan bahwa kecepatan aliran air selokan (V) di Jl. Selekerto sebagai berikut.

Kecepatan aliran air sungai (V) = jarak uji coba

_{lama rata rata}

Kecepatan aliran air sungai (V) = 5 meter

_{9,075 detik}

Kecepatan aliran air sungai (V) = 0,55 meter/detik

Kecepatan aliran air sungai (V) ≈ 0,55 m/s

Jadi kecepatan aliran air pada sungai di Jl. Selokerto adalah

0,55

m/s.

2. Menentukan Turbin yang digunakan

Secara umum hasil penelitian di lapangan mendapatkan potensi pengembangan PLTMH dengan tinggi jatuhan (head ) 3 meter, yang dapat dikategorikan pada head rendah. Grafik pada gambar di bawah ini dapat membantu pemilihan turbin

Gambar 3.3: Grafik Pemilihan Turbin. Sumber : Didik sugianto, 2014

(27)

Untuk menentukan jenis turbin yang digunakan harus mengetahui head dan debit air pada sungai tersebut.

1. Luas penampang Pipa (A) : A =

  



= 3,14 x 0,1 = 0,0314





2. Kecepatan aliran air (V) : Q pipa = Q sungai A1x V1= A2x V2 0,0314 x V1 = P x l x V2

0,0314 x V1 = 1,3 x 0,5 x

0,55

V1= 11,38 m/s

3. Kapasitas air yang mengalir (Q) : Q = V x A

Q = 11,38 m/s x 0,0314





= 0,357





/s

Setelah perhitungan yang dilakukan didapatkan nilai Debit = 0,357



3

/s dan Head = 3 meter maka diagram penjelasan diatas rencana pemilihan turbin yang digunakan adalah turbin Kaplan dengan beroprasi pada head yang rendah dengan kapasitas aliran yang tinggi.

Turbin Kaplan merupakan turbin air jenis propeller yang memiliki

blade yang dapat disesuaikan, yang dikembangkan pada tahun 1913 oleh Profesor Austria Viktor Kaplan. Turbin Kaplan ini adalah salah satu turbin reaksi aliran aksial. Turbin ini tersusun seperti propeller pada perahu. Turbin ini merupakan evolusi dari turbin Francis. Penemuannya menyebabkan listrik dapat diproduksi secara efisien dengan menggunakan head rendah yang tidak mungkin dapat dicapai dengan turbin Francis. Tinggi head berkisar 3 -70 meter dan output daya 5-200 MW. Diameter Runner adalah antara 2 dan 11 meter. Kisaran rotasi turbin adalah 79-429 rpm. Turbin Kaplan saat ini sudah banyak digunakan di seluruh dunia dalamhigh-flow, pembangkit listrik tenaga air dengan head rendah. Efisiensi turbin Kaplan biasanya lebih dari 90%, namun mungkin lebih rendah dalam aplikasihead yang sangat rendah.

(28)

3.2 Daya yang Dibangkitkan Turbin

Adapun komponen pendukung dari pembangunan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH ) adalah sebagai berikut :

1. Potensi debit air yang cukup (0,357 liter/detik ) 2. Beda tinggi head (3 meter )

3. Gravitasi ( 9,81

m/detik



) 4. Massa jenis air ( 1000 kg/m3) 5. Effesiensi Turbin 0,8 %

Jika ketiga komponen diatas sudah terpenuhi,maka kita sudah bisa menghitung daya yang akan dibangkitkan dalam perencanaan sebuah PLTMH dengan rumus :

P = x Q x H x g x ȠT (Igram, 2007)

= 1000 kg/m3 x 0,357





/s x 3 m x 9,81 m/s2 x 0,8 = 8405,208 Watt

Dimana :

P = Daya terbangkit dalam (Watt) Q = Debit air dalam (liter/detik) H = Beda Tinggi (meter )

g = Grafitasi (

m/detik



) ȠT = 0,8 %

3.3 Besar Gaya Aliran Air yang Mengenai Sudu

Setelah diketahui kecepatan aliran air yang akan digunakan sebagai sarana pembangkit listrik, maka selanjutnya dapat dihitung berapakah besar gaya aliran air yang menghantam sudu kincir air yang mengakibatkan kincir berputar. Perhitungan gayanya sebagai berikut:

 =  ̇ .

(Dietzel.F, 1996:10) Dimana:

F = gaya (kg m/s2 atau N)

̇

= laju aliran massa air (kg/s) c = kecepatan aliran air (m/s)

(29)

Sedangkan laju aliran massa air dapat dihitung menggunakan rumus sebagai berikut:

 ̇ =  .

̇

= laju aliran massa air (kg/s) Q = debit air (m3/s)

ρ = massa jenis air (kg/m3)

Sedangkan kecepatan aliran air dalam pipa nozzel dapat dihitung menggunakan rumus sebagai berikut:

 = √  .

c = kecepatan aliran air dalam pipa (m/s)

g = gaya gravitasi bumi (m/s2)

Δh = selisih ketinggian air (m)

Besarnya gaya yang mengenai sudu dihitung sebagai berikut:

F = m .c

F = (Q.ρ) .(√ 2.ℎ)

F = (V.A.ρ) .(√ 2.ℎ)

F = (V.π .



_{.ρ) .(√ 2.ℎ)}

F = [11,38 m/s .3,14 (0,1 m)



_{.1000 kg/m}



_{] .(√2 .9,81 m/s}



_{.3 m}

)

F=(11,38 m/s .3,14 . 0,01



_{.1000 kg/m}



_{) .(√2 .9,81 m/s}



.3 m

)

F = (357,33 kg/s) .(7,67 m/s)

F = 2741,44 kgm/



F ≈

2741,44

N

Jadi besarnya gaya aliran air yang mengenai sudu sehingga kincir berputar sebesar

2741,44

N.

3.4 Putaran Kincir

Torsi yang dihasilkan satu buah sudu dari perenca naan pembangkit listrik tenaga air dapat dihitung sebagai berikut.

(30)

Dimana: T = torsi (Nm atau Joule)

F = gaya (N)

r = jari-jari sudu (m)

ϕ = Besarnya sudut kincir ketika terkena air dari semprotan pipa nozzel

(Karena sudunya sebanyak 6 buah, maka tiap-tiap sudu akan terdorong oleh air dengan besar sudut = 3600 : 6 = 60 0 )

T = F . r . Sin ϕ

τ =

2741,44

N. 0,109 m . Sin 600

τ =

2741,44

N. 0,109 m . 0,866

τ =

258,78

Nm

τ =

258,78

Joule

3.5 Kecepatan Putaran Kincir

Kecepatan putaran kincir dapat diperoleh dengan menggunakan rumus sebagai berikut.

P = T . n

Dimana: P = Daya (Watt) T = Torsi (Joule) n = Putaran (rpm) P = T . n

n = PT

n = 8405,208 Watt

_{258,78 Joule}

n = 31,08 rpm

Jadi poros pada kincir air akan berputar sebanyak

31,08

kali putaran dalam waktu 1 menit.

3.6 Perencanaan Sudu

Pada pembuatan sudu turbin kaplan menggunakan sudu memilin atau biasa disebut sudu pelintir. Sudu ini mengacu pada sudut masuk aliran dan

(31)

sudut buang aliran sehingga sudu tersebut dapat memutar poros dan menggerakkan sebuah generator.

Bentuk sudu turbin memilin (pelintir) dihasilkan dari 2 sudut yang berbeda yaitu sudut masuk sudu dan sudut keluaran sudu. Sudut masuk sudu

(β1) lebih besar daripada sudut keluar sudu (β2), hal tersebut dimaksudkan agar

kecepatan air yang masuk lebih besar dari pada kecepatan air yang keluar. Hal tersebut menyebabkan daya keluaran air (W2) akan jauh lebih besar daripada daya masuk air (W1) ke sudu. Dengan demikian laju aliran air akan dapat dimanfaatkan secara efisien dan menyebabkan poros mampu berputar secara maksimal.

3.6.1 Sudut sudu

Ukuran sudu telah ditentukan sesuai dengan diameter dalam pipa standard. Sudu tersebut akan terpasang pada shaft yang terkunci dengan bentukan bertingkat pada bagian bawah sudu. Apabila dilihat desain sudu pada

kondisi terpasang adalah sebagai berikut :

Gambar 3.4: Sketsa Sudut Sudu Turbin Sumber : Dokumentasi Pribadi

Keterangan:





= Sudut masuk sudu





= Sudut keluar sudu





(32)

3.6.2 Diameter Sudu

Gambar 3.5: Sketsa Diameter Sudu Turbin Sumber : Dokumentasi Pribadi

1. Diameter Luar Sudu Turbin (DL) DL =

  

_{  }

=

  ,

  ,

= 0,219 m Dimana :

ul = kecepatan keliling bagian luar sudu (m/s) n = kecepatan putar turbin (rpm)

2. Diameter Leher Poros Sudu Turbin (DN) DN =

  

  

=

  ,

  ,

= 0,118 m Dimana :

un = kecepatan keliling bagian leher poros (m/s) n = kecepatan putar turbin (rpm)

3. Diameter Tengah Sudu Turbin (DM) DM =

 + 



=

, + ,



= 0,168 m DN DM DL

(33)

Dimana :

DL = diameter leher poros sudu turbin (m) DN = diameter leher poros sudu turbin (m)

3.7 Segetiga Kecepatan

Setelah mengetahui kecepatan air didalam saluran air ke turbin dan kapasitas air yang mengalir didalamnya pada head tersebut. Maka langkah selanjutnya yaitu menentukan kecepatan tangensial (u1) pada sudu turbin diameter lingkar luar saat berputar.

DL = 219 mm DN = 188 mm

Q = 0,357 m/s H = 3 m

D pipa = 0,2 m n turbin =

31,08

rpm

1. Kecepatan Tangensial pada diameter lingkar luar sudu turbin; uL (m/s)





=   





= 0,35 

7,67





= 2,684 /

Dimana:





= Faktor kecepatan keliling bagian luar sudu

Co =

Kecepatan air= √ 2    ℎ

= 7,67 m/s

2. Kecepatan Tangensial pada diameter lingkar dalam sudu turbin; uN (m/s)





=   





= 0,19 

7,67





=1,457 /

Dimana:





= Faktor kecepatan keliling bagian dalam sudu

Co =

Kecepatan air= √ 2    ℎ

= 7,67 m/s

3. Kecepatan Tangensial pada diameter lingkar luar sudu turbin; uM (m/s)





= 





₂







= 2,6841,457

₂





= 2,07 /

(34)

Dari ketentuan dimensi maka luas penampang pada sudu turbin yang bekerja dan kecepatan meridian c2m = c2 pada bagian keluar turbin dan yaitu

sebesar :

1. Luas Penampang Sudu; A (m2)

 =   

 =

0,98 x 0,58

 =

0,56 m2 2. Kecepatan Meridian c2m = c2(m/s)





= 



=  





= 



= 1,138

_0,56





= 



= 2,032 /

3. Efisiensi Turbin ; ȠT

Ƞ



= 

_{ ..}

Ƞ



= 8,405

_{0,357 .3.9,81}

Ƞ



= 8,405

_10,5065

Ƞ



= 0,80

%

Dengan demikian bentuk dari sudu turbin dapat digambarkan melalui bagan segitiga kecepatan. Bagan tersebut terdiri dari 3 bagian yaitu sudut sudu

dibagian diameter dalam (D N), sudut sudu bagian tengah (Dm), Sudut sudu bagian luar (DL). Bagan Segitiga Kecepatan tergambar sebagai berikut :

(35)

1. Bagan Segitiga Kecepatan bagian dalam (D N)

Gambar 3.6: Diagram Segitiga Kecepatan Bagian Dalam

Dari perhitungan sebelumnya diketahui nilai dari u N dan C2 sebagai

berikut :

 u_N =

1,457

m/s

 C₂m = C₂ =

2,032

m/s

Maka besarnya nilai-nilai yang lain dapat dihitung sebagai berikut : a) Sudut keluaran pada diameter dalam sudu ; β2

tan



= 

_

_



tan



= 2,032

_1,457





=54,35

b) Daya keluar pada diameter dalam sudu ; W2





= 

_sin



_





= 2,032

_0,812





= 2,50 /

c) Kecepatan Keluar Bias Tangensial ; cu2





= Ƞ

_31,08



. .





= 0,8 .9,81.3

_31,08

uN C2 CU2 β1 β2 W2 W1 C1 β3 x

(36)





= 23,544

_31,08





= 0,75

7 m/s

d) Kecepatan Masuk Sudu ; c1





= √ 



 







= √ 2,032



0,757







= √4,702





= 2,16 

Untuk mendapatkan nilai W1 dan β1, perlu adanya nilai bantuan

yaitu nilai x dan β3, yang mana nilai x tersebut diperoleh dari hasil pengurangan u N dengan cU2, sebagai berikut :

e) Nilai Variabel x x = u N – cU2 x =

1,457

– 0,757 x = 0,733 m/s f) Sudut Bantu ; β3

tan



= 

_

tan



= 0,733

_2,032

tan



= 0,360





=19,83

°

g) Sudut Masuk sudu pada diameter dalam sudu ; β1 β1 = 900 – β3

β1 = 900 –

19,83

0 β1 = 70,160

h) Daya masuk pada diameter dalam sudu ; W1





= U

_sin

N

_





= 1,457

_sin19,83





= 4,29 /

(37)

2. Bagian Segitiga Kecepatan bagian tengah (Dm)

Gambar 3.7: Diagram Segitiga Kecepatan Bagian Tengah

Dari perhitungan sebelumnya diketahui nilai dari uM dan C2 sebagai

berikut :

 U_M =

2,070

m/s

 C₂2m = C₂ =

2,032

m/s

tan



= 

_

_



tan



= 2,032

_2,070





=44,46

°





= 

_sin



_





= 2,032

_0,700





= 2,90 /

UM C2 CU2 β1 β2 W2 W1 C1 β3 x

(38)





= Ƞ



_31,08

. .





= 0,8 .9,81.3

_31,08





= 23,54

_31,08





= 0,757

m/s





=  



 







= √ 2,032



0,757







=√4,702





= 2,16 /

yaitu nilai x dan β3, yang mana nilai x tersebut diperoleh dari hasil

pengurangan uMdengan cU2, sebagai berikut :

e) Nilai Variabel x x = um – cu2 x =

2,070

–

0,757

x = 1,313 m/s f) Sudut Bantu ; β3

tan



= 

_

tan



= 1,313

_2,032





= 32,86

°

g) Sudut Masuk sudu pada diameter dalam sudu ; β1

β1 = 900 – β3

β1 = 900 – 32,860

β1 = 57,130

W



= 

_sin



_

(39)

W



= 2,070

_0,542

W



= 3,815 /

3. Bagan Segitiga Kecepatan bagian luar (DL)

Gambar 3.8: Diagaram Segitiga Kecepatan Bagian Luar

Dari perhitungan sebelumnya diketahui nilai dari uL dan C2 sebagai berikut :

 U_L =

2,684

m/s

 C₂2m = C₂ =

2,032

m/s

tan



= 

_



_

tan



= 2,032

_2,684

tan



=0,757





=37,12

°





= 

_sin



_





= 2,032

_0,603



= 3,366 /

UL C2 CU2 β1 β2 W2 W1 C1 β3 x

(40)



= Ƞ



_31,08

. .



= 0,8 .9,81.3

_31,08



= 23,54

_31,08



= 0,757

m/s



=  





= √ 2,032



0,757





= √4,702



= 1,26 /

yaitu nilai x dan β3, yang mana nilai x tersebut diperoleh dari hasil

pengurangan uL dengan cU2, sebagai berikut :

e) Nilai Variabel x x =





x =

2,244

–

0,757

x = 1,486 m/s f) Sudut Bantu ; β3

tan

_{= }

_

tan

= 1,486

_2,032





= 36,18

°

g) Sudut masuk sudu pada diameter dalam sudu ; β1

β1 = 900 – β3

β1 = 900 – 36,180

β1 = 53,820

(41)

W1 = 2,244

_0,860

W



= 3,8 m/s

3.8 Perencanaan Poros Transmisi

Poros yang digunakan adalah poros transmisi dengan beban puntir murni dan beban lentur, daya di transmisikan ke poros melalui puli dan sabuk-V. Pada perencanaan ini adalah perencanaan poros pada poros transmisi, guna

memindahkan putaran poros turbin ke poros ke generator mesin turbin air.

3.8.1 Pemilihan Bahan Poros Transmisi

Bahan yang dipakai adalah baja karbon S40C dengan σ b = 55 kg/mm2

(Sularso, 1983 : 3). dalam tabel bahan diketahui baja karbon S40C memilki spesifikasi:

 Kekuatan tarik





: 55 kg/m

m



 Perlakuan panas : Penormalan

 Faktor keamanan : Sf1 = 6,0; Sf2 = 2,0

Sf 1 = 6 (Sularso, 1983 : 8)

Sf 2 = 2,0  diambil nilai antara 1,3 - 3,0 (Sularso, 1983 : 8)

Km = 2,0  diambil nilai antara 1,5 - 2,0 (Sularso, 1983 : 8) Kt = 2,0  diambil nilai antara 1,5 – 3,0 (Sularso, 1983 : 8)

3.8.2 Perencanaan Gaya yang Diterima Poros 1. Menentukan besarnya faktor koreksi

f c = 1,0  dipilih antara nilai 0,8 – 2,0 (Sularso, 1983: 7)

2. Daya rencana

Pd = P . fc . (Soelarso & K.suga, 1983:7)

=

8,405

KW 1,0 = 8,405 KW.

3. Momen puntir rencana ( T ). Kg mm. T = 9,74 105



(42)

= 9,74 105

, 

 

= 5457,64 kg mm.

4. Gaya – gaya yang terjadi p ada poros

Gambar 3.9: Gaya – Gaya yang terjadi pada Poros

a. Gaya yang terjadi di titik FA pada puli

Gaya pada titik FA = gaya akibat berat poros FA = 1,4 kg

Gaya yang terjadi di titik FD pada propeler FD = gaya akibat berat propeler

FD = 3,5 kg

b. Untuk mencari gaya reaksi yang terjadi pada titik B dan C maka

menggunakan rumus ∑M = 0

∑MB = 0 (titik pusat di B untuk mencari gaya reaksi pada titik C)

= ( FA x AB) + (RC x BC) – (FD x BD) = ( 1,4 kg x 50 mm) + (RC x 500 mm) – (3,5 kg x 600 mm) RC =

−(  .) + ( .)

 

RC =

 .

 

RC = 4,06 kg c. Gaya reaksi pada titik B

∑Mc = 0 (titik pusat di C untuk mencari gaya reaksi pada titik B) = ( FA x AC) – (RB x BC) – (FD x CD) = ( 1,4 kg x 550 mm) – (RB x 500 mm) – (3,5 kg x 100 mm) RC =

(  .)− ( .)

 

FA RB _RC FD 50 mm 500 mm 100 mm A B C D

(43)

RC =

 .

_{ }

RC = 0,84 kg 5. Tegangan geser









=







_{ ×}

(Soelarso & K.suga, 1983:8)





=



 ×

=





= 4,58







6. Faktor koreksi untuk momen puntir ( Kt ) = 1,5 , Faktor lenturan (Cb) = 2

7. Diameter poros d = (

,





x Kt x Cb x T

)





(Soelarso & K.suga, 1983:8) = (

,

,

x 1,5 x 2 x

5457,64)





= 27,5 mm 30 mm.

Disebabkan diameter poros 29,5 mm dipasaran tidak ada, maka kita bulatkan menjadi 30 mm sesuai diameter poros yang ada dipasaran (sularso, 1983: 9).

8. Diameter bagian yang menjadi tempat bantalan = 72 mm Jari-jari filet = 72 – 30 : 2 = 21 mm

Alur pasak = 8 7 Filet 0,4 ( 0,4 besar dari JIS)

9. Faktor konsentrasi tegangan pada poros bertegangan adalah. =



_

= 0,7 ,



_

= 2,4



= 2,4

Konsentrasi tegangan pada poros dengan alur pasak :

,



= 0,023 ,

∝ >  ∝=

2,4

Tegangan geser pada pasak (

)

(

)

=

, ×





=

, ×,

()



= 1,03







(44)

10. Pengecekan Defleksi Puntiran (θ) θ = 584

 . 

 .



(Sularso, 1997:18) Dimana: T = Momen rencana = 5457,64 kg.mm l = Panjang poros = 600 mm G = Modulus geser = 9,3 x 103 kg/mm2 d = diameter poros = 30 mm Maka: θ = 584

, x 

,  



_{ }



θ = 584





θ = 0,240

Dari hasil perhitungan diperoleh defleksi puntiran sebesar 0,24⁰, sedangkan menurut (Sularso, 1997:19) defleksi maksimum puntiran adalah 0,25⁰. Maka:

0,24⁰ < 0,25⁰ (memenuhi syarat)

Jadi bahan poros yang dipakai untuk dijadikan poros 1 (poros penyangga kincir) adalah besi S40C dengan diameter poros 40 mm.

3.9 Perencanaan Sabuk

Berdasarkan perhitungan yang telah dilakukan, diperoleh data awal untuk merencanakan sabuk. Adapun data-data tersebut meliputi :

 Daya generator yang digunakan : 8 kW

 Putaran generator : 1500 rpm

Dalam perencanaan ini sabuk yang dipilih adalah dari karet dengan bentuk sabuk-V karena mudah penangannya dan harganya murah. Daya maksimum yang dapat ditransmisikan sabuk-V kurang lebih sampai 500 KW dan kecepatan sabuk maksimum sampai 25 m/s (Sularso & Suga, 1997:163). Berdasarkan diagram pemilihan sabuk di Sularso & Suga (1997:164), maka sabuk yang digunakan adalah sabuk Tipe E.

1 Putaran poros penggerak (n1) =

500

rpm 2 Putaran poros yang digerakan (n2) = 1500 rpm

(45)

Perhitunagn perencanaan mesin ini menggunakan mesin generator dengan putaran 1500 rpm dalam perencanaan ini perhitungan ditunjukan di bawah ini:

1. Daya rencana (





)





=



_

x P = (kW) (Sularso, 1991:7)

= 1,0 x

8,405

KW = 8,405 KW

Gambar 3.10: Diagram Pemilihan Sabuk Sumber : web.ipb.ac.id.com, diakses 23 oktober 2017

2. Momen rencana (



1

,



2

)

T

1

= 9,74 x

10

5

x (

5,93

500

) = (11551,64 kg.mm) (Sularso, 1991:7)

T

2

= 9,74 x

10

5

x (

5,93

1500

)

= (3850,54 kg.mm) (Sularso, 1991:7) Keterangan :

P

d

= 8,405 kW

n

1

=

500

rpm

(46)

Gambar 3.11: Perhitungan Panjang Keliling Sabuk Sumber: (Sularso, 1991:170)

Dengan sabuk – V tipe B maka dipilih diameter pulli yang diijinkan yaitu 115 mm pada perencanaan ini, sehingga diameter pada pulli pada poros motor dipilih (d p) = 115 mm. Untuk menghiung diameter puli transmisi pada poros

turbin Kaplan (D p):

3. Diameter Puli Transmisi (





,





)

D

p

.

n

₁

=

d

_p

.

n

₂

(Sularso, 1991:166)

D

p

=



2 . 



1 D



=

1500 . 115

₅₀₀

= 345 mm Keterangan :





= diameter jarak bagi puli kecil (mm). = 115 mm





= diameter jarak bagi puli besar (mm). = 345 mm 4. Kecepatan linier sabuk (V)

V =

  



 n

1 60  1000

(Sularso, 1991:166) =

3,14  115  500

60  1000

= 3,0 m/s Keterangan : V = kecepatan puli (m/s)

d

p

= diamter puli kecil (mm)

(47)

5. Jarak puli penggerak dengan puli yang digerakkan C =

(D

_p

 

) x 2 C = 230 x 2 = 460 mm 6. Panjang keliling (L) L = 2C +



2

(

Dp

+

dp

) +

4

1

(



-

)

2

(Sularso, 1991:170) L = 2 x 460 +

3.14

2

(345 + 115) +

2760

1

(345 - 115

)

2

L = 920 + 722,2 + 19,16 L = 1661.36 L = 1662

Jadi panjang sabuk yang digunakan menyesuaikan dengan yang ada di pasaran di pilih L = 1662 mm = 110,37 Inch

7. Jarak sumbu poros puli (C)

Gambar 3.12: Jarak Sumbu Dua Puli

b = 2 L -π (D p – d p) (Sularso, 1991:170) = 2 . 1662 – 3,14 (345 – 115) = 3324 – 722,2 = 2601,8 mm C =

+  



_{−  (}

_{ }

₎





(mm) =

2601,8

2601,8

2 _{ 8 (345115)}

2

8

= 650,4 mm

Jadi jarak sumbu poros puli adalah 650 mm. 8. Sudut kontak (

)



= 180 –

57 (



 



)



= 180 –

57 (345115)

(48)

Gambar 3.13: Sudut Kontak Sabuk V

3.10 Perencanaan Puli (

Pulley

)

Kontruksi puli pada transmisi turbin kaplan menggunakan bahan besi cor yang memiliki masa jenis 7800 kg/m3, putaran puli penggerak dan yang digerakkan berturut-turut adalah n1 (rpm) dan yang digerakkan n2 (rpm) dengan diameter nominal masing-masing adalah dp (mm) dan Dp (mm), serta perbandingan putaran u dinyatakan dengan:









=







Dimana:

D



= Diameter puli yang digerakkan (mm)

n



= Putaran poros puli yang digerakkan (rpm)

d



= Diameter puli penggerak (mm)

n



= Putaran motor (rpm)

Dari tabel V-Belt , untuk sabuk tipe B diketahui ukuran-ukuran puli sebagai berikut: e = 12,5 mm; c = 2,5 mm; t = 9 mm; s = 10 mm



= 160

°

Hal-hal lain yang perlu diperhatikan dalam perhitungan puli antara lain : 1. Puli 1 (Puli Poros Motor)

1. Ketebalan puli (b)

Ketebalan puli yang akan dipakai adalah puli yang ada dipasaran dengan tebal 20 mm (Martin, 2001).

(49)

2. Berat puli (Wp)

Wp =

π

/4 x D2 x b x



(kg) (Dobrovolsky, 1978:254) = 3,14/4 x

0,095



m x 2 x

10

−

m

x 7800 kg/m3

= 0,11 kg

Gambar 3.14: Sketsa Pulley Generator Dimana:

D= diameter luar puli (mm)

b = lebar puli (mm)

= massa jenis (7800 kg/mm³)

2. Puli 2 (Puli Poros Besar) 1. Ketebalan puli (b2)

Ketebalan puli yang akan dipakai adalah puli yang ada dipasaran dengan tebal 20 mm (Martin, 2001).

2. Berat puli (Wp) Wp =

π

/4 x D2 x b x



(kg) (Dobrovolsky, 1978:254) = 3,14/4 x

0,345



m x 2 x

10

−

m

x 7800 kg/m3 = 1,4 kg Ø 80 Ø 95

(50)

Gambar 3.15: Sketsa Pulley Poros

Dimana:

D = diameter luar puli (mm)

b = lebar puli (mm)



= massa jenis (7800 kg/mm³) 3. Sudut Kontak Puli ( Pulley)

=180

 (



−



)



(Sularso & K.Suga, 1997:173) = 180 –

 (−)

,

= 159,84

160



3.11 Perencanaan Pasak

1. Tegangan Geser yang Diijinkan (



)

Menurut Sularso (1997:25) bahwa pasak umumnya dipilih dari bahan yang lebih lemah dari poros, sehingga pasak akan lebih dulu rusak dari pada poros dan puli. Ini disebabkan harga pasak lebih murah serta mudah menggantinya. Adapun bahan pasak yang direncanakan adalah S 20 C, dengan kekuatan tarik (



) = 55 kg/mm2, serta faktor keamanan Sf k1 = 6 dan

Sf k2 =2,25 (Sularso & Suga, 1997:27) Ø 345