No. Politeknik. Nota Effiandi, ST.Mpd

Tugas Akhir ini telah dipertahankan didepan siding penguji dan dinyatakan lulus pada tanggal : 07 oktober 2017

Abstrak telah disetujui oleh penguji :

TandaTangan 1 2 3 4 NamaTerang Drs.Mulyadi, ST.MT Nota Effiandi, ST.Mpd DR. Junaidi, ST.,MP Nasrullah, ST.MT Mengetahui :

Ketua Jurusan Teknik Mesin : Dr. Junaidi ST.,MP

Nip. 19660621 199203 1005 Tanda Tangan Alumni telah mendaftar kePoliteknik Negeri Padang dan mendapatakan nomor alumni:

PetugasPoliteknik

Nomor Alumni : Nama TandaTangan

No. Politeknik _{Fauzan Khalid}

BIODATA

(a) Tempat/TglLahir: Pakandangan/03 Januari 1996 (b) Nama Orang Tua: (Alm) ABD.Rahim.J (c) Jurusan: Teknik Mesin (d) Program Studi: DIII Teknik Mesin, Konsentrasi: Produksi (e) No.BP: 1401012038 (f) Tanggal Lulus: 07 Oktober 2017 (g) Predikat Lulus: ………...(h) IPK: ……… (i) Lama Studi: 3 Tahun (j) Alamat Orang Tua: N0 157 Korong Pasa Dama Nagari Parit Malintang Kecematan Enam Lingkung Kabupaten Padang Pariaman

PERANCANGAN TURBIN CROSSFLOW PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKRO HIDRO (PLTMH) UNTUK MENERANGI LAGAN PADANG GUBALO KANAGARIAN

SICINCIN KABUPATEN PADANG PARIAMAN

Tugas Akhir D-III Oleh : Fauzan Khalid

Pembimbing I: Drs. Mulyadi, ST., MT dan Pembimbing II: Bukhari S, ST.MT

ABSTRAK

Daerah perdesaan terpencil yang sebagian besar belum terjangkau jaringan listrik nasional (PLN) merupakan suatu masalah bag ipembangunan dan pengembangan masyarakat perdesaan. Salah satu daerah di Sumatera Barat yang berpotensi untuk dijadikan sumber energy Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) adalah Lagan Padang Gubalo yang terletak di Kanagarian Sicincin, Kabupaten Padang Pariaman. Perancangan Mesin Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro ( Turbin Crossflow ) yang terdiri dari runner sebagai media yang digerakkan oleh air, ini merupakan penerapan secara nyata perkuliahan elemen mesin, mekanika fluida, ilmu bahan serta teknik gambar. Cara kerjadari turbin air ini adalah energy potensial yang berada pada air di bendungan, di alirkan melalui pipa sehingga energy potensial dirubah menjadi energy kinetik, diteruskan menghasilkan putaran atau energy mekanik, putaran tersebut diteruskan ke generator menggunakan poros melalui transmisi sabuk-V sehingga menghasilkan energy listrik pada generator. Daya keluaran turbin dapat ditentukan dengan rumus :

Q .h .ρ .g , dimana Q : debit air (m3/s), h = tinggi jatuh air (m), ρ = massa jenis air, g = gravitasi bumi (m/s2). Effisiensi dan kinerja turbin ini sangat dipengaruhi oleh posisi dan sudut kemiringan sudu (pengarah air/guide vane). Dengan spesifikas turbin, head 5 m, debit air 0,1 m3/s, diameter runner 300 mm, dan lebar pemasukan air 160 mm, dan energy listrik yang dapat dibangkitkan turbin adalah sebesar 3 kW.

1 BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Lagan Padang Gubalo adalah desa kecil di Kabupaten Padang Pariaman Sumatera Barat, mayoritas masyarakat di desa ini belum bisa memanfaatkan listrik dari PT. PLN (persero). Yaitu di daerah Korong Ladang Laweh Kanagarian Sicincin Kecamatan 2x11 Enam Lingkung Kabupaten Padang Pariaman. Daerah ini jauh dari keramaian dengan jumlah rumah berkisar 4 buah rumah yang dihuni sekitar sedikitnya 4 kepala keluarga, dan daerah ini berjarak 2 Km dari sumber listrik PLN.

Dalam rangka pengembangan listrik ditingkat daerah secara maksimal, pihak pemerintah daerah maupun PLN sampai sekarang masih belum mampu memenuhi kebutuhan masyarakat Padang Gubalo akan listrik dengan alasan teknis dan ekonomi. Salah satu kendala utama yaitu letak daerah yang jauh dari sumber listrik PLN dengan kondisi akses yang buruk membuat biaya investasi menjadi sangat tinggi. Dilain pihak kebutuhan aktual daya listrik didaerah ini rendah dengan daya beli masyarakat yang juga rendah sehingga investasi jadi sangat mahal dan tidak menarik dan prioritas untuk menjangkau wilayah – wilayah seperti itu sering dikebelakangkan. Umumnya daerah pedesaan terpencil yang terletak pada daerah pegunungan mempunyai potensi energi air yang memadai, sehingga berpotensi untuk membangun sebuah pembangkit mikrohidro, merupakan salah satu sumber energi yang berkelanjutan dan tidak merusak lingkungan . Lagan Padang Gubalo salah satu daerah di Sumatra Barat yang berpotensi untuk dijadikan sumber energi Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH). Oleh sebab itu penulis yang merupakan putera daerah tertarik untuk merancang sebuah PLTMH dalam bentuk pengabdian kepada masyarakat atas apa yang sebagian penulis pelajari di Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Padang.

2 1.2 Perumusan Masalah

Perumusan masalah yang diangkat sebagai tugas akhir sebagai berikut :

1. Pembangkit listrik tenaga mikro hidro dibuat karena pihak PLN tidak sanggup untuk mengadakan listrik di daerah tersebut.

2. Pembangkit listrik tenaga mikro hidro dapat dibuat dengan adanya 2 hal antara lain : adanya potensi air dan tinggi jatuh air yang dapat digunakan sebagai energi potensial.

3. Menentukan sudut kemiringan pipa untuk menghasilkan debit air yang besar. 4. Dengan melakukan survey potensi air di Lagan Padang Gubalo, Korong

Ladang Laweh, Kanagarian Sicincin, Kecamatan 2x11 Enam Lingkung, Kabupaten Padang Pariaman, Sumatera Barat. Dapat dibangun turbin Crossflow sebagai pembangkit listrik tenaga mikro hidro.

1.3 Batasan Masalah

Untuk merencanakan suatu turbin air pembangkit listrik ini maka akan dilakukan pengambilan data awal (survey) didaerah yang bersangkutan untuk menentukan debit air dan ketinggian jatuh air serta kecepatan air. Sehingga akan lebih mudah dalam perencanaan daya turbin, merancang runner beserta komponen-komponen lainnya seperti perencanaan poros, bantalan, sabuk, dan puly.

1.4 Tujuan

Adapun tujuan umum dari kegiatan PERANCANGAN TURBIN CROSSFLOW PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKRO HIDRO (PLTMH) ini adalah penyediaan listrik masyarakat dengan teknologi mikrohidro yaitu pembangkit listrik dengan memanfaatkan energi potensial air, yang terletak di Korong Ladang Laweh, Kanagarian Sicincin, Kecamatan 2x11 Enam Lingkung, Kabupaten Padang Pariaman, Sumatera Barat.

3

A. Tujuan Akademis.

1. Untuk memenuhi kewajiban sebagai mahasiswa teknik mesin dengan program studi produksi dan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh ijazah DIII (ahli madya) Politeknik.

2. Menerapkan ilmu yang diperoleh di bangku perkuliahan pada situasi yang sebenarnya di lapangan.

3. Dapat memecahkan masalah-masalah yang timbul dalam perencanaan suatu mesin sehingga melatih mahasiswa untuk merencanakan suatu alat pada fasilitas permesinan tertentu.

B. Tujuan Khusus.

1. Untuk dapat menghasilkan energi listrik sendiri dengan memanfaatkan potensi air/sungai yang ada di Lagan Padang Gubalo Korong Ladang Laweh Kanagarian Sicincin, sehingga dapat menghasilkan listrik yang murah dan ramah lingkungan yang mana daerah ini belum mungkin dalam 5 tahun kedepan akan dialiri jaringan listrik PLN.

2. Untuk dapat meningkatkan taraf kehidupan masyarakat baik ekonomi maupun pengetahuan..

3. Dapat meningkatkan seni budaya masyarakat yang ada di Lagan Padang Gubalo, Korong Ladang Laweh, Kanagarian Sicincin, Kecamatan 2x11 Enam Lingkung, Kabupaten Padang Pariaman, Sumatera Barat.

4. Masyarakat akan sadar tentang pelestarian lingkungan untuk menjamin ketersediaan air demi lancarnya listrik mikrohidro.

1.5 Sistematika Penulisan

Agar penulisan tugas akhir ini tidak menyimpang dari yang telah ditentukan, maka sistematika dari penulisan tugas akhir ini adalah sebagai berikut :

4 BAB I : PENDAHULUAN

Merupakan bab pendahuluan yang membahas secara garis besar mengenai latar belakang, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan, manfaat, batasan masalah, dan sistematika penulisan laporan.

BAB II : LANDASAN TEORI

Berisikan tentang pengertian turbin, dasar perencanaan, lintasan pancaran melalui turbin, pengambaran alur aliran mutlak, diameter runner geometri sudu, perencanaan poros runner, menentukan momen bengkok maksimal, menentukan tegangan bengkok yang diizinkan, menentukan diameter poros dan pengelasan busur listrik.

BAB III : HASIL DAN PEMBAHASAN

Berisikan tentang proses hasil dan pembahasan. Pembahasan tentang hasil yang diperoleh yang dibuat berupa penjelasan teoritik, baik secara kualitatif, kuantitatif.

BAB IV : ANGGARAN BIAYA DAN PERAWATAN

Berisikan tentang anggaran biaya pembuatan dan perawatan harian turbin crossflow.

BAB V : PENUTUP

Berisikan Tentang kesimpulan dan saran-saran dari proses penulisan tugas akhir ini.

5 BAB II

LANDASAN TEORI 2.1 Hydropower

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 dari air yang mengalir. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam wujud energi mekanik maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air banyak dilakukan dengan menggunakan kincir air atau turbin air yang memanfaatkan adanya suatu air terjun atau aliran 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/turbin air. Total energi yang tersedia dari suatu reservoir air adalah merupakan energi potensial air yaitu :

E = mgh

. . . .(2.1)

Dengan

m = massa air

h = head [m]

g = percepatan gravitasi [m/s2]

Daya merupakan energi tiap satuan waktu

[

]

, sehingga persamaan dapat dinyatakan sebagai :

6

Dengan mensubstitusikan P terhadap

[

]

dan mensubtitusikan ρԚ terhadap

[

]

maka :

P = ρԚgh

. . . (2.3) dengan P = daya [watt] Ԛ = kapasitas aliran [m3 /s] ρ = densitas air [kg/m3 ]

Selain memanfaatkan air jatuh hydropower dapat diperoleh aliran air datar. Dalam hal ini energi yang tersedia merupakan energi kinetik

E =

mv

2. . . (2.4)

Dengan

v adalah kecepatan aliran air [m/s]

Daya air yang tersedia dinyatakan sebagai berikut :

P =

ρԚv

2 . . . (2.5)

atau dengan menggunakan persamaan kontinuitas Ԛ = Av

E =

ρAv

2 . . . (2.6)

dengan

7 2.2 Turbin Air

Turbin air mengubah energi potensial air menjadi energi mekanik. Energi mekanik diubah dengan generator listrik menjadi tenaga listrik. Berdasarkan prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi mekanik. Turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin reaksi dan turbin impuls.

High head Medium head Low head Impulse

turbines

Pelton Turgo Cross-flow

Multi-jet Pelton Turgo Cross-flow Reaction turbines Francis Propeller Kaplan

Tabel 2.1 Pengelompokan turbin

2.2.1 Turbin Reaksi

Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Perbedaan tekanan ini memberikan gaya pada sudu sehingga runner (bagian turbin yang berputar) dapat berputar. Turbin yang bekerja berdasarkan prinsip ini dikelompokan sebagai turbin reaksi runner turbin reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah turbin.

2.2.2 Turbin Impuls

Energi potensial air diubah menjadi energi kinetic pada nozzle. Air keluar

nozzle yang mempunyai kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan

momentum (impulse). Akibatnya roda turbin akan berputar, Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah turbin tekanan sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi

8

tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan.

2.3 Perbandingan Karakteristik Turbin

Perbandingan karakterisik turbin dapat kita lihat pada grafik head (m) vs

flow (m3/s) dibawah ini.

Grafik 2.1 Perbandingan grafik turbin

Dapat dilihat pada gambar diatas turbin kaplan adalah turbin yang beroperasi pada head yang rendah dengan kapasitas aliran yang tinggi atau bahkan

9

beroperasi pada kapasitas yang rendah. Hal ini karena sudu-sudu turbin kaplan dapat diatur secara manual atau otomatis untuk merespon perubahan kapasitas,

Berkebalikan dengan turbin kaplan, turbin pelton adalah turbin yang beroperasi pada head tinggi dengan kapasitas yang rendah. Untuk turbin francis mempunyai karakteristik yang berbeda dengan lainnya yaitu turbin francis dapat beroperasi pada head yang rendah atau beroperasi pada head yang tinggi.

Pemilihan turbin kebanyakan didasarkan pada head air yang didapatkan dan kurang lebih pada rata-rata alirannya. Umumnya, turbin impuls digunakan untuk tempat dengan head tinggi, dengan turbin reaksi digunakan untuk tempat dengan head rendah, Turbin kaplan baik digunakan untuk semua jenis debit dan

head, efisiensi baik dalam segala kondisi aliran.

Turbin kecil (umumnya dibawah 10 MW) mempunyai poros horizontal, dan kadang dipakai juga pada kapasitas turbin mencapai 100 MW. Turbin francis dan kaplan besar biayanya mempunyai poros / sudu-sudu vertikal karena ini menjadi penggunaan paling baik untuk head yang didapatkan, dan membuat instalasi generator lebih kecil dari head yang didapat atau tersedia. Beberapa semburan air tiap semburan untuk meningkatkan kecepatan spesifik dan keseimbangan gaya poros.

Aplikasi penggunaan turbin berdasarkan tinggi head yang didapatkan adalah sebagai berikut ini,

1. Turbin Kaplan : 2 < H < 100 meter

2. Turbin Francis : 5 < H < 500 meter

3. Turbin Pelton : H < 30 meter

10 2.4 Kecepatan Spesifik Turbin

Kecepatan spesifik (n), menunjukan bentuk dari turbin itu dan tidak berhubungan dengan ukurannya. Hal ini menyebabkan desain turbin baru yang diubah skalanya dari desain yang sudah ada, dengan performa yang telah diketahui. Kecepatan spesifik merupakan kriteria utama yang menunjukan pemilihan jenis turbin yang tepat berdasarkan karekteristik sumber air.

Kecepatan spesifik dari sebuah turbin juga dapat diartikan sebagai kecepatan ideal, persamaan geometris turbin yang menghasilkan satu satuan daya tiap satu satuan head. Kecepatan spesifik turbin dapat diartikan sebagai titik efisiensi maksimum. Perhitungan tepat ini menghasilkan performa turbin dalam jangkauan head dan debit tertentu.

Kecepatan spesifik juga merupakan titik awal dari analisis desain dari sebuah turbin baru. Setelah kecepatan spesifik yang diinginkan diketahui, dimensi dasar dari bagian-bagian turbin dapat dihitung dengan mudah.

Debit yang melalui turbin dikendalikan dengan katub yang besar atau pintu gerbang yang disusun diluar sekeliling pengarah turbin. Perubahan head dan debit dapat dilakukan dengan variasi bukaan pintu, akan menunjukan efisiensi turbin dengan kondisi yang berubah-ubah.

Kecepatan spesifik dapat dihitung dengan menggunakan rumus :

n = 133 √

. . . .(2.7)

Dengan : n = Putaran turbin [rpm]

11 2.5 Turbin Air Crossflow

Turbin tipe ini dibuat pertama kali di eropa. Nama crossflow diambil dari kenyataan bahwa air melintasi kedua sudu gerak atau runner dalam menghasilkan putaran (rotasi). Turbin cross-flow adalah salah satu turbin air dari jenis turbin air dari jenis turbin impuls (impulse turbine) dimana aliran air masuk dan keluar rotor melalui lingkaran peripheral rotor yang sama. Turbin crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 liters/sec hingga 10 m3/s dan head antara 1 s/d 200 m. Turbin

crossflow menggunakan nozzle persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner. Pancaran air masuk turbin dan menganai sudu sehingga terjadi konveksi

energi kinetik menjadi energi mekanik.

Gambar 2.1 Turbin cross-flow

Air mengalir keluar membentur sudu dan memberikan energinya kemudian meninggalkan turbin. Runner turbin dibuat dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel.

12

Runner Turbin Cross-Flow dapat dibuat hanya 20 cm saja sehingga

bahan-bahan yang dibutuhkan jauh lebih sedikit sehingga lebih efisien. Tingginya efisiensi Turbin Cross-Flow ini akibat pemanfaatan energi air pada turbin ini dilakukan dua kali, yang pertama energi tumbukan air pada sudu-sudu pada saat air masuk, dan yang kedua adalah gaya dorong air pada sudu-sudu saat air akan meninggalkan runner .

Adanya kerja air yang bertingkat ini ternyata memberikan keuntungan dalam hal efeketifitasnya yang tinggi dan kesederhanaan pada sistim pengeluaran air dan runner. Kurva dibawah ini akan lebih menjelaskan tentang perbandingan efisiensi dari beberapa turbin konvensional.

Grafik 2.2 Efisiensi beberapa turbin dengan pengurangan debit sebagai variable

Dari Kesederhanaannya itulah maka Turbin Cross-Flow dapat dikelompokan sebagai teknologi tepat guna yang pengembangannya di masyarakat perdesaan memiliki prospek cerah karena pengaruh keunggulannya sesuai dengan kemampuan dan harapan masyarakat.

13

Turbin Cross-Flow secara umum dapat dibagi dalam dua tipe yaitu :

1. Tipe T1 , yaitu Turbin Cross-Flow kecepatan rendah.

2. Tipe T3 , yaitu Turbin Cross-Flow kecepatan tinggi.

Gambar 2.3 Dua tipe turbin cross-flow

Pada dasarnya pemilihan tipe turbin untuk PLTMH sama seperti pemilihan tipe turbin pada PLTA konvensional yang pernah ada. Dasar pemilihan tipe turbin sebagai penggerak generator pada Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) terlebih dahulu harus diketahui besaran Head (meter), debit air (m3/s), dan besarnya kecepatan putar turbin (n). Kecepatan putaran turbin diperoleh dengan mengetahui kecepatan air yang akan masuk ke sudut-sudut turbin. Dengan merubah kecepatan lincar menjadi kecepatan keliling (sentrifugal) pada poros turbin.

14 2.6 Perencanaan Runner

2.6.1 Dasar Perencanaan

Perencanaan pemanfaatan sumber daya air yang terletak di Anak Sungai Batang Geringgiang yang terletak di Sungkai, RT 03, RW 3, Kelurahan Lambung Bukik, Kecamatan Pauh, Padang. Berdasarkan kebutuhan energi listrik masyarakat, besaran biaya pembangunan dan jaminan ketersediaan air sepanjang tahun.

Adapun data-data penunjang yang diperoleh dari pengukuran dimana debit air diperoleh dengan cara pengukuran menggunakan metode pelampung, maka digunakan rumus sebagai berikut :

a. Jarak(s) [m] b. Waktu(t) [dtk]

c. Kecepatan air (v) = [m/dtk] d. Lebar saluran (l) [m]

e. Kedalaman air (h) [m]

f. Luas penampang air (A) = l x h [m2] g. Debit terukur (Qt) = v x A [ltr/dtk]

Untuk menjamin ketersediaan air sepanjang tahun, perhitungan daya dilakukan pada 50 sampai 80 % dari debit terukur, maka digunakan rumus sebagai berikut:

a. Debit desain (Qd) [m3/dtk] b. Tinggi jatuh air (Hnet) [m]

c. Hf =f . [m]

d. Hlosses =1/3 . Hnet [m]

15 Ditetapkan : a. Gravitasi (g) = 9,81 [m/dtk2] b. Efisiensi total (ῄ) [%] c. Efisiensi Turbin (ῄt) [%] d. Efisiensi generator (ῄg) [%]

Untuk menghitung daya keluaran turbin, yaitu sebagai berikut :

a. Power air (Pa) = Q.H.g [Kw]

b. Daya Turbin (Pt) = Pa x ῄt x ῄg [Kw]

c. Daya listrik (Pl) = Pt x ῄt x ῄg [Kw]

Daya yang keluar dari generator dapat diperoleh dari perkalian efisiensi turbin dan generator dengan daya keluar secara teoritis. Bentuk pembangkit listrik tenaga air mini ini bervariasi, tetapi prinsip kerjanya adalah sama yaitu perubahan tenaga potensial air menjadi tenaga listrik.

Perubahan memang tidak langsung, tetapi berturut-turut melalui perubahan sebagai berikut :

Tenaga potensial adalah tenaga air karena berada pada ketinggian. Tenaga kinetik adalah tenaga air yang mempunyai kecepatan. Tenaga mekanik adalah tenaga kecepatan air yang terus memutar runner atau turbin. Tenaga listrik adalah hasil dari generator yang berpusat akibat terpusatnya turbin.

Prinsip kerja pembangkit listrik tenaga mikrohidro (PLTMH) yang paling utama adalah memanfaatkan semaksimal mungkin energi air yang dapat ditangkap oleh peralatan utamanya yang disebut turbin. Turbin cross-flow terdiri atas dua bagian utama, nozel dan runner. Dua buah piringan sejajar disatukan pada lingkar

Tenaga Potensial Tenaga Kinetik Tenaga Mekanik Tenaga Listrik

16

luarnya oleh sejumlah sudu membentuk kontruksi yang disebut runner. Nozel berpenampang persegi, mengeluarkan pancaran air ke selebar runner dan masuk kedalam sudu terhadap garis singgung lingkaran luar runner. Bentuk pancaran adalah persegi lebar dan tidak terlalu tebal. Air masuk ke sudu-sudu pada rim

runner mengalir diatasnya, keluar memintas ruang kosong diantara bagian dalam

rim dan akhirnya keluar dari runner.

2.6.2 Lintasan Pancaran Melalui Turbin

Dengan asumsi bahwan pusat pancaran air masuk roda turbin pada titik A (gambar 2.6) dengan sudut absolut α1, maka kecepatan air yang keluar nozel

C1 = C(2gH)0,5 [m/dtk] . . . .(2.8)

Dimana : C = Koefisien nozel

: H = Head pada titik acuan : C1 = Kecepatan absolut air

Kecepatan relatif air pada sisi masuk, w1 bisa diketahui jika kecepatan tangensial pada sisi masuk tersebut, u1 diketahui , kecepatan relatif aliran disisi masuk w1 dapat ditentukan. Sudut yang diapit dua kecepatan terakhir ini dinamai sudut β1. Agar diperoleh efisiensi maksimum, sudu-sudu dititik A harus sama dengan β1. Lengkung AB menunjukan suatu sudu. Kecepatan nisbi w2 dan kecepatan keliling u2 disisi keluar, mengapit sudut β2’ dititik itu. Kecepatan mutlak aliran C2 dapat ditentukan dari w2’, Β2 atau u2. Sudut yang dibentuk dua kecepatan C2 atau u2 adalah α2.

17

Gambar 2.4 Lintasan air melalui turbin

Dengan asumsi tidak ada perubahan kecepatan absolut, maka titik C masuk lagi ke rim bias ditentukan. Kecepatan absolut C2 dititik ini menjadi C1 dan lintasan absolut air melalui sudu CD, dari titik C ke D bias diketahui dengan pasti, sehingga :

α

1

=α

2

β

1

= β

2

β

1

’ = β

2

’

Karena semuanya merupakan sudut-sudut yang saling berkaitan pada suhu yang sama.

Tentu tidak keseluruhan (garis arus pent) pancaran dapat mengikuti alur mutlak ini, beberapa alur partikel air cenderung saling bersilangan didalam runner seperti tampak pada gambar 2.7 gambar ini memperlihatkan pendekatan keadaan sebenarnya. Sudut-sudut perpotongan θ dan θ1 mencapai maksimum di masing-masing sisi terluar pancaran.

18

Gambar 2.5 Aliran air dalam roda turbin

2.6.3 Penggambaran Alur Aliran Mutlak

Alur aliran melintasi runner dapat digambarkan berdasarkan segitiga kecepatan dan rumus-rumus yang telah dipaparkan pada bahasan terdahulu. Demikian pun pembahasan dibawah ini akan menjabarkan secara rinci alur aliran mutlak melintasi tingkat pertama runner, sebagai dasar studi selanjtunya.

Sementara suatu elemen air mengalir disepanjang sudu dari sisi masuk kesisi keluar, runner turbin berputar. Untuk memastikan titik sebenarnya tempat keluar suatu garis arus mutlak, harus memperhitungan sudut putar runner yang terjadi selama selang waktu elemen air bergerak menempuh tingkat pertama itu. Dibuat segitiga-segitiga kecepatan perantara di seleksi antara titik masuk dan keluar sudu runner.

Kecepatan masuk ditetapkan sebagai berikut :

C1 = 1

α

1 = 16°

u

1opt =

19

β

2 = 30°

w

1opt = = = 0,55498

Jari-jari luar dan dalam runner masing-masing ditandai dengan lambing R1 dan R2. Sedangkan sembarang jari-jari diantara keduanya ditandai dengan R1 selanjutnya u1, u2 dan u masing-masing menunjukkan kecepatan keliling dijari-jari yang bersangkutan.

Kecepatan nisbi disembarangan titik diantara jari-jari luar dan dalam dirumuskan sebagai berikut :

W

1

= √w

1 2

- u

1 2

+ u

1 2 . . . (2.9)

Dan dengan pengganti

W

1 2

_{– u}

1 2

= K = K W

i

= √K + u

i 2 . . . (2.10) Dengan :

u

1 = 0,48063

w

1 = 0,55498 Diperoleh : K = 0,0770

Sudut kecepatan relatif β disembarang titik diantara jari-jari luar dari dalam

runner dirumuskan sebagai berikut :

1

=

arc SIN

20

Dan dengan pengganti :

Sin β

i

u

i 2

= λ sin β

i

=

. . . .(2.12)

Dengan βi = 30°

u

1= 0,48063 diperoleh = 0,155

Komponen kecepatan mutlak pada arah bujur disembarang titik antara jari-jari luar dan dalam merupakan hasil kali kecepatan nisbi dengan sinus sudut kecepatan nisbi titik itu

C

mi

= W

i

Sin β

i

C

mi

= λ

√

. . . .(2.13)

Komponen kecepatan mutlak rata-rata pada arah bujur diantara jari-jari luar dan dalam serta sembarangan jari-jari diantara kedua jari-jari itu, berbanding dengan integral komponen kecepatan mutlak pada arah bujur yang bersangkutan.

→ =

∫

λ

√

d

ui . . . .(2.14)

Sudut putaran runner selama pergerakan elemen air dan jari-jari luar ke jari-jari dalam runner, atau ke sembarang jari-jari diantaranya, dihitung dengan

ϒ [°] =

* ( )+ ° → . . . .(2.15) Dimana :

ϒ [°]

= Sudut putaran runner, dalam derajat

21

Perhitungan kecepatan mutlak rata-rata pada arah bujur

→ membutuhkan penerapan metode integral numerik.

2.6.4 Diameter Runner

Gambar 2.6 Diameter luar (D0) dan dalam (Dt) runner

a. Diameter Luar (D0)

Bila sudut ditetapkan α = 16°

Φ = 0,98

D

0

= 39,85 x H

-0,5

/n

. . . .(2.16)

Ditentukan kecepatan spesifik maksimum turbin cross flow

n = 133 √ b. Diameter Dalam (Di)

Untuk diameter dalam runner (Di) direncanakan perbandingan Dt/D0 = 2/3. Hal ini sesuai dengan

22

Perencanaan pabrik turbin ossberger jerman dimana dengan asumsi ini akan didapat efisiensi turbin yang paling baik, maka selanjutnya :

D

i

= 2/3 . D

0. . . .(2.17)

2.6.5 Geometri sudu

Gambar 2.7 Geometri sudu

Untuk memungkinkan perencenaan runner dengan benar, geometri sudu harus ditentukan. Dalam pelaksanaannya. Besar besaran berikut ditetapkan atas dasar pertimbangan hidrolis segitiga-segitiga kecepatan yang dimulai :

R1 = Jari-jari lingkar luar runner

R2 = Jari-jari lingkar dalam runner,tempat kedudukan salah satu ujung kerangka sudu

β 1 = Sudut sudu sisi masuk

β 2 = Sudut sudu sisi ke luar

Sumbu penampang lintang atas garsis kerangka sudu merupakan bagian dari ligkaran seperti lazimnya pada turbin aliran silang. Parameter geometris lainnya adalah :

23

rb = jari-jari kelengkungan sudu

rp = Jari-jari lingkaran tusuk δ = Sudut kelengkungan sudu

Untuk menyatakan hubungan geometris antara besar besaran R1,R2,β1, β2, dan rb,rp, diperlukan adanya parameter tambahan lain,yaitu :

ɛ,Ԑ,ɸ,c dan d.

Gambar tersebut juga membrikan penyelesaian grafis atas persoalan sudu (β1 + β2) yang digambarkan dari pusat runner sedemikian hingga satu sisi pengapitnya memotong jari-jari R1, sedangkan sisi lainnya memotong R1, sedangkan sisi lainnya memotong R2, garis penghubung kedua titik potong tadi mempunyai panjang. Garis ini memotong lingkaran berjari-jari R2 sepanjang 2d dari titik potongnya dengn lingkar luar runner.

Menarik garis bagi atas jarak 2d ini menghasilkan garis tempat kedudukan pusat kelengkungan sudu didapatkan merupakan titik potong antara garis bersudut β1 yang ditarik titik potong atas lingkaran berjari-jari R1,dengan garis bagi tersebut itu pusat jari-jari terletak sejauh jari-jari lingkaran tusuk rp dari sumbu runner. Jari-jari rb digambarkan sampai juga memotong lingkar dalam runner berJari-jari-Jari-jari R2. Bila kedua titik potong di kedua lingkaran runner dihubungkan berturut-turut dengan pusat jari-jari rb dan sumbu runner diperoleh sudut δ,rb dan rp berdasarkan besaran R1,R2, β1 dan β2 yang sudah diketahui. Kontruksi grafis geometri sudu dapat digunakan untuk memeriksa harga-harga besaran hasil perhitungan.

 Jarak (C ) = √  Sudut (Ԑ ) = arcsin [

 Sudut (Ԑ) = 180° - ( ɛ)  Teta (ɸ) = ° - 2ɛ  Lebar setengah sudu (d)= _{° ɛ} ɸ

24

 Sudut lengkung sudu(δ) = 180° - 2 ( ɛ

 Jari-jari kelengkungan sudu (rb) = _ɛ

 Pusat jari-jari sudu (rp) = √ + R12 – 2rb R1 cos 1

2.6.6 Kecepatan Air Masuk Sudu-sudu dan Lebar Runner

Kecepatan air mauk sudu-sudu (V) :

V = √

[m/dtk] . . . .(2.18)

Luas pemasukan aliran adalah hasil kali lebar runner, b0 dengan panjang busur pemasukan, L

A = b

0

. L

. . . .( 2.19)

L ditentukan oleh busur pemasukkan ɸ [°], dan diameter runner, D2 = 2 R1

L =

_° . . . ( 2.20) Dengan tinggi terjun tertentu, Luas pemasukkan tergantung kepada kebutuhan debit

aliran.

Q = A . v

. . . (2.21) Dimana : Q = Debit air masuk turbin [m3/dtk]

A = Luas pemasukkan aliran [m2]

v = Kecepatan aliran [m/dtk], tegak lurus terhadap luas pemasukkan.

Komponen kecepatan yang berarah tegak lurus terhadap luasan pemasukkan adalah komponen kecepatan mutlak di arah bujur, cm sehingga dengan demikian maka :

25

Komponen kecepatan di arah bujur ini dapat dinyatakan sebagai :

c

m

= c . sin α

. . . (2.23)

C = √

. . . (2.24)

Dimana :

g = Percepatan gravitasi [m/dtk]

H = tinggi terjunan bersih [m]

Menggunakan hubungan tersebut diatas, debit air masuk turbin dapat dinyatakan dengan :

Q = A . Cm

Q = b0 . L . Cm

Q = _°

Q =

√ _°

Sin α

. . . .(2.25)

Persamaan ini memuat semua besaran yang berpengaruh terhadap debit aliran masuk turbin :

B0 = Lebar Pemasukkan

R1 = Jari-jari runner

H1/2 = Akar tinggi terjun netto

Sin α = Sinus sudut kecepatan mutlak disisi masuk

26

Gambar 2.8 : Luasan pemasukkan aliran / lebar runner

2.6.7 Perencanaan Poros Runner

a. Menentukan momen bengkok maksimal (Mbmax) dan tegangan bengkok yang diizinkan

(

b

=

)

. . . (2.26)

Keterangan :

max = Kekuatan tarik maksimum dari bahan poros = 37 [kg/mm2] . g V = Faktor keamanan untuk beban dinamis berulang = 5

Tegangan bengkok yang terjadi

b = . . . (2.27) Wb = . . . (2.28)

d = √

. . . (2.29) Keterangan :

b = Tegangan bengkok yang diizinkan Mb= Momen bengkok

b. Menentukan diameter poros (d)

27

Keterangan :

= Tegangan bengkok yang dizinkan = Momen bengkok

c. Menentukan momen puntir (Mp), momen tahanan puntir (Wp), tegangan puntir yang ada pada poros runner

Mp = 9550 [Nmm] . . . (2.31) Wp = Wb = d3 [mm3] . . . (2.32)

τ

p

=

. . . .(2.33) Dimana : Mp = Momen puntir [Nmm] P = Tenaga [watt] n = Putaran [rpm] Wp = Momen puntir [mm2] τp = Tegangan puntir (N/mm2) 2.7 Perencanaan Pasak

Pasak (key) adalah sebuah elemen mesin berbentuk silindrik,balok kecil atau silindrik tirus yang berfungsi sebagai penahan elemen yang berputar seperti puli,sprocket roda gigi atau kopling pada poros. Jika pasak tidak terpasang dengan benar antara puli dengan poros maka kemungkinan akan terjadi slip diantara bagian yang berkontak. Keausan akan dialami oleh lubang puli bila terjadi slip.

28

Untuk itu perlu perancangan pasak yang benar agar mendapatkan hasil yang optimal. Pasak yang akan dipasangkan antara puli dan poros harus berada ditempat yang benar. Pada permukaan poros dimana akan dipasangkan puli harus dibuat alur sebagai tempat duduknya pasak. Ukuran antara alur dan pasak harus sama dan pas agar tidak terjadi pergeseran saat poros bergerak.

Jenis pasak yang akan direncanakan untuk dipasang antara poros dan pulley pada rancang bangun turbin crossflow ini adalah pasak persegi panjang.

Pasak yang berperan sebagai penetap elemen pada poros selama pamakaian menerima gaya geser sebagai beban utama. Besarnya gaya geser pada pasak sangat bergantung besarnya daya dan putaran yang ditransmisikan melalui poros. Bila direncanakan poros tersebut mampu memindahkan daya sebesar P [KW] dengan putaran (n) rpm, maka sudah barang tentu pasak yang akan direncanakan tersebut juga harus mampu meneruskan daya dan putaran , sehingga besar torsi (T) yang bekerja pada poros yaitu :

T =

[N.M] . . . (2.34)

Jika poros sebagai tempat duduknya pasak berdiameter D = 2R da nada torsi bekerja pada poros itu, maka gaya tangensial ( berupa gaya geser ) yang terjadi pada pasak ialah :

Ft

=

. . . (2.35)

Kegagalan pada pasak ada dua jenis yaitu kegagalan akibat geseran dan kegagalan akibat tekanan. Kegagalan akibat geseran menyebabkan pasak menerima tegangan geser (

τ

), sedangkan kegagalan akibat tekanan (bearing) menjadikan bagian pasak mendapat tekanan normal (

σ

).

τ =

29

σ =

=

. . . .(2.37)

Dimana : b = lebar pasak

h = Luas penampang bidang tekan ( 1/2 tebal pasak)

l = Panjang pasak

Persamaan tersebut tidaklah berarti tanpa membandingkannya dengan kekuatan material pasak. Dengan mendefinisikan tegangan yang diizinkan masing-masing untuk menggantikan tegangan normal dua tegangan geser maka persamaan tersebut memberikan makna yang lebih bermanfaat yaitu panjang pasak bias diperoleh.

Panjang pasak dari kegagalan akibat tegangan normal yaitu :

τ =

=

l =

. . . (2.38)

Panjang pasak dari kegagalan akibat tegangan normal yaitu :

σ =

l =

. . . (2.39)

Dari kedua persamaan tersebut, persamaan yang menghasilkan panjang pasak yang lebih panjang maka itulah panjang pasak yang dipilih.

Untuk ukuran lebar dan tebal pasak biasanya sudah distandarisasi, maka hasil perhitungan harus dipilih ukuran yang ada pada standarisasi. Bila hasil perhitungan ukurannya tidak ada yang cocok dalam tabel pasak, maka ukuran pasak yang diambil adalah ukuran yang lebih besar. Dibawah ini dicantumkan ukuran lebar dan tebal pasak sesuai dengan standar pasaran:

30

Tabel 2.2 Standar pasak melintang

2.8 Perencanaan Bantalan

Bantalan adalah suatu elemen mesin yang menumpu poros berbeban, sehingga putaran dapat berlangsung secara halus, aman, dan panjang umur pemakaiannya.

31

Bantalan dapat diklasifikasikan atas dua bagian : 1) Atas dasar gerakan bantalan terhadap poros.

 Bantalan luncur

Pada bantalan ini terjadi gesekan luncur antara poros dan bantalan karena permukaan poros ditumpu oleh permukaan bantalan dengan perantaraan lapisan pelumas.

 Bantalan gelinding

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

Gambar 2.10 Bantalan Gelinding

2) Atas dasar arah beban terhadap poros  Bantalan aksial

Arah beban yang ditumpu bantalan ini adalah tegak lurus terhadap sumbu poros.

 Bantalan radial

Arah beban bantalan ini sejajar dengan sumbu poros.  Bantalan gelinding kbusus

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

32

Parameter-parameter yang digunakan dalam perencanaan bantalan adalah:

1. Beban tangensial (Ft) V . 102 Pd Ft kg ..………(2.40) Dimana :

Pd : daya rencana poros (Kg) V : kecepatan tangensial (m/s)

2. Beban Aksial (Fa) :

Fa = Ft . tan 20 (Kg) ..………...………...(2.41) Rumus phitagoras 3. Beban Radial Fs = Fr Fr =

   

Fn 2  Ft 2 (Kg) ..………...…...(2.42) Dimana Fn = ₀ 20 Cos Ft (Kg) ……..………...(2.43) Dengan perbandingan : 0159 . 0 18032 099 . 287   N N Co Fa ..………...……...………..(2.44)

4. Beban Ekivalen Dinamis spesifik (P)

P = (X . Fr) + (Y . Fa) (Kg) ..………...………...(2.45) 5. Faktor Kecepatan (Fn) Fn = 3 / 1 3 , 33       n (rpm) ...………...……...(2.46) 6. Faktor Umur Bantalan (Fh)

Fh = Fn       P C (rpm) ..……...………...…...(2.47)

33 7. Umur Bantalan (Lh)

Lh = 500 . Fh3 (Jam) ....………...…...(2.48)

2.9 Perencanaan sabuk (Belt)

Sabuk berfungsi untuk memindahkan putaran dari poros satu lainnya, baik putaran tersebut pada kecepatan putaran yang sama maupun putarannya dinaikkan maupun diperlambat, searah dan kebalikannya.

Sabuk diklasifikasikan menjadi 3 jenis : 1. Sabuk rata (Flat belt)

2. Sabuk trapesium (V-Belt) 3. Sabuk bulat (Circular belt)

Sabuk yang direncanakan adalah sabuk V dengan pertimbangan :

1. Kemampuan untuk mentransmisikan daya lebih besar pada tegangan yang relatif rendah

2. Kecepatan sabuk maksimum bisa mencapai 25 m/s. 3. Mudah didapat dipasaran.

4. Mempunyai slip lebih kecil dari pada sabuk rata.

Sabuk V terbuat dari karet dan mempunyai penapang trapesium, sabuk V dibelitkan di sekeliling alur pulley yang berbentuk V pula.Transmisi sabuk yang bekerja atas dasar gesekan belitan mempunyai beberapa keuntungan karena murah harganya, sederhana kontruksinya dan mudah untuk mendapatkan perbandingan putaran yang diinginkan. Kekurangan yang ada pada sabuk ini adalah terjadinya slip antara sabuk dan pulley sehingga tidak dapat dipakai untuk putaran tetap atau perbandingan transmisi yang tetap.

Sabuk bentuk trapesium atau bentuk V dinamakan demikian karena sisi sabuk dibuat serong, supaya cocok dengan alur roda transmisi yang berbentuk V.Kontak gesekan yang terjadi antara sisi sabuk V dengan dinding alur menyebabkan berkurangnya kemungkinan selipnya sabuk penggerak dengan tegangan yang lebih

34

kecil dari pada sabuk yang pipih.Dalam kerjanya sabuk V mengalami pembengkokan ketika melingkar melalui roda transmisi. Bagian sebelah luar akan mengalami tegangan, sedangkan bagian dalam akan mengalami tekanan. Susunan sabuk V terdiri atas :

1. Bagian elastis yang tahan tegangan dan bagian yang tahan kompresi.

2. Bagian yang membawa beban yang terbuat dari bahan tenunan dengan daya rentangan yang rendah dan tahan minyak sebagai pembalut.

Pada perpindahan sabuk, gerak putarnya dipindahkan dari pulley sabuk yang satu ke pulley sabuk yang lain. Supaya terdapat suatu gesekan yang cukup kuat antara sabuk dan pulleynya, sabuk di pasang sekencang-kencangnya pada pulley-pulleynya atau diberi pulley pengencang. Bagian sabuk yang sedang membelit pada pulley mengalami lengkungan sehingga lebar bagian dalamnya akan bertambah besar. Gaya gesekan juga akan bertambah karena pengaruh bentuk, yang akan menghasilkan transmisi daya yang besar pada tegangan yang relatif rendah. Hal ini merupakan salah satu keunggulan sabuk V dibandingkan dengan sabuk rata.

Syarat yang harus dipenuhi untuk bahan sabuk adalah kekuatan dan kelembutan yang berguna untuk bertahan terhadap kelengkungan yang berulang kali disekeliling pulley. Selanjutnya yang penting ialah koefisien gesek antara sabuk dan pulley, massa setiap satuan panjang dan ketahanan terhadap pengaruh luar seperti uap lembab,kalor, ebu, dan sebagainya.

Faktor yang menentukan kemampuan sabuk untuk menyalurkan tenagaadalah : 1. Regangan sabuk pada pulley.

2. Gesekan antara sabuk dan pulley.

3. Lengkung persinggungan antara sabuk dan pulley

4. Kecepatan sabuk (makin cepat sabuk makin kurang terjadi regangan dan singgungan)

Transmisi sabuk akan efektif jika terjadi gesekan antara sabuk dengan pulley. Koefisien gesekan sabuk dengan pulley ditentukan oleh beberapa faktor yaitu :

1. Bahan sabuk. 2. Bahan pulley.

35

3. Kecepatan sabuk. 4. Slip yang terjadi.

no Belt Material

Pulley Material Cast Iron Steel

Wood Paper

Bather Face

Rabber Face Dry Wet Groasy

1 bather oak tanrod 0,25 0,2 0,15 0,3 0,33 0,38 0,4 2 bather chrom tanrod 0,35 0,32 0,22 0,4 0,45 0,48 0,5 3 canvas sticket 0,2 0,15 0,12 0,23 0,25 0,27 0,3 4 cotton woren 0,22 0,15 0,12 0,25 0,28 0,27 0,3 5 Rubber 0,3 0,18 0,32 0,35 0,4 0,42

Tabel 2.3 Harga koefisien Gesekan (µ) A. Menentukan Jenis Sabuk V

Sabuk V tersedia dalam berbagai standar menurut ukuran penampangnya yaitu mulai dari ukuran A,B,C,D dan E. Masing-masing ukuran disesuaikan dengan besarnya daya yang akan ditransmisikan.

Type of belt Power ranges in Kw Minimum pitch diameter of pulley (D) mm Top width (b) mm Thickness (t) mm Weight per metre length in newton A 0.7-3.5 75 13 8 1.06 B 2-15. 125 17 11 1.89 C 7.5-75 200 22 14 3.43 D 20-150 355 32 19 5.96 E 30-350 500 38 23

36

Penampang A B C D E

Diameter min. yang diizinkan

65 115 175 300 450

Diameter min. yang dianjurkan

95 145 225 350 550

Gambar 2.11 Ukuran jenis sabuk

Jenis sabuk yang akan dipilih dapat ditentukan dengan menggunakan diagram karpet sebagai berikut :

Grafik 2.3 Diagram Pemilihan Sabuk V

Diagram karpet berfungsi sebagai alat bantu dalam memilih jenis sabuk V dengan menghubungkan daya yang akan ditransmisikan dengan putaran pulley kecil.

37 B. Perbandingan putaran

pulley follower (d1) pulley driver (d2)

n1 n2

Gambar 2.12 Perbandingan putaran pulleydriver dan pulley follower Pulleydriver disimbolkan dengan D2 dan pulley follower disimbolkan dengan

D1. Selama beroperasi, sabuk V membelit kedua puli dan bergerak dengan kecepatan tertentu. Dengan mengasumsikan tidak terjadi slip pada sabuk maka :

Kecepatan sabuk pada driver = kecepatan sabuk pada follower

V1 = V2. . . (2.49)

πd1n1 = πd2n2

n2

. . . (2.50)

(slip dan mulur tidak diperhitungkan)

Jika tebal sabuk diperhitungkan, maka :

n2 =

t = tebal sabuk. . . (2.51) Slip dapat terjadi pada pulley driver dan pulley follower. Pada pulley driver, slip terjadi ketika pulley berputar namun sabuk tidak ikut berputar. Slip pada pulley

38 C. Dimensi Sistem Transmisi Sabuk 1. Dimensi pulley

Ukuran pulley diwakili oleh meternya yaitu jarak maya yang dikenal dengan nama diameter pitch yang dimana letaknya berada diantara diameter dalam dan diameter luar pulley.

Dalam menentukan dimensi pulley, langkah awal yaitu menentukan dimensi

pulley kecil terlebih dahulu. Ukuran diameter minimum puli kecil dapat dilihat pada

tabel dengan berdasarkan pada jenis sabuk.

Jenis Sabuk Diameter Pitch Minimum (in)

A 3

B 5,4

C 9

D 13

E 21

Tabel 2.5 Ukuran Pulley Minimum

Ukuran pulley bisa dipilih lebih kecil dari angka ditabel tetapi pemakaiannya bisa memperpendek umur sabuk.

Setelah menemukan ukuran pulley kecil kemudian ukuran pulley besar dapat ditentukan dengan menggunakan prinsip perbandingan putaran, terlebih dahulu dengan mengetahui rasio kecepatan atau seberapa besar kecepatan ingin diturunkan. Namun dalam perancangan turbin crossflow ini kecepatan dari runner (pulley besar) dapat dihitung sedangkan kecepatan generator (pulley kecil)telah ditentukan, dengan demikian ukuran diameter dari pulley besar dapat dihitung.

39 2. Jarak Antar Pusat Pulley

pulley follower (d1) pulley driver (d2)

n1 c n2

Gambar 2.13 jarak antar pusat pulley

Jarak antar pusat pulleydisimbolkan dengan lambang C pada gambar. Jarak antar pusat pulley dapat diketahui ukurannya diantara :

D2 < C < 3 (D2+D1). . . (2.52)

Dengan mengetahui jarak batas yang ditentukan untuk jarak antar pusat pulley maka itu sama dengan sudah mendapatkan posisi untuk kedua pulley. Dengan mengetahui jarak antara pusat pulley maka panjang sabuk dapat dihitung dengan persamaan :

L = . . . .(2.53)

Perhitungan dengan menggunakan persamaan diatas menghasilkan keliling sabuk yang diinginkan namun dipasarkan keliling sabuk atau panjang sabuk tersedia dalam ukuran standar. Oleh karenanya hasil perhitungan panjang sabuk akan dicocokkan dengan standar panjang sabuk yang tersedia dipasaran, sebagai konsekuensinya maka jarak antar pusat pulley dapat berubah. Selanjutnya, setelah panjang sabuk standar dipilih maka jarak antar pusat pulley harus diperhitungkan kembali untuk mendapatkan jarak antar pusat pulley sebenarnya. Perhitungannya menggunakan persamaan berikut :

C8

40

Dimana : C8 = jarak antar pusat pulley

L8 = panjang sabuk dalam ukuran standar

3. Panjang Sabuk

Panjang sabuk yang dimaksud adalah panjang keliling dari sabuk.Seperti telah disebutkan diatas bahwa panjang sabuk dapat dicari jika jarak antara pusat pulley sudah diketahui. Adapun perhitungannya menggunakan persamaan :

L . . . (2.55)

Dimana : C = jarak antara pusat pulley

Sistem persamaan sabuk V yang ada di pasaran didasarkan pada tipe sabuk (A,B,C,D dan E) dan panjang keliling sabuk.

D. Gaya yang bekerja pada sabuk

Bila sabuk dalam keadaan diam atau tidak meneruskan daya, maka tegangan diseluruh panjang sabuk adalah sama. Sedangkan apabila sabuk itu bekerja meneruskan putaran dari pulley maka tegangan sabuk akan bertambah pada sisi tarik.

Tegangan maksimum pada sabuk dapat ditentukan dengan rumus :

Tmaks =

t

.A. . . (2.56)

Dimana :

t

= tegangan tarik izin sabuk (kg/mm2)

A = luas penampang sabuk (mm2)

41

Tegangan tarik sabuk (

τ

) = 21-35 N/mm2

Dengan diketahuinya tegangan maksimum sabuk (Tmaks) dan gaya sentrifugal (Tc) maka gaya tegang pada sisi tarik sabuk dapat ditentukan.

Tmaks = T1+ Tc

Untuk mendapatkan gaya tekan pada sisi kendor sabuk dipergunakan gaya tegang sabuk yaitu :

. . . (2.57)

Dimana : µ : koefisien gesek sabuk dan pulley

Ɵ : sudut kontak

α

: angle groove (sudut celah pulley) ℮ : bilangan alam = 2,71282828...

a T1

T2

Gambar 2.14 tegangan pada sabuk

T1 = sisi sabuk yang tegang/kencang (tight side) T2 = sisi sabuk kendur (slack side)

42 E. Gaya maksimum pada sabuk

T1 = Tmaks bila gaya sentrifugal sabuk dihilangkan T1 + Tc = Tmaks bila gaya sentrifugal diperhitungkan

Tc =

. . . .(2.58) Dimana : Tc = gaya sentrifugal

m = massa sabuk (kg/m) g = gravitasi (9,81 m/s2) v = kecepatan sabuk

v =

. . . (2.59)

d1 = diameter pulley driver n1 = putaran pulley driver

sabuk mentransmisikan daya yang dapat dihitung dengan rumus :

P = (T1-T2) V.. . . .(2.60)

Dimana : P = daya

T1 = gaya tegang sabuk pada posisi kencang T2 = gaya tegang sabuk pada posisi kendur V = kecepatan sabuk

Tmaks = A . t A = luas penampang sabuk

43

a

S

b = 2a = 400 b =

Gambar 2.15 Luas Penampang Sabuk

F. Menentukan profil alur sabuk V

Berdasarkan diameter nominal atau diameter lingkaran jarak bagi (Dp), maka profil sabuk alur V dapat ditentukan berdasarkan tabel seperti pada lampiran.

2.10 Perencanaan pulley

Pulley yang digunakan untuk turbin crossflow ini dapat dipilih berdasarkan lampiran tabel standard V-pulley.

Diameter pulley dapat ditentukan berdasarkan tabel dan perbandingan putaran sebagaimana dibahas diatas.

Untuk lebar pulley, jika lebar belt yang akan digunakan (b) sudah diketahui maka lebar pulley (B) dirumuskan :

44

Untuk mencari tegangan izin pada pulley :

=

. . . (2.62)

Dimana : Tmaks = tegangan tarik maksimum (N/mm2)

V = faktor keamanan beban dinamis berulang

Gambar 2.16 pulley type-V

Keterangan:

D : Diameter pulley (mm) α : Sudut alur ( º )

t : Kedalaman alur (mm) a : Lebar alur (mm)

47

BAB III

HASIL DAN PEMBAHASAN

3.1 Dasar Perencanaan

Dari hasil survey lapangan di dapat data-data sebagai dasar perencanaan

runner pada turbin crossflow. Debit air diperoleh dengan cara pengukuran luas

penampang air dikali dengan kecepatan rata-rata air, dengan data-data sebagai berikut:

a. Jarak [s] = 10 meter

b. Waktu [t] = 5 dtk

c. Kecepata air [v] = =

= 2 m/dtk

d. Lebar saluran [l] = 0,3 meter e. Kedalaman air pada saluran [h] = 0,25 meter f. Luas penampang air [A] = l x h

= 0,3 m x 0,25 m = 0,075 m2 Jadi didapatkan debit air terukur sebesar :

Q

t = V x A

= 2 m/dtk x 0,075 m2

= 0,15 m3/dtk

= 150 l/dtk

Untuk menjamin ketersedian air sepanjang tahun, perhitungan daya dilakukan pada 50 – 80 % dari debit air terukur, maka debit desain sebagai berikut :

48

a. Debit desain

[Q

d

]

= 100 l/dtk = 0,1 m3/dtk b. Tinggi jatuh air

[H

net

]

= 5 meter

c. H

losses :

H

f

=f .

F = (aliran laminar) Re = = = 400

f

=

hf

= 0,16. = 0,024 m

Dimana :

Viskositas zat cair dengan suhu ‘20ºC’ [pa.s][Ns/m2] (lampiran)

Re= Bilangan reynold (aliran laminar = Re<2300)

Massa jenis zat cair (1000 kg/m3)

f

= faktor gesekan

h

f= head loss akibat gesekan [meter]

d. H

eff

= H

net

– H

losses = 5 m - 0,024 m

49 Ditetapkan : a. Grafitasi [g] = 9,81 m/s2 b. Efisiensi turbin

[ἡ

t

]

= 70 % c. Efisiensi generator

[ἡ

g

]

= 82 % Dimana :

a. Dasar efisiensi turbin

η ; Efisiensi maksimum (%, tetapi sebuah desimal digunakan dalam perhitungan)

η = 82 % untuk Turbin Pelton η = 84 % untuk Turbin Francis η = 77 % untuk Turbin Crossflow * η = 84 % untuk Turbin Tubular S-type

Catatan: * 70% harus digunakan untuk setiap tipe dari turbin tipe Crossflow di Indonesia pada tahap sekarang karena efisiensi dari turbin di Indonesia sekarang tidak terlalu tinggi akibat kualitas fabrikasi.

( Sumber : Panduan untuk Pembangunan Pembangkit Listrik Mikro

50 b. Dasar efisiensi generator

Efisiensi generator

[ἡ

g

] =

x 100 %

Dimana :

= daya listrik kumparan sekunder

= daya listrik kumparan primer

( Sumber : Rijino (19997:145-148) buku generator,efesiensi1)

3.2 Daya Keluaran Turbin

a.

Pa

=

Q .h . g

= 0,1 m3/s . 5m . 1000 kg/m3 . 9,81 m/s2 = 4905 W = 4,9 kW b.

Pt

=

Pa .ἡ

t =4,9kW . 0,70 = 3,43 kW c.

Pi

=

Ptr .ἡ

g = 3,67kW . 0,82% = 2,81 kW ≈ 3 kW Dimana : Pa = Power Air [kW] Pt = Daya turbin [kW] Pi = Daya listrik [kW]

51

3.3 Perencanaan Runner

Gambar 3.1 Runner

Runner merupakan komponen utama pada turbin air, yang proses operasinya

berupa putaran. Putaran pada runner ini dihasilkan akibat adanya gaya dorong air yang menumbuk kuat pada sudu-sudu runner.

Berdasarkan faktor-faktor yang terjadi pada saat runner beroperasi, maka hal yang harus dipertimbangkan dalam pemilihan bahan runner adalah :

a. Runner dapat bekerja apabila adanya gaya dorong air yang menumbuk kuat, maka bahan yang digunakan harus tahan terhadap tekanan.

b. Putaran yang terjadi pada saat runner bekerja mengakibatkan terjadinya puntiran pada runner, maka bahan yang dipilih adalah bahan yang tahan terhadap puntiran.

c. Runner hanya dapat bekerja pada saat kondisi basah oleh air. Agar runner dapat berumur panjang jadi bahan yang digunakan haruslah tahan terhadap korosi.

52

Runner terdiri dari beberapa komponen, yaitu sebagai berikut :

a. Sudu, berfungsi untuk menerima energi tekan dan kecepatan fluida kerja yang masuk.

b. Blade, adalah tempat kedudukan sudu, berfungsi untuk meneruskan daya dan putaran yang diterima dari sudu ke poros lain.

c. Poros, berfungsi untuk meneruskan daya dan putaran diterima runner keluar turbin dan juga berfungsi untuk mendukung momen yang terjadi.

Sifat Alumunium Besi Cor Baja Karbon Baja Krom

Tahan tekanan 4 6 8 8

Tahan puntir 4 7 8 8

Tahan Korosi 9 5 7 8

Biaya murah 5 8 7 4

Jumlah 22 26 30 28

Tabel 3.1 Kriteria pemilihan bahan runner

Bahan dengan kualitas kurang baik diberi nilai (1-3)

Bahan dengan kualitas sedang diberi nilai (4-7)

Bahan dengan kualitas baik diberi nilai (8-10)

Berdasarkan analisis penilaian terhadap pemilihan bahan runner maka bahan yang dipilih adalah baja karbon dan fakltor keamanannya (V) = 5.

Dalam perencanaan runner turbin crossflow terlebih dahulu harus menghitung diameter terluar dan lebar pemasukan aliran air pada runner berdasarkan debit air dilapangan, yaitu :

3.3.1 Diameter Runner

Bila sudut ditetapkan

α

= 16º dan

φ

= 0,98

53

Ditentukan kecepatan spesifik maksimum turbin crossflow :

n = 133 √

= 133 √

= 296,59 rpm = (296 rpm)

D = 39,85 x 50,5/296

D = 0,3 m = 300 mm

Jadi diameter terluar runner (Do) direncanakan dibulatkan menjadi 300 mm

Untuk diameter dalam runner (Di) direncanakan perbandingan Di/Do = 2/3 .

Hal ini sesuai dengan perencanaan pabrik turbin ossberger jerman dimana dengan asumsi ini akan didapat efisiensi turbin yang paling baik, maka selanjutnya :

Do = 300 mm R1 = 150 mm Di = 2/3 .300 mm

= 200 mm

R2 = 100 mm

Jumlah sudu : 28 buah

3.3.2 Geometri Sudu

Untuk memungkinkan perancangan runner dengan benar, geometri sudu harus ditentukan (dalam pelaksanaannya, besaran-besaran berikut ditetapkan atas pertimbangan hidrolis), yaitu sebagai berikut :

a. R1 = 150 mm b. R2 = 100 mm

54 Ditetapkan :

a. β1 = 30º b. β2 = 90º

Gambar 3.2 Kontruksi geometri sudu

a. Jarak (c)

c

= √ = √ = 217,94 mm b. Sudu (ε)

ε

=

arc sin (

)

=

arc sin (

)

= 23,41º

55 c. Sudut (ξ)

ξ

= 180º -

(β

1

+ β

2

+ ε)

= 180º - ( 30 + 90 + 23,41) = 36,59º d. Teta (ϕ)

Φ

=

β

1

+ β

2

– (180º - 2ε)

= 30º + 90º - (180º - 2 . 36,59º) =13,18º

e. Lebar setengah sudu (d)

d

=

=

= 28,69 mm f. Sudut lengkung sudu (δ)

δ

= 180º - 2

(β

1

+ ε)

= 180º - 2(30º + 24,41º) = 73,18º

g. Jari-jari kelengkungan sudu (

r

b)

r

b =

=

= 48,13 mm

h. Pusat jari-jari sudu (

r

p)

r

p =

√

= √ = 111 mm

56

3.3.3 Perencanaan Sudu Runner

a. Kecepatan air masuk sudu-sudu (V)

V = √ = √ = 9,89 m/dtk b. Putaran runner

n

= 296 rpm

c. Momen puntir (Mp)

Mp

= 9550 x = 9550 x = 97,09 N/mm

d. Menghitung ukuran bahan yang digunakan untuk sudu-sudu

Menentukan ukuran bahan yang akan digunakan untuk sudu-sudu yaitu: R1 = 150 mm = 15 cm R2 = 100 mm = 10 cm

R

p =

R

p = = 4,8 cm

Jadi ukuran bhan yang akan digunakan untuk sudu-sudu dengan tebal 5 cm.

e. Letak pembagian jarak sudu pada blade (c)

Untuk mencari letak jarak sudu Do (diameter luar) dan Di (diameter dalam) kita harus mencari keliling blade tersebut lalu membaginya dengan jumlah sudu yang kita inginkan. Atau lebih jelasnya saya buatkan dalam rumus seperti berikut :

57 - Jarak sudu pada Di adalah :

c

=

c =

c

=22,4 mm

- Jarak sudu pada Do adalah

c

=

c

=

c

= 67,3 mm 3.3.4 Lebar Runner

Gambar 3.3 Luasan pemasukan aliran turbin aliran silang

a. Luasan pemasukan aliran (

bo)

Data yang diperoleh dilapangan

Debit desain (Qd) = 100 ltr/dtk = 0,1 m3/dtk Tinggi jatuh air (H) = 5 m

bo

= 3,623 √

bo

= 3,623 √ = 0,159 m = 160 mm

58 b. Panjang busur pemasukan air (L)

Data perencanaan : R1 = 150 mm Φ = 120º L = = = 314 mm c. Besarnya luas pemasukan aliran

A =

bo

. L

= 160 mm x 314 mm = 50240 mm2

3.4 Perencanaan Poros

Poros adalah suatu bagian stationer yang berputar, biasanya berpenampang bulat, dimana terpasang elemen-elemen seperti rodagigi, pulley, sprocket, dan elemen pemindah daya lainnya.Poros bisa menerima beban-beban lenturan, tarikan, tekan, atau puntiran, yang bekerja sendiri-sendiri atau berupa gabungan satu dengan yang lainnya. Bila beban tersebut bergabung, kita bisa mengharap kan untuk mencari kekuatan statis dan kekuatan lelah yang perlu untuk dipertimbangkan dalam perencanaan, karena suatu poros tunggal bisa diberikan tegangan-tegangan statis, tegangan bolak-balik lengkap, tegangan berulang, yang semuanya bekerja pada waktu yang sama.

59

3.4.1 Menentukan Momen Bengkok

Gaya-gaya yang bekerja pada poros dapat dilihat seperti pada gambar dibawah ini :

Gambar 3.4 Gaya-gaya yang bekerja pada poros

Gambar 3.5 Bidang Momen Bengkok

F2 F1

60

Diket : Do = 300 mm dimana : Tebal R1 = 10 mm R1 = 150 mm Tebal R2 = 5 mm Di = 2/3 . 300 mm

= 200 mm R2 = 100

Jumlah sudu = 28 buah

Volume runner

(Vr) = {2

+ 28(

)}

= { 2( .1502_{.10 mm) + 28(1/3. .100}2 . 5 mm)} = {1413000 + 1465333,33} = 2878333,33 mm3 = 2,8783333 dm3

Fr = Vr. ρ

( besi = 7,86 kg/dm3 ) = 2,8783333 dm3 . 7,86 kg /dm3 = 22,62 kg

Fa = Q

d

.t .ρ

( air = 1000 kg/m3= 1 kg/m3) = 100 dm3/ dt.5dt.1 kg /dm3 = 500 kg Dimana :

F

1

= F

r

+F

a = 22,62 kg + 500 kg = 522,62 kg

F

2

= W pully

= 25 kg

61 ΣMA = 0 Sjj + F1 . 145 – RB . 290 + F2 . 449 = 0 522,62 . 145 + 25.449 = RB . 290 87004,9 = RB . 290 RB = = 300,02 kg ΣFY = 0 Sjj + - RA + F1 – RB + F2 = 0 RA =522.62 + 25 – 300,02 = 247,6 kg

Momen bengkok yang terjadi sebagai berikut :

Sjj + MA = 0 MB = RA.145 = 247,6 . 145 = 35902 kg.mm MC = RA . 290 – F1. 145 = 247,6 . 290 – 522,62.145 = 71804 – 75779,9 = - 3975,9 kg.mm

62

MD = RA . 449 -F1. 304 + RB . 159

= 247,6 . 449 – 522,62 . 304 + 300,02 . 159

= 111172,4 – 158876,48 + 47703,18

= 0

a. Tegangan bengkokyang diizinkan

=

: = kekuatan tarik maksimum dari bahan (37 kg/

Faktor keamanan (5)

=

= 7,4kg/ b. Diameter poros = ⁄ = ⁄ = 35,41 mm

63

c. Menghitung momen puntir, momen tahanan puntir, dan tegangan geser yang terjadi pada poros dan runner.

⁄

Dimana : = Momen punter

= Momen tahanan punter

64

3.4.2 Perencanaan Pasak Untuk Poros Runner

Berdasarkan tabel 2.2 untuk diameter poros runner 17 mm, maka dapat diambil 38 mm pada tabel diketahui ukuran lebar dan tebal pasak sebagai berikut :

Lebar pasak (b) = 12 mm Tebal pasak = 8 mm Diket : P = 3000 watt n = 296 rpm T = = = 97,135 Nm = 97135Nmm

65

=

=

= 6475,6 Nmm

Dimana : P = Tenaga (watt)

n = Putaran (rpm)

T = Torsi (Nm)

R = Jari-jari poros runner (mm)

= Gaya tangensial (Nmm)

3.4.2.1 Perencanaan Pasak Berdasarkan Kemungkinan Kegagalan Akibat Gaya Geser

τ

geser izin

=

dimana : SF = Faktor keamanan (5)

= = 7,4 kg/mm2

l =

=

= 72,9 mm , panjang naf pulley = 60 mm

b =

=

66

3.4.2.2 Perencanaan Pasak Berdasarkan kemungkinan Kegagalan Akibat Gaya Tekan

dimana: h = Luas penampang bidang tekan ( 1/2 tebal pasak)

h = 1/2 .8 = 4 mm

τ

geserizin = 0,8 . tekan 7,4 kg/mm2= 0,8 . _tekan tekan= 9,25 kg/mm2

l =

=

= 175,01 mm , panjang naf pulley = 60 mm

h =

=

= 4 mm

Jadi ukuran pasak pada poros runner yang dipilih adalah :

l = 60 mm b = 15 mm

67

3.4.3 Data Hasil Perhitungan dari Perencanaan Runner dan Poros

a. Dasar perencanaan :

a. Debit terukur (Qt) = 150 liter/detik

b. Debit desain (Qd) = 100 liter/detik

c. Tinggi jatuh air (Hnet) = 5 meter

d. Tinggi jatuh air efisien (Hrff) = 3,4 meter

b. Daya keluaran turbin

a. Power air (Pa) = 4,9 kW

b. Daya turbin (Pt) = 3,43 kW

c. Daya listrik (Pi) = 3 kW

c, Dimensi runner

a. Diameter luar = 300 mm

b. Diameter dalam = 200 mm

c. Lebar runner = 160 mm

d. Jumlah sudu-sudu = 28 buah

d. Dimensi poros runner

a. Diameter poros runner = 38 mm

b. Panjang poros = 400 mm

c. Momen bengkok = 35902 kg.mm

d. Momen Puntir = kg.mm